桂西北光皮桦人工林生态系统碳储量及其分布格局*

滕秋梅，刘俊，廖倩苑，何斌，李远航，舒凡

(广西大学 林学院，广西 南宁　530004)



桂西北光皮桦人工林生态系统碳储量及其分布格局*

滕秋梅，刘俊，廖倩苑，何斌，李远航，舒凡

(广西大学 林学院，广西 南宁530004)

森林生态系统碳储量是陆地森林生态系统碳库的重要组成部分，在全球碳循环和碳平衡中发挥着重要作用。本文采用样地测定方法对广西天峨县林朵林场12年生光皮桦人工林的碳素含量、储量及其空间分布格局开展了研究。结果表明，(1)光皮桦不同器官碳素含量为411.3～477.6g/kg，各器官碳素含量排序从大到小依次为干材、干皮、树根、树枝、树叶。灌木层碳素含量为455.4g/kg，草本层为427.2g/kg，凋落物层为427.1g/kg。0～80cm土层碳素含量为15.8g/kg，其中表土层(0～20cm)的碳素含量(31.0g/kg)明显高于其他土层。(2)光皮桦人工林生态系统碳储量为201.45t/hm2，其中乔木层为51.86t/hm2，占25.74%；灌木层为1.02t/hm2，占0.51%；草本层为0.51t/hm2，占0.25%；凋落物层为1.81t/hm2，占0.90%；土壤层为146.26t/hm2，占72.60%。(3)光皮桦12年生人工林年净生产力为11.22t/(hm2·a)，年净固碳量为5.06t/(hm2·a)，折合成CO2的量为18.56t/(hm2·a)。

光皮桦人工林；碳素含量；碳储量

森林生态系统作为陆地生态系统的主要组成部分，在维持全球碳平衡、调节全球气候等方面起着重要的作用[1～2]。人工林是森林的重要组成部分，科学地发展、利用和保护人工林，提高其生产力，对促进区域经济的可持续发展，以及生态环境的保护都具有重要的作用和意义。近年来，国内学者先后对中国一些人工林树种如马尾松〔Pinusmassoniana(Lamb)〕[3]、杉木〔Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook〕[4]、桉树(EucalyptusRobusta Smith)[5]、杨树(PopulusL.)[6]、马占相思(AcaciamangiumWilld.)[7]、秃杉(TaiwaniaflousianaGaussen)[8]等用材林以及荔枝(LitchichinensisSonn.)、龙眼(DimocarpuslonganLour.)等经济林[9]生态系统碳储量及其分配格局进行了研究，为正确评价森林生态系统碳汇功能提供了科学依据。

光皮桦(Betulaluminifera)为桦木科(Betulaceae)桦木属(Betula)落叶高大乔木，是中国特有的优良速生用材树种，主要分布于云南、贵州、四川和陕西等，具有适应性强、生长迅速、干形通直、材质优良和用途广泛等特性，经济效益和生态效益较高，因而具有广阔的发展前景[10]。自20世纪80年代以来，中国学者先后对光皮桦的生物学及生态学特性、种群演变规律、育苗及造林技术、生长规律以及混交效益等方面进行了研究[10～13]。本文以广西西北部天峨县林朵林场12年生光皮桦人工林为研究对象，通过对该人工林碳素含量、储量和碳素年净固定量及其分布格局的研究，以期揭示该区域光皮桦人工林固碳特性，为正确评价该区域人工林生态系统碳储量和固碳潜力提供基础数据。

1　材料与方法

1.1研究区概况

研究区位于广西西北部天峨县林朵林场立兴分场(107°16′E，24°55′N)，海拔600～650m，年均温19.9℃，年均降水量1 370mm，属中亚热带季风气候。试验地土壤为二迭纪灰绿砂页岩发育而成的山地黄红壤，土层厚度80cm以上。前茬为杉木纯林，于2000年4月用光皮桦实生苗营造，初植密度1 250株/hm2，株行距2m×4m。2012年12月底调查时林分生长特征见表1。林下灌木主要有盐肤木(Rhuschinenesis)、毛桐(Mallotusbarbatus)、杜茎山(Maesajaponica)等，草本主要有五节芒(Miscanthusfloridulus)、粗叶悬钩子(Rubusalceaefolius)和龙须草(Eulaliosisbinata)等。凋落物层厚度2～3cm。

表1　光皮桦人工林生长特征

1.2研究方法

1.2.1标准地设置和林分生物量测定

在立地条件相似、生长中等的12年生光皮桦人工林内设置3块面积400m2(20m×20m)的标准样地，测定各样地林木树高、胸径和冠幅等生长因子。分别在各样地选取1株平均木，树木伐倒后，地上部分采用Monsic分层切割法分别收集树叶、树枝、树干和树皮；地下部分采用全根挖掘法收集[13]。测定各器官鲜质量后，采集不同器官样品带回实验室测定含水率和干质量，计算乔木层生物量；同时在各标准样地内设置5个1m×1m样方，先用样方法收割和称量灌木和草本层地上部分鲜质量,然后挖掘、收集和称量样方地下灌木和草本的根[14]；凋落物层则收集和称量样方内凋落物鲜质量,同时取样测定其含水率和干质量，计算灌木层、草本层和凋落物层的生物量。

