王娟，姚云峰*，郭月峰，湯軍，常偉東

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2. 赤峰市敖漢旗林業(yè)局，內(nèi)蒙古 敖漢旗 024300

科爾沁沙地南緣小葉錦雞兒和黃柳灌叢生態(tài)系統(tǒng)碳匯動態(tài)研究

王娟1，姚云峰1*，郭月峰1，湯軍1，常偉東2

1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學生態(tài)環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2. 赤峰市敖漢旗林業(yè)局，內(nèi)蒙古 敖漢旗 024300

為了解科爾沁沙地南緣小葉錦雞兒（Caragana microphylla）和黃柳（Salix gordejevii）灌叢生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能，在赤峰市敖漢旗風沙土區(qū)分別選擇9個林齡序列的小葉錦雞兒和9個林齡序列的黃柳典型灌叢人工林為研究對象。利用空間代替時間樣地測量法來量化兩種灌叢人工林灌木層、草本層、凋落物層、土壤層和生態(tài)系統(tǒng)的碳密度變化規(guī)律，分析了不同林齡灌叢生態(tài)系統(tǒng)碳密度和年碳匯速率的變化趨勢，并擬合了林齡與碳密度和年碳匯速率方程。結(jié)果表明：小葉錦雞兒和黃柳兩種灌叢林灌木層、草本層、凋落物層、土壤層碳密度均隨林齡的增加而增大；各層碳密度大小為：土壤層碳密度最大，分別占生態(tài)系統(tǒng)碳密度的60%和75%，灌木層碳密度次之，分別占生態(tài)系統(tǒng)碳密度的23%和38%，草本層、凋落物層碳密度最小，均占生態(tài)系統(tǒng)碳密度的1%左右；灌木層各器官碳密度均為枝>根>葉，草本層各器官碳密度均為地上部分>地下部分；兩種灌叢林的碳密度隨時間的變化可用對數(shù)函數(shù)表述，生態(tài)系統(tǒng)年碳匯速率的變化可用乘冪式方程表述，林齡<10 a時，年碳匯速率增長迅速，>10 a時，年碳匯速率呈下降趨勢。研究認為小葉錦雞兒和黃柳灌叢群落碳密度隨林齡增加的變化規(guī)律明顯，具有一定的碳匯潛力；林齡<10 a時為年碳匯速率增長迅速期，隨著林齡的增加，年碳匯速率有下降的趨勢，需對灌叢林進行有效的撫育管理。

小葉錦雞兒；黃柳；生態(tài)系統(tǒng)；碳密度；年碳匯速率

WANG Juan, YAO Yunfeng, GUO Yuefeng, TANG Jun, CHANG Weidong. The Carbon Sink Dynamic Research on the Caragana microphylla and Salix gordejevii Shrub Ecosystem in the Southern Edge of Horqin Sandland [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(11): 1785-1790.

在我國，荒漠化和沙化土地面積占國土總面積的45.36%，廣闊的沙區(qū)具有巨大的碳匯潛力。在全球氣候變暖的背景下，研究沙區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植被的固碳功能具有重要意義（Vagen et al.，2005；Preger et al.，2010；Lal，2002；Lal，2004）。在干旱半干旱的沙地上，主要植被是灌木，因此研究沙區(qū)碳匯的重中之重是研究灌木碳匯。小葉錦雞兒（Caragana microphylla）和黃柳（Salix gordejevii）是科爾沁沙地分布最廣的灌木，分別屬于豆科和楊柳科。它們地上枝條再生能力強，地下根系龐大，具有耐干旱沙埋、耐風蝕、耐貧瘠的生態(tài)學特性，是赤峰市敖漢旗防治土地荒漠化最為理想的造林樹種之一（李清河等，2006；苗純萍等，2012；楊新國等，2015）。

