江西金盆山林区天然常绿阔叶林生态系统碳储量研究

邱凤英，肖复明，郭 捷，林小凡，罗坤水，曹展波，李光运

（1.江西省林业科学院，江西 南昌 330032；2.金盆山营林林场，江西 信丰 341500）

森林作为陆地生态系统的主体，其维持的植被碳库约占全球植被碳库的86%[1]，土壤碳库约占全球土壤碳库的73%[2]。森林生态系统在全球碳循环、缓解全球气候变暖中发挥重要的碳汇功能[3]。森林碳储量的准确评估是了解全球碳循环、评估森林砍伐排放、合理规划利用土地的关键[4]。近年来，国外已通过对城市森林碳储量的量化研究来评估城市森林在气候变化中的作用[5]。目前，国内外研究者基于区域性的森林资源清查资料，开展了不同区域、不同森林类型的碳储量研究工作[6-13]，这为评价区域尺度的生态质量和研究我国森林生态系统的碳汇功能提供了重要参考。江西地处我国中亚热带东部，气候温暖湿润，森林资源丰富，森林植被类型复杂多样。常绿阔叶林是我国重要的森林类型之一[14]，群落结构复杂，生态维护机制优越。但一直以来，城市扩张和耕地保护导致区域碳储量减少[15]，加之出于短期经济效益考虑，大量天然常绿阔叶林和次生林遭到砍伐，采伐迹地用于营造松杉人工林，使得常绿阔叶林面积锐减，导致生态系统破坏和退化。自1996年以来，江西省针叶林种植面积急剧增长[16]，但针叶林碳密度远低于常绿阔叶林，导致江西省森林碳密度低于全国水平。江西省是亚洲东南部热带、亚热带植物区系的起源中心之一，其陆地生态系统主体为常绿落叶林。为阐明天然常绿阔叶林重要的生态价值，本研究对江西省典型性常绿阔叶林区域金盆山林区常绿阔叶林生态系统的碳密度及分布规律进行了研究，对准确评估该地区森林碳储量和碳潜力具有重要意义，并对探讨亚热带常绿阔叶林生态系统碳汇功能、碳汇潜力评估具有一定数据参考价值，为常绿阔叶林合理利用和指导亚热带地区森林经营管理及相关政策制定提供理论依据。

1 研究地概况

研究区位于江西省信丰县金盆山林区（25°20′N，114°34′E），属武夷山余脉，地势由南而北倾斜，海拔300～500 m，土壤红壤或黄壤。年均气温19.5 ℃，无霜期285 d，年均降水量1 600 mm，相对湿度76%以上。该林区属中亚热带南部，水热条件优越，植被分布丰富，现存阔叶林约7 333 hm2，均为天然次生常绿阔叶林，主要森林类型有丝栗栲Castanopsis fargesii林、木荷Schima superba林、米槠Castanopsis carlesii林、大叶青冈Cyclobalanopsis jenseniana林、南岭栲Castanopsis fordii林、藜蒴栲Castanopsis fissa林等，以丝栗栲林、南岭栲林和米槠林3 种林分居多，占总林分的70%左右。丝栗栲林、南岭栲林和米槠林的林地状况和乔木层特征见表1。

表1 3 种森林类型林地状况和乔木层特征Table 1 Site condition and tree layer characteristics of three forest types

2 研究方法

2.1 样地设置

1996年江西省常绿阔叶林研究课题组在江西省信丰金盆山常绿阔叶林区设置了43 个样地（每个样地面积为667 m2），2006年底对样地树种进行了复核清查。在此基础上，于2012年在金盆山林区选取具有代表性的丝栗栲林、南岭栲林、米槠林等3 种主要森林类型为研究对象，分别在3 种森林类型内设置样地，丝栗栲林森林类型与南岭栲森林类型相距4 km 左右，米槠林森林类型与丝栗栲及南岭栲森林类型均相距10 km 以上，每个森林类型设置3 个20 m×30 m 的样地，共计9 个样地，各样地相距500 m 以上。测量样地内优势木的胸径、树高，每样地选取3 株标准木，分别测定干、枝、叶、根生物量及碳含量。每样地内各设置3 个2 m×2 m 的小样方，用于灌木层、草本层和凋落物层生物量的测定及碳含量取样。

