桂西北毛竹林生态系统碳储量及其分布特征

摘要：为了探究桂西北毛竹林碳汇功能，为其可持续经营提供依据。采用标准地调查和实验室化学分析方法，研究了广西南丹县毛竹林生态系统碳素含量、碳储量及分布特征。结果表明.毛竹各器官碳素含量介于436.4 ～501.2 g/kg 之间，其由大到小排列次序為竹枝>竹秆>蔸根>竹蔸>竹叶。灌木层、草本层和凋落物层碳含量分别为449.8、392.5和424.7 g/kg。土壤（0～80 cm）平均碳含量为19.80 g/kg，各土层碳含量随土层深度增加而减少。毛竹林生态系统碳储量为209.58 t/hm2，其中乔木层为33.05 t/hm2，占15.77%;灌草层为0.73 t/hm2，占0.34%;凋落物层为1.54 t/hm2，占0.73%;林地土壤为174.26 t/hm2，占83.15%。毛竹林乔木层年净生产力为11.48 t/（hm2·a），有机碳年净固定量为5.51 t/（hm2·a），年净吸收CO2量为20.20 t/（hm2·a）。

关键词：毛竹林;碳贮量;碳分配;桂西北

由于人类大量使用化石燃料以及毁林开荒等活动而造成CO2等温室气体浓度的不断上升，从而引发了全球性的气候问题，并已威胁到全球生态环境和人类的生存与发展[1]。森林是陆地生态系统的主体[2]，人工林作为森林生态系统的重要组成部分，在增加森林碳汇和碳吸存能力、改善生态环境等方面发挥着越来越重要的作用[2-4]。我国是世界人工林面积最大的国家，通过造林、再造林等活动增加森林生态系统碳固定量，已成为推进中国碳汇林业发展和实施碳减排计划最主要的途径。

毛竹（Phyllostachys heterocycla）是我国南方重要的森林资源，具有适应性广，生长更新迅速、自然成熟期短等优点，一般5～6 a即可砍伐用材，是中国南方重要的森林资源。有研究表明，毛竹林的固碳能力极强，其年碳固定量可达到杉木等速生树种的1.33～2.46倍。我国竹类资源丰富，竹子种类和竹林面积均约占全世界的三分之一，其中毛竹林面积约450万hm2，约占全国竹林面积的3/4。因此，竹林生态系统在减少温室气体（减排）和森林碳汇中发挥积极作用。研究毛竹林生态系统固碳及增汇潜力对科学评价其生态功能及其效益有着重要的意义。近些年来，有关毛竹林生态系统碳储量及其影响因素的研究已有较多报道。本研究以位于广西西北部（桂西北）的南丹县毛竹林为研究对象，通过探讨其碳素含量、碳贮量、固碳能力及其分布特征，为进一步评估毛竹林的固碳潜力和生态效益，促进其可持续经营提供依据。

1 材料与方法

1.1.研究区自然概况

研究区位于广西西北部的南丹县城关镇（107°31´E，24°59´´N）。南丹县属中亚热带山地气候类型，海拔多数在500～1000 m之间，年平均温度16.9℃，年平均降雨量1498.2 mm。试验地设置在山口林场山口分场，海拔约850 m，土壤母岩为砂页岩，土壤类型属于山地红壤、黄红壤，平均厚度在80 cm以上。林下植物中灌木层主要有山乌桕（Sapium discolor）、油茶（Camellia oleifera）、杜茎山（Maesa japonica）等，草本植物主要有淡竹叶（Lophatherum gracile）、黄茅（Heteropogon contortus）等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置

由于毛竹4～10月生长活跃，11月后生长逐渐停止，因此本研究为了更准确地测量毛竹的生长量和生物量，于2018年12月初在研究区中选择毛竹林生长良好的地块，随机设置3块样地，面积均为400 m2（20 m×20 m）。调查测定样地内所有立竹的胸径、树高。毛竹林的基本情况如表1所示。

1.2.2生物量测定

根据平均胸径和平均竹高选择5株标准竹，砍伐后地上部分采用“分层切割法”按竹秆、 竹枝和竹叶分别称其鲜质量，地下部分采用挖掘法挖出竹蔸和所有根系，然后用水漂洗干净，分别称其鲜 重。采集毛竹将各组分约0.5～1.0 kg带回实验室，放入烘箱中于80°C烘干至恒重，求算生物量。

在各样地内按对角线分别设置小样方3个，面积均为2 m ×2 m，对样方内灌木、草本的种类、个体数、高度和覆盖度等进行调查，然后采用“样方收获法”测定灌木层、草本层和凋落物层鲜质量。采集乔木层各器官、灌木层、草本层和凋落物层样品各约500g，带回实验室放入烘箱内于80 ℃烘至恒质量，测定各样品的含水率和干质量，估算各组分生物量。

