亚热带红壤丘陵区湿地松人工林生态系统碳素贮量与分布研究

文章编号:1000-2286(2007)01-0048-07

亚热带红壤丘陵区湿地松人工林

生态系统碳素贮量与分布研究

涂洁1,2,刘琪1,33

　　(1.南昌大学环境工程与科学学院,江西南昌330029;2.南昌工程学院,江西南昌330029;3.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)

摘要:利用标准样方法对19a生湿地松人工林生物量、碳素含量、贮量及其空间分布进行测定。结果表明,湿地松各器官的碳素含量在50.92%～54.38%波动,排列顺序为树叶>树枝>树根>树干>树皮,且各器官的碳素含量随树龄增长而提高。林冠上层与下层叶的碳素含量比中层叶的碳素含量低,但差别不大;下层枝条碳素含量明显比上、中层枝条高。灌木层、草本层、凋落物层的碳素含量依次为45.16%、42.28%、40.88%;土壤层碳素含量平均为0.43%,且随土壤深度的增加而明显递减。湿地松各器官碳贮量与其生物量成正比例关系,排列顺序为树干>树根>树皮>树枝>树叶。随着树高的增大,树干碳贮量在乔木层中所占比例逐渐下降,树皮碳贮量所占比例处于一个缓慢上升的状态,枝叶碳贮量所占比例在10～12m段出现最大值。湿地松林生态系统碳贮量(C)为121.94×103kg/h m2,其中乔木层为86.78×103kg/h m2,占整个生态系统总贮量的

70.67%,下木层为0.6×103kg/h m2,占0.49%,凋落物层为8.86×103kg/h m2,占7.27%,林地土壤(0～

60c m)为26.3×103kg/h m2,占21.57%。根据以上数据,得出湿地松林年净生产力约为7.61×103kg/h m2・a,有机碳年净固定量(C)为4.54×103kg/h m2・a。

关键词:湿地松人工林;碳素含量;碳贮量;碳分配;亚热带红壤丘陵区

中图分类号:S718.55+4　　文献标识码:A

Carbon Storage and D istri buti on of the P inus elliottii

Forest Ecosyste m i n Subtropi cal Red Soil Hilly Area

T U J ie1,2,L I U Q i-J ing1,33

　　(1.I nstitute of Envir onmental Engineering and Science,Nanchang University,Nanchang330029,China;

2.Nanchang I nstitute of Technol ogy,Nanchang330029,China;

3.I nstitute of Geographical Science and Natu2 ral Res ources Research,Chinese Acade my of Science,Beijing100101,China)

　　Abstract:The bi omass,carbon content,st orage and distributi on in P inus elliottii p lantati on were studied by means of sa mp le p l ot.The results showed that the carbon contents in different organs of P.elliottii trees ranged fr om50.92%t o54.38%,and decreased in the order of leaf>branch>r oot>bole>bark.The carbon contents varied with layers in the canopy and increased with devel opment of trees.The carbon content in the leaves of upper and l ower layer was l ower than that in the leaves of the m iddle,and the carbon content in the branch of the l ower layerwas higher than that of the m iddle and the upper.The carbon contents in shrub,herb and litter fl oor were45.16%,42.28%and40.88%,res pectively.The average of carbon content in the s oil was0.43%and declined with s oil dep th.The carbon st orage in different organs was positively related t o the

收稿日期:2006-10-13

项目基金:国家重大基础研究项目(2002CB4125)和中国科学院生态网络野外台站基金

作者简介:涂洁(1980-),女,在读博士,研究方向:区域生态生产力,E-mail:tujie8058@163.com。

第1期涂洁等:亚热带红壤丘陵区湿地松人工林生态系统碳素贮量与分布研究bi omass of corres ponding organs and decreased in the order of bole >r oot >bark >branch >leaf .The carbon st orage accumulated by ste m declined with the increase of height .The bark carbon st orage rati o sho wed a trend of sl ow increase with the increase of height .The p r oporti on occup ied by the carbon st orage in branch and leaf reached maxi m u m bet w een 10m and 12m in the canopy .The t otal carbon st orage in P .elliottii p lantati on e 2cosyste m a mounted t o 121.94×103

kg ・hm

-2

,of which overst orey st ored 86.78×103kg ・hm

-2

,accounted

for 70.67%.The underst orey,litter fl oor and s oil within the dep th fr om 0t o 60c m accounted for 0.49%,7.27%and 21.57%,res pectively .The annual net p r oductivity of P .elliottii trees was 7.61×103

kg ・hm

-2

・a

-1and annual carbon st orage was up t o 4.54×103kg ・h m

-2・a -1

.

