狼山南麓4种人工灌木群落植被碳储量及固碳释氧功能研究

2022-09-19王事成罗于洋王树森张宏武温苏雅勒图刘静张俊

山东农业科学 2022年8期

王事成，罗于洋，王树森，张宏武，温苏雅勒图，刘静，张俊

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院/荒漠生态系统保护与修复国家林业局重点实验室/内蒙古自治区风沙物理与防沙治沙工程重点实验室，内蒙古呼和浩特 010018；2.巴彦淖尔市林业和草原资源保护中心，内蒙古巴彦淖尔 015000；3.乌拉特后旗林业和草原局，内蒙古乌拉特后旗 015000)

为应对全球气候变化，“千分之四倡议”提出在30~40 cm深的土壤中，碳储量的年增长率为0.4%，这将大大降低与人类活动有关的大气CO2浓度，并指出种植固碳植物是提高土壤碳储量的有效方法之一[1]。我国后续提出了“碳中和”“碳达峰”等国家应对全球气候变化的战略目标，以保证我国林业碳汇在“碳中和”中发挥至关重要的作用[2，3]。增加人工植被种植来有效降低大气CO2浓度并促进全球碳循环具有重要意义[4]。

植物的光合作用会将大气CO2吸收并固定[5]。同时随着植被生物量的增加，土壤的碳截存能力也会随之提高[6]，如1970—2000年间我国大规模人工造林使得植被生物量显著增加，森林碳储量整体提高了40%[7]。我国西北干旱荒漠地区，为防风固沙、保持水土施行灌木植被大范围的人工种植，这一举措对原区域生态系统碳储量产生深远影响，对此众多学者进行了大量研究。但对本试验所用的4种人工灌丛是如何影响该区域生态系统碳储量的研究尚显缺乏，为此对这4种人工灌木群落植被碳储量进行定量研究，分析该地区植被碳储量的垂直分配格局，核算荒漠类型人工灌木群落碳固定能力，以期为该区域筛选优良固碳材料提供参考，为科学评价干旱区荒漠灌丛碳汇作用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

狼山属于阴山山脉西段，横贯乌拉特后旗南部100多km。研究区位于乌拉特后旗南部，地处东经107°12′8.58″~109°36′53.3″、北纬41°06′50.39″~41°49′32.39″，地形地貌复杂，属中温带大陆性季风气候。降水稀少，降水量一般为100~180 mm；气候干燥，全旗年均气温3.9℃。主要有棕钙土、淡棕漠土、石膏灰棕漠土等4种土壤类型。植物资源丰富，境内共有野生植物63科289属430种。

样地基本情况见表1。蒙古扁桃(Amygdalus mongolica)、霸王(Zygophyllum xanthoxylon)、沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)、酸枣(Ziziphus jujuba)系人工栽植，群落主要以造林树种为优势种，林下还有其他天然更小灌木组成，主要有紫菀木(Asterothamnus alyssoides)、牛枝子(Lespedeza bi-color)等。草本层主要以三芒草(Aristida adscensionis)、猪毛蒿(Artemisia scoparia)、细软黄芪(Scutellaria baicalensis)、砂蓝刺头(Echinops gmelinii)等组成。

表1 人工灌木群落样地基本情况

1.2 样地设置及调查

2020年7月对狼山南麓4种人工灌木群落进行调查，每种群落选取3处面积为20 m×20 m的典型地段设置样地。每个样地内设置3个5 m×5 m的灌木样方、5个1 m×1 m的草本样方，对样方内每株灌木均进行调查(包括测量树高、基径、冠幅等)，详细记录样地基本信息，包括经纬度、海拔、造林面积等因子。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 生物量采用刈割、烘干法测定。在每个样方内根据灌木平均冠幅选取3株标准株刈割、草本植物地上部分全部刈割，枝叶分离称鲜重(草本仅有地上部分)，带回实验室后置于烘箱80℃恒温烘干至恒重，分别计算枝、叶及地上部生物量。根系生物量通过查询文献资料获取蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸枣、荒漠地区灌木和草本根冠比(表2)来计算。

1.3.2 碳储量通过碳储量与生物量的关系(生物量乘以含碳率)对人工灌木群落植被碳储量进行估算，本研究采用国际上通用的植物碳转换率:灌木0.50、草本0.45，将生物量统一以碳(C，kg∙hm－2)的形式表示[13－16]。

1.4 固碳释氧及价值估算[17]

依据最新标准«森林生态系统服务功能评估规范»[17](GB/T 38582—2020)中公布的市场价值法、替代工程法、费用代替法等[18－20]，计算狼山南麓人工灌木群落生态系统固碳释氧服务功能的价值。其中，固碳价格以瑞典税率150美元∙t－1、美元对人民币比价按6.5元计算，折合人民币975元∙t－1。释氧价格使用中国卫生部网站上2007年春季的氧气平均价格1 000元∙t－1[21]。

