小水电代燃料工程对黔东南人工林生态系统固碳效益的影响

吕志远，马智杰，查同刚，王伊琨

（1.北京林业大学林学院，北京100083；2.中国水利水电科学研究院，北京100038；3.北京林业大学水土保持学院，北京100038；4.北京市土肥工作站，北京100029）

小水电代燃料工程对黔东南人工林生态系统固碳效益的影响

吕志远1，马智杰2，查同刚3，王伊琨4

（1.北京林业大学林学院，北京100083；2.中国水利水电科学研究院，北京100038；3.北京林业大学水土保持学院，北京100038；4.北京市土肥工作站，北京100029）

研究小水电代燃料工程对人工林生态系统的固碳效益的影响，是小水电代燃料工程生态效益和可持续性评价的重要内容。本文选取贵州省麻江县小水电代燃料工程项目区内常绿阔叶次生林、马尾松人工林和柏木人工林为研究对象，以立地条件相近的非项目区马尾松人工林和柏木人工林为对照，通过外业调查和实验室测定，对比分析了不同林分生态系统碳储量间的差异。结果如下：（1）项目区内马尾松和柏木人工林的乔木层、林下层和土壤层碳储量均大于各自对照林分，其中在乔木层上碳储量差异显著（P＜0.05）。（2）项目区内常绿阔叶次生林、马尾松和柏木人工林生态系统碳储量分别为153.70、88.25和36.69 Mg/hm2，其中次生林显著大于人工林，马尾松和柏木人工林均显著大于各自对照林分（P＜0.05）。研究表明：（1）小水电代燃料工程增加了人工林生态系统碳储量，提高了人工林生态系统的固碳效益。（2）研究区内的植被恢复具有较高的固碳潜力。

小水电代燃料工程；人工林；黔东南；固碳效益

1 研究背景

小水电代燃料（small hydropower substitutes fuel，SHSF）是为巩固退耕还林、天然林保护成果，解决农民燃料和农村能源、保护生态环境而实施的一项生态保护工程［1-3］。SHSF工程在提供当地农村居民廉价电能的同时，有效防止了对森林的破坏，特别是在生态脆弱地区保护了相对脆弱的人工林，达到了保护生态环境的目的［4-5］。目前小水电代燃料生态效益研究多集中于试点实践的介绍和总结等方面的定性描述［6-7］，定量研究多采用发电量或薪柴消耗减少量等来估算保护的森林面积及其生态效益［8］。一方面存在较大的估算偏差，同时忽略了林分是自然生命系统，若不被毁坏，其生物量和生态功能将动态增长这一事实［4，9］，导致SHSF工程对人工林生态效益包括固碳效益可能被低估。科学评价项目区森林植被特别是人工林生态固碳效益变化，是SHSF工程生态效益评价的重要内容，同时也是SHSF工程可持续性评价的重要组成部分。

本文以贵州省黔东南州麻江县宣威镇富江小水电代燃料工程为研究对象，选取了项目区内的马尾松人工林（Pinus massoniana）、柏木人工林（Cupressus funebris）和常绿阔叶次生林进行样地调查和室内实验分析，同时在项目区相邻区域选取相同造林时间及相似立地条件马尾松和柏木人工林作为对照，通过生物量异速生长方程估算不同林分生态系统（乔木层、林下层和土壤层）的碳储量，实际测算小水电代燃料项目区林分与对照林分碳储量的差别，为科学评价小水电代燃料工程对人工林生态系统固碳效益的影响提供依据。

2 研究区概况

研究区域位于107°18′—107°54′E，26°17′—26°37′N，属于北亚热带季风气候，湿润多雨，年平均气温14～18℃，年降水量1 346 mm，无霜期275d。土壤以红壤为主。植被主要为2005年左右营造的马尾松、柏木人工林，马尾松初值密度为1 600株/hm2，柏木初值密度为2000株/hm2，造林苗木均为1年。常绿阔叶次生林中植物主要属于大戟科（Euphorbiaceae）、山茶科（Theaceae）、壳斗科（Fagaceae）等。灌木多属于木犀科（Oleaceae）、蔷薇科（Rosaceae），草本多属于莎草科（Cyperaceae）、禾本科（Gramineae）和菊科（Asteraceae）等。

麻江县富江小水电站从2003年12月起启动小水电代燃料试点项目，至2006年12月正式运行并网发电，该项目工程共完成投资1 639万元。电源点属日调节坝后式电站，坝高7 m，设计水头6 m，正常蓄水位611.5 m，引用流量38.3 m3/s，总装机容量1 890 kW（代燃料容量3×500 kW）。项目区涉及宣威镇辖区内的富江、枫香、卡乌、翁东、光明、咸宁、翁保、罗伊村8村1 765户，是麻江县少数民族集中聚居地，也是麻江县退耕还林集中地区。