2.2 各森林类型生物量

2.2.1 生物量的测定

根据3 种森林类型样地每木检尺数据，计算标准地优势木平均树高和平均胸径，选取标准木。齐地伐倒，挖出标准木全部根系，分主干（带皮）、枝、叶、根，实测总鲜质量。主干选取中央处10～40 cm 长的树干作样品，侧枝明显的大树，分树冠上、中、下三部分，把主侧枝分开称质量并取样。分别将干、枝、叶、根各取鲜质量的5%左右样品回实验室烘干至恒质量，根据取回样品的干湿比，计算标准木的叶、枝、干、根干质量。

分别取各样地小样方内灌木枝、叶、根，草本层，凋落物层枝、叶称鲜质量，并取鲜质量的30%左右样品回实验室烘干至恒质量，称干质量。

2.2.2 各森林类型生物量的计算

林分乔木层生物量计算公式为：

式（1）中：C为林分生物量（t/hm2）；A为标准木生物量（kg）；N为乔木数量（株/hm2）。

林分灌木层、草本层、凋落物层生物量计算公式为：

式（2）中：C为林分生物量（t/hm2）；B为小样方内生物量（kg）。

2.3 碳含量的测定及碳密度的计算

2.3.1 植被层与凋落物层碳含量的测定及碳密度的计算

于2012年，分别取样地内丝栗栲林、南岭栲林、米槠林标准木的干、枝、叶、根，灌木层的枝、叶、根，草本层的地上部分和地下部分混合样，凋落物的枝、叶回实验室进行碳含量的测定。碳含量的测定采用重铬酸钾外加热法[17]，运用碳含量和对应的生物量数据，计算得出相应的碳密度（t/hm2），碳密度值为碳含量与生物量乘积。

2.3.2 土壤层碳含量的测定及碳密度的计算

土壤按10 cm 一个等级分0～100 cm 层取样回实验室进行碳含量的测定，并按10 cm 一个等级分10层测定土壤的容重，土壤碳密度计算公式[18]如下。

式（3）中：SOC 为土壤剖面有机碳密度（kg/m2）；θi为第i层＞2 mm 砾石含量（体积%）；pi为第i层土壤容重（g/cm3）；Ci为第i层土壤有机碳含量（g/kg）；Ti为第i层土壤厚度（cm）；n为参与计算的土壤层次总数。

3 结果与分析

3.1 3 种森林类型各层生物量分布

3 种森林类型生物量情况见表2。由表2 可知，丝栗栲林乔木层、灌木层、草本层和凋落物层的生物量分别为344.40、2.60、0.15、3.81 t/hm2，南岭栲林乔木层、灌木层、草本层和凋落物层的生物量分别为416.10、1.58、0.29、9.43 t/hm2，米槠林乔木层、灌木层、草本层和凋落物层的生物量分别为384.50、1.55、0.66、5.69 t/hm2。各植被层各器官生物量具体情况见表2。

表2 3 种森林类型各层生物量Table 2 Bio mass of each layer in three forest types (t/hm2)

3.2 3 种森林类型植被层的碳含量和碳密度

3.2.1 3 种森林类型植被层的碳含量

3 种森林类型植被层碳含量从大到小依次为乔木层、灌木层、草本层（表3）。乔木层碳含量均为叶＞枝＞干＞根，其中叶的碳含量为526.90～548.80 g/kg，根 的 碳 含 量 为427.70～443.30 g/kg；丝栗栲林和南岭栲林灌木层的碳含量均为枝＞叶＞根，而米槠林灌木层的叶碳含量略高于枝；3 种森林类型的植被层全林加权平均碳含量相差不大，以米槠林略高，为465.93 g/kg，南岭栲林居中，丝栗栲林最低，为455.02 g/kg。

