在全球气候变化背景下, 大气CO₂的吸收与排放已成为许多学科的研究热点之一。森林是陆地生态系统的主体, 对大气CO₂的吸收、固定和循环发挥着重要作用^[1-4]。近年来, 随着退耕还林等生态工程的实施, 人工林得到迅速发展, 我国已成为世界人工林面积最大的国家^[5], 针对人工林碳汇功能的关注度也日益增加^[6]。因此, 对人工林生态系统碳固存及其影响因子的研究, 对于合理评估人工林生态系统长期生产力以及开展有效的经营管理以提高其综合服务功能具有重要意义。

黄土高原中西部地区横跨干旱、半干旱和半湿润气候区, 是我国生态环境脆弱区域之一, 植被恢复多以保持水土和改善区域生态环境为主要目的。近年来, 除了水土保持功能之外, 半干旱地区人工植被特别是人工林生态系统的固碳功能也受到广泛关注^[7-8]。关于黄土高原地区森林固碳的研究有部分学者进行过报道^[9-10], 刘迎春等^[11]对黄土丘陵区不同树种间碳储量及固碳潜力进行了比较, 艾泽民等^[12]研究了黄土丘陵区不同林龄刺槐人工林碳氮储量及分配格局, 孟蕾等^[13]、杨晓梅等^[14]都对黄土高原子午岭区森林碳储量与碳密度进行了估算, 但相关研究多是针对较小尺度的某一林区展开的, 且对森林生态系统碳密度的分配特征方面的研究较多, 而对较大尺度上生态系统碳密度空间变化特征及其与林分和环境因子间关系的研究相对较少。这在一定程度上制约了较大区域尺度上森林碳密度估算的准确性与可靠性。因此, 需要开展更多基于区域尺度样地调查的精确参数来减小碳密度估算结果的不确定性。在研究内容上, 本研究不仅对森林生态系统碳密度进行了估算, 而且从地形、环境、林分等方面对影响森林生态系统碳密度的因素进行研究, 以全面精确地估算黄土高原中西部森林生态系统碳储量。

刺槐(Robinia pseudoacacia)是黄土高原的主要造林树种, 其人工林广泛分布于半湿润和半干旱地区, 甚至在干旱地区也有栽培, 在水土保持和生态防护方面起着重要作用^[15]。研究刺槐人工林生态系统碳密度及其影响因子, 有利于深入了解黄土高原人工林生态系统碳储存能力。本研究以黄土高原中西部4个栽培区域的刺槐人工林为研究对象, 分析其碳密度特征及主要影响因子, 为深入了解整个黄土高原地区人工林碳固存及人工林经营管理提供依据。

1 研究地区与研究方法 1.1 研究区概况

研究区位于甘肃省白银市靖远县、平凉市泾川县、庆阳市正宁县中湾林场和陕西省延安市公路山林地4个区域。靖远县位于甘肃省中部(36°—37°15′ N, 104°13′—105°15′ E), 属温带干旱半干旱气候, 海拔1300—3017 m, 年均温9℃左右, 年降水量228.7 mm。泾川县位于甘肃省东部(34°59′—35°18′ N, 107°38′—107°58′ E), 属暖温带半干旱气候, 海拔950—1225 m, 年均温10.6℃, 年降水量584.1 mm。中湾林场地处黄土高原中部子午岭区南段(35°17′ N, 108°27′ E), 属温带半湿润气候, 海拔1246—1756 m, 年均温9.2℃, 年降水量609.7 mm。延安市公路山(36°25′ N, 109°32′ E)属温带半干旱气候, 海拔1245—1395 m, 年均温10.3 ℃, 年降水量516 mm。调查区内样地优势树种均为刺槐, 林下有稀疏的草本植物, 主要有大披针苔草(Carex lanceolata)、披碱草(Elymus dahuricus)、三褶脉紫菀(Aster ageratoides)、广布野豌豆(Vicia lilacina)、蛇莓(Duchesnea indica)、铁杆蒿(Artemisia sacrorum)等。