1.2.2样品采集及其碳素含量的测定

分别采集林木各器官、灌木层、草本层和凋落物层的样品，经烘干、粉碎、过筛、装瓶后待测。同时在各标准地中分别设置3个代表性土壤剖面，以每20cm为一层，采集0～80cm深度的4层土壤样品，同一标准地相同土层样品混合后取约1kg，放置室内自然风干，粉碎过筛后装瓶。同时用不锈钢100cm3环刀采集各土层原状土壤，用环刀法测定土壤容重。

植物和土壤样品碳素含量均用重铬酸钾氧化-外加热法测定[15]。

1.2.3数据处理

植物碳储量(t/hm2)=植物生物量(t/hm2)×植物碳素含量(g/kg)÷1000；土壤碳储量(t/hm2)=面积(m2)×土层厚度(cm)×土壤容重(g/cm3)×有机碳含量(g/kg)÷1000;乔木层各器官年净固碳量〔t/(hm2·a)〕=乔木层各器官年平均生物量(t/hm2)×各器官碳素含量(g/kg)÷1000，其中乔木层各器官年平均生物量中除树叶按其生长时间2a计算外，其他器官均按林分年龄即12年计算。

利用Excel 2003软件进行常规数据处理，应用SPSS 17.0进行统计分析。

2　结果与分析

2.1不同结构层次碳素含量

从表2可以看出，光皮桦人工林各器官碳素含量在411.3～477.6g/kg之间，平均含量为458.4g/kg。各器官碳素含量表现为干材>干皮>树根>树枝>树叶。

表2　光皮桦各组分碳素含量

注: *经各组分生物量或各土层重量加权平均。

光皮桦人工林灌木层、草本层和凋落物层碳素含量分别为455.4g/kg、427.2g/kg和427.1g/kg。林分不同结构层次(不包含凋落物层)碳素含量以乔木层最高，其次是灌木层，草本层最低，即随植物个体高度或者组织木质化程度降低，其碳素含量也随之下降。

光皮桦人工林土壤有机碳含量明显低于林分其他结构层次，且表现出随土层加深而明显下降的趋势。由于该林分凋落物较丰富，且主要以容易分解的树叶为主，凋落物和植物根系分解所形成的有机碳主要聚集在表层土壤，从而造成0～20cm土层有机碳含量(31.0g/kg)明显高于土壤其他土层(5.8g/kg～15.3 g/kg)，随着土层加深，相邻土层间的差异逐渐减少。

2.2碳储量及其分配

光皮桦人工林生态系统碳储量包括乔木层、灌木层、草本层、凋落物层和土壤层碳储量。

表3　光皮桦人工林生态系统碳储量及其分配

从表3可知，光皮桦人工林生态系统总碳储量为201.45t/hm2，其中乔木层碳储量51.86t/hm2，占总碳储量的25.74%；灌木层碳储量1.02t/hm2，占0.51%；草本层碳储量0.51/hm2，占0.25%；凋落物层碳储量为1.81t/hm2，占0.90%；林地土壤(0～80cm)层碳储量146.42t/hm2，占72.60%。乔木层中各器官碳储量所占比例，与其生物量所占比例相对应，其中树干的生物量最大，其相应的碳储量也最大，占乔木层碳储量的59.01%；其次是树根、树枝和干皮，它们的碳储量依次占乔木层碳储量的14.54%、12.48%和10.59%；树叶最少，仅占3.39%。林地土壤是森林生态系统中极其重要的碳储库，在平衡大气的CO2中有着重要作用。光皮桦人工林0～80cm土壤碳储量为146.26t/hm2，不同土层碳储量随土层加深而减少，其中0～20cm土层有机碳储量占土壤层碳储量的45.32%，20～40cm、40～60cm和60～80cm土层依次占26.33%、17.12%、11.22%。

2.3乔木层碳素年净固定量的估算

本文以乔木层碳素年净固定量进行光皮桦人工林生态系统同化CO2能力的估算。从表4可以看出，12年生光皮桦人工林年净生产力为11.22t/(hm2·a)，年净固碳量为5.06t/(hm2·a)，折合成CO2固定量18.56t/(hm2·a)；林木各器官中年净固碳量以干材最大，占总年净碳固定量的50.40%，最小是干皮，其年净固碳量〔0.46t/(hm2·a)〕仅占9.09 %。

