内蒙古东部区不同林龄油松人工林的固碳特征

唐学君，查印水，汤序军，郭含茹，张旭东

(1.国家林业和草原局 华东调查规划设计院，浙江 杭州 310019；2.中国林业科学研究院 林业研究所/国家林业和草原局 林木培育重点实验室，北京 100091)

内蒙古作为我国北疆的重要生态安全屏障，近年来进一步加快了人工林的营造进程。由于油松的根系发达、枝叶茂盛、水土保持能力强，又具有耐旱、耐寒和对土壤肥力要求不高等特性，成为了北方地区人工造林的主要树种之一[1]。目前，不同气候分布区的油松人工林固碳功能及其维持机制方面的研究还不够完善，特别是对主要人工林的固碳计量参数和固碳功能方面的研究还需要加强。林龄作为林分特征中的一个重要因子，对人工林的固碳功能具有重要影响。关于人工林固碳功能的研究涉及范围较广，积累了较多的数据研究成果，但不同林龄的人工林固碳功能特征研究还不够完善，特别是在区域森林生态系统服务功能评估中和林业温室气体清单编制中等都缺乏相关的固碳计量参数，因此需要进一步完善不同人工林树种的固碳特征基础数据库。本研究以不同林龄的油松人工林为研究对象，分析了不同植物器官组成以及不同土壤深度处的碳含量变化特征，为揭示油松人工林的固碳维持机制提供数据基础和科学依据。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古赤峰地区的旺业甸林场和城郊林场，旺业甸林场地理坐标为41°20′～41°40′ N，118°10′～118°29′ E，地处燕山山脉北麓的七老图山支脉，平均海拔1120 m；城郊林场地理坐标为42°13′～42°21′ N，118°45′～119°03′ E，平均海拔高度634 m，该区域的地带性土壤为典型棕壤，也包括一些其他非地带性土壤类型。研究区气候类型属于海洋性气候向大陆气候的过渡带，平均年降水量523 mm，70%的降水量集中在6～9月，年日照时数2900～3050 h。研究区植被种类丰富，以人工林和通过封山育林形成的次生林为主，森林覆盖率达80%以上。主要林分类型有油松(Pinustabuliformis)人工林、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林、白桦(Betulaplatyphylla)天然次生林、黑桦(Betuladahurica)天然次生林等。

2 研究方法

于2017年7～9月进行野外样地调查，通过空间代替时间的方法在研究区内选择不同林龄的油松人工林样地，林分平均年龄分别为8、28、35、43年，每块样地的面积为30 m×30 m，共调查样地32块。样地选择的具体标准为典型油松人工纯林样地，且每块样地的林分密度、立地类型、植被组成等相近，尽量以林分年龄作为比较因素，同时记录每块样地的位置、海拔、坡度、郁闭度、土壤组成、林分平均高、郁闭度、枯落物厚度、林下植被组成等基本情况。对每块样地内的树木进行每木检尺，经计算后选取标准木2～3株伐倒，将全部枝叶剪下统一称量其重量，记录枝叶总鲜重。并在其中选择1枝大小适中的标准枝，将其枝叶分离后分别称量其枝和叶的重量，记录叶鲜重和枝鲜重。并将标准木从树干基部开始分别在0、0.5、1.3、1.5、2.5、3.5 m等处截取3～5 cm厚的圆盘(用于树木的生长曲线分析)，然后将截断的树干逐段称重，之后累加得树干总鲜重。同时，挖出伐倒木的地上根桩和地下根系，称量其全部根的鲜重。分别抽取标准木各器官的样品2份，每份200 g左右装入牛皮纸袋，带回实验室做植物碳含量分析，另1份装入信封后用天平称量其质量，记录后带回实验室做含水量测定用于计算整株树木不同组分的干重，在此基础上构建油松人工林的生物量方程，然后通过每木调查的数据估算乔木层的碳储量。在样地内挖掘1 m×1 m的土壤剖面，深度为100 cm，不够100 cm时至基岩为止。对土壤剖面拍照，然后按照0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm分层，并用土壤环刀在各层采集土样(每层3个重复)，然后在天平上称量记录；在对应土层上用土壤布袋取约300 g左右土样，带回实验室做土壤有机质含量分析。将采集好的土壤环刀在105 ℃的烘箱中烘干至恒重，称量后计算土壤容重；将布袋中的土壤经风干、研磨、过筛后保存备用。将处理好的植物和土壤样品用碳氮硫分析仪(PE 2400 II CHNS/Oanalyzer Perkin Elmer，USA)测定碳含量。

