黃弼昌，何 斌 ，周燕萍，何紓敏 ，廖倩苑 ，李遠航 ，舒 凡

（1.廣西天峨縣林朵林場，廣西 天峨 547300；2. 廣西大學，廣西 南寧 530004）

速生階段西南樺人工林碳貯量及其分布格局

黃弼昌1，何 斌2，周燕萍1，何紓敏2，廖倩苑2，李遠航2，舒 凡2

（1.廣西天峨縣林朵林場，廣西 天峨 547300；2. 廣西大學，廣西 南寧 530004）

西南樺是我國熱帶、南亞熱帶地區(qū)的速生、珍貴用材樹種，具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟價值，本研究對廣西天峨縣林朵林場速生階段（12年生）西南樺人工林的碳素含量、貯量及其空間分布格局進行了研究。結(jié)果表明：（1）西南樺不同器官碳素含量為443.5～475.3 g/kg，各器官碳素含量排序從大到小依次為干材、樹枝、樹根、樹葉、干皮。灌木層、草本層和凋落物層碳素含量分別為442.6、427.8和450.3 g/kg。土壤（0～80 cm）中碳素含量為15.04 g/kg ，其中表土層（0～20 cm）的碳素含量明顯高于其他土層；（2）西南樺人工林碳素總貯存量為202.41 t/hm2，其中喬木層為57.13 t/hm2，占28.22%；灌木層為1.04 t/hm2，占0.51%；草本層為0.80 t/hm2，占0.40%；凋落物層為1.92 t/hm2，占0.95%；土壤層為143.44 t/hm2，占70.87%；（3）12年生西南樺人工林年凈生產(chǎn)力為 10.20 t/(hm2·a)，碳素年凈固定量為 4.77 t/(hm2·a)，折合成 CO2的量為 17.49 t/(hm2·a)。

西南樺人工林；碳素含量；碳貯量；碳分配

森林是地球陸地生物圈的主體，森林生態(tài)系統(tǒng)在調(diào)節(jié)全球氣候、維持全球C平衡，減緩大氣中CO2等溫室氣體濃度上升等方面具有重要的作用[1-3]。人工林作為森林的重要組成部分，科學地發(fā)展、利用和保護人工林，提高生產(chǎn)力，對促進區(qū)域經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，以及生態(tài)環(huán)境的保護都具有重要的作用和意義。目前，我國人工林保存面積達到6 200萬hm2，居世界人工林面積首位，約占我國森林總面積的三分之一，成為我國森林碳匯的主要來源。此外，由于多數(shù)林分處于幼、中齡階段，還具有較大的碳匯潛力。近年來，國內(nèi)已有不少學者對我國一些人工林樹種如杉木Cunninghamia lanceolata[4-5]、馬尾松Pinus massoniana[6]、楊樹poplar[7]、落葉松Larix gmelinii[8]、桉樹Eucalyptus[9]馬占相思Acacia mangium[10]和厚莢相思Acacia crassicarpa[11]等人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其分配格局進行了研究，為正確評價森林尤其是人工林碳匯功能和生態(tài)效益提供了科學依據(jù)。

西南樺Betula alnoides為樺木科樺木屬落葉喬木，主要分布于云南、廣西、貴州和四川等地，樹體高大、干形通直，材質(zhì)細致優(yōu)良，并具有適應(yīng)性強、生長迅速、干形通直、材質(zhì)優(yōu)良、用途廣泛、經(jīng)濟效益和生態(tài)效益好等特性，有著廣闊的發(fā)展前景[12-13]。目前我國西南樺栽培面積已超過16.0萬 hm2，且繼續(xù)呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢頭，成為我國熱帶、南亞熱帶地區(qū)重點發(fā)展的營造速生豐產(chǎn)林樹種和珍貴及鄉(xiāng)土樹種之一。并取得了良好的經(jīng)濟效益和生態(tài)效益。國內(nèi)外關(guān)于西南樺人工林的研究始于20世紀70年代末，隨著西南樺人工林的逐步發(fā)展，有關(guān)西南樺的相關(guān)研究逐漸增多，從早期的資源調(diào)查、引種馴化、播種育苗和造林技術(shù)等方面研究逐步發(fā)展到近年來良種選育和高效栽培以及木材利用技術(shù)等[14-15]。廣西西北部即桂西北是西南樺重要分布區(qū)之一，本文通過對廣西西北部天峨縣林朵林場12年生（中林齡）西南樺人工林碳素含量貯存量和碳素年凈固定量的研究，試圖揭示該區(qū)域西南樺人工林生固碳特性，為正確評價該區(qū)域人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量和固碳潛力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學依據(jù)。

