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森林是陆地生态系统的主体[1],人工林作为森林生态系统的重要组成部分,在增加森林碳汇和碳吸存能力、改善生态环境等方面发挥着越来越重要的作用[2-4]。中国是世界人工林面积最大的国家,其森林植被碳汇功能主要来自于人工林的贡献。因此,通过造林、再造林等活动增加森林生态系统碳固定量,已成为推进中国碳汇林业发展和实施碳减排计划最主要的途径,而营造具有收获木材和固碳双重功能的新型人工林则是其重要固碳手段之一[5-6]。近十多年来,国内外学者先后对杨树(Populus L.)[7]、杉木(Cunninghamia lanceolata (Lamb.) Hook.)[8-9]、马尾松(Pinus massoniana Lamb.)[10]、桉树(Eucalyptus robusta Smith)[11]、兴安落叶松(Larix gmelinii (Rupr.) Kuzen.)[12]、日本落叶松( L arix kaempferi ( L amb. ) Carr )[13]等人工林的碳汇功能开展了大量的研究,为人工林生态系统碳汇功能及其生态效益的评估提供了基础数据。
杉木是我国南方山地主要的造林树种之一[14],在我国林业生产和木材战略储备基地建设中具有重要的地位;但由于杉木连栽导致地力严重衰退和生态功能下降等问题日趋严重[15-16]。因此,寻找和解决杉木采伐迹地更新的经营措施和技术途径,对森林可持续经营和林业生态安全具有重要意义和作用。秃杉(Taiwania flousiana Gaussen)为杉科台湾杉属珍稀树种,具有适应性强、速生、生物生产力及出材率高和材质优良等优点[17],已成为南方中低山区杉木采伐迹地更新的优良替代树种和退耕还林地的重要栽培树种[18]。由于秃杉生长的成熟期和衰退期均较晚,速生期持续时间长,而且没有出现杉木大径材因处于成熟或过熟期而容易发生的枯梢及木材心腐现象,因此,更适合培育大径材[19]和国家木材战略储备林。据统计,广西秃杉人工林造林面积从2009年约2 000 hm2发展到2017年约1.3万hm2,并继续以较高的增长速度持续增加。目前,有关秃杉人工林碳储量的研究已有一些报道[20-23],但均集中在以培育中小径材为经营目标且采用较高林分密度经营的中、幼龄林。为此,本文以广西西北部南丹县不同年龄阶段(9、17、25、37年生)秃杉林为研究对象,采用标准地调查和室内分析方法,对不同年龄阶段秃杉人工林生态系统碳含量、碳储量、年净固碳量及其分布进行对比分析,以揭示秃杉林生长过程中生态系统的固碳功能及其变化趋势,为合理评估秃杉林尤其是大径级用材林的生态效益及发挥其碳汇功能提供基础数据。
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根据南丹山口林场不同林龄秃杉林林分分布状况,于2018年3—4月在地理位置毗邻、立地条件相似的地段,分别选取9、17、25、37年生秃杉林为研究对象,在不同林龄的秃杉林内分别设置3个样地,样地大小为600 m2(20 m×30 m)。
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调查指标包括样地林冠郁闭度、林分密度,林木胸径、树高、冠幅和枝下高。计算平均胸径和平均树高。各林龄样地基本情况见表1。
林龄
Stand age /
a林分密度
Stand density/(tree·hm−2)坡向
Aspect坡位
Slope
positions坡度
Slope /
(°)平均胸径
Average DBH /
cm平均树高
Average height /
m郁闭度
Canopy
density林下植被盖度
Undergrowth cover degree/%9 2 100 东北 NE 中 Middle 28 11.86 9.38 0.87 32.5 17 1 250 东北 NE 中 Middle 31 19.83 16.21 0.83 45.7 25 850 东北 NE 中Middle 30 26.31 18.17 0.72 52.0 37 680 北 N 中 Middle 32 34.76 22.40 0.65 60.8 Table 1. The plots information of T. flousiana plantations
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为了不破坏秃杉林样地的林分,在每个年龄阶段样地外选择3株平均木并伐倒,采用“Monsic分层切割法”分别测定地上部分树叶、树枝、干皮和干材鲜质量,地下部分采用“全根挖掘法” 将各种根系挖出并测定其鲜质量[20];同时按“混合取样法”采集各器官样品500~600 g带回实验室后于80℃烘箱中烘干,测定含水率和干质量。
