江西金盆山林區天然常綠闊葉林生態系統碳儲量研究

邱鳳英，肖復明，郭 捷，林小凡，羅坤水，曹展波，李光運

（1.江西省林業科學院，江西 南昌 330032；2.金盆山營林林場，江西 信豐 341500）

森林作為陸地生態系統的主體，其維持的植被碳庫約占全球植被碳庫的86%[1]，土壤碳庫約占全球土壤碳庫的73%[2]。森林生態系統在全球碳循環、緩解全球氣候變暖中發揮重要的碳匯功能[3]。森林碳儲量的準確評估是了解全球碳循環、評估森林砍伐排放、合理規劃利用土地的關鍵[4]。近年來，國外已通過對城市森林碳儲量的量化研究來評估城市森林在氣候變化中的作用[5]。目前，國內外研究者基于區域性的森林資源清查資料，開展了不同區域、不同森林類型的碳儲量研究工作[6-13]，這為評價區域尺度的生態質量和研究我國森林生態系統的碳匯功能提供了重要參考。江西地處我國中亞熱帶東部，氣候溫暖濕潤，森林資源豐富，森林植被類型復雜多樣。常綠闊葉林是我國重要的森林類型之一[14]，群落結構復雜，生態維護機制優越。但一直以來，城市擴張和耕地保護導致區域碳儲量減少[15]，加之出于短期經濟效益考慮，大量天然常綠闊葉林和次生林遭到砍伐，采伐跡地用于營造松杉人工林，使得常綠闊葉林面積銳減，導致生態系統破壞和退化。自1996年以來，江西省針葉林種植面積急劇增長[16]，但針葉林碳密度遠低于常綠闊葉林，導致江西省森林碳密度低于全國水平。江西省是亞洲東南部熱帶、亞熱帶植物區系的起源中心之一，其陸地生態系統主體為常綠落葉林。為闡明天然常綠闊葉林重要的生態價值，本研究對江西省典型性常綠闊葉林區域金盆山林區常綠闊葉林生態系統的碳密度及分布規律進行了研究，對準確評估該地區森林碳儲量和碳潛力具有重要意義，并對探討亞熱帶常綠闊葉林生態系統碳匯功能、碳匯潛力評估具有一定數據參考價值，為常綠闊葉林合理利用和指導亞熱帶地區森林經營管理及相關政策制定提供理論依據。

1 研究地概況

研究區位于江西省信豐縣金盆山林區（25°20′N，114°34′E），屬武夷山余脈，地勢由南而北傾斜，海拔300～500 m，土壤紅壤或黃壤。年均氣溫19.5 ℃，無霜期285 d，年均降水量1 600 mm，相對濕度76%以上。該林區屬中亞熱帶南部，水熱條件優越，植被分布豐富，現存闊葉林約7 333 hm2，均為天然次生常綠闊葉林，主要森林類型有絲栗栲Castanopsis fargesii林、木荷Schima superba林、米櫧Castanopsis carlesii林、大葉青岡Cyclobalanopsis jenseniana林、南嶺栲Castanopsis fordii林、藜蒴栲Castanopsis fissa林等，以絲栗栲林、南嶺栲林和米櫧林3 種林分居多，占總林分的70%左右。絲栗栲林、南嶺栲林和米櫧林的林地狀況和喬木層特征見表1。

表1 3 種森林類型林地狀況和喬木層特征Table 1 Site condition and tree layer characteristics of three forest types

2 研究方法

2.1 樣地設置

1996年江西省常綠闊葉林研究課題組在江西省信豐金盆山常綠闊葉林區設置了43 個樣地（每個樣地面積為667 m2），2006年底對樣地樹種進行了復核清查。在此基礎上，于2012年在金盆山林區選取具有代表性的絲栗栲林、南嶺栲林、米櫧林等3 種主要森林類型為研究對象，分別在3 種森林類型內設置樣地，絲栗栲林森林類型與南嶺栲森林類型相距4 km 左右，米櫧林森林類型與絲栗栲及南嶺栲森林類型均相距10 km 以上，每個森林類型設置3 個20 m×30 m 的樣地，共計9 個樣地，各樣地相距500 m 以上。測量樣地內優勢木的胸徑、樹高，每樣地選取3 株標準木，分別測定干、枝、葉、根生物量及碳含量。每樣地內各設置3 個2 m×2 m 的小樣方，用于灌木層、草本層和凋落物層生物量的測定及碳含量取樣。

