崔鸿侠 唐万鹏 胡兴宜 潘 磊

(湖北省林业科学研究院，武汉，430075)

森林生态系统是陆地生态系统的主体，它贮存了陆地生态系统有机碳地上部分的76%～98%和地下部分的40%［1－3］。作为全球气候系统的重要组成部分，森林在陆地生态系统碳循环研究中占有十分重要的地位。森林生态系统中植被和土壤固碳量减少已被认为是造成大气CO2浓度升高的原因之一［4－6］。目前，国内外许多学者对森林生态系统的碳储量进行了调查研究［7－10］，徐新良等［11］的研究结果显示，中国森林植被的碳汇功能主要来自于人工林的贡献。关于人工林的碳储量研究中，对杉木(Cunninghamia lanceolata)、毛竹(Phyllostachys pubescens)等树种的报道较多［12－13］，而对杨树碳储量的研究相对较少［14］。

杨树人工林是江汉平原最主要的森林类型，目前该地区杨树人工林已达到30万hm2，杨树产业已成为江汉平原的经济支柱之一。为保证杨树人工林的可持续发展，有必要对杨树人工林的碳蓄积规律及其土壤碳蓄积动态进行研究。本研究对江汉平原地区栽植4、6和8年生的杨树人工林林分及土壤碳动态进行初步研究，为了解和发挥人工林的生态功能、正确评估人工林的碳储存能力、探讨森林生态系统碳蓄积规律和森林碳库的调控提供科学依据。

1 研究区概况

研究地点选在属于江汉平原的石首市。江汉平原地处长江中游，是由长江、汉水及湖泊泛滥淤积而形成的冲积平原，与洞庭湖平原合称两湖平原。江汉平原地势低平，海拔一般低于100 m，大部分40 m以下，平原边缘的蚀余丘陵海拔高度也多为200～3 00m。属典型的亚热带季风气候区，年日照时数2 000 h左右，年均气温15～17℃，≥10℃年积温5 000～5400℃，无霜期240～270 d，年降水量1100～1 300 mm。区域内河网交织、湖泊众多、堤垸纵横，大小湖泊约300多个。水、热、光、温等资源丰富，且土壤质地好，水热同季，是我国重要的优质农产品、林产品、水产品等生产基地。

2 研究方法

样地设置与土样采集:于2008年6月在杨树林区选择立地条件相近、品种和栽植密度相同的不同年龄杨树人工林。按照4、6和8年生各设置样地3个，面积为20 m×20 m，共计9个样地。对样地内林木进行每木调查，并分别在每个样地按S形布设5个采样点，用直径为5 cm的取土钻在林地表层(0～20 cm)取出完整的土芯，将5个采样点的土样混合均匀，留取1 kg土样自然风干，用于测定土壤有机碳质量分数、土壤养分质量分数及土壤团聚体结构。同时用100 cm3环刀测定土壤密度。样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况

林木生物量测定:杨树人工林下灌草极少，相对于乔木层生物量可以忽略不计。对江汉平原杨树人工林单木生物量的估算，采用课题组成员唐万鹏等［15］已建立的生物量回归方程进行，见表2。再根据栽植密度推算单位面积杨树人工林林分的生物量。

表2 杨树单木各组份生物量估测模型

林木碳储量测定:林木碳储量由生物量乘以碳质量分数转换系数得出。一般碳质量分数的转换系数取值为0.45～0.50，本文碳质量分数的转换系数采用 0.50［16－17］。

土壤有机碳质量分数测定:土壤有机碳质量分数采用重铬酸钾—硫酸氧化法进行测定。

土壤有机碳储量测定:土壤有机碳储量采用公式(1)计算，

式中:C为土壤有机碳质量分数(g·kg－1);D为密度(g·cm－3);E为土层厚度(cm);G为直径＞2 mm的石砾所占的体积比例(%)，由于杨树人工林地土壤石砾质量分数很少，本研究可以忽略不计。

数据处理:数据分析采用Excel和SAS统计分析软件进行。

3 结果与分析

3.1 杨树人工林林木碳储量动态

林木生物量:杨树人工林在生长过程中各器官和总生物量的变化如表3所示。从表中可知，随着林龄的增加，栽植4、6和8年生的杨树人工林总生物量成倍增加，8年生时总生物量达到111.35 t/hm2。不同林龄生物量在各器官分配中，均表现为树干生物量最大，为 12.77 ～54.74 t/hm2，占乔木层总生物量的47.23% ～49.16%，其次是树枝，生物量为6.56 ～ 27.42 t/hm2，占 24.26% ～24.63%。在 4年生时树根生物量最小，而达到6年生以后，均表现为树叶生物量最小。

表3 杨树生物量分配

林木碳储量:森林碳是以森林生物量为载体的，根据林木含碳量即可从林分生物量估算出整个林分的碳储量，不同林龄的林木碳储量结果如表4所示。不同林龄的杨树人工林林木碳储量变化规律与生物量变化具有一致性。从表4中可知，随着林龄的增加，栽植4、6和8年生的杨树人工林林木碳储量成倍增加。杨树人工林8年生时林木碳储量达到55.67 t/hm2，这与杉木、柳杉等树种相同林龄阶段的碳储量相当［18－19］，而明显高于8年生的人工侧柏林和刺槐林［20］。与 Fang等［16］对我国森林生态系统中林木碳储量的估计值(平均45 t/hm2左右，其中人工林为30 t/hm2左右，天然林为50 t/hm2左右)相比，6年生杨树人工林林木碳储量接近全国人工林碳储量平均值，8年生杨树人工林林木碳储量接近全国人工林碳储量的2倍。而江汉平原杨树人工林轮伐期一般在8～10 a，因此在砍伐前，江汉平原杨树人工林在碳汇方面发挥着巨大作用。

