内蒙古固阳县主要灌木人工林植被层固碳速率研究

刘金鹏 高润红 谢金君

摘要：為了探究内蒙古固阳县不同灌木人工林植被层的固碳速率，以固阳县3种常见灌木人工林树种（柠条，沙棘，山杏）为研究对象，通过实地标准木取样，建立各树种生物量模型结合空间代替时间的方法，对研究区内3种常见灌木林树种进行碳含量测定，并分析估算不同灌木树种的碳密度和固碳速率。结果表明：固阳地区不同3种灌木不同林龄人工林植被层固碳速率范围为0.12-1.0 t ·hm^-2·a^-1，其中柠条人工林植被层固碳速率范围在0.12-0.38 t ·hm^-2·a^-1，沙棘人工林植被层固碳速率范围在0.12-1.0 t ·hm^-2·a^-1，山杏人工林植被层固碳速率范围在0.22-0.68 t ·hm^-2·a^-1之间，这一研究结果对西北干旱半干旱区灌木林固碳增汇以及灌木碳汇林营造时的的树种选择上提供了一定参考。

关键词：人工林；灌木林；碳密度；固碳速率

中图分类号：S718.55       文献标识码：B

Study on Carbon Fixation Rate of Main Shrub Artificial Forests in Guyang County， Inner Mongolia

Liu Jinpeng¹，Gao Runhong¹，Xie Jinjun^1，

• College of Forestry， Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot， Inner Mongolia 010019）

Abstract：[Objective]In order to investigate the carbon sequestration rate of different shrub artificial forest cover layers in Guyang County， Inner Mongolia，[Method]three common shrub artificial forest tree species （Caragana korshinskii， Hippophae rhamnoides， and Apricot） were selected as the research object. Through on-site standard wood sampling， biomass models of each tree species were established， and the method of space replacing time was used to measure the carbon content of three common shrub forest tree species in the study area. The carbon density and carbon sequestration rate of different shrub tree species were analyzed and estimated，[Result]The results showed that the carbon sequestration rate of the vegetation layer in the artificial forests of three different shrubs and different forest ages in Guyang area ranged from 0.12 to 1.0t C · hm^-2· a^-1， with the carbon sequestration rate of the vegetation layer in the artificial forests of Caragana korshinskii ranging from 0.12 to 0.38t C · hm^-2· a^-1， the carbon sequestration rate of the vegetation layer in the artificial forests of Hippophae rhamnoides ranging from 0.12 to 1.0t C · hm^-2· a^-1， and the carbon sequestration rate of the vegetation layer in the artificial forests of Prunus armeniaca ranging from 0.22 to 0.68t C · hm^-2· a^-1，[Conclusion]This research result provides a certain reference for the carbon sequestration and sink enhancement of shrub forests in the arid and semi-arid regions of northwest China， as well as the selection of tree species for the construction of shrub carbon sink forests.

Keywords：artificial forest; Shrubs; Carbon density; Carbon sequestration rate

全球气候问题日益严重，人类活动导致大气温室气体过量，气候变暖深刻影响着我们的生活。森林在吸收大气二氧化碳，减少温室气体含量上具有重要作用^[1-2]，在我国碳达峰碳中和的目标背景下，人工林的营造和扩大是吸收大气二氧化碳、增加碳汇极具价值和生态效益的方法之一^[3-5]。

内蒙古是我国植树造林的重点区域之一，是我国北疆生态安全的重要屏障，固阳县地处内蒙古中西部，气候干旱降水稀少，属于典型的干旱半干旱区，灌木人工林在此区域占有很大比重。柠条锦鸡（Caragana korshinskii）、山杏（Prunus sibirica）、沙棘（Hippophae rhamnoides）等灌木树种具有抗旱耐寒，耐盐碱，耐土壤贫瘠，造林成本低，需水量少，成活率高，防风固沙等优良特性，是西北干旱半干旱区主要的造林树种，目前已有很多对于内蒙古地区森林碳储量的研究^[6-8]，由于内蒙古东部森林资源丰富，对于碳储量和固碳速率的研究大多聚焦于中东部区的乔木林以及乔木树种^[9-14]，而灌木林的固碳作用长期以来被忽视，对于以灌丛，灌木林为主体生态系统的内蒙古中西部来说，研究灌木的固碳特征具有重要意义，目前对于灌木的固碳研究大多聚焦于生物量以及碳密度^[15-18]，而对于灌木林的固碳速率，研究较为匮乏，为此本文以内蒙古中西部固陽县的主要3种人工灌木林树种（柠条、山杏、沙棘）为研究对象，通过野外实地样地调查，标准木采集，建立各树种生物量模型并结合空间代替时间的方法估算了不同林龄灌木林植被层的碳密度以及固碳速率，综合分析不同灌木树种碳密度以及固碳速率之间的差异性。为西北干旱半干旱区灌木人工林的固碳增汇以及灌木碳汇林营造时的树种选择提供了科学参考。

