武陵石漠化山地林分有机碳密度分布特征研究

吴 敏， 陈 瑞， 李 贵， 刘振华， 童 琪， 童方平

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 2.湖南省优质用材工程技术研究中心， 湖南 长沙 410004；3.贵州省植物园， 贵州 贵阳 550004)

森林生态系统是陆地生态系统的主体，是最大的陆地碳库，约占全球陆地总碳库的46%，在全球碳循环和减缓气候变暖中起着重要作用[1-4]。 碳密度是衡量森林生态系统固碳能力的重要指标之一[5-6]，对森林生态系统植被和土壤碳密度的研究，一直是森林生态碳循环的主要研究内容之一[7]。合理的树种选择、配置、密度控制、经营措施及科学的森林管理能够有效提高森林的碳密度[8-9]。

在通过恢复森林植被来解决碳平衡的实践中，石漠化区植被的恢复,对水土流失等生态环境问题的改善效果显著，意义重大[10]。在我国南方喀斯特地区正在实施的喀斯特石漠化综合治理生态修复工程，就是一种通过人为干预手段恢复植被，减少土壤侵蚀，促进碳汇的过程。本文以湖南省龙山、桑植石漠化山地为代表的武陵石漠化山地为例，选取喀斯特石漠化综合治理区的9种典型林分，研究其有机碳密度空间分布特征，并探讨武陵石漠化山地植被恢复区域林分有机碳密度的主要影响因子，为石漠化山地植被恢复及经营管理提供参考。

1 研究区概况

研究区位于湖南省武陵石漠化山地区域——张家界市桑植县、龙山县境内，属于中亚内陆季风气候区，降雨丰沛，海拔400～1 200 m，多年平均气温15.4～16.6 ℃；土壤以山地黄棕壤、石灰土为主；林分多为亚热带针阔混交次生林。桑植西界国有林场林分主要为杉木、马尾松、枫香、刺楸、樟树、麻栎等的混交林；龙山万宝山国有林场林分主要为马褂木、灯台树、枫香、蓝果树、杉木等的混交林。

2 研究方法

2.1 林分生长调查

2020年9—10月在对不同林分踏查的基础上，在每种试验林内设置3块30 m×30 m的样地，样地间隔1 000 m以上。对样地内林木进行每木检尺，测量胸径、树高、枝下高等指标，计算各样地平均胸径、平均树高、平均枝下高作为标准木的选择依据。各样地林分生长情况见表1。

表1 样地基本情况Tab.1 Basic situation of the study forest林分模式林龄/a海拔/m石漠化等级林分密度/(株·hm-2)组成树种各树种密度/(株·hm-2)平均胸径/cm平均树高/m平均枝下高/m生长评价柏木19514.72±1.2310.56±0.932.72±0.57良4杉木3柏木3马褂木(M1)36810～813轻度645杉木25510.85±2.897.82±0.883.91±0.66差马褂木19514.23±1.1510.67±0.965.33±0.59良马尾松49518.87±2.2112.26±1.036.26±0.65好7马尾松1杉木1柏木1杜仲(M2)31615～626中度720杉木7511.75±1.698.00±0.864.25±1.34差柏木7517.15±2.5510.00±1.342.75±1.07良杜仲7510.00±2.097.00±0.692.50±1.01差杉木43510.92±1.797.58±0.874.33±0.67差4杉木4马尾松1柏木1杜仲(M3)31635～646中度1 080马尾松43516.70±1.8311.81±1.236.00±0.59好杜仲10513.81±1.819.00±0.885.17±0.27良柏木10513.40±1.6810.00±1.134.50±0.57良柏木1358.57±1.877.67±0.792.86±0.33差黄樟39013.25±2.159.84±0.774.44±0.37良响叶杨1358.04±2.097.20±0.974.00±0.51差2马尾松1柏木3黄樟4其他阔叶树(M4)31406～413中度1 320青冈13512.33±1.898.83±1.073.58±0.36良马尾松25516.08±1.639.13±1.124.31±0.51良杜仲1357.47±1.577.00±0.953.50±0.37差刺槐13511.83±1.679.00±0.984.17±0.69良

