李永進，湯玉喜，唐 潔，楊 艷，吳 敏

（湖南省林業(yè)科學院，湖南 長沙 410004）

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳庫的主體，森林生物量占全球陸地植被總生物量的85%～90%，它在儲存CO2、調節(jié)溫室氣體濃度上升以及維護全球氣候等方面起著重要作用。當前，隨著人工林碳蓄積量的持續(xù)增長，人工林在固碳增匯及減緩氣候變化方面的作用越來越受到重視[1-5]。

近年來諸多學者對不同樹種人工林的碳含量、碳貯量及其空間分布格局進行了深入研究，為森林碳匯功能的研究做出了積極貢獻[6-20]；有些學者對不同造林模式和不同林齡的人工林生物量和碳貯量進行了研究，發(fā)現造林模式和林齡對人工林碳貯量有重要影響。何友均等[21]研究發(fā)現西南樺純林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量高于西南樺×紅錐混交林；田大倫等[22]和楊玉嬌等[23]認為森林生態(tài)系統(tǒng)的植被碳庫及其喬木層碳密度隨林齡增大而增加，而張明陽等[24]對桂西北森林植被碳庫過熟林研究認為林分平均碳密度有不同程度的降低趨勢；田杰等[25]研究了遼東山區(qū)典型森林生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)現灌木層碳密度隨林齡增加而減小，草本層則無明顯規(guī)律；史山丹等[26]對大興安嶺南部溫帶山楊Populus davidiana天然次生林研究發(fā)現林下植被層碳密度隨林齡呈線性增加。另外，有研究[27-28]表明，土壤碳庫在林齡序列上沒有明顯的規(guī)律性，而田大倫等[22]研究認為湘潭錳礦廢棄地不同林齡欒樹Koelreuteria paniclata人工林土壤碳密度隨林齡的增加而穩(wěn)定增加。由此可見，造林模式對人工林碳貯量究竟會產生怎樣的影響尚未得出一致的結論，有必要進一步研究。

湖南省屬于典型的亞熱帶季風氣候區(qū)，森林資源豐富，針對馬尾松Pinus massioniana、杉木Cunninghamia lanceolata、木荷Schima superba、香樟Cinnamomum camphora等人工純林及混交林的生物量和碳貯量已開展了一些研究。劉曦喬等[29]利用湖南省2014年森林資源二類調查結果研究了湖南省森林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量、碳密度及其空間分布特征；劉兆丹等[30]利用湖南省4 次森林資源清查數據，研究了近20 a 來湖南省森林植被碳儲量、碳密度的動態(tài)特征；李斌等[31]對湖南省杉木林植被碳貯量、碳密度及碳吸存潛力進行了分析。然而對于不同造林模式幼齡混交人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳貯量及分配格局的研究還較少[32-34]。因此，本研究對中亞熱帶8 種珍貴鄉(xiāng)土樹種混交幼齡人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其分配特征進行了比較研究，揭示不同造林模式初期林分碳儲量隨林齡的動態(tài)變化，為區(qū)域尺度上深入地認識和科學地評估不同經營模式的人工林固碳能力和潛力提供基礎數據和理論依據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于郴州市資興市程水鎮(zhèn)（25°97′N，113°23′E），屬大陸性中亞熱帶季風濕潤氣候，年降水量1 350 ～1 450 mm，森林覆蓋率達59.57%。森林植被以針葉林、常綠闊葉林和竹林為主，常綠闊葉樹種主要包括木蘭科Magnoliaceae、樟科Lauraceae、殼斗科Fagaceae、茶科Theaceae、杜英科Elaeocarpaceae、金縷梅科Hamamelidaceae 等，土壤以紅壤為主。

試驗地設在范仙嶺，于2013年以香樟、楓香Liquidambar formosana、木荷、杜英Elaeocarpus sylvestris、楠木Phoebe zhennan、馬褂木Liriodendron chinense、杉木、櫸木Fagus sylvatica等鄉(xiāng)土樹種營造了珍貴樹種與一般闊葉樹種混交林和一般闊葉樹種混交林，4 種混交林是在杉木人工林皆伐煉山后，經塊狀整地營建的行間混交人工幼林，混交比例為1 ∶1，林分基本情況見表1。林下灌草層主要是拔葜Smilax china、鹽膚木Rhus chinensis、芒草Miscanthus、豐花草Borreria stricta、雞血藤Millettia reticuiata、鐵線蕨Adiantum flabellulatum等。

