沈 彪，党坤良，常 伟，刘 盼

(西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100)

森林生态系统是地球陆地生物圈的主体，也是陆地表面最大的碳库[1-2]，在全球碳循环中扮演着重要角色，其通过同化作用吸收固定大气中的CO2，抑制其浓度上升，这对于应对气候变化问题具有积极的现实意义[3]。准确地估算森林生态系统的碳储量，不仅有利于解释全球碳收支不平衡的问题[4]，也有利于促进林业碳汇交易的快速发展。在森林生态系统的碳储量和碳循环等方面，国内外学者做了大量研究，也取得了很大成就[4-13]。由于不同学者所用的研究资料和方法不同，因此对森林的碳储量与碳密度问题亦持有不同观点。据王效科等[9]推算，中国森林生态系统植物碳储量为3.26～3.73 Pg、碳密度为6.47～118.14 t/hm2；赵敏等[10]的推算结果分别为3.778 Pg和41.321 t/hm2，与之相近；方精云等[11]推算的结果为5.9 Pg和41.0 t/hm2，与徐新良等[12]的结果(5.506 4 Pg和38.564 t/hm2)相近；而周玉荣等[13]估算出的我国植被碳储量为6.2 Pg，碳密度为57.07 t/hm2。近年来，分地区、分树种进行的森林碳储量和碳密度研究逐渐引起人们的重视[13-16]。已有学者对秦岭林区森林碳密度与碳储量进行了部分研究[17-20]，但主要集中于火地塘林区，而对于秦岭南坡大范围森林碳密度的研究尚未见报道。为此，本研究对秦岭中段南坡锐齿栎林有机碳密度进行了测定，并分析了其与地形因子间的关系，以期为秦岭乃至全国碳储量与碳汇研究提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

秦岭中段是指秦岭山脉在陕西省中部的部分。研究区位于陕南秦巴山地北部，地理位置为32°53′～33°57′N、105°53′～111°01′E，海拔700～3 071 m，总面积484 km2。年平均气温11.5 ℃，极端高温41.3 ℃，极端低温-25.1 ℃。年降水总量563～1 274 mm，全年降水日数93～140 d。无霜期210 d, 植物生长期130～206 d。区内植被属山地暖温带典型落叶阔叶林，森林主要分布于中山区的中西段，绝大部分为次生林。主要成林树种有栓皮栎(Quercusvariabilis)、油松(Pinustabulaeformis)、辽东栎(Quercuswutaishanica)、华山松(Pinusarmandi)、山杨(Populusdavidiana)、锐齿栎(Quercusalienavar.acuteserrata)、光皮桦(Betulaluminifera)、铁杉(Pinaceae)、漆树(Toxicodendronvernicifllua)、红桦(Betulaalbo-sinensis)、牛皮桦(Betulautilis)、巴山冷杉(Abiesfargesii)、太白红杉(Larixchinensis)等。由于该区森林在20世纪50-80年代被过度砍伐，破坏较为严重，原生植被现存较少，到20世纪90年代，森林基本恢复，形成大面积的天然次生林和人工林。

锐齿栎林是分布于暖温带南部及北亚热带北部山地的一类落叶阔叶林，是温带落叶栎林中最喜湿的类型。在秦岭，锐齿栎林不仅分布面积较大，而且是最为典型、最具代表性的林分类型之一。秦岭锐齿栎林分布海拔为1 100～1 900 m，在1 300～1 700 m分布最为集中，多为萌生中幼龄林，实生林较少[21]。纯林多见于阴坡及阳坡的中、上部，该林分分布的上限为辽东栎代替，下限则为栓皮栎分布[22]。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置、取样和测定 为了研究秦岭不同区域、不同林龄、不同环境条件下的锐齿栎林碳密度，分别在秦岭中段南坡选取了锐齿栎分布较为集中的陕西省太白林业局黄柏塬林场、西北农林科技大学火地塘试验林场、陕西省宁东林业局沙沟林场、陕西佛坪国家级自然保护区作为研究地点。根据锐齿栎在该区的垂直分布，于不同海拔高度范围设置样地，并且在锐齿栎集中分布的1 300～1 700 m海拔设置不同坡度、坡位、坡向的样地，选择其中的中龄林用于研究除海拔外的其他地形因子(坡度、坡位和坡向)对锐齿栎林碳密度的影响。试验共布设调查样地50块，所选样地的林分部分为天然次生幼龄林和中龄林，部分为原始林。各研究区自然条件概况见表1。