续表1 样地基本情况Continued Tab.1 Basic situation of the study forest林分模式林龄/a海拔/m石漠化等级林分密度/(株·hm-2)组成树种各树种密度/(株·hm-2)平均胸径/cm平均树高/m平均枝下高/m生长评价枫香6756.60±1.786.88±0.831.23±0.37好5枫香4马褂木1蓝果树(M5)121 126～1 137重度1 275马褂木5557.29±1.917.24±1.081.04±0.51好蓝果树456.25±0.996.20±0.692.20±0.57好枫香(M6)121 109～1 116重度855枫香8557.37±1.386.83±0.851.63±0.53良灯台树1958.86±1.816.93±0.672.45±0.68好马褂木22510.69±2.538.23±1.052.24±0.39好3灯台树3马褂木4其它阔叶树(M7)121 100～1 109重度645香果树1057.85±0.896.33±0.492.63±0.51好漆树759.23±1.574.50±0.331.77±0.43良落叶松4516.25±1.639.20±1.152.05±0.55好蓝果树1 1259.23±1.198.52±0.932.52±0.49好3杉木6蓝果树1灯台树(M8)121 096～1 106轻度1 575杉木42011.47±1.679.40±0.992.03±0.71好灯台树307.70±0.886.50±0.591.81±0.87好蓝果树9309.55±0.877.60±0.983.11±0.46好1杉木8蓝果树1阔叶树(M9)121 145～1 153轻度1 140杉木12010.00±1.757.70±1.014.70±0.77好枫香4510.19±1.888.25±0.793.01±0.69好马褂木4519.90±2.6313.25±1.133.75±0.85好

2.2 乔木层生物量调查

根据各样地每木检尺的结果，在林分组成树种中各选取标准木1株。伐倒后测定根、干、枝、叶的鲜质量。取根、干、枝、叶各3份，每份取样500 g左右，带回实验室于105 ℃的烘箱中杀青1 h后，65 ℃烘至恒质量，根据样品鲜质量和干质量计算干湿比，结合标准木各器官鲜质量折算出各标准木各器官生物量和总生物量，再根据林分密度和树种组成计算不同林分单位面积生物量。

2.3 含碳率测定与碳密度计算

将各树种根、干、枝、叶样品置于烘箱中，于105 ℃下烘干至恒质量。将风干的样品磨细后过2 mm筛。用元素分析仪进行含碳率测定。根据含碳率和对应的生物量数据计算得出相应的碳密度，碳密度为含碳率与生物量的乘积。

采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定土壤有机碳含量。土壤有机碳密度的计算基于各土层碳含量、土壤容重、土层厚度，土壤碳密度(DSOC(t·hm-2))计算公式为：

(1)

式中：Ci为土壤碳含量(g·kg-1)；Di为土壤容重(g·cm-3)；Ei土层厚度(cm)；Gi为直径>2mm的石砾所占体积百分比(%)；k为土层数。

2.4 数据分析

用Excel 2013、SPSS 18.0进行数据统计与分析。

3 结果与分析

3.1 不同模式林分生物量与碳密度

3.1.1 主要树种各器官含碳率 对武陵石漠化山地几种主要树种含碳率的分析结果(表2)显示：各树种各器官含碳率介于39.87%～43.38%之间，枫香的枝含碳率最低，仅为39.87%；黄樟的根含碳率最高，为43.38%。除枫香、杜仲、灯台树、马褂木外，其他树种各器官的含碳率无显著性差异。杉木、黄樟全株加权平均有机含碳率显著高于其他树种的，分别为43.02%、42.93%。马褂木、枫香、杜仲的全株加权平均含碳率较低，分别为40.19%、40.60%、40.39%。

