鹰嘴界自然保护区不同森林类型固碳释氧功能研究

王忠诚 ，王淮永 ，华 华 ，张 展

（1.中南林业科技大学 a.林学院；b.农林经济管理研究中心，湖南 长沙 410004；2.株洲市林业科学研究所，湖南 株洲 412007）

鹰嘴界自然保护区不同森林类型固碳释氧功能研究

王忠诚1a,b，王淮永1a，华 华1a，张 展2

（1.中南林业科技大学 a.林学院；b.农林经济管理研究中心，湖南 长沙 410004；2.株洲市林业科学研究所，湖南 株洲 412007）

为研究不同森林类型固碳释氧功能效益，采用野外观测和室内实验相结合的方法对会同鹰嘴界自然保护区的阔叶混交林、杉木毛竹混交林和杉木林等森林类型植被生长状况和林地土壤容重、有机质等指标进行监测，并运用蓄积量与生物量的转换关系对鹰嘴界自然保护区不同森林类型的生态系统固碳释氧功能效益进行定量分析。结果表明：（1）不同森林类型林木平均生物量存在明显的差异性，即：阔叶混交林（233.49 t·hm-2）＞杉木毛竹混交林（181.18 t·hm-2）＞杉木林（82.53 t·hm-2）；（2）土壤碳密度表现为：杉木毛竹混交林（42.55 t·hm-2）＞阔叶混交林（36.60 t·hm-2）＞杉木林（32.94 t·hm-2）；（3）主要森林类型的固碳释氧效益表现为：阔叶混交林＞杉木毛竹混交林＞杉木林。该研究成果较为准确地反映了鹰嘴界自然保护区森林生态系统的固碳释氧效益，对鹰嘴界自然保护区森林建设与保护有一定的参考价值。

森林类型；固碳释氧；生物量；林木蓄积量；鹰嘴界自然保护区

森林作为陆地生态系统的主体[1-2]，通过植被、土壤动物和微生物固定碳素，并释放氧气[3]。全球森林资源已由人类文明初期的76亿hm2减少到38亿hm2[4]。同时，由于煤、石油、天然气等化石燃料消耗的增加，大气中CO2浓度不断增大，在过去的100年中，空气中CO2含量由295 μL·L-1增加到320 μL·L-1，引起大气升温，产生温室效应[5-7]，人类社会正面临着生态安全的危险。保护森林资源，维护森林生态系统的稳定，是维护地球碳库、促进生态平衡的重要途径之一。学者们（王效科，2001；李克让，2003；黄从德，2009；陈遐林，2003）对于大尺度范围的植被或土壤碳的研究相对较多[8-11]，其研究内容主要涉及森林生态系统有机碳储量的空间分布特征、森林生态系统的植物碳储量和碳密度以及碳汇功能等，但对于中小尺度不同森林类型固碳释氧功能进行连续监测与研究的并不多见。由于不同的森林类型生态学特征的差异，其林分整体固碳释氧功能也存在一定的差异[12]。本文对鹰嘴界自然保护区的阔叶混交林、杉木毛竹混交林和杉木林等3种林地固碳释氧功能进行比较分析，旨在对小尺度森林生态系统固碳释氧效益做初步探讨。

1 研究区概况

鹰嘴界国家级自然保护区位于湖南省会同县东南部，湘西南边陲，怀化市南端，沅水上游，地处雪峰山脉西支南段。该区属于亚热带湿润气候，平均气温13.4～16.6℃，年均降水量1453 mm，无霜期303 d，有雾日55 d，年日照数1 462.7 h。保护区内土壤有红壤和黄壤两个土类，并保存了由山地系统、沟涧系统和森林群落组成的典型的常绿阔叶林群落，有甜槠林、桢楠林、黔桂润楠林、钩栗林、薯豆林、青冈栎林等16个群系；还保存有中国南方主要造林树种杉木、马尾松等[13]。

