碳循环是一个全球性的基础课题。大气中CO₂浓度上升以及随之而来的全球气候变暖问题, 是生态学和环境科学研究的热点。20世纪70年代后期以来, 全球碳循环研究受到科学家的普遍关注, 水域(特别是海洋)和陆地生物圈的碳循环过程及对CO₂的净吸收, 其通过物理、化学和生物反馈机制对气候系统的调节已成为当前研究的热点。碳素营养不仅是绿色植物的重要组成部分, 也是最活跃的环境因素(拉夏埃尔, 1982)。而森林是陆地生物圈的主体, 它不仅在维护区域生态环境上起着重要的作用, 而且在全球碳循环和碳平衡中也起着不可替代的作用(李意德等, 1998; 刘国华等, 2000)。本文对速生阶段杉木人工林碳素密度、贮量与其空间分布特征进行研究, 为正确评价森林在全球碳平衡中的作用提供部分基础数据。

1 试验地概况

试验地设于国家重点野外科学观测试验站——湖南会同生态定位研究站, 地理坐标26°50′N, 109°45′E。地貌为低山丘陵, 海拔高300~500m。气候属典型的亚热带湿润气候, 年平均气温16.8℃, 年相对湿度在80%以上, 年降水量为1100~1400mm。气候温和, 夏无酷热, 冬无严寒, 降水均匀, 空气湿度大, 有利于杉木生长。地层古老, 以震旦纪板溪系灰绿色板岩、变质岩为主。土壤为山地黄壤。

会同森林生态系统定位研究站共有试验集水区8个, 均为1966年营造的杉木纯林。在1987年底将原有27a生杉木纯林皆伐, 1988年春后陆续在原有集水区营造了第2代杉木纯林, 开展了第2代杉木林生态系统定位研究。本次试验是在Ⅰ、Ⅲ号集水区进行, 测定时间分别是1997年和1998年, 试验地具体特征见表 1和表 2。

2 研究方法 2.1 杉木生物量和净生产力的测定

在集水区内设置固定样地, 对杉木生物量、生产力进行动态观测。生物量测定, 采用6株木法建立W=aD²H^b相对生长方程估测林分的生物量, 以2a内测定的平均生物量年增长量作为净生产力的估算指标(潘维俦等, 1981)。

2.2 林下植被生物量的测定

在样地内按梅花形设置25个面积1m×1m的小样方, 记录每个样方内的植物种类, 灌木分为叶、茎、根, 草本植物分为地上部分和地下部分, 采用全挖法实测生物量。同种植物的相同器官取混合样品。死地被物全部测定生物量, 取混合样品。烘干至恒重后再估算干重, 同时用作分析样品。

2.3 凋落物量测定

在集水区内的山坡、山麓和山谷安装面积为20m²的塑料薄膜装置各1个, 每月收集1次, 按组分测定生物量。同时选取一定量的凋落物作为分析样品。

2.4 样品采集及化学分析方法

在测定生物量的同时, 按层分组分采集6株木的分析样品。样品组分分为干、皮、枝(分当年生、1a生、2a生、多年生)、叶(分当年生、1a生、2a生、多年生)和根(分 < 0.2cm、0.2~0.5cm、> 0.5cm、根头)。对样品逐一进行化学分析。土壤分层(0~15cm、15~30cm、30~45cm、> 45cm)采集分析样品, 同时测定土壤容重, 根据容重计算单位面积土层重量。

植物、土壤样品中碳素密度采用重铬酸钾—水合加热法(中国土壤学会农业化学专业委员会编, 1984)测定。植物、土壤中碳素密度取1997年和1998年的算术平均值作为最终结果。

3 结果分析 3.1 杉木林生态系统中各组分的碳素密度 3.1.1 杉木中不同器官碳素密度

对杉木不同器官碳素密度测定的结果见表 3。从表 3中可以看出, 速生阶段杉木不同器官中碳素密度变化范围在0.4558gC·g^-1~0.5003gC·g^-1之间, 变异系数为2.7%~6.9%;表现为树皮、树叶、树干的碳素密度比较高, 树枝、树根、球果的碳素密度相对要低, 按碳素密度高低排列顺序为树皮 > 树叶 > 树干 > 树根 > 球果 > 树枝。不同年龄的树枝、树叶的碳素密度表现为:多年生枝、叶普遍高于嫩枝、叶, 这可能与枝、叶的老化程度有关。