Key words:P inus elliottii p lantati on;carbon content;carbon st orage;carbon distributi on;subtr op ical red s oil hilly area

1　引　言

森林是陆地生物圈的重要组成部分,其维持的碳库占全球总碳库的46.3%,而植被部分维持的碳

库占全球植被碳库的77.1%[1]

。1850～1998年间因全球土地利用方式变化而释放的CO 2累积达(126±55)Gt,其中约%来源于森林的变化[1,2]

。因此,森林生态系统在维护区域生态环境和全球碳平衡

方面起着极其重要的作用[3,4]

。国外对通过森林资源管理和造林等行为带来的碳吸存效益的研究较多[5～7],而我国在这方面的研究较少[8～10]。与国外相比,我国对森林碳循环的研究起步较晚,仅近年来,方精云等[11,12]

、刘国华等[13]

、王效科等[10]

、周玉荣等[14]

推算了我国50年来森林碳库及其动态变

化。赵敏等[15]

得出了中国森林植被的总碳贮量和碳密度,并分析了气候因子对森林植被碳贮量的影响。

无论按何种尺度估算森林的碳素贮量,大多数都是直接或间接以森林植被生物量的现存量(或土

层质量)乘以生物量(或土壤)中碳素密度推算而得[16]

。国内外大多数学者在估算森林植被碳素贮量(C )时,通常采用0.5g/g 或0.45g/g 作为森林植被的平均碳素密度[10,12,17～19]。然而许多研究表明,不同的森林类型,由于组成树种不同,其植被及同一种植物不同器官中的碳素密度明显不同[20～24]

。即使

是同一森林类型,在不同的气候带,林木各器官碳素密度的算术平均值也有一定的差异[20,23]

。同时,在

不同地区不同森林植被或相同森林植被下,土壤中的有机质(碳)的密度差异很大[25]

。因此,有必要对各种气候带、各种森林类型的植被和土壤碳素密度进行研究。

湿地松(P inus elliottii )原产美国东南部,自引种以来,在长江以南大部分地区都有较好的生长表现,已成为我国普遍引种的造林绿化和用材树种[26]

,而目前对其碳循环方面的研究少见报道[27]。本文对湿地松人工林生态系统碳素含量、碳贮量及其空间分布特征进行研究,旨在了解亚热带森林生态系统碳循环特征,并且为减少我国森林碳循环研究中的不确定性提供基础数据。

2　研究地区与研究方法

2.1　研究地区概况

试验地位于江西省泰和县中国科学院千烟洲试验区内,地理位置为115°04′13″E,26°44′48″N,具体

概况见相关文献[28]

。2.2　研究方法2.2.1　湿地松林生态系统生物量的测定　2006年5月～6月在千烟洲试验区湿地松样地内进行生物

量的测定,分别在阴坡向和阳坡向设置面积为20m ×20m 的样方各4块,对样方内所有湿地松进行每木调查。在每木调查的基础上,选取各径级标准木伐倒,地上部分采用1m 区分段“分层切割法”测定

标准木干、皮、枝(分当年生枝和老枝)、叶(分当年生叶和老叶)鲜重;地下部分采用“分层挖掘法”

(0～20c m ,20～40c m ,40～60c m )分别测定根头、大根(>0.5c m )、粗根(0.2～0.5c m )、细根(<0.2c m )鲜重。同时,在每个样方四角及中心位置设置1m ×1m 的小样方5块,收集每块小样方中全部灌木、草本和现存凋落物。将灌木层所有种类植物混合后分别测定叶、茎、根的鲜重,草本层按地上部分和地

・

94・

　江西农业大学学报第29

卷

图1　不同林冠层叶的碳素含量

Fig .1　Comparis on of carbon contents in the

leaves fr om different

layers

图2　不同林冠层枝的碳素含量

Fig .2　Comparis on of carbon contents in the

branches fr om different layers

下部分分别称鲜重。在测定各部分鲜重的同时取植物样,所有植物样必须先在105℃下杀青20m in,再在70℃下烘干至恒重,计算其含水率。乔木层采用相对生长法估算全林生物量[29]

。

2.2.2　样品采集及化学分析方法　在所有小样方中挖取土壤剖面,分层(0～20c m ,20～40c m ,40～60c m )采集土壤样品,每层3个重复,按各层分别混合后取部分土,于室内风干后磨碎,用于含水率和含碳量分析。同时用环刀法测定土壤容重,根据容重计算单位面积土层重量。烘干的植物样经磨碎后用于

