三峡库区典型马尾松林生态系统碳分配格局研究

薛沛沛，李 彬，王轶浩，冯大兰，朱小龙*，卢 斌

(1.重庆市林业科学研究院，三峡库区森林保护与恢复重庆市市级重点实验室，重庆 400036;2.北京林业大学，北京 100083)

21世纪，全球变化问题已成为联合国气候变化峰会和APEC等世界各国首脑会议的主题。全球变化引起了研究者对陆地生态系统中碳平衡、碳储量的关注。森林作为陆地生态系统的主体，也是地球上最大的碳库，贮存了陆地生态系统总碳库的56%［1，2］，森林生态系统地上部分和地下部分碳库分别占陆地生态系统碳库的80%和40%［3］。

随着全球变暖趋势的日益明显，森林固碳问题越来越受到各国学者的重视［4］，并对此做了大量的研究［5－9］，关于马尾松林分碳储量和碳分配格局的报道也不少［10，11］。然而，三峡库区作为马尾松最主要的适生区之一，对千万亩马尾松林的碳分配格局研究报道很少。为此，本文运用野外实地采样和室内分析相结合的方法，并结合文献资料，对三峡库区马尾松林碳储量及分配格局进行了探讨，以期为三峡库区马尾松林碳分配的进一步研究和正确评价马尾松林的生态效益提供科学依据。

1 材料与方法

本研究采取基于文献的研究数据资料和实测方法相结合，对三峡库区马尾松林的碳分配进行研究。

1.1 文献资料

张治军等对重庆铁山坪马尾松林生态系统碳贮量及其分配特征的研究［12］。

1.2 实测方法

1.2.1 研究区概况

研究区位于重庆市万州区新田林场，长江以南，方斗山脉以北，东临武陵镇、高峰镇，西接石柱县，南与百安办接壤，交通较为方便。地处北纬30°36'19.8″，东经 108°23'43.3″。海拔1 080.3 m。立地条件较好，黄壤，中性至微酸性，中山。全场林业用地面积3 262.3 hm2，活立木总蓄积为43.5万m3。森林植被以马尾松、杉木为主，灌木有青冈、巨木、柃木、山矾、青冬、杜鹃等，盖度为20%，地被物有茅草、蕨类，盖度为25%。

1.2.2 标准地选择

2011年1月～2月，在40 a～45 a生的马尾松林中，设置4个具有代表性的面积为20 m×20 m的标准地。标准地基本情况见表1。

表1 新田林场马尾松林乔木群落的一些参数Table1 Parameters of arbor layer of Pinus massoniana forest in Xintian State Forest Farm

1.2.3 样品采集

1.2.3.1 乔木层生物量调查 选择标准木进行树干解析。(1)树干调查:树干解析方法参照测树学［13］，并现场称鲜质量。在树木地径处以及全高的0.25、0.5和0.75处分别截取3 cm～5 cm厚的圆盘，装入自封袋做好标记，带回实验室。(2)枝叶调查:以枝基径 ＜1 cm、1 cm ～2 cm、2 cm ～4 cm、＞4 cm为标准进行分级，称取鲜质量;每级选取3个标准枝称取带叶枝总鲜质量;摘净叶，分别称取枝叶鲜质量;按等级分别装入自封袋做好标记，带回实验室。(3)根系调查:分不同方向(树干基部的坡上、坡下、左、右)、层次(0 ～20 cm、20 cm ～40 cm、40 cm～60 cm、60 cm ～80 cm、80 cm ～100 cm 等层次，直至无根系分布)挖取树木根系，用水冲洗，风干后分d＜1 cm、1 cm ～2 cm、2 cm ～5 cm、5 cm ～10 cm、＞10 cm 5类，分层分类称鲜质量后，随机抽取1 kg样品，装入自封袋做好标记，带回实验室。

1.2.3.2 林下植被生物量调查 在每个标准地内，按对角线法设3 m×3 m的样方4个，采用“样方收获法”［14，15］测定灌木层生物量。由于林地地表几乎没有草本层，因此本研究在碳储量测算中草本层忽略不计。按对角线法设置1 m×1 m的样方4个，凋落物按未分解、半分解测定其鲜质量。

1.2.3.3 土壤有机碳调查 每一标准地内按“S”形布点方法，挖取3个土壤剖面，分0～20 cm、20 cm～40 cm、40 cm ～60 cm、60 cm ～100 cm 等4个层次取样，每层取样不少于1 kg。同时用100 cm3环刀测定土壤容重。土样风干，去除砾石等杂物后过2 mm筛备用。

1.2.4 数据分析与处理

1.2.4.1 植物样品 带回的植物样品，分别在80℃下烘干至恒重，称重。根据模型W=a(D2H)b和每木检尺数据，求算林分乔木树干、枝、叶和根生物量。按照方运霆等对广东鼎湖山马尾松纯林(林龄约为50 a以上)各器官与林下植被及凋落物碳含量的测定结果，对本地区植被的碳贮量进行估算［16］，乔木层各器官的碳含量分别为:树干61.38%，树枝53.33%，树叶44.63%，树根59.13%。木质物残体层以及林下植被层碳储量则采用常见的0.45的碳转化率［17］。然后根据标准地密度计算每公顷马尾松林的碳储量。