3.2 杨树人工林土壤碳储量动态

土壤碳质量分数:森林中土壤有机碳的积累，就是林木碳积累的继续，它将植被无法继续保存的碳截留到了土壤中，扩展了植被固定大气中CO2的能力。加上以腐殖质的形态存在的土壤有机碳，则能相当持久地被保存下来。

表4 不同林龄杨树人工林有机碳储量 t·hm－2

不同林龄杨树人工林林下0～20 cm层土壤中有机碳的质量分数分别为9.61、16.53和23.79 g/kg，平均为16.64 g/kg。随着林龄的增加，土壤有机碳质量分数在林木覆盖下不断积累。这是因为林木凋落物是土壤有机碳的主要来源，凋落物一旦转化为腐殖质，就将长期而稳定地保存在土壤中，除非它被侵蚀而损失。

土壤碳储量:根据不同林龄杨树人工林林下土壤的实测土壤密度、土壤有机碳质量分数和公式(1)，可计算出土壤的碳储量。不同林龄杨树人工林林下0～20 cm土层土壤中有机碳的储量范围在27.78 ～61.41 t/hm2，随着林龄的增加，土壤有机碳储量不断积累，这同样是因为凋落物不断积累并转化的缘故。

3.3 杨树人工林总碳储量动态

根据林木碳储量和土壤碳储量，可以得到杨树人工林生态系统碳储量。不同林龄杨树人工林总碳储量变化如表4所示。不同林龄杨树人工林总有机碳储量范围在41.30～117.08 t/hm2，随着林龄的增加，总碳储量显著增加，8年生人工林总碳储量大约是4年生的3倍。由于江汉平原杨树人工林轮伐期在8～10 a，因此该地区从造林开始，杨树人工林生态系统有着很大的碳汇潜力。

从表4中还可以看出，4年生和6年生人工林土壤碳储量远大于林木碳储量，而到8年生时，林木碳储量与土壤碳储量相当。说明在生长早期和中期，杨树人工林生态系统中土壤发挥着更大的碳汇作用，在生长后期，杨树林木的碳储量增加快于土壤的碳积累，林木和土壤在碳汇方面发挥着同样的作用。可见，森林植被和森林土壤均是发挥森林碳汇功能中不可缺少的部分，整个森林的地上、地下都是庞大的碳库，只有二者的结合才能在调节环境中的CO2浓度方面具有强大的力量。

3.4 土壤有机碳与团聚体结构的关系

对土壤有机碳储量与土壤团聚体结构进行相关性分析，结果如表5所示。土壤有机碳储量与d＞2 mm的团聚体质量分数呈正相关，且相关性达到极显著水平，而与d＜2 mm的团聚体质量分数呈负相关，且与d＜0.25 mm的团聚体质量分数相关性达到显著水平。国内外许多研究结果也认为土壤有机碳储量与土壤大团聚体质量分数具有显著相关性，这与本文研究结果一致［21－22］。土壤有机碳储量随着土壤大团聚体质量分数的增加而增加，主要是因为大团聚体的形成主要靠有机质的胶结作用。

表5 土壤有机碳储量与土壤团聚体结构相关性

3.5 土壤有机碳与土壤养分的关系

对土壤有机碳储量与土壤N、P、K等养分指标进行相关性分析，结果如表6所示。土壤有机碳储量与土壤养分指标均有较好的正相关，其中与速效N相关性达到极显著水平，与全N和C/N相关性达到显著水平。这说明土壤有机碳储量能较准确的反映土壤养分状况，可以用土壤有机碳储量作为江汉平原杨树人工林土壤肥力的指示指标。

表6 土壤有机碳储量与土壤养分指标相关性

4 结论

杨树人工林林木生物量随着林龄的增长而显著增加，从4年生到8年生变化范围为27.04～111.35 t/hm2。生物量在各器官分配中，均表现为树干生物量最大，占乔木层总生物量的47.23% ～49.16%，其次是树枝，占24.26% ～24.63%。林木碳储量与生物量变化规律具有一致性，从4年生到8年生变化范围为13.52 ～55.67 t/hm2。

不同林龄杨树人工林林下0～20 cm土层土壤中有机碳的质量分数范围在9.61～23.79 g/kg，平均为16.64 g/kg。0～20 cm土层土壤中有机碳的储量范围在27.78 ～61.41 t/hm2，随着林龄的增加，土壤有机碳质量分数和储量均不断增加。

从4年生到8年生杨树人工林总有机碳储量范围在41.30～117.08 t/hm2，8年生人工林总碳储量大约是4年生的3倍。在4年生和6年生时，人工林土壤碳储量远大于林木碳储量，而到8年生时，林木碳储量与土壤碳储量相当。

土壤有机碳储量与大于2 mm的团聚体质量分数呈极显著正相关，与小于0.25 mm的团聚体质量分数呈显著负相关。土壤有机碳储量与土壤养分中的速效N相关性达到极显著水平，与全N和C/N质量分数比相关性达到显著水平，可以用土壤有机碳储量作为江汉平原杨树人工林土壤肥力的反映指标。

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