小陇山林区日本落叶松人工林碳汇研究

沈亚洲，刘文桢*，李春兰，石小龙，王 鸿

(1.甘肃省小陇山林业实验局林业科学研究所；2.甘肃省次生林培育重点实验室，甘肃 天水 741020)

森林是陆地生态系统的主体，在调节气候和维持全球碳平衡中发挥着十分重要作用，森林减缓二氧化碳向大气的排放越来越得到世界各国的重视[1-4]。森林通过光合作用吸收二氧化碳，以有机物的形式固定碳，除去维持自身正常代谢(呼吸)、动物的啃食、凋落物分解、人为采伐利用和自然灾害损失外，固定的碳主要储藏在现存生物量、凋落物和林地土壤有机质中[5]。20世纪60年代中后期，国外学者开始对森林生物量、碳储量进行了研究[6]，在区域尺度和国家尺度上对碳储量的研究取得了显著成果，Christine等[7]通过利用森林资源清查数据对北半球森林碳汇进行了研究，Pete等[8]利用野外定点观测、数据模型和森林资源清查数据估算美国森林的碳储量和固碳率。但随着对森林生物量与碳储量的逐步深入研究，国外诸多学者开始着重对某一森林类型生物量与固碳能力的深入研究[9-10]，近年来，随着3S技术的应用，以标准地实测数据为基础，通过模型和3S技术的结合，可对森林碳储量时间和空间尺度分布进行快速估测[11]。我国碳汇研究起步较晚，20世纪末，许多学者开始了森林碳汇研究，对国家尺度森林植被碳贮量和年净固碳量进行了大量研究[12-15]，但由于受到研究区森林植被类型、地理区位、估测方法的不同，研究结果差异较大。

日本落叶松(Larixkaempferi)原产日本，在世界范围内引种有近150年的历史，我国最早引种始于1884年[16]，因适应性强、生长速度快等优势而得到大面积推广，已成为中国北方主要造林树种之一。本文依据林分生物量、土壤有机质含量以及最新二类资源调查数据对甘肃小陇山林区日本落叶松人工林碳储量进行测算，以期为今后该林区日本落叶松人工林可持续经营及人工林生态系统的物质循环和能量流动、碳汇计量研究提供依据。

1 试验地概况

小陇山林区地处秦岭西段，地理坐标104°23′～106°43′E、33°30′～34°49′N，海拔700～3 300 m。年降水量600～800 mm，多集中于7-9月，相对湿度68%～78%，年均气温7～12 ℃，无霜期150～220 d。气候温暖湿润，为我国暖温带与北亚热带过渡地带。属于中深度切割的中山地貌类型，山体陡峭，平均坡度30°左右；山地褐色森林土。1974年引进日本落叶松，到目前为止，该林区已成林日本落叶松人工林近4万hm2[17-19]。

2 研究方法

2.1 标准地调查

在小陇山林区选择不同立地、不同林龄的日本落叶松人工林为研究对象，设置固定标准地33块，标准地规格20 m×30 m。同一林龄、同一立地的林分设置3次重复，为1组标准地(3个)。立地分为好、中、差3个水平，林龄分为6、15、23、35 a等4个水平，并以6 a代表I龄级林分，15 a代表II龄级林分，23 a代表III龄级林分，35 a代表IV龄级林分，推算出小陇山林区不同林龄日本落叶松人工林碳汇量。标准地位于小陇山林业科学研究所沙坝实验基地和小陇山林业实验局李子、党川、龙门、麦积等林场。详细逐一登记标准地基本信息，包括地理坐标、地形地貌、标准地面积、植被类型、郁闭度、林龄、干扰情况等。标准地内每木检尺，调查林木胸径、树高。在标准地内四角和中央各设置1个灌草植物样方，共计5个，样方规格2 m×2 m，记录样方中的植物种类，调查样方内所有灌木的盖度、高度和基径，调查草本的株树、平均高度和盖度等。