2 研究方法

2.1 数据采集

根据线路调查和典型调查相结合的方法，本研究选择阔叶林、杉木毛竹混交林、杉木林3种植被类型的林地，并分别建立面积为25.82 m×25.82 m的标准样地，在每个各标准地内对林木每木检尺，测定树高、胸径等因子，并记录其坡度、坡向、郁闭度、海拔、土壤类型等指标，见表1。

表1 各种标准样地基本情况Table 1 Basic situation of standard sample plots

在标准地内选择具有代表性的地点，建立1 m× 1 m小样方收取枯落物；挖掘土壤剖面进行观测记录，利用环刀采集0～15 cm，15～30 cm，30～45 cm土层土样，每层重复3次。

2.2 试验方法

将采集的土壤利用环刀法[14]测定土壤容重；取一部分土壤样品烘干、过筛，利用重铬酸钾容量法测定土壤有机质含量；将枯落物样品烘干、称重（精确到0.01 g）。

2.3 固碳释氧效益的计量

（1）根据森林植被光合作用原理，每生产1 t干物质要固定1.63 t CO2，同时释放出1.19 tO2[15]。本文采用森林植被生物量进行固碳释氧效益的计量，森林植被生物量的确定通过生物量与蓄积量的关系模型求得。

依据方精云[16]等对我国森林生物量和材积关系的研究，所确定的生物量和蓄积量的关系模式来计算林地林分生物量，见公式（1）、（2）。

阔叶混交林：

B=0.625 5V+91.001 3 （R=0.93，n=19） （1）

杉木林：

B=0.399 9V+22.541 0 （R=0.97，n=56） （2）

（2）根据周玉荣[17]等对我国主要森林生态系统土壤有机碳含量的研究，以及Pan G X[18]对我国主要森林生态系统土壤有机碳密度的研究来计算会同鹰嘴界不同森林类型土壤有机碳密度，见公式（3）、（4）。

式中：0.58这一系数是指直径＜ 2 mm的土壤颗粒有机质含碳量；G为土壤容重（g·cm-3）；H为采取土层厚度（cm）。

（3）以中华人民共和国林业行业标准《森林生态系统服务功能评估规范》[19]为标准，计算森林的固碳量和释氧量，见公式（5）、（6）。

老柿树十几丈高，树下的阴凉比一个晒场还大。一般的小雨，坐在树下湿不了衣裳。晒场知道不？杨小水的叙述很立体，像是怕她的笔友精神不集中，不时会问对方一个问题。然后她自己解释说，晒场就是我们农村打粮食晒粮食的场子，又平又大。这儿也是杨湾人的饭场，一天三顿饭，到了饭点儿就有人端着碗围过来。

式中：U碳为森林固碳量（t·hm-2a-1）；R为二氧化碳中碳含量（27.27%）；F为单位面积森林土壤年固碳量（t·hm-2a-1）；B年为林分净生产力（t·hm-2a-1）。

式中：U氧为森林释放氧气量（t·hm-2a-1）；B年为林分净生产力（t·hm-2a-1）。

3 结果与分析

3.1 不同森林类型生物量

通过连续4年对样地内林木进行监测，测得林木的树高、胸径。根据湖南省主要树种二元立木形高表按树种类型查得林地植被蓄积量，见表2。

表2 不同森林类型林木蓄积量Table 2 Volume of different type forests m3·hm-2

通过表2可以看出，会同鹰嘴界自然保护区森林林木蓄积量随年度有较大幅度的增加。其中，阔叶混交林蓄积量增加量为34.89 m3·hm-2，年平均增加量为11.63 m3·hm-2；杉木毛竹混交林为48.43 m3·hm-2，年平均增加量为 16.14 m3·hm-2；杉木林为 29.31 m3·hm-2，年平均增加量为 9.77 m3·hm-2。

根据公式（1）、（2），得出森林林木的生物量，此方法所求生物量只是森林乔木层主要部分的生物量，而忽视了枝、根等的生物量。根据国家森林资源连续清查湖南省第六次复查的相关数据可知，该区域阔叶混交林枝、根、叶等器官与树干生物量比例关系：枝占干的16.21%、皮占干的14.16%、根占9.82%、叶占9.47% ；杉木林枝、根、叶等器官与树干生物量比例关系：枝占干的13.96%、皮占干的21.05%、根占23.57%、叶占10.53%，得出不同森林类型植被总生物量，见表3。