2.2 各森林類型生物量

2.2.1 生物量的測定

根據3 種森林類型樣地每木檢尺數據，計算標準地優勢木平均樹高和平均胸徑，選取標準木。齊地伐倒，挖出標準木全部根系，分主干（帶皮）、枝、葉、根，實測總鮮質量。主干選取中央處10～40 cm 長的樹干作樣品，側枝明顯的大樹，分樹冠上、中、下三部分，把主側枝分開稱質量并取樣。分別將干、枝、葉、根各取鮮質量的5%左右樣品回實驗室烘干至恒質量，根據取回樣品的干濕比，計算標準木的葉、枝、干、根干質量。

分別取各樣地小樣方內灌木枝、葉、根，草本層，凋落物層枝、葉稱鮮質量，并取鮮質量的30%左右樣品回實驗室烘干至恒質量，稱干質量。

2.2.2 各森林類型生物量的計算

林分喬木層生物量計算公式為：

式（1）中：C為林分生物量（t/hm2）；A為標準木生物量（kg）；N為喬木數量（株/hm2）。

林分灌木層、草本層、凋落物層生物量計算公式為：

式（2）中：C為林分生物量（t/hm2）；B為小樣方內生物量（kg）。

2.3 碳含量的測定及碳密度的計算

2.3.1 植被層與凋落物層碳含量的測定及碳密度的計算

于2012年，分別取樣地內絲栗栲林、南嶺栲林、米櫧林標準木的干、枝、葉、根，灌木層的枝、葉、根，草本層的地上部分和地下部分混合樣，凋落物的枝、葉回實驗室進行碳含量的測定。碳含量的測定采用重鉻酸鉀外加熱法[17]，運用碳含量和對應的生物量數據，計算得出相應的碳密度（t/hm2），碳密度值為碳含量與生物量乘積。

2.3.2 土壤層碳含量的測定及碳密度的計算

土壤按10 cm 一個等級分0～100 cm 層取樣回實驗室進行碳含量的測定，并按10 cm 一個等級分10層測定土壤的容重，土壤碳密度計算公式[18]如下。

式（3）中：SOC 為土壤剖面有機碳密度（kg/m2）；θi為第i層＞2 mm 礫石含量（體積%）；pi為第i層土壤容重（g/cm3）；Ci為第i層土壤有機碳含量（g/kg）；Ti為第i層土壤厚度（cm）；n為參與計算的土壤層次總數。

3 結果與分析

3.1 3 種森林類型各層生物量分布

3 種森林類型生物量情況見表2。由表2 可知，絲栗栲林喬木層、灌木層、草本層和凋落物層的生物量分別為344.40、2.60、0.15、3.81 t/hm2，南嶺栲林喬木層、灌木層、草本層和凋落物層的生物量分別為416.10、1.58、0.29、9.43 t/hm2，米櫧林喬木層、灌木層、草本層和凋落物層的生物量分別為384.50、1.55、0.66、5.69 t/hm2。各植被層各器官生物量具體情況見表2。

表2 3 種森林類型各層生物量Table 2 Bio mass of each layer in three forest types (t/hm2)

3.2 3 種森林類型植被層的碳含量和碳密度

3.2.1 3 種森林類型植被層的碳含量

3 種森林類型植被層碳含量從大到小依次為喬木層、灌木層、草本層（表3）。喬木層碳含量均為葉＞枝＞干＞根，其中葉的碳含量為526.90～548.80 g/kg，根 的 碳 含 量 為427.70～443.30 g/kg；絲栗栲林和南嶺栲林灌木層的碳含量均為枝＞葉＞根，而米櫧林灌木層的葉碳含量略高于枝；3 種森林類型的植被層全林加權平均碳含量相差不大，以米櫧林略高，為465.93 g/kg，南嶺栲林居中，絲栗栲林最低，為455.02 g/kg。