1.4.1 固碳释氧功能计算采用下列公式进行计算:

式中，G植被固碳为评估林分年固碳量(t∙a－1)；1.63为计算系数；R碳为CO2中的碳含量，为27.27%；A为林分面积，单位为hm2；B年为实测林分净生产力，单位为t∙hm－2∙a－1。

式中，G氧为评估林分年释氧量，单位为t∙a－1；1.19为计算系数；A为林分面积，单位为hm2；B年为实测林分净生产力，单位为t∙hm－2∙a－1。

1.4.2 固碳释氧价值的计算采用下列公式计算:

式中，U碳为评估林分年固碳价值，单位为元∙a－1；G碳为评估林分生态系统潜在年固碳量，单位为t∙a－1；C碳为固碳价格，单位为元∙a－1。

式中，U氧为评估林分年释放氧气价值，单位为元∙a－1；G氧为评估林分年释氧量，单位为t∙a－1；C氧为氧气价格，单位为元∙a－1。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理，使用SPSS 20.0软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同人工灌木群落生物量分配格局

从表3可以看出，蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸枣4种人工灌木群落的生物量总量分别为1 320.17、1 060.31、880.06、3 007.81 kg∙hm－2。其中4种造林树种生物量分别占其群落的86.62%、82.80%、95.43%、94.34%，表明造林树种是4种人工灌木群生物量的主体。

表3 不同人工灌木群落生物量 (kg∙hm－2)

2.2 不同人工灌木群落碳储量

2.2.1 不同人工灌木群落碳储量分配格局从表4可以看出，蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸枣人工灌木群落植被碳储量总量分别为659.42、529.63、439.25、1 502.00 kg∙hm－2。4种人工灌木群落造林树种碳储量占比沙冬青最高，为95.60%，霸王最低，为82.88%。不同人工灌木群落碳储量比例均表现为造林树种层>林下灌木层>草本层。

表4 不同人工灌木群落碳储量 (kg∙hm－2)

蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸枣4种人工灌木群落碳储量分别占人工灌木群落总碳储量的21.07%、16.92%、14.03%、47.98%，造林树种占比分别为20.07%、15.41%、14.74%、49.79%。

2.2.2 不同人工灌木群落造林树种各器官碳储量由表5可知，不同人工灌木群落各器官碳储量均表现为根>枝>叶。其中酸枣根碳储量最高，达574.27 kg∙hm－2，沙冬青根碳储量最低，为198.92 kg∙hm－2，且蒙古扁桃、霸王、沙冬青根碳储量与酸枣根碳储量差异显著。枝的碳储量同根的碳储量表现一致，酸枣最高，为522.17 kg∙hm－2，沙冬青最低，为129.02 kg∙hm－2，且蒙古扁桃、霸王、沙冬青枝碳储量与酸枣枝碳储量差异显著。叶的碳储量酸枣最高，为322.34 kg∙hm－2，霸王最低，为45.22 kg∙hm－2，且蒙古扁桃、沙冬青叶碳储量之间差异不显著，与霸王、酸枣差异显著。

表5 不同人工灌木群落造林树种各器官碳储量 (kg∙hm－2)

酸枣人工灌木群落造林树种各器官碳储量均值最高，为472.93 kg∙hm－2，变异系数为28%，沙冬青人工灌木群落造林树种各器官碳储量均值最低，为139.98 kg∙hm－2，变异系数为39%。不同人工灌木群落造林树种各器官之间的变异系数变化较大，其中叶的变异系数最大，为89%，根的变异系数最小，为54%。

蒙古扁桃、霸王、沙冬青、酸枣枝碳储量分别占人工灌木群落造林树种枝总碳储量的18.19%、17.18%、12.80%、51.82%，叶、根碳储量分别占其相应总碳储量的17.62%、8.11%、16.49%、57.78%和22.60%、17.18%、15.49%、44.73%。

2.2.3 不同人工灌木群落林下灌木不同器官碳储量由表6可以看出，不同人工灌木群落林下灌木不同器官碳储量均表现出根>枝>叶。其中霸王群落林下灌木根碳储量最高，为37.11 kg∙hm－2，沙冬青最低，为5.27 kg∙hm－2；枝的碳储量与根的表现一致，霸王群落林下灌木最高，为34.22 kg∙hm－2，沙冬青最低，为4.01 kg∙hm－2。酸枣与沙冬青、蒙古扁桃和霸王群落林下灌木根、枝碳储量之间均差异不显著；而叶的碳储量表现为蒙古扁桃最高，为17.72 kg∙hm－2，沙冬青最低，为2.92 kg∙hm－2，二者差异达显著水平；其他群落林下灌木叶碳储量之间差异不显著。