3 研究方法

3.1 样地调查与样品采集分析2014年7—8月，在项目区内（富江村、枫香村）选择林龄为10a的马尾松人工林、柏木人工林和常绿阔叶次生林各3块，同时，在项目区相邻未受代燃料项目影响的区域（龙江村、苗岭村），选择立地条件相近（坡度和海拔均相近、坡向为阳坡、成土母质均相同）的马尾松和柏木人工林作为对照（CK）。项目区内的常绿阔叶次生林因为风俗习惯等特殊原因的影响，被当地居民称为“风水山”，很少受到人为扰动，然而其它地区由于在过去长期受砍伐、采薪等活动的影响，很难找到保存完好的次生林，因此本文无次生林的对照林分。在各林分内布设20 m× 20 m的样方（3块）进行样地调查，测量记录样地基本信息和所有乔木的树高、胸径等指标，测量结果详见表1。根据计算的平均树高、胸径等确定标准样木，对选中的标准样木进行采样，分别采取干、枝、叶、根4个部分的样品，具体操作参照王伊琨等在该区域采用的采样方法［10］。在每个样地内按“S”形布设5个2 m×2 m的灌木样方，采用收获法采集灌木样品，同种方法布设5个1 m×1 m的样方采集草本和凋落物样品。在实验室将所采集的植物样品进行处理，85℃烘干至恒质量，灌木、草本和凋落物烘干后的恒质量即为其生物量。处理过程中植物样品均采用重铬酸钾—外加热法［11］测定其含碳率，每次测3组平行样，结果取平均值。研究区域土层较薄，采样过程中30 cm左右即出现母质层，因此按照0～10 cm，10～20 cm，20～30 cm分3层采集土样，土样经风干、去杂质和过筛（2 mm）等处理，测定土壤有机碳含量（方法同植物样品）。土壤密度采用环刀法进行测量［10］。

3.2 计算方法

3.2.1 植被碳储量测算方法基于异速生长方程估算林木生物量的方法已在许多研究中采用［12-13］。本次试验中，常绿阔叶次生林、马尾松人工林和柏木人工林生物量参照王伊琨等［10］在该区域已经采用的异速生长方程进行估算［14-16］。本研究通过异速生长方程估算乔木生物量，收获法测量灌木、草本和凋落物生物量，实验室实测各植物样品的含碳率，最终测算植被碳储量。

3.2.2 土壤碳储量测定方法如果某一土壤剖面由n层组成，那么该剖面的有机碳密度（SOC，kg/m2）为［17］：

式中：Ci为土壤有机碳含量；Di为土壤密度；Ei为土层厚度；Gi为直径大于2 mm的石砾的体积分数。

3.3 数据处理采用Excel2013和SPSS20.0软件对数据进行统计分析，不同林分乔木层、林下层、土壤层以及总生态系统碳储量的差异采用SPSS20.0软件的单因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan多重比较法进行检验（显著性水平取0.05），并使用Excel2013绘图。

4 结果与分析

4.1 SHSF工程对乔木层生物量与碳储量的影响实验测得，该区域马尾松不同组织器官含碳率为：叶（51.17%）＞干（49.33%）＞根（45.81%）＞枝（43.33%）；柏木为：根（45.59%）＞干（44.33%）＞枝（43.13%）＞叶（41.49%）；常绿阔叶次生林为：干（43.21%）＞根（41.33%）＞枝（41.28%）＞叶（40.13%）。表2为基于异速生长方程测算的项目区内及其对照林分的乔木层各器官生物量，将各器官生物量与实测含碳率相乘即得到乔木层碳储量（图1）。

图1 项目区内和对照林分的乔木层碳储量

表1 项目区内和对照的林分样地信息

（单位：Mg·hm-2）

表2 项目区内和对照林分的乔木层各器官生物量

由表2可以看出，在所有调查林分中，干生物量均显著大于枝、叶和根生物量（P＜0.05）。在MP和SF中，根生物量均显著大于枝和叶生物量（P＜0.05）。不同林分的对比中，次生林各器官生物量均显著大于人工林（P＜0.05）。同时，项目区内的人工林各器官生物量均显著大于各自对照林分（P＜0.05）。