在沙丘上建植小葉錦雞兒和黃柳等灌叢固沙林是科爾沁沙地多年來生態(tài)環(huán)境整治的一項有效措施（蘇永中等，2004）。相關(guān)學者對該地區(qū)灌木小葉錦雞兒和黃柳地上部分生物量及土壤理化性質(zhì)進行了研究，深入分析了灌木對該地區(qū)開展植被恢復工程所作出的貢獻（Zhao et al.，2007）。還有學者對該地區(qū)小葉錦雞兒的生物量分配及其更新途徑進行了研究，探討了不同齡級小葉錦雞兒人工林群落生物量的季節(jié)性動態(tài)（蔣德明等，2009）。相關(guān)學者還研究了該地區(qū)黃柳地上生物量分配情況及生長格局，結(jié)果發(fā)現(xiàn)黃柳葉片生物量從流動─半流動沙丘頂部至背風坡地部逐漸降低（李曉蘭等，2006）。還有學者對小葉錦雞兒等灌叢的土壤理化性質(zhì)進行了研究，得出栽植灌叢可以逐步恢復、改善土壤肥力和主要理化性狀，同時這種效應在空間上會發(fā)生較為明顯的分異，灌叢出現(xiàn)不同程度的肥島效應（安韶山等，2006；牛西午等，2003；蘇永中等，2002；李香真等，2002）。目前針對不同林齡小葉錦雞兒和黃柳灌叢生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的研究鮮見報道。不同年代種植的灌叢林，其各碳庫層及生態(tài)系統(tǒng)碳密度的分布規(guī)律還需要開展進一步的研究。不同年代種植的灌叢林為研究嚴重退化沙地生態(tài)系統(tǒng)的恢復動態(tài)提供了良好的樣地。因此本文選擇科爾沁沙地南緣敖漢旗風沙土區(qū)上的小葉錦雞兒灌叢人工林和黃柳灌叢人工林為研究對象，利用空間替代時間樣地測量法量化灌木層、草本層、凋落物、土壤層和生態(tài)系統(tǒng)碳密度的變化規(guī)律，旨在對半干旱區(qū)小葉錦雞兒灌叢人工林和黃柳灌叢人工林固碳功能進行深入的研究，為半干旱地區(qū)土壤碳庫的有效管理提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1研究區(qū)概況

研究地點為赤峰市敖漢旗風沙土區(qū)。該區(qū)位于敖漢旗的中北部，地理坐標為北緯41°50′～43°01′、東經(jīng)119°32′～120°25′，面積約2056.60 km2。地處溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)，年均降雨量為 350 mm，年均蒸發(fā)量為2450 mm，年平均氣溫為7 ℃，10 ℃以上有效積溫為 3200 ℃。人工植被以水源涵養(yǎng)林、水土保持林和防風固沙林為主，主要樹種為小葉楊（Populus simonii）、山杏（Prunus sibirica）、沙棘（Hippophae rhamnoides）、小葉錦雞兒、黃柳及山竹子（Hedysarum fruticosum）等，零星分布一部分樟子松（Pinus sylvestris var. mongholica）。主要草本植物為胡枝子（Lespedeza davurica）、大籽蒿（Artemisia sieversiana）、堿蒿（Art.anethifolia weber）、沙蒿（Art.desertorum）、塊薊（Cirsium salicifolium）、霧冰藜（Bassia dasyphylla）、狗尾草（ Setaria viridis）、 蟲 實 （ Corispermum hyssopifolium）、沙蓬（Agriophyllum squarrosum）。

海拔高度在400～500 m。風沙土區(qū)以流動、半流動、固定沙地和覆沙地為主，土壤質(zhì)量較差，pH值8.2～8.6，土壤有機質(zhì)含量在0.10%～0.54%，全氮含 量 在0.002%～0.030% ， 全 磷 含 量 在0.007%～0.032%，全鉀含量在 2.22%～3.05%，速效磷含量在 0.4～2.4 mg·kg-1，速效鉀含量在 54～101 mg·kg-1。研究區(qū)有較完整的小葉錦雞兒和黃柳灌叢群落時間序列。2014年7─8月，在赤峰市敖漢旗風沙土區(qū)分別設置9個不同齡級的小葉錦雞兒灌叢林樣地和9個不同齡級的黃柳灌叢林樣地，分別組成1個從3 a到38 a的小葉錦雞兒灌叢林時間序列（表1）和1個從4 a到33 a的黃柳灌叢林時間序列（表1）。

表1 研究區(qū)樣地基本情況Table 1 Basic conditions of the research area

1.2樣品采集和測試

1.2.1 樣地選擇和樣方布設

灌木樣地設置：研究區(qū)小葉錦雞兒和黃柳的栽植始于20世紀60年代前后，20世紀80年代后進行了大規(guī)模的種植。研究區(qū)有較完整的小葉錦雞兒和黃柳灌叢群落時間序列。根據(jù)研究區(qū)森林資源分布圖和敖漢旗林業(yè)局提供的不同造林時期的林分分布情況，選擇了9個林齡序列的小葉錦雞兒和9個林齡序列的黃柳典型灌叢人工林，并根據(jù)立地條件、樣地情況等確定調(diào)查樣地。采用隨機法布設樣地，每塊樣地的面積設置為30 m×30 m，同時在樣地內(nèi)設置3個10 m×10 m的灌叢樣方，在每個灌叢樣方的對角線4角各1 m處及樣方中心位置布設5個1 m×1 m的草本樣方進行調(diào)查。在每個草本樣方內(nèi)布設0.25 m×0.25 m的凋落物樣方。在實際取樣時，根據(jù)各林地實際情況，對部分樣方數(shù)量和大小進行了適當調(diào)整，詳情見表1。

