中亚热带4种混交幼龄人工林生态系统碳贮量特征

李永进，汤玉喜，唐 洁，杨 艳，吴 敏

（湖南省林业科学院，湖南 长沙 410004）

森林是陆地生态系统碳库的主体，森林生物量占全球陆地植被总生物量的85%～90%，它在储存CO2、调节温室气体浓度上升以及维护全球气候等方面起着重要作用。当前，随着人工林碳蓄积量的持续增长，人工林在固碳增汇及减缓气候变化方面的作用越来越受到重视[1-5]。

近年来诸多学者对不同树种人工林的碳含量、碳贮量及其空间分布格局进行了深入研究，为森林碳汇功能的研究做出了积极贡献[6-20]；有些学者对不同造林模式和不同林龄的人工林生物量和碳贮量进行了研究，发现造林模式和林龄对人工林碳贮量有重要影响。何友均等[21]研究发现西南桦纯林生态系统碳贮量高于西南桦×红锥混交林；田大伦等[22]和杨玉娇等[23]认为森林生态系统的植被碳库及其乔木层碳密度随林龄增大而增加，而张明阳等[24]对桂西北森林植被碳库过熟林研究认为林分平均碳密度有不同程度的降低趋势；田杰等[25]研究了辽东山区典型森林生态系统，发现灌木层碳密度随林龄增加而减小，草本层则无明显规律；史山丹等[26]对大兴安岭南部温带山杨Populus davidiana天然次生林研究发现林下植被层碳密度随林龄呈线性增加。另外，有研究[27-28]表明，土壤碳库在林龄序列上没有明显的规律性，而田大伦等[22]研究认为湘潭锰矿废弃地不同林龄栾树Koelreuteria paniclata人工林土壤碳密度随林龄的增加而稳定增加。由此可见，造林模式对人工林碳贮量究竟会产生怎样的影响尚未得出一致的结论，有必要进一步研究。

湖南省属于典型的亚热带季风气候区，森林资源丰富，针对马尾松Pinus massioniana、杉木Cunninghamia lanceolata、木荷Schima superba、香樟Cinnamomum camphora等人工纯林及混交林的生物量和碳贮量已开展了一些研究。刘曦乔等[29]利用湖南省2014年森林资源二类调查结果研究了湖南省森林生态系统碳贮量、碳密度及其空间分布特征；刘兆丹等[30]利用湖南省4 次森林资源清查数据，研究了近20 a 来湖南省森林植被碳储量、碳密度的动态特征；李斌等[31]对湖南省杉木林植被碳贮量、碳密度及碳吸存潜力进行了分析。然而对于不同造林模式幼龄混交人工林生态系统各组分碳贮量及分配格局的研究还较少[32-34]。因此，本研究对中亚热带8 种珍贵乡土树种混交幼龄人工林生态系统碳贮量及其分配特征进行了比较研究，揭示不同造林模式初期林分碳储量随林龄的动态变化，为区域尺度上深入地认识和科学地评估不同经营模式的人工林固碳能力和潜力提供基础数据和理论依据。

1 研究区概况

研究区位于郴州市资兴市程水镇（25°97′N，113°23′E），属大陆性中亚热带季风湿润气候，年降水量1 350 ～1 450 mm，森林覆盖率达59.57%。森林植被以针叶林、常绿阔叶林和竹林为主，常绿阔叶树种主要包括木兰科Magnoliaceae、樟科Lauraceae、壳斗科Fagaceae、茶科Theaceae、杜英科Elaeocarpaceae、金缕梅科Hamamelidaceae 等，土壤以红壤为主。

试验地设在范仙岭，于2013年以香樟、枫香Liquidambar formosana、木荷、杜英Elaeocarpus sylvestris、楠木Phoebe zhennan、马褂木Liriodendron chinense、杉木、榉木Fagus sylvatica等乡土树种营造了珍贵树种与一般阔叶树种混交林和一般阔叶树种混交林，4 种混交林是在杉木人工林皆伐炼山后，经块状整地营建的行间混交人工幼林，混交比例为1 ∶1，林分基本情况见表1。林下灌草层主要是拔葜Smilax china、盐肤木Rhus chinensis、芒草Miscanthus、丰花草Borreria stricta、鸡血藤Millettia reticuiata、铁线蕨Adiantum flabellulatum等。

