福建省典型生长区毛竹林生态系统碳密度研究

谢海慧 苏阿兰 吴承祯，2 林勇明 洪 伟 李 键 陈 灿 洪 滔

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.武夷学院生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300)

福建省典型生长区毛竹林生态系统碳密度研究

谢海慧1苏阿兰1吴承祯1，2林勇明1洪 伟1李 键1陈 灿1洪 滔1

(1.福建农林大学林学院，福建 福州 350002；2.武夷学院生态与资源工程学院，福建 武夷山 354300)

以福建省永安市、建阳市为代表性研究区，在野外调查估算毛竹林生态系统生物量的基础上，研究毛竹林生态系统的碳密度空间分布特征。结果表明：毛竹林生态系统碳密度为164.750 t/hm2，其空间分布为土壤层>乔木层>凋落物层>灌草层，其中土壤层碳密度占总碳密度的比例最大(75.6%)，凋落物层和土壤层的总碳密度是地上部分(乔木层和灌草层)的3.18倍；毛竹林乔木层各器官按碳密度大小排序为竹秆>鞭根>竹枝>竹蔸>竹叶；毛竹林土壤有机碳含量和碳密度均表现为随着土层深度的增加而逐渐降低，0～40 cm土层的有机碳密度占整个土壤层碳密度的75.33%；就毛竹林生态系统整体而言，其碳密度小于我国生态系统的平均碳密度，其碳汇能力还有较大的发展空间。

毛竹林；碳密度；空间分布特征；福建省

全球气候变化深刻改变了陆地生态系统的结构和功能[1]，其中碳收支不平衡出现的“失汇”现象更是引起了众多学者对陆地生态系统碳循环的关注[2]。森林是陆地生态系统的重要组成部分，储存了陆地生态系统有机碳地上部分的80%，地下部分的40%[3]，其不仅具有改善和维护区域生态环境的功能，而且对增加碳汇、抵消CO2排放、缓解温室效应等具有不可替代的作用[4]。20世纪90年代以来，众多学者为研究森林对全球碳平衡的影响，从全球、区域或国家尺度上研究了森林生态系统的碳汇功能、碳储量和碳密度[5-8]，并对不同气候带植被如温带针阔混交林[9]、暖温带落叶阔叶林[10]、热带与亚热带森林植被[11]的碳储量、碳密度进行了研究。然而，为正确评价森林对大气CO2的平衡能力，对较小尺度上某个地区、某个林种的研究也显得十分迫切。

毛竹(PhyllostachysedulisRev.)是中国南方重要的森林资源，其作为异龄林，具有生长速度快、可以隔年连续采伐及永续利用等特点，因而毛竹林CO2固定能力巨大，对平衡大气CO2具有重要作用[12]。福建省以其优越的自然条件成为我国竹子的重点产区[13]，从20世纪90年代起，我国学者开始研究竹林生态系统碳储量与碳汇能力，并取得了一定的研究成果[12,14-16]。现今，对毛竹林的研究主要是集中在毛竹林生态与经济价值评价[13]、毛竹林生态系统碳储量的地带性差异[17]、不同类型人工毛竹林土壤碳氮含量及转化特征[18]等方面。而以省域典型样区为尺度对毛竹林生态系统碳密度的空间分配特征的研究尚未见报道。因此，本文以福建省永安市、建阳市为例，通过实地调查、样品采集分析以及数据处理和运算，从乔木层、灌草层、凋落物层、土壤层4个层次入手，探讨毛竹林生态系统碳密度的空间分配格局，以期为科学评价区域林种生态系统在全球碳循环及碳平衡中的作用提供试验依据，并为进一步提升毛竹林碳汇能力以及该区域毛竹林的科学管理奠定理论基础。

1 研究区概况

福建永安市地处东经116°56′～117°47′，北纬25°33′～26°12′，属典型的亚热带季风山地气候，年均气温19.1℃，无霜期301 d，年均日照时数 1 766.1 h，年均降雨量 1 688 mm，年均降雨日数130～169 d。永安市森林资源集存量大，是我国南方重点林区县(市)之一，树木种类繁多，材性用途广泛，有木本植物514种、竹类28种，其中属国家、省珍稀品种的有银杏(Ginkgobiloba)、铁杉(Tsugachinensis)、油杉(Keteleeriafortunei)、含笑(Micheliafigo)等。