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在每个样地内按对角线设置2 m×2 m小样方3个,调查其植物种类、个体数、高度和覆盖度等。采用“样方收获法”按灌木层、草本层和凋落物层测定鲜质量,采集样品约500 g带回实验室后于80℃烘箱中烘干,测定含水率和干质量。
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在每个样地内随机设置5个1 m×1 m正方形木框架尼龙网收集器,尼龙网的孔径为1 mm,每月月底收集凋落物1次,按凋落叶、凋落枝和杂物等组分分别烘干后测定干质量。
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在每块样地内,按S形在每个样地内设置5个土壤剖面,将土壤剖面分0~20、20~40、40~60、60~80 cm 4个层次。在每个层次分别取土壤约500 g,并将同一样地内不同土壤剖面同一层次的土壤样品混合装袋,带回实验室并自然风干;同时用环刀采集原状土测定土壤容重[18]。
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利用调查时获得乔木层各器官、灌木层、草本层、凋落物层的干/鲜质量比计算其相应组分含水率,然后根据鲜质量和含水率估算各结构层次生物量或现存量[21]。
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在测定各结构层次植物生物量的同时,选取各组分样品粉碎过0.5 mm筛,与经自然风干并研磨过0.149 mm筛的土壤样品分别装瓶待测。植物和土壤样品碳含量均采用重铬酸钾氧化–外加热法测定[24]。
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根据乔木层各器官、灌木层、草本层和凋落物层生物量及其测定相应碳含量,计算生态系统各结构层次的碳储量。计算公式如下:
植物各组分碳储量(t·hm−2)=植物各组分生物量(t· hm−2)×植物各组分碳含量(g·kg−1)/1 000
各土层碳储量(t·hm−2)=土层厚度(m)×土壤容重(g·cm−3)×10 000(m2)×有机碳含量(g·kg−1)/1 000
式中:10 000为每公顷面积的m2数量。
生态系统碳储量(t·hm−2)=乔木层碳储量(t·hm−2)+灌木层碳储量(t·hm−2)+草本层碳储量(t·hm−2)+凋落物层碳储量(t·hm−2)+土壤层碳储量(t·hm−2)
乔木层各器官年净固碳量(t·hm−2·a−1)=乔木层各器官年平均生物量(t·hm−2)×各器官碳含量(g·kg−1)/1000
式中:除树叶按其生长时间4年计算外,其他器官均按林龄计算。
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运用Excel 2013进行数据的整理和计算,采用SPSS 22.0软件对各年龄阶段秃杉人工林不同结构层次碳储量等数据间的差异性进行单因素方差分析(ANOVA),同时进行Duncan多重比较。
2.1. 样地设置与植被生物量测定
2.1.1. 样地设置
2.1.2. 林分生长调查
2.1.3. 乔木层生物量测定
2.1.4. 灌木层、草本层和凋落物层生物量测定
2.1.5. 年凋落物归还量测定
2.1.6. 土壤样品采集
2.2. 植物和土壤碳储量计算方法
2.2.1. 植物层生物量计算方法
2.2.2. 碳含量测定方法
2.2.3. 碳储量计算方法
2.3. 数据处理与分析
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从表2可看出:不同林龄秃杉平均碳含量为471.6~483.0 g·kg−1,按碳含量由高到低为25、37、17、9年生;各林龄林木不同器官碳含量均以干皮最高,其次是树枝、干材或树根,树叶最低。林分其他结构层次中(表3),灌木层、草本层、凋落物层碳含量分别为446.9~461.3、387.0~412.5、410.5~438.2 g·kg−1。相同林龄群落各结构层次植物碳含量均以乔木层最高,其次是灌木层,草本层较低,表现为随植物个体高度或组织木质化程度降低而递减的变化趋势。
林龄 Stand age/a 树叶 Leaf 树枝 Branch 干皮 Bark 干材 Stem 树根 Root 平均 Average 9 425.3±12.5 b 489.6±18.2 a 492.5±10.4 a 478.0±7.5 ab 472.8±18.7 ab 471.6±27.1 17 430.8±15.3 b 486.4±20.4 a 497.6±13.6 a 480.5±10.9 ab 482.7±16.0 ab 475.6±25.9 25 452.7±8.5 b 492.0±15.7 ab 507.2±18.2 a 486.6±12.4 ab 476.4±17.1 ab 483.0±20.3 37 436.2±11.8 b 487.3±16.2 a 495.8±15.0 a 482.7±9.4 ab 480.5±14.7 ab 476.5±23.3 注:表中数据为平均值±标准差。同行不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。下同(表4、5)。
