森林重建下碳储量

2022-09-21 15:08:40 来源:写作指导

 

近年来,气候变化成为世界环境领域关注的焦点,并已经演化为国际的政治经济问题.而人类活动产生的大量二氧化碳则被认为是导致气候变化的主要原因,全球碳循环也因此成了当今研究的热点问题之一.森林生态系统作为陆地生态系统的主体,拥有陆地生态系统80%的地上碳库和40%的地下碳库[1,2],且在维持自身巨大碳库的同时,还吸收了约33%由人类活动引起的碳排放[3],在全球碳循环和潜在的碳存储中扮演着积极且十分重要的角色.减少毁林、加强森林管理、扩大森林面积被认为是增汇减排的重要措施[4,5].为积极应对气候变化,我国于2009年联合国气候变化峰会上提出到2020年新造林4.0×107hm2,进一步提高我国森林的固碳效益.那么如何更有效地营造这些碳汇林,既经济又能高效固碳,值得人们思考.   人工造林是森林重建的最常见手段,通过定向培育生长迅速、高出材率的树种,以期生产更多的木材,获取更大经济效益.但是,材积高的林分是否一定能带来较高的碳储量,这种传统的营林模式对于碳汇林建设是否依然适用,还有待进一步探索和研究.传统的造林方式通常伴随着迹地清理(割除林下灌草或炼山)、整地(局部整地或全面整地),以利于林木的成活与快速生长,但是这些活动不可避免地会对巨大的土壤碳库产生影响,导致土壤有机碳大量释放.越来越多的研究证实,造林会减少土壤碳储量,不同的造林方式会不同程度地削弱土壤碳库[6~8];而土壤碳储量能够恢复到何种水平,取决于森林类型以及当地的温度和降雨量等环境因子[7].Huang等人[9]研究表明,在我国亚热带地区人工造林后,植被碳库随着时间呈直线递增趋势,但森林土壤碳库却是经历了7~8年的持续降低之后才开始增加,造林20年后才基本达到了造林前的土壤碳库水平.这些结果显示出碳汇林的营造方式必将与传统林业经营管理有所区别,因为碳汇林关注的不仅是林木等植被生产力,还必须考虑对森林土壤碳库的影响.   森林自然更新可以有效减少对土壤碳库的扰动;但是地上生物量累积速率则很大程度上取决于环境因子(水热、土壤等条件)和树种特性.我国亚热带地区水热条件优越,次生植被的生产力较高,有研究表明,江西信丰21年生的次生米槠林蓄积量为191±35m3hm2,年平均增长量可以达到9.1±1.7m3hm2[10];次生栲树、木荷林37年生林分平均蓄积量可达240~300m3hm2;年平均生长量6.5~8.1m3hm2[11];浙江杭州35年生木荷林群落年均生产力高达18.47thm2[12].传统森林经营以收获更多木材和更高的出材率为目标,因而主要关注树干,而碳汇林则应该关注整个生态系统的碳汇功能.   Laclau[13]和Zheng等人[14]研究表明,次生林的固碳效益优于人工林,而Cuevas等人[15]的研究则显示人工林与次生林之间的碳汇功能没有显著差异.还有一些研究表明人工林的植被固碳能力高于次生林[16~18],但其土壤碳库与次生林无显著差异[19].针对我国新增4.0×107hm2碳汇林、全面提升我国森林碳汇能力以应对气候变化的承诺,明晰不同重建方式对森林生态系统碳汇功能影响,阐明其对生态系统不同碳库的内在影响机制,对我国碳汇林建设将具有重要指导意义.   1研究区概况   研究区位于江西省龙南县境内的南岭九连山部级自然保护区虾公塘保护站,在24°31′~24°35′N和114°26′~114°29′E之间.九连山保护区总面积约13411.6hm2,海拔高度280~1430m,坡度在20°~40°之间[20],地势南高北低,属于南岭东段九连山山脉的北坡.本区属于典型亚热带气候,温暖湿润,年均气温约16.7℃,年均降水量1954.6mm[21].