¹南丹县山口林场，广西 南丹

²广西大学林学院，广西 南宁

收稿日期：2021年12月30日；录用日期：2022年4月15日；发布日期：2022年4月22日

摘要

为了探究桂西北杉木人工林成熟林的碳汇功能，为其生态效益的合理评价和可持续经营提供依据。以广西南丹县杉木成熟林(30年生)为研究对象，通过野外样地调查和室内分析，对其生态系统碳储量及其分布格局进行了研究。结果表明：1) 各器官碳含量介于468.4~502 .8 g ·kg⁻¹之间，按大小排列次序为干皮 > 干材 > 树叶 > 树枝 > 树根，林分中不同层次植物碳含量为乔木层 > 灌木层 > 草本层，土壤(0~80 cm)平均碳含量为 15.16 g ·kg⁻¹，随土层加深逐渐下降。2) 杉木成熟林生态系统碳贮量为241.63 t·hm⁻²，不同部分碳贮量由大到小次序为土壤层(145.61 t·hm⁻²) > 乔木层(91.36 t·hm⁻²) > 凋落物层(2.78 t·hm⁻² > 灌木层(1.38 t·hm⁻²) > 草本层(0.50 t·hm⁻²)。乔木层各器官碳贮量与其生物量成正比例关系，干材的生物量最大，其碳贮量也最高，占乔木层碳贮量的68.14%，树枝、树叶、干皮和树根等碳贮量共占31.86%。3) 杉木成熟林乔木层年净生产力为7.84 t·hm⁻²·a⁻¹，有机碳年净固定量为3.84 t·hm⁻²·a⁻¹，年净吸收CO₂量为14.08 t·hm⁻²·a⁻¹。因此，桂西北杉木成熟林具有较强的固碳功能，在区域森林生态系统碳循环中发挥着重要的作用。

关键词

杉木成熟林，碳贮量，碳分配，桂西北

Carbon Storage and Distribution of Mature Cunninghamia lanceolata Plantation Ecosystem in Northwestern Guangxi

Zhengwen Yang¹, Shaozhuang Mo¹, Fansheng Liu¹, Bin He^2*, Yawei Nan², Liudi Hui²

¹Shankou Forest Farm of Nandan County, Nandan Guangxi

²Forestry College, Guangxi University, Nanning Guangxi

Received: Dec. 30^th, 2021; accepted: Apr. 15^th, 2022; published: Apr. 22^nd, 2022

ABSTRACT

In order to explore the carbon sequestration of the mature Cunninghamia lanceolata plantation in northwestern Guangxi, and to provide a basis for rational assessment of its ecological benefits and sustainable management, taking the mature C. lanceolata plantation (30-year-old) of Nandan County in northwestern of Guangxi as the research objects, the carbon content, carbon storage, annual carbon sequestration and distribution characteristics of the C. lanceolata plantation ecosystems were studied by the field plot survey and laboratory chemical analysis method. The results showed that 1) Carbon content of each organ ranged between 468.4 and 502.8 g ·kg⁻¹, and it was in the order of bark > stem > leaf > branch > root. The carbon content of different layers within the stand was in the order: tree layer > shrub layer > herb layer. The carbon content in the soil (0~ 80 cm ) was 15.16 g ·kg⁻¹, and declines with soil depth. 2) The total carbon storage of mature C. lanceolata plantation ecosystems was estimated to be 241.63 t·hm⁻², and carbon storage of each component in this ecosystem was in the order as soil layer > (145.61 t·hm⁻²) tree layer (91.36 t·hm⁻²) > litter layer (2.78 t·hm⁻²) > shrub layer (1.38 t·hm⁻²) > herb layer (0.50 t·hm⁻²). The carbon storage of different organs was related to the biomass of corresponding organs, stem accumulated the highest carbon storage, comprised 68.14% of carbon storage in tree layer, the rest in branch, leaf, bark and root etc., seized 31.86%. 3) The annual net productivity of C. lanceolata plantation was 7.84 t·hm⁻²·a⁻¹, and annual carbon fixation was 3.84 t·hm⁻²·a⁻¹, and the annual net CO₂ absorption was 14.08 t·hm⁻²·a⁻¹. The mature C. lanceolata plantation in Northwest Guangxi has strong and sustainable carbon sink functions, and plays an important role in regional the carbon cycle of the forest ecosystem.