1.2.3 土壤样品的采集

在各样地内桉对角线设置方法挖掘3个土壤剖面，按0～20、20～40、40～60、60～80 cm共4个层次各采集约1 kg土壤，同一样地内相同土层样品混合后按四分法取约1 kg装入布袋内，于室内自然风干后研磨过0.149 mm筛，装入自封袋，与待测植物样品均采用K2CrO7容量法测定有机碳含量。

1.2.4 样品含碳量测定

土壤和植物样品中碳含量测定采用重铬酸钾外加热法。

12.5 生态系统碳贮量和乔木层年净固碳量的计算

毛竹生态系统碳贮量为乔木层、灌木层、草本层、枯落物层和土壤层碳贮量之和。由于毛竹林为异龄林，一直处于生长的动态平衡中，经营过程中采取的是择伐作业，通常隔年伐去3度以上毛竹。每次采伐毛竹的生物量约为其现存生物量的1/3。因此，本研究参照周国模等[14]采用现存乔木层生物量的1/3进行其年生长量（或碳固定量）的计算。

1.2.6 数据统计与处理

利用Excel2013软件进行相关数据处理，采用SPSS 22.0软件对毛竹林生态系统中乔木层、灌木层、草本层、凋落物层和土壤层碳含量、碳贮量及乔木层不同器官年碳固定量间差异性等进行单因素方差分析（ANOVA）。

2 结构与分析

2.1 毛竹林生态系统碳含量

2.1.1毛竹各器官碳含量

毛竹各器官碳含量介于462.36～488.0 g/kg之间，全树平均碳含量为480.2 g/kg，，其大小为竹杆（488.02 g/kg）>竹枝（472.84 g/kg）>竹兜（471.50 g/kg）>竹根（467.54 g/kg）>竹叶（462.36 g/kg），各器官碳含量间的差异均不显著（P>0.05）（表2）。

2.1.2 林下植被层、凋落物层和土壤层碳含量

从表3可知，毛竹林林下植被层和凋落物层碳含量大小表现为灌木层（442.7 g/kg）>凋落物（407.3 g/kg）>草本层（387.5 g/kg），均远高于各土层碳含量（7.15～43.70 g/kg）。受地表腐殖化作用所形成有机物质聚集效应的影响，不同土层有机碳含量呈现随土壤深度增加而显著下降（P<0.05）的变化趋势，其中0～20 cm土层有机碳含量（43.70 g/kg）分别是20～40、40～60和60～80 cm土层的174、3.49和6.11倍。

2.2 生态系统碳储量及其分配

2.2.1 植被层碳储量

毛竹林生态系统的植物层包括乔木层、灌木层、草本层和凋落物层。从表4可知，毛竹林植物层生物量和碳储量分为68.83和33.05 t/hm2，其不同层次生物量及碳储量间差异均显著（P<0.05），其中，乔木层碳储量（33.05 t/hm2）占植被层碳储量（35.32 t/hm2）的92.48%。乔木层不同器官碳储量由大到小排列顺序为：竹杆（19.53 t/hm2）、竹蔸（4.07 t/hm2）、竹枝（3.77 t/hm2）、竹根（3.58 t/hm2）、竹叶（2.10 t/hm2），其所占乔木层碳储量比例分别为59.09%、12.31%、11.41%、10.83%、6.35%，与其生物量所占比例的排序相一致。

受毛竹生物学特性及其林分结构等影响，其林分郁闭度较大，林下植被发育较差，覆盖度较小（表1），因此林下植被组成中的灌木层、草本层生物量也都较少，分别为0.50和1.32 t/hm2，碳储量依次为0.22和0.51 t/hm2，仅分别占植被层碳储量的0.62%和1.44%。凋落物层相对较丰富，其生物量和碳储量分别为3.78和1.54 t/hm2，分别占植被层生物量和碳储量的5.08%和4.36%。

2.2.2 土壤层碳储量

毛竹林土壤层（0～80 cm）碳储量为174.26 t/hm2，各土层碳储量在垂直分布上表现出与其碳含量相同的变化趋势，即随土层加深而减少，且各土层间差异显著（P<0.05）（表5）。在各土层碳储量的分配中，0～20 cm土层所占比例（42.63%），远高于20～40、40～60和60～80 cm土层碳储量分别所占比例（27.82%、15.78%和9.92%）。