1.2.2 樣品采集和測定

（1）標準灌叢的選取及林齡的確定

在每個小葉錦雞兒林和黃柳林樣地，根據(jù)株高、冠幅、覆蓋度等測樹因子，在每個樣方內(nèi)分別選取長勢良好且株高、冠幅等測樹因子相近的標準灌叢3叢。林齡由敖漢旗林業(yè)局提供。

（2）灌木層、草本層、凋落物層生物量及土壤樣品的測定方法。

灌木生物量測定采用伐倒標準木后稱其各器官（枝、葉、根）生物量，并取混合樣 250 g，帶回實驗室 80 ℃烘至恒重后備測；草本生物量測定采用全部收獲法（地上部分、地下部分）并稱重，根據(jù)各草種比例取樣品 250 g，并帶回實驗室烘干備測；凋落物生物量測定采用收集樣方內(nèi)全部枯枝落葉的方法，并帶回實驗室烘干備測。

在各標準株冠幅邊緣用剖面法采集土壤樣品，每個樣點分0～10、10～20、20～30、30～50、50～100及100～150 cm土層進行環(huán)刀取樣。同一層土壤樣品四分法取出足夠樣品。

（3）樣品含碳率測定

對灌木（分枝、葉、根）、草本植物（地上部分和地下部分）、凋落物、土壤樣品分別進行測定。植物、凋落物和土壤樣品的有機碳含量均采用濕燒法，即重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定。

1.3統(tǒng)計分析

1.3.1 植被碳密度

植被碳密度(g·m-2)=植物生物量(g·m-2)×含碳率(%)（郭月峰，2013）。

1.3.2 土壤碳密度

土壤碳密度計算參考程先富（程先富等，2004）的方法，略作修改：

式中：SOC為土壤有機碳密度（g·m-2）；n為土層數(shù)，本文為6；Di為不同土層的厚度（cm）；θi為土壤容重（g·cm-3）；Ci為不同土層土壤有機碳的質(zhì)量分數(shù)（g·kg-1）；δi為>2 mm礫石體積分數(shù)（%）。由于研究區(qū)屬于流動、半流動、固定沙地和覆沙地，土壤以風沙土為主，礫石含量極少；因此公式（1）中的δi為0。

1.3.3 生態(tài)系統(tǒng)碳密度

灌叢生態(tài)系統(tǒng)碳密度(g·m-2)=灌木層碳密度(g·m-2)+草本層碳密度(g·m-2)+凋落物碳密度(g·m-2)+土壤有機密度(g·m-2)。

1.3.4 生態(tài)系統(tǒng)年碳匯速率

年碳匯速率(g·m-2·a-1)=灌叢生態(tài)系統(tǒng)碳密度(g·m-2)/林齡(a)。

1.3.5 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)采用Excel 2003、SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果

2.1灌木層及草本層碳庫

兩種灌叢林植被層碳庫的變化特征如圖 1、2所示，灌木層是植被層碳庫的主體，草本層碳庫較小。兩種灌叢林灌木層和草本層碳密度均隨林齡的增加而增大。從不同林分的碳密度來看，相同林齡下，黃柳灌木層碳密度大于小葉錦雞兒灌木層碳密度，如29 a生的黃柳灌木層碳密度為（1211±53）g·m-2，而 29 a生的小葉錦雞兒灌木層碳密度為（561±24）g·m-2。草本層碳密度差異不大。

圖1 灌木層不同器官碳密度Fig. 1 Carbon densities for different organs of the shrub layers

兩種灌叢林灌木層各器官碳密度均為枝>根>葉，從表2可以看出，枝在各器官中占絕對優(yōu)勢，小葉錦雞兒和黃柳枝的碳密度分別占灌木層碳密度的53%和44%；根的碳密度分別占灌木層碳密度的33%和41%；葉的碳密度最少，分別占灌木層碳密度的14%和15%。

兩種灌叢林草本層各器官碳密度均為地上部分>地下部分，從表 2可以看出，地上部分是草本層碳密度的主體，均占草本層碳密度的77%以上。

圖2 林草本層不同器官碳密度Fig. 2 Carbon densities for different organs of the shrub and herb layers