建阳市地处东经117°31′～118°38′，北纬27°06′～27°43′，属中亚热带季风性气候，光热资源丰富，年均气温18 ℃，无霜期282 d，年均降雨量 1 700 mm，年均日照时数 1 802 h。建阳市有“林海竹乡”的美称，是我国南方重要的林区之一，森林资源居福建省第4位。林种类型有针叶林、常绿阔叶林、竹林、灌木林、混交林等，其中毛竹立竹数达 6 312.99 万株，各种林副产品如松脂、笋、香菇等十分丰富。

建阳市与永安市同属闽北区域，毛竹种植面积大且生长良好，为福建省竹子分布的中心区，故本研究选择两地为代表区域进行研究。

2 研究方法

2.1 野外调查与采样

2010年3月依据坡位、坡向、海拔的不同，在建阳市华家山竹林采育场、书坊综合林场、黄坑综合林场及永安市上坪林场、西洋镇林场、贡川镇林场6个毛竹林区中各设置3个样地，共选择具有典型性的样地18个，在确定的每个样地上分别设置20 m×20 m的标准样方，按海拔将18个样方划分为3类：300～500 m、500～700 m、>700 m，用阴坡、阳坡将坡向分为2类，并用上、中、下3个水平对坡位进行描述。在各样方中进行每木检尺，测定树高、胸径(表1)，调查林下植被盖度，利用手持GPS、经纬仪等实测坡向、坡度、地理坐标、海拔等数据。然后，在样方内随机设置3个1 m×1 m的小样方，分别收集小样方内所有的凋落物、草本、灌木，并称其质量，按各部分占总质量的比例分别取约500 g样品带回实验室。最后，在各毛竹林样地中随机选取2个土壤剖面，每个剖面分别取0～20、20～40、40～60 cm3个土层(60 cm以下土层中碳密度降到很低，碳储量很小，故不作统计[19])，利用环刀在每个土层中取土样1 kg，将同一土层土样充分混合后带回实验室。

2.2 相关指标

将野外采集的凋落物，在105 ℃下杀青30 min，再80 ℃烘干至恒质量，推算出各样地中林下植被的生物量。根据文献[20]提出的闽北毛竹各部分生物量优化模型，估算乔木层各器官生物量(表2)，进而计算各样地单位面积生物量。

表1 毛竹林样地概况

表2 毛竹林各部分生物量优化模型[20]

注：D为毛竹林平均胸径，H为毛竹林平均树高。

土壤物理性质采用土壤水分容重联合测定法(LY/T1210—1275《森林土壤分析方法》)测定。

土壤有机碳含量根据LY/T1237—1999《森林土壤有机质的测定及碳氮比的计算》，采用重铬酸钾-外加热法测定。植株样品及凋落物含碳率在依据土壤有机碳含量测定方法的基础上，采用湿热法[21]测定。

2.3 计算方法

2.3.1 土壤有机碳密度计算 土壤有机碳总碳密度为各层土壤有机碳密度之和，其中某一土层有机碳密度SOCi计算公式为：

SOCi=(1-Si)×Ci×Di×Hi/100

式中：SOCi为i土层的有机碳密度(g/m2)；i为土壤层次；Ci为i土层的土壤有机碳含量(g/kg)；Di为i土层的土壤容重(g/cm3)；Hi为i土层的厚度(cm)；Si为i土层>2mm石砾体积含量(%)。

如果土壤剖面由n层组成，那么该土壤的有机碳密度为：

2.3.2 毛竹林生态系统碳密度计算 毛竹不同器官生物量与其平均含碳率的乘积为毛竹不同器官的碳密度；毛竹林各器官平均碳密度之和为乔木层总碳密度，乔木层平均含碳率采用国际上常用的转换系数0.5[22-24]。乔木层、林下植被层、凋落物层和土壤层4部分的碳密度之和为毛竹林生态系统碳密度。