3.2.2 3 种森林类型植被层的碳密度

表4 为3 种森林类型植被层的碳密度的分布情况。由表4 可知，3 种森林类型植被层平均碳密度为176.84 t/hm2，碳密度分布为乔木层＞灌木层＞ 草本层。其中以南岭栲林植被层碳密度最大，为192.40 t/hm2；米槠林居中，为180.18 t/hm2；丝栗栲林最低，为157.95 t/hm2。丝栗栲林乔木层、灌木层和草本层的碳密度分别占植被层总碳密度的99.18%、0.78%、0.04%，南岭栲林乔木层、灌木层和草本层的碳密度分别占植被层总碳密度的99.58%、0.36%、0.06%，米槠林乔木层、灌木层和草本层的碳密度分别占植被层总碳密度的99.44%、0.41%、0.15%，可见这3 种森林类型植被层的碳绝大部分贮存在乔木层中。丝栗栲林和米槠林乔木层碳密度均为干＞枝＞根＞叶，而南岭栲林乔木层的碳密度则为干＞根＞枝＞叶。3 种森林类型乔木层干的碳密度均值占乔木层碳密度和植被层碳密度的比例分别为56.87%和56.54%。可见乔木层和植被层一半以上的碳储量均集中在乔木层的干中。

表3 3 种森林类型植被层的碳含量 Table 3 Carbon content in the vegetation layer of three forest types (g/kg)

表4 3 种森林类型植被层的碳密度 Table 4 Carbon density in the vegetation layer of three forest types (t/hm2)

3.3 3 种森林类型凋落物层的碳含量和碳密度

由表5 可知，3 种森林类型中凋落物碳含量 为421.59～454.21 g/kg，碳密度为1.73～3.98 t/hm2，其中凋落物枝的碳含量略高于凋落物叶，但凋落物叶中碳密度高于凋落物枝，丝栗栲林、南岭栲林、米槠林中凋落物叶的碳密度分别占林分凋落物总碳密度的57.23%、76.13%和61.24%。

表5 3 种森林类型凋落物层的碳含量和碳密度Table 5 Carbon content and carbon density in the litter layer of three forest types

3.4 3 种森林类型土壤层的碳含量和碳密度

3 种森林类型0～100 cm 各土层碳含量和碳密度分布及其变化情况见图1。由图1可知，3 种森林类型土壤层的碳含量和碳密度均随着土壤层的加深呈下降趋势，随着土层的加深，土层间的碳含量变化趋缓。3 种森林类型碳含量和碳密度均以0～10 cm 土层最高，土层深度在40 cm 以下土层间碳含量和碳密度无明显变化。3 种森林类型中0～10 cm 层和10～20 cm 土层的碳含量和碳密度均以丝栗栲林最高。20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80 cm 土层的碳含量均以南岭栲林最高，30 cm 以下土层碳密度以米槠林最高。

图1 3 种森林类型各土层的碳含量和碳密度Fig.1 Carbon content and carbon density in each soil layer of three forest types

3.5 3 种森林类型不同层次碳密度分布及金盆山林区天然常绿阔叶林碳储量估算

由表6 可知，3 种森林类型生态系统中不同层次碳密度分布规律为植被层＞土壤层＞凋落物层。3 种森林类型生态系统的总碳密度为307.14 t/hm2，其中植被层、土壤层、凋落物层的碳密度均值分别为176.84、127.53、2.76 t/hm2，分别占生态系统总碳密度的57.58%、41.52%、0.90%。可见3 种森林类型生态系统一半以上的碳贮存于植被层中，约2/5 的碳贮存于土壤中，不足1%的碳贮存于凋落物中。丝栗栲林、南岭栲林、米槠林生态系统的总碳密度无显著差异，分别为294.82、307.63、318.97 t/hm2。江西赣南信丰县金盆山林区现有天然常绿阔叶林约7 333 hm2，以丝栗栲林、南岭栲林、米槠林的碳密度的平均值作为金盆山林区天然常绿阔叶林平均碳密度，估算江西信丰县金盆山林区天然常绿阔叶林现存碳总量达2.25×106t。

