林业科学  2015, Vol. 51 Issue (4): 1-7   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150401
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文章信息

申家朋, 张文辉, 李彦华, 何景峰, 张辉
Shen Jiapeng, Zhang Wenhui, Li Yanhua, He Jingfeng, Zhang Hui
陇东黄土高原沟壑区刺槐和油松人工林的生物量和碳密度及其分配规律
Biomass and Carbon Density and Patterns of Their Distribution in the Plantations of Robinia pseudoacacia and Pinus tabulaeformis in Loess Gullies in Eastern Gansu
林业科学, 2015, 51(4): 1-7
Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(4): 1-7.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150401

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收稿日期：2013-10-12
修回日期：2014-12-31

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申家朋
张文辉
李彦华
何景峰
张辉

引用本文
申家朋, 张文辉, 李彦华, 何景峰, 张辉. 2015. 陇东黄土高原沟壑区刺槐和油松人工林的生物量和碳密度及其分配规律[J]. 林业科学, 51(4): 1-7.
Shen Jiapeng, Zhang Wenhui, Li Yanhua, He Jingfeng, Zhang Hui. 2015. Biomass and Carbon Density and Patterns of Their Distribution in the Plantations of Robinia pseudoacacia and Pinus tabulaeformis in Loess Gullies in Eastern Gansu. Scientia Silvae Sinicae, 51(4): 1-7.  DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150401
陇东黄土高原沟壑区刺槐和油松人工林的生物量和碳密度及其分配规律
申家朋1, 2, 张文辉1, 李彦华3, 何景峰1, 张辉4    
1. 西北农林科技大学西部环境与生态教育部重点实验室 杨凌 712100;
2. 中国林业科学研究院林业研究所 北京 100091;
3. 青岛农业大学园林与林学院 青岛 266109;
4. 陕西省咸阳市长武县林业规划设计队 咸阳 712000
收稿日期：2013-10-12；修回日期：2014-12-31
基金项目：中国科学院战略先导科技专项(XDA05060300)资助。
通讯作者：张文辉
摘要：【目的】 基于陇东黄土高原沟壑区刺槐人工林和油松人工林样地调查数据,分析其生物量、碳含量、碳密度及其分配规律,为该地区人工林碳效益估算提供基础数据。【方法】 以陇东黄土高原沟壑区12年生刺槐人工林和12年生油松人工林为研究对象,采用样地调查与生物量实测的方法,研究刺槐人工林和油松人工林乔木不同器官、灌草层和枯落物层生物量,以及刺槐人工林和油松人工林乔木层、灌草层、枯落物层和土壤层碳储量及其分配特征。【结果】 刺槐人工林乔木层平均碳含量(468.44 g ·kg-1)低于油松人工林乔木层平均碳含量(512.77 g ·kg-1); 刺槐林乔木各器官碳含量为458.00~496.96 g ·kg-1,不同器官碳含量表现为干＞枝＞叶＞根＞皮,油松人工林乔木各器官碳含量为503.83~536.27 g ·kg-1,不同器官碳含量依表现干＞叶＞枝＞皮＞根; 刺槐林草本层、灌木层及枯落物层平均碳含量分别为390.52,398.72和402.82 g ·kg-1,油松林草本层、灌木层及枯落物层平均碳含量分别为413.17,436.85和414.03 g ·kg-1;随着土壤深度增加,刺槐林和油松林土壤碳含量依次降低, 0~10 cm土层土壤含量显著高于10~20,20~30和30~50 cm土层; 刺槐林0~50 cm土层土壤平均碳含量(4.96 g ·kg-1)高于油松林(4.45 g ·kg-1); 刺槐林植被层生物量为54.80 t ·hm-2,乔木层、草本层和灌木层分别占95.88%,2.65%和1.46%; 油松林植被层生物量为24.37 t ·hm-2,乔木层、草本层和灌木层分别占93.43%,5.17%和1.40%; 刺槐林枯落物层生物量和碳密度分别为1.36和0.55 t ·hm-2,分别是植被层的2.48%和2.12%, 油松林枯落物层生物量和碳密度分别为0.92和0.39 t ·hm-2,分别是植被层的3.78%和3.09%; 刺槐林和油松林土壤层碳密度分别为31.15和24.35 t ·hm-2,0~10 cm土壤层碳密度较高,分别占0~50 cm土层土壤碳密度的40.19%和38.73%; 刺槐林植被层生物量(54.80 t ·hm-2)高于油松林植被层生物量(24.37 t ·hm-2); 刺槐林和油松林生态系统总碳密度分别为57.60和37.38 t ·hm-2,且均表现为土壤层>植被层>枯落物层。【结论】 刺槐林和油松林植被层生物量表现为乔木层＞草本层＞灌木层,乔木层生物量均以树干占比最大,分别为40.02%和37.29%; 2种人工林生态系统碳密度主要分布在土壤和植被中,且刺槐人工林生态系统具有较高的固碳能力。

