湖北省马尾松天然林碳储量及碳密度特征1)

2014-07-27庞宏东王晓荣张家来郑兰英崔鸿侠

东北林业大学学报 2014年7期

关键词：中龄林天然林马尾松

庞宏东王晓荣张家来郑兰英崔鸿侠

(湖北省林业科学研究院，武汉，430075)

湖北省马尾松天然林碳储量及碳密度特征1)

庞宏东王晓荣张家来郑兰英崔鸿侠

(湖北省林业科学研究院，武汉，430075)

选择87块马尾松天然林样地，系统调查乔木层、灌木层、枯落物层和土壤层碳储量和碳密度，评估湖北省马尾松天然林碳储量及碳密度现状。结果表明：湖北省2012年马尾松林总碳储量为1.10×108t，平均碳密度为121.16 t·hm-2。其中：乔木层、灌木层、枯落物层、土壤层碳储量分别为4.06×107、1.26×106、2.79×106、6.51×107t；碳密度分别为44.82、1.39、3.08和71.87 t·hm-2。

马尾松；碳储量；碳密度；湖北省

Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(7).-40～43

We analyzed the carbon storage and carbon density including arbor layer, shrub layer, litter layer and soil ofPinusmassoniananatural forests in Hubei Province with 87 plots. The total carbon storage and the average carbon density ofPinusmassoniananatural forests were 1.10×108and 121.16 t·hm-2, respectively. The average carbon storage of arbor layer, shrub layer, litter layer and soil were 4.06×107, 1.26×106, 2.79×106and 6.51×107, respectively, and the average carbon density were 44.82, 1.39, 3.08 and 71.87 t·hm-2, respectively.

KeywordsPinusmassoniana; Carbon storage; Carbon density; Hubei Province

森林生态系统是陆地的主要生态系统，也是全球最大的碳库，储存了陆地生态系统总碳库的56%[1]，在调节全球碳循环、减缓大气中CO2体积分数上升等方面具有重要作用。随着国际气候变化框架协议的实施，森林碳汇问题越来越受到各国政府部门的重视，许多学者也对此进行了大量的研究[2-4]。马尾松(Pinusmassoniana)为我国南方山地主要速生用材针叶树种，近来有关马尾松林生物量及碳储量的研究已有不少报道[5-8]。湖北省地处亚热带，森林类型丰富多样，马尾松广泛分布在海拔100～1 500 m，集中分布在1 200 m以下山坡或丘陵低山。据湖北省2010年第六次森林资源连续清查资料可知，马尾松天然林面积为9.06×105hm2，蓄积量为5.19×107m3，分别占全省天然林面积和蓄积量的17.45%和22.90%；为湖北省分布面积最广、蓄积量最大的森林类型。本研究在湖北省马尾松天然林主要产区布设样地，通过实地调查，研究马尾松天然林碳密度及碳储量基本现状，为准确评估湖北省马尾松天然林碳汇能力、生产力以及森林生态功能提供科学依据。

1 研究区概况

湖北省位于长江中游，处于中国第二级阶梯向第三级阶梯过渡地带，地理位置东经108°21′～116°07，北纬29°05′～33°20′。全省国土总面积1.86×105km2，山地约占全省总面积的55.5%，丘陵岗地占24.5%，平原湖区占20%。全省西、北、东三面被武陵山、巫山、大巴山、秦岭、武当山、桐柏山、大别山、幕阜山、大洪山等山地环绕，最高峰神农顶海拔3 105.4 m。全省属亚热带季风气候区，气温在15～22 ℃，年降水量800～1 600 mm。主要土壤类型有黄棕壤、黄壤、石灰(岩)土、紫色土、红壤、黄褐土、潮土和水稻土等8个土类。全省林地面积8.50×106hm2，占国土面积的45.72%；森林面积7.14×106hm2，森林覆盖率38.40%，活立木总蓄积量3.13×108m3，森林蓄积量2.87×108m3，占活立木总蓄积量的91.47%；其中天然林面积5.19×106hm2，蓄积量2.26×108m3。

