2017, Vol. 53
文章信息
- 李翀, 周国模, 施拥军, 周宇峰, 徐林, 范叶青, 沈振明, 李少虹, 吕玉龙
- Li Chong, Zhou Guomo, Shi Yongjun, Zhou Yufeng, Xu Lin, Fan Yeqing, Shen Zhenming, Li Shaohong, Lü Yulong
- 不同经营措施对毛竹林生态系统净碳汇能力的影响
- Effects of Different Management Measures on the Net Carbon Sequestration Capacity of Moso bamboo Forest Ecosystem
- 林业科学, 2017, 53(2): 1-9.
- Scientia Silvae Sinicae, 2017, 53(2): 1-9.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20170201
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文章历史
- 收稿日期：2014-12-03
- 修回日期：2016-12-19
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作者相关文章
2. 浙江农林大学 浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室 亚热带森林培育国家重点实验室培育基地 临安 311300;
3. 浙江省临安市林业技术服务总站 临安 311300;
4. 浙江省航空护林管理站 杭州 310020;
5. 浙江省安吉县林业局 安吉 313300
2. Zhejiang A & F University Zhejiang Provincial Key Laboratory of Carbon Cycling in Forest Ecosystems and Carbon Sequestration The Nurturing Station for the State Key Laboratory of Subtropical Silviculture Lin'an 311300;
3. Forestry Station of Lin'an City, Zhejiang Province Lin'an 311300;
4. Zhejiang Aviation Forest Protection Asministration Hangzhou 310020;
5. Forest Bureau of Anji County, Zhejiang Province Anji 313300
森林生态系统作为陆地生态系统中最大的碳库，存储着整个陆地生态系统80%的地上碳和70%的土壤有机碳 (Jandl et al., 2007)，在调节全球碳平衡、减缓大气中CO2等温室气体浓度上升以及维护全球气候稳定等方面具有不可替代的作用 (刘国华等, 2000; 巫涛等, 2012; Watson et al., 2000)。2005年《京都议定书》生效以来，世界各国都在采取行动积极应对气候变化。森林碳汇属于生物碳汇技术的一种，与其他减排措施相比，具有潜力大、易操作、见效快、成本低、对经济增长影响小、居民福利高等独特优越性，因此必将受到国家气候变化应对措施选择的青睐 (黄东, 2008)。
森林经营碳汇项目是指在确定了基线情景的有林地上，以增加森林碳汇为主要目的，采取1种或几种有别于基线情景的经营管理措施，并对实施碳汇计量和监测有特殊要求的森林经营活动，有严格的方法学和技术支持 (李少柯, 2013; 李怒云等, 2013)。REDD+(减少森林破坏，减少森林退化，加强森林经营，增加碳储量) 在2009年哥本哈根COP15大会后被列入世界森林减排范畴，成为今后最具潜力的森林增汇减排措施，也受到了国内外学者的广泛关注 (黄小荣等, 2011; 盛济川等, 2014)。但以往研究的森林碳汇大部分集中在现有森林生态系统的碳储量及空间分布上 (申贵仓等, 2013; 高阳等, 2014; 明安刚等, 2014)，关于如何通过经营技术措施使森林达到更好固碳效果的研究则鲜见报道。
