張凌愷,王 妍,趙艷霞,鄭振華,沈會濤
(1.西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650224;2.河北省科學(xué)院 地理科學(xué)研究所/河北省地理信息開發(fā)應(yīng)用工程技術(shù)研究中心,河北 石家莊 050011)
人類活動導(dǎo)致的全球氣候變化,嚴(yán)重影響了生態(tài)系統(tǒng)碳平衡[1],實施固碳減排來緩解氣候變暖已成為國際社會的共識[2-4]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中,植被地上和地下之間的碳分配過程受氣候因素、立地條件、森林類型、森林經(jīng)營管理、林齡結(jié)構(gòu)等因素的影響[5-6],尤其是樹種和林齡對估算區(qū)域尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量尤為重要[7-9]。近年來,在區(qū)域尺度上對不同樹種、不同林齡人工林碳儲量及其分配特征開展了大量研究,如紅云杉(Picea rubens)[8]、黃松(Pinus ponderosa)[9]、日本落葉松(Larix kaempferi)[10]、油松(Pinus tabuliformis)[11]等。已有結(jié)果表明,人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及植被碳儲量隨林齡增長呈增加趨勢[12-13]。而對于土壤碳儲量,隨演替進(jìn)行,表現(xiàn)為碳積累[14-15]、不變[16]或先減少后增加[17]的變化過程。
根據(jù)第九次全國森林資源清查結(jié)果,我國現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)林面積2 094.2萬hm2,占全國林地森林面積的9.6%[18]。經(jīng)濟(jì)林在積極發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益的同時,對支撐生態(tài)環(huán)境等方面的作用也不容忽視。已有學(xué)者針對不同種植年限的水果類經(jīng)濟(jì)林碳庫變化特征開展了研究,如甘卓亭等[19]對蘋果(Malus domestica)園不同林齡的土壤碳庫變化規(guī)律進(jìn)行了分析,徐超[20]對不同種植年限的庫爾勒香梨(Pyrus brestschneideri)園土壤有機碳儲量進(jìn)行了研究,沈會濤等[13]研究了不同林齡杏樹(Armeniaca vulgaris)林碳儲量及其分配特征,而對干果類經(jīng)濟(jì)林碳儲量在時間序列上的變化鮮有報道。本研究利用空間代替時間的方法,選擇燕山南麓不同林齡階段的板栗(Castanea mollissima)人工林為研究對象,通過野外調(diào)查與室內(nèi)實驗相結(jié)合的方法,測定板栗林不同組分和土壤層的碳含量,研究碳儲量及分配特征隨林齡的變化規(guī)律,既可豐富我國經(jīng)果林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量研究,也可為區(qū)域尺度精確測算經(jīng)果林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)參考。
研究區(qū)位于河北省遷西縣北部的漢兒莊鄉(xiāng),地處燕山沉降帶東段南緣的低山丘陵區(qū),以中低山、高丘為主。氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶园霛駶櫟募撅L(fēng)氣候,季節(jié)特征明顯。年均氣溫為10.1 ℃,最熱月7月和最冷月1月的月均氣溫分別為25 ℃和-7.8 ℃。年均降水量為804.2 mm,降水主要集中在夏季,占全年降水總量的75%。該區(qū)土壤層較厚約100~120 cm,以褐土為主,有機質(zhì)含量高,透氣性和透水性好,自然肥力高,為板栗生長提供了絕佳的條件[21]。
1.2.1 樣地設(shè)置 野外調(diào)查于2018年10月進(jìn)行。根據(jù)當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門提供的資料,并結(jié)合野外踏查,研究區(qū)內(nèi)板栗林林齡大多介于3~18年之間?;诖耍狙芯窟x取立地條件基本一致、不同栽植年代(4,8,12和16年)的板栗林為研究對象,每個林齡各隨機設(shè)置3個喬木樣地(20 m ×20 m)。測定樣地內(nèi)各株板栗的基徑(樹高1.3 m以下長出樹杈,胸徑無法測量)、樹高等特征,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計,基本特征見表1。
表1 不同林齡板栗林基本特征Table 1 General information of chestnut plantation stands