1.2.4.2 土壤样品 以重铬酸钾法—外加热法测定有机碳含量［18］;再根据土壤有机碳含量、土壤密度和土层深度计算土壤有机碳储量。

土壤有机碳储量计算公式为:

式中:S表示土壤有机碳储量，i表示土壤层次，Ci表示土壤有机碳含量，di表示土壤密度，Di表示土壤深度。本研究土壤密度为1.28 g·cm－3～1.55 g·cm－3，因此，本研究土壤各层次的有机碳贮量用密度的平均值1.41 g·cm－3进行换算。

2 结果与分析

2.1 马尾松林生物量及其分配特征

生物量是植物群落最重要的数量特征之一，直接反映了生态系统生产者的物质生产量，也是生态系统生产力的重要体现［19］。

测定结果表明，新田林场40 a～45 a生马尾松林的总生物量平均为145.48 t·hm－2(见表2)。资料显示，铁山坪林场45 a～51 a生马尾松林总生物量平均为142.06 t·hm－2。两个林场的马尾松生物量表现出如下特征:(1)乔木层生物量占马尾松林生态系统生物量的绝对优势(新田林场占85.68%，铁山坪林场占89.91%)，灌木层次之(新田林场占11.42%，铁山坪林场占5.61%)，凋落物层分别占2.90%(未分解层占64.27%，半分解层占35.73%)和2.98%(未分解层占 62.03%，半分解层占37.97%)。由于实测试验是在年初进行的，所以未进行草本层的采集和调查，因此本文不进行讨论。可见，在森林生态系统生长空间尺度上，生物量分布呈现由上到下递减的规律［20］。

表2 新田林场马尾松林分不同层次生物量分配情况Table 2 Biomass distribution of stand in different layers of Pinus massoniana forest in Xintian State Forest Farm

调查发现，新田林场马尾松林的总生物量差异不大，标准地4的生物量最大，为153.80 t·hm－2，其它3个样方的生物量排序依次为标准地1＞标准地2＞标准地3。但铁山坪林场各标准地的总生物量相差较大，生物量最大样方1(161.11 t·hm－2)是生物量最小样方(115.73 t·hm－2)的1.39倍，这可能与树木密度、树木分布或立地条件等有关。

乔木层是人工生态系统中最大的物质生产者，它的生物量特点直接反映了林分有机物质的生产与积累水平［21］。乔木层生物量中，树干生物量占整株树木生物总量的60%以上，马尾松各器官生物量占各自总生物量的比例依次为干＞枝＞根＞叶(见表3)。由此可见，在乔木层生物量中，树干的比重最高，这与张尚炬［22］对沿海马尾松台湾相思次生林生态系统生物量及碳贮量的研究结果一致。

表3 新田林场马尾松林乔木层的生物量及其器官分配Table 3 The biomass and organ distribution of arbor layer in Pinus massoniana forest in Xintian State Forest Farm

2.2 马尾松林各组分碳含量及其分配特征

新田林场马尾松林各组分碳含量见表4。表4显示，马尾松林的碳分配以乔木层占的比例最大，所占比例88.79%;灌木层碳储量为7.37 t·hm－2，凋落物层的碳储量所占比例为2.28%。碳储量在三峡库区马尾松林的分配同生物量的分配一致，表现出从上到下依次递减的趋势。

表4 新田林场马尾松林林各组分碳含量Table4 Carbon storage of of different parts in Pinus massoniana forest in Xintian State Forest Farm

根据马尾松的生物量和碳含量，得出各器官的碳储量。由表5可以看出，新田林场马尾松林乔木层的碳储量均值为73.29 t·hm－2，比邓华平研究的35 a生的马尾松林乔木层碳储量的115.52 t·hm－2减少了42.33 t·hm－2。资料表明，铁山坪马尾松林乔木层的碳储量均值为76.06 t·hm－2。40 a～45 a生的马尾松林碳储量与45 a～51 a生马尾松林相差2.77 t·hm－2。由此说明马尾松林在45 a之后生长比较缓慢。同时也可以看出三峡库区的马尾松林较其它地区生长较慢，生物量积累较慢，这可能与未进行人工经营有关，从而导致碳储量偏低。这与夏鑫［23］对马尾松老龄林的研究具有高度的一致性。马尾松林乔木层各器官碳储量的排序为:树干＞树枝＞树根＞树叶。

表5 新田林场马尾松林乔木层各器官的碳储量Table 5 Carbon storage of different organ of arbor layer in Pinus massoniana forest in Xintian State Forest Farm