2.4 数据处理

采用Excel和DPS软件进行计算及多元回归分析。

3 结果与分析

3.1 毛竹林乔木层有机碳密度特征

根据表2的优化模型以及野外调查数据计算，毛竹林乔木层各器官生物量计算结果见表3，有机碳密度计算结果见表4。

表3 不同区域毛竹各器官生物量 t/hm2

表4 不同区域毛竹林各器官有机碳密度 t/hm2

由表3～4可知，毛竹不同器官的碳密度为毛竹不同器官生物量与其平均含碳率的乘积，从毛竹不同器官比较来看，按碳密度大小排序为：竹秆>鞭根>竹枝>竹蔸>竹叶。变异系数最大的是鞭根，为4.17%，最小的是竹秆，为0.01%。其中碳在毛竹林各器官中的分配以竹秆最大，达49.93%，是竹叶的11.631倍、竹蔸的5.324倍、竹枝的4.790倍、鞭根的1.923倍；竹叶所占比例最小，仅为4.29%；竹枝与竹蔸的平均碳密度仅相差0.409 t/hm2，所占比例分别为10.42%、9.38%。鞭根是除竹秆以外毛竹林乔木层最大的碳库，占总平均碳密度的25.97%。竹子在采伐时，带走的竹秆、竹枝、竹叶均属地上部分，其总平均生物量为 50.661 t/hm2，总平均碳密度为 25.330 t/hm2，占毛竹林乔木层总平均碳密度的64.65%，是地下部分(竹兜、鞭根)的1.829倍。

通过DPS软件对建立的毛竹林乔木层总有机碳密度(y)与海拔(x1)、坡向(x2)、坡位(x3)的多元线性回归方程进行模型拟合，得出：

y=28.293 1+0.018 0x1+1.743 7x2+1.378 6x3

对该拟合模型及各回归系数进行F检验分析，其相关系数为0.791，说明多元回归方程模拟乔木层总有机碳密度是有效的。通过α=0.05的标准误差显著性检验，F检验值为7.786>F0.05(3，14)=3.34，达到显著水平。海拔、坡向、坡位的影响因子分别为4.091、2.265、1.304。

3.2 毛竹林林下植被层有机碳密度特征

根据试验处理得到的碳含量结合毛竹林林下植被的生物量，计算得出单位面积毛竹林林下植被的碳密度，结果见表5。

表5 毛竹林林下植被层生物量及有机碳密度

由表5可知，毛竹林林下植被总有机碳密度为0.755 t/hm2，而乔木层为39.180 t/hm2，因此，整个毛竹林植被层的总碳密度为39.935 t/hm2，乔木层、凋落物层、灌草层分别占植被层总碳密度的98.11%、1.49%和0.40%。通过DPS分析，各样地中灌草层的碳密度主要分布在0.112～0.244 t/hm2，远小于凋落物层的碳密度(0.421～0.816 t/hm2)。凋落物作为毛竹林生态系统林下植被的重要组成部分，是毛竹林林下植被总有机碳密度的主要来源，达到总量的78.69%，而灌草层仅占林下植被总有机碳密度的21.31%。

3.3 毛竹林土壤层有机碳密度特征

采用重铬酸钾-外加热法测定计算得到毛竹林土壤各层碳含量，得到不同样地不同土层的土壤碳密度，结果见表6。

表6 毛竹林不同土层土壤碳含量及碳密度

土壤碳含量和土壤碳密度的分布规律在垂直方向上表现一致，即随着土层深度的增加而逐渐减少。土壤层总有机碳含量为60.909 g/kg，其中0～20 cm土层的碳含量最大，占整个土壤层碳含量的42.73%；40～60 cm土层的碳含量最小，仅占总量的26.21%，0～40 cm土层的碳含量约为40～60 cm土层的2.82倍。土壤层总有机碳密度为124.815 t/hm2，在12.143～74.833 t/hm2区间内变化。0～20 cm土层的土壤碳密度最大，占整个土壤层碳密度的41.11%；20～40 cm土层次之，占总量的34.22%。其中0～20 cm土层碳密度是20～40 cm土层的1.22倍，是40～60 cm土层的1.66倍，并且0～40 cm土层碳密度占整个土壤层碳密度的75.33%，表明土壤层有机碳主要存储在0～40 cm土层。