1 試驗地概況

試驗地位于廣西天峨縣林朵林場立興分場，屬亞熱帶季風氣候。年平均氣溫20.9℃，年平均積溫7 475.2℃，平均日照時數(shù)為1 232. 2 h，年平均降水量1 253.6 mm，年平均無霜期336 d。地貌類型以低山為主，海拔620～650 m，土壤為砂頁巖發(fā)育而成的黃紅壤，土層深厚，林地大部分土壤厚度70～100 cm，其中腐殖質(zhì)層約15～20 cm，土壤質(zhì)地為壤土或輕壤土，結(jié)構(gòu)較疏松，土壤（0～40 cm）pH值4.52，有機質(zhì)、全氮和全磷質(zhì)量分數(shù)分別為24.71 g/kg、0.92 g/kg和0.24 g/kg，水解氮、速效磷和速效鉀含量分別為85.2 mg/kg、0.83 mg/kg和 48.9 mg/kg。

試驗地前作為杉木Cunninghamia lanceolata純林，于1999年秋季砍伐后進行人工整地，定點挖坎，規(guī)格為40 cm×40 cm×30 cm，2000年4月用西南樺裸根實生苗造林，造林密度 1250 株/hm2（株行距2 m× 4 m）。栽植后前3年即2000 ～2002年分別在5～6月、9～10月進行2次鏟草撫育，第四年即2002 年6月進行1次衛(wèi)生清理（鏟草撫育）。2012年12調(diào)查時12年生林分保留密度為1 060株/hm2，林分平均樹高為16.2 m， 平均胸徑（帶皮）為16.8 cm。林下灌木主要有鹽膚木Rhus chinenesis、鴨腳木Alstonia constricta等，草本植物主要有五節(jié)芒Miscanthus fl oridulus、粗葉懸鉤子Rubus alceaefolius和龍須草Eulaliosis binata等。凋落物層厚度約2 cm。

2 研究方法

2.1 植物樣品采集和碳素含量測定

在12年生西南樺人工林內(nèi)設(shè)置3個代表性標準樣地，面積為 20 m×20 m，對標準樣地內(nèi)林木進行每木檢尺，測定標準地內(nèi)各樣株的樹高、胸徑、冠幅等因子。在每塊標準地內(nèi)選取1株代表林分生長狀況的平均木，樹木伐倒后，地上部分采用Monsic分層切割法，分別收集樹干、樹皮、樹枝、樹葉。地下部分（根系）采用全根挖掘法，分根樁、粗根（直徑≥2. 0 cm ） 、中根（直徑0. 5～2 cm） 和細根（直徑＜0. 5 cm ） 。先在野外測定各組分鮮重，然后采集不同組分樣品200～300 g，同時在各標準樣地內(nèi)設(shè)置5個1 m×1 m樣方，采用樣方收獲法測定灌木層、草本層的地上和地下部分生物量，以及凋落物層（包括未分解和半分解凋落物） 的現(xiàn)存量，采集樣品和喬木樣品一起帶回實驗室在80℃ 恒溫下烘至恒重，計算各不同結(jié)構(gòu)層次植物樣品的生物量，并采用重鉻酸鉀氧化–外加熱法測定碳素含量[16]。

2.2 土壤樣品采集與有機碳含量的測定

在各標準地中分別設(shè)置3個代表性土壤剖面，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm和60～80 cm采集各層土壤樣品，把相同標準地同一層次土壤按質(zhì)量比例混合，用四分法取樣約1 kg并帶回實驗室，于室內(nèi)自然風干和粉碎過篩后用重鉻酸鉀氧化–外加熱法測定土壤有機碳含量[16]。同時用100 cm3環(huán)刀采集原狀土壤，于實驗室內(nèi)用環(huán)刀法測定土壤密度。