由图1可以看出，在不同林分中，树干碳储量显著大于其他器官，分别占乔木层总量的85%（MP）、87%（CKM）、53%（WP）、47%（CKW）和61%（SF）。树干碳储量的积累决定了乔木层碳储量的增加［18］。柏木人工林中，叶碳储量占乔木层碳储量的21%（WP）和24%（CKW），比例远大于马尾松人工林和常绿阔叶次生林。MP乔木层碳储量显著大于CKM；同时，WP乔木层碳储量显著大于CKW（P＜0.05）。SF乔木层碳储量最大，为38.05 Mg/hm2，分别是MP和WP的1.4和5.0倍。

从乔木层生物量与碳储量的统计结果可以得出，项目区内人工林均大于各自对照林分，项目区内常绿阔叶次生林均大于人工林。

4.2 SHSF工程对林下层生物量与碳储量的影响柏木人工林在样地调查过程中均未发现凋落物，原因可能是柏木人工林乔木层郁闭度较低（低于其他两种林分），同时灌木和草本生长相对旺盛（WP中灌木层和草本层生物量均大于其他林分），导致凋落物产量较少且分解较快［19］。方差分析表明，灌木层上，项目区内人工林生物量显著大于各自对照林分（P＜0.05）。草本层上，WP生物量显著大于CKW。值得注意的是，MP草本层和凋落物层生物量均小于CKM，其中草本层差异显著，凋落物层差异不显著（P＞0.05）。总体上，项目区内人工林林下层生物量均大于对照林分。

由表3可以得出，SF林下层生物量和碳储量为最大，其次为WP，最小的为CKW。方差分析表明，灌木层上，项目区内人工林碳储量均大于对照，其中马尾松人工林差异不显著而柏木人工林差异显著（P＜0.05）。与生物量的比较结果相似，项目区内人工林林下层碳储量也均大于对照林分。

表3 项目区内和对照林分的灌木、草木和凋落物的物量和碳含量（单位：Mg·hm-2）

不同层次的对比中，灌木层碳储量占林下层比例最大，分别为75%（MP）、59%（CKM）、77%（WP）、79%（CKW）和68%（SF）。在SF、MP和CKM中，灌木层生物量和碳储量显著大于草本层和凋落物层（P＜0.05）。在WP和CKW中，灌木层生物量和碳储量只显著大于草本层（P＜0.05）。

4.3 SHSF工程对土壤碳储量的影响

4.3.1 SHSF工程对土壤有机碳含量的影响图2表明，在项目区内和对照林分中土壤表土层（0～10 cm）有机碳含量均为最高，随着土层深度的增加，有机碳含量不断降低。其中，MP表层分别是＞10～20 cm和＞20～30 cm土层的1.5和2.7倍，CKM表层分别是＞10～20 cm和＞20～30 cm土层的1.2和2.4倍。柏木人工林不同层次变化显著，WP表层是＞10～20 cm和＞20～30 cm土层的6.6和17.9倍，CKW表层含量达到＞10～20 cm和＞20～30 cm土层的7.6和16倍。导致这种差别的影响因素有很多，包括林分类型、气候条件和人为活动等［20］。

次生林土壤有机碳含量均显著高于人工林的对应土层（P＜0.05）。MP和WP在各土层有机碳含量均大于CKM和CKW，其中，0～10 cm土层差异显著，＞10～20 cm和＞20～30 cm土层差异不显著（P＞0.05）。MP和WP的土壤有机碳含量表现为在表层上接近，但在＞10～20 cm和＞20～30 cm土层上，MP显著高于WP（P＜0.05）。这种特征也表现在CKM和CKW的土壤有机碳含量的关系上。总体上，在0～30cm的土层，SF土壤有机碳含量约为马尾松人工林的2.1倍（MP）和2.7倍（CKM），为柏木人工林的3.8倍（WP）和4.8倍（CKW）。

图2 项目区内和对照林分土壤有机碳含量

4.3.2 SHSF工程对土壤有机碳密度的影响土壤有机碳密度在表土层（0～10 cm）最大，变化趋势与土壤有机碳含量相似，都随深度增加而减少（表4）。这主要是由于上层土层的生物归还量大，有机碳多积累在土层上部，这与已有的研究结果一致［21］。除MP外，人工林各层次间土壤有机碳密度均表现出显著差异（P＜0.05）。MP和SF在0～10 cm土层有机碳密度显著大于＞20～30 cm土层，与＞10～20 cm土层差异不显著（P＞0.05）。就整个土层而言（0～30 cm），SF土壤有机碳密度约为马尾松人工林的1.91倍（MP）和3.2倍（CKM），为柏木人工林的4.0倍（WP）和5.8倍（CKW）。不同森林生态系统的土壤有机碳密度与林分类型、气候条件、凋落物分解程度和人为活动有关［22］，由于项目区内的常绿阔叶次生林极少受人为干扰的影响，这种差异可能是由于不同的林分类型和人为干扰引起的。