碳素含量的测定,植物、土壤样品中的碳素含量采用重铬酸钾-水合加热法测定[30]

。2.2.3　生态系统碳贮量的计算　植物和地表现存凋落物碳贮量以其生物量或现存量乘以其碳素含量

计算得到,土壤碳贮量则是土壤有机碳含量、土壤容重和土层厚度三者的乘积。

3　结果与分析

3.1　湿地松林生态系统中各组分碳素含量

3.1.1　乔木层碳素含量　由表1可见,湿地松林各器官中碳素含量为50.92%～5

4.38%,其中树叶、

树枝、树根的碳素含量较高,树干和树皮的碳素含量较低,按碳素含量的高低排列顺序为树叶>树枝>树根>树干>树皮。另外,从不同年龄树枝和树叶碳素含量的测定结果可以看出,随着湿地松林年龄的

增长,各器官的碳素含量也相应地提高,这可能与各器官的老化程度有关[16]

。

表1　湿地松中不同器官碳素含量

Tab .1　Carbon con ten t i n d i fferen t organ s of P inus elliottii

%

组分树干

树皮

树叶

当年生叶

老叶

树枝

当年生枝

老枝

树根

细根

粗根

大根

根头

碳素含量51.41

50.92

52.62

54.38

51.18

52.26

51.37

51.77

52.66

51.28

平均值

53.50

51.72

51.77

　　由图1可看出,叶中碳素含量随着林冠层次的不同

而发生变化,上层叶与下层叶的碳素含量较低,分别为52.97%和52.78%;中层叶碳素含量较高,为54.56%。同样地,不同林冠层枝条的碳素含量也存在差异(图2),下层枝条的碳素含量为53.21%,明显高于上层枝条(50.94%)和中层枝条(51.53%),这主要是由下层枝条

年龄较大所致[31]

。3.1.2　林下植被、现存凋落物及土壤碳素含量　从表2可看出,灌木层、草本层、凋落物层和土壤层中的碳素含量平均值依次为45.16%、42.28%、40.88%和0.43%。总体看来,灌木层的碳素含量高于草本层,表现出随着植物个体高度或组织木质化程度的降低,其碳含量相应减

少的趋势[32]

。另外,由于凋落物中的部分有机物已被分解,其中部分碳以有机质的形式进入土壤,而大部分碳则以CO 2的形式释放到大气中,使其碳素含量相对比地上各层次植被的碳素含量低。

土壤中碳含量由表层向深层依次降低,0～20c m 土层含碳量较高,为0.65%,其次为20～40c m 土层和40～60c m ,分别为0.37%和0.26%。土壤容重平均为2.07g/c m 3

,各层次间变化不大。根据容重和碳素含量

得出0～20c m 、20～40c m 、40～60c m 土层的碳素密度分别为2.60kg/m 2

、1.60kg/m 2

和1.06kg/m 2

。0～20c m 层的碳素密度最高,约为20～40c m 层的1.6倍,为40～60c m 层的2.5倍。可见,碳素密度与

・05・

第1期涂洁等:

亚热带红壤丘陵区湿地松人工林生态系统碳素贮量与分布研究　　图3　乔木层各器官生物量及分配　　Fig .3　B i omass and its distributi on in tree st

orey

　　图4　乔木层各器官碳贮量及分配　　Fig .4　Carbon st orage and distributi on in tree st

orey 　　图5　乔木层各器官所占比例垂直变化　　Fig .5　Vertical changes of carbon st orage

percentages in different organs

碳含量的变化相类似,随土壤深度的增加而明显递减,碳素密度主要受土壤有机碳含量的影响。一些研究表明,土壤容重、土层、土壤有机质含量间存在

相关关系[33,34]。方运霆等[35]

根据2001年对针叶林、针阔混交林和季风常绿阔叶林3个永久样地的15个土壤剖面测得的资料,发现土壤有机碳含量和土壤容重关系具有良好的直线关系。3.2　湿地松林生态系统中各组分碳贮量3.2.1　乔木层各器官碳贮量　湿地松林树木各器官的生物量与相应碳素含量之积为其碳贮量,因此,各器官的碳贮量与生物量成正比例关系(图3、图4),各器官的碳贮量与生物量的排列顺序为:树干>树根>树皮>树枝>树叶。湿地松树干部分碳贮