表2 主要树种各器官含碳率Tab.2 Organic carbon content of main tree species%树种含碳率根干枝叶全株加权平均 杉木43.07±0.17 ab43.01±0.11 a42.44±0.16 a43.03±0.21 a43.02±0.29 a马尾松42.45±0.22 b41.69±0.04 bc41.87±0.21 b41.72±0.08 b41.89±0.15 bc柏木41.93±0.29 bc42.01±0.15 b41.52±0.29 bc42.60±0.66 ab41.96±0.08 b青冈41.07±0.77 c41.60±0.3 bc40.71±0.84 cd40.67±0.56 bc41.13±0.09 c枫香40.30±0.01 cd41.30±0.12 c39.87±0.09 d40.11±0.11 c40.60±0.81 cd黄樟43.38±0.35 a42.64±0.49 ab42.66±0.32 a42.67±0.43 a42.93±0.18 a杜仲40.30±0.11 cd41.17±0.44 c40.12±0.38 d39.96±0.03 c40.39±0.16 d刺槐41.45±0.51 c41.75±0.21 bc41.13±0.56 c40.75±0.34 bc41.33±0.29 bc灯台树42.96±0.03 ab40.25±0.19 d40.74±0.16 cd41.35±0.55 b40.89±0.17 cd蓝果树42.60±0.06 b42.10±0.25 b42.43±0.05 ab41.66±0.15 b42.13±0.08 b马褂木40.16±0.11 d40.07±0.01 d41.26±0.23 bc40.14±0.29 c40.19±0.05 d 注: 不同小写字母表示含碳率差异显著(P<0.05)。

推测各树种含碳率出现差异的原因，可能一方面与树种特性有关，另一方面也与采样所选标准木的树龄有一定关系，杉木、黄樟、马尾松树龄均在30 a以上，而枫香、马褂木、杜仲的树龄在12 a左右。

3.1.2 不同模式林分标准木及单位面积生物量 不同模式林分标准木及单位面积生物量详见表3。从表3中可以看出:除M7林分的香果树标准木生物量分布格局为干>枝>根>叶外，其余模式各标准木生物量分布格局均为干>根>枝>叶。不同模式林分单位面积生物量从大到小依次为M3>M4>M8>M9>M1>M2>M7>M5>M6。M3林分(4杉木4马尾松1柏木1杜仲，1080株·hm-2，31 a)单位面积生物量最大，达93.99 t·hm-2，显著高于其他模式林分的；M4林分(2马尾松1柏木3黄樟4其他阔叶树，1 320株·hm-2，31 a)、M8林分(3杉木6蓝果树1灯台树，1 575株·hm-2，12 a，)的较小，分别为44.27、41.2 t·hm-2。M3、M4林分为针阔混交成熟林，林分中乔木生长情况多为差或良，M8林分为针阔混交中龄林，林分中乔木生长情况较好。M6林分(枫香，855株·hm-2，12 a，)单位面积生物量最小，仅为9.47 t·hm-2，该林分为中龄枫香纯林，生长情况良好。各林分各器官单位面积生物量分布格局均为干>根>枝>叶，主干生物量显著高于其他器官的。除M1、M2、M4、M7林分外，其余5种模式林分的根生物量均显著高于枝的，除M1林分外，其余模式林分的单位面积枝生物量与叶生物量均无显著性差异。

3.1.3 不同模式林分乔木层有机碳密度 从典型武陵石漠化山地9种林分的乔木层有机碳密度分析结果(表4)可知：各不同模式林分乔木层有机碳密度介于3.84～39.61 t·hm-2之间。M3林分乔木层有机碳密度最高，达39.61 t·hm-2，显著高于其他模式林分的；其次为M4林分的，为18.59 t·hm-2；M6林分乔木层有机碳密度最低，仅为3.84 t·hm-2，显著低于其他模式林分的，M6林分为重度石漠化的中龄枫香纯林，其乔木层有机碳密度显著小于同龄林的阔叶混交林M5林分(5枫香5马褂木1蓝果树，1 275株·hm-2)和M7林分(3灯台树3马褂木4其它阔叶树，645株·hm-2)的。乔木根系和乔木地上部分有机碳密度变化规律基本与乔木层有机碳密度的一致。

