燕山南麓不同林龄板栗林碳储量及分配格局

2021-06-11张凌恺赵艳霞郑振华沈会涛

河北农业大学学报 2021年2期

张凌恺，王妍，赵艳霞，郑振华，沈会涛

（1.西南林业大学生态与环境学院，云南昆明 650224；2.河北省科学院地理科学研究所/河北省地理信息开发应用工程技术研究中心，河北石家庄 050011）

人类活动导致的全球气候变化，严重影响了生态系统碳平衡［1］，实施固碳减排来缓解气候变暖已成为国际社会的共识［2-4］。在森林生态系统中，植被地上和地下之间的碳分配过程受气候因素、立地条件、森林类型、森林经营管理、林龄结构等因素的影响［5-6］，尤其是树种和林龄对估算区域尺度森林生态系统碳储量尤为重要［7-9］。近年来，在区域尺度上对不同树种、不同林龄人工林碳储量及其分配特征开展了大量研究，如红云杉（Picea rubens）［8］、黄松（Pinus ponderosa）［9］、日本落叶松（Larix kaempferi）［10］、油松（Pinus tabuliformis）［11］等。已有结果表明，人工林生态系统碳储量及植被碳储量随林龄增长呈增加趋势［12-13］。而对于土壤碳储量，随演替进行，表现为碳积累［14-15］、不变［16］或先减少后增加［17］的变化过程。

根据第九次全国森林资源清查结果，我国现有经济林面积2 094.2万hm2，占全国林地森林面积的9.6%［18］。经济林在积极发挥经济效益的同时，对支撑生态环境等方面的作用也不容忽视。已有学者针对不同种植年限的水果类经济林碳库变化特征开展了研究，如甘卓亭等［19］对苹果（Malus domestica）园不同林龄的土壤碳库变化规律进行了分析，徐超［20］对不同种植年限的库尔勒香梨（Pyrus brestschneideri）园土壤有机碳储量进行了研究，沈会涛等［13］研究了不同林龄杏树（Armeniaca vulgaris）林碳储量及其分配特征，而对干果类经济林碳储量在时间序列上的变化鲜有报道。本研究利用空间代替时间的方法，选择燕山南麓不同林龄阶段的板栗（Castanea mollissima）人工林为研究对象，通过野外调查与室内实验相结合的方法，测定板栗林不同组分和土壤层的碳含量，研究碳储量及分配特征随林龄的变化规律，既可丰富我国经果林生态系统碳储量研究，也可为区域尺度精确测算经果林生态系统碳汇功能提供基础数据和科学参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河北省迁西县北部的汉儿庄乡，地处燕山沉降带东段南缘的低山丘陵区，以中低山、高丘为主。气候属暖温带大陆性半湿润的季风气候，季节特征明显。年均气温为10.1 ℃，最热月7月和最冷月1月的月均气温分别为25 ℃和-7.8 ℃。年均降水量为804.2 mm，降水主要集中在夏季，占全年降水总量的75%。该区土壤层较厚约100～120 cm，以褐土为主，有机质含量高，透气性和透水性好，自然肥力高，为板栗生长提供了绝佳的条件［21］。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置野外调查于2018年10月进行。根据当地林业部门提供的资料，并结合野外踏查，研究区内板栗林林龄大多介于3～18年之间。基于此，本研究选取立地条件基本一致、不同栽植年代（4，8，12和16年）的板栗林为研究对象，每个林龄各随机设置3个乔木样地（20 m ×20 m）。测定样地内各株板栗的基径（树高1.3 m以下长出树杈，胸径无法测量）、树高等特征，并对数据进行统计，基本特征见表1。