2.2 乔木层生物量的测定

依据林木径级分布选择径级标准木，每组标准地(3个)每个径级选择3株标准木。标准地有阔叶树者，也选择一定数量的标准木。标准木地上部分采用“分层切割法”，测定树干、树皮、树枝、树叶鲜重；地下部分采用全根挖掘法(挖掘深度视标准木根系生长情况而定，以挖出全部根系为标准，一般为深1～1.5 m，最深2 m)测定根系鲜重。标准木树干、树皮、树枝、树叶、根系分别采集样品1 000 g(鲜重)。样品在烘箱105 ℃下杀青30 min，保持80 ℃干燥至恒重，测定含水率，然后依此推算标准木各组分干重，各组分干重相加即为标准木生物量，依据标准木生物量采用断面积法推算林分乔木生物量。

2.3 林下植被生物量的测定

灌木和草本生物量的测定采用样方收获法。将样方内所有灌木和不够起测胸径的幼树地上部分全部收获，并挖取根，茎、枝、叶、根等器官分别称重，分别采集样品500 g。草本分地上部分和地下部分全部收获，分别取样200 g。将所有样品带回实验室，在烘箱内80 ℃干燥至恒重，测定含水率，然后依此推算出单位面积灌木、草本生物量，并依其推算林分灌木、草本生物量。

2.4 林下凋落物现存量的测定

采用样方法测定林下凋落物现存量。标准地中按未分解层和半分解层采集林下凋落物样品500 g(6 a林分凋落物层稀薄，未分层)，烘干称重，磨碎过筛备用。计算林下凋落物现存量贮存密度(Mg·hm-2)。

2.5 生物量计算

根据标准木生物量推算标准地各径级的生物量，各径级生物量相加得标准地乔木层生物量。根据样方灌木草本生物量平均值推算出标准地灌木、草本生物量。标准地乔木、灌木、草本生物量相加得标准地植被层总生物量，进而推算出林分单位面积生物量。

2.6 土壤理化性质的测定及样品采集

标准地内选取9个采样点，分0～10、10～20及20～40 cm分层采集土壤样品，取样后混合土样带回实验室后采用9点取样法( 将样品摊成圆饼，饼上划双圆和四分线，8个交叉点和圆心各取样得混合样)取土壤样品。

2.7 样品碳含量的测定

在进行生物量样品采集的同时，分别对落叶松各器官、灌木、草本进行取样，样品烘箱中105 ℃杀青30 min，风干，风干样品磨碎过筛，和林下凋落物及土壤样品一同送中国科学院植物研究所植被与环境变化重点实验室，采用重铬酸钾和硫酸(K2Cr2O7-H2SO4)氧化法测定植物风干样品碳含量，采用重络酸钾—水合加热法测定土壤样品碳含量。

3 结果与分析

3.1 植被层生物量

以根据生物量测定数据计算得出的各龄级叶、皮、枝、干、根生物量密度(t·hm-2)，灌木层叶、干、根生物量密度(t·hm-2)，草木地上、下生物量密度(t·hm-2)(表1)可看出，林分乔木层生物量占比最大，其次为灌木层，草本层占比最小。

表1 小陇山林区日本落叶松人工林不同林龄各组分生物量密度表

3.2 不同林龄日本落叶松人工林植被层碳储量

3.2.1 植被层不同组分含碳率 从植被层不同组分含碳率测定结果(表2)可以看出，不同林不同生活型植物及其不同器官的碳含量不同，一般是地上部高于地下部，乔木层高于灌木层，灌木层高于草本层。