表4 项目区内和对照林分的土壤有机碳密度（单位：Mg·hm-2）

方差分析表明，MP和WP在0～10 cm土层土壤有机碳密度均显著大于CKM和CKW（P＜0.05）。MP在＞10～20 cm土层土壤有机碳密度显著大于CKM，在＞20～30 cm土层上差异不显著（P＞0.05）。不同于马尾松人工林，在＞10～20 cm土层和＞20～30 cm土层上，WP和CKW土壤有机碳密度差异均不显著（P＞0.05）。次生林各土层土壤有机碳密度均显著大于人工林（P＜0.05）。可以看出，就整个土层而言（0～30 cm），项目区内人工林均大于各自对照林分。

4.4 SHSF工程对生态系统碳储量的影响森林生态系统碳储量包括植被碳储量和土壤碳储量，其中植被碳储量由乔木、灌木、草本和凋落物组成。将乔木层、林下层和土壤层碳储量相加，分别得到不同林分森林生态系统碳储量（图3）。SF，MP，CKM，WP和CKW生态系统碳储量分别为153.70，88.25，59.54，36.69和23.95 Mg/hm2。林分碳储量的分布均表现为土壤层（0～30 cm）＞乔木层＞林下层。森林碳库中林地土壤碳储量占有重要比重，已有关于中国森林碳贮量的研究表明［23］，土壤碳储量约是植被的3.4倍。土壤层碳储量占林分生态系统碳储量比例最大，在SF，MP，CKM，WP和CKW中分别占74.76%（114.91 Mg/hm2），67.97%（59.98 Mg/hm2），59.53%（35.45 Mg/hm2），77.79%（28.54 Mg/hm2）和82.17%（19.68 Mg/hm2）。

从图3可知，森林生态系统碳储量表现为SF＞MP＞CKM＞WP＞CKW。由于SHSF工程的影响，项目区内人工林生态系统碳储量均显著大于对照的林分（P＜0.05）。其中，MP较CKM生态系统碳储量高出48.22%（28.71 Mg/hm2）；WP较CKW高出53.19%（12.74 Mg/hm2）。SF生态系统碳储量分别是人工林的1.74（MP）和4.19（WP）倍，表明常绿阔叶次生林为当地较理想的碳库形态。

图3 项目区内和对照林分的生态系统总碳储量

本研究选取的项目区（富江村、枫香村）和非项目区（龙江村、庙岭村）在地理位置上十分接近（最远距离为2.7 km），家庭年收入等经济条件差距较小。根据走访调查，在SHSF工程启动前，该地区农户生活燃料都以薪柴为主，秸秆主要作为家禽饲料。该区域退耕还林的人工林均没有采取抚育管理措施，SHSF工程启动后，项目区内电力能源取代了薪柴，成为家庭生活主要能源，同时农户签订了不进行薪柴砍伐的协议，砍伐采薪等行为已十分少见。然而，非项目区农户由于没有解决生活能源问题，依然保留砍伐薪柴作燃料的习惯。造成这种差异的主要原因是实施SHSF工程降低了平均电价，更多的农户开始使用清洁无污染的电力能源代替薪柴能源。孙廷容等［2］的研究也表明SHSF工程会带动项目区用电量的增长。

小水电代燃料从源头上解决退耕还林区、天然林保护区、封山育林区、水土流失重点治理区农民的燃料问题，其主要效益是生态环境效益，其次才是经济效益［1］。许多研究结果表明，SHSF工程减少了砍柴采薪等行为，保护了森林资源免遭人为破坏［8］。同时，已有研究发现不同程度的人为干扰不但会对林分生物量造成影响，也会对地上植被、土壤碳储量造成不利影响，受采伐影响的生态系统碳储量均低于封禁的森林生态系统［24］。杜蕴慧等［9］通过森林单位蓄积量可吸收固化CO2值与减少薪柴消耗量的乘积估算SHSF工程的固碳效益；刘海锋等［25］通过生长单位体积木材需要吸收的CO2值与项目区林木平均生长速度的乘积估算固碳效益。与这些基于间接估算的方法测算SHSF工程固碳效益的研究相比，本研究采用了外业调查和实验分析的方法，减小了由于估算产生的误差。研究表明，SHSF工程提高了马尾松人工林生态系统碳储量为28.71 Mg/hm2，柏木人工林为12.74 Mg/hm2，采用造林成本法折合成CO2来计算［25］，由此带来的经济效益为：马尾松人工林2.75万元/hm2，柏木人工林1.22万元/hm2。