1材料与方法

1.1研究区概况

固阳县隶属于包头市位于内蒙古自治区中西部，东经109°40′-110°41′，北纬40°42′-41°08′、地处大青山北麓，地势南高北低，东部高于西部，平均海拔1300m，属中温带大陆型干旱半干旱季风气候，气温偏低、降水少、光照充足，温差大是其最明显的气候特征。全年无霜期为69-177d。年平均降水量为291.1mm，降水主要集中在6～8月，年平均蒸发量1941.4mm。占年降水量的64%，年日照小时数在3200h左右年平均气温5.5℃，土壤类型主要为栗钙土、灰褐土和草甸土。森林覆盖率达到23%，森林资源面积11.5万hm²，主要树种乔木树种有白桦（Betula platyphylla）、小叶杨（Populus simonii）、榆树（Ulmus pumila）和油松（Pinus tabuliformis），灌木树种有柄扁桃（Prunus pedunculata）、柠条（Caragana korshinskii）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、山杏（Prunus sibirica）、白刺（Nitraria tangutorum）等，草本植物有冷蒿（Artemisia frigida）、羊草（Leymus chinensis）、克氏针茅（Stipa capillata）、铁杆蒿（Tripolium pannonicum）、山韭（Allium senescens）等。

1.2 野外样地调查

于2022～2023年6月至9月连续在内蒙古自治区固阳县灌木人工林规模较大的三个区域即固阳林场、万亩试验田、二相公路南人工林种植区进行野外样地调查和样品采集，林龄的鉴定根据固阳林草局提供的造林年限资料，林龄按照3-5a，＞5-10a，＞10-15a、＞15-20a，＞20-25a进行划分，同一树种相近林龄设置3个重复样地，共计54个，灌木林样地大小设置为为10m×10m，进行每木检尺，记录灌木地径、株（丛）高、平均冠幅、密度等树木特征，草本层样地大小为1m×1m设置于灌木样地内，记录草本植物种类、株（丛）高、盖度、株（丛）数，样地基本信息表见表1.

1.3 样品采集与碳含量测定

在灌木样方的标准样地内，根据样方内灌木基径，株高、冠幅的平均值选取标准木，将其伐倒，根系采用挖掘收获法，剥离根、茎、叶、枝，分别测量各器官鲜质量并带回实验室烘箱85℃烘干至恒质量，得到标准木干重即生物量，含碳率测定采用干烧法，经烘干的样品通过球磨仪研磨，过0.2mm筛，利用元素分析仪（Elementer VARIO Macro，德国）测定树木各器官样品的碳含量取平均值。在草本样地内，沿地面齐平收割所有草本植物（地上部分），并挖取收获地下1m深度草本植物根系，干重及含碳率测定同灌木。

1.4灌木生物量预测模型的建立

本文所用数据为样地实测灌木单株生物量数据，样本数量共计162棵，其中柠条、沙棘、山杏各为54棵，建立灌木生物量预测模型，计算3种灌木的生物量，以常见的测树因子基径（D）、树高（H），平均冠幅（C），树冠面积（S）植被体积（V）以及联合因子D²H为自变量，建立函数关系，加以比较并得到最优方程。本研究利用计算树木生物量计算常见的线性模型、二次函数模型、幂函数模型，指数函数模型和对数函数模型拟合灌木生物量。采用F检验，平均系数（R²），估计值的标准差（SEE），3项指标对模型拟合优度进行评估。