乔木层年均有机碳产量较大的林分为轻度石漠化山地、林龄为12 a的M8、M9林分及中度石漠化山地、林龄为31 a的M3林分，其年均有机碳产量分别达1.46、1.31、1.28 t·hm-2a-1，均显著高于其他林分的；乔木层年均有机碳产量较小的为重度石漠化山地、林龄为12 a的M6林分和轻度石漠化山地、林龄为36 a的M1林分,以及中度石漠化山地、林龄为31 a的M2林分，其乔木层年均有机碳产量分别为0.32、0.35 、0.38 t·hm-2a-1，均显著低于其他林分的。由此推测，轻度石漠化山地针阔混交中龄林乔木层单位面积年均有机碳产量较大，重度石漠化山地的成熟林乔木层年均有机碳产量较小。

3.2 不同模式林分土壤有机碳密度

表4还显示：中度石漠化山地M2、M3林分土壤有机碳密度分别为5.72、5.21 t·hm-2，均显著高于其他林分的；重度石漠化山地的M6、M8林分土壤有机碳密度分别为2.55、2.60 t·hm-2，均显著低于其他林分的。轻、中度石漠化山地林龄较大的针阔混交林林地土壤有机碳密度较高，重度石漠化山地的幼、中林龄的针阔混交林土壤有机碳密度次之，重度石漠化山地的枫香中龄林土壤有机碳密度最小。这一方面与林分本身的合理结构，包括林分树种选择、配置比例、林龄有关；另一方面也与土壤本身的石漠化等级及地理等因素有关。

表4 不同模式林分有机碳密度和有机碳产量(平均值±标准差 )Tab. 4 The organic carbon density of each stand(mean±standard error)林分模式土壤有机碳密度/(t·hm-2)乔木根系有机碳密度/(t·hm-2)乔木地上部分有机碳密度/(t·hm-2)乔木层有机碳密度/(t·hm-2)乔木层年均有机碳产量/(t·hm-2a-1)乔木层年均有机碳产量排序M14.99±0.51 ab2.04±0.57 d10.64±0.93 d12.68±0.31 d0.35±0.01 c8M25.72±0.56 a2.13±0.16 d 9.40±0.68 d11.86±0.56 d0.38±0.03 c7M35.21±0.71 a5.56±0.51 a34.05±1.31 a39.61±1.61 a1.28±0.05 a3M44.85±0.61 ab4.57±0.19 b14.02±1.07 bc18.59±0.78 b0.60±0.07 b6M53.51±0.55 bc2.11±0.66 d 5.49±0.51 e 7.69±0.25 e0.64±0.03 b5M62.55±0.23 c0.89±0.31 e 2.95±0.25 f 3.84±0.15 f0.32±0.06 c9M73.01±0.78 bc1.5±0.09 de 6.85±0.33 e 8.41±0.36 e0.70±0.05 b4M82.60±0.21 c2.5±0.61 cd14.94±0.61 b17.46±0.61 bc1.46±0.09 a1M94.16±0.51 b3.22±0.21 c12.44±0.93 c15.68±0.23 c1.31±0.11 a2 注: 不同小写字母表示不同林分差异显著(P<0.05)。

3.3 林分有机碳密度、石漠化等级、林龄等各因子的相关性

相关分析结果(表5)显示：土壤有机碳密度与乔木层有机碳密度、石漠化等级、林分林龄、乔木地上部分有机碳密度、乔木根系有机碳密度及林分密度均呈显著相关性；与石漠化等级及林分密度均呈负相关，石漠化等级越高，一定范围内(645～1 575株·hm-2)林分密度越大，土壤有机碳密度越小；与乔木有机碳密度、乔木地上部分、根系、林龄均呈正相关，特别是与林龄的相关性，达极显著水平，P值达0.657；与乔木层年均有机碳密度相关性不显著。乔木层有机碳密度与林龄、地上部分有机碳密度、根系有机碳密度均达到极显著正相关，P值分别达0.658、0.995、0.890。乔木根系有机碳密度与乔木地上部分有机碳密度达到极显著相关性，P值达0.840。乔木层有机碳密度与林分密度无显著相关性。由此推测对林分土壤有机碳密度影响较大的为乔木层有机碳密度、林龄及石漠化等级。