表1 不同林龄板栗林基本特征Table 1 General information of chestnut plantation stands

1.2.2 野外调查与碳含量测定生物量测定及采样：根据每木检尺数据，在每块样地周围选择与平均基径和树高接近的标准木进行生物量测定。每个林龄选择3株板栗标准木，共12株，分别称重干、枝、叶鲜生物量（采样期内，当地林农已对果实进行收获，因此本研究数据不含此部分）；采用全挖法获取根系生物量，但不包含＜ 5 mm树根部分［22］。同时取部分样品带回实验室，在85 ℃下烘干至恒重，并测定其含水率，换算干重生物量。由于板栗树树高受人为剪枝等影响，本研究采用基于基径（D）为自变量的幂函数模型［23］，计算乔木层各器官生物量（表2），进而推算整个样地林木的生物量。此外，4年板栗林间作玉米，调研期内已完成收获并翻耕；8、12和16年板栗林在管理过程中受采摘、除草和翻耕等人为影响，样地内草本层和枯落物层较少，所以均未进行采样。

表2 板栗单株生物量方程Table 2 Biomass estimation equations for chestnut trees

土壤层采样：在样地内，随机挖掘3个土壤剖面，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～100 cm分层采用环刀法测定土壤容重；每层获取土壤样品约300 g，带回实验室，在室温自然风干，用于土壤碳含量测定［4］。

碳含量测定：将烘干的植物样品和风干的土壤样品粉碎，并过土壤筛（60目），进行碳含量测定。有机碳含量均采用重铬酸钾氧化外加热法［24］。

1.2.3 碳储量计算

乔木层碳储量［13］计算公式：

式中：TAOC为乔木层总有机碳储量（Mg/hm2）；Ci为不同组分（树根、树干、树枝和树叶）有机碳含量（Mg/Mg）；Bi为对应部分碳生物量(Mg/hm2)［13］。

通过以下公式计算土壤有机碳储量［11］：

式中：TSOC为土壤层总碳储量（Mg/hm2）；SOCi为第i土层有机碳含量（g/kg）；Di为第i层土层厚度（cm）；BDi为第i层土壤平均容重(g/cm3)；Ri为第i层土壤中直径≥2 mm砾石所占体积百分比（%）［11］。

生态系统总碳储量是乔木层和土壤层碳储量之和。

1.3 数据处理

利用SPSS 18.0软件对数据进行统计分析，采用单因素（one-way ANOVA）和Duncan法进行方差分析和多重比较（α= 0.05）；利用Excel 2010进行作图。图表中数据为平均值 ± 标准差。

2 结果与分析

2.1 乔木层碳储量分配格局

2.1.1 乔木层碳含量不同林龄板栗林不同组分碳含量在429.6～465.4 g/kg（图1）。树干碳含量随着林龄的增长呈减小趋势，4 年树干碳含量显著高于16年林龄（P＜0.05）。林龄对树根、树枝和树叶的碳含量的影响差异不显著：随林龄的增长，树根和树叶碳含量呈增加趋势；树枝碳含量则呈减小趋势。树干平均碳含量最高，树根最低，大小顺序为：树枝（456.3 g/kg）＞树干（456.0 g/kg）＞树叶（438.1 g/kg）＞树根（434.3 g/kg）。

图1 不同林龄板栗林乔木层各组分碳含量Fig.1 Carbon contents in different organs of chestnut plantations at different stand ages

2.1.2 乔木层碳储量 4、8、12和16年板栗林乔木层生物量分别是0.60±0.12、8.55±1.64、18.11±1.64和21.09±2.36 Mg/hm2（表3）。随林龄增长，树根、树枝和树叶生物量分配比例呈减少趋势，树干生物量则呈增加趋势（图2）。

图2 不同林龄板栗林乔木层不同组分生物量的分配比例Fig. 2 Biomass allocation of different organs in arbor layer of chestnut plantations at different stand ages

乔木层不同组分碳储量随林龄的增长而显著增加（P＜0.05）（表3）。4、8、12和16年板栗林乔木层碳储量分别是（0.27 ± 0.05）、（3.83 ± 0.68）、（8.09 ± 0.79）和（8.95 ± 1.17） Mg/hm2。除4年板栗林外，其他林龄不同组分碳储量排序为树干（42.5%～50.2%）＞树根（25.5%～28.9%）＞树枝（12.9%～21.9%）＞树叶（8.1%～9.9%）。林龄对乔木层不同组分碳储量分配比例有显著影响，树根和树叶碳储量分配比例从4年的39.8%和15.9%分别下降到28.9%和8.2%；树干的变化趋势正好相反，其碳储量所占比例由4年的31.3%增加到16年的50.0%；树枝碳储量分配比例随林龄增加未发现明显变化。