在我国苏南地区, 18a生国外松林的叶、枝、干、皮和根的碳素密度分别为:0.5590、0.5580、0.5490和0.5180gC·g^-1, 40a生栎林的叶、枝、干、皮和根的碳素密度分别为:0.5210、0.4860、0.5120、0.4860和0.4520gC·g^-1, 27a生杉木林的叶、枝、干、皮和根的碳素密度分别为:0.5190、0.4910、0.4740、0.5330、和0.5100gC·g^-1 (阮宏华等, 1997)。海南岛尖峰岭热带山地雨林主要树种的叶、枝、干、皮和根的碳素密度分别为:0.4584、0.4653、0.5790、0.4562和0.5390gC·g^-1, 各组分内不同树种碳素密度变化不大, 其样本变异系数为6.5%~15%的范围内(李意德等, 1998)。常绿季雨林的叶、茎的碳素密度分别为:0.4355、0.5381gC·g^-1 (蒋有绪等, 1991)。显然, 不同树种以及同一树种在不同地区, 其各器官碳素密度有一定的差异, 但它们的变化大都在0.4500~0.5500gC·g^-1范围之内。

3.1.2 林下植被及土壤中碳素密度

杉木林林下植被及土壤中碳素密度的测定结果如表 4所示, 灌木层中的碳素密度总平均为0.4344gC·g^-1, 草本层为0.4009gC·g^-1, 死地被物层为0.4341gC·g^-1, 土壤各层次的碳素密度分布不一, 表土层(0~15cm)的密度仅为0.0156gC·g^-1, 亚表土层(15~30cm)为0.0162gC·g^-1, 表土层的密度略低于亚表土层。进一步分析其原因是:土壤各层次的碳素密度是以1997和1998年的算术平均值所得, 1997年采样测定结果为:表土层和亚表土层的有机碳素密度分别为0.0253和0.0206gC·g^-1, 但由于1998年当地雨量特别多且强度大, 发生大洪水, 造成地表层有机质大量的流失, 当年采样测定, 林地表土层有机碳密度仅为0.0060gC·g^-1, 亚表土层为0.0118gC·g^-1。从表 3、4中可以看出, 林下植被各组分碳素密度明显地低于乔木层中相应组分的碳素密度, 灌木层叶片碳素密度为0.4260gC·g^-1, 低于乔木层树叶碳素密度(0.4916gC·g^-1)。同一林分中各层次植物的碳素密度高低排列顺序为:乔木层 > 灌木层 > 草本层。

3.2 杉木各器官碳贮量

杉木林分现存量中各器官的重量与其相应碳素密度之积, 即为林分各器官碳贮量。由表 5可以看出, 碳素在杉木不同器官中的分配, 基本上与各器官的生物量成正比例关系。以树干部分生物量占林分生物量的最大比例, 占47.7%, 其碳贮量所占比例最高, 为47.51%, 分布在枝、叶、皮、根当中的碳贮量为52.49%。因此, 森林被采伐利用时, 木材部分制成家具或作建筑物(徐德应等, 1992), 采伐剩余物枝、叶、皮、根等应保留在林地内, 让其在自然状态下缓慢分解, 经由腐殖质的最后分解阶段常常需要很长的时间——有时要几年或几十年(拉拉夏埃尔, 1982), 以减缓CO₂排放。同时, 如果能够在采伐后及时完成更新过程, 所造成的CO₂的排放量不是很大。反之, 森林采伐后, 大量树根、叶、枝、皮等被移出林外作薪材, 或进行“炼山”, 这将导致大量的有机质在很短时间内迅速氧化分解, 尤其是土壤表层有机质在高温度下迅速氧化, 将排放大量的CO₂ (方晰等, 1997)。

3.3 杉木人工林生态系统中碳贮量的空间分布

根据各组分的生物量或土重及其相应的碳素密度, 计算出速生阶段杉木人工林中各组分碳贮量及其空间分布。如表 6所示, 杉木林生态系统碳贮量为127.88tC·hm^-2, 乔木层碳贮量占较大优势, 为35.041tC·hm^-2, 占总量的27.4%。下木层碳贮量为0.842tC·hm^-2, 占总量的0.66%。死地被物层碳贮量为0.857tC·hm^-2, 占总量的0.67%。而林地土壤(0~60cm)碳贮量是相当可观的, 为91.14tC·hm^-2, 占生态系统碳贮量的71.27%。森林土壤层中(包括土壤和死地被物层)的碳贮量占整个生态系统碳贮量的71.94%。

土壤以0~30cm土层当中碳贮量较高, 为53.53tC·hm^-2, 占土壤(0~60cm)碳贮量的58.73%。

在亚热带苏南地区27a生杉木林生态系统中, 碳贮量为117.68tC·hm^-2, 其中乔木层为63.87tC·hm^-2, 占总碳贮量的54.27%, 下木层为1.46tC·hm^-2, 占1.24%, 草本层为0.32tC·hm^-2, 占0.27%, 死地被物层为3.39tC·hm^-2, 占2.88%, 土壤层为48.64tC·hm^-2, 占43.33%, 地上部分与地下部分之比为1:1.2 (阮宏华等, 1997)。