2.2.3 生态系统碳储量及其分配

从表6可见，秃杉林生态系统总碳储量为209.58 t/hm2，其中乔木层（33.05 t/hm2）占15.77%，灌木层、草本层和凋落物层（0.22、0.51和1.54 t/hm2）分别占0.10%、0.24%和0.73%;土壤层（174.26 t/hm2），占83.15%。可见，土壤层是毛竹林生态系统碳储量的主体。

2.3 乔木层年净固定碳量

根据估算（表7），毛竹林乔木层年净生产力为11.48 t/（hm2·a），年净固定碳量为5.51 t/（hm2·a），相当于年CO2量20.20 t/（hm2·a）。乔木层不同组分年净固定碳量以竹竿最大，为3.26 t/（hm2·a），占乔木层年净固定碳量的59.17%;其次是竹蔸、竹枝和竹根，分别为0.68、0.63和0.60 t/（hm2·a），分别占12.34%＼11.43%和10.89%;竹叶最少，为0.35 t/（hm2·a），仅占6.35%。

3 结论与讨论

研究表明，桂西北毛竹林各器官碳含量在436.4 ～501.2 g/kg 之间，与相同区域杉木不同器官碳含量介于464.5～508.9 g/kg、马尾松不同器官碳含量介于463.4～511.2 g/kg以及秃杉不同器官碳含量介于425.3～507 g/kg相似。毛竹平均碳含量（480.2 g/kg）也介于目前国内外学者进行森林碳储量计算时采用的转换系数450 g/kg～500 g/kg之间。毛竹不同器官碳含量大小为竹枝>竹秆>蔸根>竹蔸>竹叶，与周国模等（竹根 >竹秆 >竹蔸 >竹枝 >竹鞭 >竹叶）和王兵等（竹枝>竹秆>蔸根>竹蔸>竹叶）的研究结果相似，但与相同地区杉木、秃杉和马尾松人工林的研究结果存在差异，说明毛竹各器官碳含量的变化规律与上述林木存在差异，这可能与毛竹生物学特性等有关

毛竹林生态系统总碳储量为209.58 t/hm2，其中乔木层碳储量为33.05 t/hm2，占生态系统碳储量的15.77%，占植被层碳储量（35.32 t/hm2）的92.48%，表明喬木层碳储量是毛竹林整个植被层碳储量的主体。据报道，中国森林乔木层平均碳储量为57.07 t/hm2，中国热带、亚热带针叶林碳储量为63.17 t/hm2，相同区域12年生西南桦人工林、26年生马尾松人工林的乔木层碳储量分别为乔木层碳储量为57.13和 92.67t/hm2，浙江省临安市毛竹林乔木层碳储量为30.58 t/hm2，说明本研究毛竹林乔木层碳储量虽然比一些人工用材林相对较低，但在毛竹林中处于较高水平，其原因可能与毛竹林的结构和经营方式的特殊性有关。本研究中毛竹林土壤有机碳储量为174.26 t/hm2，高于我国人工林土壤平均碳储量（107.10 t/hm2），这也是研究区毛竹林生长良好并具有较高生物量和碳储量积累能力的重要原因。

毛竹林乔木层年净固定碳量为5.51 t/（hm2·a），相当于年吸收CO2 量为20.20 t/（hm2·a），分别高于相同区域12年生西南桦人工林（4.77 t/（hm2·a））、26年生马尾松人工林（5.41 t/（hm2·a）），也高于浙江省临安市毛竹林（5.10 t/（hm2·a））和湖南省桃江县5年生毛竹林（4.70 t/（hm2·a）），因此，本研究区毛竹林具有较强的碳汇功能，合理经营和发展毛竹人工林将是当地一种兼具木材收获和碳汇双重效益或功能的重要经营模式。

参考文献

[[1]何功秀，文仕知，邵明晓，刘兴锋.湖南永顺闽楠人工林生态系统碳贮量及其分布特征[J].水土保持学报，2014，28（5）： 159-163.

[2]谢敏洋，何斌，戴军，等.桂西北秃杉人工林不同年龄阶段的固碳功能[J].林业科学研究，2020，33（5）： 106-113.

[3]徐新良，曹明奎，李克让.中国森林生态系统植被碳储量时空动态变化研究[J].地理科学进展，2007，26（6）：1-10

[4]魏晓华，郑吉，刘国华，等.人工林碳汇潜力新概念及应用[J].生态学报，2015，35（12）：3881-3885.

基金项目：广西创新驱动发展专项资金项目（桂科AA17204087-11）;国家自然科学基金资助项目（31760201，31560206）。

作者简介：刘凡胜（1965−），男，工程师，广西南丹县人，工程师，从事人工林培育技术研究。