区内土壤依海拔高度自下而上依次为山地红壤、山地黄红壤、山地黄壤和山地草甸土[22].研究区是中亚热带湿润常绿阔叶林与南亚热带季风常绿阔叶林的过渡地带[23],保存有完整的原生性常绿阔叶林,生物多样性极其丰富,植被类型有亚热带常绿阔叶林、亚热带低山丘陵针叶林、常绿落叶阔叶混交林、山顶矮林及山地草甸,其中以天然常绿阔叶林分布最广[24].本区地带性植被为常绿阔叶林,主要树种包括栲树(Castanopsisfargesii)、米槠(Castanopsiscarlesii)、罗浮栲(Castanopsisfabri)、樟树(Cinnamomumcam-phora)、鹿角栲(Castanopsislamontii)、木荷(Schimasuperba)等.   2研究方法   2.1样地选择   经前期踏查后,于2010年9月和次年11月在保护区内选取了天然次生林(secondaryforest)、人工杉木林(Cunninghamialancedataplantation)和人工蓝果林(Nyssasinensisplantation)3种同期建立的森林类型作为研究对象,并同时调查了该区原始常绿阔叶林(原始林,primaryforest)作为对照.除原始林以外的3种森林类型,位置相近且为同一时期(1978年)采伐原始林后重建,具有较高可比性.杉木林、蓝果林经炼山、整地后人工栽植,并在前3年进行抚育,之后进行封育保护.天然次生林在采伐乔木后封育使之自然更新,无炼山、整地等人为扰动.原始林为核心区保存较为完整的常绿阔叶林(地带性植被).在各森林类型中选取典型地段,布设20m×20m的样方(次生林、人工杉木林和人工蓝果林各3个,原始林4个),测量并记录样地的位置、经纬度、海拔、坡位、坡度等样地信息(表1).   2.2植被碳储量   (ⅰ)乔木层.在样方内测定胸径(DBH)3cm所有乔木树种的胸径和树高.根据立地条件尽可能相似原则,从已发表的相关文献中筛选出适用于本地区调查样地的乔木生物量相对生长方程(表2)来计算样地乔木层生物量.对缺少生物量方程的树种,采用与其木材密度和干型结构相近树种的生物量方程;对缺少地下生物量方程的树种,其地下生物量根据相应树种的地上与地下生物量之比来计算[25].乔木层生物量乘以0.5[26]的碳转化系数,得到乔木层碳储量.   (ⅱ)灌木层.在样方对角线的4个顶点及交点处布设2m×2m的灌木样方共5个,调查灌木的种类、地径和高度.确定样地内灌木层的优势种,建立嵌套回归生物量模型[33].步骤如下:选择其中结构完整且具有最大基径的植株作为模型构建的样木.基于枝条分枝系统的规律性,枝条系统可看作由若干单一枝轴组成,将这些枝轴看作微型树干,测量各枝轴的基径与长度,并记录各级轴间的从属关系.抽样实测部分枝轴的生物量,根据测量数据,利用嵌套式回归拟合优势种的生物量回归模型(表3)估算样地灌木层地上生物量.由于样地位于保护区的核心区,不宜进行破坏性采样并实测灌木地上与地下生物量,灌木地下生物量按地上生物量的19.84%[25]来估算.灌木层生物量乘以碳转化系数0.5[26]得到灌木层碳储量.(ⅲ)草本层.在5个灌木样方内各布设1个1m×1m的草本样方,调查草本种类、株丛数、高度和盖度.采用收获法收集样方内的草本植物,室内烘干并称其干重,再乘以0.45[34]的碳转化系数得到草本层碳储量.#p#分页标题#e#   2.3凋落物碳储量   在5个草本样方内分别收集地表凋落物,带回室内烘干并称其干重,粉碎后采用元素分析仪(Elem-entar,VarioMAXCN,德国)测定凋落物碳含量,将凋落物干重再乘以相应碳含量得到凋落物碳储量.   