1.5碳密度的估算

利用实测得到各树种单株标准木的生物量，通过函数模型拟合得到各树种最优生物量方程，结合实验室实测单株标准木含碳量从而得到单株标准木的碳储量（公式6），通过样地灌木密度与面积的换算得到林分灌木层碳密度（公式7），草本层单位面积的生物量与含碳量相乘得到草本层碳密度（公式8），整个林分植被层碳密度等于灌木层碳密度与草本层碳密度之和（公式9）

1.6林分固碳速率的估算

林分植被层固碳速率的计算采用空间代替时间的方法，不同林龄林分植被层碳密度的差值与林龄之差的比值为一段时间内的平均固碳速率（公式10），利用不同林龄林分植被层固碳速率与其对应林龄之间建立回归关系方程式，并得出固碳速率随林龄的变化趋势线。

式中P為林分植被层固碳速率，T_n为林分的林龄，C_n为n年林龄林分植被层的碳密度

1.7数据处理

使用Excel2021和SPSS26软件进行样地数据统计处理分析与作图，使用单因素方差分析法（one-way ANOVA）分析差异显著性。

2结果与分析

2.1各树种生物量模型的筛选

固阳地区3种灌木人工林树种各器官以及全株生物量拟合方程和相关参数见表2

2.2不同树种含碳量结果

固阳地区3种灌木人工林树种各器官以及全株样品含碳量的实测值如图1所示，其中柠条各部分平均碳含量为叶（503.74g·kg^-1）＞枝（431.73g·kg^-1）＞根（422.64g·kg^-1）其中叶与枝、叶与根之间存在显著差异性（P＜0.05），沙棘各部分平均碳含量为叶（541.71g·kg^-1）＞干（527.16g·kg^-1）＞枝（515.35g·kg^-1）＞根（454.86g·kg^-1），其中枝与叶，根与干、根与枝、根与叶都存在显著差异性（P＜0.05）。山杏各部分平均含碳量为枝（431.32g·kg^-1）＞干（429.77g·kg^-1）＞叶（426.59g·kg^-1）＞根（417.61g·kg^-1），各器官均不存在显著差异性（P＞0.05）。各树种林下草本含碳量为柠条（435.86g·kg^-1）＞山杏（415.11g·kg^-1）＞沙棘（412.20g·kg^-1），林下草本含碳量无明显差异（P＞0.05），整株平均碳含量为沙棘（502.84g·kg^-1）＞柠条（437.57g·kg^-1）＞山杏（427.30g·kg^-1），其中沙棘与柠条，沙棘与山杏的整株含碳量存在显著性差异（P＜0.05）。

2.3不同树种林分碳密度结果

固阳地区3种主要人工灌木林树种植被层碳密度结果如下，柠条人工林植被层碳密度范围在0.78～5.18 t ·hm^-2之间，按照林龄来看21年柠条林（5.18 t ·hm^-2）＞17年生柠条林（4.67 t ·hm^-2）＞13年生柠条林（3.80 t ·hm^-2）＞8年生柠条林（2.48 t ·hm^-2）＞5年生柠条林（1.36 t ·hm^-2＞3年生柠条林（0.78 t ·hm^-2），柠条人工林植被层碳密度随着林龄的增加而增大，不同林龄碳密度之间差异不显著（P>0.05）；沙棘人工林植被层碳密度范围在0.91～14.06 t ·hm^-2之间，按照林龄来看22年生沙棘林（14.06 t·hm^-2）＞18年生沙棘林（13.57 t ·hm^-2）＞13年生沙棘林（9.99 t ·hm^-2）＞8年生沙棘林（4.98 t ·hm^-2）＞5年生沙棘林（2.32 t ·hm^-2）＞3年生沙棘林（0.91 t ·hm^-2）沙棘人工林植被层碳密度随着林龄的增加而增大，不同林龄之间碳密度呈现显著差异性（P＜0.05）山杏人工林植被层碳密度范围在0.77～9.81 t ·hm^-2之间，按照林龄来看22年生山杏林（9.52 t ·hm^-2）＞16年生山杏林（8.17 t ·hm^-2）＞12年生山杏林（6.32 t ·hm^-2）＞8年生山杏林（3.43 t ·hm^-2）＞5年生山杏林（1.41 t ·hm^-2）＞3年生山杏林（0.77 t ·hm^-2）山杏人工林植被层碳密度随着林龄的增加而增大，不同林龄之间碳密度呈现显著差异性（P＜0.05）。在不同树种之间，灌木人工林造林初期（3-5年，5-10年、10-15年）3种灌木人工林植被层碳密度整体相近，无显著差异性（P＞0.05），在灌木林成熟以及过熟阶段（15-20，20-25年）柠条的碳密度显著小于沙棘与山杏（P＜0.05）。