2 材料与方法

2.1 样品取样

2017年9月，在4 种混交林中，选取坡面均匀、人为干扰相对较少的区域，按坡位分别随机设置4个20 m×20 m 样地，共计16 个样地。对每个样方内的树木进行每木检尺，记录胸径和树高，统计株数，并分叶、枝、干、根4 个器官取样并带回实验室[35]。

在每个20 m×20 m 样方中的左上角和右下角选取2 个5 m×5 m 小样方，记录小样方内灌木和草本植物的种类，并采用收获法测定地上和地下部分生物量，将同种植物相同器官混合取样300 g 左右，每个植物样品取4 份带回实验室，在85 ℃下烘干至恒质量，称质量。在每个20 m×20 m 样方中的4 个角落各选取1 个1 m×1 m 小样方，测定枯落物现存量，并按不同组分取样各200 g 左右，用于含水率和碳含量的测定。

在各样方随机挖取3 个土壤剖面，沿剖面按0 ～10、10 ～30、30 ～50 和50 ～100 cm 采 集样品，用环刀取各个土层的原状土，用于测定土壤容重；同一层土钻取样约200 g，混合均匀后带回实验室，用于土壤有机碳的测定。

2.2 生物量的估算

由于目前尚无针对幼龄林建立的生物量回归方程，故每种混交人工林每个树种选取6株标准木，然后分层截取实测标准木的干、枝、叶和根等组分的鲜质量，同时分别采集各组分的分析样品，在80 ℃恒温干燥箱中烘至恒质量，求出含水量，将各组分的鲜质量换算成干质量，通过标准木的平均生物量乘以林分株数估算出整个林分的生物量。

2.3 样品C 含量的测定

利用C/N 分析仪（Vario MAX）进行乔木各器官、灌木和草本地上部分、草本地下部分和枯落物样品碳含量的测定。土壤有机碳测定采用重铬酸钾滴定法。

2.4 碳密度及碳贮量的估算

植被部分（乔木层、灌草层和凋落物层）碳贮量采用各部分生物量与其含碳率之积进行计算。

土壤层（0 ～100 cm）碳密度为各土层碳密度之和，某一土层的有机碳密度（Si，g /cm2）计算公式[36]为：

式中：Ci为土壤含碳率（%）；Di为土壤容重（g/cm3）；Ei为土壤厚度（cm）；Gi为直径＞2 mm 的石砾所占的体积百分比（%）；i代表某一土层。因研究区整个土壤剖面直径＞2 mm 的石砾极少，所以公式中Gi为0。

2.5 数据处理

采用Excel2010 和SPSS13.0 软件对数据进行统计与分析。

3 结果与分析

3.1 不同人工混交林生态系统各组分碳含量

3.1.1 乔木层碳含量

5年生8 种幼树不同器官碳含量不同（表2），树干碳含量在454.7 ～500.0 g/kg 之间，树枝碳含量在426.0 ～474.0 g/kg 之间，树叶碳含量在448.4 ～495.8 g/kg 之间，树根碳含量在436.0 ～490.4 g/kg 之间；相同树种不同器官碳含量也存在不同，其中杉木、马褂木、枫香器官碳含量为树干＞树叶＞树根＞树枝，香樟、楠木、木荷器官碳含量为树叶＞树干＞树根＞树枝，榉木器官碳含量为树干＞树枝＞树根＞树叶，杜英器官碳含量为树叶＞树枝＞树干＞树根。方差分析表明：不同树种相同器官和相同树种不同器官的碳含量存在显著性差异（P＜0.05）。从整体上看，杉木碳含量最高，为490.1 g/kg；木荷和枫香最低，为449.4 g/kg 和449.8 g/kg。

表2 不同树种各器官的碳含量†Table2 Carbon contents in different organs of different tree species (g/kg)

3.1.2 林下植被和枯落物碳含量

从表3可知，各混交林碳含量均以灌木层最高，枯落物层次之，草本层最低，且灌木层和草本层地上部分碳含量均高于地下部分。不同混交林分间，马褂木×香樟×枫香×木荷混交林灌木层、草本层和枯落物层的碳含量最高，马褂木×榉木×杜英混交次之，杉木×马褂木×楠木×枫香混交林最低。方差分析表明：各混交林间的灌木层和枯落物层碳含量无显著差异，但二者的碳含量与草本层存在显著差异（P＜0.05）。从整体上看，4 个混交林林下植被和枯落物碳含量间也无显著性差异。