1.2.2 野外調(diào)查與碳含量測定 生物量測定及采樣:根據(jù)每木檢尺數(shù)據(jù),在每塊樣地周圍選擇與平均基徑和樹高接近的標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行生物量測定。每個林齡選擇3株板栗標(biāo)準(zhǔn)木,共12株,分別稱重干、枝、葉鮮生物量(采樣期內(nèi),當(dāng)?shù)亓洲r(nóng)已對果實進(jìn)行收獲,因此本研究數(shù)據(jù)不含此部分);采用全挖法獲取根系生物量,但不包含< 5 mm樹根部分[22]。同時取部分樣品帶回實驗室,在85 ℃下烘干至恒重,并測定其含水率,換算干重生物量。由于板栗樹樹高受人為剪枝等影響,本研究采用基于基徑(D)為自變量的冪函數(shù)模型[23],計算喬木層各器官生物量(表2),進(jìn)而推算整個樣地林木的生物量。此外,4年板栗林間作玉米,調(diào)研期內(nèi)已完成收獲并翻耕;8、12和16年板栗林在管理過程中受采摘、除草和翻耕等人為影響,樣地內(nèi)草本層和枯落物層較少,所以均未進(jìn)行采樣。
表2 板栗單株生物量方程Table 2 Biomass estimation equations for chestnut trees
土壤層采樣:在樣地內(nèi),隨機挖掘3個土壤剖面,按0~20 cm、20~40 cm、40~60 cm和60~100 cm分層采用環(huán)刀法測定土壤容重;每層獲取土壤樣品約300 g,帶回實驗室,在室溫自然風(fēng)干,用于土壤碳含量測定[4]。
碳含量測定:將烘干的植物樣品和風(fēng)干的土壤樣品粉碎,并過土壤篩(60目),進(jìn)行碳含量測定。有機碳含量均采用重鉻酸鉀氧化外加熱法[24]。
1.2.3 碳儲量計算
喬木層碳儲量[13]計算公式:
式中:TAOC為喬木層總有機碳儲量(Mg/hm2);Ci為不同組分(樹根、樹干、樹枝和樹葉)有機碳含量(Mg/Mg);Bi為對應(yīng)部分碳生物量(Mg/hm2)[13]。
通過以下公式計算土壤有機碳儲量[11]:
式中:TSOC為土壤層總碳儲量(Mg/hm2);SOCi為第i土 層有機碳 含量(g/kg);Di為第i層土層厚度(cm);BDi為第i層土壤平均容重(g/cm3);Ri為第i層土壤中直徑≥2 mm礫石所占體積百分比(%)[11]。
生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量是喬木層和土壤層碳儲量之和。
利用SPSS 18.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,采用單因素(one-way ANOVA)和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較(α= 0.05);利用Excel 2010進(jìn)行作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差。
2.1.1 喬木層碳含量 不同林齡板栗林不同組分碳含量在429.6~465.4 g/kg(圖1)。樹干碳含量隨著林齡的增長呈減小趨勢,4 年樹干碳含量顯著高于16年林齡(P<0.05)。林齡對樹根、樹枝和樹葉的碳含量的影響差異不顯著:隨林齡的增長,樹根和樹葉碳含量呈增加趨勢;樹枝碳含量則呈減小趨勢。樹干平均碳含量最高,樹根最低,大小順序為:樹枝(456.3 g/kg)>樹干(456.0 g/kg)>樹葉(438.1 g/kg)>樹根(434.3 g/kg)。
圖1 不同林齡板栗林喬木層各組分碳含量Fig.1 Carbon contents in different organs of chestnut plantations at different stand ages
2.1.2 喬木層碳儲量 4、8、12和16年板栗林喬木層生物量分別是0.60±0.12、8.55±1.64、18.11±1.64和21.09±2.36 Mg/hm2(表3)。隨林齡增長,樹根、樹枝和樹葉生物量分配比例呈減少趨勢,樹干生物量則呈增加趨勢(圖2)。
圖2 不同林齡板栗林喬木層不同組分生物量的分配比例Fig. 2 Biomass allocation of different organs in arbor layer of chestnut plantations at different stand ages
喬木層不同組分碳儲量隨林齡的增長而顯著增加(P<0.05)(表3)。4、8、12和16年板栗林喬木層碳儲量分別是(0.27 ± 0.05)、(3.83 ± 0.68)、(8.09 ± 0.79)和(8.95 ± 1.17) Mg/hm2。除4年板栗林外,其他林齡不同組分碳儲量排序為樹干(42.5%~50.2%)>樹 根(25.5%~28.9%)>樹枝(12.9%~21.9%)>樹葉(8.1%~9.9%)。林齡對喬木層不同組分碳儲量分配比例有顯著影響,樹根和樹葉碳儲量分配比例從4年的39.8%和15.9%分別下降到28.9%和8.2%;樹干的變化趨勢正好相反,其碳儲量所占比例由4年的31.3%增加到16年的50.0%;樹枝碳儲量分配比例隨林齡增加未發(fā)現(xiàn)明顯變化。
