速生阶段西南桦人工林碳贮量及其分布格局

黄弼昌，何 斌 ，周燕萍，何纾敏 ，廖倩苑 ，李远航 ，舒 凡

（1.广西天峨县林朵林场，广西 天峨 547300；2. 广西大学，广西 南宁 530004）

速生阶段西南桦人工林碳贮量及其分布格局

黄弼昌1，何 斌2，周燕萍1，何纾敏2，廖倩苑2，李远航2，舒 凡2

（1.广西天峨县林朵林场，广西 天峨 547300；2. 广西大学，广西 南宁 530004）

西南桦是我国热带、南亚热带地区的速生、珍贵用材树种，具有重要的生态和经济价值，本研究对广西天峨县林朵林场速生阶段（12年生）西南桦人工林的碳素含量、贮量及其空间分布格局进行了研究。结果表明：（1）西南桦不同器官碳素含量为443.5～475.3 g/kg，各器官碳素含量排序从大到小依次为干材、树枝、树根、树叶、干皮。灌木层、草本层和凋落物层碳素含量分别为442.6、427.8和450.3 g/kg。土壤（0～80 cm）中碳素含量为15.04 g/kg ，其中表土层（0～20 cm）的碳素含量明显高于其他土层；（2）西南桦人工林碳素总贮存量为202.41 t/hm2，其中乔木层为57.13 t/hm2，占28.22%；灌木层为1.04 t/hm2，占0.51%；草本层为0.80 t/hm2，占0.40%；凋落物层为1.92 t/hm2，占0.95%；土壤层为143.44 t/hm2，占70.87%；（3）12年生西南桦人工林年净生产力为 10.20 t/(hm2·a)，碳素年净固定量为 4.77 t/(hm2·a)，折合成 CO2的量为 17.49 t/(hm2·a)。

西南桦人工林；碳素含量；碳贮量；碳分配

森林是地球陆地生物圈的主体，森林生态系统在调节全球气候、维持全球C平衡，减缓大气中CO2等温室气体浓度上升等方面具有重要的作用[1-3]。人工林作为森林的重要组成部分，科学地发展、利用和保护人工林，提高生产力，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。目前，我国人工林保存面积达到6 200万hm2，居世界人工林面积首位，约占我国森林总面积的三分之一，成为我国森林碳汇的主要来源。此外，由于多数林分处于幼、中龄阶段，还具有较大的碳汇潜力。近年来，国内已有不少学者对我国一些人工林树种如杉木Cunninghamia lanceolata[4-5]、马尾松Pinus massoniana[6]、杨树poplar[7]、落叶松Larix gmelinii[8]、桉树Eucalyptus[9]马占相思Acacia mangium[10]和厚荚相思Acacia crassicarpa[11]等人工林生态系统碳贮量及其分配格局进行了研究，为正确评价森林尤其是人工林碳汇功能和生态效益提供了科学依据。

西南桦Betula alnoides为桦木科桦木属落叶乔木，主要分布于云南、广西、贵州和四川等地，树体高大、干形通直，材质细致优良，并具有适应性强、生长迅速、干形通直、材质优良、用途广泛、经济效益和生态效益好等特性，有着广阔的发展前景[12-13]。目前我国西南桦栽培面积已超过16.0万 hm2，且继续呈现良好的发展势头，成为我国热带、南亚热带地区重点发展的营造速生丰产林树种和珍贵及乡土树种之一。并取得了良好的经济效益和生态效益。国内外关于西南桦人工林的研究始于20世纪70年代末，随着西南桦人工林的逐步发展，有关西南桦的相关研究逐渐增多，从早期的资源调查、引种驯化、播种育苗和造林技术等方面研究逐步发展到近年来良种选育和高效栽培以及木材利用技术等[14-15]。广西西北部即桂西北是西南桦重要分布区之一，本文通过对广西西北部天峨县林朵林场12年生（中林龄）西南桦人工林碳素含量贮存量和碳素年净固定量的研究，试图揭示该区域西南桦人工林生固碳特性，为正确评价该区域人工林生态系统碳贮量和固碳潜力提供基础数据和科学依据。

1 试验地概况

试验地位于广西天峨县林朵林场立兴分场，属亚热带季风气候。年平均气温20.9℃，年平均积温7 475.2℃，平均日照时数为1 232. 2 h，年平均降水量1 253.6 mm，年平均无霜期336 d。地貌类型以低山为主，海拔620～650 m，土壤为砂页岩发育而成的黄红壤，土层深厚，林地大部分土壤厚度70～100 cm，其中腐殖质层约15～20 cm，土壤质地为壤土或轻壤土，结构较疏松，土壤（0～40 cm）pH值4.52，有机质、全氮和全磷质量分数分别为24.71 g/kg、0.92 g/kg和0.24 g/kg，水解氮、速效磷和速效钾含量分别为85.2 mg/kg、0.83 mg/kg和 48.9 mg/kg。