3 结果与分析

3.1 各器官碳含量的特征

由图1可知，当林龄相同时不同器官碳含量的变化规律为：(1)叶(514.18 mg/g)>枝(503.11 mg/g)>根(503.56 mg/g)>干(488.62 mg/g)，除近熟林外，其余林龄均表现为枝>叶>根>干；幼龄林和中龄林的叶和枝、近熟林的枝和根、成熟林的干和根均未达到显著水平，其余各器官间均达到显著水平(P<0.05)；(2)各器官平均碳含量的大小依次为枝(514.20 mg/g)>叶(511.41 mg/g)>根(498.77 mg/g)>干(485.58 mg/g)，油松平均碳含量为502.49 mg/g。当林龄不同时器官碳含量的变化规律为：(1)叶碳含量：中龄林>近熟林>成熟林>幼龄林，中龄林和近熟林、近熟林和成熟林的差异均未达到显著水平，其余各林龄间差异显著(P<0.05)；(2)枝碳含量：成熟林>中龄林>幼龄林>近熟林，成熟林和中龄林、幼龄林和近熟林的差异未达到显著水平，其余各林龄间差异显著；(3)干碳含量：成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林，成熟林和近熟林间差异未达到显著水平，其余各林龄间差异显著；(4)根碳含量：成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林，成熟林和近熟林、中龄林和幼龄林间差异未达到显著水平，其余各林龄间差异显著。

图1 不同器官碳含量的变化特征

3.2 单株碳储量的分配特征

由图2可知，当林龄相同时单株油松不同器官碳储量的大小表现为：干>枝>叶>根；幼龄林和近熟林的枝和叶碳储量，中龄林和成熟林的叶和根碳储量之间差异未达到显著水平，其余各器官在林龄相同时差异显著(P<0.05)。相同器官随林龄的变化叶碳储量表现为：近熟林>成熟林>中龄林>幼龄林，近熟林和成熟林间差异未达到显著水平，其余各林龄间差异显著。枝、干、根的碳储量均表现为：成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林，中龄林和近熟林的根碳储量间差异不显著，其余各林龄间差异显著。幼龄林的叶、枝、干、根所占比例分别为14.6%、19.2%、58.9%和7.3%；中龄林的叶、枝、干、根所占比例分别为17.4%、25.7%、45.6%、11.3%；近熟林的叶、枝、干、根所占比例分别为23.1%、28.5%、42.3%、6.1%；成熟林的叶、枝、干、根所占比例分别为12.7%、27.1%、48.0%、12.3%。干所占比例随林龄的变化规律表现为先减小再增大，在近熟林时最小。

3.3 乔木层碳储量的分配特征

由图3可知，油松各林龄碳储量的大小表现为：成熟林(71.01 t/hm2)>近熟林(41.41 t/hm2)>中龄林(31.25 t/hm2)>幼龄林(14.68 t/hm2)。成熟林较幼龄林、中龄林和近熟林分别增加了383.9%、127.2%和71%(P<0.05)，近熟林较幼龄林和中龄林分别增加了182.2%和32.5%，中龄林较幼龄林增加了113%。随着林龄的增加，乔木层碳储量呈明显的增加趋势，油松人工林乔木层具有较强的固碳潜力。

3.4 土壤碳含量的分布特征

由图4可知，相同林龄的土壤碳含量在幼龄林、中龄林和近熟林均表现为：随着土壤层的下降碳含量逐渐降低的规律性，幼龄林和中龄林的10～20 cm与20～40 cm，幼龄林的20～40 cm与40～60 cm，近熟林的0～10 cm与10～20 cm及20～40 cm与40～60 cm间差异未达到显著水平，其余各林龄的土层间均达到显著性差异(P<0.05)。相同土壤层的碳含量随林龄的变化规律：(1)在0～10 cm处表现为：近熟林>成熟林>中龄林>幼龄林，近熟林和成熟林、中龄林和幼龄林差异未达到显著水平，其余林龄间差异显著；(2)在10～20 cm处表现为：近熟林>中龄林>幼龄林>成熟林，幼龄林和成熟林差异未达到显著水平，其余各林龄间差异显著；(3)在20～40、40～60、60～100 cm这3个层次表现出相同的规律性，即成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林。