1.2 研究方法 1.2.1 调查样地设置

2011年和2012年, 在刺槐人工林分布较广的4个区域内设置标准样地14块, 其中白银2块、庆阳3块、延安3块、平凉6块, 位于平凉的6块样地按林龄又分为平凉1(中龄林组, 3块)和平凉2(成熟林组, 3块)。原则上样地面积设置为20 m×50 m, 但由于地形破碎等原因, 部分样地面积设置为20 m×30 m。利用GPS确定每个样地的位置, 并记录每个样地的海拔、坡度等地形因子以及林分密度等林分因子, 利用生长锥法测定林分年龄, 利用中国气象数据网网站获取各研究区域年均温(AMT)、年降水量(MAP)(1981—2010) 等环境因子数据, 所选样地基本信息情况见表 1。

1.2.2 样地调查及植被层生物量测定

乔木生物量测定：对标准样地内DBH≥2 cm的乔木每木检尺, 记录其胸径(cm)和树高(m), 并按大中小径级选择3—5株样木, 分叶、枝、干、根采集植物样品, 将相同器官的样品混合, 再取各器官混合样(不少于300 g)带回实验室。刺槐乔木生物量根据森林固碳课题办公室提供的异速生长方程^[16]进行计算, 由胸径和树高求得样地每株刺槐各器官生物量, 各器官生物量之和为乔木单株总生物量, 根据样地所有乔木单株生物量之和求得样地乔木总生物量(kg)并转换为单位面积生物量(t/hm²)。

式中, W_S为乔木干生物量(kg)；W_B为乔木枝生物量(kg)；W_L为乔木叶生物量(kg)；W_R为乔木根生物量(kg)；D为单株乔木胸径(cm)；H为单株乔木高度(m)。

灌木、草本和枯落物生物量的测定：在每个样地内沿对角线设置3个2 m×2 m灌木样方, 记录灌木种类后, 将样方内所有灌木全部收获, 分叶、枝和根称鲜重并取样。草本的调查方法与样方设置(1 m×1 m)与灌木相同, 草本分地上和地下部分称鲜重并取样。枯落物调查则将草本样方内枯落物全部收获后称鲜重并取样。将采集的灌木、草本和枯落物样品带回实验室, 置于85℃烘箱烘干至恒重, 测定其含水率。根据各器官含水率换算为其干质量求得灌木、草本各器官及枯落物生物量。

土壤调查采用剖面法：在调查样地内挖土壤剖面, 深至100 cm。沿剖面按0—10 cm, 10—20 cm, 20—30 cm, 30—50 cm, 50—100 cm不同深度, 用环刀取各个土层的原状土, 带回实验室置于105℃烘箱烘干至恒重, 计算各土层土壤容重。在样地的坡上、坡中、坡下, 使用内径为6 cm的土钻, 按照上述五个层次每层随机取3钻土, 同一土层混合为一个样品后带回实验室, 用于土壤有机碳含量测定。

1.2.3 碳含量测定

将带回实验室的植物样品烘干至恒重, 磨碎过0.25 mm筛, 装塑封袋保存待测。土壤样品带回室内阴凉处自然风干, 研磨后过2 mm筛(将大于2 mm的砾石单独称重), 再用四分法取部分样品研磨过0.25 mm筛, 装袋标记后备测。植物样品和土壤样品碳含量测定均采用重铬酸钾-硫酸氧化外加热法。

1.2.4 碳密度计算

生态系统总碳密度为乔木、灌木、草本、枯落物和土壤各层碳密度之和。乔木层碳密度根据乔木各器官生物量乘以相应碳含量进行计算。灌木层碳密度根据灌木各器官生物量乘以对应碳含量进行计算。草本层碳密度根据地上和地下部分生物量乘以相应碳含量进行计算。枯落物层碳密度根据枯落物层生物量乘以其碳含量进行计算。土壤有机碳密度(SOCD, t/hm²)计算公式为：

式中, C_i为第i层土壤有机碳含量(g/kg), BD_i为该层土壤平均容重(g/cm³), D_i为该层土壤厚度(cm), R_i为直径＞2 mm的石砾所占百分比(%), 由于研究区域砾石含量较少, 因此R_i为0。

1.2.5 平均碳含量计算

采用生物量加权平均法计算植被层各组分平均碳含量。计算乔木层各器官生物量比例, 按各器官碳含量与其对应生物量比例相乘计算乔木层平均碳含量。计算灌木层各器官生物量比例, 按各器官碳含量与其对应生物量比例相乘计算灌木层平均碳含量。根据草本层地上、地下部分碳含量与其对应生物量比例相乘求得草本层平均碳含量。