中国自实施退耕还林、天然林保护工程等生态环境保护工程以来，基本解决了农民吃饭、陡坡开荒和乱砍滥伐等毁坏森林资源的问题［26］，取得了一定的成效。然而，作为发展中国家，长期以来中国农村主要依靠生物质能（薪柴、秸秆）维持家庭基本生活［27］，农民通过砍柴、采薪等行为采集生活能源的问题仍然没有得到解决，这些行为严重影响到退耕还林、封山育林、天然林保护等生态工程取得成果的巩固［2］。SHSF工程能为农村居民提供廉价的电能，促进农户使用电能取代薪柴，减少了砍伐采薪行为，保护了森林资源；同时，解放了劳动力，提高了农民的收入水平。因此，在条件适合的区域开展SHSF工程，有利于减少乱砍滥伐等人为破坏森林资源行为，形成“以林涵水，以水发电，以电养水，以电护林”的良性循环［1］，促进人与自然的可持续发展。

5 结论

（1）研究表明，SHSF工程的实施增加了当地人工林生态系统碳储量，马尾松和柏木人工林分别增加了48.22%和53.19%。在乔木层中，SHSF工程减少了人为乱砍滥伐等行为，提高了乔木层的生物量与碳储量；在林下层和土壤层中，SHSF工程减少了人为活动对地表和植被的影响，碳储量均有明显增长。因此，SHSF工程对提高人工林生态系统固碳效益有积极作用。（2）SHSF工程项目区内，不同林分类型的森林生态系统碳储量表现为常绿阔叶次生林大于人工林，其中马尾松人工林大于柏木人工林。结果表明，本研究区内的人工植被恢复具有较高的固碳空间，同时，建议在当地的人工造林活动中应适当加入常绿阔叶乡土树种，可能会提高区域森林生态系统的碳汇效益。（3）由于缺少SHSF工程启动前当地的森林资源调查资料，因此选取了项目区相邻地区、相似立地条件的马尾松和柏木人工林作为对照研究，并不能做到与项目区内的人工林完全一致，存在一定的局限性。本研究建议在SHSF工程启动前做好项目区森林资源调查工作，有利于更准确地评价SHSF工程的生态效益及对区域森林生态的影响。

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Effect of small hydropower as a substitutes for fuel on carbon sequestration benefits in plantation ecosystem in southeastern Guizhou Province

LÜ Zhiyuan1，MA Zhijie2，ZHA Tonggang3，WANG Yikun4
（1.College of Forestry，Beijing Forestry University，Beijing100083，China；
2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing100038，China；
3.College of Soil and Water conservation，Beijing Forestry University，Beijing100038，China；
4.Beijing Soil and Fertilizer Station，Beijing100029，China）

Effect of small hydropower as a substitutes for fuel（SHSF）on plantation carbon sequestration plays important roles in ecological benefits and sustainability evaluation of the project.To investigate the dif⁃ferences of carbon stocks between the forest ecosystems，field sampling and laboratory test were conducted in three typical forest ecosystems within the project area in Majiang County，Guizhou Province.These forest ecosystems contain masson pine plantation（MP），wepping cypress plantation（WP）and secondary ever⁃green broad forest（SF）.The MP and WP outside of the project area were chosen as contrast check（CK）. The results are as follows：（1）carbon stocks of understory layer and soil layer in MP and WP are higher than the CK，respectively.The carbon stocks of tree layer in MP and WP are significantly higher than the CK respectively（P＜0.05）.（2）The carbon stocks in SF，MP and WP within the project area are 153.70，88.25 and 36.69 Mg/hm2,respectively.The carbon stocks are significantly higher in SF than the plantation，and carbon stocks of MP and WP are both significantly higher than the control plantation respectively（P＜0.05）.The results show that：（1）carbon stocks and carbon sequestration benefits of the plantation ecosys⁃tem are increased by SHSF，and（2）vegetation restoration has a high potential capacity of carbon seques⁃tration in the research area.

small hydropower substitutes fuel project；plantation；southeastern Guizhou province；carbon sequestration benefits

S718.55；TV212

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.05.013

1672-3031（2016）05-0392-08

（责任编辑：杨虹）

2015-12-22；

日期：2016-06-16

http://www.cnki.net/KCMS/detail/11.5020.tv.20160616.1119.004.html

国际科技合作专项（2012DFA60830）

吕志远（1990-），男，江苏盐城人，硕士生，主要从事土壤退化和生态恢复研究。E-mail：zhiyuan_lyu1990@163.com

查同刚（1973-），男，安徽六安人，博士，副教授，主要从事土壤退化和生态恢复研究。E-mail：zhtg73@bjfu.edu.cn