2.4土壤碳储量   在乔木样方内设置0~20cm土壤剖面,垂直于剖面取3环刀土样封装保存,带回室内烘干并计算土壤容重,在乔木样方对角线的两端和中点以土钻分别取0~20cm土壤样品,混合均匀后用四分法取出一份封存,采用元素分析仪(Elementar)测定土壤碳储量[35,36].土壤碳储量计算公式如下:SOC=D×T×C/10.(1)SOC为单位面积土壤碳储量(thm2),D为土壤容重(gcm3),T为采样深度(cm),C为土壤碳含量(gkg1).李昌华和李家永[37]的研究表明,九连山自然保护区山地红黄壤0~20cm土壤有机质约占0~100cm土壤有机质的50%,据此比例,根据公式(1)的计算结果推算0~100cm土壤碳储量.   2.5数据处理   采用单因素方差分析(one-wayANOVA)和最小显著差法(LSD),分析3种不同重建方式下森林生态系统碳储量之间的差异,并与原始林进行比较.所应用的软件为Excel和SPSS17.0.   3结果与分析   3.1植被、凋落物和土壤碳储量   植被碳储量包括乔木层、林下植被(灌木层+草本层)碳储量.结果表明(图1),原始林、次生林、人工杉木林和人工蓝果林乔木层碳储量分别为167.02,136.97,106.89和66.75thm2;灌木层碳储量分别为2.12,2.61,1.67和1.86thm2;草本层碳储量分别为0.14,0.21,0.38和0.52thm2.其中,原始林乔木层碳储量均显著高于其他森林类型(P<0.05),次生林乔木层碳储量显著高于人工杉木林(P<0.05),而人工蓝果林乔木层碳储量极显著地低于上述森林类型(P<0.01).灌木层与草本层碳储量在各森林类型之间没有显著差异.可以看到,乔木层是植被碳储量的主体,林下植被层最多只占到植被碳储量的3.44%.自然更新的次生林与人工杉木林和蓝果林的植被碳储量分别为139.80,108.93和69.13thm2,原始林的植被碳储量为169.28thm2.经过30多年的重建,次生林、人工杉木林和人工蓝果林的植被碳储量分别恢复到了原始林水平的82.58%,64.35%和40.83%.次生林的植被固碳能力显著高于人工林(P<0.05),表明在实现森林碳汇功能上自然重建方式更有效.图1显示,原始林、次生林、人工杉木林和蓝果林的凋落物碳储量分别为2.01,1.44,2.27和1.09thm2,人工杉木林的凋落物碳储量均显著高于次生林和人工蓝果林(P<0.05),这可能与其凋落物分解速率低于阔叶林有关.自然重建的次生林土壤碳储量为116.35thm2,人工重建的杉木林和蓝果林土壤碳储量分别为120.40和93.28thm2,人为扰动较少的原始林土壤碳储量为127.84thm2(图1).原始林、次生林和人工杉木林的土壤碳储量之间均无显著差异,而蓝果林土壤碳储量均显著低于上述类型(P<0.05),这可能是因为造林前炼山、整地措施对于坡度较大的地段更容易造成土壤有机质的流失.   3.2生态系统碳储量及分配格局   综合乔木、林下植被、土壤及凋落物碳库,我们得到原始林、次生林、人工杉木林和蓝果林的生态系统碳储量分别为299.13,257.59,230.93和163.49thm2(图2).原始林具有最高的生态系统碳储量,均显著高于其他森林类型(P<0.05),自然更新的次生林生态系统碳储量则明显高于人工杉木林(P=0.16).而人工蓝果林的生态系统碳储量最低,均极显著地低于上述森林类型(P<0.01).从分配格局(图2)来看,乔木层与土壤是森林生态系统碳储量的主体,占生态系统碳储量总量的97%以上.对于原始林和次生林生态系统碳储量,乔木层贡献率最大,分别为55.84%和53.18%,土壤层贡献率次之,分别为42.74%和45.17%;相反,对于人工杉木林和蓝果林生态系统碳储量,土壤层贡献率最大,分别为52.14%和57.05%,其次是乔木层的46.28%和40.83%.