元谋干热河谷稀树灌草丛植被碳库分布特征

2023-11-29高中腾孙泽何真敏罗志锋孙永玉王猛

农业与技术 2023年22期

高中腾孙泽何真敏罗志锋孙永玉王猛

(1.西南林业大学林学院，云南昆明 650233；2.西南林业大学生态与环境学院，云南昆明 650233；3.中国林业科学研究院高原林业研究所，云南昆明 650233；4.云南元谋干热河谷生态系统国家定位观测研究站，云南昆明 650233)

森林的碳储量是研究碳在生态系统中循环的基础，也是衡量森林生态功能强弱的重要体现。森林通过其自身的生长可以吸收和稳定大量的碳，同时，森林资源的采伐和利用也可以释放曾经储存的碳，因此，森林在调节全球碳平衡方面发挥着不可替代的作用，是全球碳循环中重要的碳汇，在全球变暖的背景下，对森林植被碳储量的研究具有重要意义[1]。然而近年来主要针对大尺度区域森林碳储量研究较多，而对特殊生境下的小尺度区域的碳储量研究较少。

稀树灌草丛植被主要分布于中国西南地区的干热河谷，最为典型的干热河谷是金沙江流域的元谋坝区、攀枝花干热河谷区、元江流域的元江坝区和红河县干热河谷区[2]。之前大部分学者进行的研究主要包括稀树灌草丛的群落特征和植物生理方面[3-6]，其碳储量受到的关注较少。因此，研究稀树灌草丛的固碳能力尤为迫切。稀树灌草丛作为世界萨王纳植被的重要组成部分，在生态环境、生物多样性保护和区域经济发展等方面起着重要作用，但由于自然和人为因素等原因，干热河谷部分地区出现生态系统退化、水土流失严重、生物多样性下降和生态功能不稳定等现象，与此同时，碳汇功能也遭到一定程度的破坏，生态系统面临严峻挑战[7]。本研究以元谋干热河谷稀树灌草丛群落为对象，目的是研究稀树灌木草丛植被碳库分布特征，不仅为当地稀树灌草丛的植被恢复提供数据方面的资料，也为该区域的科学经营提供理论上的帮助。

1 研究区概况

研究区位于云南元谋干热河谷生态系统国家定位观测研究站固定样地内(N101°51′41″，E25°40′18″)，海拔约1200m，属南亚热带季风干热气候区，是干热河谷的典型代表区域。该站气候炎热干燥，光热资源充足，干湿季分明，年均温为21.9℃，年降水量630.7mm，其中90%以上的降水集中在6—10月，年均蒸发量3426.3mm，年相对湿度55.8%，年均干燥度达4.4，无霜期350～365d，降水蒸发比严重失衡，区域土壤以燥红土为主，植被类型以滇榄仁(Terminalia franchetil Gagnep)、余甘子(Phyllanthusemblica)、车桑子[Dodonaea viscosa(L.)Jacq]、扭黄茅(Heteropogon contortus)等为主的“河谷型半萨王纳”植被。

2 材料与方法

2.1 样方调查

2022年10月进行野外样方调查和取样，在固定样地选取不同植被类型样地共8块，每块样地面积为400m2(20m×20m)，样地情况见表1。开展调查时，在样地中对乔木(胸径大于20cm)进行每木检尺，记录每株的树高、胸径和冠幅。在每一样地沿对角线设置1个2m×2m的灌木样方，记录灌木样方的物种组成、株(丛)数、灌木的平均基径、平均高度，并在每一灌木层调查样方内设置一个1m×1m的草本层调查样方，调查内容包括草本、物种组成、高度、盖度等指标。最后对灌木(灌木分叶片、树枝和树干、根部3部分)、草本(具体分为草上、草下2个部分)全部收获，在每个1m×1m的小样方内收集凋落物，称鲜重后每个部分取200g左右的样品带回实验室，先将烘箱设置为105℃后进行杀青30min，再将烘箱温度设置为70℃，将样品烘干至恒重，结束后分别测定灌木和草本各部分样品的生物量，得出的结果进行平均后再换算成单位面积的生物量。最后将得到的生物量分别乘以转换系数0.5得到各部分的碳储量(t·hm-2)。

表1 样地基本概况

2.2 数据统计分析

将样方调查的树高和胸径数据代入异速生长方程计算乔木层总的生物量。根据研究区域的植被情况、树种类型及模型使用范围，乔木层生物量估算选用的异速生长方程[8]：

V1=0.014×(D2H)0.693

(1)

V2=0.015×(D2H)0.844

(2)

V3=0.091×(D2H)0.816

(3)

V4=0.038×(D2H)0.896

(4)

式中，V1指代叶片的生物量，kg；V2指代树枝的生物量，kg；V3指代茎干的生物量，kg；V4指代根部的生物量，kg；D指1.3m处的胸径，cm；H为树高，m。

灌木层和草本层生物量估算将各部分已测定的生物量取平均值后换算成单位面积生物量。最后将计算得到的各部分生物量分别乘以转换系数0.5得到各部分的碳储量(t·hm-2)。