表3 不同林齡板栗林各組分的生物量和碳儲量(平均值± 標(biāo)準(zhǔn)偏差)Table 3 Biomass and carbon storage of various components of chestnut plantations at different stand ages Mg/hm2
2.2.1 土壤層碳含量 從圖3可以看出,不同林齡板栗林土壤層碳含量在1.42~8.16 g/kg。除20~40 cm土層外,不同林齡各土層碳含量差異顯著(P<0.05)。由于4年板栗林間作玉米,受人為干擾(施肥、翻耕等)影響較大,0~100 cm土壤層碳含量高于8和12 年板栗林;8、12和16年板栗林各土層碳含量隨林齡的增長呈增加趨勢。從土壤層有機碳含量的垂直分布來看,表層(0~20 cm)土壤碳含量顯著高于下層土壤,并隨著土層深度的增加土壤碳含量呈下降趨勢,但不同土壤層碳含量差異逐漸降低。
圖3 不同林齡板栗林各土壤層有機碳含量Fig.3 Soil organic carbon contents in different soil layers of chestnut plantations at different stand ages
2.2.2 土壤層碳儲量 4、8、12和16年板栗林各土壤層碳儲量呈先減少在增加的趨勢(圖4),主要是由于4年板栗林間作農(nóng)作物,施肥、翻耕等人類活動造成土壤有機碳含量增加,從而導(dǎo)致土壤層碳儲量也較大。除20~40 cm土層外,各土壤層碳儲量在不同林齡間差異顯著(P<0.05)。土層深度對不同林齡板栗林土壤碳儲量影響顯著;不同林齡土壤碳儲量隨土層深度增加表現(xiàn)出先減少后增加的趨勢,40~60 cm土層碳儲量最低。0~40 cm土層碳儲量占0~100 cm土層總碳儲量的55.2%~66.4%,對土壤總碳儲量的貢獻(xiàn)較大。
圖4 不同林齡板栗林各土壤層碳儲量Fig.4 Soil carbon storage in chestnut plantations at different stand ages
不同林齡板栗林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量在49.523~67.528 Mg/hm2(表4),板栗林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量受林齡影響顯著(P<0.05)。喬木層碳儲量隨林齡增長呈增加趨勢;土壤層碳儲量則呈先減少后增加趨勢。4、8、12和16年板栗林喬木層碳儲量占生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量的比例依次是0.4%、7.7%、13.8%和13.3%,隨林齡的增長而增大;板栗林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量主要集中在土壤層(86.2%~99.6%),隨著林齡的增加土壤層碳儲量分配比例呈逐漸降低趨勢,分配比例與隨林齡的變化特征與喬木層相反。
表4 板栗林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其分配格局Table 4 Carbon storage and allocation pattern in chestnut plantation ecosystem Mg/hm2
樹齡是影響人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化的重要因素[7,10],已有研究表明,在寒溫帶[4]、溫帶[25]、亞熱帶[26]和熱帶[27]地區(qū)的人工林生態(tài)系統(tǒng)中,植被碳儲量隨林齡增長增加的趨勢普遍存在。本研究中,隨林齡增長,板栗林喬木層碳儲量呈顯著增加趨勢(P<0.05),4、8、12和16年板栗林喬木層碳儲量分別為0.60、8.55、18.11和21.09 Mg/hm2,與黃土丘陵區(qū)刺槐(Robinia pseudoacacia)人工林(9~17年)喬木層碳儲量(11.7~12.9 Mg/hm2)[24]及岷江干旱河谷岷江柏(Cupressus chengiana)人 工 林(4~13年)喬 木 層 碳 儲 量(0.163~14.01 Mg/hm2)[28]相近。與其他經(jīng)果林碳儲量相比,本研究中8年板栗林喬木層碳儲量(8.55 Mg/hm2)高于福建7年柑橘(Citrus reticulata)園喬木層碳儲量(4.75 Mg/hm2)[29],但低于上海7年柑橘園喬木層碳儲量(23.54 Mg/hm2)和桃園喬木層碳儲量(15.91 Mg/hm2)[30]。