天山北坡中段雪岭云杉人工林碳汇随林龄的动态变化*

马媛，常顺利†，王冠正，张毓涛，孙雪娇，李吉玫

（1.新疆大学生态与环境学院绿洲生态教育部重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830017；2.新疆天山森林生态系统国家定位观测研究站，新疆 乌鲁木齐 830063；3.新疆林业科学院森林生态研究所，新疆 乌鲁木齐 830063）

0 引言

通过造林、再造林以及森林经营来增加陆地生态系统固碳量和碳汇潜力，是减缓气候变暖和实现碳中和的重要措施[1-2].第九次全国森林资源清查结果显示，我国人工林总面积为7 954.28万公顷，蓄积量为33.88亿立方米[3]，是世界上人工林面积最大的国家，其发挥的碳汇功能是我国林业碳汇的重要组成部分，在实现我国“双碳”目标过程中具有关键的支撑作用.

近年来，国内外学者在基于国家、区域及生态系统等尺度上积累了大量关于森林碳储量和碳汇功能的研究成果[4-6]，这些研究涵盖了不同气候条件下多种森林类型的固碳现状及其动态变化，对于准确评价我国森林碳库在全球碳循环和碳平衡中的地位起到了推动作用.但这些研究多集中于天然林，关于人工林，尤其是干旱-半干旱地区人工林生态系统碳汇特征的研究较少，并且缺乏对人工林造林后产生的固碳量的系统评价.目前，亟需对人工林生态系统碳汇特征进行精准计量，深入开展人工林生长发育过程中生态系统碳源汇动态变化、分配规律及其影响机制研究.

人工林生态系统碳密度主要由植被地上、植被地下、凋落物、枯死木和土壤碳密度组成[5,7]，其碳汇量可用一定时间内森林碳密度变化量之和来表示[8]，主要受气候、造林物种立地条件和林分年龄等因素的显著影响[9-10].一般认为，造林年限是人工林碳汇功能的主要影响因素，例如黄土丘陵区刺槐和油松人工林碳汇功能随林龄增加呈先升后降的变化[11]；而广西地区不同林龄软阔林生态系统碳储量随林龄的增长总体持续增加，但硬阔林总碳储量却随林龄增长呈先降后升趋势[12-13].表明造林对碳汇的提升作用随林龄的变化趋势由于区域特征、林分类型和造林方式等而具有不确定性.

中国新疆地处干旱-半干旱区，天山森林在全疆碳平衡中发挥着重要作用，雪岭云杉是天山森林的单优树种，也是天山林区最主要的造林树种，根据第九次森林资源清查数据，雪岭云杉人工林面积达1.32万公顷，但目前关于雪岭云杉人工林的碳汇作用分析研究还未见报道.因此，本文以天山北坡中段雪岭云杉人工林为研究对象，结合雪岭云杉异速生长方程及土壤碳含量实测数据，通过建立人工林碳密度、碳汇量和造林后固碳量的时间序列，主要解决以下问题：1）明确雪岭云杉人工林不同组分碳汇特征；2）揭示雪岭云杉人工林碳汇特征随林龄的动态变化趋势；3）构建人工林林龄与造林后固碳量的函数关系，量化雪岭云杉人工造林发挥的固碳功能大小及动态过程.以期为森林碳汇精准化计量和提高森林经营管理水平提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本文依托中国森林生态系统研究网络天山森林生态系统国家定位观测研究站（43°14′～43°26′N，87°07′～87°28′E）开展工作，该地位于天山北坡中段乌鲁木齐板房沟林场，属大陆温带气候，最大积雪深度为65 cm，年总辐射约为5.85×105J·cm-2.年均气温2～7 ℃，年降水量400～800 mm，年蒸发量达1 100～2 100 mm.林下土壤类型为山地灰褐色森林土.

1.2 各龄组样地的选取

结合林场经营档案以及树木生长锥确定人工林造林年限.按照每10 a一个龄级，将雪岭云杉人工林划分为10～20、21～30、31～40、41～50、51～60 a五个龄组.每个林龄组布设3块20 m×20 m的调查样地.所选样地造林方式均为8～10 a实生苗植苗造林，郁闭度处于0.7～0.9之间，林分密度约每公顷2 500～3 500株.同时，在每个龄组样地周边选取立地条件与该龄组人工林样地相对一致的无林地，设3块20 m×20 m样地作为造林前的对照.

对样地的海拔和经纬度等基本信息进行调查，以胸径尺、测高仪和卷尺调查样地内所有雪岭云杉的胸径、树高、冠幅和生长状态，以对角线望高法测定样地的郁闭度.