表3 不同林龄板栗林各组分的生物量和碳储量（平均值± 标准偏差）Table 3 Biomass and carbon storage of various components of chestnut plantations at different stand ages Mg/hm2

2.2 土壤层碳储量分配格局

2.2.1 土壤层碳含量从图3可以看出，不同林龄板栗林土壤层碳含量在1.42～8.16 g/kg。除20～40 cm土层外，不同林龄各土层碳含量差异显著（P＜0.05）。由于4年板栗林间作玉米，受人为干扰（施肥、翻耕等）影响较大，0～100 cm土壤层碳含量高于8和12 年板栗林；8、12和16年板栗林各土层碳含量随林龄的增长呈增加趋势。从土壤层有机碳含量的垂直分布来看，表层（0～20 cm）土壤碳含量显著高于下层土壤，并随着土层深度的增加土壤碳含量呈下降趋势，但不同土壤层碳含量差异逐渐降低。

图3 不同林龄板栗林各土壤层有机碳含量Fig.3 Soil organic carbon contents in different soil layers of chestnut plantations at different stand ages

2.2.2 土壤层碳储量 4、8、12和16年板栗林各土壤层碳储量呈先减少在增加的趋势（图4），主要是由于4年板栗林间作农作物，施肥、翻耕等人类活动造成土壤有机碳含量增加，从而导致土壤层碳储量也较大。除20～40 cm土层外，各土壤层碳储量在不同林龄间差异显著（P＜0.05）。土层深度对不同林龄板栗林土壤碳储量影响显著；不同林龄土壤碳储量随土层深度增加表现出先减少后增加的趋势，40～60 cm土层碳储量最低。0～40 cm土层碳储量占0～100 cm土层总碳储量的55.2%～66.4%，对土壤总碳储量的贡献较大。

图4 不同林龄板栗林各土壤层碳储量Fig.4 Soil carbon storage in chestnut plantations at different stand ages

2.3 生态系统碳储量分配格局

不同林龄板栗林生态系统总碳储量在49.523～67.528 Mg/hm2（表4），板栗林生态系统碳储量受林龄影响显著（P＜0.05）。乔木层碳储量随林龄增长呈增加趋势；土壤层碳储量则呈先减少后增加趋势。4、8、12和16年板栗林乔木层碳储量占生态系统总碳储量的比例依次是0.4%、7.7%、13.8%和13.3%，随林龄的增长而增大；板栗林生态系统碳储量主要集中在土壤层（86.2%～99.6%），随着林龄的增加土壤层碳储量分配比例呈逐渐降低趋势，分配比例与随林龄的变化特征与乔木层相反。

表4 板栗林生态系统碳储量及其分配格局Table 4 Carbon storage and allocation pattern in chestnut plantation ecosystem Mg/hm2