2.3 碳貯量和喬木層碳素年凈固定量的計算

根據(jù)植被層不同結(jié)構(gòu)層次和組分生物量乘以其碳素含量即可得到各組分的碳貯量。土壤碳貯量則是各土層碳素（有機碳）含量、密度及厚度三者乘積之和。人工林碳素總貯存量為各結(jié)構(gòu)層次即喬木層、灌木層、草本層、凋落物層和土壤層碳貯量之和。喬木層碳素年凈固定量為喬木層各器官年平均生物量和其相應(yīng)的碳素含量乘積推算而得。

3 結(jié)果與分析

3.1 西南樺人工林不同結(jié)構(gòu)層次碳素含量

從表1 可以看出，西南樺各器官碳素含量在443.5～475.3 g/kg 之間，平均含量為466.7/kg。各器官碳素含量表現(xiàn)為干材＞樹枝＞樹葉＞樹根＞干皮，但不同器官碳素含量的差異不顯著（P＞0.05）?？紤]到西南樺不同組分生物量分配中干材占主體，樹皮和樹根所占比例均較低，因此從整體來看，表現(xiàn)為地上部分碳素含量高于地下部分。由于喬木層生物量分配中樹葉、樹枝、干材和干皮地上部分。

表1 西南樺各器官碳素含量?Table 1 Carbon content in different component of B. alnoides

從表2可見，西南樺人工林草本層、灌木層和凋落物層的碳素含量分別為442.6 g/kg、427.8 g/kg和450.3 g/kg，其中草本層和灌木層均表現(xiàn)為地上部分碳素含量高于地下部分，與喬木層碳素含量的分配規(guī)律相一致。從林分整體來看，不同結(jié)構(gòu)層次碳素含量表現(xiàn)為喬木層＞灌木層＞草本層，這可能與不同結(jié)構(gòu)層次植物個體高度或組織木質(zhì)化程度的不同而導致其碳素含量存在差異有關(guān)。

西南樺人工林土壤有機碳含量明顯低于人工林其他結(jié)構(gòu)層次，且表現(xiàn)出隨土壤深度增加而明顯下降的趨勢。由于西南樺人工林凋落物較豐富，且主要以容易分解的樹葉為主，凋落物和植物根系分解所形成的有機碳主要聚集在表層土壤，從而造成0～20 cm土層有機碳含量（31.67 g/kg）明顯高于土壤其他土層（6.72 g/kg～15.83g/kg）和整個土壤層平均碳素含量（15.04 g/kg），而隨著土壤深度的增加，相鄰土層間的差異逐漸減少。

表2 林下植被及土壤中碳素含量Table 2 Carbon content in under storey plants and soil

3.2 西南樺人工林碳貯量及其分配

西南樺人工林碳素總貯量包括喬木層、灌木層、草本層、凋落物層和土壤層碳貯量。從表3可見，西南樺人工林總碳貯量為202.41 t/hm2，不同結(jié)構(gòu)層次碳貯量空間分配為：喬木層57.13 t/hm2，占總量的28.22 %；灌木層1.04 t/hm2，占總量的0.51%；草本層0.80 t/hm2，占總量的0.40%；凋落物層為1.92 t/hm2，占總量的0.95 %；林地土壤（0～80 cm）層143.44 t/hm2，占總量的70.87%。喬木層作為森林生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，其碳貯量在不同器官的分配，與各器官的生物量成正比例關(guān)系（表3），其主體部分即樹干的生物量最大，其相應(yīng)的碳貯量（32.89 t/hm2）也最大，占喬木層碳貯量的57.57%；其次是樹根（8.71 t/hm2）、樹枝（7.41 t/hm2）和干皮（6.06 t/hm2），它們的碳貯量依次占喬木層碳貯量的15.25 %、12.97%和10.61 %；樹葉（2.05 t/hm2）最少，僅占喬木層碳貯量的3.59 %。林地土壤作為森林生態(tài)系統(tǒng)極其重要的碳貯存庫，在平衡大氣的CO2有著重要作用。西南樺人工林土壤（0～80 cm）有機碳貯存量為 143.44 t/hm2，隨土層加深而急劇減少，其中0～20 cm土層有機碳貯量（62.07 t/hm2）占土壤層碳貯量的43.27%，分別是20～40、40～60和60～80 cm土層的1.90、2.34和3.42倍。