Note: Data in the table as mean±standard deviation, the same below. Different lowercase letters in the same lines showed significant difference (P < 0.05). The same below(Table 4、5).Table 2. Carbon content in various organs of T. flousiana at different ages
g·kg−1 林龄
Stand age/a灌木层
Shrub layer草本层
Herb layer凋落物层
Litter layer土层 Soil layer/ cm 0~20 20~40 40~60 60~80 9 453.6±15.0 a 395.8±9.4 a 410.5±15.9 a 37.16±2.85 b 19.30±1.84 b 7.45±0.52 b 5.72±0.40 a 17 446.9±10.7 a 412.5±12.5 a 438.2±8.7 a 38.27±2.18 b 19.85±2.01 b 7.86±0.38 ab 6.08±0.29 a 25 450.9±8.6 a 387.0±13.0 a 420.8±13.6 a 41.37±3.41 ab 21.24±1.73 ab 8.42±0.58 ab 6.14±0.34 a 37 461.3±12.8 a 408.9±7.5 a 415.6±11.8 a 45.79±3.34 a 23.74±2.67 a 8.65±0.43 a 6.42±0.38 a 注:不同小写字母表示相同组分或土层不同林龄间差异显著(P<0.05)。
Note: Different lowercase letters indicate the significant difference between different stand ages in the same component (soil layer) (P<0.05).Table 3. Carbon contents in Shrub, herb litter and soil layers of T. flousiana plantation at different ages
g·kg−1 不同年龄阶段秃杉林土壤碳含量在剖面分布上均呈随土壤深度增加而明显下降的趋势(表3),其中,0~20 cm土层碳含量明显高于其它土层,但相邻土层间碳含量的差异随土壤深度增加而逐渐减小;在同一土层中,均以9年生最低,表现为随林龄增加而增大,其中,0~20、20~40、40~60 cm土层中,37年生与9年生碳含量间差异显著(P<0.05)。
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由表4可看出:9、17、25、37年生秃杉林生态系统碳储量分别为180.39、223.24、254.65、314.59 t·hm−2,随林龄增加而显著增大(P<0.05)。乔木层作为秃杉林生态系统的主要组成部分,9、17、25、37年生碳储量依次为36.34、75.28、97.56、146.92 t·hm−2, 分别占生态系统碳储量的20.15%、33.72%、38.31%、46.70%;其中,干材碳储量依次占乔木层碳储量的47.14%、57.51%、62.93%、69.89%;树枝碳储量依次占22.01%、18.53%、15.59%、9.96%;树根、树叶和干皮碳储量依次占11.82%~14.64%、2.93%~11.64%、4.17%~4.57%。
层次 Layer 组分 Component 林龄 Stand age/a 9 17 25 37 乔木层 Arbor 树叶 Leaf 4.23±0.29 b 4.45±0.29 b 5.31±0.26 a 4.31±0.49 b 树枝 Branch 8.00±0.51 b 13.95±0.24 a 15.21±0.89 a 14.62±1.11 a 干皮 Bark 1.66±0.18 c 3.35±0.22 b 4.15±0.20 b 6.13±0.06 a 干材 Stem 17.13±0.99 d 43.29±1.66 c 61.39±1.62 b 102.68±8.76 a 树根 Root 5.32±0.55 a 10.24±0.37 b 11.51±0.87 b 19.18±1.69 c 小计 Sub-total 36.34±1.96 d 75.28±1.50 c 97.56±3.43 b 146.92±10.29 a 灌木层 Shrub layer 0.41±0.10 d 1.05±0.14 c 1.70±0.16 b 1.97±0.17 a 草本层 Herb layer 0.25±0.06 d 0.42±0.05 c 0.53±0.11 b 0.63±0.09 a 凋落物层 Litter layer 0.92±0.07 d 2.07±0.15 c 2.96±0.12 b 4.43±0.23 a 土壤层