关键词： 刺槐人工林    油松人工林    生物量    碳密度    黄土沟壑区    陇东    
Biomass and Carbon Density and Patterns of Their Distribution in the Plantations of Robinia pseudoacacia and Pinus tabulaeformis in Loess Gullies in Eastern Gansu
Shen Jiapeng1, 2, Zhang Wenhui1, Li Yanhua3, He Jingfeng1, Zhang Hui4    
1. Key Laboratory of Environment and Ecology of Education Ministry in West China Northwest A & F University Yangling 712100;
2. Research Institute of Forestry, CAF Beijing 100091;
3. College of Landscape Architecture and Forestry, Qindao Agriculture University Qindao 266109;
4. Changwu County Forestry Planning Design Team in Shaanxi Province Xianyang 712000
Abstract: 【Objective】Based on data obtained from a survey of sample plots of Robinia pseudoacacia and Pinus tabulaeformis plantations in Loess gullies in eastern Gansu, the biomass, carbon concentration, carbon density and patterns of their distribution were analyzed, in order to provide the basic data for estimation of carbon benefits of the plantations in the area.【Method】12-year-old plantations of R. pseudoacacia and P. tabulaeformis in Loess gullies in eastern Gansu were measured through survey of sample plots and actual measurements of biomass, in order to study biomass production of different tree organs, shrub & grass layer and litter layer; carbon storage and its allocation in the layers of tree, shrub, grass, litter and soil.【Result】The mean carbon content in the tree layer of R. pseudoacacia plantation(468.44 g ·kg-1)was less than that of P. tabulaeformis(512.77 g ·kg-1). The carbon content among various tree organs of R.pseudoacacia varied from 458.00 g ·kg-1 to 496.96 g ·kg-1, in an order: stem > branch > leaf > root > bark. The carbon content among various tree organs of P.tabulaeformis ranged from 503.83 g ·kg-1 to 536.27 g ·kg-1, in an order: stem > leaf > branch > bark > root. The mean carbon contents of R. pseudoacacia in different layers were: herb (390.52 g ·kg-1), shrub (39 8.72 g ·kg-1), litter (402.82 g ·kg-1);The mean carbon contents of P. tabulaeformis in different layers were: herb (413.17 g ·kg-1), shrub (436.85 g ·kg-1), litter (414.03 g ·kg-1). The carbon content in soil layer decreased with soil depth, and the carbon content was higher in surface soil layer (0-10 cm) than in the other layers;The mean carbon content in 0-50 cm soil layer of R. pseudoacacia (4.96 g ·kg-1) was higher than that of P. tabulaeformis forests (4.45 g ·kg-1). The total biomass of vegetation layer of R. pseudoacacia was 54.80 t ·hm-2, of which Arbor layer, herb layer and shrub layer accounted for 95.88%, 2.65%, 1.46%; The total biomass of vegetation layer of P. tabulaeformis was 24.37 t ·hm-2, of which arbor layer, herb layer, shrub layer accounted respectively for 93.43%, 5.17%, and 1.40%. The biomass and carbon density of the litter layer of R. pseudoacacia was 1.36 t ·hm-2, 0.55 t ·hm-2, accounting for 2.48%, 2.12% of the vegetation layer; The biomass and carbon density of P. tabulaeformis was 0.92 t ·hm-2, 0.39 t ·hm-2, accounting for 3.78%, 3.09% of the vegetation layer. The soil carbon density of R. pseudoacacia and P. tabulaeformis were 31.15 t ·hm-2 and 24.35 t ·hm-2. The carbon density was higher in the soil layer of 0-10 cm, accounting for 40.19% and 38.73%.And the carbon density of their ecosystem were 57.60 and 37.38 t ·hm-2, and their distribution were: soil layer > vegetation > litter layer. 【Conclusion】The vegetation biomass of R. pseudoacacia and P. tabulaeformis was in the order: Arbor layer > herb layer > shrub layer, and the stem was the largest of the Arbor layer, accounting for 40.02%, 37.29%. Results indicated that most ecosystem carbon density of two plantations stored in soil and vegetation, carbon sequestration ability of R. pseudoacacia was higher compared to P. tabulaeformis plantation.
Key words: Robinia pseudoacacia plantation    Pinus tabulaeformis plantation    biomass    carbon density    loess gully region    eastern Gansu    