3.3 西南樺人工林喬木層碳素年凈固定量的估算

由于本研究中喬木層生物量和碳貯量所占整個西南樺人工林生態(tài)系統(tǒng)的比例占絕大部分，林下植被層的生物量和碳貯量所占整個西南樺人工林生態(tài)系統(tǒng)比例均較少，因此本文僅以喬木層碳素年凈固定量進行生態(tài)系統(tǒng)則同化CO2的能力的估算。從表4可以看出，12年生西南樺人工林喬木層年凈生產(chǎn)力為10.20 t/(hm2·a)，年凈碳固定量為4.77 t/(hm2·a)，折合成CO2固定量為17.49 t/(hm2·a)。在林木各器官的碳素年凈固定量的分配中，以干材最大，其年凈固碳量（2.74 t/(hm2·a)）占總碳素年凈固定量的57.44%，最小是樹葉，其年凈固碳量（0.37 t/(hm2·a)）僅占3.56 %。

表3 西南樺人工林生態(tài)系統(tǒng)碳素貯量及其分配Table 3 Carbon storage and spatial distribution in B.alnoides plantation ecosystem

表4 西南樺人工林喬木層碳素年凈固定量Table 4 Annual net carbon fixation of tree in B. alnoides plantation

4 結(jié)論與討論

西南樺各器官中碳素含量范圍在443.5～475.3 g/kg 之間，平均含量為466.7 g/kg，略低于杉木[4]、馬尾松[6]、桉樹[8]和禿杉[17]等樹種平均碳素含量，介于目前對森林生態(tài)系統(tǒng)碳進行估算時多數(shù)研究計算植被有機碳時干物質(zhì)按450 g/kg[18-19]與500 g/kg[20-21]轉(zhuǎn)換率之間。西南樺不同器官碳素含量的變化趨勢為干材＞樹枝＞樹葉＞樹根＞干皮，與杉木[4]、馬尾松[5]、馬占相思[9]厚莢相思[10]、禿杉[17]等樹種各器官碳素含量的排列順序存在一定差異，反映了不同樹種碳素累積與分配特點，這可能與各樹種所具有的不同生理和生態(tài)特性存在一定差異有關(guān)。

12年生西南樺人工林生態(tài)系統(tǒng)碳素貯量為141.05 t/hm2，其中植被層碳貯量為58.97 t/hm2，明顯高于王紹強等[19]對熱帶亞熱帶針葉林植被部分平均碳貯量水平51.73 t/hm2和周玉榮等[21]對落葉闊葉林碳貯量平均水平53.60 t/hm2(碳素含量均以45 %計)的估算，略低于王紹強等[19]對亞熱帶常綠闊葉林碳貯量平均水平61.05 t/hm2，也均高于相近區(qū)域廣西南丹縣山口林場14年生的杉木和禿杉人工林碳貯量（39.78 t/hm2和57.35 t/hm2）[19,22]，以及廣西憑祥市和云南景洪市13年生西南樺人工林碳貯量（30.02 t/hm2和42.18 t/hm2），由于西南樺成熟期在20年生以上，本研究中西南樺年齡僅為12年，因此還將具有較大的碳貯量增長潛力。

本研究區(qū)西南樺人工林土壤較深厚，平均厚度約80 cm，土壤（0～80 cm）總有機碳貯量為143.44 t/hm2，明顯高于我國熱帶林(116. 49 t/hm2)土壤平均碳貯量，也高于略相近區(qū)域廣西南丹縣山口林場14年生的的杉木和禿杉人工林土壤碳貯量（122.06 t/hm2和135.14 t/hm2），但低于我國森林土壤平均碳貯量( 193. 55 t/hm2)和世界土壤平均碳貯量(189. 00 t/hm2)[22]。與其他熱帶樹種人工林相似，西南樺人工林0～20 cm土層有機碳貯量明顯高于其它土層，占整個土壤層（0～80 cm）有機碳貯量的43.27 %，占整個生態(tài)系統(tǒng)碳貯量 %，可見其在整個生態(tài)系統(tǒng)碳貯量中貢獻較大，由于西南樺主要適生于低山和高丘，一般坡度較大，土壤較脆弱，任何引起水土流失的活動如煉山、整地等都很容易導致林地尤其是山地土壤碳素損失。