Keywords:Cunninghamia lanceolata Mature Forest, Carbon Storage, Carbon Distribution, Northwestern Guangxi

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1. 引言

由于人类大量使用化石燃料以及毁林开荒等活动而造成CO₂等温室气体浓度的不断上升，从而引发了全球性的气候问题，已威胁到全球生态环境和人类的生存与发展 [1]。森林是陆地生态系统的主体 [2]，人工林是全球森林资源的重要组成部分，目前中国人工林保存面积达到6933万hm²，居世界首位，且呈现持续增长的态势，发展优质、高效、稳定、兼具经济效益和碳汇生态效益的多功能人工林，已成为推进中国碳汇林业发展和实施碳减排计划 [2] [3] [4] [5]，实现“碳达峰”和“碳中和”目标的重要途径。

杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国南方重要的优良速生商品用材林树种之一，具有适应性强、生长迅速、木材单产高和材质优良等优点 [6]，栽培面积达到17 × 10⁶ hm²，在提供大量商品用材和增加森林碳汇及碳吸存能力、涵养水源等生态功能方面发挥着重要的作用。但是，受过度追求速生丰产的影响，长期以来我国杉木人工林主要以中小径材为经营目标，采用高密度的短轮伐期经营模式 [7]，加上采用多代连栽经营，从而导致林地地力衰退和生态功能的下降。近些年来，随着木材市场需求的变化，对大径材的需求量越来越大，供需矛盾日益凸显，加上大径材培育有利于维持和提高林地生产力。因此，大力发展杉木大径材已成为杉木人工林发展的一个重要趋势 [6]。目前，国内有关杉木人工林碳汇功能的研究已有较多报道 [7] [8] [9] [10]，其中部分研究涉及其成熟林或者大径级用材林方面，均表明杉木成熟林仍然具有较高的固碳功能。桂西北是我国杉木人工林的重要产区之一，地处该区域的南丹县山口林场目前已营建以培育大径材为经营目标的杉木成熟林近3000 hm²，成为广西乃至全国连片面积最大的杉木大径级用材林基地之一。为此，本研究以南丹县山口林场30年生杉木成熟林为研究对象，通过对其生态系统碳含量、碳储量及其分布格局进行研究，以揭示其碳汇功能的强弱，为合理评价杉木人工林的生态功能提供科学依据。

2. 材料与方法

2.1. 研究区自然概况

研究区位于广西西北部的南丹县山口林场，属我国杉木中心产区。南丹县(107˚1'E~107˚55'E、24˚42'N~25˚37'N)地处云贵高原边缘，属中亚热带气候类型，地貌以中低山为主，海拔高度多数在500~1 000 m ，具有高原山区的气候特点和变化规律。年平均气温16.9℃，年平均降水量1 498 mm ，降雨多集中在4~10月；年平均蒸发量1 135 mm ，年均相对湿度83% [2]。南丹县山口林场是桂西北杉木人工林的主要经营单位之一，目前该场杉木人工林栽培面积约6000 hm²，其中杉木大径材面积2700多hm²。试验地设在该林场拉堡分场，海拔750~850 m，东南坡，坡度28˚~33˚，土壤母质(母岩)为砂页岩，风化程度较深，平均土层厚度 80 cm 以上，土壤肥力水平较高。