3.2.2 3 種森林類型植被層的碳密度

表4 為3 種森林類型植被層的碳密度的分布情況。由表4 可知，3 種森林類型植被層平均碳密度為176.84 t/hm2，碳密度分布為喬木層＞灌木層＞ 草本層。其中以南嶺栲林植被層碳密度最大，為192.40 t/hm2；米櫧林居中，為180.18 t/hm2；絲栗栲林最低，為157.95 t/hm2。絲栗栲林喬木層、灌木層和草本層的碳密度分別占植被層總碳密度的99.18%、0.78%、0.04%，南嶺栲林喬木層、灌木層和草本層的碳密度分別占植被層總碳密度的99.58%、0.36%、0.06%，米櫧林喬木層、灌木層和草本層的碳密度分別占植被層總碳密度的99.44%、0.41%、0.15%，可見這3 種森林類型植被層的碳絕大部分貯存在喬木層中。絲栗栲林和米櫧林喬木層碳密度均為干＞枝＞根＞葉，而南嶺栲林喬木層的碳密度則為干＞根＞枝＞葉。3 種森林類型喬木層干的碳密度均值占喬木層碳密度和植被層碳密度的比例分別為56.87%和56.54%?？梢妴棠緦雍椭脖粚右话胍陨系奶純α烤性趩棠緦拥母芍?。

表3 3 種森林類型植被層的碳含量 Table 3 Carbon content in the vegetation layer of three forest types (g/kg)

表4 3 種森林類型植被層的碳密度 Table 4 Carbon density in the vegetation layer of three forest types (t/hm2)

3.3 3 種森林類型凋落物層的碳含量和碳密度

由表5 可知，3 種森林類型中凋落物碳含量 為421.59～454.21 g/kg，碳密度為1.73～3.98 t/hm2，其中凋落物枝的碳含量略高于凋落物葉，但凋落物葉中碳密度高于凋落物枝，絲栗栲林、南嶺栲林、米櫧林中凋落物葉的碳密度分別占林分凋落物總碳密度的57.23%、76.13%和61.24%。

表5 3 種森林類型凋落物層的碳含量和碳密度Table 5 Carbon content and carbon density in the litter layer of three forest types

3.4 3 種森林類型土壤層的碳含量和碳密度

3 種森林類型0～100 cm 各土層碳含量和碳密度分布及其變化情況見圖1。由圖1可知，3 種森林類型土壤層的碳含量和碳密度均隨著土壤層的加深呈下降趨勢，隨著土層的加深，土層間的碳含量變化趨緩。3 種森林類型碳含量和碳密度均以0～10 cm 土層最高，土層深度在40 cm 以下土層間碳含量和碳密度無明顯變化。3 種森林類型中0～10 cm 層和10～20 cm 土層的碳含量和碳密度均以絲栗栲林最高。20～30、30～40、40～50、50～60、60～70、70～80 cm 土層的碳含量均以南嶺栲林最高，30 cm 以下土層碳密度以米櫧林最高。

圖1 3 種森林類型各土層的碳含量和碳密度Fig.1 Carbon content and carbon density in each soil layer of three forest types

3.5 3 種森林類型不同層次碳密度分布及金盆山林區天然常綠闊葉林碳儲量估算

由表6 可知，3 種森林類型生態系統中不同層次碳密度分布規律為植被層＞土壤層＞凋落物層。3 種森林類型生態系統的總碳密度為307.14 t/hm2，其中植被層、土壤層、凋落物層的碳密度均值分別為176.84、127.53、2.76 t/hm2，分別占生態系統總碳密度的57.58%、41.52%、0.90%?？梢? 種森林類型生態系統一半以上的碳貯存于植被層中，約2/5 的碳貯存于土壤中，不足1%的碳貯存于凋落物中。絲栗栲林、南嶺栲林、米櫧林生態系統的總碳密度無顯著差異，分別為294.82、307.63、318.97 t/hm2。江西贛南信豐縣金盆山林區現有天然常綠闊葉林約7 333 hm2，以絲栗栲林、南嶺栲林、米櫧林的碳密度的平均值作為金盆山林區天然常綠闊葉林平均碳密度，估算江西信豐縣金盆山林區天然常綠闊葉林現存碳總量達2.25×106t。