利用DPS软件对建立的土壤有机碳密度(y)与海拔(x1)、坡向(x2)、坡位(x3)的多元线性回归方程进行模型拟合，得到拟合模型为：

y=7.670 0+0.007 7x1+0.283 3x2+1.575 2x3

对该拟合模型及各回归系数进行F检验，得到其相关系数R为0.273，因此，用多元线性回归方程模拟土壤有机碳密度的效果不显著。

3.4 毛竹林生态系统有机碳密度空间分布格局

毛竹林生态系统各组分碳密度计算结果见表7。

表7 毛竹林生态系统各组分碳密度

如表7所示，毛竹林生态系统碳库主要包括乔木层、灌草层、凋落物层和土壤层4个部分，整个竹林生态系统碳密度为 164.750 t/hm2，其空间分布大小排序为：土壤层>乔木层>凋落物层>灌草层，其中灌草层占总碳密度的比例最小(0.10%)，土壤层最大(75.76%)，这与中国竹林生态系统的碳储量空间分布特征一致[25]；而在植被层中，乔木层和凋落物层碳密度分别占总碳密度的23.78%、0.36%。土壤层和凋落物层的碳密度总和为 125.409 t/hm2，占毛竹林生态系统碳密度的76.12%，这个比例不仅大于湖南会同速生杉木(Cunnighamialanceolata)林的71.27%[26]，且大于苏南地区27年生杉木林[10]的51.52%和热带雨林的30.61%[27]，凋落物层和土壤层2部分的有机碳密度是地上部分(乔木层和灌草层)有机碳密度的3.18倍。已有研究结果表明，乔木层碳密度在森林生态系统碳密度的比例为27.40%～33.90%，而土壤层所占的比例为64.19%～73.32%[12,28-29]。本文研究中乔木层碳密度所占比重偏小，而土壤层比重偏大，且由于土壤碳周转速率慢，碳储存能维持较长时间，因此3.18倍这一研究结果大于Houghton[30]报道的全世界森林生态系统中枯落物层与土壤层中碳密度是森林地上部分2.0倍的结果。但就整个毛竹林生态系统而言，其碳密度小于我国生态系统的平均碳密度( 258.83 t/hm2)[9]，且碳储量要低于我国主要森林生态系统碳储量(163.82～463.59 t/hm2)，仅是云杉-冷杉(Picea-Abies)林(463.59 t/hm2)的1/3左右[31]。这从侧面说明毛竹林生态系统碳储量还有较大的提升空间。

4 结论与讨论

毛竹林生态系统碳密度为 164.750 t/hm2，其空间分布特征表现为：土壤层>乔木层>凋落物层>灌草层，土壤层是毛竹林生态系统最主要的碳库，这与许多研究结果一致[12,32-34]，但与路秋玲等[35]的研究结果不同，其研究表明乔木层的碳密度大于土壤层，这主要是由于取样深度不同导致，其次由于其研究样土中2 mm以上的石砾含量较高，而计算土壤碳储量需减去这部分的体积含量，也会导致土壤碳密度偏低。土壤作为森林生态系统重要的有机碳库组成部分，其有机碳的补给主要来源于地表枯枝落叶及土体内微生物对物质的转化分解，本研究结果表明，随着土壤采样深度的增加，土壤有机碳密度呈现递减趋势，这与黄土高原的辽东栎林(Quercusspp.)、柴松林(Pinusshekannesis)、油松林(Podocarpusneriifolius)[32]以及广西湿地松(Pinuselliottii)人工林[28]、江西大岗山毛竹林[36]的研究结果一致。这种变化规律主要体现在0～40 cm土层上，其有机碳密度约占整个采样剖面的80%左右，这可能与该深度中土壤根系分布较广，微生物的活性较好，地表植物对土壤补给较多有关；也可能是由于毛竹林地下鞭根系分布位置较浅的特性，使得有机碳在鞭根腐烂的影响下而有所增加。毛竹林土壤层的碳库贡献较大，任何引起水土流失的人为干扰如整地、炼山等都易造成毛竹林尤其是土壤碳素的损失。

