九连山自然保护区亚热带常绿阔叶林碳储量与碳密度

张秋根 王苏琴 丁园 任超 冯天朕

（南昌航空大学环境与化学工程学院 江西南昌 330063）

随着社会经济的发展和人们生活水平的提高，人类社会经济活动排放过多的CO2等温室气体造成的“温室效应”，威胁着人类社会的生存与发展，因此，需控制温室气体的排放以减缓“温室效应”。CO2等温室气体的根源在于碳循环，CO2等温室气体的“源汇”问题已成为碳储量研究的重点。

森林生态系统是全球生态系统的重要组成部分，在全球范围内对碳循环起着重要调节作用，而森林植物通过光合作用与呼吸作用给地球最大的森林碳库碳循环创造了有利的条件。江西省地处亚热带地区且森林覆盖率列居全国第二，亚热带常绿阔叶林是江西省九连山自然保护区的地带性植被，而关于九连山自然保护区植被与土壤碳储量的研究非常鲜见。因此，以江西省九连山自然保护区为研究区域，开展典型亚热带常绿阔叶林植被与土壤碳储量和碳密度的研究，对评估江西省碳储量具有一定的参考价值，对维护江西生态系统的碳平衡和遏制区域“温室效应”有着重要的意义。

1 研究区域概况

九连山国家级自然保护区地处江西省赣州市，位于北纬24°29′18″～24°38′55″、东经 114°22′50″ ～114°31′32″，南北长约 17.5km、东西宽约 15km。保护区总面积为13411.6hm2，其中核心区域面积4283.5hm2，缓冲区域面积 1445.2hm2，实验区域面积7786.9hm2。保护区是千烟洲森林生态系统试验站的观测点之一。

保护区森林覆盖率94.7%，核心区覆盖率为98.2%。保护区内水资源丰富，流域面积大于10km2的河流有八条，水系发达。

保护区干、湿两季较明显，春夏两季为雨季，秋冬两季为旱季。年均气温约16.4℃，1月平均气温6.8℃，7月平均气温24.4℃；年均降水量为2155.6mm，年均蒸发量790.2mm；保护区小气候明显，具有冬暖夏凉、秋高气爽、春夏季节雨水多温差大的气候特点。

保护区的植被类型主要由亚热带常绿阔叶林、常绿阔叶与落叶混交林、山顶矮林等组成。亚热带常绿阔叶林是保护区最主要的植被类型，从海拔280m的山谷沟到海拔1000m的山体中上部均有大量分布[1-2]。

保护区的土壤垂直方向上分布规律性明显，从山脚到山顶土壤类型分布依次为山地红壤、山地黄红壤、山地黄壤、山地草甸土。

2 研究方法

2.1 样地的设置与调查

在九连山国家级自然保护区，选取木荷、青冈栎、苦槠栲三种代表型亚热带常绿阔叶林分布区域，设置标准样地，每种类型设置3块，共9块标准样地，标准样地大小为30m×30m。在标准样地内按对角法设置3个2m×2m的灌木样方，在灌木样方中随机设置1个1m×1m的草本小样方，同时随机设置1个1m×1m的凋落物小样方。然后，对标准样地内与植被和土壤碳储量、碳密度密切相关的植被生物量和土壤因子进行调查统计。

在所选择的标准样地内随机选择1个没有人为干扰且植被结构与土壤都具代表性的地段，挖出1个100cm的土壤剖面，再沿剖面按0-10cm、＞10-20cm、＞20-30cm、＞30-50cm、＞50-100cm分层，用环刀采集各层土壤。同时采用内径为9cm的土钻在标准样地的每个灌木样方的中心位置按0-10cm、＞10-20cm、＞20-30cm、＞30-50cm、＞50-100cm分层钻取3钻土作为混合样本，并将同一标准样地内3个灌木样方同层次土壤分别混合成各样地的各层土壤样品。