表1 研究区自然条件概况及样地分布

1.2.2 立地因子的划分 根据《西北主要树种培育技术》[23]中立地因子的划分方法，并结合野外调查实际，本研究立地因子的划分标准如下：海拔按<1 300 m、≥1 300～<1 500 m、≥1 500～<1 700 m、≥1 700 m划分为4个等级，坡度按平坡(≤5°)、缓坡(>5°～≤15°)、斜坡(>15°～≤25°)、陡坡(>25°～≤35°)、急坡(>35°～≤45°)、险坡(>45°)划分为6个等级，坡位按下坡位(地形图上距离坡顶2/3 处及其以下的坡面)、中坡位(上坡位与下坡位之间的坡面部分)、上坡位(地形图上距离坡顶 1/3 处及其以上的坡面)划分为3个等级；坡向分为阴坡(西北、正北、东北、正东)和阳坡(东南、正南、西南、正西)2个等级。

1.2.3 碳密度的估算 (1)样地内生物量的估算。乔木层：调查采用标准地法，根据标准地每木检尺数据计算林分平均胸径和平均高，确定3～5株标准木，将标准木伐倒，挖出根，称量标准木树枝、树叶、树皮、树干和树根的鲜质量，并分别采样保存。灌木、草本及枯落物层：在标准地四角和中央分别设置灌木(2 m×2 m)、草本(1 m×1 m)、枯落物(1 m×1 m)调查样方，将样方内灌木和草本整株挖出，分器官称量鲜质量并分别取样，枯落物全部收集称量鲜质量并取样。将所有样品带回实验室于85 ℃烘至恒质量，计算含水率进而推算样地内各组分的总生物量(植被各器官总生物量及枯落物总现存量)。

(2)碳密度的估算。将烘干的样品用粉碎机粉碎，过孔径0.074 mm(200目)筛后用德国ELEMENTAR公司生产的LIQUIC TOCⅡ总有机碳分析仪测定样品含碳率，样地内各组分总生物量除以样地面积即为各组分单位面积生物量，各组分单位面积生物量乘以相应含碳率即为该组分碳密度。

1.2.4 数据分析 利用EXCEL 2003及SPSS 18.0 软件对试验数据进行处理与分析。通过相关性分析研究锐齿栎林乔木层、灌木层、草本层及枯落物层之间的关系，运用方差分析比较不同林龄、不同海拔、不同坡度以及不同坡位锐齿栎林各林层碳密度的差异，差异显著性检验采用LSD法，用独立样本t检验比较不同坡向碳密度的差异。

2 结果与分析

2.1 锐齿栎林植被与枯落物层的碳密度及其分配

通过对50块样地锐齿栎林碳密度的分析和计算，结果(表2)表明，秦岭中段南坡锐齿栎林平均碳密度为101.40 t/hm2。其中，乔木层碳密度占到总碳密度的97.82%，平均值为(99.19±33.48) t/hm2；灌木层碳密度占总碳密度的0.60%，平均值为(0.61±0.28) t/hm2；草本层碳密度占总碳密度的0.30%，平均值为(0.30±0.16) t/hm2；枯落物层碳密度占总碳密度的1.28%，平均值为(1.30±0.63) t/hm2。乔木层各器官碳密度值按其占乔木层碳密度的比例由大到小依次为：树干(51.85%)>树根(22.36%)>树枝(14.77%)>树皮(7.61%)>树叶(3.41%)。综上可知，秦岭南坡锐齿栎林植被层平均碳密度为100.10 t/hm2。

