桂西北岩溶区苏木人工林生物量及碳储量

李元强，何敏增，蒋恒洁，黄家华，吴庆标

(1.广西壮族自治区国有维都林场，广西 来宾 546100； 2.广西一鸿自然教育科技有限公司，广西 南宁 530007； 3.广西大学林学院，广西 南宁 530004)

我国喀斯特地貌分布面积达176.08万hm2，主要分布在广西、湖南、云南、贵州、四川等地区[1]，石漠化是岩溶区面临的严重生态问题，也是制约岩溶地区社会发展的重要原因。广西是我国典型喀斯特地貌地区之一，其喀斯特地貌主要集中在桂中、桂西和桂东北等区域[2-3]。近年来，我国持续加大对石漠化综合治理力度，实施重点生态建设工程，通过植树造林以恢复植被覆盖等举措推进治理进程，选择潜力好的树种造林是改善岩溶区生态环境和功能的重要前提。苏木(Caesalpiniasappan)为苏木科苏木属落叶小乔木，是热带亚热带树种[4]，集中分布在广东、广西、云南、台湾等我国南方区域，广西则主要分布在玉林、河池以及左右江区域等[5]。苏木是广西岩溶植被区系主要成分[6]，具有很强的生命力、耐贫瘠和生长迅速等特征，是广西岩溶地区造林治理石漠化优良树种[7-11]，同时具有舒经活络、镇静、祛痰、止痛等药用价值[12-15]。目前，对苏木人工林的相关研究主要在培育技术、生长规律、药用价值等方面，尚未见有苏木人工林碳汇相关研究报道。本文对桂西南岩溶区5年生苏木人工林生物量、碳汇能力及分配等进行研究，以期为苏木人工林营建及岩溶区绿化树种选择提供参考。

1 样地概况

试验地位于广西西北区域的田阳县那满镇，是典型的岩溶区，因大多区域石漠化较为严重而致土壤薄，厚度仅为35 cm左右，成土母质有第四纪红土、砂页岩、石灰岩。该区域为南亚热带季风气候区，年均降水量1100～1350 mm，光照充足，年均气温18～22 ℃，年无霜期达307～352 d左右[16]。经调查，试验林分密度为5200株·hm-2，平均地径为4.8 cm，平均树高为4.1 m，枯枝落叶层厚度为2 cm左右，林下植被覆盖度55%，林下植被主要有蔓生莠竹(Microstegiumvagans)、五节芒(Miscanthusfloridulus)、酢浆草(Oxaliscorniculata)、叶下珠(Phyllanthusurinaria)、龙须草(Juncuseffusus)等。

2 研究方法

2.1 调查方法及样品采集[2]

2017年，根据典型选样原则，设置4块林相整齐、具有代表性的10 m×10 m标准样地，首先对林下植被种类和覆盖度等情况进行调查，然后在样地内对苏木进行调查，主要测定地径和树高。根据调查结果筛选出具有代表性的平均木4株，采伐并将其根部挖净后，按不同器官(叶、果、枝、干、根兜、侧根)分类称取鲜重，做好记录，随即采取各器官样品300 g左右置于封口袋中带回实验室烘干称取干重，粉碎后测定相关指标。在标准样地内，按角线设置4个面积为1 m2的小样方，采用收获法分别获取小样方内全部灌草和凋落物并称取其鲜重，做好记录；随即采取各器官样品300 g左右置于封口袋中带回实验室烘干称取干重，粉碎后测定相关指标。在标准样地内上、中、下坡各随机设置1个土壤采样点(3个重复)，采取0～20 cm表土土样装于封口袋中带回实验室按国标方法处理测定相关指标，同时用环刀法测定土壤密度。

2.2 碳含量测定及碳储量估算

采用元素分析仪(Vario EL Ⅲ，德国)测定碳含量。乔木层碳储量为各器官生物量与其相对应碳含量乘积之和，灌草层和凋落物层碳储量为其相应生物量与碳含量的乘积，土壤层碳储量为其有机碳含量、厚度、密度的乘积[17]。

2.3 生产力、年净固碳量、年净碳素累积量估算

植被层年净生产力根据林分生物量除以林分年龄(5 a)进行估算[18]。乔木层年净固碳量为各器官年净固碳量之和，而各器官年净固碳量根据相应的碳储量除以年龄进行估算，其中树叶和果为当年生(1 a)进行计算，其余器官按实际林龄(5 a)来计算。乔木层年净碳素累积量根据其碳储量除以实际林龄(5 a)进行估算。