竹林是我国南方十分重要的森林资源，现有竹林面积近600万hm2, 2012年竹业产值达1 190亿元，每年可提供我国约15%的森林材质资源，在保护生态环境、保障国家木材安全和促进山区发展中具有重要作用。同时竹子爆发式生长和隔年采伐利用的独特特性，蕴含着巨大的固碳增汇潜力 (Zhou et al., 2009; 2011)，在林业应对气候变化中也占有重要地位。但是，竹林经营频繁，其经营措施会对植被碳和土壤碳带来干扰 (李正才等, 2010; 马少杰等, 2011)。本研究通过设置两因素随机区组长期定位经营试验，选取施肥量和采伐量2个主要因素，探讨不同经营措施对毛竹 (Phyllostachys edulis) 林生态系统净碳汇能力的影响，以期为毛竹林固碳经营提供依据。
1 研究区概况研究区位于浙江省临安市板桥镇 (119°45′E，30°10′N)。该区域属亚热带季风气候，年均气温15.9 ℃，年降水量1 350.0~1 500.0 mm，年日照时数1 774.0 h，全年无霜期236天。海拔90~200 m，低山丘陵，森林覆盖率65%，主要树种为毛竹，土壤为微酸性红壤土。试验区内竹林隔年留养新竹，隔年采伐老竹，一般采伐5~6年生老竹。该竹林为花年竹林，大小年不明显。立竹密度2 400~4 300株·hm-2，林下少灌木、多杂草。
2 研究方法 2.1 试验设计试验于2010年6月开始实施，采用两因素随机区组试验设计，选取施肥量和采伐方式2个因素，每个因素分别设置3个水平，共9个试验组合：大量施肥强度采伐 (A1B1)、大量施肥中度采伐 (A1B2)、大量施肥弱度采伐 (A1B3)、中等施肥强度采伐 (A2B1)、中等施肥中度采伐 (A2B2)、中等施肥弱度采伐 (A2B3)、不施肥强度采伐 (A3B1)、不施肥中度采伐 (A3B2) 和不施肥弱度采伐 (A3B3)。为了减少试验过程的偶然性，排除坡向、坡位等因素的影响，本试验进行3次重复，且各试验组合随机交叉分布。
施肥量分为大量 (每年施肥1 800 kg·hm-2，分2次施肥)、中等 (每年施肥900 kg·hm-2，分2次施肥) 和不施肥。肥料为竹笋专用肥，N含量为13%，P2O5含量为3%，K2O含量为2%，氨基酸含量≥8%，有机质含量≥15%，腐殖酸含量≥10%。施肥采用沟施方式。
采伐方式分为强度采伐、中度采伐和弱度采伐，各样地保留Ⅰ度竹 (1年生毛竹)、Ⅱ度竹 (2~3年生) 和Ⅲ度竹 (4~5年生)，不留Ⅳ度竹 (6年生及以上)。强度采伐Ⅲ度竹全部采伐，中度采伐Ⅲ度竹采一半留一半，弱度采伐Ⅲ度竹不采伐。
考虑毛竹生长的特殊性，为了减少因相邻样地毛竹竹鞭蔓延产生的干扰，将试验基地划分为27块30 m×30 m标准样地，各样地四周各留出5 m宽“回”形条块作为缓冲带，不采集样品和测定数据；试验采样时，以样地中心20 m×20 m为界，在中部进行。
2.2 碳库确定、经营过程温室气体排放源泄漏源选择和净碳汇量计算根据国际通行做法及竹林碳汇计量与监测方法学的适用条件，结合经营试验的特殊性 (不同经营措施对土壤的扰动明显大于基线情景)，从毛竹生物量、灌草生物量、枯落物、枯死木、土壤有机质和竹产品6个碳库中选择毛竹生物量、灌草生物量和土壤有机质3个碳库进行计量和监测，对于不是净排放源或潜在排放量小或对增加净碳汇量贡献较小的枯落物、枯死木碳库予以忽略。目前国际气候谈判中对林产品储碳尚未达成公认的计量与监测方法体系，国内现有关于竹产品储碳计量与监测的方法体系研究还尚未成熟，因此，竹产品碳库暂不作考虑。
温室气体排放源主要指在竹林经营管理活动中施用有机肥料和含氮化肥引起的直接温室气体排放量 (折算成CO2当量)。
温室气体泄漏源主要指运输工具引起的泄漏，只考虑运输肥料和竹材时运输工具消耗的化石燃料燃烧所引起的温室气体排放量 (折算成CO2当量)。
净碳汇量Ct计算公式如下：
Ct=CMBC+CUVC+CSOC－E－L。