表2 秦岭中段南坡锐齿栎林乔木层各组分及不同林层的碳密度

由以上分析可知，锐齿栎林各林层碳密度由大到小依次为：乔木层>枯落物层>灌木层>草本层。乔木层碳密度占到总碳密度的97.82%，是锐齿栎林碳库的最主要组成部分；乔木层各器官碳密度以树干最高，树干部分碳储量高于其他各器官碳之和，是乔木碳的主要贮存器官。

2.2 锐齿栎林各林层碳密度的相关性

在森林生态系统中，各林层之间相互影响、相互制约，因此推断各林层碳密度之间可能也存在着一定的相关关系。但对该区锐齿栎林不同林层各组分碳密度的相关性分析(表3)发现，各林层碳密度之间虽有一定的相关性，但均未达到显著水平。

2.3 不同林龄锐齿栎林碳密度的比较

方差分析结果(表4)显示，近成熟林乔木层碳密度显著高于中龄林和幼龄林，其碳密度平均值分别是幼龄林、中龄林的1.92和1.67倍。随着林龄的增大，灌木层碳密度呈减小趋势，幼龄林灌木层碳密度显著高于中龄林和近成熟林，其碳密度平均值分别是中龄林和近成熟林的1.72和1.88倍。草本层碳密度和枯落物层碳密度亦表现出随林龄增加而增大的趋势，但变化并不显著。

表3 秦岭中段南坡锐齿栎林内各林层碳密度的相关性分析

表4 秦岭中段南坡不同林龄锐齿栎林各林层的碳密度

2.4 地形因子对锐齿栎林碳密度的影响

2.4.1 碳密度与海拔的关系 对不同海拔锐齿栎中龄林各林层碳密度的比较(表5)发现，乔木层碳密度在海拔≥1 500～<1 700 m最高，平均值为(109.38±26.99) t/hm2，显著高于海拔<1 300 m及≥1 700 m锐齿栎林乔木层的碳密度，与≥1 300～<1 500 m乔木层碳密度差异不显著。不同海拔间灌木层、草本层、枯落物层碳密度差异不显著。

2.4.2 碳密度与坡度的关系 对秦岭中段南坡锐齿栎适生海拔范围内29块不同坡度锐齿栎中龄林样地碳密度的研究结果(表6)表明，乔木层碳密度随坡度的增大呈显著减小趋势，平坡碳密度最大，为(130.91±26.98) t/hm2，缓坡、斜坡、陡坡、急坡、险坡碳密度平均值分别为平坡碳密度平均值的95.01%，80.36%，66.64%，68.63%和59.65%。不同坡度灌木层、草本层、枯落物层碳密度差异均不显著，但枯落物层碳密度随坡度的增大呈减小趋势。

表5 秦岭中段南坡不同海拔梯度锐齿栎林各林层的碳密度

表6 秦岭中段南坡不同坡度锐齿栎林各林层的碳密度

2.4.3 碳密度与坡位的关系 方差分析结果(表7)显示，锐齿栎林乔木层碳密度以上坡位显著高于下坡位，上坡位乔木层碳密度平均值是下坡位的 1.34 倍，中坡位碳密度介于二者之间。不同坡位灌木层、草本层、枯落物层碳密度差异均不显著，但其碳密度均随着坡位的上升而呈增大趋势。

表7 秦岭中段南坡不同坡位锐齿栎林各林层的碳密度

2.4.4 碳密度与坡向的关系t检验结果(表8)表明，不同坡向锐齿栎林乔木层碳密度(t=―2.166，P=0.039)、灌木层碳密度(t=―2.837，P=0.008)、枯落物层碳密度(t=―2.981，P=0.006)差异显著，且均以阳坡大于阴坡，草本层碳密度(t=―0.921，P=0.366)在阴、阳坡间差异不显著。