3.1.3 土壤层碳含量

由表4可知，4 种混交林林分土壤碳含量中以0 ～10 cm 土层为最高，在23.9 ～25.5 g/kg 之间；50 ～100 cm 最低，在8.9 ～9.9 g/kg 之间。随着土层深度的增加，土壤碳含量逐渐减少。在不同林分同一土层中，0 ～10 cm 和30 ～50 cm 的土壤碳含量无明显差别（P＞0.05），而10 ～30 cm 和50 ～100 cm 的土壤碳含量存在显著性差异（P＜0.05）。不同林分平均土壤碳含量无显著性差别（P＞0.05）。

表3 林下植被和枯落物的碳含量†Table3 Carbon contents in under-story vegetation and litters of different stands (g/kg)

表4 林分各层土壤碳含量†Table4 Carbon contents in soil layers of different stands (g/kg)

3.2 4 种混交人工林生态系统各组分碳贮量及其分配

3.2.1 乔木层碳贮量及其分配

由图1可知，不同林分乔木层各器官碳贮量的分配顺序为树干＞树根＞树枝＞树叶（杉木×香樟×楠木混交幼林除外），其中树干占整个乔木层碳贮量的45.45%～58.64%。在4 种混交幼林之间，树干、树枝、树叶、树根碳贮量的分配情况均不相同，其中马褂木×香樟×枫香×木荷混交林的树干、树根碳贮量最高。从整体上看，马褂木×香樟×枫香×木荷混交幼林的乔木层碳贮量最高（7.03 t/hm2），是马褂木×榉木×杜英混交幼林的1.5 倍，是杉木混交幼林的1.2 ～1.4 倍。可见4 种混交幼林中，马褂木×香樟×枫香×木荷混交幼林有利于乔木生物量的生长和碳的累积。

图1 乔木层各器官碳贮藏及其分配Fig.1 Carbon storage and distribution of various organs in arbor layer

3.2.2 林下植被和枯落物碳贮量及其分配

由图2可知，不同林分间各层碳贮量存在显著性差异（P＜0.05），其中灌木层、草本层以马褂木×榉木×杜英碳贮量最高，杉木×马褂木×楠木×枫香的碳贮量最低，而各混交林枯落物碳贮量差别不大。各林分中层次间碳贮量分配顺序也有所差异，其分配顺序为草本层＞枯落物层＞灌木层。各林分林下植被和枯落物总碳贮量大小顺序为马褂木×榉木×杜英＞杉木×香樟×楠木＞马褂木×香樟×枫香×木荷＞杉木×马褂木×楠木×枫香。

图2 林下植被及枯落物碳贮藏及其分配 Fig.2 Carbon storage and distribution of under-story vegetation and litters

3.2.3 土壤层碳贮量及其分配

由图3可知，4 种混交幼林土壤平均碳贮量的空间分布基本一致，均随土层深度（以每10 cm 计）增加而降低，变化趋势与土壤碳含量随土层深度的变化一致。4 种混交林土壤碳贮量主要集中在0 ～30 cm 的表层土，分别占0 ～100 cm 土壤总碳贮量的43.53%、44.01%、45.97% 和47.73%，且各林分0 ～10 cm 和30 ～50 cm 土壤碳贮量无显著性差异。

不同混交幼林的土壤碳贮量为153.43 ～156.23 t/hm2，各混交幼林土壤总碳储量（0 ～100 cm）的顺序为马褂木×香樟×枫香×木荷＞马褂木×榉木×杜英＞杉木×香樟×楠木＞杉木×马褂木×楠木×枫香。方差分析表明，杉木×马褂木×楠木×枫香混交幼林土壤碳贮量与其他混交幼林存在显著性差异（P＜0.05）。