3.6 金盆山林區常綠闊葉林碳密度與其它林分碳密度比較分析

金盆山林區常綠闊葉林碳密度與已有報道的森林類型碳密度比較結果見表7。金盆山林區常綠闊葉林生態系統的總碳密度為307.14 t/hm2，高于我國森林生態系統的平均碳密度（258.8 t/hm2）[19]，也高于黃土高原子午嶺林區天然柴松林（236.0 t/hm2）[20]、長白山闊葉紅松林（254.7 t/hm2）[21]、西雙版納熱帶季節雨林（250.8 t/hm2）[21]和鼎湖山亞熱帶常綠闊葉林（248.7 t/hm2）[21]，但遠低于哀牢山濕性常綠闊葉林（530.1 t/hm2）[21]。

表6 3 種森林類型不同層次的碳密度Table 6 Carbon density in different levels of three forest types (t/hm2)

金盆山林區常綠闊葉林植被層的碳密度 （176.8 t/hm2）分別為世界平均水平（86 t/hm2）[22]、溫帶森林生態系統平均值（57.1 t/hm2）[23]和我國森林生態系統植被層平均碳密度（38.7 t/hm2）[24]的2.1 倍、3.1 倍和4.6 倍，且高于長白山闊葉紅松林（129.0 t/hm2）、西雙版納熱帶季節雨林 （154.7 t/hm2）和鼎湖山亞熱帶常綠闊葉林 （149.45 t/hm2），但低于哀牢山濕性常綠闊葉林（239.40 t/hm2）和我國尖峰嶺熱帶原始林的植被碳密度（207.68 t/hm2）[25]。林區喬木層碳密度 （175.8 t/hm2）約為江西省森林植被喬木層平均碳密度（25.3 t/hm2）[26]的7 倍。

表7 金盆山林區常綠闊葉林碳儲量與已有報道的森林類型碳儲量比較分析Table 7 Comparative analysis of carbon storage between the evergreen broad-leaved forest in Jinpenshan and forest types reported (t/hm2)

金盆山林區常綠闊葉林凋落物層碳密度 （2.8 t/hm2）遠低于我國森林生態系統平均值（8.2 t/hm2）和長白山闊葉紅松林（7.3 t/hm2）[21]，略低于江西省森林生態系統枯落物碳密度均值 （3.1 t/hm2）[26]和哀牢山濕性常綠闊葉林（4.2 t/hm2），但高于西雙版納熱帶季節雨林（1.0 t/hm2）和鼎湖山亞熱帶常綠闊葉林（1.4 t/hm2）枯落物碳密度。

金盆山林區常綠闊葉林土壤層碳密度 （127.5 t/hm2）遠低于我國森林生態系統平均值（193.6 t/hm2）[19]和哀牢山濕性常綠闊葉林（286.6 t/hm2），但高于全球土壤碳密度水平 （104.0 t/hm2）[27]、江西省森林生態系統土壤平均碳密度（115.2 t/hm2）、長白山闊葉紅松林 （118.3 t/hm2）、西雙版納熱帶季節雨林（95.1 t/hm2） 和鼎湖山亞熱帶常綠闊葉林（97.9 t/hm2）。

4 結論與討論

4.1 結 論

金盆山林區常綠闊葉林的總碳密度為 307.14 t/hm2，高于我國森林生態系統平均碳密度和多種典型森林類型碳密度，也高于同處贛南的馬尾松天然林碳密度（129.00 t/hm2）[28]。常綠闊葉林的碳匯功能較強，在今后營造林中考慮經濟效益的同時應兼顧生態效益，提倡營造常綠闊葉林。

絲栗栲林、南嶺栲林和米櫧林生態系統間的碳密度差異不顯著，這3 個樹種均為亞熱帶林區常見的鄉土樹種，在維護生態系統碳匯功能上均有較好的效果，今后營林中可大力采用鄉土闊葉樹種。

金盆山林區常綠闊葉林生態系統碳密度分布規律為植被層＞土壤層＞凋落物層，植被層的碳密度分布規律為喬木層＞灌木層＞草本層，其中喬木層主干的碳密度占56.54%。張秋根等[29]對江西省亞熱帶常綠闊葉林碳儲量和碳密度研究中也表明喬木層碳儲量對亞熱帶常綠闊葉林植被層碳儲量的影響最大[29]。在天然常綠闊葉林生態系統碳匯功能中，喬木層起著重要的作用，大面積砍伐將導致碳嚴重流失，因此我國亞熱帶地區天然常綠闊葉林的經營管理中不宜皆伐，宜采取間伐成熟林，促使林地天然更新和永續利用。