2.4 数据分析

主要运用WPS办公软件进行整理和前期处理，数据差异性分析等则采用 SPSS 22.0 软件分析。

3 结果与分析

图1 苏木人工林生态系统不同组分生物量布局图

3.1 苏木人工林生态系统生物量及生产力

图2 苏木各器官生物量

3.1.1 生态系统植被层生物量 5年生苏木人工林生态系统植被层总生物量为17.46 t·hm-2。由图1可知，该生态系统不同组分生物量由大到小排序为乔木层>凋落物层>灌草层，分别占总生物量的80.3%、10.8%、8.9%，乔木层生物量要显著高于灌草层和凋落物层(P<0.01)。由图2可知，乔木层中各器官生物量间达到极显著差异(P<0.01)，由大到小排序为树干>树枝>根蔸>树叶>侧根>果，乔木层中生物量最大的器官为树干，体现了乔木主干明显的共性特征，枝条生物量次之，可见苏木在生长高峰期具有较繁密枝条。乔木层的生物量主要是地上部分贡献，地上部分生物量比地下部分生物量大4倍多。

3.1.2 生态系统植被层生产力 5年生苏木人工林生态系统植被层的年净生产力为3.50 t·hm-2·a-1，各组分年净生产力表现为乔木层>凋落物层>灌草层，依次为2.81、0.38、0.31 t·hm-2·a-1，分别占植被层年净生产力的80.3%、10.8%、8.9%，乔木层在生产力上贡献最大，也体现了人工林以培育乔木层为主的经营特征。乔木层各器官年净生产力由大到小排序依次为树干>树枝>根蔸>树叶>侧根>果，乔木层中树干对生产力贡献最大，占乔木层生产力的45.20%。

3.2 苏木人工林生态系统碳素含量

由图3可知，5年生苏木人工林生态系统乔木层平均(加权)碳素含量为495.06 g·kg-1，各器官碳素含量介于465.49～504.40 g·kg-1之间，由大到小排序依次为树枝>树叶>树干>根兜>果>侧根，各个器官间碳素含量差异不显著(P>0.05)；林下灌草层平均碳素含量为423.00 g·kg-1，凋落物层平均碳素含量为487.77 g·kg-1。灌草层和凋落物层碳素含量均低于乔木层，三者之间的平均碳素含量存在极显著差异(P<0.01)。土壤层平均碳素含量为56.13 g·kg-1，低于植被层的碳含量。

图3 苏木人工林生态系统不同组分间碳素含量

3.3 苏木人工林生态系统碳储量及分配格局

3.3.1 植被层碳储量 5年生苏木人工林生态系统植被层总碳储量为8.51 t·hm-2，其中乔木层的碳储量为6.93 t·hm-2，灌草层的碳储量为0.66 t·hm-2，凋落物层的碳储量为0.92 t·hm-2，三者中以乔木层碳储量最高，分别占植被层总碳储量的81.44%、7.76%、10.80%，乔木层是生态系统植被层中最主要的碳库。乔木层中，各器官碳储量由大到小依次排列为树干>树枝>根兜>树叶>侧根>果，树干的碳储量占乔木层碳储量的45.3%，是乔木层主要的碳储存库；各器官碳储量与生物量大小排序一致，碳素含量差异不显著，可见生物量是影响碳储量的关键因子。

图4 苏木人工林生态系统碳储量分配格局

3.3.2 生态系统碳储量分配格局 5年生苏木人工林生态系统总碳储量为135.36 t·hm-2，其中土壤层碳储量为126.85 t·hm-2。由图4可知，苏木人工林生态系统碳储量分配格局表现为土壤层>乔木层>凋落物层>灌草层，土壤层碳储量占整个生态系统碳储量的93.7%，是生态系统的最主要碳库，乔木层、凋落物层、灌草层分别占生态系统碳储量的5.1%、0.7%、0.5%，凋落物层和灌草层在碳储量分配格局中仅占极小部分。

3.4 苏木人工林乔木层年净固碳量

5年生苏木人工林生态系统乔木层的年净固碳量为2.14 t·hm-2·a-1，受估算年龄的影响，各器官年净固碳量大小排序与其碳储量不一致，从大到小依次表现为树叶>树干>树枝>根兜>果>侧根。乔木层年固碳量中，地上部分贡献最大，地上部分的年净固碳量是地下部分的近8倍之多。乔木层年净碳素累积量估算为1.39 t·hm-2·a-1，各器官年净碳素累积量大小规律与其碳储量一致，但与年净固碳量不完全一致，与估算年龄有关，各器官由大到小依次排序为树干>树枝>树叶>根兜>侧根>果，其中地上部分年净碳素累积量是地下部分的近5倍。