试验地前作为杉木Cunninghamia lanceolata纯林，于1999年秋季砍伐后进行人工整地，定点挖坎，规格为40 cm×40 cm×30 cm，2000年4月用西南桦裸根实生苗造林，造林密度 1250 株/hm2（株行距2 m× 4 m）。栽植后前3年即2000 ～2002年分别在5～6月、9～10月进行2次铲草抚育，第四年即2002 年6月进行1次卫生清理（铲草抚育）。2012年12调查时12年生林分保留密度为1 060株/hm2，林分平均树高为16.2 m， 平均胸径（带皮）为16.8 cm。林下灌木主要有盐肤木Rhus chinenesis、鸭脚木Alstonia constricta等，草本植物主要有五节芒Miscanthus fl oridulus、粗叶悬钩子Rubus alceaefolius和龙须草Eulaliosis binata等。凋落物层厚度约2 cm。

2 研究方法

2.1 植物样品采集和碳素含量测定

在12年生西南桦人工林内设置3个代表性标准样地，面积为 20 m×20 m，对标准样地内林木进行每木检尺，测定标准地内各样株的树高、胸径、冠幅等因子。在每块标准地内选取1株代表林分生长状况的平均木，树木伐倒后，地上部分采用Monsic分层切割法，分别收集树干、树皮、树枝、树叶。地下部分（根系）采用全根挖掘法，分根桩、粗根（直径≥2. 0 cm ） 、中根（直径0. 5～2 cm） 和细根（直径＜0. 5 cm ） 。先在野外测定各组分鲜重，然后采集不同组分样品200～300 g，同时在各标准样地内设置5个1 m×1 m样方，采用样方收获法测定灌木层、草本层的地上和地下部分生物量，以及凋落物层（包括未分解和半分解凋落物） 的现存量，采集样品和乔木样品一起带回实验室在80℃ 恒温下烘至恒重，计算各不同结构层次植物样品的生物量，并采用重铬酸钾氧化–外加热法测定碳素含量[16]。

2.2 土壤样品采集与有机碳含量的测定

在各标准地中分别设置3个代表性土壤剖面，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～80 cm采集各层土壤样品，把相同标准地同一层次土壤按质量比例混合，用四分法取样约1 kg并带回实验室，于室内自然风干和粉碎过筛后用重铬酸钾氧化–外加热法测定土壤有机碳含量[16]。同时用100 cm3环刀采集原状土壤，于实验室内用环刀法测定土壤密度。

2.3 碳贮量和乔木层碳素年净固定量的计算

根据植被层不同结构层次和组分生物量乘以其碳素含量即可得到各组分的碳贮量。土壤碳贮量则是各土层碳素（有机碳）含量、密度及厚度三者乘积之和。人工林碳素总贮存量为各结构层次即乔木层、灌木层、草本层、凋落物层和土壤层碳贮量之和。乔木层碳素年净固定量为乔木层各器官年平均生物量和其相应的碳素含量乘积推算而得。

3 结果与分析

3.1 西南桦人工林不同结构层次碳素含量

从表1 可以看出，西南桦各器官碳素含量在443.5～475.3 g/kg 之间，平均含量为466.7/kg。各器官碳素含量表现为干材＞树枝＞树叶＞树根＞干皮，但不同器官碳素含量的差异不显著（P＞0.05）。考虑到西南桦不同组分生物量分配中干材占主体，树皮和树根所占比例均较低，因此从整体来看，表现为地上部分碳素含量高于地下部分。由于乔木层生物量分配中树叶、树枝、干材和干皮地上部分。

表1 西南桦各器官碳素含量†Table 1 Carbon content in different component of B. alnoides

从表2可见，西南桦人工林草本层、灌木层和凋落物层的碳素含量分别为442.6 g/kg、427.8 g/kg和450.3 g/kg，其中草本层和灌木层均表现为地上部分碳素含量高于地下部分，与乔木层碳素含量的分配规律相一致。从林分整体来看，不同结构层次碳素含量表现为乔木层＞灌木层＞草本层，这可能与不同结构层次植物个体高度或组织木质化程度的不同而导致其碳素含量存在差异有关。

西南桦人工林土壤有机碳含量明显低于人工林其他结构层次，且表现出随土壤深度增加而明显下降的趋势。由于西南桦人工林凋落物较丰富，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0～20 cm土层有机碳含量（31.67 g/kg）明显高于土壤其他土层（6.72 g/kg～15.83g/kg）和整个土壤层平均碳素含量（15.04 g/kg），而随着土壤深度的增加，相邻土层间的差异逐渐减少。