3 讨论

3.1 乔木层碳储量

树龄是影响人工林生态系统碳储量变化的重要因素［7,10］，已有研究表明，在寒温带［4］、温带［25］、亚热带［26］和热带［27］地区的人工林生态系统中，植被碳储量随林龄增长增加的趋势普遍存在。本研究中，随林龄增长，板栗林乔木层碳储量呈显著增加趋势（P＜0.05），4、8、12和16年板栗林乔木层碳储量分别为0.60、8.55、18.11和21.09 Mg/hm2，与黄土丘陵区刺槐（Robinia pseudoacacia）人工林（9～17年）乔木层碳储量（11.7～12.9 Mg/hm2）［24］及岷江干旱河谷岷江柏（Cupressus chengiana）人工林（4～13年）乔木层碳储量（0.163～14.01 Mg/hm2）［28］相近。与其他经果林碳储量相比，本研究中8年板栗林乔木层碳储量（8.55 Mg/hm2）高于福建7年柑橘（Citrus reticulata）园乔木层碳储量（4.75 Mg/hm2）［29］，但低于上海7年柑橘园乔木层碳储量（23.54 Mg/hm2）和桃园乔木层碳储量（15.91 Mg/hm2）［30］。这种差异不仅受树种组成、林龄等生物因素的影响，还受区域气候、光照条件及森林管理等非生物因素的制约［7］。此外，板栗林在其生长过程中，碳循环过程受经营管理（间作、间伐、除草、修剪和果实收获等）的影响，杂草、枯落物和果实被带走［31］，导致本研究结果低于实际碳储量。此外，4～16年板栗林乔木层各组分碳储量分配比例随林龄增长而变化。4年板栗林树根碳储量占乔木层碳储量的39.8 %；而8、12和16年板栗林树干碳储量占乔木层碳储量分别达到了42.5 %、50.2 %和50.0 %，与其他器官相比，均达到了极显著性差异。艾泽民等［24］、胡亚林等［32］研究结果均表明，人工林乔木层碳储量以树干所占比例最多。乔木层不同组分碳储量分配比例变化可以归因于树木个体生长规律的差异性，是树木个体及与环境长期适应的结果［13］。

3.2 土壤层碳储量

土壤碳储量随林龄的变化具有不确定性，受气候条件、植被覆盖、地形特征、人类活动等多种因素制约［33］。本研究中，土壤碳储量随林龄的增长表现为先降低再增加的变化趋势，主要原因是4年板栗林因树体较小，无果业经济效益，间作（玉米）是该阶段提高经果林收入主要途径；与其他林龄相比，4年板栗林的土地利用方式处于果（树）、农（作物）二元利用型阶段，施肥、翻耕等人类活动造成碳输入较大，土壤层碳储量较高。进入挂果期后，植被冠幅增大，林内停止间作农作物，外源性碳输入减少，造成土壤层碳储量降低；随着林龄增加，林内凋落物、根系等腐烂等进入土壤，表现为碳积累过程。此外，相比于深层土壤，表层土壤更容易受到干扰等因素的影响［4,16］，故其变异也更大。因此，在讨论随林龄增长土壤碳储量的变化格局时，原有的土地利用方式是一个重要因素［4］。

3.3 生态系统碳储量及分配

本研究中，板栗林生态系统总碳储量变化范围为49.523～67.528 Mg/hm2；人工管理措施下，随林龄增长，板栗林生态系统碳储量表现出先下降后增加的趋势。而对格木（Erythrophleum fordii）［12］、刺槐［24］和岷江柏［29］等人工林的研究表明，生态系统总碳储量随林龄增长呈增加趋势；秦岭南坡东段油松人工林生态系统碳储量随林龄的增长呈先增加后下降的趋势［11］。这说明在不同的研究区，森林生态系统碳储量不仅受不同生长阶段个体生长发育的影响，同时受气候条件以及经营管理方式的影响［14,34］。板栗林乔木层碳储量占生态系统总碳储量的0.4%～13.3%，随林龄的增长，分配比例呈增加趋势，而土壤层碳储量分配比例呈降低趋势［13］，土壤碳储量远高于植被层碳储量，这与花椒林（Zanthoxylum bungeanum）［7］、马尾松林（P.massoniana）［34］和油茶林（Camellia oleifera）［35］等人工林生态系统的研究结果一致。

林分密度是决定林分结构的重要因素，已有研究表明，植被碳储量随林分密度增加、减少、无显著差异三种变化趋势，产生差异的原因可能是与研究林分密度的范围、调查样本的数量、时间跨度等有关［36］。但对于研究区域的板栗林而言，林农在其经营过程中，林分密度控制在当下林龄所能适应的最适林分密度范围，因此无法判断林分密度对碳储量变化规律的影响，只有选择相同林龄由低到高多种密度的林分进行对比才会得到较完整的规律［37］。