森林是陆地生态系统的主体, 其维持的碳库占全球总碳库的46.3 %, 其中森林植被部分碳库占全球植被碳库的77.1 %(Dixon et al., 1994)。因此, 森林在减缓和阻止大气CO₂浓度持续上升中发挥着重要作用。随着国际气候变化谈判中有关土地利用、土地利用变化和森林(LULUCF)问题的进展, 通过森林管理和造林活动增加森林碳汇作为温室气体减排的补充手段已越来越受关注。而在无林地上(1990年基准年前)进行人工造林则是获得新增碳汇的最主要途径。由此, 目前国际上已提出了碳人工林(carbon plantation)这一概念(Onigkeit et al., 2000)。虽然碳人工林目前尚无确切的定义, 但可理解为是一种超越以木材收获为主的传统经营目标, 以追求木材收获和碳吸存效益为双重目标的新型人工林经营模式(Onigkeit et al., 2000)。有关这种碳人工林的营林措施体系和经营策略等已成为目前国际研究热点之一。

我国南方集体林区是我国重要的商品林经营基地, 在新的形势下, 使商品林经营在提供木材的同时最大程度地发挥其碳吸存潜力已成为我国林业发展的必然趋势, 而建立一种有别于传统人工林经营的高效率碳吸存体系则是迫切需要解决的新问题。目前我国南方的商品林以针叶树的杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana)为主, 而针叶树是否继续适用于碳人工林经营目前则尚不清楚。虽然国内对针叶树和阔叶树人工林的生长状况、生产力、土壤肥力等已做了许多研究, 但有关针叶树和阔叶树人工林碳贮量及其分配的研究则较少。本课题组前期已对格氏栲(Castanopsis kawakamii)天然林、格氏栲人工林和杉木人工林的凋落物数量动态及归还、细根生产力及周转、细根分布、土壤呼吸及根系呼吸、土壤微生物数量及生化活性等进行了研究(杨玉盛等, 2004a; 2004b;2005a;2005b;陈光水等, 2005a; 2005b;Yang et al., 2004a; 2004b;Chen et al., 2004), 本文对格氏栲和杉木人工林碳贮量、分配及碳积累特点进行分析比较, 以期为我国南方集体林区的碳人工林树种选择提供基础数据。

1 试验地概况

试验地位于福建省三明市莘口镇, 试验地自然概况及格氏栲人工林(CaK)和杉木人工林(CF)林分特征、土壤性质参见文献(Yang et al., 2004a; 2004b)。格氏栲人工林和杉木人工林均为1967年在格氏栲天然林采伐迹地上营造, 调查时(1999年)年龄均为33年。

2 研究方法

1999年1月在格氏栲和杉木人工林内随机布设5块20 m×20 m标准地, 进行每木检尺。在格氏栲和杉木人工林中分别按径阶各选标准木1 ~ 2株, 用分层切割法测定地上部分各器官的生物量, 采用全挖法测定粗根(>2 mm)生物量, 采用土芯法测定细根(< 2 mm)生物量, 并分别建立各器官生物量与树高、胸径的相对生长方程, 据此计算人工林乔木层不同器官的生物量。同时对各器官分别取样用于测定含水量和碳含量。采用相对生长方程推算每年乔木层各器官的年生长量和碳年积累量(即连年碳积累量), 并计算各年乔木层各器官的平均生长量和平均碳积累量(杨玉盛等, 2003)。

灌木层和草本层生物量现存量采用样方收获法测定。枯枝落叶层、粗木质残体、土壤样品的收集、测定与具体数据见参考文献(杨玉盛等, 2004a; 2004b;2005b)。

采用CN元素分析仪(ELEMEMTAR Vario ELⅢ)测定植株样品碳含量, 采用重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)容量法测定土壤样品有机碳含量, 土壤容重用室内环刀法, 烘干法测定含水量(中国科学院南京土壤研究所, 1978)。分别计算各林分乔木层、灌木层、草本层、枯枝落叶层、粗木质残体、土壤(深度为1 m)的碳贮量。

3 研究结果 3.1 生物量碳库 3.1.1 乔木层碳库

格氏栲人工林乔木层碳库(214.692 t·hm^-2)是杉木人工林(131.204 t·hm^-2)的1.64倍, 其中地上部分碳库分别占82.7 %和80.4 %; 格氏栲人工林的干材(干+皮)碳库分别占乔木层碳库的55.8 %, 而杉木人工林的则占75.4 %; 格氏栲和杉木人工林的细根碳库(活细根)则仅分别占乔木层碳库的0.8 %和1.1 %; 格氏栲人工林乔木层的加权平均碳含量(520 g·kg ^-1)略低于杉木人工林的(556 g·kg ^-1)(表 1)。