表2 林下植被及土壤中碳素含量Table 2 Carbon content in under storey plants and soil

3.2 西南桦人工林碳贮量及其分配

西南桦人工林碳素总贮量包括乔木层、灌木层、草本层、凋落物层和土壤层碳贮量。从表3可见，西南桦人工林总碳贮量为202.41 t/hm2，不同结构层次碳贮量空间分配为：乔木层57.13 t/hm2，占总量的28.22 %；灌木层1.04 t/hm2，占总量的0.51%；草本层0.80 t/hm2，占总量的0.40%；凋落物层为1.92 t/hm2，占总量的0.95 %；林地土壤（0～80 cm）层143.44 t/hm2，占总量的70.87%。乔木层作为森林生态系统重要组成部分，其碳贮量在不同器官的分配，与各器官的生物量成正比例关系（表3），其主体部分即树干的生物量最大，其相应的碳贮量（32.89 t/hm2）也最大，占乔木层碳贮量的57.57%；其次是树根（8.71 t/hm2）、树枝（7.41 t/hm2）和干皮（6.06 t/hm2），它们的碳贮量依次占乔木层碳贮量的15.25 %、12.97%和10.61 %；树叶（2.05 t/hm2）最少，仅占乔木层碳贮量的3.59 %。林地土壤作为森林生态系统极其重要的碳贮存库，在平衡大气的CO2有着重要作用。西南桦人工林土壤（0～80 cm）有机碳贮存量为 143.44 t/hm2，随土层加深而急剧减少，其中0～20 cm土层有机碳贮量（62.07 t/hm2）占土壤层碳贮量的43.27%，分别是20～40、40～60和60～80 cm土层的1.90、2.34和3.42倍。

3.3 西南桦人工林乔木层碳素年净固定量的估算

由于本研究中乔木层生物量和碳贮量所占整个西南桦人工林生态系统的比例占绝大部分，林下植被层的生物量和碳贮量所占整个西南桦人工林生态系统比例均较少，因此本文仅以乔木层碳素年净固定量进行生态系统则同化CO2的能力的估算。从表4可以看出，12年生西南桦人工林乔木层年净生产力为10.20 t/(hm2·a)，年净碳固定量为4.77 t/(hm2·a)，折合成CO2固定量为17.49 t/(hm2·a)。在林木各器官的碳素年净固定量的分配中，以干材最大，其年净固碳量（2.74 t/(hm2·a)）占总碳素年净固定量的57.44%，最小是树叶，其年净固碳量（0.37 t/(hm2·a)）仅占3.56 %。

表3 西南桦人工林生态系统碳素贮量及其分配Table 3 Carbon storage and spatial distribution in B.alnoides plantation ecosystem

表4 西南桦人工林乔木层碳素年净固定量Table 4 Annual net carbon fixation of tree in B. alnoides plantation

4 结论与讨论

西南桦各器官中碳素含量范围在443.5～475.3 g/kg 之间，平均含量为466.7 g/kg，略低于杉木[4]、马尾松[6]、桉树[8]和秃杉[17]等树种平均碳素含量，介于目前对森林生态系统碳进行估算时多数研究计算植被有机碳时干物质按450 g/kg[18-19]与500 g/kg[20-21]转换率之间。西南桦不同器官碳素含量的变化趋势为干材＞树枝＞树叶＞树根＞干皮，与杉木[4]、马尾松[5]、马占相思[9]厚荚相思[10]、秃杉[17]等树种各器官碳素含量的排列顺序存在一定差异，反映了不同树种碳素累积与分配特点，这可能与各树种所具有的不同生理和生态特性存在一定差异有关。

12年生西南桦人工林生态系统碳素贮量为141.05 t/hm2，其中植被层碳贮量为58.97 t/hm2，明显高于王绍强等[19]对热带亚热带针叶林植被部分平均碳贮量水平51.73 t/hm2和周玉荣等[21]对落叶阔叶林碳贮量平均水平53.60 t/hm2(碳素含量均以45 %计)的估算，略低于王绍强等[19]对亚热带常绿阔叶林碳贮量平均水平61.05 t/hm2，也均高于相近区域广西南丹县山口林场14年生的杉木和秃杉人工林碳贮量（39.78 t/hm2和57.35 t/hm2）[19,22]，以及广西凭祥市和云南景洪市13年生西南桦人工林碳贮量（30.02 t/hm2和42.18 t/hm2），由于西南桦成熟期在20年生以上，本研究中西南桦年龄仅为12年，因此还将具有较大的碳贮量增长潜力。