Soil layer/cm0~20 69.48±2.81 b 69.77±4.01 ab 73.11±3.07 ab 78.03±2.44 a 20~40 39.04±1.84 b 39.48±1.23 ab 42.07±3.41 ab 45.44±1.42 a 40~60 18.83±0.61 a 19.24±0.53 a 20.47±0.66 a 20.85±1.26 a 60~80 15.12±0.46 a 15.93±0.56 a 16.25±0.54 a 16.33±0.56 a 小计 Sum 142.47±2.34 b 144.42±4.10 ab 151.90±6.10 ab 160.64±2.17 a 合计 Total 180.39±2.40 d 223.24±5.38 c 254.65±7.92 b 314.59±11.02 a Table 4. Carbon storage and spatial distribution of T. flousiana plantation ecosystem at different ages
t·hm−2 9、17、25、37年生秃杉林灌草层碳储量分别为0.66、1.47、2.23、2.60 t·hm−2,随林龄增加而增大,表现出与林分郁闭度(表1)相反的变化趋势,说明林分郁闭度既影响到灌草层的生长,同时也影响到灌草层碳储量的生物积累;凋落物层碳储量分别为0.92、2.07、2.96、4.43 t·hm−2,随林龄增加而增大,说明秃杉林的生长过程有利于凋落物碳储量的生物积累;土壤层(0~80 cm)碳储量分别为142.47、144.42、151.90、160.64 t·hm−2,分别占生态系统碳储量的78.98%、64.69%、59.69%、51.06%;各年龄阶段土壤碳储量均随土层加深而逐渐递减,其中,0~20 cm土层碳储量远高于其他土层,占土壤层碳储量的48.13%~48.77%。
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年净固碳量反映了森林碳汇功能的强弱,是衡量森林生态系统吸收和固定CO2量的重要指标。从表5可见:9、17、25、37年生秃杉林年净固碳量分别为5.42、7.15、7.32、7.03 t·hm−2·a−1,其中,17、25、37年生间差异不显著(P>0.05),且均显著高于9年生(P<0.05)。不同年龄阶段乔木层年净固碳量依次为4.62、5.28、5.02、4.95 t·hm−2·a−1,分别占林分年净固碳量的85.24%、73.85%、68.58%、70.41%。各器官中,干材年净固碳量最大,其次是树叶、树枝和树根,干皮的最小。年凋落物净固碳量分别为0.80、1.87、2.30、2.08 t·hm−2·a−1,分别占14.76%、26.15%、31.42%、29.59%。
组分 Component 不同林龄年净固碳量 Annual carbon sequestration of different ages /(t·hm−2·a−1) 9 17 25 37 乔木 Arbor 树叶 Leaf 1.06±0.07 b 1.11±0.07 b 1.33±0.06 a 1.08±0.12 b 树枝 Branch 0.89±0.06 a 0.82±0.01 a 0.60±0.04 b 0.40±0.03 c 干材 Stem 1.90±0.11 b 2.55±0.10 a 2.46±0.06 a 2.78±0.24 a 干皮 Bark 0.18±0.02 b 0.20±0.01 a 0.17±0.01 b 0.17±0.00 b 树根 Root 0.59±0.06 a 0.60±0.02 a 0.46±0.03 b 0.52±0.05 ab 年凋落物 Annual litter 0.80±0.05 c 1.87±0.12 b 2.30±0.12 a 2.08±0.09 ab 合计 Total 5.42±0.33 b 7.15±0.27 a 7.32±0.18 a 7.03±0.35 a Table 5. Annual carbon sequestration of T. flousiana plantation at different ages