表2 不同林龄不同组分含碳率 单位：g·kg-1

3.2.2 植被层碳密度 应用不同林龄日本落叶松人工林不同组分生物量数据及含碳率计算出不同林龄日本落叶松人工林储碳密度，如图1。从图1分析得知，6、15、23、35 a林分总储碳密度分别为4.79、33.07、44.42、61.35 t·hm-2，随着林龄的增加，林分总储碳密度和乔木层储碳密度逐步增加，而灌木层和草本层储碳密度表现为不规则的波浪型变化，灌木层储碳密度由低到高的顺序依次为6、23、35、15 a。草本层储碳密度由低到高的顺序依次为15、35、23、6 a。在年均储碳密度方面，随着林龄的增加，日本落叶松林分年均储碳密度呈现先升高再降低的抛物线型趋势，乔木层年均储碳密度随着林龄的变化趋势与林分一致，年均储碳密度由低到高的顺序依次为6、35、23、15 a。灌木层年均储碳密度随着林龄的增加逐步降低，年均储碳密度由低到高的顺序依次为35、23、15、6 a。草本层年均储碳密度的变化趋势与灌木层基本一致，年均储碳密度由低到高的顺序依次为35、15、23、6 a。

图1 不同林龄日本落叶松人工林植被层碳密度

3.3 不同林龄日本落叶松人工林林下凋落物储碳密度

根据林下凋落物调查数据及样品分析结果计算，不同林龄日本落叶松人工林林下凋落物储存密度及储碳密度如表3。从表3得知，6、15、23、35 a日本落叶松人工林林下凋落物贮存密度分别为2.37、8.34、12.26、5.82 t·hm-2；15、23、35 a日本落叶松人工林凋落物中未分解层分别占总量的59.5%、53.4%、60.6%，未分解层凋落物现存量高于半分解层。这是由于日本落叶松人工林为纯林，凋落物主要是针叶，分解速度较慢，因而未分解层所占比例较高。

表3 林下凋落物层储碳密度

6、15、23、35 a日本落叶松人工林林下凋落物储碳密度分别为0.859 8、2.008 3、5.212 8、2.240 1 t·hm-2，林下凋落物层碳储量占比呈现先升高后降低的趋势，这是由于随着林分生长，林分凋落物质量逐年增加。所以地被凋落物层碳储量占比逐步增加，而到了近熟林(35 a)阶段，由于抚育间伐，林分郁闭度降低，中下层出现了阔叶树。林下灌木草本大量生长，使得凋落物组成发生变化，加之林分郁闭度降低导致林下光热条件的改善，加速了凋落物分解。

3.4 不同林龄日本落叶松人工林土壤层有机碳储碳密度

依据土壤容重及土壤含碳率测定数据计算不同林龄日本落叶松人工林土壤储碳密度，结果如表4。从表4分析得知，6、15、23、35 a日本落叶松人工林0～40 cm土壤储碳密度分别为68.08、122.63、108.39、154.33 t·hm-2，土壤储碳密度随着林龄的增加总体表现出“N”字形变化，即先升高、后降低、又升高的变化趋势。

表4 土壤层储碳密度

3.5 小陇山日本落叶松人工林碳储量

根据小陇山林区最新二类资源数据，小陇山林区日本落叶松人工林面积为38 644.23 hm2，其中幼龄林33 369.46 hm2[I龄级(≤10 a)林32 801.94 hm2，II龄级(11～20 a)林567.5 hm2]，中龄林4 648.2 hm2[III龄级(21～30 a)]，近熟林626.6 hm2[IV龄级(30～40 a)][20]。依据不同林龄段林分土壤、林下凋落物、乔木层、灌木层、草本层碳储密度推算出小陇山林区不同林龄日本落叶松人工林碳汇量见表5、表6。从表5分析得知，小陇山林区日本落叶松人工林总碳储量为3 380 539.3 t，单位面积碳储量为87.5 t·hm-2。土壤、林下凋落物、乔木层、灌木层、草本层碳储量分别为2 902 920.3、56 816.6 、388 531.5、24 721.0、7 549.9 t，分别占总碳储量的85.9%、11.5%、1.7%、0.7%、0.2%。按林龄分，日本落叶松幼龄林、中龄林、近熟林碳储量分别为2 509 492.7、734 499.6、136 547.0 t。分别占总碳储量的74.2%、21.7%、4.1%。本林区日本落叶松人工林碳储量的74.2%储存在幼龄林(I、II龄级)中。