1.3 样品采集与测试方法

凋落物生物量：采用全收获法测定，在每个样地内按品字形设置5个1 m×1 m小样方，收集样方内所有凋落物并混合称鲜质量，取其混合样品约300 g，置于80 ℃烘箱烘干至恒重，利用样品鲜质量、样品烘干质量及样方鲜样总质量换算样地凋落物总生物量.

土壤有机碳含量：每个样地内设置3个土壤取样点，除去土壤表层凋落物及杂质后，每个采样点按0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm将土壤剖面分为五层，每层用环刀法测定土壤容重，同一样方内的土样同层均匀混合.将每个样方内各采样点的土样剔除植物、昆虫等残体，压碎，使之自然风干，利用四分法取样磨细并过筛，以重铬酸钾氧化-外加热法测定风干样品中土壤总有机碳含量（Soil Organic Carbon,SOC）.

1.4 碳密度、碳汇与造林后固碳量的计算

1.4.1 碳密度

1）植被地上和地下碳密度

雪岭云杉生物量的估算采用兰洁等[14]在该研究区建立的生物量方程（表1），此方程符合该区雪岭云杉生长特点，可较准确地估算雪岭云杉生物量.雪岭云杉各器官含碳率参考许文强等[15]在天山北坡森林的研究成果.由于雪岭云杉人工林无林下灌木、且枯死木和草本很少，在此部分不考虑灌木和草本的碳密度，并将枯死木碳密度加入植被地上和地下碳密度一起计算.

表1 雪岭云杉各器官生物量方程[14]

以枝、干、叶单位面积生物量与含碳率的乘积之和计算植被地上碳密度（VACD）：

式中：VACD为植被地上碳密度（t·hm-2），Wi为雪岭云杉枝、干、叶单位面积生物量（t·hm-2），VCi为各器官含碳率（%）.

以树根单位面积生物量与含碳率的乘积计算植被地下碳密度（VBCD）：

式中：VBCD为植被地下碳密度（t·hm-2），Wr为雪岭云杉树根单位面积生物量（t·hm-2），VCr为树根含碳率（%）.

2）土壤有机碳密度

土壤有机碳密度（SOCD）计算公式为：

式中：Ci为第i层土壤有机碳含量（g·kg-1），BDi为该层土壤平均容重（g·cm-3），Di为该层土壤厚度（cm），Ri为直径大于2 mm的石砾所占百分比（%），10-1为单位转换系数.

3）凋落物碳密度

以凋落物单位面积生物量和含碳率计算凋落物层碳密度（LCD）：

式中：LCD为凋落物层碳密度（t·hm-2），Wl为凋落物层单位面积生物量（t·hm-2），VCl为凋落物层含碳率（%）.含碳率参考许文强等[15]的研究成果，为42.14%.

4）总碳密度

总碳密度（TCD）=植被地上碳密度（VACD）+植被地下碳密度（VBCD）+凋落物碳密度（LCD）+土壤碳密度（SOCD）.

1.4.2 造林后固碳量

通过造林后的碳密度减去造林前（无林地）的碳密度来计算造林后产生的固碳量大小：

式中：ΔTCD代表造林后固碳量（t·hm-2）；TCDck代表造林前（无林地）的碳密度（t·hm-2），其中造林前植被地上、地下和凋落物层碳密度为0.

1.4.3 碳汇量

电力调度信息化是电力信息化的重要组成部分，水电、火电的调度都需要计算机监控系统及时监测调度信息，进行故障的预警提示和电力调度线路的保护。目前，我国的网络技术主要运用在电力调度的监控环节，即对发电生产自动化的监控、变电情况的监控和输电线路状态的监控。为满足电力调度的可靠性和实效性，电力调度自动化系统应运而生。其中，主要的电力自动化调度系统有SCADA系统和EMS系统。

本文定义人工林随林龄增长的碳汇为人工林生态系统总碳密度在单位时间上的变化量，即两个林龄人工林造林后碳密度之差，为这两个林龄人工林在生长年限（林龄差）的碳汇量：

式中：ΔCS为碳汇（t·hm-2·10 a），TCDT2为T2时刻生态系统总碳密度（t·hm-2），TCDT1为T1时刻生态系统总碳密度（t·hm-2），ΔT表示T2时刻与T1时刻的时间间隔，单位为10 a.