4.2 討 論

本研究利用金盆山常綠闊葉林2012年生物量及碳含量實測值對林區天然常綠闊葉林碳分布情況及碳儲量進行了估算和分析，對江西省常綠闊葉林碳功能了解和評價有重要的參考價值。金盆山林區所屬區域在2012年前后5 a 內氣候穩定，未出現明顯影響碳儲功能及分布的極端天氣，且林區人為干擾較少，林分生長穩定，因此可認為2012年林分碳儲數據可代表整個生態系統在最近10 a 內的真實碳匯水平。

本研究發現金盆山林區常綠闊葉林生態系統碳密度高于我國森林生態系統平均碳密度及我國多種典型森林類型碳密度，表明金盆山林區常綠闊葉林生態系統碳密度處于較高水平，也表明天然常綠闊葉林具有較強的碳匯功能，結果驗證了王兵等[26]對江西省森林碳儲量的估計。江西省森林植被喬木層碳密度以硬闊林最大，常綠闊葉林的恢復和重建有利于森林植被喬木層碳儲量的提高，進而可改善我國亞熱帶地區森林植被喬木層的碳匯功能。

金盆山林區常綠闊葉林生態系統碳密度分布規律為植被層＞土壤層＞凋落物層，這與西雙版納熱帶季節雨林、鼎湖山亞熱帶常綠闊葉林和長白山闊葉紅松林的碳分布格局相同[21]，但與黃土高原子午嶺柴松林、遼寧櫟林和油松林[30]、閩西毛竹林[31]、我國南亞熱帶幾種人工林生態系統[32]的碳密度空間分配及對美國森林生態系統碳蓄積[33]的研究結果并不一致。對幾種森林生態系統碳分布規律的研究[30-34]均表明生態系統碳密度以土壤層占比最大。全球土壤含碳量大于大氣和植被的總和[34]，土壤是最重要的碳庫之一，但金盆山林區土壤層碳密度低于植被層，且低于我國森林生態系統土壤碳密度平均值和江西省常綠闊葉林土壤碳密度均值。這主要是因為一方面不同的地理、不同氣候區域及不同林分類型在碳儲量及分布特征上本身差異較大；另一方面可能是金盆山林區天然更新的常綠闊葉林以高大繁茂的喬木為主，林齡大多為30～50 a，處于生長旺盛期，土壤中碳消耗較大，碳儲量大部分集中在植被層。張秋根等[29]的研究結果也表明林分植被碳密度受經度、林齡、氣溫、降水量、日照長度的影響，而土壤碳密度受緯度的影響，這也解釋了不同區域、不同林分類型森林生態系統碳密度水平及分布規律為何存在差異。

金盆山林區常綠闊葉林植被層碳密度分布規律為喬木層＞灌木層＞草本層，其中喬木層占總植被層的比例為99.42%，喬木層干的碳密度分別占喬木層碳密度和植被層碳密度的56.87%和56.54%。這一結果與李海濤等[35]對贛中地區亞熱帶濕潤氣候下的植被生態系統碳儲量和分配規律研究較一致，表明生態系統植被層絕大部分的碳儲量集中在喬木層中。另外，金盆山林區植被層的碳密度高于國內大多數森林類型，森林喬木層尤其喬木層樹干系統，在森林生態系統碳貯備上發揮著重要的作用。

本研究在大量常綠闊葉林被松杉人工林代替的背景下，闡明天然更新的次生常綠闊葉林生態系統碳吸存功能優勢，為常綠闊葉林保護和營造提供理論支撐。但缺乏同一區域內林齡相近的人工林生態系統碳儲量的對比數據，因此只能采用與其他區域各類森林類型碳密度相比較。今后課題組將對金盆山林區附近的人工林生態系統碳儲功能做系統的研究，以期更好地闡述天然常綠闊葉林比人工林的碳吸存優勢，為天然常綠闊葉林營林發展提供理論支撐。