式中：CMBC为样地内毛竹单位面积生物量碳储量 (tC·hm-2)；CUVC为灌草单位面积生物量碳储量 (tC·hm-2)；CSOC为样地单位面积土壤有机碳贮量 (tC·hm-2)；E为施肥引起边界内的温室气体排放 (tC·hm-2)；L为运输引起边界外的温室气体排放 (tC·hm-2)。
2.3 植被碳库测算 2.3.1 毛竹生物量碳储量分别在2010和2013年对27块标准样地进行每株立竹调查，首先记录每株毛竹的胸径、年龄 (度) 数据，根据单株毛竹二元地上部分生物量模型，对样地各单株毛竹地上生物量求和得到地上部分生物量，再利用生物量乘转换系数0.504 2得到乔木层地上碳储量 (周国模等, 2010)。单株毛竹二元地上部分生物量计算模型为：
M=747.787D2.7710.148A/(0.028+A)5.555+3.772。
式中：M为单株毛竹地上部分生物量 (kg)；D为胸径 (cm)；A为年龄 (度)。
根据下式计算样地内毛竹单位面积生物量碳储量 (tC·hm-2)：
CMBC=∑M(1+R)CF10 000/AP。
式中：R为生物量根茎比，为0.32(周国模等, 2010)；CF为平均含碳率；AP为样地面积 (m2)。
2.3.2 灌木生物量碳储量在每块标准样地对角线离4个角各1 m处和样地中心设置5个4 m×4 m样方，将样方内所有灌木植被全部收割并称鲜质量，平均后作为该样方的灌木量。然后分别混合5个样方内的灌木，从中选取灌木的典型植株鲜样准确称鲜质量后，带回实验室，先在105 ℃下杀青30 min，再在70 ℃通风干燥箱内烘干48 h至恒质量，计算含水率。最后根据根茎比计算样方内灌木总生物量干质量，灌木总生物量干质量乘以灌木平均含碳率 (0.5) 得出灌木生物量碳储量。
2.3.3 草本生物量碳储量在每块标准样地对角线离4个角各l m处和样地中心设置5个1 m×1 m样方，将样方内所有草本植被全部收割并称鲜质量，平均后作为该样方的杂草量。然后分别混合5个样方内的杂草，从中选取杂草的典型植株鲜样准确称鲜质量后，带回实验室，先在105 ℃下杀青30 min，再在70 ℃通风干燥箱内烘干48 h至恒质量，计算含水率。最后根据根茎比计算样方内草本总生物量干质量，草本总生物量干质量乘以草本平均含碳率 (0.5) 得出草本生物量碳储量。
2.4 土壤碳库测算 2.4.1 土壤样品的采集按照典型选样方法，在2010和2013年分别对每块20 m×20 m样地内的中心点及4个角桩点设置5个采样点，挖掘土壤剖面，除去枯落物层后，每个剖面按0~10，10~30和30~50 cm土层取制样品，用环刀法测定土壤密度。将各样点土样按土层充分混合后，用四分法分别取200~300 g土壤样品，去除直径大于2 mm的石砾、根系和其他死有机残体，带回实验室风干、磨碎，过筛 (2 mm) 后用于含碳量测定。
2.4.2 土壤有机碳含量的测定土壤有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法 (中国土壤学会, 1999) 测定。
2.4.3 土壤有机碳储量的估算采用下式计算样地单位面积土壤有机碳储量：
| $ {C_{{\rm{SOC}}}} = \sum\limits_{i = 1}^L {{C_i}{B_i}} (1 - W)\cdot{D_i}]。 $ |
式中：Ci为第i土层土壤有机碳含量[g·(100g)-1]；Bi为第i土层土壤密度 (g·cm-3)；W为直径大于2 mm的石砾、根系和其他死有机残体的质量分数 (%)；Di为第i土层厚度 (cm)。
2.5 试验过程温室气体排放和泄漏 2.5.1 施肥过程温室气体排放采用下式计算施肥引起的直接温室气体排放量E(tC·hm-2)：
E=(MSFNSF+MOFNOF)E1MN2OGN2O(10 000/AP)(12/44)。
式中：MSF和MOF分别为每年施用化肥、有机肥的量 (t)；NSF和NOF分别为化肥、有机肥的含氮率[g·(100g)-1]；E1为氮肥施用N2O排放因子，IPCC参考值为0.01；MN2O为N2O与N的分子质量比 (44/28)；GN2O为N2O全球增温潜势，IPCC参考值为310。