随着大气CO2浓度升高，气候变暖成为全球气候变化的重要问题之一(Marland et al.， 2003； Tans et al.，2006)。森林作为陆地生态系统的主体，在平衡全球大气循环、减缓大气CO2浓度上升过程中发挥着重要作用(Cao et al.，1998； 方精云等，2001)。造林是森林新增碳汇的主要经营管理措施，也是目前科学研究的热点(Caldeira et al.，2000)。随着退耕还林工程等重大生态项目的实施，我国人工林在森林总面积中的比重快速增加(文仕知等，2010)。刺槐(Robinia pseudoacacia)和油松(Pinus tabulaeformis)作为黄土丘陵区退耕还林工程主要的造林树种，在保持水土和生态防护方面起着重要作用。研究刺槐林和油松林生态系统碳密度及其分配，对综合评价退耕还林工程生态效益十分重要。

目前有关刺槐人工林和油松人工林生态系统碳密度的研究较多，主要集中在陕西地区(贺亮等，2007； 张景群等，2009； 王蕾等，2010； 孟蕾等，2010； 刘迎春等，2011； 程小琴等，2012)。由于不同学者采用的估算算法不同，加之森林生态系统的空间和时间的差异性，还需要在地理环境复杂的黄土沟壑区加强研究。

甘肃黄土丘陵区自1999年开始实施退耕还林还草工程，固碳功能是其综合效益的一个重要评价指标。在甘肃陇东黄土高原地区，退耕还林任务主要完成于2001—2007年。本研究以甘肃陇东黄土沟壑区合水县的12年生刺槐人工林和12年生油松人工林为对象，在阴坡和阳坡分别设置标准样地，研究其生物量和碳含量，确定其碳密度及其分配规律，为准确估算陇东黄土高原沟壑区刺槐林和油松林的碳效益提供基础数据。

1 研究区概况

陇东位于甘肃省最东部(106°20′—108°45′E，35°15′—37°10′N)，海拔1 100～1 500 m，年均气温7.4 ℃，年降水量587.6 mm，属于暖温带半干旱气候，典型的黄土沟壑地形，土壤为黄绵土。