1.5 数据处理与分析方法

采用Microsoft Excel 2016对数据进行整理和统计，并利用Microsoft Excel 2016和Origin pro 2020绘制相关图表，利用单因素方差分析中的Duncan多重比较方法探讨差异性显著分析，图表中数据均为“平均值±标准误”；应用非线性回归法，对造林后固碳量与林龄进行拟合，通过判定系数（R2）、标准误差（SE）的大小及回归检验显著水平来选取最优回归模型.

2 结果分析

2.1 雪岭云杉人工林地上部和地下部碳汇随林龄的动态变化

植被地上和地下碳密度、碳汇量和造林后固碳量如表2和图1所示，随着林龄增加，植被地上干、枝、叶的碳密度均显著增加（P＜0.05），地上碳密度从1.82 t·hm-2显著增长到119.34 t·hm-2（P＜0.05），树干部分占地上部碳密度比例最大，为75.4%～78.9%，具有绝对优势；分布在叶、枝当中的碳密度仅为5.5%～18.7%.地上碳汇量随林龄表现为先快速增加又减小的趋势，31～40 a的碳汇量最大，达73.25 t·hm-2·10 a.10～20、21～30 a的地上碳汇量仅为1.82 t·hm-2·10 a、0.45 t·hm-2·10 a.地上部分造林后的碳汇量与林龄表现出显著的线性函数关系，随林龄升高，造林后固碳量逐渐上升，函数关系式为：y=3.285 2x-56.043.

图1 植被地上部和地下部造林后固碳量随林龄的变化趋势

表2 不同林龄雪岭云杉人工林植被地上和地下部分碳密度和碳汇量特征

植被地下碳密度从10～20 a的1.26 t·hm-2快速增长至51～60 a的27.77 t·hm-2（P＜0.05），增长了21倍.地下碳汇量随林龄变化趋势与地上碳汇量相同，表现为先上升至31～40 a（20.17 t·hm-2·10 a）达到最大后又下降的趋势.造林后植被地下固碳量随林龄增加呈指数上升，与林龄的函数关系式为：y=0.280 6e0.092x.

2.2 雪岭云杉人工林凋落物碳汇随林龄的动态变化

不同林龄雪岭云杉人工林凋落物碳密度、碳汇量和造林后固碳量特征如图2至图4所示，随林龄逐渐增加，从10～20 a的0.42 t·hm-2显著增加至51～60 a的1.74 t·hm-2（P＜0.05），增长率达314.3%.凋落物层碳汇量在造林后快速累积，10～20 a的碳汇量达0.42 t·hm-2·10 a，后降低至21～30 a的0.29 t·hm-2·10 a，随着林龄增加逐渐增长，至41～50 a达到最大（0.41 t·hm-2·10 a），51～60 a的碳汇量又有所降低.凋落物层造林后固碳量与林龄呈显著的线性函数关系，随林龄升高固碳量不断上升，最优拟合方程为：y=0.034 4x-0.104 4.

图3 不同林龄雪岭云杉人工林的凋落物层碳汇量特征

图4 造林后凋落物层固碳量随林龄的变化趋势

2.3 雪岭云杉人工林土壤碳汇随林龄的动态变化

雪岭云杉人工林土壤层碳密度、碳汇量和造林后固碳量如图5至图7所示.随着林龄的增加，土壤碳密度表现为先升高后降低的变化趋势，土壤层有机碳密度从土层垂直剖面上来看，造林前期10～40 a随土层深度显著增加（P＜0.05），深层60～100 cm土壤碳密度是表层0～10 cm的0.94～2.60倍.造林后期40～60 a，表层0～10 cm和深层60～100 cm显著大于其余土层（P＜0.05）.不同林龄相同土层中，除表层土壤外，土壤有机碳密度总体表现为先升高至21～30 a达到最大后又显著降低的趋势（P＜0.05）.0～10 cm表层土壤碳密度随林龄逐渐升高，至41～50 a显著升高后（P＜0.05），51～60 a又有所降低（P＜0.05）.土壤层碳汇量随林龄增加表现为先升高后降低的倒“V”字形趋势.

图5 雪岭云杉人工林土壤层不同林龄不同土层的碳密度特征

图6 不同林龄雪岭云杉人工林土壤层碳汇量特征

图7 雪岭云杉人工林土壤层造林后固碳量随林龄的变化趋势

2.4 雪岭云杉人工林生态系统碳汇特征的动态变化

各龄组雪岭云杉人工林总碳密度、总碳汇量和造林后固碳量如图8至图10所示.随着林龄增加，雪岭云杉人工林生态系统碳密度随林龄表现为先显著升高又逐渐下降的变化趋势.碳汇峰值出现在21～30 a，该龄组碳汇量为266.65 t·hm-2·10 a；低值出现在31～40 a，该龄组为负值，表现为碳源.