12年生西南樺人工林喬木層凈生產(chǎn)力為10.20 t/(hm2·a)，其碳素年凈固定量為 4.77 t/(hm2·a)，折合成CO2為17.49 t/(hm2·a)。研究表明，相近區(qū)域廣西南丹縣山口林場11和14年生杉木人工林喬木層碳素年凈固定量分別為2.39 t/(hm2·a)和3.29 t/(hm2·a)[23]，相同林分年齡的禿杉人工林和禿杉人工林相應(yīng)為 4.30 t/(hm2·a)和 4.64 t/(hm2·a)[17]；湖南會同速生階段（11年生）杉木人工林為3.124 t/(hm2·a)[4]；廣西憑祥市[24]和云南景洪市[25]13年生西南樺人工林喬木層碳素年凈固定量分別為2.20 t/(hm2·a)和 3.99 t/(hm2·a)；我國落葉闊葉林平均 4.60 t/(hm2·a)；中國森林平均值為 5.54 t/(hm2·a)。由此可見，西南樺人工林的碳素固定速度較快，而由于本研究中西南樺人工林處于速生階段，還具有較大的碳匯潛力，加上西南樺人工林生物多樣性較豐富，并兼具涵養(yǎng)水源、維持地力等功能。因此，西南樺不僅是熱帶、南亞熱帶地區(qū)速生珍貴用材樹種，同時也是碳匯功能高效的生態(tài)公益林樹種。

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Carbon storage and distribution of Betula alnoides plantation at fast growing stage

HUANG Bi-chang1, HE Bin2, ZHOU Yan-ping1, HE Shu-min2, LIAO Qian-yuan2, LI Yuan-hang2, SHU Fan2
(1. Linduo Forset Farm of Tiane County, Tiane 547300, Guangxi, China; 2. Guangxi University, Nanning 530004, Guangxi, China)

Betula alnoidesis a species with fast growth and high-quality timber, which is distributed in tropical, warm sub-tropical zones in China. It is of great ecological and economic value. The content, storage and distribution of carbon inB. alnoidesplantation at fast growing stage(12-year-old) were investigated in Tiane Linduo forestry farm of Guangxi, China. The results showed that carbon content in different organs ofB. alnoidestrees ranged from 443.5 g/kg to 475.3 g/kg, which was in order as follow: stem＞branch＞root＞leaf＞bark. The carbon content in shrub, herb, litter fl oor were 442.6.9 g/kg, 427.8 g/kg and 450.3 g/kg, respectively. Carbon content in the soil（0 ～ 80）was 15.04 g/kg, and the surface soil（0 ～ 20 cm） was obviously higher than that of other soil. The total carbon storage inB. alnoidesplantation ecosystems amounted to 202.41 t/hm2, of which overstorey ofB. alnoidestrees stored 57.13 t/hm2and accounted for 28.22%, and under-storey plant stored 1.84 t/hm2and accounted for 0.91%，and litter fl oor 1.92 t/hm2and accounted for 0.95%, and soil stored 143.44 t/hm2and accounted for 70.87%. The annual net productivity ofB. alnoidestrees was 10.20 t/(hm2·a), and annual net carbon fi xation was up to 4.77 t/(hm2·a), amounted CO2to 17.49 t CO2t/(hm2·a).

Betula alnoidesplantation; carbon content; carbon storage; carbon distribution

S718.55

A

1673-923X(2016)02-0079-05

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.02.015

http: //qks.csuft.edu.cn

2014-06-30

國家自然科學基金項目（31160152）；廣西“十一五”林業(yè)科學研究項目（桂林科字[2007]第15號）

黃弼昌，工程師

何 斌，教授；E-mail：hebin125@sina.com

黃弼昌，何 斌，周燕萍，等. 速生階段西南樺人工林碳貯量及其分布格局[J].中南林業(yè)科技大學學報, 2016,36(2):79-83.

[本文編校：吳 彬]