3.3 人工混交林生态系统碳贮量及其分配

图3 土壤层碳贮藏及其分配 Fig.3 Carbon storage and distribution in different soil layers

图4 人工林生态系统碳贮藏及其分配 Fig.4 Carbon storage and distribution of plantation ecosystem

由图4可知，4 种人工混交幼林生态系统碳贮量分别为167.06、165.72、162.97 和160.97 t/hm2，其中马褂木×香樟×枫香×木荷混交幼林的碳贮量最高，为167.06 t/hm2，但与其他3 种混交幼林碳贮量相差不大，且随着林龄的增长，人工林碳储量的积累还有待进一步研究。而不同林分相同组分碳贮量在生态系统分配上存在差别，其中土壤层是各个混交幼林的主要碳库，分别占各人工林生态系统碳贮量的94.65%、93.31%、92.92%和93.56%，而乔木层、林下植被层的碳贮量均低于5%（图4）。

4 结论与讨论

IPCC 在 2003年出版的《土地利用、土地利用变化和林业优良做法指南》中，将全球森林植被碳质量分数的缺省值定为 0.5。但是，如果采用0.5 的转换系数，势必会在一定程度上低估或高估本区域常绿阔叶林的碳储量。本研究结果表明，由于树种组成以及种群结构的不同，同一气候区不同模式人工林生态系统植被层各层次碳含量有较明显的层次规律及随植物个体高度或组织木质化程度的降低，其碳素含量相应减少的趋势[35-37]，具体表现为乔木层＞灌木层＞草本层，其中5年生幼林林分乔木层杉木碳含量最高，为490.1 g/kg，木荷最低，仅为449.4 g/kg；而林下植被和枯落物碳含量间无显著性差异，且灌木层和草本层地上部分碳含量均高于地下部分，显示出叶片作为光合作用的主要器官，在碳素同化中的重要性。另外，由于树种器官的生理性差异原因，相同树种不同器官和不同树种相同器官的碳含量存在显著性差异（P＜0.05） ，这与王卫霞等[35]、宫超等[36]和何琴飞等[38]的研究结果基本一致。幼龄混交林分平均土壤碳含量无显著性差别（P＞0.05），且土壤碳含量中以0 ～10 cm 土层为最高，在23.9 ～25.5 g/kg 之间，这与样地位置在同一区域有关。

不同幼龄混交林分乔木层各器官碳贮量存在较大差异，其中树干碳贮量最大，占整个乔木层碳贮量的45.45%～58.64%，主要由于该混交幼龄林各树种生理特性可充分利用林内的光、水等资源，有利于乔木生物量的生长和碳素的累积，提高了林分生物量，而生物量是确定森林植被层碳储量的关键因素，这与王祖华等[39]研究南京城市森林生态系统的碳储量和碳密度的结果相一致。从整体上看，在4 种混交幼林中，马褂木×香樟×枫香× 木荷混交幼林乔木层碳贮量最高，为7.03 t/hm2，是马褂木×榉木×杜英混交幼林的1.5 倍，但明显低于湖南省森林植被层平均碳密度15.68 t/hm2，这与王效科等[40]的研究结果相一致。

在4 种人工混交幼林生态系统碳贮量中，香樟×马褂木×枫香×木荷混交幼林的碳贮量为167.06 t/hm2，略高于其他3 种混交幼林。其中土壤层是各个混交幼林的主要碳库，介于153.43 ～156.23 t/hm2之间，占各人工林生态系统碳贮量的92%以上，但远小于中国森林土壤平均碳储量（193.55 t/hm2）和世界平均碳储量（189.00 t/hm2），且土壤碳储量随土层深度的增加呈逐渐下降的趋势，主要集中在0 ～30 cm 土层，土壤碳贮量占0 ～100 cm 土壤碳贮量的43.53%～47.73%，这与黄钰辉等[41]、田耀武等[42]的研究结果一致。这与该地区降水丰富、气温高、生物地球化学循环旺盛有关，有利于有机物质的分解，但不利于土壤碳素的积累，土壤抗侵蚀性差且易发生水土流失，土壤碳储量远低于高纬度地区以及我国森林土壤碳储量的平均水平。另外，本研究研究尺度较小、研究时间较短以及数据估算基于野外样方调查数据和标准木测量可能存在一定局限性，今后将在省级区域尺度下开展不同造林模式和不同林龄的人工林碳贮量和碳密度的空间分布动态及固碳潜力进行评估，为区域尺度上深入地认识和科学地评估不同经营模式的人工林固碳能力和潜力提供基础数据和理论依据。