表6 不同人工灌木群落林下灌木层各器官碳储量 (kg∙hm－2)

霸王人工灌木群落林下灌木各器官碳储量均值最高，为28.64 kg∙hm－2，变异系数为43%；沙冬青的均值最低，为4.07 kg∙hm－2，变异系数为29%。不同群落林下灌木各器官之间的变异程度差异不大。

4种人工灌木群落林下灌木枝碳储量分别占人工灌木群落造林树种枝总碳储量的30.93%、36.88%、4.32%、27.86%；叶、根碳储量分别占其相应总碳储量的37.76%、31.12%、6.22%、24.90%和33.23%、34.95%、4.96%、26.87%。

2.2.4 不同人工灌木群落林下草本碳储量由表7看出，人工灌木群落草本碳储量均表现为根远高于地上部，地上碳储量较低。其中酸枣群落林下草本根碳储量最高，为16.11 kg∙hm－2，霸王最低，为4.45 kg∙hm－2。蒙古扁桃、霸王、沙冬青与酸枣群落草本根碳储量差异显著。草本地上碳储量表现为酸枣群落最高，为1.05 kg∙hm－2，霸王最低，为0.29 kg∙hm－2，蒙古扁桃、霸王、沙冬青与酸枣地上碳储量差异显著。

表7 不同人工灌木群落林下草本碳储量 (kg∙hm－2)

酸枣人工灌木群落林下草本碳储量均值最高，为8.58 kg∙hm－2，霸王最低，为2.37 kg∙hm－2。不同群落草本各器官间变异系数表现相同，不同群落草本相同器官亦相同，原因是草本根碳储量是根据王玉婕等[12]平均换算系数计算而来，从而使得草本变异系数表现一致。

4种人工灌木群落林下草本地上碳储量分别占群落草本地上总碳储量的16.82%、13.55%、20.56%、49.07%；根碳储量分别占群落草本根总碳储量的17.13%、13.54%、20.32%、49.01%。

2.3 不同人工灌木群落固碳释氧量

由表8可以得出，4种人工灌木群落固定大气中CO2的量和释放出O2的量均表现为酸枣>蒙古扁桃>沙冬青>霸王。使用碳税法和人工制氧法算出其固碳和释氧价值分别是34 765.65元∙hm－2和95 459.67元∙hm－2，15 259.05元∙hm－2和41 898.36元∙hm－2，10 172.09元∙hm－2和27 930.57元∙hm－2，3 065.03元∙hm－2和8 415.96元∙hm－2，其中酸枣群落各指标值最大。4种人工灌木群落总固碳释氧量为238.59 t∙hm－2，总固碳释氧价值236 966.37元∙hm－2。

表8 不同人工灌木群落固碳释氧量分配

2.4 不同人工灌木群落净固碳释氧量

由表9可以得出，4种人工灌木群落净固定CO2量、净释放O2量和净固碳释氧价值量均为酸枣>蒙古扁桃>沙冬青>霸王。群落净固碳释氧量总量为47.72 t∙hm－2，总价值为47 393.27元∙hm－2∙a－1。

表9 人工灌木群落净固碳释氧量

3 讨论

3.1 人工灌木群落碳储量估算的不确定性

本研究在计算4种人工灌木群落植被碳储量时，通过碳储量与生物量的关系(生物量乘以含碳率)对人工灌木群落植被碳储量估算，但在不同区域、不同树种、不同群落内植物不同器官的含碳率存在差异[22－24]，因此研究结果会存在一定的偏差。

3.2 人工灌木群落碳储量分配格局

从4种人工灌木群落垂直结构来看，碳储量分配均表现为造林树种>林下灌木>草本。其中造林树种占比为82.88%~95.60%，且霸王群落造林树种占比最低，沙冬青占比最高；林下灌木碳储量占比在2.78%~16.22%，相差较大；草本碳储量占比0.89%~1.62%，最低为霸王群落，最高为沙冬青群落，符合灌木层>草本层的空间分配规律[25]。不同群落造林树种、林下灌木层各器官碳储量均表现出根>枝>叶，这与张凌恺[26]、徐期瑚[27]等的研究结果相似。

3.3 4种人工灌木群落各器官碳储量变异幅度较

不同人工灌木群落造林树种碳储量变异系数在28%~62%之间，其中霸王变幅最大，酸枣最小。究其原因可能是酸枣不同器官的碳储量分配较均匀，枝、根的碳储量相当，且略高于叶；而霸王碳储量分配则根高于枝且远高于叶。相同器官之间的碳储量变异系数变幅较大，在54%~72%之间，其中叶的变幅最大，根最小，这可能与4种人工灌木根系扎入土壤的深度有关。因为在一定程度上，土层越深有机质含量越低，间接地限制了植被在土壤中吸收有机碳，从而对植被生长产生一定限制，而叶则与植物本身生长特性息息相关。