宁南黄土丘陵26年生主要人工灌木林碳密度及其分配特征

刘 涛

(中共商丘市委党校经济学教研部，河南商丘 476000)

从工业革命开始，化石燃料被大规模利用，再加上土地利用方式转变，空气中CO2积累量越来越多，温室效应不断加剧。人工造林可以提高森林覆盖率，成为世界各国碳减排工程的重要措施之一[1]。我国人工林面积世界第一，Fang等[2]研究表明，人工林是我国森林碳储量增加的主体。作为世界上灌丛分布面积最广的国家之一，我国灌丛面积近2亿hm2[3]。20世纪70年代以来，黄土丘陵区大面积实施天然林保护工程、三北防护林工程和退耕还林工程等大型生态恢复工程[4]，沙棘、柠条和山毛桃在宁南黄土丘陵区大面积种植[5-9]，是该地区主要退耕灌木种。因此，对该地区灌木林碳密度进行研究，将有助于准确评估该地区灌木林地的碳储量。目前，对沙棘、柠条固碳能力的研究不多[10-13]，对山毛桃固碳能力的研究更少，目前仅见少量报道[8-9，11]，三者的固碳现状、速率和潜力尚不明确。鉴于此，笔者对宁南黄土丘陵区26年生沙棘、柠条和山毛桃林地碳密度及其分配规律进行研究，以期为该地区人工灌木林碳效益估算提供基础数据。

1 材料与方法

1.1试验地概况宁夏回族自治区固原市隆德县属于半湿润向半干旱过渡地区，春季低温少雨，夏季短暂且冰雹较多，秋季阴涝，冬季寒冷且持续时间长。年平均气温为全自治区最低，仅5.1 ℃，1月平均气温最低，为-25.7 ℃；7—8月平均温度最高，为30.4 ℃。年平均日照时数2 128 h，无霜期124 d。年平均降水400～700 mm，主要集中在夏、秋2季，特别是7—9月。持续干旱年时，降水量下降，灾害性天气主要有霜冻、冰雹等。

该试验中，所有样点均设在隆德县张程乡，造林前为坡耕地，为典型的黄土丘陵地貌类型，造林前后土壤类型为黄绵土，造林后禁牧，无人类干扰。沙棘林样点位于105°50′ E，35°35′ N，海拔1 868～1 932 m，坡度大多在13°～18°，林龄为26 a，灌木层平均盖度55.11%，平均基径1.30 cm，平均株高155.20 cm，林下草本主要以铁杆蒿、冰草等为优势种，草本盖度4.23%；柠条林样点位于105°50′ E，35°34′ N，海拔1 793～1 854 m，坡度大多在13°～18°，林龄为26a，灌木层平均盖度43.67%，平均基径2.76 cm，平均株高170.60 cm，林下草本以白羊草、硬质早熟禾等为优势种，草本盖度2.41%；山毛桃林样点位于105°52′ E，35°37′ N，海拔1 893～2 013 m，坡度大多在16°～19°，林龄26 a，灌木层平均盖度33.67%，平均基径3.22 cm，平均株高162.4 cm，林下草本以长芒草、铁杆蒿等为优势种，草本盖度2.52%。

1.2样地设置样地调查于2011年8月在宁夏固原市隆德县张程乡进行，分别选择26年生沙棘、柠条和山毛桃代表性样点1个，每个样点在坡顶、坡中、坡底分别选取10 m×10 m样地3块，每个样地沿对角线选3个2 m×2 m小样方。

1.3生物量测定在灌木样地每个2 m×2 m的小样方中，采用全挖法获取灌木叶、茎、根、草本地上部分和草本地下部分鲜重，然后按比例选取适量样品秤量鲜重，并带回实验室。先测定叶、枝和根等组分的鲜重，然后分别采集各组分的样品，在室内105 ℃杀青后置于80 ℃恒温箱中烘至恒质量，计算含水量，将各组分的鲜质量换算成干质量。

1.4土壤样品的采集、处理和测定样地内用5 cm土钻取土样，取样深度为0～100 cm，其中0～30 cm每隔10 cm取样1次，30～50 cm取样1次，50～100 cm取样1次。每层随机打3钻土，同一层次土混合得到该层次土样。采集的土壤在自然条件下风干并碾碎，过孔径0.25 mm铁筛，用于碳含量测定。在样地内选择具有代表性的地段挖掘1个100 cm深的土壤剖面，然后沿剖面用环刀采集各层土壤作为原状土，带回实验室测定土壤体积质量。用重铬酸钾-硫酸氧化法测定植物样品的碳含量；用K2Cr2O7容量法测定土壤样品的碳含量[14]。