3.1.2 林下植被层碳库

格氏栲人工林林下植被碳库为0.499 t·hm^-2, 仅约为杉木人工林(2.005 t·hm^-2)的25 %; 格氏栲人工林林下植被碳库中灌木层和草本层分别占73 %和27 %, 而杉木人工林的则分别为45 %和55 %; 在灌木层和草本层碳库中, 根系(地下部分)碳库均约占35 %左右; 格氏栲和杉木人工林的灌木层和草本层的加权平均碳含量(约450 g·kg ^-1)较为接近, 但均低于各自乔木层的加权平均碳含量(表 2)。

3.2 死有机质碳库

格氏栲和杉木人工林的枯枝落叶层碳贮量分别为3.29和2.29 t·hm^-2, 前者比后者增加44 %(杨玉盛等, 2004a)。格氏栲和杉木人工林的粗木质残体碳贮量均较小(分别为0.19和0.11 t·hm^-2), 仅分别占其森林枯枝落叶层碳贮量的5.8 %和4.8 %。格氏栲和杉木人工林的死细根碳贮量分别为1.39和0.653 t·hm^-2, 前者比后者增加113 %。格氏栲人工林0 ~ 100 cm土层内的土壤有机碳贮量达105.87 t·hm^-2, 比杉木人工林的(92.06 t·hm^-2)增加15 %(杨玉盛等, 2005b)。

3.3 不同人工林碳库分配

格氏栲人工林碳库为325.9 t·hm^-2, 比杉木人工林的(228.3 t·hm^-2)增加43 %。格氏栲和杉木人工林乔木层碳库分别占林分碳库的65.9 %和57.5 %, 矿质土壤层碳库则分别占32.5 %和40.3 %(图 1)。说明中亚热带人工林中, 乔木层仍然是碳库主体, 其次为矿质土壤层。由此可见, 若对人工林进行采伐(皆伐), 大量碳将移出林地, 同时矿质土壤将直接面临风吹雨晒, 而成为CO₂重要来源。故应对采伐地及时更新造林, 一方面增加对大气CO₂吸收, 另一方面降低土壤有机碳的矿质化。2种森林的林下植被层、枯枝落叶层、粗木质残体和死细根碳库占林分碳库均不超过1 %(图 1)。格氏栲人工林与杉木人工林生物量碳库(乔木层和林下植被)和死有机质碳库(包括枯枝落叶层、粗木质残体、死细根和矿质土壤层)分别占林分碳库的66.1 %和33.9 %、58.4 %和41.6 %。

3.4 乔木层碳积累特点

在6年生前, 杉木人工林乔木层连年碳积累速率略高于格氏栲人工林的, 但7年生后, 杉木人工林的则逐渐低于格氏栲人工林的(图 2)。杉木人工林乔木层连年碳积累速率在10年生时达到最大, 后则迅速下降; 格氏栲人工林乔木层的连年碳积累速率则在15年生时达到最大, 之后连年碳积累速率略呈下降趋势, 但仍维持在7 t·hm^-2a^-1以上, 33年生时, 其连年碳积累速率约为杉木人工林的2.4倍(图 2)。杉木人工林乔木层碳吸存的数量成熟龄(连年碳积累速率与平均碳积累速率相交时的年龄)为20年, 而格氏栲人工林的则至33年生时仍未达(但接近)数量成熟。

4 讨论

格氏栲人工林碳库(322.482 t·hm^-2)大于尖峰岭更新林的碳库(258.996 t·hm^-2)(吴仲民等, 1998)、鼎湖山南亚热带常绿阔叶林(400年生) (244.998 t·hm^-2)(莫江明等, 2003)和暖温带落叶阔叶林碳库(165.05 t·hm^-2)(桑卫国等, 2002), 但小于尖峰岭热带山地雨林原始林(340.467 t·hm^-2)(吴仲民等, 1998), 是杉木人工林的1.43倍。表明树龄相同的格氏栲人工林在固碳能力上大于杉木林。而杉木人工林碳库(225.880 t·hm^-2)小于立地条件类似、年龄相同(33年生)的福建柏(Fokienia hodginsii)人工林(236.317 t·hm^-2)(何宗明等, 2003)。