4 结论与讨论

5年生苏木人工林生态系统总生物量为17.46 t·hm-2，其中乔木层生物量为14.01 t·hm-2，稍小于广西中岩溶区4年生顶果木(15.89 t·hm-2)和降香黄檀(13.24 t·hm-2)人工林的生物量[19]。乔木层生物量在该生态系统中占总生物量的80.3%，灌草层、凋落物层生物量仅分别占8.9%、10.8%，乔木层生物量占绝对优势，体现岩溶地区恶劣环境下灌草植物生物量稀少、人工林人为干扰严重以及以培育乔木层为主目标的显著特点。乔木层中，各个器官之间的生物量差异较大，达到了极显著水平(P<0.01)，从大到小依次排序为树干>树枝>根蔸>树叶>侧根>果，与广西西南岩溶区12年生茶条木[20]排序一致，与广西中部岩溶区4年生顶果木和降香黄檀[19]不完全一致，但均表现为干的生物量最大，体现不同树种器官生长的差异以及乔木主干明显的乔木共性特征。

5年生苏木人工林生态系统植被层年净生产力估算为3.50 t·hm-2·a-1，其中乔木层年净生产力在植被层中最大，为2.81 t·hm-2·a-1，比广西中部岩溶区4年生顶果木(3.97 t·hm-2·a-1)和降香黄檀(3.31 t·hm-2·a-1)[19]、广西西南部岩溶区12年生茶条木(5.94 t·hm-2·a-1)[20]稍低，但高于广西东南部11年生红锥(2.62 t·hm-2·a-1)[21]、广西北部岩溶区12年生的臭椿(1.33 t·hm-2·a-1)、榆树(1.61 t·hm-2·a-1)、冬青(0.94 t·hm-2·a-1)、酸枣(0.60 t·hm-2·a-1)等[22]，由此可见，在环境条件恶劣的岩溶区，苏木具有相对较好的适应和生长能力，与黎一铎[9]、朱积余等[10]研究结论一致，认为苏木是治理石漠化的良好树种。

5年生苏木人工林生态系统乔木层各器官碳含量介于465.49～504.40 g·kg-1之间，差异不显著(P>0.05)，从大到小排序依次为树枝>树叶>树干>根兜>果>侧根，与广西西南部岩溶区12年生茶条木[20]、广西中部岩溶区4年生顶果木和降香黄檀人工林[19]排序不尽一致。乔木层平均碳含量为495.06 g·kg-1，比广西中岩溶区4年生顶果木人工林(520.44 g·kg-1)低，较广西中岩溶区4年生降香黄檀人工林(466.73 g·kg-1)高[19]，稍高于广西西南部小于10年幼龄喀斯特森林生态系统乔木层碳含量(492.57 g·kg-1)[23]；乔木层碳含量同时高于其林下灌草层和凋落物层，可见苏木具有较高的碳素含量水平。土壤的碳含量同时受到当地气候条件、枯落物输入和腐殖质层有机质分解等因素影响[24]，苏木人工林下0～20 cm土壤层碳素含量为56.13 g·kg-1，远高于广西西南部幼龄喀斯特森林土壤0～20 cm土层碳含量(37.49 g·kg-1)[20]以及湖南西南部喀斯特地区灌丛生态系统土壤碳含量(23.08 g·kg-1)[25]，可见苏木人工林土壤表层具有相对较高的碳素含量水平。苏木人工林生态系统碳储量为135.36 t·hm-2，比广西西南部幼龄林喀斯特森林生态系统碳储量(86.03 t·hm-2)[20]和广西西南部岩溶区12年生茶条木人工林生态系统碳储量(72.74 t·hm-2·a-1)[20]高，各组分碳储量由大到小排序为土壤层(93.7%)>乔木层(5.1%)>凋落物层(0.7%)>灌草层(0.5%)，土壤层是最主要的碳库。乔木层年净固碳量达2.14 t·hm-2·a-1，稍低于广西西南部岩溶区12年生茶条木(2.90 t·hm-2·a-1)[20]，大于广西中部岩溶区4年生顶果木(2.07 t·hm-2·a-1)和降香黄檀(1.55 t·hm-2·a-1)[19]。苏木相对于岩溶区常见绿化植物中具有较高适应能力、生长能力和固碳潜力，可考虑作为理想的石漠化治理和碳汇树种。