表3 不同森林类型林木生物量Table 3 Biomasses of different type forests t·hm-2

从表3可以得出，阔叶混交林2008年净生产量 为 7.85 t·hm-2，2009 年 为 11.19 t·hm-2，2010 年为13.47 t·hm-2；杉木毛竹混交林2008年净生产量为 13.26 t·hm-2，2009 年为 13.31 t·hm-2，2010 年为6.18 t·hm-2；杉木林 2008 年净生产量为 7.43 t·hm-2，2009 年为 3.63 t·hm-2，2010 年为 8.76 t·hm-2。

根据图1可知，鹰嘴界自然保护区森林植被净生产量随年度基本呈现增长趋势。年平均净增生物量（净生产力）表现为：杉木毛竹混交林（10.92 t·hm-2）＞阔叶混交林（10.84 t·hm-2）＞杉木林（6.61 t·hm-2）。

3.2 土壤固碳分析

根据试验测得，鹰嘴界自然保护区不同森林类型的林地土壤容重和有机质含量随年度变化情况，见表4。

图1 不同森林类型净生产量Fig.1 Net production of different type forests

表4 不同森林类型土壤容重和有机质含量变化Table 4 Changes of soil bulk density and organic matter content of different type forests

表中土壤容重为0～15 cm，15～30 cm，30～45 cm土层土样容重的平均值。

根据公式（3）、（4），计算会同鹰嘴界不用森林类型林地的土壤碳密度，见图2。

图2 不同森林类型土壤碳密度情况Fig.2 Soil carbon density of different type forests

根据图2可知，会同鹰嘴界自然保护区阔叶混交林平均土壤碳密度为36.60 t·hm-2；杉木毛竹混交林为 42.55 t·hm-2；杉木林为 32.94 t·hm-2。不同森林类型的土壤碳密度随时间呈现减少趋势，这是由于土壤有机碳密度与土壤的容重和有机碳含量有关[20-22]，森林有机质含量虽在逐年增加，而土壤容重减小的趋势更加的明显。

3.3 不同森林类型固碳量释氧量

根据公式（5）、（6）求出不同森林类型固碳释氧量，见表5。

表5 不同森林类型固碳释氧量Table 5 Carbon fixation and oxygen release function efficiency of different type forests t·hm-2

通过表5，可以得出：会同鹰嘴界自然保护区不同森林类型林地的固碳释氧量呈现逐年增加的趋势。阔叶混交林年均固碳量为47.37 t·hm-2，年释放O2量为12.90 t·hm-2，年固碳释氧总量为60.27 t·hm-2；杉木毛竹混交林年固碳量为 40.96 t·hm-2，年释放O2量为12.99 t·hm-2，年固碳释氧总量为53.95 t·hm-2；杉木林年固碳量为 35.66 t·hm-2，年释放O2量为7.86 t·hm-2，年固碳释氧总量为43.52t·hm-2。

4 结论与讨论

（1）本研究通过对鹰嘴界自然保护区2007～2010年阔叶混交林、杉木毛竹混交林、杉木林的平均生物量研究表明：阔叶混交林（233.49 t·hm-2）＞杉木毛竹混交林（181.18 t·hm-2）＞杉木林（82.53 t·hm-2）。

（2）本研究测得阔叶混交林年平均净生产力（10.84 t·hm-2）高于方精云[16]等估算结果阔叶混交林年平均净生产力为10.430 t·hm-2。造成这种差异的原因在于文献[16]的估算结果是在1996年利用全国第三次森林清查资料进行估算的。而本研究利用2007～2010年试验监测数据，由于保护区的建设与保护，森林的林分结构和林龄结构在不断变化，生产力进一步提升，本研究的结果更接近实际。