图8 不同林龄雪岭云杉人工林碳密度特征

图9 不同林龄雪岭云杉人工林碳汇量特征

图10 不同林龄雪岭云杉人工林造林后固碳量分配格局及其随林龄变化趋势

造林后雪岭云杉人工林生态系统固碳量与林龄表现出显著的二次函数关系，随林龄升高，造林后固碳量逐渐上升后趋于平缓，函数关系式为：y=-0.087 8x2+9.956 7x-67.887.林龄也改变了天山北坡中段雪岭云杉人工林生态系统固碳量各层组分贡献百分比（图10左图），30 a前以土壤固碳量为主（94.8%～96.0%），31～40 a植被层和土壤层二者占比接近平衡，41～60 a人工林生态系统主要表现为植被固碳（62.3%～67.7%），土壤层贡献率下降至31.5%.

3 讨论

3.1 雪岭云杉人工林植被地上和地下层碳汇的影响因素分析

天山北坡中段雪岭云杉人工林地上和地下碳密度随着林龄增长而增加，增速呈先慢后快再慢的趋势，此“S”型生长规律在其它人工林的研究中也普遍存在[16-17].原因在于雪岭云杉为慢生树种，其天然林在20 a以前为形成期，21～40 a为速生期[18]，而人工林在10～20 a至21～30 a过渡阶段生长较慢，这一时期由于植株个体较小，林冠层叶表面积有限，能够进行光合作用的区域相对较少，导致林分的年生产力较低，年固碳量在0.18～0.23 t·hm-2之间.为了在此阶段壮大个体并组建群落，需要林木建立具有增大林分并与外界进行物质和能量交换的功能器官，以制造更多的有机物质.因此在这个林龄阶段，枝叶的生物产量增加速率高于其它器官[19]，在31～40 a进入速生期.除了雪岭云杉本身的生长特性外，气候也可能是导致该过渡阶段生长较慢的原因，20世纪90年代为天山山区偏暖期，温度有较大幅度提升，平均温度上升约0.6 ℃[20]，导致土壤水分蒸散及植物蒸腾作用加强，加快了雪岭云杉水分散失和养分消耗，光合作用速率减弱，树木生长减缓[21].

本文结果显示树根碳密度仅次于树干碳密度，这是因为雪岭云杉地处干旱-半干旱区，干旱胁迫导致植物发生不同程度生长缓慢、物候提前、地上/地下生物量分配比例改变、萎蔫或死亡加剧等诸多生长特性的变化，但干旱胁迫也会促进植物根系生长，通过改变根表面积、侧根数、根冠比等策略，调整地下生物量积累和分配，便于吸收水分[22].本文发现天山北坡中段雪岭云杉人工林平均植被地上和地下碳密度为74.37 t·hm-2，远高于我国森林植被平均碳密度（57.07 t·hm-2）和西北地区植被碳密度（42.82 t·hm-2）[23]，但低于全国云冷杉林植被平均碳密度（82.01 t·hm-2）[6].推测其原因：一方面是树种类型、气候条件等客观因素所致，雪岭云杉喜阴冷潮湿，但研究区夏季日照较强，降雨量稀少，且存在季节性冻融现象，使得雪岭云杉人工林生长速度相对较缓慢[24]；另一方面是研究区雪岭云杉人工林未曾抚育，因自疏和干扰等因素导致同林龄人工林林分密度存在差异，树木生长受限于树冠和茎的大小以及光合作用空间[25].

3.2 雪岭云杉人工林凋落物层和土壤层碳汇的影响因素分析

雪岭云杉人工林内，凋落物自身储存少量的碳，占比不到总固碳量的1%，但其覆盖于地面能有效减少土壤的碳流失，是土壤碳和植物碳的重要连接库[26].有较高的生物量或凋落物并不意味着有较高的土壤有机碳储量，凋落物分解过程中产物去向决定了土壤有机碳的赋存状态，高质量的凋落物分解产物向土壤转移的比例更高[27].林龄变化对人工林生态系统群落结构、物种丰富度、生物量累积以及碳的分配会产生巨大影响，进而影响森林生态系统土壤碳库变化及碳吸存能力[28].0～20 cm的土层深度土壤碳密度最高，主要是因为土壤有机碳的主要来源为土壤有机质，土壤表层有机质的积累在很大程度上依靠土壤表层凋落物的分解，且雪岭云杉的根系在土层中呈平铺式伸展、分布较浅，死亡根系及其分泌物的补充主要发生在表层，使表层有机碳持续积累，而地表植物残体不能被土壤中下层直接吸收，主要依赖上层的淋溶下移和地下部分植物残体分解[29].

