林分密度對側(cè)柏生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響

林分密度對側(cè)柏生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響

世界氣候變化已成為最受關(guān)注的環(huán)境問題之一。城市是世界溫室的重要排放來源，其中80%以上的co排放量來自城市，其次是主要碳源。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大的碳庫,其碳儲量占全球陸地碳庫總儲量的46.27%。因此,森林在應(yīng)對全球氣候變化過程中有不可替代的作用,而人工林作為陸地森林生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分,其碳匯作用被認(rèn)為是減緩全球變化的一種可能機(jī)制和最有希望的選擇。因此,加大對人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的研究對預(yù)測和維護(hù)其長期生產(chǎn)力、以及未來在京都議定書(KyotoProtocol)的框架范圍內(nèi)進(jìn)行碳匯貿(mào)易談判具有重要意義。然而,森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量受樹種、輪伐期、施肥和間伐等多種因素的影響,有關(guān)林分密度同人工林喬木層碳儲量之間關(guān)系的研究結(jié)果較為一致,即喬木層碳儲量會隨著林分密度的增大而增加。但有關(guān)林分密度與人工林土壤碳儲量關(guān)系研究結(jié)論尚存爭議,方晰等曾對不同密度的濕地松Pinuselliottii人工林進(jìn)行了研究,表明濕地松人工林土壤碳儲量也隨林分密度的增大而增加;張國慶等對不同密度馬尾松Pinusmassoniana人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的研究卻得出相反的結(jié)果,即土壤碳儲量隨林分密度的增大而降低。根系中尤其是細(xì)根具有巨大的吸收表面積,生理活性強(qiáng),是樹木吸收水分和養(yǎng)分的主要器官,同時由于細(xì)根生長和周轉(zhuǎn)迅速,每年對土壤有機(jī)碳庫的貢獻(xiàn)率高達(dá)25%~80%,對森林生態(tài)系統(tǒng)碳分配、養(yǎng)分循環(huán)和能量流動中起著十分重要的作用。因此,本文以徐州市側(cè)柏Platycladusorientalis(Linn)Franco人工林為對象,研究不同林分密度對側(cè)柏人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分配格局的影響,并試圖從細(xì)根生物量和形態(tài)角度探討其變化機(jī)理,以期為側(cè)柏人工林科學(xué)經(jīng)營中確定合理的林分密度提供理論依據(jù)。1材料和方法1.1光照、土壤條件研究區(qū)位于江蘇省徐州市的丘陵山地(116°22′—118°40′E,33°43′—34°58′N),山地面積3萬hm2,平均海拔400m以下。氣候?qū)倥瘻貛О霛駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū),四季分明,光照充足,雨量適中,年均溫14℃左右,年均降雨量800~900mm,全年無霜期200~220d。土壤以石灰?guī)r發(fā)育而成的淋溶褐土為主,土層薄,礫石含量高,土壤粘重,呈中性~弱堿性。林分類型以側(cè)柏人工林為主,還有小葉樸Celtisbungeana、麻櫟Quercusacutissima、黃連木Pistaciachinensis、青桐Firmianasimplex、苦楝Meliaazedarach、刺槐RobiniapseudoacaciaL)和女貞Ligustrumlucidum等,而林下灌木和草本的發(fā)育較差。