2 材料與方法

2.1 樣品取樣

2017年9月，在4 種混交林中，選取坡面均勻、人為干擾相對較少的區(qū)域，按坡位分別隨機設置4個20 m×20 m 樣地，共計16 個樣地。對每個樣方內的樹木進行每木檢尺，記錄胸徑和樹高，統(tǒng)計株數，并分葉、枝、干、根4 個器官取樣并帶回實驗室[35]。

在每個20 m×20 m 樣方中的左上角和右下角選取2 個5 m×5 m 小樣方，記錄小樣方內灌木和草本植物的種類，并采用收獲法測定地上和地下部分生物量，將同種植物相同器官混合取樣300 g 左右，每個植物樣品取4 份帶回實驗室，在85 ℃下烘干至恒質量，稱質量。在每個20 m×20 m 樣方中的4 個角落各選取1 個1 m×1 m 小樣方，測定枯落物現存量，并按不同組分取樣各200 g 左右，用于含水率和碳含量的測定。

在各樣方隨機挖取3 個土壤剖面，沿剖面按0 ～10、10 ～30、30 ～50 和50 ～100 cm 采 集樣品，用環(huán)刀取各個土層的原狀土，用于測定土壤容重；同一層土鉆取樣約200 g，混合均勻后帶回實驗室，用于土壤有機碳的測定。

2.2 生物量的估算

由于目前尚無針對幼齡林建立的生物量回歸方程，故每種混交人工林每個樹種選取6株標準木，然后分層截取實測標準木的干、枝、葉和根等組分的鮮質量，同時分別采集各組分的分析樣品，在80 ℃恒溫干燥箱中烘至恒質量，求出含水量，將各組分的鮮質量換算成干質量，通過標準木的平均生物量乘以林分株數估算出整個林分的生物量。

2.3 樣品C 含量的測定

利用C/N 分析儀（Vario MAX）進行喬木各器官、灌木和草本地上部分、草本地下部分和枯落物樣品碳含量的測定。土壤有機碳測定采用重鉻酸鉀滴定法。

2.4 碳密度及碳貯量的估算

植被部分（喬木層、灌草層和凋落物層）碳貯量采用各部分生物量與其含碳率之積進行計算。

土壤層（0 ～100 cm）碳密度為各土層碳密度之和，某一土層的有機碳密度（Si，g /cm2）計算公式[36]為：

式中：Ci為土壤含碳率（%）；Di為土壤容重（g/cm3）；Ei為土壤厚度（cm）；Gi為直徑＞2 mm 的石礫所占的體積百分比（%）；i代表某一土層。因研究區(qū)整個土壤剖面直徑＞2 mm 的石礫極少，所以公式中Gi為0。

2.5 數據處理

采用Excel2010 和SPSS13.0 軟件對數據進行統(tǒng)計與分析。

3 結果與分析

3.1 不同人工混交林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳含量

3.1.1 喬木層碳含量

5年生8 種幼樹不同器官碳含量不同（表2），樹干碳含量在454.7 ～500.0 g/kg 之間，樹枝碳含量在426.0 ～474.0 g/kg 之間，樹葉碳含量在448.4 ～495.8 g/kg 之間，樹根碳含量在436.0 ～490.4 g/kg 之間；相同樹種不同器官碳含量也存在不同，其中杉木、馬褂木、楓香器官碳含量為樹干＞樹葉＞樹根＞樹枝，香樟、楠木、木荷器官碳含量為樹葉＞樹干＞樹根＞樹枝，櫸木器官碳含量為樹干＞樹枝＞樹根＞樹葉，杜英器官碳含量為樹葉＞樹枝＞樹干＞樹根。方差分析表明：不同樹種相同器官和相同樹種不同器官的碳含量存在顯著性差異（P＜0.05）。從整體上看，杉木碳含量最高，為490.1 g/kg；木荷和楓香最低，為449.4 g/kg 和449.8 g/kg。

表2 不同樹種各器官的碳含量?Table2 Carbon contents in different organs of different tree species (g/kg)

3.1.2 林下植被和枯落物碳含量

從表3可知，各混交林碳含量均以灌木層最高，枯落物層次之，草本層最低，且灌木層和草本層地上部分碳含量均高于地下部分。不同混交林分間，馬褂木×香樟×楓香×木荷混交林灌木層、草本層和枯落物層的碳含量最高，馬褂木×櫸木×杜英混交次之，杉木×馬褂木×楠木×楓香混交林最低。方差分析表明：各混交林間的灌木層和枯落物層碳含量無顯著差異，但二者的碳含量與草本層存在顯著差異（P＜0.05）。從整體上看，4 個混交林林下植被和枯落物碳含量間也無顯著性差異。