（3）鹰嘴界自然保护区有机质平均含量为33.03 g·kg-1，有机碳平均含量为 19.16 g·kg-1，均高于2009年湖南省二类资源清查中相关数据（公益林有机质平均含量31.22 g·kg-1，有机碳平均含量18.78 g·kg-1；非公益林有机质平均含量27.86 g·kg-1，有机碳平均含量 16.16 g·kg-1）。自然保护区森林土壤有机质、有机碳含量较湖南省其他森林生态系统丰富，这是因为保护区的建立有利于森林生态系统的保护，使林地内枯落物的含量增加，土壤有机质和有机碳含量随之增加。

（4）本文通过连续4年对会同鹰嘴界自然保护区的不同森林类型的固碳释氧效益监测和研究，结果表明：阔叶混交林、杉木毛竹混交林和杉木林的固碳释氧效益表现为阔叶混交林（60.27 t·hm-2）＞杉木毛竹混交林（53.95 t·hm-2）＞杉木林（43.52 t·hm-2），该研究结果较为准确地反映了鹰嘴界自然保护区森林生态系统的固碳释氧效益。

（5）目前对于林木生物量测定的方法较多，主要有收获法、标准木法、模型法等。不同的方法，其测算结果也存在一定的差异。收获法由于耗时费力，操作过程中损失造成的误差较大；标准木法主要用于人工同龄林的研究，但由于生物量与胸径间的关系为非线性，当直径分布区间较大时，误差较大；模型法，通过建立生物量和易测指标间的回归方程对生物量进行估计，可以实现无破坏性估计，对于估计群落或景观尺度生物量则可以达到较高的精度。因此，本文采用模型法来对森林生物量进行计量。

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Study on carbon fi xation and oxygen release of different type forests in Yingzuijie Nature Reserve

WANG Zhong-cheng1a,b, WANG Huai-yong1a, HUA Hua1a, ZHANG Zhan2
(1a. School of Forestry; b. Forestry Economy Management Research Center, Central South University of Forestry & Technology,Changsha 410004, Hunan, China; 3. Zhuzhou Forestry Science Research Institute, Zhuzhou 412007, Hunan, China)

In order to research the function eff i ciency of carbon fi xation and oxygen release of different type forests, by adopting the method of combining the field observation and indoor experiments, the indicators of vegetation growth conditions, woodland soil bulk density and soil organic matter of broadleaf mixed forest, bamboo Chinese fi r mixed and fi r forest in Yingzuijie Nature Reserve were monitored, the fixing carbon and releasing oxygen benefits of ecosystem functions were quantitatively analyzed by using the transformational relation between volume and biomass. The results show that: (1) The average forest biomasses of different forest types has signif i cant differences, they ranked by magnitude: broadleaf mixed forest（233.49 t·hm-2）＞ bamboo and Chinese fi r mixed forest（181.18 t·hm-2）＞ Chinese fir forest（82.53 t·hm-2）; (2) Soil carbon density ordered from high to low: bamboo and Chinese fi r mixed（42.55 t·hm-2）＞ broadleaf mixed forest（36.60 t·hm-2）＞ Chinese fir forest（32.94 t·hm-2）; (3) Carbon fi xation and oxygen release function eff i ciency of main types of forests sequenced by magnitude: broadleaf mixed forest＞ bamboo and Chinese fi r＞ Chinese fir forest mixed. The results accurately ref l ect the carbon sequestration and releasing oxygen function eff i ciency of forest ecological system in Yingzuijie Nature Reserve, and has some certain reference values for forest construction and protection in Yingzuijie Nature Reserve.

forest types; carbon fi xation and oxygen release; biomass; forest wood volume; Yingzuijie Nature Reserve

S718.56

A

1673-923X(2013)07-0098-04

2012-10-16

2012年度湖南省高校创新平台开放基金“湖南省典型农业干旱区基本农田保护模式研究”（12K072）

王忠诚（1970-），男，湖南新宁人，副教授，硕士研究生导师，主要从事水土保持领域的教学与科研工作

[本文编校：吴 毅]