2.3 不同层次土壤有机碳储量及其分配特征

马尾松林各样方土壤碳储量随着土层深度的增加而逐渐减小。由表6可看出，土壤碳储量以表层土(0 ～20 cm)最大，均值为 68.61 t·hm－2，占土壤层总碳储量的55.45%。20 cm～40 cm土壤碳储量25.61 t·hm－2，占总碳储量的20.69%;40 cm ～60 cm土壤碳储量15.62 t·hm－2，占总碳储量的12.63%;60 cm ～100 cm 土壤碳储量 13.90 t·hm－2，占总碳储量的11.23%。可见，0～40 cm土层，在森林有机碳储量的研究中，占有举足轻重的地位。铁山坪0～62 cm土壤层总有机碳贮量为114.96 t·hm－2，腐殖质层有机碳含量最高，平均为9.68%，而2 cm～12 cm土层有机碳含量平均为2.17%，42 cm～62 cm土层有机碳含量仅为0.76%。可见，三峡库区的土壤有机碳贮量基本上是由表层向深层逐渐降低。

表6 新田林场不同层次土壤有机碳储量Table 6 Carbon storage of different soil layers in Xintian State Forest Farm

2.4 马尾松林生态系统碳储量的空间分布

新田林场马尾松林生态系统总碳储量平均为206.28 t·hm－2，其中，植被层占 40.01%，土壤层占59.99%。植被层中，乔木层占35.53%，灌木层占3.57%，凋落物层占1.05%。铁山坪林场马尾松林生态系统的总有机碳贮量为197.78 t·hm－2，其中土壤有机碳贮量占58.13%。可见，森林土壤是森林生态系统以及陆地生态系统最主要的碳库之一。此结果与韩娟娟［24］对子午岭辽东栎类群落碳储量的研究结果相似。

因此，研究表明，三峡库区马尾松林碳储量的分布以乔木层和土壤碳库为主，但与其它研究相比，三峡库区马尾松林的碳储量比较低，而且40 a～51 a生的马尾松林已达成熟期。为了增加森林的固碳能力，应加强对森林的管理、经营以及改造。

3 结论与讨论

3.1 调查方法

目前，研究森林生态系统植冠层生物量和碳储量的方法主要有样地清查法、模型模拟法、遥感估算法等。样地清查法适用于小尺度森林生态系统的研究，实测所有树木的生物量和碳储量颇为困难。模型模拟法主要用于大尺度森林生态系统碳循环研究，但由于一些生态学过程的特征参数不易获得或难以把握，以及可靠的观测数据的可获得性标准不一致，模型化很难［25］。遥感估算法能满足不同的研究在时间和空间尺度上的要求，适合于区域尺度上的研究。通过比较分析，本研究采用样地清查法。

不同的研究人员用不同方法对森林生态系统的生物量和碳储量进行研究，所得的结果也存在差异［26］。如设置样方面积的大小、样方选择的代表性等。本研究所应用的标准地20 m×20 m、灌木样方3 m×3 m、凋落物样方1 m×1 m，是参照大量文献［27～29］的基础上，根据实际情况而确定的。

3.2 植被碳含量

过去的区域和国家尺度的森林生态系统碳储量的估算中，国内外研究者大多采用0.5来作为所有森林类型的平均含碳率［30～32］，也有采用0.45作为平均含碳率的［33］。极少根据树木不同组分的不同碳含量进行计算。如刘应芳等［34］对蜀南竹海风景区毛竹林生态系统碳储量及其空间分配特征进行研究时指出，为了更准确地计算毛竹林碳储量，应根据毛竹不同器官采用不同的含碳量作为转换系数。前人对鼎湖山保护区马尾松林的碳素含量进行了测定，因此，本研究中，乔木层各器官的碳含量分别按树干 61.38%、树枝 53.33%、树叶 44.63、树根59.13%进行换算。

群落的总生物量主要取决于乔木层，乔木层的生物量主要以树干为主。三峡库区马尾松林分的生物量与表现出相同的特征，该研究结果与方运霆等［35］对马尾松和荷木混交林、马炜等［36］对长白落叶松、周国模等［37］对毛竹林的研究以及张骏［38］对中国中亚热带东部森林生态系统的研究结果一致。

3.3 土壤碳含量

土壤碳储量所用公式不同，获得的结果不尽相同。本研究所采用的土壤碳储量计算方法为大部分土壤碳储量研究中常用的方法。研究结果表明土壤碳储量随土层深度的增加而逐渐降低，这与大多数研究的结果呈现出相似的规律，如杨晓梅等［20］对不同林地土壤有机碳储量及垂直分布特征的研究、李正才等［39］对北亚热带土地利用变化对土壤有机碳垂直分布特征及储量的影响的研究。

3.4 展望

本研究实测的4个标准地中，在植被碳储量上，标准地4占据相对优势，是由于标准地4的土壤碳含量高的原因。对植被层来说，标准地1的碳储量最大，说明新田林场密度为1 500株·hm－2的马尾松林表现相对较好，在以后的研究中，可以对产生该现象的具体原因做详细研究。但与其它地区对马尾松林的研究相比，三峡库区马尾松林生态系统的碳储量相对偏低，这可能与未对其进行经营管理有关，也可能与该研究所采用的方法有关。本研究所选择的新田林场和铁山坪林场，虽然具有较好的代表性，但由于三峡库区包括范围广，地势起伏，立地条件相差较大，因此，在今后的研究中，应该选取在三峡库区多处设置样地，应进行不同取样方法、不同数据处理和计算方法、不同森林经营方法等方面的比较和研究。

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