南亚热带13年生大叶栎人工林固碳功能分析

叶家义, 付 军, 陆卫勇, 欧 军, 何 斌

(1.广西国有派阳山林场,广西 宁明 532500;2.广西大学林学院,广西 南宁 530004)

森林碳汇是森林生态系统服务功能的重要体现,在吸收并固定大气中大量CO2,减缓温室效应方面发挥重要作用[1]。我国人工林面积居世界首位,发展优质、高效、稳定且具有经济效益和碳汇生态效益的多功能人工林,有效提升森林生态系统固碳能力,已成为实现我国“碳达峰”和“碳中和”目标的重要途径[2-6]。因此,通过对不同森林类型生物量及碳储量的调查监测,准确把握其碳汇状况,合理选择既具有良好碳汇功能,又能发挥森林固土保肥和涵养水源作用的乡土树种,对今后营造生态公益林及碳汇林具有重要的现实意义。我国南亚热带水热条件优越、树种资源丰富,是商品林与木材战略储备的重要建设基地[7-8]。近年来,我国学者先后对该区域杉木(Cunninghamialanceolata)[9]、马尾松(Pinusmassoniana)[10]、红锥(Castanopsishystrix)[11-12]、格木(Erythrophleumfordii)[13]和米老排(Mytilarialaosensis)[13]等主要人工林的生物量、碳贮量及其分配格局进行了较系统的研究,表明不同森林生态系统生物量和固碳功能因其立地条件、树种组成的不同而存在差异,为我国人工林生态系统碳循环研究提供了重要的基础数据。

大叶栎(Quercusgriffithii)是壳斗科栎属落叶乔木,中国、缅甸、印度和斯里兰卡等地均有分布,我国主产于西南地区的云南、贵州和四川等地。大叶栎具有适应性强、生长速度快、用途广和培肥土壤等优点,其生态效益和经济效益显著,发展潜力广阔[14]。目前,关于大叶栎人工林的研究主要集中在家系选择、苗木培育、生长规律、土壤肥力和效益评价等方面[15-18],有关其固碳功能的研究相对较少。Meng et al[14]研究表明,造林后1～6 a大叶栎人工林生长缓慢,6 a后材积生长进入速生期,一直维持到23年生。为此,本研究以广西宁明县13年生大叶栎人工林为研究对象,探讨其林分生物量、碳储量及分布格局,以揭示该区域大叶栎的碳汇功能,为南亚热带碳汇人工林固碳树种的选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西宁明县广西国有派阳山林场(106°38′～107°36′E,21°51′～22°58′N),属南亚热带季风气候,年均气温21.8 ℃,年均降水量1 350 mm,年均日照时数1 700 h,年无霜期达350 d以上[19]。试验地设在广西国有派阳山林场公武分场,属丘陵地貌类型,海拔320～350 m,坡度20°～25°,坡向西南,土壤类型为山地红壤,土层较深厚,土壤肥力中等。

试验林前茬林分为马尾松纯林,2005年底采伐后炼山、挖穴整地,穴规格为0.5 m×0.5 m×0.4 m。2006年5月采用1年生大叶栎实生容器苗定植,造林密度为1 250株·hm-2,株行距为2 m×4 m。定植前每穴施0.50 kg基肥(P2O5≥14%),造林后当年10月进行1次铲草抚育,之后连续2 a的春季和秋季各进行1次铲草抚育。2019年5月调查时大叶栎林分郁闭度为0.85,保留密度1 060株·hm-2,平均树高和胸径分别为14.7 m和15.6 cm。林下植物覆盖度约25%,其中灌木层主要有杜茎山(Maesajaponica)、毛桐(Mallotusbarbatus)等;草本层主要有竹叶草(Oplismenuscompositus)、桃花(Urenalobata)等;凋落物层主要成分以凋落叶为主,厚度约3.2 cm。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置和林分生物量测定 2019年5月选择立地条件基本一致、生长中等的大叶栎人工林,按不同坡位(上坡、中坡和下坡)分别设置1块400 m2(20 m×20 m)的标准样地。测定各样地内林木的树高和胸径等指标,并计算平均值。各样地分别选择1株平均木并伐倒,以2 m为1个区进行分段,采用Monsic分层切割法分别测定地上部分树叶、树枝、干材和干皮鲜质量[20-21],并采集各器官混合样品600～800 g。采用全根挖掘法挖出地下部根系,分别测定根桩、粗根(根系直径≥2.0 cm)、中根(0.5 cm≤根系直径<2.0 cm)、细根(根系直径<0.5 cm)鲜质量,并采集约600 g根系混合样品。在每个样地内随机设置5块1 m×1 m小样方,采用样方收获法分别测定灌木层、草本层(两层均包括地上部分和根系)和凋落物层鲜质量,采集各层次的混合样品600 g。将林木各器官和灌木层、草本层及凋落物层混合样品于85 ℃烘箱内烘干,测定其含水率,并参考文献[15]计算各组分生物量。