3.6 金盆山林区常绿阔叶林碳密度与其它林分碳密度比较分析

金盆山林区常绿阔叶林碳密度与已有报道的森林类型碳密度比较结果见表7。金盆山林区常绿阔叶林生态系统的总碳密度为307.14 t/hm2，高于我国森林生态系统的平均碳密度（258.8 t/hm2）[19]，也高于黄土高原子午岭林区天然柴松林（236.0 t/hm2）[20]、长白山阔叶红松林（254.7 t/hm2）[21]、西双版纳热带季节雨林（250.8 t/hm2）[21]和鼎湖山亚热带常绿阔叶林（248.7 t/hm2）[21]，但远低于哀牢山湿性常绿阔叶林（530.1 t/hm2）[21]。

表6 3 种森林类型不同层次的碳密度Table 6 Carbon density in different levels of three forest types (t/hm2)

金盆山林区常绿阔叶林植被层的碳密度 （176.8 t/hm2）分别为世界平均水平（86 t/hm2）[22]、温带森林生态系统平均值（57.1 t/hm2）[23]和我国森林生态系统植被层平均碳密度（38.7 t/hm2）[24]的2.1 倍、3.1 倍和4.6 倍，且高于长白山阔叶红松林（129.0 t/hm2）、西双版纳热带季节雨林 （154.7 t/hm2）和鼎湖山亚热带常绿阔叶林 （149.45 t/hm2），但低于哀牢山湿性常绿阔叶林（239.40 t/hm2）和我国尖峰岭热带原始林的植被碳密度（207.68 t/hm2）[25]。林区乔木层碳密度 （175.8 t/hm2）约为江西省森林植被乔木层平均碳密度（25.3 t/hm2）[26]的7 倍。

表7 金盆山林区常绿阔叶林碳储量与已有报道的森林类型碳储量比较分析Table 7 Comparative analysis of carbon storage between the evergreen broad-leaved forest in Jinpenshan and forest types reported (t/hm2)

金盆山林区常绿阔叶林凋落物层碳密度 （2.8 t/hm2）远低于我国森林生态系统平均值（8.2 t/hm2）和长白山阔叶红松林（7.3 t/hm2）[21]，略低于江西省森林生态系统枯落物碳密度均值 （3.1 t/hm2）[26]和哀牢山湿性常绿阔叶林（4.2 t/hm2），但高于西双版纳热带季节雨林（1.0 t/hm2）和鼎湖山亚热带常绿阔叶林（1.4 t/hm2）枯落物碳密度。

金盆山林区常绿阔叶林土壤层碳密度 （127.5 t/hm2）远低于我国森林生态系统平均值（193.6 t/hm2）[19]和哀牢山湿性常绿阔叶林（286.6 t/hm2），但高于全球土壤碳密度水平 （104.0 t/hm2）[27]、江西省森林生态系统土壤平均碳密度（115.2 t/hm2）、长白山阔叶红松林 （118.3 t/hm2）、西双版纳热带季节雨林（95.1 t/hm2） 和鼎湖山亚热带常绿阔叶林（97.9 t/hm2）。

4 结论与讨论

4.1 结 论

金盆山林区常绿阔叶林的总碳密度为 307.14 t/hm2，高于我国森林生态系统平均碳密度和多种典型森林类型碳密度，也高于同处赣南的马尾松天然林碳密度（129.00 t/hm2）[28]。常绿阔叶林的碳汇功能较强，在今后营造林中考虑经济效益的同时应兼顾生态效益，提倡营造常绿阔叶林。

丝栗栲林、南岭栲林和米槠林生态系统间的碳密度差异不显著，这3 个树种均为亚热带林区常见的乡土树种，在维护生态系统碳汇功能上均有较好的效果，今后营林中可大力采用乡土阔叶树种。

金盆山林区常绿阔叶林生态系统碳密度分布规律为植被层＞土壤层＞凋落物层，植被层的碳密度分布规律为乔木层＞灌木层＞草本层，其中乔木层主干的碳密度占56.54%。张秋根等[29]对江西省亚热带常绿阔叶林碳储量和碳密度研究中也表明乔木层碳储量对亚热带常绿阔叶林植被层碳储量的影响最大[29]。在天然常绿阔叶林生态系统碳汇功能中，乔木层起着重要的作用，大面积砍伐将导致碳严重流失，因此我国亚热带地区天然常绿阔叶林的经营管理中不宜皆伐，宜采取间伐成熟林，促使林地天然更新和永续利用。