表4　光皮桦人工林乔木层碳素年净固定量

3　结论与讨论

3.1结论

光皮桦林木各器官碳素含量在411.3～477.6g/kg之间，不同器官碳素含量由大到小次序为干材、干皮、树根、树枝、树叶。林分中不同结构层次植物碳素含量大小为乔木层>灌木层>草本层。林地土壤中0～20cm土层碳素含量明显高于其他土层，同时随土层加深土壤中碳素含量呈现明显的下降趋势。

光皮桦12年生人工林生态系统碳储量为201.45t/hm2，其中乔木层碳储量占生态系统碳储量的25.74%；灌木层、草本层、凋落物层和林地土壤层碳储量分别占0.51%、0.25%、0.90%和72.60%。乔木层中各器官碳储量所占比例，与其生物量所占比例相对应，其碳储量由大到小依次为树干、树叶、树根、树枝和干皮。

光皮桦12年生人工林乔木层净生产力为11.22t/(hm2·a)，年净固碳量为5.06t/(hm2·a),折合成CO2为18.56t/(hm2·a)，林木不同器官年净固碳量以干材最大，其次是树叶、树根和树枝，最小是干皮。

3.2讨论

由于不同树种的生物生态学特性的差异，不同树种的碳素含量及其在各器官中的分布会存在一定的差异。本研究中光皮桦各器官碳素平均含量(458.4g/kg)介于目前进行森林生态系统碳库估算而计算植被碳库时干物质按450g/kg[16]与500g/kg[17]转换率之间，其不同器官中碳素含量的排列次序与马尾松[3]、杉木[4]、秃杉[8]等树种不完全一致，反映了不同树种碳素累积与分布特性的差异。

据报道，中国森林年碳素净固定量平均值为5.54t/(hm2·a)，其中落叶阔叶林平均值为4.60t/(hm2·a)[16]，本研究相近区域的广西南丹县山口林场11、14年生杉木和秃杉人工林乔木层年净固碳量分别为2.82t/(hm2·a)、3.29t/(hm2·a)和3.82t/(hm2·a)、4.64t/(hm2·a)[8,18～19]。广西凭祥市[20]和云南景洪市[21]13年生西南桦人工林乔木层碳素年净固定量分别为2.20t/(hm2·a)和3.99t/(hm2·a)。表明桂西北光皮桦人工林具有较强碳吸存能力。由于光皮桦人工林成熟期一般在20年以上，而本研究的12年生光皮桦林还处速生阶段，其碳汇潜力还较大。因此，要准确反映该区域光皮桦人工林的固碳能力，还有待于进一步研究。光皮桦人工林兼具涵养水源、维持地力等功能[22]，可见光皮桦不仅是中国优良速生乡土用材林树种，也是高效的生态公益林树种。而在桂西北合理经营和发展光皮桦人工林，增强其人工林的碳汇功能，维护生态环境，提高人工林的经济和生态效益都具有极其重要的作用和意义。

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Carbon Storage and Distribution of Betula luminifera Plantation in Northwest Guangxi

TENG Qiu-mei,LIU Jun,LIAO Qian-yuan,HE Bin,LI Yuan-hang,SHU Fan

(Forestry College of Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，P.R.China)

Forest ecosystem carbon storage is an important part of the carbon pool of terrestrial forest ecosystem,and plays an important role in the global carbon cycle and carbon balance.In this paper，the content,storage and distribution of carbon in 12-year-oldBetulaluminiferaplantation were investigated through biomass harvesting in Linduo Forestry Farm of TianE County,Guangxi Province.The results showed：1)Carbon content in different organs ofB.luminiferatrees ranged from 411.3 g/kg to 477.6 g/kg,which was in order as stem>bark>root>branch>leaf.The carbon content in shrub,herb,litter floor were 455.4 g/kg,427.2 g/kg and 427.1 g/kg，respectively.Carbon content in the soil(0～80 cm)was 15.8 g/kg,of which the carbon content of the top soil(0～20 cm) significantly higher than the other layers;2) The total carbon storage inB.luminiferaplantation ecosystems amounted to 201.45 t/hm2.The tree-storey stored 51.86 t/hm2with 25.74% of the whole，the under-storey stored 1.53 t/hm2with 0.76%，the litter floor 1.81 t/hm2with 0.90%，and soil stored 146.26 t/hm2with 72.60%; 3) The annual net productivity ofB.luminiferatrees was 11.22 t/(hm2·a),and annual net carbon fixation was up to 5.06t/(hm2·a),amounted 18.56 CO2t/(hm2·a).

Betulaluminiferaplantation；carbon content；carbon storage

2015-09-18

国家自然科学基金项目(31160152) 和广西“十一五”林业科技项目(桂林科字2009[08])。

滕秋梅(1991-)，女，硕士研究生，主要从事森林生态研究。E-mail：1037014105@qq.com

简介：何斌(1962-)，男，研究员，主要从事森林生态学和森林培育学研究。E-mail：hebin8812@163.com

S 718.55

A

1672-8246(2016)04-0119-05

doi:10.16473/j.cnki.xblykx1972.2016.04.020