林下植被与凋落物对生态系统碳储量贡献微小,最多仅占生态系统碳储量的1.46%和0.98%.   4讨论   4.1重建方式对森林生态系统碳储量的影响   通过什么方式建立碳汇林才能最大限度地发挥整个生态系统的固碳潜力是一个亟待解决的重要问题,直接关系到4.0×107hm2碳汇林的固碳效能.本研究结果显示,在30多年的时间尺度上,在亚热带九连山区依靠自然力量重建的次生林,与人工营造的杉木林和蓝果林相比,不但没有降低甚至增加了森林生态系统的固碳能力.Laclau[13]研究表明,天然次生林的乔木碳储量和土壤碳储量均高于人工林.Zheng等人[14]研究发现,在我国红壤丘陵区,14年生的亚热带天然次生林,其林下植被、凋落物和土壤碳储量均高于同期重建的人工针叶林,但乔木碳储量与人工林无显著差异,原因可能是次生林的乔木生长在短期内不具优势,人工林土壤碳库由于受到强度干扰,加之重建时间较短,导致土壤碳储量低于干扰较轻的次生林.而Cuevas等人[15]的研究则显示,亚热带人工针叶林植被碳储量高于次生林,但其生态系统碳储量与次生林无显著差异.也有研究表明,不同时期两种重建方式可能有不同的固碳效果,人工林往往较早进入速生阶段从而在森林重建的早中期具有较高的生产力,但其成熟时间早、速生期较短使得这种优势并不能长久保持[38~40].相比之下,次生林中的乡土阔叶树种多在中后期进入快速生长阶段,且持续时间更久,进而在生物量、生物多样性和土壤肥力方面显示出较大的优势[41~43].   对于土壤碳储量,九连山蓝果林的土壤碳储量显著低于其他类型,这有可能是其坡度大、采伐造林前的土壤基础条件较差所致,但已有针对九连山常绿阔叶林的研究[44~46]并没有显示出较大的坡度会导致较低的土壤有机质和养分含量;因而更可能是由于造林初期的炼山和整地,造成土壤结构的破坏,导致更多的土壤有机质和养分的损失,从而降低了土壤碳储量.Chen等人[47]研究指出,天然林向人工林的转变会造成土壤碳库的损失,主要是采伐与整地措施对土壤的扰动导致土壤微生物类群与活动的增加所致,这在很多研究中也得到了证实.Johnson[48]研究认为,采伐会造成土壤碳库的减少,但在造林后会快速恢复;Huang等人[9]的研究结果显示,亚热带森林生态系统人工造林后土壤碳储量持续降低,在7~8年后开始增加并在20年后才得以恢复.#p#分页标题#e#   杉木林土壤碳储量与次生林和原始林较为接近,甚至还略微高于次生林.这可能是由于杉木林立地质量本来就好的缘故.土壤分析结果显示,杉木林土壤的碱解氮、有效磷含量分别为原始林的113%和126%,而蓝果林的土壤碱解氮、有效磷含量仅为原始林的89%和42%,次生林的碱解氮、有效磷含量介于蓝果林和杉木林之间,分别为原始林的95%和85%.杉木作为亚热带地区最重要的速生用材树种,生长迅速,喜土层深厚、肥沃、有机质丰富的土壤,因此在土壤状况最好的迹地上营造杉木林是极有可能的.同时,杉木由于生长迅速,营养消耗快,通常会导致土壤氮磷含量迅速降低[49],但在生长了32年后,九连山杉木林的土壤养分供给状况仍然高于次生林,这进一步说明了杉木林较高的土壤碳储量是最初良好的立地条件所致.   对于植被碳储量,最高的是原始林,次生林则高于杉木林,蓝果林最低.杉木是亚热带地区最重要的速生用材树种,江西是杉木的主产区之一,环境适宜.而杉木林的立地条件明显优于次生林和蓝果林,因此人工杉木林的植被碳储量高于次生林和蓝果林是完全可能的,但良好的立地条件并未导致人工杉木林更高的植被固碳效率,反而显著低于次生林.如果原来的立地条件相当,那么杉木林的固碳效率可能会比次生林低的更多.可见,在九连山区森林的自然重建方式对生态系统植被固碳更有利.