表2 灌木層和草本層不同器官碳密度分配比例Table 2 Proportion of the carbon densities for different organs of the shrub and herb layers

2.2凋落物層及土壤層碳密度

從圖3可以看出，灌叢林凋落物的碳密度基本呈現(xiàn)隨林齡的增加而增大的趨勢，小葉錦雞兒灌叢林的凋落物碳密度大于黃柳灌叢林，小葉錦雞兒林凋落物碳密度在6～41 g·m-2，而黃柳林凋落物碳密度在2～25 g·m-2?？赡苁怯捎邳S柳凋落物的分解速率較小葉錦雞兒快導致。

從圖3可以看出，灌叢林土壤層的碳密度呈現(xiàn)隨林齡的增加而增大的趨勢，相同林齡下，小葉錦雞兒土壤碳密度大于黃柳林，如29 a生小葉錦雞兒土壤碳密度為（1563±68）g·m-2，29 a生黃柳土壤碳密度為（1442±63）g·m-2。

圖3 凋落物層及土壤層碳密度Fig. 3 Carbon densities for the litter layer and the soil layer

2.3生態(tài)系統(tǒng)主要碳庫層碳密度

從表3可以看出，在灌叢林生態(tài)系統(tǒng)碳密度中，主要碳庫層碳密度均為土壤層>灌木層>草本層、凋落物層，土壤層占絕對優(yōu)勢，兩種灌叢林土壤層碳密度均占生態(tài)系統(tǒng)碳密度的 60%以上，灌木層次之，約占生態(tài)系統(tǒng)碳密度的 23%～38%，而草本層和凋落物層的碳密度相對較少，均低于生態(tài)系統(tǒng)碳密度的1%。

2.4生態(tài)系統(tǒng)碳密度及年碳匯速率

從圖4和圖5可以看出，兩種灌叢林生態(tài)系統(tǒng)碳密度隨林齡增加而增大的趨勢，且為先快速增大然后趨于穩(wěn)定。兩種灌叢林的碳密度變化趨勢均可用對數(shù)式來描述，小葉錦雞兒林的擬合方程為y=549.49lnx+309.03（R2=0.9799），黃柳林的擬合方程為y=972.84lnx-668.04（R2=0.9731）。

表3 生態(tài)系統(tǒng)碳密度分配比例Table3 Proportion of the carbon densities in the ecosystem

圖4 小葉錦雞兒林生態(tài)系統(tǒng)碳密度Fig. 4 Carbon density in the Caragana microphylla forest ecosystem

圖5 黃柳林生態(tài)系統(tǒng)碳密度Fig. 5 Carbon density in the Salix gordejevii forest ecosystem

從圖6和圖7可以看出，兩種灌叢林生態(tài)系統(tǒng)年碳匯速率隨林齡的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，其年碳匯速率變化趨勢均可用乘冪式來描述，小葉錦雞兒林的擬合方程為y=686.11x-0.656（R2=0.9995），黃柳林的擬合方程為y=380.88x-0.417（R2=0.9857）。林齡小于10 a時，年碳匯速率增長迅速；大于10 a時，年碳匯速率呈下降趨勢。隨著林齡的增加，年碳匯速率有下降的趨勢，需對灌叢林進行有效的撫育管理。

圖6 小葉錦雞兒林生態(tài)系統(tǒng)年碳匯速率Fig. 6 The annual carbon sink rate for the Caragana microphylla forest ecosystem

圖7 黃柳林生態(tài)系統(tǒng)年碳匯速率Fig. 7 The annual carbon sink rate for the Salix gordejevii forest ecosystem

3 討論

研究表明，在相同的立地條件下，林齡是影響灌叢林生態(tài)系統(tǒng)碳密度和年碳匯速率的主導因子。本研究中小葉錦雞兒灌叢林生態(tài)系統(tǒng)及各碳庫層碳密度低于郭月峰（2013）的研究結(jié)果，這可能與研究區(qū)所處的土壤類型不同所致。郭月峰等（2013）對燕山流域不同林齡時間序列的小葉楊和山杏進行了研究，得出山杏林各器官碳儲量為枝>根>葉，草本層各器官碳儲量為地上部分>地下部分，本研究結(jié)果與其結(jié)果基本一致。劉濤等（2013）對黃土丘陵區(qū)3種退耕灌木林生態(tài)系統(tǒng)碳密度進行研究，得出生態(tài)系統(tǒng)各碳庫層碳密度為土壤層>灌木層>草本層>凋落物層，本研究結(jié)果與其結(jié)果基本一致。黃土區(qū)退耕檸條林的碳匯效應是當前研究的一個熱點。有研究認為檸條林地土壤養(yǎng)分狀況與生長年限關(guān)系不大（牛西午等，2003），而有學者發(fā)現(xiàn)檸條林的碳匯效應因林齡的不同而不同（劉增文等，1997；王生芳等，1998）。本研究中，0～150 cm土壤層碳密度隨林齡的增加而增大，說明小葉錦雞兒和黃柳灌叢林對半干旱區(qū)土壤碳庫有明顯的影響。