本研究中格氏栲人工林枯枝落叶层碳贮量(3.29 t·hm^-2)高于尖峰岭热带山地雨林枯枝落叶层碳(2.98 t·hm^-2)的贮量(吴仲民等, 1998), 亦高于我国针叶阔叶林平均水平(2.58 t·hm^-2)(周玉荣等, 2000)。但杉木人工林枯枝落叶层碳贮量(2.28 t·hm^-2)远低于红松云冷杉林(20 t·hm^-2)(周玉荣等, 2000)和挪威云杉(Picea abies)林(44.6 t·hm^-2)(Pedersen et al., 1999)。本研究中2种森林的粗木质残体碳贮量远低于世界森林粗木质残体碳贮量的平均值(陈华等, 1991), 这与该地气候温暖湿润而有利于促进粗木质残体的分解有关。2种森林的粗木质残体碳贮量分别仅占枯枝落叶层的5.78 %和4.82 %, 该比例均远低于长白山混交林和Andrews针叶林(陈华等, 1992), 这与不同森林的粗木质残体和枯枝落叶层现存量差异有关, 也反映出粗木质残体碳库因气候带、森林类型等不同具有极大的异质性。

本研究中2种森林的矿质土壤有机碳贮量均低于我国森林土壤平均碳贮量(193.55 t·hm^-2)和世界土壤平均碳贮量(189.00 t·hm^-2), 仅与处中纬度美国大陆土壤贮量(108.00 t·hm^-2)相近(Dixon et al., 1994), 但高于苏南丘陵次生栎林(70.03 t·hm^-2)(阮宏华等, 1997)和杉木人工林(48.64 t·hm^-2)(方晰等, 2002)。本研究中格氏栲人工林的土壤有机碳贮量高于杉木人工林, 亦高于相同立地的27年生的杉木观光木混交林(80.281 t·hm^-2)和杉木人工林(68.616 t·hm^-2)(杨玉盛等, 2003), 而与相同立地的33年生的福建柏人工林(102.818 t·hm^-2)的相似(何宗明等, 2003)。本研究两种森林的土壤碳库分别占林分总碳库的31.76 %和40.76 %, 均小于热带森林(50 %)和温带森林(69.2 %)的比例(Ueda, 1996)。

格氏栲和杉木人工林的蓄积量基本接近(Yang et al., 2004a; 2004b), 但从碳吸存效益来看, 则格氏栲人工林乔木层的碳贮量则远高于杉木人工林的。这种差异主要由两者的生物量差异引起, 因为格氏栲和杉木树种碳含量的加权平均值较为接近(分别为52.0 %和55.6 %)(表 1)。2种森林生物量的最大差异来自枝叶, 格氏栲枝叶生物量达杉木的8.0倍。其次则来自干材, 格氏栲干材生物量是杉木的1.4倍, 格氏栲干材密度为0.58 g·cm^-3, 而杉木的则仅为0.41 g·cm^-3。2种森林生物量的差异来源是根系, 格氏栲根系生物量是杉木的1.5倍。

格氏栲人工林和杉木人工林土壤碳库(枯枝落叶层、粗木质残体和矿质土壤)贮量的差异则主要是与通过凋落物和枯死细根的有机碳归还数量和质量差异有关。前期研究表明, 格氏栲人工林的地上和地下枯落物碳归还量(9.537和5.148 t·hm^-2)均高于杉木人工林的(5.468和2.492 t·hm^-2), 且格氏栲人工林的凋落物和细根的分解速率亦高于杉木人工林的(Yang et al., 2004a; 2004b), 使格氏栲人工林每年枯落物碳的实际归还量高于杉木人工林的, 从而导致了格氏栲人工林土壤碳库贮量高于杉木人工林的。

虽然格氏栲人工林和杉木人工林的乔木层在6年生前的碳吸存能力差异不大, 但7年生后, 格氏栲人工林乔木层的碳吸存能力高于杉木人工林的, 且随年龄增长, 此种差异逐渐扩大。与杉木人工林相比, 格氏栲人工林碳吸存具有积累速率快、高积累速率持续时间长、衰退迟的特点。格氏栲人工林的这种碳积累特点更有利于人工林的碳吸存。因而, 与杉木相比, 格氏栲更适于作为一个优良的碳汇树种。