量占乔木层总贮量的59.13%,如果把湿地松的树

干加工成一些林产品,其碳贮量可以“永久”保存下来,成为缓冲性林产品碳库,对调节地球环境中碳周

转速率和周转量具有重要意义[36]

。另外,作为非木材的枝、叶、皮、根还占很大一部分,达40.87%,采

伐后林地剩余物的处理方式和造林前的整地方式对

碳贮存量的影响很大。如果在采伐后能够及时完成更新过程,所造成的CO 2的排放量不是很大,反之,森林采伐后,大量树根、枝、叶、皮被移出林外作薪材或进行“炼山”,将导致大量有机质在很短的时间内迅速氧化分解,尤其是土壤表层有机质的迅速氧化,

将引起CO 2的大量排放[21,31]

。

表2　林下植被、现存凋落物及土壤中碳素含量

Tab .2　Carbon con ten t i n under storey pl an ts,litter floor and so il

层次组分灌木层

叶

茎

根

草本层

地上部分

地下部分

凋落物层

土壤层

0～20c m 20～40c m 40～60cm 碳素含量/%45.47

45.1244.90

42.42

42.13

40.88

0.65

0.370.26

平均值

45.16

42.28

0.43

容重/g ・cm

-32.00

2.162.04平均值

2.07

3.2.2　乔木层碳贮量的垂直分布　由表3可知,湿

地松林乔木层碳贮量的垂直分布表现为随树干高度的增加而减少,但是在乔木层10～12m 区段里出现碳贮量明显增加的现象,这主要是由于该区段湿地松的分枝增多,枝叶生长繁茂,因此这一区段的碳贮量以枝叶为主。乔木层碳贮量主要集中于树干,随着树高的增大,树干碳贮量在乔木层中所占比例逐渐下降,树皮碳贮量所占比例处于一个缓慢上升的状态,在树高8m 以上,随着枝叶所占比重愈来愈大,树干碳贮量随高度的增加迅速减少。枝叶碳贮量所占比例在10～12m 段出现最大值(图5)。

・

15・

江西农业大学学报第29卷

表3　乔木层各器官碳贮量的垂直分布3

Tab .3　Verti ca l d istr i buti on of carbon i n d i fferen t organ s of tree storey

层次树皮

树干

树叶

树枝

根头大根粗根细根合计

地上12～14m

1.02

2.632.492.008.14(4.87)10～12m 1.146.244.8112.8625.05(14.97)8～10m 1.9910.060.37

2.14

14.56(8.70)6～8m 2.7812.2915.07(9.01)4～6m 3.7622.26.65(15.93)2～4m 4.6723.9228.59(17.09)0～2m

4.95

21.57

26.52(15.85)

地下0～20c m

9.990.720.740.3511.80(7.05)20～40c m 5.382.720.280.088.45(5.05)40～60c m

2.09

0.13

0.13

0.12

2.47(1.48)合计

167.29(100)

　　注:括号内为各组分所占百分数。

3.2.3　湿地松人工林生态系统中碳贮量的空间分布　表4为19a 生湿地松人工林中各组分碳贮量及

其空间分布统计结果。

表4　湿地松林生态系统中碳贮量的空间分布

Tab .4　Carbon storage and spa ti a l d istr i buti on i n P inus elliottii ecosyste m

层次乔木层

灌木层

草本层

小计

凋落物

土壤层

0～20c m 20～40cm 40～60c m

小计

合计

生物量/重量

/103

kg ・h m

-2

144.54(99.07)0.61(0.42)0.75(0.51)145.9(100)21.682000216020406200碳贮量(C )

/103

kg ・h m

-2

86.18

(70.67)

0.28(0.23)

0.32(0.26)

86.78(71.16)

8.86(7.27)

13(10.66)

7.99(6.55)

5.31(4.36)

26.3(21.57)

121.94(100)

　　注:括号内为各组分所占百分数。

湿地松林生态系统碳贮量(C )为121.94×103kg/h m 2,其中乔木层的碳贮量(C )为86.78×103

kg/h m 2,占总量的70.67%。下木层中碳贮量(C )为0.6×103kg/h m 2

,占总量的0.49%;凋落物层的碳贮量(C )为8.86×103kg/hm 2,占总量的7.27%;林地土壤(0～60c m )的碳贮量(C )为26.3×103kg/

h m 2

,占整个生态系统碳贮量的21.57%,仅次于乔木层的碳贮量,其中森林土壤表层的碳贮量贡献较

大。因此,任何引起水土流失的活动均容易导致土壤碳损失,同时也反映了亚热带地区森林土壤的脆弱性

[37]