其原因有可能是造林初期的炼山、整地措施导致人工林土壤种子库的破坏和自然生幼苗幼树的损伤,使得人工林在郁闭前存在大面积的裸地,不能有效地利用光能并积累碳;而对于自然更新系统,由于九连山区常年温热湿润,没有炼山、整地等干扰,林下原有的幼苗幼树得以迅速生长发育,而丰富的土壤种子库为新幼苗的萌生提供了基础,可以使林地迅速郁闭,有利于植被系统的碳积累.因此,自然重建的次生林具有更高的植被碳积累,甚至超过了当地的速生杉木林.   4.2森林生态系统碳储量不确定性分析   森林植被碳蓄积的估算仍然存在较大不确定性[50],尤其是对于原始林和次生林乔木生物量的估算.因为原始林和次生林中阔叶树种较多,但仅能利用有限的阔叶树种相对生长方程进行估算,而且原始林中的特大乔木,常超出所引生物量方程适用的胸径范围,这些都会影响估算的准确性.本文采用堤利夫等人[32]在九连山区建立的、适用于本地的混合树种相对生长方程,方程中包括了该区地带性植被中的主要树种,具有较高的适用性.我们尝试利用其他文献[51~53]中给出的多个单树种生物量方程,对原始林乔木生物量进行估算,其计算结果约为现结果的2倍.可见,相对生长方程的适用性对乔木生物量估算的准确性有很大影响,而本研究利用本地建立的相对生长方程估算乔木层生物量,具有较高的准确性.   灌木生物量的估算以往多采用收获法.但由于林下灌木分布具有较强的随机性,如果样地数量较少,或者选取的样方灌木过疏或过密时,用收获法估算其生物量可能会存在较大不确定性.根据生物量模型计算群落的生物量可以减少对林下植被的破坏,而且在保护区更加切实可行.本文采用刘琪璟[33]提出的嵌套模型法,利用调查数据建立灌木的生物量模型,并根据灌木的基径估算林下灌木生物量,这是一个新的尝试,也是一个发展趋势,这种方法在群落尺度上具有较好的效果.而且从本研究结果来看,林下植被碳储量所占比重较小,对于整个生态系统植被碳储量估算影响不大.   在热带和亚热带地区,土壤有机碳的短期变化大多局限于土壤表层[40,54],且土壤表层碳储量在土壤碳储量中所占比重较高.Jobbágy和Jackson[55]研究指出,在全球范围内温带与热带常绿阔叶林土壤表层(0~20cm)碳储量平均占0~100cm碳储量的47%和44%.但在九连山区,李昌华和李家永[37]的研究结果显示该比例达到50%[37],这可能是由于该地区土壤总体来说干扰程度较小,表层有机质损失较少积累较多的缘故.由于不同类型森林生态系统受干扰程度不同,因而用这个比例估算可能会在某种程度上低估了人工林,而高估了原始林和次生林的土壤碳储量,但这并不会改变它们之间的相对关系.表4列出了九连山与国内外亚热带典型常绿阔叶林生态系统碳储量,结果显示出较高的可比性.九连山常绿阔叶林的土壤碳储量明显高于广东鼎湖山和湖南鹰嘴界,主要是由于后两者是60cm土层的碳储量.   5结论   自然更新的天然次生林生态系统碳储量(植被+土壤+枯落物)约为257.59thm2,人工营造的杉木林、蓝果林分别为230.93和163.49thm2.人工杉木林虽然拥有较好的土壤条件,但其植被与生态系统碳储量却低于次生林;而蓝果林生态系统碳储量则更低.这说明在30多年的时间尺度上,在九连山区通过自然重建的次生林生态系统碳汇功能优于人工重建的杉木林和蓝果林.同时上述森林碳储量均明显低于地带性植被(299.13thm2),表明这些森林仍具有较高的碳汇潜力.森林的自然重建是既省工、省力又经济的方式,本研究结果对亚热带地区碳汇林建设具有重要意义.当然,我们也必须看到,本研究所处的亚热带九连山地区水热及土壤条件都较好,同时本研究区域的周边均有丰富的天然种源,这都为森林的自然重建提供了良好的前提基础.而在乔灌种源缺乏以及环境较差的地区,自然重建的固碳效果是否更好还有待于进一步研究探讨.