试验于2012年8月在甘肃合水县吉岘乡进行，刺槐林和油松林均为人工林，结合当地退耕造林记录和计数树样芯的年轮，确定标准地的林龄。选择的12年生刺槐林地和油松林地在造林前均为坡耕地，坡度为18°～19°，造林设计的株行距均为1.5 m×2 m，造林用油松和刺槐苗均为3年生幼苗。12年生刺槐林下灌草主要有达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)、酸枣(Ziziphus spinosus )、悬钩子(Rubus corchorifolius)、艾蒿(Artemisia argyi)、长芒草(Stipa bungeana)和铁线莲(Clematis florida)等； 12年生油松林下主要灌草有沙棘(Hippophae rhamnoides)、酸枣、披针苔草(Carex lanceolata)、茭蒿(Artemisia giraldii)和铁杆蒿(Artemisia sacrorum)等。

2 研究方法 2.1 样地设置和调查

在刺槐及油松人工林阴坡和阳坡，各设置3块标准样地(20 m ×20 m)，共12块样地，其林分特征见表 1。测定现存林木密度和建群种的个体高度、胸径，进行每木检尺，计算林分的平均树高、平均胸径和密度。依据林木平均胸径和平均树高，在每块样地内均选择1株标准木，进行生物量测定，12块标准地共选择12株标准木。

表 1 刺槐人工林和油松人工林的林分特征 Tab.1 St and characteristics of Robinia pseudoacacia plantation and Pinus tabulaeformis plantation
2.2 森林生物量测定 2.2.1 乔木层生物量

将标准木伐倒，采用Monsic分层切割法，地上部分树干按每段1 m截取，树冠被分成树叶和树枝两部分，树枝按基部直径分为细枝(＜1 cm)、中枝(1～2 cm)和粗枝(＞2 cm)。地下部分采用全挖法，将不同根系分为细根(根径＜0.2 cm)、小根(根径0.2～0.5 cm)、中根(根径0.5～1.0 cm)、大根(根径1.0～2.0 cm)、粗根(根径＞2.0 cm)和根桩6类(秦武明等，2008)。地上部分和地下部分实测鲜质量并取样，带回实验室烘干求取含水率。林分生物量采用平均木法，根据平均木生物量乘以林分密度确定。

2.2.2 林下灌草及枯落物生物量

在每块标准样地设置3个5 m×5 m的灌木样方和5个1 m×1 m的草本样方，记录林下灌草样方内所有物种的多度、盖度和高度。林下灌草采用全挖法，灌木分叶、枝和根3部分称鲜质量，草本分地上和地下称鲜质量，灌木和草本分别取样。枯落物采用全部收获法，设置5个1 m×1 m样方，将样方内的枯落物全部收集，称鲜质量并取样。将乔木层、林灌草及枯落物各部分取样样品带回实验室，置于85 ℃烘箱中烘干至恒质量，测定各部分鲜质量含水率并计算生物量干质量。

2.3 土壤样品采集

在每块标准样地内设置5个土壤采样点，取样深度为50 cm，分为0～10，10～20，20～30和30～50 cm 共4层。把相同标准样地同一层次土壤样品等质量混合取样。用环刀法测定土壤密度。

2.4 土壤样品和植物样品碳含量测定

对所有植物和土壤样品，均采用元素分析仪LiquiTOCⅡ(德国)分析测定有机碳含量。

2.5 刺槐人工林和油松人工林碳密度

不同层次碳密度分别根据不同器官单位面积生物量乘以相应器官的算术平均碳含量得到(罗辑等，2000； 康冰等，2009)，生态系统总碳密度由不同层次碳密度求和得到。土壤碳密度计算方法(程先富等，2004):

$$ T = 0.1\sum {C_{\rm{i}}} \times {B_i} \times {D_i}。 $$ 式中：T为土壤有机碳密度(t·hm-2);i为土层数；Di为不同土层的厚度(cm); Bi为不同土层的土壤密度(g·cm-3); Ci为不同土层土壤有机碳含量(g·kg-1)。

2.6 数据处理

所有数据经过Excel软件处理后，用SPSS13.0软件进行统计分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)、双因素方差分析(two-way ANOVA)和Duncan检验比较参数间差异(P＜0.05)。