研究林分为杉木成熟林，于1989年3月采用杉木实生苗(融水种源)定植，造林密度为2500株·hm⁻²(行株距2 m × 2 m)，造林后前2年的春季各进行1次铲草抚育，并分别于造林后的第9、14和19年分别进行间伐。2019年5月调查时杉木成熟林林分密度为690株/hm²，郁闭度0.75%，平均树高 22.6 cm ，平均胸径 26.5 m 。林下植物发育较差，主要有八角枫(Alangium chinense)、粉叶爬山虎(Parthenocissus thomsonii)、广东蛇葡萄(Ampelopsis cantoniensisi)、贵州毛柃(Eurya kweichowensis)、垂穗石松(Lycopodium cernuum)和南方紫萁(Osmunda cinnamomes)等，覆盖度30%，凋落物层平均厚度约2.5 cm。

2.2. 研究方法

2.2.1. 标准地的设置与生态系统生物量的测定

在经过对南丹山口林场的30年生杉木成熟林进行全面踏查并分析其生长状况的基础上，于2019年5月在的杉木成熟林中选择生长中等的地块，按照不同坡位(上坡、中坡和下坡)共设置3块20 m × 30 m (600 m²)标准样地。调查测定样地内林木的胸径、树高、冠幅和枝下高，根据调查结果计算林分平均胸径和平均树高。

在每块样地内选择1株平均木并伐倒，采用“Monsic分层切割法”测定树叶、树枝、干皮、干材即地上部分鲜质量，采用“全根挖掘法”测定根系即地下部分鲜质量。同时在各样地内按对角线分别设置小样方3 个，面积均为 2 m × 2 m ，对样方内灌木、草本的种类、个体数、高度和覆盖度等进行调查，然后采用“样方收获法”测定灌木层、草本层和凋落物层鲜质量 [2]。按“混合取样法”分别采集乔木层各器官、灌木层、草本层和凋落物层样品500~1000 g，带回实验室后放入烘箱内于80℃烘至恒，测定各样品的含水率和干质量，估算各组分生物量 [2]。

2.2.2. 样品采集和碳含量测定

选取经过测定生物量后的乔木层各器官、灌木层、草本层和凋落物层样品，重新放入烘箱中于80℃烘干，经过粉碎过0.25 mm筛后装入自封袋内密封保存。同时按对角线设置方法在每块样地内挖掘3个土壤剖面，按0~20、20~40、40~60、60~80 cm共4个层次各采集约 1 kg 土壤，同一样地内相同土层样品混合后按四分法取约 1 kg 装入自封袋内 [11]，带回实验室自然风干后研磨过 0.149 mm 筛，装入自封袋，与待测植物样品均采用K₂CrO₇容量法测定有机碳含量 [12]。

2.2.3. 数据统计与处理

利用Excel2013软件进行相关数据处理，采用SPSS 22.0软件对杉木成熟林生态系统中乔木层、灌木层、草本层、凋落物层和土壤层碳含量、碳贮量及乔木层不同器官年净固碳量间差异性等进行单因素方差分析(ANOVA)。生态系统碳贮量和乔木层年净固碳量等相关计算参照文献 [2]。

3. 结果与分析

3.1. 生态系统不同结果层次碳含量

从表1可见，杉木成熟林各器官碳素含量介于468.4~502 .8 g ·kg⁻¹之间，全树平均碳素含量为 494.6 g ·kg⁻¹，其大小为干皮(502.8 g·kg⁻¹) > 干材(494.4 g·kg⁻¹) > 树叶(487.9 g·kg⁻¹) > 树枝(479.4 g·kg⁻¹) > 树根(468.4 g·kg⁻¹)，各器官含量间差异均显著(P > 0.05)。群落植被层其他结构层次中，灌木层和草本层碳含量分别451.7和 430.5 g ·kg⁻¹，凋落物层碳含量为 435 g ·kg⁻¹。群落不同结构植物层次碳含量表现出随植物个体高度或其组织木质化程度降低而递减的变化。即乔木层 > 灌木层 > 草本层。

