桂西北马尾松人工林生态系统碳贮量与分布

韦明宝, 王朝健, 杨正文, 黄振格, 王汉敢, 何 斌

(1.南丹县山口林场，广西 南丹 547200;2.南丹县林业局,广西 南丹 547200; 3.广西大学林学院,广西 南宁 530004)

人工林作为森林生态系统的重要组成部分，在提供林木产品、提高森林碳汇和碳吸存能力与改善生态环境等方面发挥着重要的作用[1]。开展碳汇造林已成为当前推进碳汇林业发展的重要途径，而营造具有收获木材和固碳双重功能的碳人工林则是其重要固碳手段之一[2]。目前，中国人工林面积达到6 933万hm2, 位居全球首位[3]。近年来，随着国内外森林碳平衡研究的逐步深入，有关人工林碳汇功能的研究逐渐增多，主要包括马尾松(Pinusmassoniana)[4]、杉木(Cunninghamialanceolata)[5]、杨树(Populus)[6]、落叶松(Larixgmelinii)[7]、桉树(Eucalyptus)[8]和西南桦(Betulaalnoides)[9]等，为准确估算我国人工林生态系统碳汇计量提供了重要的基础数据。

马尾松是我国南方的主要造林树种之一[10]，也是广西速生林建设基地的重要树种，其适应性强、耐干旱瘠薄、生长快，广泛用于制浆造纸、建筑、松香等产业,在我国林业生产和生态建设中都具有重要地位和作用。当前关于广西主要人工林生物生产力及其碳汇功能的研究已有较多报道[11-14]，但尚未见有关桂西北马尾松人工林碳贮量的报道。为此，本研究以广西南丹县26年生马尾松人工林为研究对象，测定其生态系统碳贮量及其分配格局，以揭示该区域马尾松人工林的碳吸存能力，为合理评价该区域马尾松人工林生态效益提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

研究区位于广西南丹县山口林场(107°31′E，24°45″N)。南丹县位于广西西北部，与天峨县、东兰县、环江县和河池市金城江区相邻，属中亚热带气候类型，年均温度16.9 ℃，年降雨量 1 498.2 mm。试验地设在南丹县山口林场木山分场，海拔850～900 m，土壤母质(母岩)主要为砂页岩发育形成的山地黄红壤，土层深厚，林地大部分土壤厚度≥80 cm，腐殖质层厚度15～23 cm，质地为壤土或轻壤土，结构较疏松，土壤(0～40 cm)pH值4.37，土壤有机质、全氮和全磷含量分别为43.78、2.01和0.38 g·kg-1，土壤水解氮、速效磷和速效钾含量分别为195.2、1.15和41.6 mg·kg-1。

马尾松人工林于1991年3月由实生苗营造，初植密度为2 500株·hm-2(株行距为2 m×2 m)。2017年5月底调查时林相较整齐，经间伐和自然稀疏后林分保留密度为637株·hm-2，郁闭度0.70，林分平均胸径26.5 cm，平均树高19.4 m。林下灌木主要有盐肤木(Rhuschinenesis)、杜茎山(Maesajaponica)和毛桐(Mallotusbarbatus)等，草本植物主要有地桃花(Urenalobata)、粗叶悬钩子(Rubusalceaefolius)、五节芒(Miscanthusfloridulus)和铁芒萁(Dicranopterisdichotoma)等。凋落物层以落叶为主，厚度2～3 cm。

1.2 研究方法

1.2.1 林地设置和林分生物量测定 在26年生马尾松人工林中按上坡、中坡和下坡各设置1块20 m×20 m标准地，进行每木检尺和调查，测定各标准地林木的胸径、树高和冠幅等。在样地外围选择3株平均木，将其伐倒后采用收获法测定生物量，其中采用Monsic分层切割法分别测定其地上部分树叶、树枝、干皮和干材鲜质量；采用全根挖掘法测定地下部分即树根鲜质量，同时在各标准地内设置3个1 m×1 m样方，采用样方收获法测定林下灌木层、草本层鲜质量，以及凋落物层现存量。采集林木各器官和灌木层、草本层及凋落物层样品各300～400 g，在80 ℃恒温下烘干测定和计算各组分生物量[12]。

1.2.2 植物、土壤样品的采集及其碳含量测定 (1)植物样品。将部分进行林分生物量测定后的马尾松不同器官、灌木层、草本层和凋落物层样品，经重新烘干、粉碎后装入自封袋内待测。(2)土壤样品。在每块标准地内按对角线设置代表性采样点各3个，以每层深度20 cm分层采集0～80 cm土层混合样品各1 kg，于室内经自然风干和粉碎过筛后装瓶待测。(3)植物和土壤碳含量的测定。采用重铬酸钾氧化—外加热法分别测定植物各组分样品碳含量和土壤有机碳含量[15]。

1.2.3 数据处理与分析 马尾松人工林生态系统碳贮量参照文献[5]进行计算。乔木层年净固碳量由各器官年平均碳贮量计算所得，其中干材、树枝和树根的平均净生产量按林龄26 a计算。由于不同林龄的林分松针构成与叶龄都不同，参照文献[14]采用1.7 a作为松针(树叶)叶龄进行估算。

应用Excel 2007进行常规数据处理，采用SPSS 22.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 马尾松人工林生态系统不同结构层次碳含量

2.1.1 地上部分 从表1可见，马尾松不同器官碳含量介于463.4～511.2 g·kg-1之间,平均碳含量为489.3 g·kg-1。各器官碳含量以树叶(511.2 g·kg-1)最高，其次是干材(501.8 g·kg-1)、干皮(490.5 g·kg-1)和树根(479.2 g·kg-1)，树枝最低(463.4 g·kg-1)。