。综合以上分析,湿地松人工林土壤-植物系统的碳库空间分布序列为:乔木层>土壤层>死地

被物层>下木层。

3.3　湿地松林碳素年净固定量的初步估算

确定系统同化CO 2的能力是森林生态系统生产力研究的主要内容之一。本次研究的湿地松林分可看作19a 生同龄纯林,采用年平均净生产力来表示湿地松林的生产力,再利用碳素含量计算出林分有机碳年净固定量。由表4可看出,湿地松林乔木层年净生产力约为7.61×103

kg/(hm 2

・a ),有机碳年净固定量为4.54×103

kg/(hm 2

・a ),与亚热带樟树林有机碳年固定量[4.98×103

kg/(hm 2

・a )]相近

[37]

,低于热带山地雨林有机碳年净固定量(C )[13.65×103kg/(hm 2・a )][38]

、广西禄峰山林场16a 生湿地松人工林的有机碳年净固定量[(10.65×103kg/h m 2・a )][27]

和33a 生福建柏有机碳年净固定量(C )[9.91×103kg/(h m 2・a )][8],但高于亚热带杉木人工林的有机碳年净固定量[3.49×103kg/(h m 2・a )][21]和苏南地区27a 生杉木林的有机碳年净固定量[2.46×103kg/(hm 2・a )][31]。

・25・

第1期涂洁等:亚热带红壤丘陵区湿地松人工林生态系统碳素贮量与分布研究4　结　论

4.1　湿地松林生态系统各组分碳素含量

湿地松林各器官中碳素含量在50.92%～54.38%之间变化,含量排列顺序为树叶>树枝>树根>树干>树皮,并且各器官的碳素含量随着湿地松树龄的增长会相应地提高。林冠层不同高处枝叶碳素含量有所差异,上层叶与下层叶的碳素含量较低,分别为52.97%和52.78%,中层叶碳素含量较高,为54.56%。下层枝条的碳素含量为53.21%,明显高于上、中层枝条。灌木层、草本层、凋落物层的碳素

含量平均值依次为45.16%、42.28%和40.88%,灌木层的碳素含量总体高于草本层。0～60cm 土壤层中碳素含量平均值为0.43%,其中,0～20c m 土层含碳量较高,为0.65%;其次为20～40c m 土层和40～60c m 土层,分别为0.37%和0.26%。碳素密度与碳含量的变化相类似,随土壤深度的增加而明

显递减。

4.2　湿地松林生态系统碳贮量与碳素年净固定量

本研究中湿地松林生态系统碳贮量(C )为121.94×103kg/h m 2

,低于我国森林生态系统的平均碳贮量(C )(258.83×103kg/h m 2),远低于我国针叶林碳贮量(C )(408.00×103kg/hm 2)[14]

。湿地松林乔木层的碳贮量(C )为86.78×103kg/h m 2,占总量的70.67%,各器官的碳贮量排列顺序为:树干>树根

>树皮>树枝>树叶。乔木层碳贮量的垂直分布表现为随树干高度的增加而减少,但是在乔木层10～12m 区段里出现碳贮量明显增加的现象,这主要是由于该区段湿地松的分枝增多,枝叶生长繁茂,因此

这一区段的碳贮量以枝叶为主。下木层中碳贮量(C )为0.6×103kg/hm 2,占总量的0.49%;凋落物层(C )为8.86×103kg/hm 2,占总量的7.27%;林地土壤(0～60c m )的碳贮量(C )为26.3×103kg/h m 2,

占整个生态系统碳贮量的21.57%,仅次于乔木层的碳贮量,因此森林土壤在平衡大气CO 2方面起着重要作用。湿地松人工林土壤—植物系统的碳库空间分布序列为:乔木层>土壤层>死地被物层>下木层。

湿地松林乔木层有机碳年净固定量(C )为4.54×103kg/(h m 2

・a ),与亚热带樟树林有机碳年净固

定量相近,高于亚热带杉木人工林和苏南地区27a 生杉木林的有机碳年净固定量。可见,湿地松作为该区生态恢复的主要建群树种,具有较高的生产力和碳固定能力,对于保持和维护环境及调节大气CO 2都有重要意义。但是与热带山地雨林、广西禄峰山林场16a 生湿地松人工林和33a 生福建柏相比,处于该研究区的湿地松林有机碳年净固定量偏低,有待进一步提高。因此,采取一系列行之有效的营林措施,加强对松林的抚育管理,对于提高植被碳贮量及其碳吸存能力是十分关键的。参考文献:

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