3.1.3 土壤層碳含量

由表4可知，4 種混交林林分土壤碳含量中以0 ～10 cm 土層為最高，在23.9 ～25.5 g/kg 之間；50 ～100 cm 最低，在8.9 ～9.9 g/kg 之間。隨著土層深度的增加，土壤碳含量逐漸減少。在不同林分同一土層中，0 ～10 cm 和30 ～50 cm 的土壤碳含量無明顯差別（P＞0.05），而10 ～30 cm 和50 ～100 cm 的土壤碳含量存在顯著性差異（P＜0.05）。不同林分平均土壤碳含量無顯著性差別（P＞0.05）。

表3 林下植被和枯落物的碳含量?Table3 Carbon contents in under-story vegetation and litters of different stands (g/kg)

表4 林分各層土壤碳含量?Table4 Carbon contents in soil layers of different stands (g/kg)

3.2 4 種混交人工林生態(tài)系統(tǒng)各組分碳貯量及其分配

3.2.1 喬木層碳貯量及其分配

由圖1可知，不同林分喬木層各器官碳貯量的分配順序為樹干＞樹根＞樹枝＞樹葉（杉木×香樟×楠木混交幼林除外），其中樹干占整個喬木層碳貯量的45.45%～58.64%。在4 種混交幼林之間，樹干、樹枝、樹葉、樹根碳貯量的分配情況均不相同，其中馬褂木×香樟×楓香×木荷混交林的樹干、樹根碳貯量最高。從整體上看，馬褂木×香樟×楓香×木荷混交幼林的喬木層碳貯量最高（7.03 t/hm2），是馬褂木×櫸木×杜英混交幼林的1.5 倍，是杉木混交幼林的1.2 ～1.4 倍?？梢? 種混交幼林中，馬褂木×香樟×楓香×木荷混交幼林有利于喬木生物量的生長和碳的累積。

圖1 喬木層各器官碳貯藏及其分配Fig.1 Carbon storage and distribution of various organs in arbor layer

3.2.2 林下植被和枯落物碳貯量及其分配

由圖2可知，不同林分間各層碳貯量存在顯著性差異（P＜0.05），其中灌木層、草本層以馬褂木×櫸木×杜英碳貯量最高，杉木×馬褂木×楠木×楓香的碳貯量最低，而各混交林枯落物碳貯量差別不大。各林分中層次間碳貯量分配順序也有所差異，其分配順序為草本層＞枯落物層＞灌木層。各林分林下植被和枯落物總碳貯量大小順序為馬褂木×櫸木×杜英＞杉木×香樟×楠木＞馬褂木×香樟×楓香×木荷＞杉木×馬褂木×楠木×楓香。

圖2 林下植被及枯落物碳貯藏及其分配 Fig.2 Carbon storage and distribution of under-story vegetation and litters

3.2.3 土壤層碳貯量及其分配

由圖3可知，4 種混交幼林土壤平均碳貯量的空間分布基本一致，均隨土層深度（以每10 cm 計）增加而降低，變化趨勢與土壤碳含量隨土層深度的變化一致。4 種混交林土壤碳貯量主要集中在0 ～30 cm 的表層土，分別占0 ～100 cm 土壤總碳貯量的43.53%、44.01%、45.97% 和47.73%，且各林分0 ～10 cm 和30 ～50 cm 土壤碳貯量無顯著性差異。

不同混交幼林的土壤碳貯量為153.43 ～156.23 t/hm2，各混交幼林土壤總碳儲量（0 ～100 cm）的順序為馬褂木×香樟×楓香×木荷＞馬褂木×櫸木×杜英＞杉木×香樟×楠木＞杉木×馬褂木×楠木×楓香。方差分析表明，杉木×馬褂木×楠木×楓香混交幼林土壤碳貯量與其他混交幼林存在顯著性差異（P＜0.05）。

3.3 人工混交林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量及其分配

圖3 土壤層碳貯藏及其分配 Fig.3 Carbon storage and distribution in different soil layers

圖4 人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯藏及其分配 Fig.4 Carbon storage and distribution of plantation ecosystem