表1 马尾松人工林地上部分碳含量

1)经各器官生物量加权平均。

马尾松人工林灌木层和草本层碳含量分别为453.0和425.6 g·kg-1。凋落物层以马尾松落叶为主，其中部分凋落物已被分解，其碳含量为433.8 g·kg-1，均低于乔木层各器官碳含量。由此可见，该马尾松人工林生态系统地上部分各结构层次碳含量表现为：乔木层>灌木层>凋落物层>草本层。

2.1.2 土壤层 马尾松人工林土壤层(0～80 cm)平均碳含量为14.81 g·kg-1(表2)。由于受地表凋落物聚积和分解的影响，0～20 cm土层碳含量(32.15 g·kg-1)明显高于其他土层，分别是20～40 cm土层(18.64 g·kg-1)、40～60 cm土层(8.03 g·kg-1)和60～80 cm土层(6.20 g·kg-1)的1.72、4.00和5.18倍，表现出明显的表聚性特征，并随土壤深度增加而逐渐下降。

表2 马尾松人工林土壤层碳含量

1)经各土层质量加权平均。

2.2 马尾松人工林生态系统碳贮量及其分配

从表3可见，马尾松人工林生态系统总碳贮量为232.13 t·hm-2，不同结构层次碳贮量以土壤层碳贮量最大，为134.49 t·hm-2，占总碳贮量57.94%，并随着土层深度的增加呈现递减的趋势；其次是乔木层，为92.67 t·hm-2，占39.92%；其他结构层次的大小顺序为：凋落物层(2.49 t·hm-2)>灌木层(1.36 t·hm-2)>草本层(1.12 t·hm-2)。乔木层中各器官碳贮量最大的是干材，为58.42 t·hm-2，占25.17%；其次是树根，为11.76 t·hm-2，占5.07%；树枝碳贮量为11.35 t·hm-2，占4.89%；干皮碳贮量7.79 t·hm-2，占3.36%；树叶碳贮量最少，仅有3.35 t·hm-2，占1.44%。

2.3 马尾松人工林乔木层年净固碳量

表3 马尾松人工林生态系统碳贮量及其分配

表4 马尾松人工林乔木层年净固碳量

以乔木层年净固碳量进行马尾松人工林生态系统同化CO2能力的估算。从表4可以看出，马尾松人工林年净生产力为10.83 t·hm-2·a-1，年净固碳量为5.41 t·hm-2·a-1，折合成CO2固定量19.83 t·hm-2·a-1。林木各器官中年净固碳量以干材最大，为2.25 t·hm-2·a-1，占总年净固碳量的41.59%，其次是树叶、树根和树枝，分别为1.97、0.45和0.44 t·hm-2·a-1，分别占36.41%、8.32%和8.13%，干皮最小，为0.30 t·hm-2·a-1，仅占5.54%。

3 讨论与结论

马尾松各器官碳含量的变化范围为463.4～511.2 g·kg-1，各器官碳含量依次为：树叶(511.2 g·kg-1)>干材(501.8 g·kg-1)>干皮(490.5 g·kg-1)>树根(479.2 g·kg-1)>树枝(463.4 g·kg-1)；不同结构层次碳含量依次为：乔木层>灌木层>凋落物层>草本层>土壤层；受凋落物归还及植物根系分泌的影响，土壤有机碳含量表现出明显的表聚性特征，同时随土壤深度的增加呈现逐渐递减的趋势。与相同地区秃杉人工林[11]、杉木[5]、和西南桦[9]土壤有机碳含量垂直分布特征相一致。

桂西北26年生马尾松林的生态系统碳贮量为232.13 t·hm-2，其中乔木层的碳贮量为92.67 t·hm-2，分别高于福建省顺昌县30年生马尾松人工林生态系统碳贮量(183.94 t·hm-2)及其乔木层碳贮量(73.01 t·hm-2)[4]，也高于湖南省32年生马尾松成熟林碳贮量(187.29 t·hm-2)及其乔木层碳贮量(72.68 t·hm-2)[16]。生态系统其他植物结构层次依次为：凋落物层(2.49 t·hm-2)>灌木层(1.36 t·hm-2)>草本层(1.12 t·hm-2)；土壤层(0～80 cm)碳贮量为134.49 t·hm-2，均低于我国森林土壤和世界土壤平均碳贮量[17]，但高于福建省顺昌县30年生马尾松人工土壤(0～100 cm)碳贮量(107.09 t·hm-2)[4]，也略高于我国热带林土壤平均碳贮量(116.49 t·hm-2)[17]。

据报道，广西21、32年生马尾松人工林乔木层年净固碳量分别为4.93、4.46 t·hm-2·a-1[14]；广西武宣县23、38年生马尾松人工林乔木层年净固碳量(松针叶龄分别按1.7和1.8 a计算)分别为5.15、4.72 t·hm-2·a-1[16]；湖南省23年生马尾松人工林乔木层年净固碳量为3.77 t·hm-2·a-1[18]。中国森林平均年净固碳量5.54 t·hm-2·a-1[17]。本研究的桂西北26年生马尾松人工林乔木层年净固碳量为5.41 t·hm-2·a-1，折合年净吸收CO2量为19.83 t·hm-2·a-1。由此可见，桂西北马尾松人工林具有较高的生物生产力水平，同时也具有较高的碳汇功能，对调节大气CO2、促进森林碳循环和改善环境起到重要作用。