1.2.6 数据处理

利用Excel 2010和SPSS 18.0软件进行统计分析。采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差数法(LSD)进行差异显著性检验, 采用Pearson法进行相关性分析, 对影响生态系统碳密度的因子进行主成分分析。图表中数据为平均值±标准差。

2 结果与分析 2.1 不同区域刺槐人工林生态系统生物量

黄土高原中西部刺槐人工林总生物量在34.13—133.08 t/hm²之间, 4个区域生物量之间存在显著差异(P＜0.05)(表 2), 这可能由于各地区气候和林分特性存在差异。乔木层是生物量的主体, 占总生物量的69.32%—85.60%, 不同区域乔木层生物量表现为：延安(109.14 t/hm²)＞庆阳(103.01 t/hm²)＞平凉2(92.25 t/hm²)>平凉1(31.65 t/hm²)＞白银(26.72 t/hm²)。白银和平凉1样地乔木层生物量显著低于其他样地, 这可能与这2个样地的刺槐人工林多为幼、中龄林有关。在研究区内只有平凉1、平凉2、延安样地中有灌木, 灌木层生物量最大值出现在平凉2样地。不同区域草本层、枯落物层生物量之间差异显著(P＜0.05)。

2.2 不同区域刺槐人工林生态系统各组分碳含量

黄土高原中西部刺槐人工林生态系统各组分(枯落层除外)平均碳含量在4个区域(灌木为2个区域)间差异显著(P＜0.05)(表 3)。乔木层平均碳含量大小顺序为：延安(454.67 g/kg)＞白银(434.89 g/kg)＞庆阳(430.53 g/kg)＞平凉2(430.06 g/kg)＞平凉1(429.56 g/kg)。灌木层平均碳含量以平凉1样地最高, 平均为434.42 g/kg, 是平凉2样地的1.47倍。不同区域草本层、枯落物层平均碳含量分布范围分别为259.89—339.06 g/kg和221.93—315.81 g/kg。草本层、枯落物层平均碳含量的最大值分别出现在延安样地(339.06 g/kg)和庆阳样地(315.81 g/kg)。总体上表现为乔木层平均碳含量高于灌、草层, 枯落物层平均碳含量最低, 这可能是由于部分枯落物进入分解或半分解状态。

2.3 不同区域刺槐人工林生态系统碳密度

黄土高原中西部刺槐人工林生物量碳密度在17.04—58.82 t/hm²之间, 不同区域大小顺序依次为：延安(58.82 t/hm²)、庆阳(51.90 t/hm²)、平凉2(44.35 t/hm²)、白银(19.75 t/hm²)、平凉1(17.04 t/hm²)(图 1)。乔木层碳密度与生物量碳密度的大小顺序一致。灌木层碳密度以延安样地(2.15 t/hm²)最高, 其次为平凉2样地(0.14 t/hm²), 最低的为平凉1样地, 仅为0.02 t/hm²。草本层碳密度大小顺序为：庆阳(1.46 t/hm²)＞白银(1.37 t/hm²)>延安(0.69 t/hm²)＞平凉1(0.22 t/hm²)＞平凉2(0.13 t/hm²)。枯落物层碳密度在不同区域大小顺序依次为：庆阳(5.40 t/hm²)、平凉2(4.41 t/hm²)、平凉1(3.21 t/hm²)、延安(2.73 t/hm²)、白银(0.56 t/hm²)。

黄土高原中西部刺槐人工林生态系统总碳密度为67.94—135.91 t/hm², 平均碳密度为106.86 t/hm²(图 1)。土壤碳密度为48.39—91.57 t/hm², 占生态系统总碳密度的54.83%—74.93%(图 1)。土壤层碳密度在不同区域大小顺序依次为：平凉2(91.57 t/hm²)、庆阳(80.19 t/hm²)、延安(71.40 t/hm²)、平凉1(50.91 t/hm²)、白银(48.39 t/hm²)。其中, 白银和平凉1与平凉2、延安、庆阳3个样地差异显著(P＜0.05)。生态系统碳密度与土壤碳密度在不同样地顺序一致, 其中平凉2、延安和庆阳3个样地之间, 白银和平凉1之间差异不显著(P＞0.05), 白银和平凉1与这3个样地有显著性差异(P＜0.05)。平凉2样地生态系统碳密度(135.91 t/hm²)是白银样地(67.94 t/hm²)的2倍。不同组分碳密度均值大小排序为：土壤层(68.49 t/hm²)＞乔木层(33.88 t/hm²)＞枯落物层(3.26 t/hm²)＞灌木层(0.77 t/hm²)和草本层(0.77 t/hm²)。