表1. 杉木成熟林生态系统碳含量

注：^*经各组分生物量或土壤质量加权平均。不同小写字母表示不同植物组分或土层间差异显著(P < 0.05)，以下同。

杉木成熟林土壤层平均碳含量(15.16 g·kg⁻¹)明显低于生态系统各植被层。受地表凋落物腐殖化作用所形成有机物质的聚集效应影响，土壤有机碳含量呈现随土壤深度增加而显著(P < 0.05)下降的变化趋势，且随土壤深度增加，相邻土层间碳含量的差异趋向减小，其中0~20 cm土层有机碳含量(40.34 g·kg⁻¹)是其他土层的1.83~7.34倍。

3.2. 生态系统碳储量及其分配

杉木成熟林生态系统的植物层包括乔木层、灌木层、草本层和凋落物层。从表2可见，杉木成熟林乔木层碳储量为91.36 t·hm⁻²，其不同器官碳储量大小排列为：干材(62.25 t·hm⁻²)、树根(11.53 t·hm⁻²)、干皮(7.77 t·hm⁻²)、树枝(6.15 t·hm⁻²)、树叶(3.66 t·hm⁻²)，其所占乔木层碳储量比例分别为68.14%、12.62%、8.50%、6.73%、4.00%，占植被层总碳储量比例分别为64.83%、12.01%、8.09%、6.40%、3.82%，与其生物量及其所占比例由大到小排序相一致。

表2. 杉木成熟林生态系统碳储量及其分配

受树种生物学特性及其林分结构等影响，杉木成熟林郁闭度较大，林下植被发育较差，覆盖度较小，林下植被组成中的灌木层、草本层生物量也均较少，分别为3.05和1.17 t·hm⁻²，碳储量依次为1.38和0.50 t·hm⁻²。而凋落物层相对较丰富，其生物量和碳储量分别为6.39和2.78 t·hm⁻²，其中碳储量是灌草层碳储量1.48倍。

杉木成熟林土壤层(0~80 cm)碳储量为145.61 t·hm⁻²，各土层碳储量在土壤剖面垂直分布上表现出与碳含量相同的变化趋势，即随土层加深而减少，且各土层碳储量间差异均显著(P < 0.05)。在各土层碳储量分配中，0~20 cm土层碳储量(74.02 t·hm⁻²)所占比例为50.83%，远高于20~40、40~60和60~80 cm土层碳储量分别所占比例(23.32%、15.20%和10.64%)。

杉木成熟林态系统总碳储量为241.73 t·hm⁻²，其中以土壤层碳储量(145.61t·hm⁻²)最大，占60.26%，其次是乔木层(91.36 t·hm⁻²)、凋落物层(2.78 t·hm⁻²)和灌木层(1.38 t·hm⁻²)分别占37.84%、1.15%和0.57%，草本层碳储量(0.50 t·hm⁻²)最小，仅为0.21%。

3.3. 乔木层年净固碳量

根据估算(表3)，杉木成熟林乔木层年净生产力为7.84 t·hm⁻²·a⁻¹，年净固碳量为3.84 t·hm⁻²·a⁻¹，相当于年CO₂吸收量14.08 t·hm⁻²·a⁻¹。乔木层中树叶、树枝、干皮、干材和树根年净固碳量分别为0.91、0.20、0.26、2.08和0.39 t·hm⁻²·a⁻¹，各器官年净固碳量均存在显著差异(P < 0.05)。其分配比例由大到小为干材(54.17%)、树叶(23.70%)、树根(10.16%)、树枝(5.21%)、干皮(3.51%)。

表3. 乔木层各器官年净固碳量

4. 讨论与结论

桂西北成熟林乔木层平均碳含量为 494.6 g ·kg⁻¹，与相同区域26年生马尾松(489.3 g·kg⁻¹) [6]、23年生秃杉和杉木平均碳含量(481.9和 491.1 g ·kg⁻¹) [13] 基本一致，均处于国内外学者进行森林碳储量计算时所采用转换系450 g·kg⁻¹~500 g·kg⁻¹之间 [13]。不同器官碳含量大小为干皮 > 树叶 > 干材 > 树枝 > 树根，与相同区域12年生西南桦(干材 > 树枝 > 树根 > 树叶 > 干皮) [14]、26年生马尾松(树叶 > 干材 > 干皮 > 树根 > 树枝) [15] 和25年生的秃杉(干皮 > 干材 > 树根 > 树枝 > 树叶) [2] 均存在差异，表明不同树种各器官的碳积累存在一定程度的差异性。杉木成熟林群落不同结构层次植物体内碳含量表现为随着光照强度的下降而降低的变化趋势，即乔木层 > 灌木层 > 草本层，与韦明宝等 [14] 和何斌等 [2] 分别对相同区域的马尾松林和秃杉林的研究结果相一致。