本研究区西南桦人工林土壤较深厚，平均厚度约80 cm，土壤（0～80 cm）总有机碳贮量为143.44 t/hm2，明显高于我国热带林(116. 49 t/hm2)土壤平均碳贮量，也高于略相近区域广西南丹县山口林场14年生的的杉木和秃杉人工林土壤碳贮量（122.06 t/hm2和135.14 t/hm2），但低于我国森林土壤平均碳贮量( 193. 55 t/hm2)和世界土壤平均碳贮量(189. 00 t/hm2)[22]。与其他热带树种人工林相似，西南桦人工林0～20 cm土层有机碳贮量明显高于其它土层，占整个土壤层（0～80 cm）有机碳贮量的43.27 %，占整个生态系统碳贮量 %，可见其在整个生态系统碳贮量中贡献较大，由于西南桦主要适生于低山和高丘，一般坡度较大，土壤较脆弱，任何引起水土流失的活动如炼山、整地等都很容易导致林地尤其是山地土壤碳素损失。

12年生西南桦人工林乔木层净生产力为10.20 t/(hm2·a)，其碳素年净固定量为 4.77 t/(hm2·a)，折合成CO2为17.49 t/(hm2·a)。研究表明，相近区域广西南丹县山口林场11和14年生杉木人工林乔木层碳素年净固定量分别为2.39 t/(hm2·a)和3.29 t/(hm2·a)[23]，相同林分年龄的秃杉人工林和秃杉人工林相应为 4.30 t/(hm2·a)和 4.64 t/(hm2·a)[17]；湖南会同速生阶段（11年生）杉木人工林为3.124 t/(hm2·a)[4]；广西凭祥市[24]和云南景洪市[25]13年生西南桦人工林乔木层碳素年净固定量分别为2.20 t/(hm2·a)和 3.99 t/(hm2·a)；我国落叶阔叶林平均 4.60 t/(hm2·a)；中国森林平均值为 5.54 t/(hm2·a)。由此可见，西南桦人工林的碳素固定速度较快，而由于本研究中西南桦人工林处于速生阶段，还具有较大的碳汇潜力，加上西南桦人工林生物多样性较丰富，并兼具涵养水源、维持地力等功能。因此，西南桦不仅是热带、南亚热带地区速生珍贵用材树种，同时也是碳汇功能高效的生态公益林树种。

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Carbon storage and distribution of Betula alnoides plantation at fast growing stage

HUANG Bi-chang1, HE Bin2, ZHOU Yan-ping1, HE Shu-min2, LIAO Qian-yuan2, LI Yuan-hang2, SHU Fan2
(1. Linduo Forset Farm of Tiane County, Tiane 547300, Guangxi, China; 2. Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China)

Betula alnoidesis a species with fast growth and high-quality timber, which is distributed in tropical, warm sub-tropical zones in China. It is of great ecological and economic value. The content, storage and distribution of carbon inB. alnoidesplantation at fast growing stage(12-year-old) were investigated in Tiane Linduo forestry farm of Guangxi, China. The results showed that carbon content in different organs ofB. alnoidestrees ranged from 443.5 g/kg to 475.3 g/kg, which was in order as follow: stem＞branch＞root＞leaf＞bark. The carbon content in shrub, herb, litter fl oor were 442.6.9 g/kg, 427.8 g/kg and 450.3 g/kg, respectively. Carbon content in the soil（0 ～ 80）was 15.04 g/kg, and the surface soil（0 ～ 20 cm） was obviously higher than that of other soil. The total carbon storage inB. alnoidesplantation ecosystems amounted to 202.41 t/hm2, of which overstorey ofB. alnoidestrees stored 57.13 t/hm2and accounted for 28.22%, and under-storey plant stored 1.84 t/hm2and accounted for 0.91%，and litter fl oor 1.92 t/hm2and accounted for 0.95%, and soil stored 143.44 t/hm2and accounted for 70.87%. The annual net productivity ofB. alnoidestrees was 10.20 t/(hm2·a), and annual net carbon fi xation was up to 4.77 t/(hm2·a), amounted CO2to 17.49 t CO2t/(hm2·a).

Betula alnoidesplantation; carbon content; carbon storage; carbon distribution

S718.55

A

1673-923X(2016)02-0079-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.02.015

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-06-30

国家自然科学基金项目（31160152）；广西“十一五”林业科学研究项目（桂林科字[2007]第15号）

黄弼昌，工程师

何 斌，教授；E-mail：hebin125@sina.com

黄弼昌，何 斌，周燕萍，等. 速生阶段西南桦人工林碳贮量及其分布格局[J].中南林业科技大学学报, 2016,36(2):79-83.

[本文编校：吴 彬]