2 研究方法

2.1 样地调查

野外样地调查于2012年7—10月份进行，选择在湖北省马尾松集中分布的9个地区(表1)，一共设置样地87块，样地面积为667 m2(25.82 m×25.82 m)。主要调查内容有乔木层生物量、灌木层生物量、枯落物生物量和土壤有机碳质量分数的调查。

表1 调查样地基本情况

乔木层调查，对胸径大于5 cm的所有植株进行每木检尺(含枯立木的调查)，记录样方内各树种名称、胸径、高度。灌木层调查在乔木样方中按梅花形设置3个2 m×2 m的灌木样方，调查灌木优势种(包括起测直径小于5 cm的幼树)，记录优势灌木名称、盖度、株数(高度小于50 cm不计)、平均高度等。采取全株收获法分别测定3株(少于3株全部取样)标准木地上干、枝、叶和地下根系鲜质量，将各部分器官取部分样品带回实验室测含水率。在每个灌木样方中设置1 m×1 m枯落物样方，收取全部枯落物，现场称量鲜质量，混合后取部分样品带回实验室测含水率。土壤调查采样在每个乔木样方中挖取1个土壤刨面，按0～10、>10～30、>30～100 cm分层采取土壤样品，带回实验室风干，过0.149 mm筛，储存备用；同时用环刀取样测定各层土壤密度。

根据本研究目的和调查数据，将湖北省马尾松林划分为3个龄组，分别为幼龄林、中龄林和近成过熟林(见表2)。

表2 龄组划分基本情况

2.2 数据处理

(1)乔木层生物量测定。基于样地每木调查结果，考虑到立木树高的测量误差值较大，采用主要树种一元材积公式计算样地单株立木蓄积量，然后根据木材密度、生物量扩展因子，计算乔木地上生物量；地下生物量通过根-茎比计算得到。其中材积计算公式采用湖北省主要树种一元材积公式；木材密度与生物量扩展因子参照国家标准和IPCC碳计量参考值[9]，地上生物量<125(t·hm-2)根茎比为0.20，地上生物量≥125(t·hm-2)根茎比为0.24。

湖北省马尾松一元材积公式：

鄂东马尾松：V=0.000 060 049 144×(-0.132 103 36+0.979 870 17×d)1.871 975 3×(24.269 237-591.977 56/(24+d))0.971 802 32。

鄂西北马尾松：V=0.000 060 049 144×(-0.128 114 77+0.986 679 91×d)1.871 975 3×(22.154 621-401.746 2/(17+d))0.971 802 32。

鄂西南马尾松：V=0.000 060 049 144×(-0.374 652 81+0.998 431 50×d)1.871 975 3×(45.978 7-2 765.870 1/(63+d))0.971 802 32。

单株乔木生物量计算公式为：

M乔=V乔×WD×BEF×(1+R)。

式中：M乔为乔木生物量(t)，V乔为乔木蓄积(m3)，WD为木材平均密度(t·m-3)，BEF为生物量扩展因子，R为乔木平均根茎比。

根据单株立木生物量统计出样地乔木层生物量，然后再换算成每公顷乔木层生物量。枯立木生物量测定与乔木层测定相同，视为无枝叶乔木，其测定结果记入乔木层。

(2)灌木层生物量测定。根据取样灌木各器官的含水率计算样品各器官的干鲜比，根据干鲜比和野外调查的植株各部分的鲜质量，计算出单株灌木各器官及全株干质量。然后按下式计算各灌木样方的灌木总干质量：

标准灌木总干质量=干鲜比×标准灌木总鲜质量/灌木样品总鲜质量

样方灌木总干质量=株数×标准灌木总干质量

根据样方灌木生物量计算结果，换算成每公顷灌木层生物量。

(3)枯落物生物量测定。根据取样枯落物的含水率得到样品的干鲜比，按下式计算各样方枯落物总干质量：

样方总干质量=干鲜比×样方总鲜质量

根据样方枯落物生物量计算结果，换算成每公顷枯落物生物量。

(4)土壤有机碳测定。采用重铬酸钾氧化——外加热法[10]测定土壤不同层次有机碳质量分数，然后根据测定的各土层有机碳质量分数、土壤密度、厚度、石砾质量分数计算土壤剖面有机碳储量。单位面积土壤碳储量(t·hm-2)的计算公式为[11]：