1.2.2 土壤和植物碳含量测定 选取经烘干的植物各组分部分样品,用高速粉碎机粉碎并过筛后装袋保存。在每个样地内采用对角线法挖掘3个土壤剖面,分层采集0～100 cm土层(每层深度20 cm)样品各1 kg,经自然风干及研磨过筛(0.149 mm)后装袋保存,并用环刀法[22]采集各土层原状土。土壤和植物样品碳含量采用K2CrO7容量法[22]测定。

1.3 数据处理

大叶栎人工林生物量为其群落的乔木层、灌木层、草本层和凋落物层生物量之和;林分年净生产力采用年平均净生产量进行估测[10],其中树叶生物量按其在树枝上着生3 a计算[11],其他器官按大叶栎林龄即13 a计算。大叶栎生态系统碳储量为其群落乔木层、灌木层、草本层、凋落物层和土壤层碳储量之和。乔木层年净固碳量为各器官年平均碳储量之和;年CO2吸收量参照文献[3]计算。

采用Excel 2013软件进行相关数据处理,并用SPSS 22.0软件对大叶栎人工林各层次碳含量、碳储量及乔木层不同器官年净固碳量间差异性进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 大叶栎人工林各层次生物量及其分配

从表1可见,13年生大叶栎人工林生物量为119.20 t·hm-2,其中乔木层为110.35 t·hm-2,占林分生物量的92.57%,是林分生物量的主体部分;凋落物层为7.12 t·hm-2,占5.97%,居第2位。受林分郁闭度较大的影响,大叶栎人工林林下植被发育较差,灌木层、草本层生物量均较少,分别占林分生物量的0.86%和0.60%。乔木层不同器官生物量大小依次为:干材(57.58 t·hm-2)>树枝(21.26 t·hm-2)>树根(15.65 t·hm-2)>干皮(8.12 t·hm-2)>树叶(7.74 t·hm-2)。

表1 大叶栎人工林各层次生物量及其分配1)Table 1 Biomass and distribution of Q.griffithii plantation

2.2 大叶栎人工林生态系统各组分碳含量比较

2.2.1 植被层 从表2可见,大叶栎人工林乔木层各器官碳含量介于436.30～473.30 g·kg-1之间,其大小依次为:干材>树叶>树枝>干皮>树根,其中干材与树根碳含量差异显著。灌木层、草本层和凋落物层碳含量分别为447.20、425.80和438.20 g·kg-1。总体上看,不同植被层碳含量以乔木层最高,其次是灌木层和凋落物层,草本层最低。

2.2.2 土壤层 从表2可见,大叶栎人工林不同土层碳含量在5.26～16.20 g·kg-1之间。由于受地表凋落物腐殖化作用所形成有机物质的聚集效应影响,土壤有机碳含量在土壤剖面垂直分布上呈现随土层加深而显著下降(0～80 cm土层)的变化趋势,但相邻土层间有机碳含量的差异随土层加深而逐渐减小。

2.3 大叶栎人工林生态系统碳储量

从表2可见,13年生大叶栎人工林生态系统碳储量为164.26 t·hm-2,包括乔木层、灌木层、草本层、凋落物层和土壤层碳储量。其中,土壤层(109.62 t·hm-2)占比最大,为66.74%;其次是乔木层(50.83 t·hm-2),为30.95%;凋落物层(3.06 t·hm-2)、灌木层(0.45 t·hm-2)和草本层(0.30 t·hm-2)占比均较小,分别为1.86%、0.27%和0.18%。

表2 大叶栎人工林生态系统各组分的碳含量及碳储量1)Table 2 Carbon content and carbon storage of different components of Q.griffithii plantation ecosystem

2.3.1 植被层 大叶栎人工林植被层碳储量为54.64 t·hm-2,其中乔木层、灌木层、草本层和凋落物层碳储量分别占93.03%、0.82%、0.37%和5.60%(表2)。在乔木层碳储量中,不同器官碳储量占比为:干材(53.61%)>树枝(18.83%)>树根(13.44%)>树叶(7.12%)>干皮(7.00%),与各器官生物量占比排序相一致。