3 结果与分析

3.1 稀树灌草丛乔木层碳储量

元谋区域稀树灌草丛乔木层总的碳储量为(1.88±0.06)t·hm-2，见表2。如图1所示，乔木层中碳储量最大的物种是滇榄仁(Terminalia francheti)，为1.84t·hm-2，占到乔木层总碳储量的97.87%；其次为岩柿(Diospyros dumetorum)，碳储量为0.04t·hm-2，占到2.13%；山合欢[Albizia kalkora(Roxb.)Prain]和假烟叶(Solanum erianthum D.Don)的碳储量最低可以忽略不计，这说明滇榄仁在稀树灌草丛乔木层中是绝对优势物种，并且碳储量的分布在乔木层的物种之间是非常不均匀的。

表2 元谋干热河谷稀树灌草丛碳储量

乔木层地上部分的碳储量为(1.28±0.04)t·hm-2，占到总碳储量的68.09%，地下部分碳储量为(0.60±0..02)t·hm-2，占比31.91%。从乔木层地上部分看，树枝和树干总的碳储量为1.19t·hm-2，占比就高达92.97%，叶片的碳储量较少为0.09t·hm-2，占比仅有7.03%，表明分配在叶片中的碳储量较低。

3.2 稀树灌草丛林下植被碳储量

元谋区域稀树灌草丛灌木层和草本层总的碳储量为(4.98±0.26)t·hm-2，见表2，灌木层总的碳储量为(2.14±0.26)t·hm-2，占到林下整个植被层总碳储量的42.97%，草层的总碳储量为(2.84±0.02)t·hm-2，占到57.03%，如图2所示，草本层碳储量要大于灌木层碳储量。

灌木层地上部分的叶片碳储量和枝干碳储量分别为0.31t·hm-2、0.43t·hm-2，两者占到灌木层总碳储量的14.29%、20.32%。灌木层地下部分的根部碳储量为(1.40±0.17)t·hm-2，占到灌木层碳储量的65.39%，说明灌木层的地下根部碳储量大于地上的叶片碳储量和枝干碳储量。草本层的草上部分碳储量和草下根部的碳储量分别为(1.59±0.01)t·hm-2、(1.25±0.01)t·hm-2，占草本层总碳储量的55.94%、44.06%，说明草本层的碳储量主要分配在地上部分。林下植被层地上碳储量和地下碳储量(2.33±0.09)t·hm-2、(2.65±0.17)t·hm-2，分别占到整个林下植被层碳储量的46.79%、53.21%，说明稀树灌草丛林下植被地上部分碳储量和地下部分碳储量分配基本相当，地下部分碳储量略高于地上部分。

4 讨论

元谋稀树灌草丛林分碳储量为6.86t·hm-2，其中草本层碳储量占到了41.39%，表明元谋稀树灌草丛草本层碳储量贡献最大，草层碳储量大于灌木层，这与金振洲等研究一致[9]。稀树灌草丛往地下部分分配了较多的碳储量，反映了稀树灌草丛群落的地下根部是比较发达的，由于元谋区域稀树灌草丛降水较少，稀树灌草丛植物生态系统的生长受到了水分的限制，根部发达有利于该地区植物能更好地获取水分，这是应对干旱胁迫的一种方式[10]。乔灌层叶片的碳储量的分布较少，占总碳储量中的比例不到10%，主要原因是元谋干热河谷气候干燥炎热，降雨量较少，叶片碳储量分配较低，表明植物的叶片面积和数量正在不断减少，同时叶片变得比之前更薄，这有利于减少水分的散失，能够更好适应生存环境[11]。

从同一地区来看，位于元谋干热河谷的稀树灌草丛碳储量(6.86t·hm-2)要远低于元谋干热河谷桉树人工林的碳储量(24.73t·hm-2)，这主要是因为桉树人工林的乔木层种群密度较大，生长茂盛，树高在3.5m以上，灌木层和草本层植物种类和数量较少，并且桉树的生物量占到了群落总生物量的88%以上，碳储量贡献最多[12]。而元谋干热河谷稀树灌草丛植被低矮(乔灌层平均树高1.8m左右)，乔灌密度较低，严重拉低了元谋干热河谷稀树灌草丛植被的碳储量。

表3 不同森林类型间碳储量的差异

从不同地区来看，元谋干热河谷稀树灌草丛碳储量(6.86t·hm-2)要低于国内外稀树灌草丛主要分布区的碳储量[13-15]。元谋干热河谷稀树灌草丛的碳储量在全球稀树灌草丛平均碳储量范围中(28.40t·hm-2)，处于较低水平，主要原因是相比其他地区元谋干热河谷水土流失严重影响植被的生长，另外该区常年干热少雨，周围居民较多，受到了放牧等人为因素的干扰，对该区域原生植被的保护不够，导致了原有植被被破坏，这种现象不仅减少了该区域的植物数量，也限制了该区域植物的正常生长发育，进而影响了植被的碳储量积累和储存[12，14]。元谋干热河谷区稀树灌草丛与其他干热河谷区稀树灌草相比虽然碳储量相差较大，更可以说明该区有很大的碳储量潜力，应当引起人们的重视和保护。