3 结果与分析 3.1 碳含量 3.1.1 乔木层碳含量

刺槐林和油松林的乔木层各器官碳含量不同。刺槐林乔木层平均碳含量(468.44 g·kg-1)低于油松林乔木层平均碳含量(512.77 g·kg-1)，刺槐林和油松林不同器官间碳含量存在差异(表 2)。刺槐林各器官碳含量为458.00～496.96 g·kg-1，表现为干＞枝＞叶＞根＞皮；油松林各器官碳含量为503.83～536.27 g·kg-1，表现为干＞叶＞枝＞皮＞根(表 2)。

表 2 槐人工林和油松人工林各器官碳含量① Tab.2 Carbon contents of various organs of R.pseudoacacia plantation and P.tabulaeformis plantation
3.1.2 林下灌草层和枯落物层碳含量

刺槐林和油松林下灌草层的物种组成不同，其合成和积累有机物的能力也不同，因而碳含量存在一定差异。刺槐林草本层平均碳含量(390.52 g·kg-1)低于油松林草本层平均碳含量(413.17 g·kg-1)，刺槐林灌木层平均碳含量(398.72 g·kg-1)低于油松林灌木层平均碳含量(436.85 g·kg-1)，刺槐林和油松林林下灌草层平均碳含量均表现为地上部分大于地下部分。刺槐林枯落物层碳含量(402.82 g·kg-1)低于油松林(414.03 g·kg-1)(表 3)。

表 3 刺槐人工林和油松人工林林下灌草层、枯落物层及土壤层碳含量① Tab.3 Carbon contents of shrub herb of understorey layers，litter，and soil layer of R.pseudoacacia plantation and P.tabulaeformis plantation
3.1.3 土壤层碳含量

随着土壤深度加深，刺槐林和油松林土壤碳含量依次降低。0～10 cm土层碳含量明显大于10～20，20～30和30～50 cm土层碳含量，且差异显著。 刺槐林0～50 cm土层平均碳含量(4.96 g·kg-1)高于油松林(4.45 g·kg-1)(表 3)。

3.2 生物量与碳密度 3.2.1 植被层

刺槐林植被层生物量为54.80 t·hm-2(表 4)，其中乔木层、草本层和灌木层分别占95.88%，2.65%和1.46%； 乔木层各器官生物量表现为干＞根＞枝＞皮＞叶。刺槐林植被层的碳密度为25.90 t·hm-2，其中乔木层、草本层和灌木层分别占97.37%，1.39%和1.24%； 在乔木层各器官中，树干碳密度最高，占41.44%，各器官碳密度表现为干＞根＞枝＞皮＞叶。

表 4 刺槐人工林和油松人工林生物量、碳密度和空间分配 Tab.4 Biomass，carbon density，and their allocation in R.pseudoacacia plantation and P.tabulaeformis plantation

油松林植被层生物量为24.37 t·hm-2(表 4)，其中乔木层、草本层和灌木层分别占93.43%，5.17%和1.40%； 乔木层各器官生物量表现为干＞枝＞根＞叶＞皮。油松林植被层碳密度为12.64 t·hm-2，乔木层、草本层和灌木层分别占94.62%，4.19%和1.19%； 在乔木层各器官中，树干的碳密度最高，占38.13%，各器官碳密度分配为干＞枝＞根＞叶＞皮。

3.2.2 枯落物层和土壤层

刺槐林枯落物层生物量和碳密度分别为1.36和0.55 t·hm-2(表 4)，是植被层的2.48%和2.12%； 油松林枯落物层生物量和碳密度分别为0.92和0.39 t·hm-2，是植被层的3.78%和3.09%。刺槐林和油松林土壤层碳密度分别为31.15和24.35 t·hm-2，其中0～10 cm土壤层碳密度较高，分别占土壤层(0～50 cm)碳密度的40.19%和38.73%。

3.2.3 生态系统

刺槐林和油松林生态系统总碳密度分别为57.60和37.38 t·hm-2(表 4)，其中土壤层的碳密度分别占54.08%和65.14%，植被层的碳密度分别占的44.97%和33.81%，枯落物层碳密度分别占0.95%和1.04%，各层次碳密度均表现为土壤层＞植被层＞枯落物层。