4.2 讨 论

本研究利用金盆山常绿阔叶林2012年生物量及碳含量实测值对林区天然常绿阔叶林碳分布情况及碳储量进行了估算和分析，对江西省常绿阔叶林碳功能了解和评价有重要的参考价值。金盆山林区所属区域在2012年前后5 a 内气候稳定，未出现明显影响碳储功能及分布的极端天气，且林区人为干扰较少，林分生长稳定，因此可认为2012年林分碳储数据可代表整个生态系统在最近10 a 内的真实碳汇水平。

本研究发现金盆山林区常绿阔叶林生态系统碳密度高于我国森林生态系统平均碳密度及我国多种典型森林类型碳密度，表明金盆山林区常绿阔叶林生态系统碳密度处于较高水平，也表明天然常绿阔叶林具有较强的碳汇功能，结果验证了王兵等[26]对江西省森林碳储量的估计。江西省森林植被乔木层碳密度以硬阔林最大，常绿阔叶林的恢复和重建有利于森林植被乔木层碳储量的提高，进而可改善我国亚热带地区森林植被乔木层的碳汇功能。

金盆山林区常绿阔叶林生态系统碳密度分布规律为植被层＞土壤层＞凋落物层，这与西双版纳热带季节雨林、鼎湖山亚热带常绿阔叶林和长白山阔叶红松林的碳分布格局相同[21]，但与黄土高原子午岭柴松林、辽宁栎林和油松林[30]、闽西毛竹林[31]、我国南亚热带几种人工林生态系统[32]的碳密度空间分配及对美国森林生态系统碳蓄积[33]的研究结果并不一致。对几种森林生态系统碳分布规律的研究[30-34]均表明生态系统碳密度以土壤层占比最大。全球土壤含碳量大于大气和植被的总和[34]，土壤是最重要的碳库之一，但金盆山林区土壤层碳密度低于植被层，且低于我国森林生态系统土壤碳密度平均值和江西省常绿阔叶林土壤碳密度均值。这主要是因为一方面不同的地理、不同气候区域及不同林分类型在碳储量及分布特征上本身差异较大；另一方面可能是金盆山林区天然更新的常绿阔叶林以高大繁茂的乔木为主，林龄大多为30～50 a，处于生长旺盛期，土壤中碳消耗较大，碳储量大部分集中在植被层。张秋根等[29]的研究结果也表明林分植被碳密度受经度、林龄、气温、降水量、日照长度的影响，而土壤碳密度受纬度的影响，这也解释了不同区域、不同林分类型森林生态系统碳密度水平及分布规律为何存在差异。

金盆山林区常绿阔叶林植被层碳密度分布规律为乔木层＞灌木层＞草本层，其中乔木层占总植被层的比例为99.42%，乔木层干的碳密度分别占乔木层碳密度和植被层碳密度的56.87%和56.54%。这一结果与李海涛等[35]对赣中地区亚热带湿润气候下的植被生态系统碳储量和分配规律研究较一致，表明生态系统植被层绝大部分的碳储量集中在乔木层中。另外，金盆山林区植被层的碳密度高于国内大多数森林类型，森林乔木层尤其乔木层树干系统，在森林生态系统碳贮备上发挥着重要的作用。

本研究在大量常绿阔叶林被松杉人工林代替的背景下，阐明天然更新的次生常绿阔叶林生态系统碳吸存功能优势，为常绿阔叶林保护和营造提供理论支撑。但缺乏同一区域内林龄相近的人工林生态系统碳储量的对比数据，因此只能采用与其他区域各类森林类型碳密度相比较。今后课题组将对金盆山林区附近的人工林生态系统碳储功能做系统的研究，以期更好地阐述天然常绿阔叶林比人工林的碳吸存优势，为天然常绿阔叶林营林发展提供理论支撑。