表8 秦岭中段南坡不同坡向锐齿栎林各林层的碳密度

3 结论与讨论

本研究对秦岭中段南坡锐齿栎林碳密度的研究结果表明，秦岭中段南坡锐齿栎林植被层平均碳密度为100.10 t/hm2，相比于赵敏等(41.321 t/hm2)[10]、方精云等(41.0 t/hm2)[11]、徐新良等(38.564 t/hm2)[12]、周玉荣等(57.07 t/hm2)[13]估算的中国森林植被平均碳密度，分别高出 142.26%，144.15%，159.60%和75.40%；亦比李克让等[24]估算的中国落叶阔叶林植被平均碳密度(80.90 t/hm2)高出23.73%。说明该区锐齿栎林碳密度在我国森林碳密度中处于较高水平，其原因可能有二：一方面是该区优越的水热条件适宜锐齿栎的生长；另一方面是人们长期重视秦岭森林资源保护的结果。

随着林龄的增大，生物量不断积累，森林碳密度亦随之增加。在秦岭中段南坡，未受人为干扰的原始锐齿栎近成熟林乔木层碳密度为(157.30±19.49) t/hm2，而经过人为采伐利用后处于恢复中的锐齿栎中龄林和幼龄林，其乔木层碳密度分别为(94.24±29.11)和(82.13±16.52) t/hm2，原始近成熟锐齿栎林碳密度平均值分别是恢复中的中龄林和幼龄林的1.67和1.92倍，加之该区锐齿栎以中、幼龄林为主，说明该区锐齿栎林碳密度的增长仍具有很大的潜力。

王效科等[9]对我国30个省市地区植被碳密度的研究发现，植物碳密度的分布规律与我国人口密度的变化趋势相反，认为我国森林植被碳密度的大小首先取决于人类活动的干扰程度，甚至人为干扰对森林植被碳密度的影响已远高于气候因素。虽然自1998年国家实施退耕还林和天然林保护工程以来，该研究区植被破坏现象得到有效遏制，滥伐、烧荒、放牧等破坏森林的现象基本得到杜绝，但调查中发现，在人类活动较为频繁的地区，锐齿栎林受到的人为干扰仍然比较明显，需进一步加大宣传力度，减少对锐齿栎林不必要的人为干扰。另一方面，合理的森林经营管理有利于树木的生长和森林碳汇功能的发挥[25-27]，因此，需要加强对锐齿栎林的科学经营和管理。

地形因子与森林碳密度关系密切，其通过影响植被的生长进而影响碳的积累。在秦岭南坡中段，锐齿栎林乔木层碳密度随海拔的升高呈先增大后减小的趋势，以海拔≥1 500～<1 700 m最高。秦岭锐齿栎的适生海拔为1 500～1 560 m[28]，锐齿栎在其适生海拔内由于水分和温度等条件适宜，生长速度较快，有机物积累量较大，固定的碳较多；随着坡度的增大，土层变薄，不利于锐齿栎的生长，使得锐齿栎林乔木层碳密度随坡度增大而降低。这可能是导致锐齿栎林乔木层碳密度随海拔升高呈先增加后减少的主要原因。而灌木和草本由于根系较浅，受土层厚度的影响较小，因而变化不明显；坡度增加，乔木层碳密度减小，也就减少了枯落物的来源，同时，枯落物不易存留和积累，这可能是导致枯落物碳密度随坡度增大而减小的主要原因。下坡位土层较厚，水分、养分条件都优于中、上坡位，但该坡位的锐齿栎林碳密度却最低，其原因可能是由于下坡位人为活动较多，对锐齿栎林干扰较严重，从而导致下坡位锐齿栎林碳密度最低。光照是植物生长的必要条件之一，在降水较为充沛的秦岭林区，充足的光照更有利于植被的生长，因此阳坡乔木层、灌木层碳密度高于阴坡。枯落物层碳密度受乔木层、灌木层影响较大，随乔木层、灌木层碳密度的增大而增大，这可能是导致其碳密度在阳坡高于阴坡的主要原因。草本层由于所处层次较低，随坡向变化未表现出明显的差异。因而在锐齿栎林的经营管理中，要注意地形因子的影响，针对不同的地形条件制定相应的经营管理措施，以充分发挥其碳汇功能。

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