式中：SOCi为单位面积土壤碳储量，Ci为土壤有机碳质量分数(g·kg-1)，Di为土壤密度(g·cm-3)，Ei为土壤厚度(cm)，Gi为直径≥2 mm的石砾所占体积百分比(%)，k为土层数。

3 结果与分析

3.1 马尾松林碳储量

生物量含碳率采用国际上常用的0.5转换系数[12-13]。从表3可知，湖北省马尾松天然林平均碳密度为121.16 t·hm-2，以马尾松天然林面积9.06×105hm2来进行估算，湖北省马尾松天然林总碳储量为1.10×108t。各层碳密度由大到小的顺序为：土壤层、乔木层、枯落物层、灌木层。不同龄组其碳密度分别为幼龄林68.44 t·hm-2，中龄林138.66 t·hm-2，近成过熟林156.39 t·hm-2。幼龄林平均碳密度明显低于中龄林和近成过熟林，但中龄林和近成过熟林的碳密度差异较小。

表3 湖北省马尾松天然林分层碳密度 t·hm-2

3.2 乔木层碳储量

湖北省马尾松天然林乔木层碳储量为4.06×107t，占总碳储量的36.99%。由表3可知，不同龄组间碳密度相差较大，以近成过熟林的碳密度最大为64.37 t·hm-2，为幼龄林(20.36 t·hm-2)的3倍多，也远大于中龄林(49.73 t·hm-2)。平均碳密度为44.82 t·hm-2。由表4可知，不同样地乔木层碳密度在3.30～91.92 t·hm-2，差异极为明显。即使在同一龄组内，不同地区间也存在着较大的差别。幼龄林中不同地区间碳密度相差可达3倍多，近成过熟林中可相差2倍多，中龄林地区间差异较小。

表4 不同地区间乔木层各龄组的碳密度 t·hm-2

3.3 灌木层和枯落物层碳储量

灌木层平均碳密度为1.39 t·hm-2，碳储量为1.26×106t，占总碳储量的1.15%。由表3可知，灌木层以近成过熟林碳密度最大，其次为幼龄林，最小的为中龄林。在幼龄阶段乔木层郁闭度较低，林下光线较好，灌木大量生长；中龄阶段林分郁闭度增大，林下光照条件变差，部分灌木枯死，导致其生物量降低；到林分成熟林后，耐阴灌木已经充分长成，且由于部分立木枯死形成林窗，林下光照增强，因此林下灌木较中龄林丰富。

枯落物层平均碳密度为3.08 t·hm-2，碳储量为2.79×106t，占总碳储量的2.54%。由表3可知，不同林龄阶段碳密度由大到小的顺序为：近成过熟林、中林龄、幼龄林。枯落物层有机碳主要来自于植物的落叶与枯枝，林分年龄越大，其枯落物累积就越多。

3.4 土壤层碳储量

土壤层平均碳密度为71.87 t·hm-2，碳储量为6.51×107t，占总碳储量的59.32%，土壤层为森林中碳储量最重要的部分。由表3可知，不同林龄阶段土壤碳密度大小顺序与枯落物层相同，以近成过熟林的最大，幼龄林的最小。土壤中有机碳主要来源于动植物的残体和枯落物，因此土壤碳储量与森林类型和林分年龄有很大程度的相关[14-15]。林分年龄越大，土壤碳储量相应增加，幼龄林的土壤碳密度明显低于中龄林和近成过熟林，这与幼龄林中枯落物较少、分解转化时间较短有关。近成过熟林土壤碳密度虽然最大，但与中龄林相比无明显差异。由于近成过熟林多位于坡度较大的山坡处，土层较薄，枯落物和腐殖质容易随雨水流失，而难以分解转化成土壤碳，因此，土层中累计下来的碳储量相对较低。