4 結(jié)論

（1）灌木層是植被層碳密度的主體，分別占兩種灌叢生態(tài)系統(tǒng)碳密度的23%和38%，灌木層各器官碳密度大小順序均為枝>根>葉，草本層各器官碳密度大小順序均為地上部分>地下部分。

（2）兩種灌叢林灌木層、凋落物層、草本層和土壤層碳密度均隨林齡的增加而增大。灌叢林生態(tài)系統(tǒng)各碳庫層碳密度的大小順序為土壤層>灌木層>草本層、凋落物層，土壤層占絕對優(yōu)勢，分別占生態(tài)系統(tǒng)碳密度的60%和78%。

（3）兩種灌叢林的碳密度隨時間的變化可用對數(shù)函數(shù)表述，生態(tài)系統(tǒng)年碳匯速率的變化可用乘冪式方程表述。

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The Carbon Sink Dynamic Research on the Caragana microphylla and Salix gordejevii Shrub Ecosystem in the Southern Edge of Horqin Sandland

WANG Juan1, YAO Yunfeng1*, GUO Yuefeng1, TANG Jun1, CHANG Weidong2
1. Department of Ecology and Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University; Hohhot 010018, China; 2. Forest Bureau in Ao Hanqi of Chifeng, Aohan Banner 024300, China

To understand the carbon sequestration of the Caragana microphylla and Salix gordejevii shrub ecosystem in the southern edge of Horqin Sandland, we choose the Caragana microphylla and Salix gordejevii shrub ecosystem plantation both of nine forest age sequences from the Aohanqi wind-sand region of Chifeng City as the study target. We use the Space for Time sample land approach to quantify the carbon density change rule of these two types of bush wood plantation in the level of shrub layer, herb layer, litter layer, soil layer and the ecosystem, analyze the carbon density and the annual carbon density change trend of shrub ecosystems with different planting years and make the equation for the planting years, carbon density and annual carbon sequestration rate. The results showed that: The carbon density for the shrub layer, herb layer, litter layer and the soil layer of the Caragana microphylla and Salix gordejevii increases as the planting years; the carbon density for each layer: the soil layer is the biggest, accounting for 60% and 75% of the ecosystem’s carbon density respectively; followed by carbon density of the shrub layer, accounting for 23% and 38% of the ecosystem’s carbon density respectively; the carbon density of the herb layer and the litter layer are minimum, both accounting for 1% of the ecosystem’s carbon density; The shrub layer carbon densities in various organs are branch > root > leaf, the herb layer carbon density in various organs are ground > underground; the carbon density changes of two shrubs over time could be expressed in log functions, the annual carbon sink rate for the ecology could be expressed by the power formula, when the planting years <10a, the annual carbon sink rate has a rapid growth, when the planting years > 10 a, the annual carbon sink rate declines. Our study suggests that the carbon density for the Caragana microphylla and Salix gordejevii shrub groups has obvious variation rules with certain carbon sink potentialities; when the planting years < 10a, the annual carbon sink rate has a rapid growth; with the growth of the planting years, the annual carbon sink rate declines, and it’s suggested to make effective forest management and tending measures on the forests and shrubs.

Caragana microphylla; Salix gordejevii; ecosystem; carbon density; the annual carbon sink rate

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.11.005

S718.55；X171.1

A

1674-5906（2015）11-1785-06

國家自然科學基金項目（31500584）；中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDA05060602）；內(nèi)蒙古應用研究與開發(fā)計劃項目（20110732）

王娟（1983年生），女，博士研究生，主要從事水土保持與荒漠化防治領(lǐng)域的工作。E-mail: wanghaijuan1109@126.com *通信作者：姚云峰（1959年生），男（蒙古族），教授，博士生導師，主要從事水土保持與荒漠化防治領(lǐng)域的工作。E-mail: 18904718855@163.com

2015-08-31

引用格式：王娟, 姚云峰, 郭月峰, 湯軍, 常偉東. 科爾沁沙地南緣小葉錦雞兒和黃柳灌叢生態(tài)系統(tǒng)碳匯動態(tài)研究[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(11): 1785-1790.