表5 林分有机碳密度、石漠化等级、林龄等各因子的相关性Tab.5 Correlation analysis of forest organic carbon density土壤有机碳密度乔木层有机碳密度石漠化等级林龄 乔木年均有机碳密度乔木地上部分有机碳密度乔木根系有机碳密度林密分度土壤有机碳密度1.0000.409*-0.441*0.657**-0.2530.398*0.404*-0.401*0.0230.0130.0000.1700.0270.0240.025乔木层有机碳密度1.000-0.1010.658**0.385*0.995**0.890**-0.1630.5870.0000.0320.0000.0000.382石漠化等级1.000-0.2900.109-0.103-0.0820.349.0.1130.5580.5830.6610.054林龄1.000-0.3180.658*0.569**-0.360*0.0810.0000.0010.044乔木层年均有机碳密度1.0000.365*0.426*0.3480.0430.0170.055乔木地上部分有机碳密度1.0000.840**-0.1610.0000.388乔木根系有机碳密度1.000-0.1500.419林密分度1.000 注:* 表示在0.05水平上(双侧)显著相关;**表示在0.01水平上(双侧)显著相关。

4 结论与讨论

武陵石漠化山地主要树种各器官含碳率介于39.87%～43.38%之间，杉木、黄樟全株加权平均含碳率显著高于其他树种的，而马褂木、枫香、杜仲含碳率较低。这一方面与树种生理特性有关，另一方面也与树龄有关，杉木、黄樟的树龄在30 a以上，而枫香、马褂木、杜仲的树龄在12 a左右。

石漠化山地9种不同林分乔木各器官单位面积生物量分布格局均为树干>树根>树枝>树叶，主干生物量显著高于其他器官生物量，与樟树人工林生物量的结构与分布一致[11-12]。中度石漠化山地生物量较大的成熟林M3、M4乔木层单位面积有机碳含量较高；重度石漠化山地生物量较小的枫香中龄林M6乔木层单位面积有机碳密度显著小于同林龄M5、M7的，由此可推测，混交林有利于森林碳汇，说明合理配置的混交林对目的树种的林分蓄积量和生物量累积均有一定的促进作用[13]，进而利于有机碳的积累；轻度石漠化山地中龄林乔木层年均有机碳产量较大，显著高于其他林分的，与轻度石漠化区域立地条件相对较好，中龄林生长势好有直接关系。

不同模式林分的乔木层及林地土壤有机碳密度表现为：轻、中度石漠化山地针阔混交成熟林>重度石漠化山地的针阔混交中龄林>重度石漠化山地的枫香中龄林。这一方面与林分本身的合理结构，包括林分树种选择、配置比例、林龄有关，另一方面也与土壤本身的石漠化等级及地理等因素有关[14]。土壤有机碳密度与石漠化等级及林分密度呈显著性负相关，与林龄、乔木层有机碳密度、乔木地上部分有机碳密度、根系有机碳密度呈正相关，特别是与林龄的相关性，达极显著水平。随着林龄的增长，乔木层整体生物量和有机碳的积累，其林分土壤有机碳密度也随之增大。人工林在提高森林碳汇能力方面起着重要的作用，且随着人工林碳储量的持续增长，其在固碳增汇、减缓气候变化方面的生态效益越来越受到重视[15-16]。石漠化山地以碳储量为目标的造林宜选择长势较好且含碳率较高的树种黄樟、马尾松、柏木、青冈、刺槐等营造针阔混交林，此外，还需兼顾单株的生长发育与林分整体生物量的累积，合理控制造林密度。