這種差異不僅受樹種組成、林齡等生物因素的影響,還受區(qū)域氣候、光照條件及森林管理等非生物因素的制約[7]。此外,板栗林在其生長過程中,碳循環(huán)過程受經(jīng)營管理(間作、間伐、除草、修剪和果實收獲等)的影響,雜草、枯落物和果實被帶走[31],導(dǎo)致本研究結(jié)果低于實際碳儲量。此外,4~16年板栗林喬木層各組分碳儲量分配比例隨林齡增長而變化。4年板栗林樹根碳儲量占喬木層碳儲量的39.8 %;而8、12和16年板栗林樹干碳儲量占喬木層碳儲量分別達(dá)到了42.5 %、50.2 %和50.0 %,與其他器官相比,均達(dá)到了極顯著性差異。艾澤民等[24]、胡亞林等[32]研究結(jié)果均表明,人工林喬木層碳儲量以樹干所占比例最多。喬木層不同組分碳儲量分配比例變化可以歸因于樹木個體生長規(guī)律的差異性,是樹木個體及與環(huán)境長期適應(yīng)的結(jié)果[13]。
土壤碳儲量隨林齡的變化具有不確定性,受氣候條件、植被覆蓋、地形特征、人類活動等多種因素制約[33]。本研究中,土壤碳儲量隨林齡的增長表現(xiàn)為先降低再增加的變化趨勢,主要原因是4年板栗林因樹體較小,無果業(yè)經(jīng)濟(jì)效益,間作(玉米)是該階段提高經(jīng)果林收入主要途徑;與其他林齡相比,4年板栗林的土地利用方式處于果(樹)、農(nóng)(作物)二元利用型階段,施肥、翻耕等人類活動造成碳輸入較大,土壤層碳儲量較高。進(jìn)入掛果期后,植被冠幅增大,林內(nèi)停止間作農(nóng)作物,外源性碳輸入減少,造成土壤層碳儲量降低;隨著林齡增加,林內(nèi)凋落物、根系等腐爛等進(jìn)入土壤,表現(xiàn)為碳積累過程。此外,相比于深層土壤,表層土壤更容易受到干擾等因素的影響[4,16],故其變異也更大。因此,在討論隨林齡增長土壤碳儲量的變化格局時,原有的土地利用方式是一個重要因素[4]。
本研究中,板栗林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量變化范圍為49.523~67.528 Mg/hm2;人工管理措施下,隨林齡增長,板栗林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量表現(xiàn)出先下降后增加的趨勢。而對格木(Erythrophleum fordii)[12]、刺槐[24]和岷江柏[29]等人工林的研究表明,生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量隨林齡增長呈增加趨勢;秦嶺南坡東段油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量隨林齡的增長呈先增加后下降的趨勢[11]。這說明在不同的研究區(qū),森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量不僅受不同生長階段個體生長發(fā)育的影響,同時受氣候條件以及經(jīng)營管理方式的影響[14,34]。板栗林喬木層碳儲量占生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量的0.4%~13.3%,隨林齡的增長,分配比例呈增加趨勢,而土壤層碳儲量分配比例呈降低趨勢[13],土壤碳儲量遠(yuǎn)高于植被層碳儲量,這與花椒 林(Zanthoxylum bungeanum)[7]、馬 尾 松 林(P.massoniana)[34]和油茶林(Camellia oleifera)[35]等人工林生態(tài)系統(tǒng)的研究結(jié)果一致。
林分密度是決定林分結(jié)構(gòu)的重要因素,已有研究表明,植被碳儲量隨林分密度增加、減少、無顯著差異三種變化趨勢,產(chǎn)生差異的原因可能是與研究林分密度的范圍、調(diào)查樣本的數(shù)量、時間跨度等有關(guān)[36]。但對于研究區(qū)域的板栗林而言,林農(nóng)在其經(jīng)營過程中,林分密度控制在當(dāng)下林齡所能適應(yīng)的最適林分密度范圍,因此無法判斷林分密度對碳儲量變化規(guī)律的影響,只有選擇相同林齡由低到高多種密度的林分進(jìn)行對比才會得到較完整的規(guī)律[37]。
(1)板栗林喬木層不同組分碳含量在429.6~465.4 g/kg之間;不同林齡樹干碳含量之間有顯著差異(P<0.05);不同林齡樹根、樹枝和樹葉碳含量無明顯差異。在人工經(jīng)營措施下,隨林齡的增長,土壤層(0~100 cm)碳含量呈先降低后升高的變化趨勢,并且隨土壤深度的增加而降低。
(2)板栗林喬木層碳儲量隨林齡的增長呈顯著增加趨勢(P<0.05);在不同管理措施下,4、8、12和16年板栗林土壤層和生態(tài)系統(tǒng)碳儲量均呈先降低后增加趨勢;土壤層碳儲量占生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量的86.2%~99.6%,是板栗林生態(tài)系統(tǒng)的主要碳庫。