图2 不同器官碳储量随林龄的变化特征

图3 乔木层碳储量随林龄的变化特征

3.5 土壤碳储量的分布特征

由图5可知，油松人工林土壤碳储量的变化规律为：成熟林(71.54 t/hm2)>近熟林(67.75 t/hm2)>中龄林(57.51 t/hm2)>幼龄林(44.38 t/hm2)。幼龄林各土层土壤碳储量为5.91～11.28 t/hm2；中龄林各土层土壤碳储量为8.57～14.22 t/hm2；近熟林各土层土壤碳储量为11.63～15.22 t/hm2；成熟林各土层土壤碳储量为6.22～23.24 t/hm2。不同林龄0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm的土壤碳储量平均值分别为10.80、8.08、14.00、12.26和15.17 t/hm2。成熟林较幼龄林、中龄林分别增加了61.2%、24.4%，较近熟林差异未达到显著水平，近熟林较幼龄林和中龄林分别增加了52.7%和17.8%，中龄林较幼龄林增加了29.6%。

图4 不同土壤层碳含量随林龄的变化特征

图5 不同土壤层碳储量随林龄的变化特征

3.6 生态系统碳储量的分布特征

由图6可知，油松人工林各林龄的生态系统碳储量分别为：幼龄林59.06 t/hm2、中龄林88.76 t/hm2、近熟林109.16 t/hm2、成熟林142.55 t/hm2，且相同林龄生态系统总碳储量特征均表现为土壤层碳储量>乔木层碳储量，其中土壤层碳储量所占比重依次为：幼龄林75%、中龄林65%、近熟林62%、成熟林50%。

4 讨论

4.1 不同人工林植物碳含量和碳储量的变化特征

本研究表明，内蒙古东部地区油松人工林乔木层的平均碳含量为502.49 mg/g，与已有研究结果接近，但与其他树种的碳含量存在一定的差异。通过研究小兴安岭主要树种的碳含量发现[2]，这些树种间的碳含量差异较小，说明在立地条件和经营措施基本相同的条件下，树种类型对碳含量的影响不明显，但其平均碳含量较本研究的油松人工林降低约10%，说明各因素对碳含量的影响存在某种关系，最终使植物碳含量维持在50%左右。

图6 生态系统碳储量随林龄的变化特征

影响森林碳储量大小的生物因素有森林起源、树种结构、林分结构、林龄等，同时，森林碳储量也受到地域、气候、光照、经营措施等非生物因素的影响[3]。本研究对比分析了单株油松不同器官的碳储量发现，单株油松各器官碳储量在不同林龄、不同器官间都存在差异，林龄对生物碳储量的影响显著，在相关研究中也有类似结果。例如，北京密云油松人工林植被碳储量随着林龄的增大而显著增大[4]。子午岭林区不同林龄油松人工林的碳密度分布特征表明：随着林龄增大，林下植被层生物量表现为先降低后增加的趋势，枯落物层生物量增加更为明显。随着林龄的增加，土壤碳密度所占生态系统碳密度比例逐渐降低，而乔木层和枯落物层则逐渐增加[5]。本研究与以上研究结果基本一致，不同之处在于本研究的叶碳储量大于根碳储量，这也表明水分、养分、树种组成和立地条件等因素会显著影响植被碳储量[6]。

关于各地区不同树种的碳储量研究已有大量报道，特别是华北落叶松、杨树、樟子松、油松等一些造林常见树种。尽管研究区域的气候、土壤、树种不同，但总体表现出随着林龄的增大，乔木层碳储量显著增大的变化规律。与不同地区的油松林相比，华北地区油松人工林乔木层平均碳储量约为本研究的2.7倍，河北省油松人工林乔木层平均碳储量接近本研究的2倍，冀北地区略高于本研究，北京地区略低于本研究。这主要是本研究的油松人工林位于中心分布区以外，属于油松人工林的临界分布区，树种组成、区域气候类型、土壤类型、立地条件等因素可以显著影响乔木层碳储量。因此，在营造人工林时要根据特定的地区特征选择适宜的树种，而在大尺度上计算碳储量时也应该充分考虑树种和地域差异，这样才能更加准确地评估我国森林的碳储量。