2.5.2 运输过程温室气体泄漏经营试验中引起的泄漏主要是使用运输工具 (消耗燃油的机动车) 燃烧化石燃料引起的碳排放。试验样地到最近的市场 (临安) 距离约13 km，由于道路限制，不同经营措施用于运输肥料、竹材所使用的运输工具都为消耗柴油的轻卡，载重5 t。运输肥料每千米耗油量0.12 L，运输竹材每千米耗油量0.2 L。根据下式计算运输引起的CO2排放L(tC·hm-2)，并将排放量按施肥比例和收获竹材比例分摊到各样地中：
L=2ECO2N(MT/T)DS(10 000/AP)(12/44)。
式中：ECO2为燃油的CO2排放因子，柴油为0.074 1tCO2-e·GJ-1；N为燃油的热值，柴油为0.035 8 GJ·L-1；MT为运输肥料或竹材的总量 (t)；T为每辆车肥料或竹材的装载量 (t)；MT/T为运输趟数，取整数；D为运输肥料或竹材的单程运输距离 (km)；S为单位耗油量 (L·km-1)。
3 结果与分析 3.1 不同经营措施对土壤有机碳储量的影响不同经营措施2010和2013年两期土壤有机碳储量 (表 1) 的单因素方差分析结果表明，两期0~50 cm土层土壤碳储量差异显著 (P＜0.05)，说明经过不同经营处理，毛竹林生态系统0~50 cm土层土壤碳储量发生了显著变化。由不同经营措施土壤有机碳储量的变化情况 (图 1) 可看出，处理A2B3 0~10 cm和0~50 cm土层土壤有机碳储量都增加最多，分别增加了10.51和53.15 tC·hm-2，比经营前土壤碳储量分别增加了43.6%和76.2%；处理A1B1 0~10 cm和0~50 cm土层土壤有机碳储量分别减少了8.59和15.56 tC·hm-2，比经营前土壤有机碳储量分别减少了32.9%和24.0%。以上说明大量施肥强度采伐造成了0~10 cm和0~50 cm土层土壤有机碳贮量减少，中等施肥弱度采伐有利于毛竹林生态系统0~10 cm和0~50 cm土层土壤有机碳储量的增加。
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图 1 不同经营措施2010和2013年土壤有机碳储量变化量 Fig.1 Variations of soil organic carbon storage under different treatments in 2010 and 2013 |
对不同措施组合0~50 cm土层土壤有机碳储量的变化量进行多重比较 (图 2) 发现，各处理之间土壤碳储量变化量差异都不显著 (P＞0.05)；对不同措施组合0~10 cm土层土壤碳储量的变化量进行多重比较 (图 2) 发现，A2B3与A1B1和A1B2土壤有机碳储量变化量差异显著 (P＜0.05)，A1B3与A1B1和A1B2土壤有机碳储量变化差异显著 (P＜0.05)。A2B3和A1B3 0~10 cm土层土壤有机碳储量增加较多，分别增加了10.505和7.549 tC·hm-2；A1B1和A1B2 0~10 cm土层土壤有机碳储量减少较多，分别减少了8.592和9.832 tC·hm-2，说明大量施肥弱度采伐和中等施肥弱度采伐有利于毛竹林0~10 cm土层土壤有机碳储量增加，而大量施肥强度采伐和大量施肥中度采伐不利于毛竹林0~10 cm土层土壤有机碳储量增加。
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图 2 0~10 cm与0~50 cm土层土壤碳储量变化量的相关关系 Fig.2 Correction of the soil organic carbon storage variations between 0-10 cm and 0-50 soil layer |