2.4灌木林植被层固碳速率

固阳地区3种主要灌木人工林植被层固碳速率如图所示，其中柠条人工林植被层固碳速率介于0.12-0.38 t ·hm^-2·a^-1之间，伴随着林龄的增长，柠条人公林固碳速率呈现出先增大后减小的趋势，在8年左右达到一个固碳速率高峰，但是林分达到成熟阶段后（15-25年），其林分固碳速率显著降低。沙棘人工林植被层固碳速率介于0.12-1.0 t·hm^-2·a^-1之间，林分植被层固碳速率随着林龄的增长呈现先增大后减小，固碳速率最大值出现在13年左右，山杏人工林植被层固碳速率介于0.22-068 t ·hm^-2·a^-1之间，伴随着林龄的增长其固碳速率呈现出先增大后减小的趋势，固碳速率峰值出现在林龄12年左右，之后固碳速率逐渐降低。

3讨论

本文中3种灌木人工林植被层固碳速率范围在0.12-1.0 t ·hm^-2·a^-1之间，从灌木人工林平均固碳速率上看，沙棘（0.7424 t ·hm^-2·a^-1）＞山杏（0.5081 t ·hm^-2·a^-1）＞柠条（0.2509 t ·hm^-2·a^-1），与其它学者对内蒙古部分地区灌木林的固碳速率研究如党晓宏^[19]西鄂尔多斯五种荒漠灌丛年固碳量0.195-0.018 t ·hm^-2·a^-1，张冬梅^[20]阿拉善6种荒漠灌木群落0.04-0.697 t ·hm^-2·a^-1等相比較，本文灌木林固碳速率较大，可能是上述地区研究以荒漠自然灌木林为主，本文研究主体为灌木人工林，有适当的人工灌溉抚育管理，从而在植被固碳速率上优于这些地区。在与内蒙古其它类型人工林固碳速率的比较上，如郭月峰^[21]内蒙古农牧交错带小叶杨固碳速率1.5～2.03 t·hm^-2·a^-1 ，赵玮^[22]内蒙古浑善达克沙地小叶杨人工林乔木层平均固碳速率2.17 t·hm^-2·a^-1 曹贡祥^[23]呼伦贝尔沙地樟子松乔木层平均固碳速率2.13 t·hm^-2·a^-1等区域相比本文所研究树种固碳速率较低，原因在于从生长特性上讲干旱区灌木相较于乔木树种其生长速度较慢，同时以上区域大部分位于内蒙古东部区，其水分条件普遍优于固阳，由此造成人工林固碳速率上的差异。此外由于干旱区风蚀作用明显，研究区内林分枯落物层极少且分布不完整，不同区域土壤层含碳量差异较大，本文未对枯落物层和土壤层进行研究分析，可能一定程度会影响研究结果。

4结论

通过研究发现内蒙古固阳干旱半干旱区的柠条、沙棘、山杏3种灌木人工林植被层碳密度和固碳速率与林龄密切相关，其中植被层碳密度随着林龄的增加而增大与Pregitzer KS， Euskirchen ES等^[24]对全球森林固碳与林龄关系的研究结果一致。3种灌木人工林从幼龄林至过熟林阶段，植被层固碳速率都呈现出先增大后减小的趋势，固碳高峰期都处于中龄林阶段，灌木固碳速率随林龄的变化规律与王娟等^[25]在半干旱区沙地对小叶锦鸡儿和黄柳人工灌木林碳汇功能研究结果相似。本文所研究的人工灌木林在林分过熟之后，由于树木老化，固碳速率显著降低，因而老龄林和过熟林的碳汇功能很小，与Odum EP.^[26]对老龄林碳汇功能很弱或处于碳中性的研究一致，因此作为碳汇林，当林分进入老龄化之后为增强其碳汇能力，应当及时进行采伐更新和补植等措施。

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