4.2 不同人工林土壤碳含量和碳储量的变化特征

本研究表明：不同林龄油松人工林的土壤碳含量均表现出随着土壤层的下降而逐渐降低的规律。土壤碳含量与凋落物分解关系密切，凋落物分解是土壤养分的主要来源之一，而影响凋落物分解速率的因素有微生物、土壤动物和环境等[7]。研究区的土壤较为贫瘠，底层土壤没有太多的养分积累，凋落物分解归还的养分虽会发生部分转移，但多数的养分滞留在土壤表层，这就导致了表层碳含量显著高于底层的现象，这在其他人工林中也有类似报道[8-9]。同时，植物养分需求会随着林龄的增大而不断变化，是一个动态的变化过程，而凋落物分解也会受到各种条件的制约，这也导致土壤养分会随着林龄的增大而变化。本研究表层土壤近熟林的碳含量最高，而底层土壤则以成熟林的最高，这是因为表层土壤碳含量是通过凋落物的分解直接进入土壤，而底层的需要淋溶、动物搬用等途径，这就需要更长的时间来实现。

通过对油松人工林土壤有机碳密度与立地因子、植被因子和土壤因子的多元线性回归分析表明，影响土壤有机碳密度的主要因子有坡度、坡位、林龄、凋落物现存量、年凋落量、土壤含水量、容重、土壤全K含量、土壤全N含量等[10]。本研究的土壤平均碳含量与油松人工林中心分布区的土壤有机碳含量存在一定的差异，也与其他人工林树种的土壤碳含量存在显著差异，说明影响土壤碳含量的是树种类型、地域环境、土壤深度等，因此估算不同尺度上的土壤碳储量存在较大的不确定性[11]，但不同土壤层的碳含量仍是影响土壤碳储量的主要因素。

4.3 不同人工林总碳储量的变化特征及影响因素

本研究表明：相同林龄的油松人工林总碳储量大小均表现为：土壤层>乔木层。林龄作为影响碳储量的主要因素，其作用机理为随着林龄的增大各器官逐渐成熟，光合作用强度增强，植物生物量积累量增大；植物生物量的增加，会使凋落物量增加，归还到土壤中的养分增多，使得土壤层碳储量增加[12-13]。本研究油松人工林生态系统平均碳储量为99.88 t/hm2，这一碳储量是基于未经营的油松人工林分而计算的，但已有研究表明：影响森林生态系统碳储量的因子有树种特性、经营措施、气候条件、土壤肥力、水分、光照等[14-15]。因此，在以碳汇为目的进行造林时，应该充分考虑当地的气候、土壤、水分等条件，选择适合的树种才能使碳储量达到最高。本研究的油松人工林碳储量与内蒙古其他地区存在差异，这主要与林龄、林分密度、立地条件、水热分布、经营措施等相关。张涛[16]研究表明，如果从增加森林碳汇方面考虑，未经营利于森林碳汇的积累；常规经营更有利于提高森林木材质量，如果2个方面都考虑，近自然经营方式是最适合的。综上分析可知，影响油松人工林碳储量分布差异的主要因素是区域水热条件、林龄、密度和经营措施，这也表明通过经营措施的改变可以提升人工林的固碳潜力。

5 结论

(1)油松人工林各器官平均碳含量为：枝(514.20 mg/g)>叶(511.41 mg/g)>根(498.77 mg/g)>干(485.58 mg/g)，平均碳含量为502.49 mg/g。随着林龄的增大，乔木层碳储量显著增大，各林龄碳储量的大小为：成熟林(71.01 t/hm2)>近熟林(41.41 t/hm2)>中龄林(31.25 t/hm2)>幼龄林(14.68 t/hm2)，平均碳储量为39.59 t/hm2。研究表明，树种组成、区域气候类型、土壤类型、立地条件等因素可以显著影响乔木层碳储量。

(2)油松人工林的土壤碳含量均表现出随着土壤层的下降而碳含量逐渐降低的趋势。各林龄平均土壤碳含量为：近熟林(5.66 mg/g)>成熟林(5.38 mg/g)>中龄林(4.79 mg/g)>幼龄林(3.85 mg/g)，平均碳含量为4.92 mg/g。土壤碳储量大小为：成熟林(71.54 t/hm2)>近熟林(67.75 t/hm2)>中龄林(57.51 t/hm2)>幼龄林(44.38 t/hm2)，平均碳储量为60.30 t/hm2。研究表明，影响土壤碳含量的因素有树种特性、地域环境和土壤深度等。

(3)油松人工林各林龄植被和土壤的总碳储量为：成熟林(142.55 t/hm2)>近熟林(109.16 t/hm2)>中龄林(88.76 t/hm2)>幼龄林(59.06 t/hm2)，且相同林龄时的总碳储量均表现为土壤层碳储量高于乔木层碳储量。研究表明，与油松人工林中心分布区相比，本研究区域(边缘分布区)的油松人工林碳储量较低，这主要与林分密度、土壤养分、气候特征等有密切关系。