1.2樣地設(shè)置及其密度為了保證調(diào)查的準(zhǔn)確性,在樣地選擇時盡可能使坡位、坡向、海拔和土壤條件等因子保持一致。在林分踏查和標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查基礎(chǔ)上,選擇50年生側(cè)柏人工林樣地,3次重復(fù),共設(shè)置固定樣地9塊,每塊樣地面積20m×20m,分別是高密度(3074株·hm-2),中密度(2250株·hm-2),低密度(1679株·hm-2)。1.3喬木層碳儲量估算徐州地區(qū)側(cè)柏人工林各器官含碳率計算:利用李朝擬合的側(cè)柏各器官生物量模型結(jié)合各樣地測樹因子調(diào)查資料,通過樹干(47.33%)>樹葉(43.91%)>樹枝(43.45%)>樹根(42.95%),地上部分平均含碳率44.89%,全株平均含碳率44.41%,估算側(cè)柏人工林喬木層的碳儲量。林下灌草層和枯落物的含碳率則采用常見的0.45碳轉(zhuǎn)化率,碳儲量是根據(jù)單位面積林分干物質(zhì)重量(生物量)乘以其碳含量而求得:植物體碳儲量(t·hm-2)=植物體生物量(t·hm-2)×植物體含碳率(%)土壤有機(jī)碳儲量(t·hm-2)=土壤有機(jī)碳含量(g·kg-1)×容重(g·cm-3)×土層厚度(cm)×10-1。1.4土塊根系分級2011年10月在每塊標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)隨機(jī)選取3個點,參考以往根系土塊的取樣方法在離樹50cm處,用平板利鏟在0~10cm和10~20cm的土層中各取20cm×20cm的土塊,共54塊(9×2×3)。在實驗室里,將根系用去離子水清洗干凈,然后按照Pregitzer等的方法對結(jié)構(gòu)完整的根進(jìn)行分級,而結(jié)構(gòu)不完整根系的細(xì)根根序等級依據(jù)完整根系的1~5級根的長度和直徑的范圍來劃分。分級結(jié)束后,應(yīng)用Epson數(shù)字化掃描儀對分級后的不同處理樣地的各級根序細(xì)根進(jìn)行掃描,并采用根系分析系統(tǒng)軟件WinRHIZO(Pro2005c)進(jìn)行直徑和根長的分析。掃描后用濾紙包好各級根序,在65℃下烘干至恒質(zhì)量,用電子天平(±0.0001g)稱量。1.5林分密度對細(xì)根直徑、根長和比根長的影響采用Excel2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和表格制作,基于SPSS13.0,采用單因素ANOVA法分析不同林分密度對細(xì)根直徑、根長和比根長有無顯著性的影響(P<0.05),多重比較采用Duncan法。2結(jié)果與分析2.1林分密度對碳儲量的影響由表3可知,喬木層、土壤層和生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量均隨林分密度的增加而明顯減少。喬木層的碳儲量由低密度到高密度依次為34.69t·hm-2、29.18t·hm-2和26.47t·hm-2,占系統(tǒng)碳儲量36%左右,是側(cè)柏人工林生態(tài)系統(tǒng)中的最大生產(chǎn)者。土壤層碳儲量依次為55.31、48.07和45.09t·hm-2,分別占總生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的58.77%、60.80%和61.50%。由此可見,土壤是森林生態(tài)系統(tǒng)以及陸地生態(tài)系統(tǒng)最主要的碳庫之一。整個生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量隨著林分密度增加而顯著減少,低林分密度的碳儲量是94.11t·hm-2,分別是中密度和高密度碳儲量的1.19倍和1.28倍,而這種差異主要是由喬木層和土壤層碳儲量差異引起。各密度林分碳儲量空間分布格局均為土壤層>喬木層>林下層,林下層中的灌木,草本和枯落物因為林分密度的不同有細(xì)微的變化,其中灌草層碳儲量在低林分密度最大,而枯落物層碳儲量在中林分密度最大。