由圖4可知，4 種人工混交幼林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量分別為167.06、165.72、162.97 和160.97 t/hm2，其中馬褂木×香樟×楓香×木荷混交幼林的碳貯量最高，為167.06 t/hm2，但與其他3 種混交幼林碳貯量相差不大，且隨著林齡的增長，人工林碳儲量的積累還有待進一步研究。而不同林分相同組分碳貯量在生態(tài)系統(tǒng)分配上存在差別，其中土壤層是各個混交幼林的主要碳庫，分別占各人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的94.65%、93.31%、92.92%和93.56%，而喬木層、林下植被層的碳貯量均低于5%（圖4）。

4 結論與討論

IPCC 在 2003年出版的《土地利用、土地利用變化和林業(yè)優(yōu)良做法指南》中，將全球森林植被碳質量分數的缺省值定為 0.5。但是，如果采用0.5 的轉換系數，勢必會在一定程度上低估或高估本區(qū)域常綠闊葉林的碳儲量。本研究結果表明，由于樹種組成以及種群結構的不同，同一氣候區(qū)不同模式人工林生態(tài)系統(tǒng)植被層各層次碳含量有較明顯的層次規(guī)律及隨植物個體高度或組織木質化程度的降低，其碳素含量相應減少的趨勢[35-37]，具體表現為喬木層＞灌木層＞草本層，其中5年生幼林林分喬木層杉木碳含量最高，為490.1 g/kg，木荷最低，僅為449.4 g/kg；而林下植被和枯落物碳含量間無顯著性差異，且灌木層和草本層地上部分碳含量均高于地下部分，顯示出葉片作為光合作用的主要器官，在碳素同化中的重要性。另外，由于樹種器官的生理性差異原因，相同樹種不同器官和不同樹種相同器官的碳含量存在顯著性差異（P＜0.05） ，這與王衛(wèi)霞等[35]、宮超等[36]和何琴飛等[38]的研究結果基本一致。幼齡混交林分平均土壤碳含量無顯著性差別（P＞0.05），且土壤碳含量中以0 ～10 cm 土層為最高，在23.9 ～25.5 g/kg 之間，這與樣地位置在同一區(qū)域有關。

不同幼齡混交林分喬木層各器官碳貯量存在較大差異，其中樹干碳貯量最大，占整個喬木層碳貯量的45.45%～58.64%，主要由于該混交幼齡林各樹種生理特性可充分利用林內的光、水等資源，有利于喬木生物量的生長和碳素的累積，提高了林分生物量，而生物量是確定森林植被層碳儲量的關鍵因素，這與王祖華等[39]研究南京城市森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量和碳密度的結果相一致。從整體上看，在4 種混交幼林中，馬褂木×香樟×楓香× 木荷混交幼林喬木層碳貯量最高，為7.03 t/hm2，是馬褂木×櫸木×杜英混交幼林的1.5 倍，但明顯低于湖南省森林植被層平均碳密度15.68 t/hm2，這與王效科等[40]的研究結果相一致。

在4 種人工混交幼林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量中，香樟×馬褂木×楓香×木荷混交幼林的碳貯量為167.06 t/hm2，略高于其他3 種混交幼林。其中土壤層是各個混交幼林的主要碳庫，介于153.43 ～156.23 t/hm2之間，占各人工林生態(tài)系統(tǒng)碳貯量的92%以上，但遠小于中國森林土壤平均碳儲量（193.55 t/hm2）和世界平均碳儲量（189.00 t/hm2），且土壤碳儲量隨土層深度的增加呈逐漸下降的趨勢，主要集中在0 ～30 cm 土層，土壤碳貯量占0 ～100 cm 土壤碳貯量的43.53%～47.73%，這與黃鈺輝等[41]、田耀武等[42]的研究結果一致。這與該地區(qū)降水豐富、氣溫高、生物地球化學循環(huán)旺盛有關，有利于有機物質的分解，但不利于土壤碳素的積累，土壤抗侵蝕性差且易發(fā)生水土流失，土壤碳儲量遠低于高緯度地區(qū)以及我國森林土壤碳儲量的平均水平。另外，本研究研究尺度較小、研究時間較短以及數據估算基于野外樣方調查數據和標準木測量可能存在一定局限性，今后將在省級區(qū)域尺度下開展不同造林模式和不同林齡的人工林碳貯量和碳密度的空間分布動態(tài)及固碳潛力進行評估，為區(qū)域尺度上深入地認識和科學地評估不同經營模式的人工林固碳能力和潛力提供基礎數據和理論依據。