桂西北杉木成熟林生态系统总碳储量为241.63 t·hm⁻²，其中乔木层碳储量为91.36 t·hm⁻²，明显高于中国森林乔木层平均碳储量(57.07 t·hm⁻²)和中国热带、亚热带针叶林碳储量63.17 t·hm⁻² [16]，也高于相同或相近气候带的福建省南平市 [8] 和贵州省开阳县和30年生杉木林的乔木层碳贮量(57.63和80.90 t·hm⁻²) [9]，以及桂东南31年生火力楠人工林乔木层碳储量(95.08 t·hm⁻²) [17]，略低于采用较高保留密度( > 1000 株·hm⁻²)经营的广西北部32年生杉木林 [18] (119.18 t·hm⁻²)，以及广西凭祥市29年生格木人工林(100.0 t·hm⁻²) [19]，表明本研究区杉木人工林具有较强的碳积累能力。本研究中杉木成熟林土壤有机碳储量为145.61 t·hm⁻²，明显高于我国天然林平均土壤碳储量(109.1 t·hm⁻²)和人工林土壤平均碳储量(107.1 t·hm⁻²) [20]，也高于相同或相近气候带的贵州省开阳县 [9] 和福建省南平市 [8] 的30年生杉木林土壤碳储量(77.72和104.60 t·hm⁻²)，以及桂东南31年生火力楠林和广西凭祥市32年生格木人工林的土壤碳储量(79.24和116.51 t·hm⁻²)，表明研究区杉木成熟林土壤有机碳储量较高，这也是其能够速生丰产的重要原因之一。由于土壤碳储量主要分布在0~20和20~40 cm土层，林下植被和凋落物层生物量及碳储量所占生态系统的比例均较小，因此，加强森林植被保护，减少人为干扰，防止地表的水土流失，对有效保持土壤对碳的吸存，维持整个生态系统的碳汇有着非常重要的作用。

据报道，福建省南平市 [8] 和贵州省开阳县 [9] 的30年生杉木林年净固碳量分别为1.75 t·hm⁻²·a⁻¹和1.92 t·hm⁻²·a⁻¹，桂东南31年生火力楠林年净固碳量为4.44 t/hm² [17]。本研究中，杉木成熟林乔木层年净生产力为7.84 t·hm⁻²·a⁻¹，年净固碳量为3.84 t·hm⁻²·a⁻¹，相当于CO₂年吸收量14.08 t·hm⁻²·a⁻¹，表明研究区杉木成熟林具有较强的固碳功能，同时说明在该区域发展大径级杉木用材林，不仅可以提高木材产量和经营效益，而且在区域森林生态系统碳循环中发挥着重要的作用，是一种兼具木材收获和碳吸存效益的多目标人工林可持续经营模式。

致谢

参加本研究的还有南丹县山口林场韦明宝工程师、广西大学硕士研究生黄振格、张日施，在此一并致谢！

基金项目

广西重点研发计划项目(桂科AB17292008)；广西创新驱动发展专项资金项目(桂科AA17204087-11)；国家自然科学基金资助项目(31760201,31560206)。

文章引用

杨正文,莫少壮,刘凡胜,何 斌,南雅薇,惠柳笛. 桂西北杉木成熟林生态系统碳贮量及其分布格局
Carbon Storage and Distribution of Mature unninghamia lanceolata Plantation Ecosystem in Northwestern Guangxi[J]. 林业世界, 2022, 11(02): 106-113. https://doi.org/10.12677/WJF.2022.112013

参考文献