2.2 样品的实验室处理

把样地调查时采集的植被组织样品带回实验室，在85oC下烘干24小时至恒重，测定样品的干重、含水率和生物量，然后剪碎放入粉碎机中粉碎，过筛（100目，0.154mm），装入封口袋中密封，放在干燥器中保存以待测试使用。植物组织有机碳含量采用干烧法测定，并通过元素分析仪进行测定。

用环刀取的土壤样品在105oC下烘干24小时至恒重，测定其含水率和干重，计算出各个土壤层深度的土壤容重。每个标准样地3个灌木样方内取得的土壤样品，展开放在通风的室内15天左右自然干燥，在干燥过程中挑出细根，并轻轻碾碎，过筛（100目、0.154mm），装入封口袋密封，放在干燥器中保存以待测试使用。土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定。

2.3 植被生物量

2.3.1 乔木层生物量

乔木层生物量采用生物量模型进行估算，该研究选取胸径、树高和D2H三个易于测量而且准确率高的因子，通过回归分析建立九连山自然保护区典型亚热带常绿阔叶林的单木生物量回归方程Ln（B）=0.8686Ln（D2H）-2.4309，并估算整个调查样地内的乔木层生物量。

2.3.2 灌木层生物量

标准样地内灌木层的3个样方单位面积生物量的平均值为标准样地单位面积的灌木层生物量，再乘以样地面积得到标准样地的灌木层生物量。

2.3.3 草木层生物量

标准样地内草本层的小样方单位面积生物量为标准样地单位面积的草本层生物量，再乘以样地面积得到标准样地的草本层生物量。

2.3.4 凋落层生物量

标准样地内凋落层的小样方单位面积生物量为标准样地单位面积的凋落层生物量，再乘以样地面积得到标准样地的凋落层生物量。

2.4 土壤容重

土壤容重由公式（1）计算。

式中：P为土壤容重，M为土样干燥恒重后质量，V为土壤体积，m为粗质碎片质量，ρ为粗质碎片密度。

2.5 植被与土壤碳储量和碳密度计算

2.5.1 植被碳储量和碳密度计算

标准样地内各植被层的碳储量由各植被层的生物量乘以其对应的有机碳含量计算得到，各植被层的碳储量之和为标准样地的植被碳储量。各植被碳密度由各植被层碳储量除以样地面积得到；所有样地植被碳储量和碳密度的均值作为标准样地的碳储量和碳密度。

2.5.2 土壤碳储量和碳密度

标准样地土壤碳密度通过土壤容重、有机碳含量和各土壤层厚度计算获得，见公式（2）。式中：ρc为土壤碳密度（t·hm-2） ，P为土壤容重（g·cm-3） ，H为土层厚度（cm），C为有机碳含量（%）。

每个土壤层的碳密度之和，即为该林地土壤的总碳密度；土壤碳密度乘以样地面积得土壤碳储量[3-5]。

3 结果与分析

3.1 植被碳储量与碳密度

3.1.1 主要器官有机碳含量

通过对标准样地采集样品的实验分析获得九连山自然保护区内木荷、青冈、苦槠栲三种标准样地中不同的植被各分层各树种各器官的有机碳含量，见表1-表3。

表1 九连山亚热带常绿阔叶林乔木层主要器官有机碳含量单位：%

由表1可知，在乔木层，叶的有机碳含量大小依次为木荷＞青冈栎＞苦槠栲；枝的有机碳含量依次为木荷＞青冈栎＞苦槠栲；干的有机碳含量依次为苦槠栲＞木荷＞青冈栎；根的有机碳含量依次为木荷＞青冈栎＞苦槠栲；算术平均和加权平均的有机碳含量大小依次为木荷＞苦槠栲＞青冈栎。

表2 九连山亚热带常绿阔叶林灌木层主要器官有机碳含量单位：%

从表2可知，在灌木层，叶的有机碳含量大小依次为木荷＞青冈＞苦槠栲；枝的有机碳含量依次为苦槠栲＞木荷＞青冈栎；根的有机碳含量依次为木荷＞青冈栎＞苦槠栲；算术平均和加权平均的有机碳含量大小依次为木荷＞苦槠栲＞青冈栎。