2.4 刺槐人工林生态系统碳密度的影响因子

刺槐人工林生态系统碳密度随林龄增大而显著增大, 随林分密度变化趋势不明显(图 2)。相关分析结果表明：刺槐人工林生态系统碳密度与林龄间存在极显著相关关系(P＜0.01, R²=0.7081), 与林分密度间无显著相关关系(P＞0.05, R²=0.0084)。刺槐人工林生态系统碳密度随降水量增大而增大, 随温度变化趋势不明显(图 2)。相关分析结果表明：刺槐人工林生态系统碳密度与降水量间存在显著相关关系(P＜0.05, R²=0.3103), 与温度间无显著相关关系(P＞0.05, R²=0.0017)。

对刺槐人工林碳密度与海拔、坡度做相关分析, 结果表明：刺槐人工林生态系统碳密度与海拔、坡度间均无显著相关关系(P＞0.05)。这可能与研究区域的海拔和坡度梯度不明显有关。

2.5 刺槐人工林生态系统碳密度影响因子的主成分分析

对影响刺槐人工林生态系统碳密度的林分因子(林龄和林分密度)、地形因子(海拔和坡度)和环境因子(年均温和年降水量)进行主成分分析。通过表 4可以看出, 在特征值大于1的三个主分量中, 第一主成分主要综合了林龄、降水量对生态系统碳密度的影响, 方差贡献率为37.22%；第二主成分则综合了海拔和温度的变异信息, 方差贡献率为34.74%；第三主成分主要综合坡度的信息, 方差贡献率为19.10%；上述三个主分量的总方差贡献率达到91.069%, 说明前三个主成分能反映林分因子、地形因子和环境因子对刺槐人工林碳密度影响效应的绝大部分信息。第一主成分的方差贡献率最大, 说明林龄、降水量对生态系统碳密度起主要的影响作用, 其他因子的影响作用相对较小。

3 结论与讨论 3.1 刺槐人工林生态系统植被层碳含量

研究结果表明, 黄土高原中西部刺槐人工林植被层平均碳含量为221.93—454.67 g/kg, 总体上表现为乔木层碳含量高于灌、草层, 枯落物层碳含量最低, 这可能是由于部分枯落物进入分解或半分解状态。可见若采用500 g/kg或450 g/kg作为植被生物量与其碳储量之间的换算系数^[17-19], 将在一定程度上高估该地区碳密度。刺槐人工林乔木层平均碳含量(435.94 g/kg)低于该地区辽东栎碳含量(441.74 g/kg)^[20]和油松碳含量(503.80 g/kg)^[15], 这说明该地区刺槐人工林的碳吸存能力较弱。调查区刺槐人工林乔木层平均碳含量高于热带半干旱气候区植被碳含量(373.50 g/kg)^[21], 但却低于我国南亚热带森林植被碳含量的估计值(531.33 g/kg)^[22]。这一方面是由于不同树种碳吸附能力不同, 另一方面不同区域环境下的植被接受到的水热条件存在差异。因此, 在不同的地区和植被类型下使用相应的碳含量才能够减小估算误差, 更加精确地估算植被碳密度。

3.2 刺槐人工林生态系统各组分碳密度

研究结果表明, 乔木层与土壤层为刺槐人工林生态系统碳密度的主体, 分别占生态系统碳密度的20.01%—40.90%和54.83%—74.93%。本研究区刺槐人工林植被层碳密度总体均值为38.68 t/hm², 略低于李海奎等^[23]估算的西北地区植被碳密度(42.82 t/hm²)以及方精云等^[24]估算的我国森林植被碳密度(41.00 t/hm²), 但是却远低于世界森林碳密度平均值(86.00 t/hm²)^[25]；土壤碳密度平均值为68.49 t/hm², 远低于中国森林土壤碳密度平均水平(193.55 t/hm²)^[26]和世界森林土壤碳密度平均水平(189.00 t/hm²)^[25]。土壤碳密度约为植被碳密度的2.02倍, 该数值与全球森林土壤碳密度与植被碳密度的比值接近(约为2.2倍)^[26]。黄土高原中西部刺槐人工林植被层、土壤层均低于全国平均水平, 这主要由于：一方面本研究区的刺槐人工林平均林龄为14—50 a, 成熟林和过熟林占的比重较小, 故各组分碳密度较小；另一方面黄土高原中西部地区年降水量少且相对集中, 易形成严重的水土、养分流失, 土壤贫瘠, 同时植被生长面临着严重的水分胁迫, 林分立地质量较差。