1.5碳密度测定法单位面积生物量与碳含量相乘得出灌木各器官的碳密度；灌木各器官碳密度相加得出灌木层碳密度；单位面积生物量与碳含量相乘得出草本层碳密度；每个土层容重与碳含量相乘得出该土层的碳密度；各层土壤碳密度相加得出林地土壤碳密度；灌木层、草本层和林地土壤层碳密度相加得出林地碳密度。

1.6统计分析数据用Excel 2013和SPSS 19.0软件处理。数据均用“平均值±标准差”模式表示。

2 结果与分析

2.1植被碳密度及其分配

2.1.1灌木碳密度及其分配。由表1、2可知，在沙棘、柠条和山毛桃3种灌木中，茎的碳密度所占比例均最高，分别为76.42%、65.35%和 56.84%；其次是根，分别为16.38%、31.22%和39.46%；叶最小，分别仅占7.20%、3.43%和3.70%。因此，茎是灌木层碳密度的主体。

表1 灌木不同器官碳密度Table 1 Carbon density of different shrub organs t/hm2

注：同列不同小写字母表示处理间差异显著(P< 0.05)

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表2 灌木不同器官碳密度分配

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2.1.2植被(包括灌木和草本)碳密度及其分配。由表3可知，碳密度的分配在不同灌木林之间差异不显著，但灌木层碳密度显著高于草本层，草本层仅在植被层碳密度中仅占很小比例，沙棘、柠条和山毛桃草本层碳密度分别占植被层的5.53%、1.41%和1.14%。

表3 植被层碳密度及其分配

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2.23种灌木林土壤层的碳密度由表4可知，3种灌木林土壤层的碳密度随着土层深度的增加呈下降趋势。0～10 cm土层碳密度均显著高于50～100 cm土层碳密度，沙棘、柠条和山毛桃0～10 cm土层碳密度分别是50～100 cm土层碳密度的1.84、2.50和3.48倍。

2.33种灌木林地的碳密度及其分配由表3、5可知，土壤层是林地碳密度的主体，其次是灌木层，草本层所占比例最小。26年生沙棘、柠条和山毛桃林土壤层碳密度分别为47.34、55.27和99.61 t/hm2，分别占总碳密度的83.25%、74.10%和84.80%；植被层碳密度分别为8.95、18.93和17.83 t/hm2，分别占总碳密度的16.75%、25.90%和15.20%；土壤层与植被层碳密度之比为分别为4.97∶1、2.86∶1和5.58∶1。以上结果均说明，土壤层是一个极大的碳库。

表4 土壤碳密度及其分配Table 4 Carbon density and their distribution traits t/hm2

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表5 灌木地碳密度及其分配

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3 结论与讨论

沙棘、柠条和山毛桃林地碳密度分别为56.30、74.20和117.44 t/hm2，其中土壤层是林地碳密度的主体，分别占83.25%、74.10%和84.80%；灌木层次之，分别占15.90%、25.38%和15.18%的比例；草本层最低，分别占0.87%、0.36%和0.17%。山毛桃林地碳密度较高，其中，土壤碳库贡献值很大，可能是由于退耕前土壤碳密度基底值较高。灌木层碳密度占比不高，主要由于与乔木林相比，灌木林生产力较低[15]，生物量较小，对应的碳密度也低。

沙棘植被层碳密度为8.95 t/hm2，低于全国平均水平10.88 t/hm2[16]，而柠条、山毛桃的植被层碳密度分别为18.93和17.83 t/hm2，高于全国平均水平，可能是因为柠条、山毛桃的生长速度较快。三者的碳密度均高于同地区7年生沙棘、柠条和山毛桃人工林植被层碳密度[9]，可能是因为生物量和碳密度随着林龄的增加而增大。另外，林分碳密度受林龄[17]、栽植密度[18]等多种因素影响。该研究中，草本层碳密度在植被层碳密度中所占比例较小，可能是灌木层占据空间上层且生长速度快，生物量高，盖度大，竞争优势明显，严重影响了林下草本生长，从而降低了草本层生物量和碳密度。

除了山毛桃土壤碳密度与全国平均碳密度(91.7 t/hm2)[19]较为接近外，沙棘、柠条的碳密度均低于全国平均值，主要原因是黄土丘陵区土壤基底碳含量普遍较低。该研究中，沙棘、柠条林地土壤碳密度与杨玉娇等[20]对黄土丘陵区23年生油松林的研究结果接近，油松林土壤层碳密度为66.85 t/hm2，也与刘迎春等[4]对黄土丘陵区27年生油松林和17年生刺槐林的研究结果接近，27年生油松林和17年生刺槐林土壤层碳密度分别为64.06、53.09 t/hm2。另外，随着土壤深度的增加，3种林地土壤有机碳含量呈下降趋势，与国内大多数研究结果一致[20-23]，这可能是由于上层土壤生物归还量较大。

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