不同地带森林类型的凋落物现存量的变化对土壤碳贮量有很大的影响, 大兴安岭落叶松林凋落物现存量为42.8t·hm^-2, 其土壤(10~78cm)碳贮量达347.4tC·hm^-2; 下蜀次生栎林凋落物现存量只有9.2t·hm^-2, 其土壤层碳贮量仅为69.7tC·hm^-2 (阮宏华等, 1997)。热带山地雨林生态系统中凋落物现存量为5.9t·hm^-2, 土壤层中的碳贮量为107.676tC·hm^-2, 占植被生物量中碳贮量的30.61% (李意德等, 1998)。湖南会同速生阶段杉木人工林凋落物现存量只有1.975t·hm^-2, 其土壤碳贮量仅为91.14tC·hm^-2; 地上部分与地下部分碳贮量之比为30.553/97.33≈1:3.2, 据Baumgarter (1978)的估计, 全世界森林地上部分碳贮量为40×10¹¹~7×10¹¹ tC, 林地枯枝落叶和土壤中的碳贮量为它的2倍(Houghton, 1996)。显然, 湖南会同速生阶段杉木人工林生态系统地下部分碳贮量与地上部分碳贮量之比相对较高。

3.4 杉木林碳素年净固定量的初步估算

森林生态系统的生产力研究的主要内容之一是要确定系统同化CO₂的能力。根据各组分年净生产力及相应组分的碳素密度计算出有机碳年净固定量如表 7所示。由表 7可看出, 速生阶段杉木林年净生产力为7.351t·hm^-2a^-1, 有机碳年净固定量为3.489tC·hm^-2a^-1, 与这相比, 热带山地雨林每1hm²每年能吸收3.818tC (李意德等, 1998)。苏南地区27a生杉木林生态系统每1hm²每年能吸收2.36tC (阮宏华等, 1997)。因此, 森林不仅是陆地生态系统中最为重要的生物基因库, 而且也是大气CO₂的一个重要的汇。森林的破坏, 就等于给大气增加一个重要的CO₂供给源。因为森林砍伐, 除了利用一部分有用的木材外, 其它部分如树叶、枝、皮、根等可能被分解腐烂, 或被当做燃料而燃烧掉, 通过这些途径向大气中释放CO₂。保护好现在的森林, 每年可以吸收大气中一定量的CO₂, 由此可见, 森林与全球大气CO₂浓度的升降具有密切的关系, 成为影响全球气候变化的一个重要因子, 说明保护、恢复和发展森林具有非常重要的生态学意义。

4 结论

杉木不同器官中碳素密度变化范围在0.4558gC·g^-1~0.5003gC·g^-1之间, 按碳素密度高低排列顺序为:树皮 > 树叶 > 树干 > 球果 > 树枝; 不同年龄枝、叶中碳素密度以多年生枝、叶较高, 这可能与枝、叶的老化程度有关。

灌木层中的碳素密度总平均为0.4344gC·g^-1, 草本层为0.4009gC·g^-1, 林下植被各组分碳素密度明显低于乔木层相对应的各组分的密度。死地被物层碳素密度为0.4341gC·g^-1, 土壤各层次的碳密度分布不一, 表土层略低于亚表土层。

碳贮量在杉木不同器官中的分配, 基本上与各器官的生物量成正比例关系, 以树干生物量占林分总生物量的最大比例, 为47.7%, 其碳贮量所占林分总碳贮量的比例也最高, 为47.5%, 分布在枝、叶、皮、根等当中碳贮量为52.5%。

在速生阶段杉木人工林林分生物量为73.53t·hm^-2的生态系统中, 碳库的总贮量为90.783tC·hm^-2, 其中植被层中的碳贮量为35.883tC·hm^-2; 死地被物层中为0.857tC·hm^-2, 土壤层中为54.041tC·hm^-2。从整个杉木林生态系统来看, 树干部分的碳贮量占总碳贮量的13.02%, 而分布在枝、叶、皮、根、死地被物及土壤中的碳贮量占86.98%, 因此, 杉木的采伐利用应仅取走树干有用部分, 其他部分应保留在林地内自然状态下缓慢分解, 同时应及时完成其更新过程, 以减少因采伐所造成的CO₂排放。

速生阶段杉木林年净生产力为7.351t·hm^-2a^-1, 固定碳量为3.489tC·hm^-2a^-1。由此可见, 森林是大气CO₂一个重要的汇, 而森林的破坏, 不但不能固定、吸收大气中的CO₂, 反而给大气增加一个重要的CO₂源, 因此, 森林与全球大气CO₂浓度的升降具有密切的关系, 成为影响全球气候变化的一个重要因子。