黄土高原中西部刺槐人工林生态系统碳密度随林龄增加而增加, 与Li等^[29]关于黄土高原刺槐碳密度随林龄变化的研究结果以及Pregizer等^[30]关于全球森林与林龄的研究结果一致, 说明黄土高原中西部刺槐人工林现阶段仍具有一定的固碳潜力。植被层碳密度在中幼龄林中最小(25a, 17.04 t/hm²), 其次是成熟林(50a, 44.35 t/hm²), 而在近熟林达到最大值(36a, 58.82 t/hm²), 这可能是由于在该区域, 刺槐生长受到水分限制, 成熟林中普遍存在顶梢枯死及“小老树”现象^[27]；土壤层碳密度随林龄的增加而增加(从14a的48.39 t/hm²到50 a的91.57 t/hm²), 与Foote等^[28]关于土壤碳储量与林龄关系的研究结果一致, 表明在刺槐林达到成熟林过程中, 土壤可作为稳定的碳库存在；生态系统碳密度随林龄增加而增加。因此, 在该地区刺槐人工林的经营管理中, 应加强对幼中龄林的抚育, 同时对成熟林适时、合理间伐, 以提高该地区林木的固碳能力和经济效益。

3.3 刺槐人工林生态系统碳密度影响因子

森林生态系统的环境因子之间彼此联系, 且交互在一起影响着生态系统碳密度, 对单个环境因子的分析不足以解释生态系统碳密度的控制机制^[30]。本研究结果表明：刺槐人工林生态系统碳密度与林龄、降水量均呈显著正相关(P＜0.01, P＜0.05)(图 2), 与Li等^{[29, 31]}的研究结果一致。研究区刺槐人工林林龄介于14—50 a之间, 植被处于生长期, 随林龄增加, 土壤碳密度逐渐积累。生态系统碳密度随林龄增加不断增大, 说明黄土高原中西部刺槐人工林在不同林龄阶段均存在持续固碳的潜力。生态系统碳密度与降水量之间存在相关关系^[32], 本研究区域的降水量范围是200—610 mm, 基本不能满足植物生长发育的需要, 所以降水量是该地区碳密度的主要限制因子。

生态系统碳密度随林分密度的变化趋势不显著(图 2), 可能是因为研究样本数偏小, 尚无法完全客观的反映出碳密度随林分密度变化的规律。而由于本研究的区域跨度较小, 温度梯度变化不大, 在该研究区温度不是制约刺槐人工林生态系统碳密度的主要因子(图 2), 更有可能是和其他因子共同作用影响生态系统碳密度, 所以温度不应作为单独的影响因子来考虑^[33]。

海拔是导致土壤有机碳密度变异的主导因子^[34], 对碳密度的影响主要是通过水热条件的改变间接实现；坡度通过对土壤水分和养分的分配以及林冠层接受光照的面积影响生态系统碳密度。本研究区域内, 刺槐人工林生态系统碳密度与地形因子(海拔、坡度)无显著相关关系, 这可能有两方面原因：一方面研究区域的海拔(1073—1642 m)、坡度变化范围不大；另一方面可能是其他影响因子的作用掩盖了地形因子的作用, 主成分分析表明：林龄、降雨量是影响黄土高原中西部刺槐人工林生态系统碳密度的主要因子。另外, 刺槐人工林生态系统不仅包括土壤层还包括植被层, 而地形因子对植被层的影响相对较小。

不同区域森林生态系统碳密度的差异是温度、水分等环境因子与林分密度、林龄等林分因子以及海拔、坡度等地形因子综合作用的结果。因此在进行较大尺度森林生态系统碳密度的研究时, 应综合考虑地形、环境因子、林分因子以及人为管理因素等。