由不同经营措施土壤有机碳储量的变化情况计算得出，0~10 cm土层土壤碳储量平均变化量占0~50 cm土层的22.7%。对不同经营措施0~10 cm和0~50 cm土层土壤碳储量变化建立相关关系模型并拟合得到：y=1.656 1x+18.797，R2=0.268 2，函数曲线见图 2(其中y为0~50 cm土层土壤有机碳储量变化量，x为0~10 cm土层土壤有机碳储量变化量)。由于R2较小，因此在竹林碳汇项目实施时，对于土壤碳库需要分层取样计算土壤有机碳储量，而不能只取表层土壤。
3.2 不同经营措施对植被碳的影响不同经营措施2010和2013年两期毛竹林生态系统植被碳储量 (表 2) 的单因素方差分析结果表明，两期植被总碳储量和两期乔木层总碳储量差异均极显著 (P＜0.01)，而两期林下植被总碳储量差异不显著 (P＞0.05)。说明经过不同经营处理，毛竹林生态系统植被总碳储量发生了显著变化，这种变化主要是由乔木层总碳储量的显著变化引起的。而林下植被总碳储量占植被总碳储量的比例较小，因此，林下植被总碳储量的变化对植被总碳储量的变化影响很小。
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对不同处理植被总碳储量的变化量进行多重比较 (图 3) 发现，A1B3与A1B1、A2B1和A3B1植被总碳储量变化量差异极显著 (P＜0.01)；A2B3与A2B1植被总碳储量变化量差异极显著 (P＜0.01)。A1B3和A2B3植被总碳储量增加较多，分别增加了15.253和13.401 tC·hm-2；A1B1，A2B1和A3B1植被总碳储量增加较少，分别增加了4.901，2.648和3.656 tC·hm-2，说明大量施肥弱度采伐和中等施肥弱度采伐有利于毛竹林生态系统植被总碳储量的增加，而大量施肥强度采伐、中等施肥强度采伐和不施肥强度采伐不利于毛竹林生态系统植被总碳储量的增加。
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图 3 不同经营措施2010—2013年植被碳储量变化量 Fig.3 Variations of vegetation carbon storage under different treatments from 2010 to 2013 |
从不同经营措施试验期间毛竹林样地内施肥排放和样地外运输泄漏 (图 4) 可看出，样地内施肥排放量由施肥量决定，样地外运输泄漏量受到施肥量和采伐量共同影响。试验中样地外运输总泄漏量仅占样地内施肥总排放量的7.32%，主要是因为试验样地到最近的市场 (临安) 距离较近 (13 km)，耗油量少。
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图 4 不同经营措施2010和2013年温室气体排放与泄漏情况 Fig.4 Greenhouse gases emission and leakage under different treatments in 2010 and 2013 |
不同经营措施2010—2013年毛竹林生态系统净碳汇量的单因素方差分析结果表明，除A2B3与A1B1净碳汇量差异显著 (P＜0.05) 外，其他经营措施毛竹林生态系统净碳汇量差异不显著 (P＞0.05)。不同经营处理中，A1B1和A3B2样地毛竹林生态系统为碳源，其他处理样地毛竹林生态系统为碳汇。其中A2B3样地毛竹林生态系统净碳汇量最多，达到64.721 tC·hm-2；而A1B1样地毛竹林生态系统碳排放最多，为14.237 tC·hm-2。说明不同经营措施对毛竹林生态系统净碳汇量有很大影响，过度集约经营有可能造成毛竹林生态系统的碳排放，而合理经营方式有利于毛竹林生态系统的碳积累。
由图 5可知：土壤碳库变化量占所有碳库变化量总和的70.99%±12.30%，毛竹碳库变化量占所有碳库变化量总和的23.37%±11.24%，林下植被碳库变化量占所有碳库变化量总和的0.63%±0.37%，运输泄漏量占所有碳库变化量总和的0.40%±0.16%，施肥排放量占所有碳库变化量总和的4.60%±4.85%。其中土壤碳库和毛竹碳库的变化量之和占所有碳库变化量总和的94.36%，施肥排放量仅占所有碳库变化量总和的4.60%，而林下植被碳库变化量和运输泄漏量分别只占所有碳库变化量总和的0.63%和0.40%。