人工林土壤碳汇与造林时间通常情况下呈非线性变化[30]，本文结果显示雪岭云杉人工林土壤碳汇随着造林时间增加呈先增加后降低的趋势，这与Ahmad等[31]对我国西北落叶松人工林土壤碳库的研究结果相似.不同林龄雪岭云杉人工林平均土壤固碳量为79.99 t·hm-2，造林后土壤固碳量与无林地相比提升较明显.这是因为雪岭云杉林冠对降水截流作用较强，林地削弱了地表径流，且侵蚀量远小于无林地，具有较好的水土保持作用[32].其中21～30 a雪岭云杉人工林在0～20 cm土层土壤固碳量为负值，这可能是该林龄人工林在草地上造林所致.有学者指出土地利用方式的改变会影响土壤碳汇[33]，在土壤碳密度较低的荒地、耕地上造林，土壤表现为净固碳；而在土壤碳密度较高的天然林、草地上造林，前期易造成土壤有机碳净损失[34]，这是因为较高的土壤有机碳密度会加速土壤有机碳矿化，造林后前期又因森林冠层、腐殖质覆盖的干扰和土壤结构的破坏导致土壤出现明显的碳损失[35-36].此外，造林过程中对土壤的人为扰动也会提高土壤温度，增强微生物活性，加速土壤有机质矿化[37].Hong等[38]的研究也表明土壤有机碳的积累速率取决于本底土壤碳密度.

3.3 不同类型人工林碳汇的分析比较

估算人工林生态系统碳汇是预测人工林碳动态长期变化的基础，本文发现雪岭云杉人工林生态系统平均碳汇为81.43 t·hm-2·10 a，高于相关学者对黄土丘陵区油松（67.23 t·hm-2·10 a）[39]、南亚热带红锥（52.33 t·hm-2·10 a）[40]以及燕山华北落叶松（45.99 t·hm-2·10 a）[41]等人工林的研究结果，同时也高于一些学者对川中桤-柏混交林（-2.94 t·hm-2·10 a）、侧柏（5.43 t·hm-2·10 a）[42]和黄土高原刺槐（-7.55 t·hm-2·10 a）[43]等人工林的研究结果，与我国这些类型人工林相比，雪岭云杉人工林碳汇能力相对较高，这可能与雪岭云杉树种自身生理特性以及本文选取的人工林林龄相对较大有关，以雪岭云杉为单优树种的森林占天山森林的90%[44]，表明天山北坡中段雪岭云杉人工林在我国西北及全国范围人工林中具有重要碳吸存能力.

人工林生态系统中31～40 a云杉表现为碳源，因为林分逐渐郁闭，林内光照强度减弱，土层温度下降，林木根系密度和土壤生物活性降低，凋落物分解速率变慢，土壤有机碳输入减少，致使人工林生态系统碳累积量增速减缓[45]，因此亟需对该林龄雪岭云杉人工林林分结构进行优化.其中抚育间伐和修枝是人工林经营过程中两种重要的营林措施，可增大林内透光率，增强太阳辐射，提高土壤温湿度，使树木光合作用加强以促进生长[46-47]，并且抚育过程中掉落的枯死枝叶，可与林下植被和凋落物进行协同作用，加速林地养分循环[48-49].本文依据“空间代替时间”的方法开展，虽能弥补采样点相同时间线样地数量不足的弊端，但在山地生态系统中仍存在空间异质性，对结果有一定的干扰，因此需对云杉人工林进行长期连续观测，以尽可能减少该类研究实验误差，并明确最适的人工抚育措施和抚育强度，这对提升云杉人工林林分稳定性和碳汇潜力具有重要意义.

4 结论

本文综合分析了天山北坡中段雪岭云杉人工林生态系统碳汇在林龄梯度上的变化规律和分配特征.雪岭云杉人工林植被地上和地下碳汇随着林龄增加而增大，树干碳汇为植被地上部的主体，造林前土地利用类型造成了一定程度的影响，土壤固碳贡献率随着林龄增加不断减弱，生态系统碳汇整体上随林龄增加而增加.在全球气候变化背景下，天山北坡中段雪岭云杉人工林具有可观的碳汇能力，加强人工抚育和管理是改善其碳汇功能的重要手段.