2.3.2 土壤层 大叶栎人工林土壤层(0～100 cm)碳储量为109.62 t·hm-2,各土层碳储量在土壤剖面垂直分布上表现出与其碳含量相同的变化趋势(表2)。其中,0～20 cm土层碳储量所占比例为35.46%,远高于20～40 cm(19.59%)、40～60 cm(16.60%)、60～80 cm(14.43%)和80～100 cm(13.91%)土层碳储量占比。

2.4 大叶栎人工林乔木层年净固碳量

从表3可以看出,13年生大叶栎人工林乔木层年净生产力为10.47 t·hm-2·a-1,年净固碳量为4.85 t·hm-2·a-1,相当于年净CO2吸收量为17.81 t·hm-2·a-1。乔木层不同器官年净固碳量大小依次为:干材(2.10 t·hm-2·a-1)>树叶(1.21 t·hm-2·a-1)>树枝(0.74 t·hm-2·a-1)>树根(0.53 t·hm-2·a-1)>干皮(0.27 t·hm-2·a-1),分别占总年净固碳量的43.48%、24.64%、13.66%、10.97%和7.25%。

表3 大叶栎人工林乔木层年净固碳量1)Table 3 Annual net carbon sequestration of arbor layer of Q.griffithii plantation t·hm-2·a-1

3 讨论与结论

森林生物量与森林类型、树种组成、林龄及林分密度等因素密切相关[7]。本研究中,13年生大叶栎人工林总生物量为119.20 t·hm-2,其中乔木层生物量为110.35 t·hm-2。卢立华等[7]研究表明,南亚热带16年生西南桦、米老排、灰木莲和马尾松人工林生态系统生物量分别为116.00、111.35、79.62和44.54 t·hm-2,其中乔木层生物量分别为112.65、109.59、77.48和40.64 t·hm-2。可见,研究区大叶栎人工林具有较高的生物量积累能力。大叶栎人工林不同结构层次分配比例中,乔木层为整个生态系统生物量的主体,其占比达92.57%,与卢立华等[7]对相同地区其他4种人工林的研究结果相一致。受树种生物学特性和林分密度等影响,大叶栎人工林郁闭度较大,林下植物发育较差,覆盖度较小,使得灌木层和草本层生物量(1.02和0.71 t·hm-2)较少,仅占林分生物量的0.86%和0.60%;但凋落物层较丰富,其生物量(7.12 t·hm-2)占比为5.97%。

13年生大叶栎人工林生态系统碳储量为164.26 t·hm-2,其中乔木层碳储量为50.83 t·hm-2,略低于我国森林乔木层平均碳储量(57.07 t·hm-2)和热带、亚热带针叶林乔木层平均碳储量(63.17 t·hm-2)[23],以及相同地区23年生红锥人工林乔木层碳储量(51.82 t·hm-2)[24],但高于相同地区13年生杉木人工林乔木层碳储量(43.00 t·hm-2)[9]和广西15年生马尾松人工林乔木层碳储量(44.40 t·hm-2)[25]。土壤有机碳是生态系统的重要组成部分,在平衡大气CO2中发挥重要作用[23]。本研究中,大叶栎人工林土壤有机碳储量为109.62 t·hm-2,与我国天然林土壤平均碳储量(109.1 t·hm-2)基本一致,但高于我国人工林土壤平均碳储量(107.1 t·hm-2)[23],也高于相同地区26年生红锥人工林和杉木人工林土壤碳储量(75.37和97.88 t·hm-2)[24],表明研究区大叶栎人工林的土壤有机碳储量较高。

13年生大叶栎人工林乔木层年净生产力为10.47 t·hm-2·a-1,年净固碳量为4.85 t·hm-2·a-1,折合年净吸收CO2量为17.81 t·hm-2·a-1。据报道,南亚热带10、20和27年生红锥人工林乔木层年净固碳量分别为3.79、4.75和4.32 t·hm-2[11],13年生杉木人工林乔木层年净固碳量为3.30 t·hm-2[24]。可见,本研究区大叶栎人工林速生特性明显,生物量和碳积累速率均较高。当前,在人工林传统经营基础上,提高其固碳潜力和碳汇效益,已成为人工林多目标经营中的一种新型经营模式。从大叶栎的生物生态学特性、碳积累速率与潜力等综合分析表明,大叶栎可以作为南亚热带地区培育碳汇人工林的重要树种。由于本研究中大叶栎人工林正处于速生期,其乔木层生物量和碳积累量还处于快速积累过程,加上其生长过程中大量凋落物分解和腐殖化作用,以及大量活根产生的分泌物和死根的腐解物也促进土壤有机碳的积累,表明该大叶栎人工林还具有较强的碳汇潜力。因此,大叶栎人工林适合作为碳汇林在该地区营造,以实现兼具木材收益和碳汇效益的人工林多目标经营目的。