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图 5 不同经营措施2010—2013年的净碳储量变化量 Fig.5 Variations of net carbon storage in different management treatments from 2010 to 2013 |
不同经营措施2010和2013年两期0~50 cm土层土壤有机碳储量差异显著，说明经过不同经营处理后毛竹林生态系统土壤碳库发生了显著变化，这与张涛等 (2012)研究结果一致。大量施肥强度采伐0~10 cm和0~50 cm土层土壤碳储量分别减少了8.59和15.56 tC·hm-2，比经营前土壤碳储量分别减少了32.9%和24.0%，这与周国模等 (2006a)、马少杰等 (2012)和Li等 (2013)的研究结果基本类似，说明过度集约经营后毛竹林生态系统土壤有机碳储量显著减少，尤其体现在表层土上，这主要是由每年大量施肥加速了土壤有机质矿化，大量采伐又使土壤生物归还量减少造成的。中等施肥弱度采伐处理0~10 cm和0~50 cm土层土壤碳储量都增加最多，分别增加了10.51和53.15 tC·hm-2，比经营前土壤碳储量分别增加了43.6%和76.2%，说明合理的经营措施组合能大幅增加土壤有机碳储量，从而提高毛竹林生态系统的碳汇能力。
两期植被总碳储量和乔木层总碳储量差异都极显著，而两期林下植被总碳储量差异不显著，其主要原因是毛竹林乔木层总碳储量在植被层总碳储量中占主导地位，林下植被总碳储量占植被层总碳储量的比例小，这与王兵等 (2009)对江西大岗山毛竹林碳储量及其分配特征的研究结果基本一致，也与周国模等 (2006b)研究不同管理模式对毛竹林碳储量的影响结果基本一致。不同经营措施毛竹林生态系统植被总碳储量的变化差异显著，其中大量施肥弱度采伐处理植被总碳储量增量是中等施肥强度采伐处理植被总碳储量增量的5.76倍，这与李正才等 (2010)的研究结果一致，说明合理的经营方式有利于毛竹林生态系统的净碳汇经营。
除中等施肥弱度采伐与大量施肥强度采伐净碳汇量差异显著外，其他经营措施间毛竹林生态系统净碳汇量的差异不显著，这主要是因为土壤碳库在整个毛竹林生态系统碳库中所占比例很大且较为稳定。中等施肥弱度采伐与大量施肥强度采伐净碳汇量差异显著，说明过度集约经营与合理的集约经营方式其净碳变化量存在显著差异，过度集约经营会造成毛竹林生态系统的碳排放。周国模等 (2004)研究毛竹林的碳密度和碳储量及其空间分布时也有类似发现，集约经营毛竹林生态系统中碳储量为101.007 tC·hm-2，比粗放经营竹林减少8.131 tC·hm-2，其中土壤层比粗放经营减少6.767 tC·hm-2，说明毛竹林集约经营后生态系统中碳储量下降主要是由土壤碳减少引起的。而本研究发现，合理的经营方式能显著提高毛竹林生态系统的净碳汇能力，因此，在经营实践过程中应该采取中等施肥弱度采伐的组合经营措施，避免过度集约经营。土壤碳库和毛竹碳库的变化量之和占所有碳库变化量总和的94.36%，这与张蕊等 (2014)对四川长宁毛竹林碳储量与碳汇能力估测的研究结果相似。因此在碳汇项目计量监测时，可以忽略林下植被碳库和运输泄漏。施肥排放量主要是由施肥量大小决定的，可以直接根据施肥量计算得出。
5 结论1) 在竹林经营过程中，考虑竹材产量的同时应选择合理的经营措施来增加土壤有机碳储量，从而提高毛竹林生态系统碳汇能力。
2) 毛竹林林下植被碳储量在植被总碳储量中所占比例很小。
3) 中等施肥弱度采伐与大量施肥强度采伐净碳汇量差异显著 (P＜0.05)，过度集约经营有可能造成毛竹林生态系统的碳排放，而合理经营方式有利于毛竹林生态系统的碳积累。
4) 土壤碳库和毛竹碳库的变化量之和占所有碳库变化量总和的94.36%，所以在碳汇项目计量监测时，可以忽略林下植被碳库和运输泄漏。施肥排放量主要是由施肥量决定的，可以直接根据施肥量计算得出。
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