4 结论与讨论

湖北省2012年马尾松天然林总碳储量为1.10×108t，平均碳密度为121.16 t·hm-2。其中乔木层碳密度为44.82 t·hm-2，灌木层为1.39 t·hm-2，枯落物层为3.08 t·hm-2，土壤碳密度为71.87 t·hm-2。各层碳密度由大到小的顺序为：土壤层、乔木层、枯落物层、灌木层，与张田田等[16]、杜红梅等[17]、徐雯等[18]研究结果相同。表明土壤碳库和乔木层碳库是森林生态系统中最重要的碳库。森林碳储量与林分年龄成正比，随着林分年龄的增加而增加，但不同林层间的变化并不一致。灌木层在中龄林阶段碳密度反而降低，这是由于林分郁闭后部分灌木枯死所导致的，这与森林的实际生长情况相符合。

湖北省马尾松天然林平均碳密度值小于鄂西北山地森林的平均碳密度(175.812 t·hm-2)，也小于天然针叶林平均碳密度，与天然针阔混交幼龄林相当(119.53 t·hm-2)[19]。乔木层平均碳密度值小于湖北省20～40年生天然阔叶次生林和人工针叶林碳密度(111.62 t·hm-2)[2]，与中国森林植被乔木层的碳密度(42.82 t·hm-2)和云南省的森林植被层碳密度(43.77 t·hm-2)相当[20-21]；远高于全国马尾松林的平均碳密度(26.67 t·hm-2)[20]，高于相邻的湖南省(15.81 t·hm-2)、四川及重庆市的马尾松林平均碳密度(22.01 t·hm-2)[5，22]；中龄林乔木层碳密度相当于18年生人工马尾松林的碳密度(49.06 t·hm-2)[23]。

湖北省马尾松天然林乔木层碳密度与国内主要树种相比处于中等水平，远低于高山松(Pinusdensata)、冷杉(Abies)、铁杉(Tsuga)、云杉(Picea)等树种[20]。这与湖北省马尾松天然林大部分由中龄林所组成有关，由于近成过熟林所占比重较小，导致森林的总体蓄积量偏小，从而降低了马尾松林的碳储量。由于大量中龄林的存在，湖北省马尾松林在未来将拥有巨大的生长潜力和开发价值。在林业生产中，要通过科学的经营管理措施，调整马尾松的林分和林龄结构，以提高林分的总体生产能力。

[1] 吴庆标,王效科,段晓男,等.中国森林生态系统植被固碳现状和潜力[J].生态学报,2008,28(2):517-524.

[2] 胡青,汪思龙,陈龙池,等.湖北省主要森林类型生态系统生物量与碳密度比较[J].生态学杂志,2012,31(7):1626-1632.

[3] 赵敏,周广胜.中国森林生态系统的植物碳贮量及其影响因子分析[J].地理科学,2004,24(1):50-54.

[4] 田杰,于大炮,周莉,等.辽东山区典型森林生态系统碳密度[J].生态学杂志,2012,31(11):2723-2729.

[5] 徐晓,杨丹.湖南省马尾松林生物总量的空间分布与动态变化[J].中南林业科技大学学报,2012,32(11):73-78.

[6] 薛沛沛,李彬,王轶浩,等.三峡库区典型马尾松林生态系统碳分配格局研究[J].四川林业科技,2011,32(6):62-67.

[7] 秦晓佳,丁贵杰.不同林龄马尾松人工林土壤有机碳特征及其与养分的关系[J].浙江林业科技,2012,32(2):12-17.

[8] 张仕光,刘建,黄开勇,等.桂西北马尾松人工林生物量生长规律及其分配模式[J].广西林业科学,2010,39(4):189-192,219.

[9] 李海奎,雷渊才.中国森林植被生物量和碳储量评估[M].北京:中国林业出版社,2010.

[10] 鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科学技术出版社,2000.

[11] 李强,马明东,刘跃建,等.几种人工林土壤有机碳和养分研究[J].土壤通报,2008,39(5):1034-1037.

[12] Fang J, Chen A, Peng C, et al. Changes in forest biomass Carbon storage in China between 1949 and 1998[J]. Science,2001,292:2320-2322.