表3 九连山亚热带常绿阔叶林草本层主要器官有机碳含量单位：%

从表3可知，在草本层，叶的有机碳含量大小依次为木荷＞青冈＞苦槠栲；根的有机碳含量依次为青冈栎＞木荷＞苦槠栲；算术平均和加权平均的有机碳含量大小依次为青冈栎＞木荷＞苦槠栲。

3.1.2 植被碳密度

九连山自然保护区青冈栎、木荷、苦槠栲三种典型亚热带常绿阔叶林不同植被层的碳密度见表4和图1。

表4 九连山亚热带常绿阔叶林不同植被层碳密度单位：kg/m2

从表4和图1可知，木荷林、青冈栎林、苦槠栲林样地内不同植被层碳密度的大小均依次为乔木层＞灌木层＞凋落层＞草木层。九连山自然保护区青冈栎、木荷、苦槠栲三种典型亚热带常绿阔叶林的平均碳密度为6.88kg/m2，平均碳密度从高到低依次为木荷林（7.91kg/m2）＞青冈栎林（7.3kg/m2）＞苦槠栲林（5.41kg/m2）；其中乔木层的碳密度在植被层中占有绝对优势，不同植被层的碳密度从高到低依次为乔木层（6.41 kg/m2） ＞灌木层（0.23kg/m2） ＞凋落物层（0.16kg/m2） ＞草本层（0.06 kg/m2）。

图1 九连山亚热带常绿阔叶林不同植被层碳密度分布图

3.1.3 植被碳储量

九连山自然保护区青冈栎、木荷、苦槠栲三种典型亚热带常绿阔叶林植被碳储量见表5。

表5 九连山亚热带常绿阔叶林植被层碳储量单位：kg

根据表 5可知，保护区内植被碳储量大部分都集中在乔木层。乔木层、灌木层和凋落物层各亚热带常绿阔叶林碳储量大小顺序为木荷＞青冈栎＞苦槠栲；草本层各亚热带常绿阔叶林碳储量大小顺序为苦槠栲＞木荷＞青冈栎。

调查样地内三种亚热带常绿阔叶林碳储量从高到低依次为木荷林（7.119t）＞苦槠栲林（6.57t）＞青冈栎林（4.869t），可见木荷林对于九连山森林生态系统碳平衡有着重要的作用。

3.2 土壤碳储量与碳密度

3.2.1 土壤容重

九连山自然保护区青冈栎、木荷、苦槠栲三种典型亚热带常绿阔叶林的土壤容重见表6。

表6 九连山亚热带常绿阔叶林土壤容重单位：cm、g/cm3

由表6可知，0-100cm范围内各层平均土壤容重在1.3377-1.5986 g/cm3之间，其平均土壤容重最大的是＞30-50cm的土壤层。

3.2.1 土壤有机碳含量

九连山自然保护区青冈栎、木荷、苦槠栲三种典型亚热带常绿阔叶林的土壤有机碳含量见表7和图2。

表7 九连山亚热带常绿阔叶林土壤有机碳含量单位：cm、%

图2 九连山亚热带常绿阔叶林土壤有机碳含量

由表7和图2可知，土壤有机碳含量的差异随着森林植被类型和土层深度的变化而改变。保护区亚热带常绿阔叶林总体上土壤有机碳含量从高到低依次为青冈栎林＞苦槠栲林＞木荷林。不同土壤层的土壤有机碳含量随着土壤层深度的增加而减少。

3.2.3 土壤碳密度

九连山自然保护区青冈栎、木荷、苦槠栲三种典型亚热带常绿阔叶林土壤碳密度见表8。

表8 九连山亚热带常绿阔叶林土壤碳密度单位：cm、t/hm2

由表8可知，不同深度土层的土壤碳密度会随着土层深度的增加而减少，与土壤有机碳含量变化基本一致。九连山自然保护区亚热带常绿阔叶林土壤碳密度平均为117.02t/hm2，各林种从高到低依次为青冈栎林121.86 t/hm2、苦槠栲林99.81t/hm2、木荷林86.51t/hm2，说明保护区不同常绿阔叶林中青冈栎林土壤储存有机碳能力最大，且都低于全国森林土壤平均碳密度193.55t/hm2[6]。