4 结论与讨论

森林生态系统碳含量因森林类型和物种组成不同而存在差异(康冰等，2006)。本研究刺槐林乔木层、草本层和灌木层平均碳含量为460.22，390.33和398.72 g·kg-1，油松林分别为503.8，413.17和436.85 g·kg-1，2种林分均表现为乔木层＞灌木层＞草本层。这可能因为乔木比灌草能合成和积累更多的有机质，因而导致乔木层碳含量较高。枯落物层碳含量与枯落物类型、分解速率和微生物活动紧密相关(康冰等，2009)。有研究表明，阔叶林下枯落物有机质的分解速率比针叶林快，导致阔叶林枯落物碳含量较低(黄锦学等，2010)。本研究中，刺槐林枯落物层平均碳含量为402.82 g·kg-1，低于油松林枯落物层的414.03 g·kg-1。刺槐林和油松林土壤碳含量随土壤深度的增加而降低，0～10 cm土壤层碳含量显著高于下层(P＜0.05)。

森林生态系统生物量的层次分配，因演替阶段、年龄阶段和生长速率存在差异(马明东等，2008)。刺槐林乔木层生物量(54.80 t·hm-2)高于油松林(24.37 t·hm-2)，这可能因为幼林阶段刺槐生长快而油松林较缓。刺槐林和油松林乔木层生物量均以树干占比例最大，分别为40.02%和37.29%，植被层生物量均表现为乔木层＞草本层＞灌木层。

森林生态系统碳密度与生物量和碳含量紧密相关(You et al.，2013)。本研究中，刺槐林乔木层碳密度(25.22 t·hm-2)高于油松林(11.96 t·hm-2)，这是因刺槐林前期生长较快。刺槐林和油松林植被层碳密度分别为25.9和12.64 t·hm-2，小于我国森林平均碳密度(57.07 t·hm-2)(周玉荣等，2000)。刺槐林和油松林枯落物层碳密度都较低，分别为0.55和0.39 t·hm-2。森林土壤是森林生态系统中重要的碳库(Thompson et al.，2005)，其碳密度受枯落物、根部构型和土壤理化性质等影响(Jandl et al.，2007;Wang et al.， 2012)。本研究中，刺槐林土壤碳密度(31.15 t·hm-2)高于油松林(24.35 t·hm-2)，但仍低于我国森林土壤碳密度平均值(193.55 t·hm-2)(周玉荣等，2000)。0～10 cm土层碳密度分别占刺槐人工林和油松人工林0～50 cm层的40.19%和38.73%。枯落物的分解速度能够影响表层土壤化学成分(黄宇等，2005)，刺槐林枯落物分解较快，可能是其0～10 cm土层碳密度较高的原因之一。

刺槐林和油松林生态系统碳密度分别为57.60和37.38 t·hm-2，与陕西黄土高原地区20年油松人工林(48.842 t·hm-2)(贺亮等，2007)、8年生刺槐人工林(62.917 t·hm-2)(王蕾等，2010)相近，低于南亚热带13年生杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林(187.51 t·hm-2)(康冰等，2009)和湖南11年生杉木人工林(144.22 t·hm-2)(方晰等，2002)，且明显低于我国森林生态系统平均值(258.83 t·hm-2)(周玉荣等，2000)。刺槐和油松人工林生态系统的碳密度均表现为土壤层>植被层>枯落物层，这与前人研究基本一致(Tandel et al.，2009; Finéret al.，2003)。土壤层和植被层是刺槐林和油松林生态系统碳密度的重要组成部分，枯落物层碳密度小于土壤层和植被层，但在保持水土和供给土壤碳密度方面有着重要作用，因此，应当加强保护(Seely et al.，2010)。刺槐林生态系统碳密度高于油松林，这与刺槐林幼林阶段生长较快有关。

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