表5 不同林龄日本落叶松人工林储碳密度龄组

表6 不同林龄日本落叶松人工林面积及碳汇量

4 结果及讨论

(1) 小陇山林区日本落叶松人工林6、15、23、35 a林分总储碳密度分别为4.79、33.07、44.42、61.35 t·hm-2，随着林龄的增加，林分总储碳密度和乔木层储碳密度逐步增加，而灌木层储碳密度和草本层储碳密度表现为不规则的波浪型变化，灌木层储碳密度由低到高的顺序依次为6、23、35、15 a。草本层储碳密度由低到高的顺序依次为15、35、23、6 a；林分和乔木层年均储碳密度呈现先升高再降低的抛物线型趋势，年均储碳密度由低到高的顺序依次为6、35、23、15 a；灌木层和草本层储碳密度占比逐步降低；乔木层枝和叶的储碳密度占比都呈逐步降低的趋势，皮和根储碳密度占比基本保持不变；干占比逐步增加，植被层碳汇主要累积在树干里面。

(2)小陇山林区6、15、23、35 a日本落叶松人工林0～40 cm土壤储碳密度分别为68.08、122.63、108.39、154.33 t·hm-2，呈现幼龄林阶段(≤20 a)升高、中龄林阶段(21～30 a)降低、近熟林林阶段(31～40 a)又升高的变化趋势。幼龄林土壤储碳密度偏低可能与造林地清理方式有关，造林前对林地全面割灌并火烧清理，移走了大量的养分，也破坏了表层土壤结构，导致幼龄林土壤储碳密度较低。随着林龄的增加，土壤碳含量逐步增加。到了中龄林阶段，随着林龄增长，落叶松生长对养分的需要增加，林分郁闭度较大，凋落物分解速度减缓，凋落量大于分解量，导致中龄林阶段林地土壤储碳密度低于中龄林。近熟林阶段林分一般都经过多次间伐，林分郁闭度降低，光照增强，土壤微生物活跃，加速了枯枝落叶分解，使得土壤碳含量提高。

(3)小陇山林区日本落叶松人工林总碳储量3 380 539.3 t，平均碳储量87.5 t·hm-2。土壤、林下凋落物、乔木层、灌木层、草本层碳储量分别为2 902 920.3、56 816.6、388 531.5、24 721.0、7 549.9 t，分别占总碳储量的85.9%、11.5%、1.7%、0.7%、0.2%。表明土壤是本林区日本落叶松人工林最大的碳库，乔木层是地上最大的碳库。这种碳储量在生态系统中的分配方式，为生态系统的稳定性提供了物质基础．相对而言，地上植被层碳汇更加容易受到外界的干扰(自然灾害、人为砍伐)而向大气中释放，而土壤碳库由于环境相对稳定，不易受到外界干扰，具有较强的稳定性，更容易在生态系统中长期保存。这与宋娅丽等对于山西太岳山不同林龄油松林碳储量研究结果较为一致，充分体现了森林生态系统碳储量在垂直空间分配策略上的差异[21]。

(4)按林龄分，本林区日本落叶松幼龄林、中龄林、近熟林碳储量分别为2 509 492.7、734 499.6、136 547.0 t，分别占总碳储量的74.2%、21.7%、4.1%，本林区日本落叶松人工林碳储量的70%以上储存在幼龄林当中，且本林区日本落叶松人工林幼龄林占总面积的75.2%，幼龄林碳储密度仅为中龄林碳储密度的47.6%，近熟林碳储密度的34.5%，预示本林区日本落叶松人工林碳储量后期增长潜力巨大，在森林经营方面，应加强对中幼龄林的培育经营，不断提升日本落叶松人工林森林质量，以期获得更大的碳储量，更好地发挥其生态效益、社会效益和经济效益。