乔木层作为毛竹林生态系统的第2碳库，其不同器官的碳密度为1.682～19.564 t/hm2，各器官碳密度变异系数为0.01%～4.17%。不同器官碳密度由大到小依次为：竹秆>鞭根>竹枝>竹蔸>竹叶。碳在毛竹各器官中的分布以竹杆所占比例最大，这与广西湿地松人工林[28]、马尾松(Pinusmassoniana)林[37]、四川孝顺竹林[34]乔木层不同器官的碳密度大小排序相似，但与栓皮栎(QuercusvariabilisBlume)、杉木等树种不一致[10-11]。这说明毛竹林乔木层不同器官碳素的累积特点与林木类型有关。乔木层碳密度的多元线性回归分析结果表明，回归方程的回归整体效果较好，海拔、坡向、坡位3个因素均与毛竹林乔木层总有机碳密度成正相关，按三者对其影响大小排序依次为：海拔>坡向>坡位。因此，在对毛竹林乔木层有机碳密度进行研究时，海拔的测定需较其他两者更精准。

凋落物层为森林生态系统中土壤-植物系统碳循环的联结库，同时也是土壤有机碳的最主要来源，在土壤有机碳的积累过程中起着极为重要的作用，其有机碳密度在植被层中仅次于乔木层。本研究的结果表明，凋落物是毛竹林生态系统林下植被的重要组成部分，其碳密度远大于灌草层，达到毛竹林林下植被总有机碳密度的78.69%，这与何斌等[33]研究的广西厚荚相思(Acaiacrassicarpa)人工林和马明等[38]研究的秦岭天然华山松(Pinusarmandii)林具有相似的分配格局，但与张治军等[39]研究的重庆铁山坪马尾松存在较大的差异。这种差异性与林分分布、林木生长、凋落物的长期积累以及样地选择等是否具有相关性还有待进一步研究。

就毛竹林生态系统整体而言，其碳密度小于我国生态系统的平均碳密度，且碳储量要低于我国主要森林生态系统碳储量，说明毛竹林的碳生产还有较大的发展潜力，其碳储量还有很大的提升空间，适合未来推广固碳。

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(责任编辑 曹 龙)

Carbon Density ofPhyllostachysedulisPlantation Ecosystem in Typical Growth Area of Fujian Province

XIE Hai-hui1, SU A-lan1, WU Cheng-zhen1, 2, LIN Yong-ming1,HONG Wei1, LI Jian1, CHEN Can1, HONG Tao1

(1. College of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou Fujian 350002, China;2. College of Ecology and Resources Engineering, Wuyi University, Wuyishan Fujian 354300, China)

Taking Yong’an and Jianyang municipalities in Fujian Province as the typical research areas, the carbon density and its spatial distribution characteristics ofPhyllostachysedulisplantation ecosystem were studied by estimating the biomass ofP.edulisecosystem through the field investigation. The results showed that the carbon density ofP.edulisplantation ecosystem was 164.750 t/hm2and its spatial distribution was in the order as soil layer> orbor layer > litter layer > shrub and herb layer. Among the four layers, the soil layer had the highest carbon density which accounted for 75.76% of the total carbon density. The total carbon density of the litter layer and the soil layer was 3.18 times that of the aboveground (arbor layer, shrub layer and herb layer). The distribution of carbon density among the organs ofP.eduliswas ranked in the order of trunk > root > branches > underground trunk > leaves. Both of the organic carbon content and carbon density in theP.edulisplantation soil decreased with the soil depth. The carbon density in the 0-40 cm soil layer accounted for 75.33% of the total soil profile. In terms ofP.edulisecosystem as a whole, its carbon density was less than the average carbon density of different ecosystems in China, which suggested that there was much development space for carbon fixation capacity ofP.edulisplantations.

Phyllostachysedulisplantation; carbon density; spatial distribution characteristics; Fujian Province

2013-10-23

国家自然科学基金项目(41201564)资助；福建省自然科学基金项目(2011J01072)资助；福建省科技重大专项(2012NZ0001)资助。

吴承祯(1970—)，男，博士，教授。研究方向：森林生态学。Email：fjwcz@126.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.02.006

S718.5

A

2095-1914(2014)02-0028-07

第1作者：谢海慧(1990—)，女，硕士生。研究方向：自然资源管理。Email：1079262081@qq.com。