3.2.4 土壤碳储量

九连山自然保护区青冈栎、木荷、苦槠栲三种典型亚热带常绿阔叶林土壤碳储量见表9。由表 9可知，保护区亚热带常绿阔叶林土壤碳储量从高到低依次为青冈栎林10.9674t、苦槠栲林 8.9829t、木荷林 7.7859t，与土壤碳密度的大小顺序一致。

表9 九连山亚热带常绿阔叶林土壤碳储量单位：cm、kg

4 结论

将九连山自然保护区亚热带常绿阔叶林的植被碳储量和土壤碳储量相加得相应样地常绿阔叶林的碳储量，见表10。

表10 九连山亚热带常绿阔叶林总碳储量单位：kg

保护区内亚热带常绿阔叶林碳储量大小依次为青冈栎林（17.5374t）＞木荷林（14.9049t）＞苦槠栲林（13.8519t）。

保护区样地内亚热带常绿阔叶林树种的乔木层有机碳含量非常接近，其含量在0.477～0.491之间。森林植被层平均碳密度为6.88kg/m2，各林层碳密度从高到低依次为乔木层＞灌木层＞凋落物层＞草本层；各林种碳密度从高到低依次为木荷林（7.91kg/m2）＞青冈栎林（7.3kg/m2） ＞苦槠栲林（5.41kg/m2）。保护区样地内亚热带常绿阔叶林土壤有机碳含量随着土层深度的增加而减少，森林土壤碳密度平均为11.702 kg/m2，各林种土壤碳密度从高到低依次为青冈栎林121.86 t/hm2＞苦槠栲林99.81t/hm2＞木荷林86.51t/hm2。

保护区调查样地内森林植被总碳储量为18.558吨，森林土壤总碳储量27.7362吨，森林土壤的碳储量约为森林植被碳储量的 1.5倍，与森林土壤的平均碳密度约为森林植被平均碳密度的1.7倍基本一致。总体来讲，森林植被碳密度与碳储量比森林土壤的要低，主要原因是植被层参与森林生态系统碳循环过程较短，而植被中的碳从枯枝落叶进入地上层凋落物，并在土壤微生物的作用下进入土壤层；而土壤层参与生态系统碳循环过程持续的时间更长，通常需要经过特定化学条件下才能转换为大气中的碳。

参考文献：

[1]范娟, 赵秀海, 汪金松，等. 江西九连山亚热带常绿阔叶林优势种空间分布格局[J]. 生态学报,2012, 32（9）: 2729-2737.

[2]简敏菲, 刘琪璟, 梁跃龙，等. 九连山常绿阔叶林群落的结构与种类数量特征[J]. 浙江农林大学学报, 2008, 25（4）: 458-463.

[3]Seedre M, Kopáček J, Janda P, et al. Carbon pools in a montane old-growth Norway spruce ecosystem in Bohemian Forest: Effects of stand age and elevation [J].Forest Ecology and Management, 2015（346）:106-113.

[4]Domke G M, Woodall C W, Smith J E, et al.Consequences of alternative tree-level biomass estimation procedures on U.S. forest carbon stock estimates[J]. Forest Ecology and Management, 2012（270）: 108-116.

[5]Manninen S, Zverev V, Bergman I, et al. Consequences of long-term severe industrial pollution for aboveground carbon and nitrogen pools in northern taiga forests at local and regional scales [J]. Science of the Total Environment, 2015（536）: 616-624.

[6]李海奎,雷渊才，曾伟生.基于森林清查资料的中国森林植被碳储量[J].林业科学,2011,47（7）:7-12.