在低密度林分中,灌木層和草本層碳儲量高于枯落物碳儲量,這是因為林分密度降低后,林木個體的營養(yǎng)空間增加,林內(nèi)的光照增多,有利于林下灌木和草本的生長。同時因為林分密度小的樣地中光照明顯增強(qiáng),地表溫度上升,土壤微生物活動增多,枯落物層分解速率加快,所以枯落物層碳儲量減少,灌草層碳儲量增加。2.2亞表層土壤細(xì)根的平均直徑和比根長由表4可知,不同林分密度下的細(xì)根平均直徑均隨根序增加而增粗。其中,1級根直徑最小(0.38~0.46mm),5級根直徑最大(1.36~1.72mm),5級根平均直徑是1級根的3.58~4.53倍。與低密度林分相比,中密度林分表層土壤中1~5級根的平均直徑變粗,其中1、2級根的平均直徑顯著變粗(P<0.05);亞表層土壤中1~3級根的平均直徑變粗,4、5級根的平均直徑變細(xì),但均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。與低密度林分相比,高密度林分表層土壤中1~3級根的平均直徑變粗,4、5級根的平均直徑變細(xì),但均未達(dá)到顯著水平(P>0.05);亞表層土壤中1~4級根的平均直徑無顯著變化(P>0.05),但5級根的平均直徑顯著變細(xì)(P<0.05)。與中密度林分相比,高密度林分表層和亞表層土壤中1~5級根的平均直徑均無顯著變化(P>0.05)。由表4可知,不同林分密度下的細(xì)根平均長度均隨根序的增加而伸長。其中,1級根平均根長最短(0.76~1.42cm),5級根根長最長(10.80~13.77cm),而5級根平均根長是1級根的7.61~18.12倍。與低密度林分相比,中密度林分表層土壤中1、2級根的平均根長顯著變長(P<0.05),3~5級根的平均根長無顯著變化(P>0.05);亞表層土壤中1~5級根的平均根長變長,其中3級根的平均根長顯著變長。與低密度林分相比,高密度林分表層和亞表層土壤中1~5級根的平均根長均無明顯變化(P>0.05)。與中密度林分相比,高密度林分表層和亞表層土壤中1~5級根的平均根長均無明顯變化(P>0.05)。由表4可知,不同林分密度下的細(xì)根平均比根長均隨根序的增加而減小。其中,1級根平均比根長最長(15.28~18.80m/g),5級根平均比根長最短(1.00~1.54m/g)。與低密度林分相比,中密度林分表層土壤中1~5級根的平均比根長無明顯變化(P>0.05);亞表層土壤中1~5級根的平均比根長變短,其中2級根的平均比根長顯著變短(P<0.05)。與低密度林分相比,高密度林分表層土壤中1~5級根的平均比根長變長,其中2級根的平均比根長顯著變長(P<0.05),亞表層土壤中1~5級根的平均比根長無明顯變化(P>0.05)。與中密度林分相比,高密度林分表層土壤中1~5級根的平均比根長變長,其中2級根的平均比根長顯著變長(P<0.05);亞表層土壤中1~5級根的平均比根長無明顯變化(P>0.05)。2.3亞表層和表層細(xì)根生物量的比較由圖1可知,細(xì)根總生物量和表層細(xì)根生物量均隨林分密度的增加而略有減少,但差異均不顯著。從細(xì)根的垂直分布來看,表層細(xì)根生物量明顯大于亞表層細(xì)根生物量。在亞表層,細(xì)根生物量依次為中密度>高密度>低密度,且中密度的細(xì)根生物量顯著增加(P<0.05)。由此可見,細(xì)根總生物量和表層細(xì)根生物量對林分密度的響應(yīng)不明顯,亞表層的細(xì)根生物量對林分密度變化的響應(yīng)較敏感。2.4密度對林分碳儲量的作用如圖2所示,細(xì)根生物量對林分密度的響應(yīng)與不同林分密度下喬木層、土壤層和生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的變化規(guī)律一致,最高值均出現(xiàn)在低林分密度樣地,最低值均出現(xiàn)在高林分密度樣地。由此可知,細(xì)根生物量與土壤層碳儲量的相關(guān)性大于其與喬木層碳儲量或系統(tǒng)碳儲量。隨著林分密度的降低,細(xì)根根長先變長說明細(xì)根吸收水分和養(yǎng)分的功能得到加強(qiáng),細(xì)根中的高級根直徑變粗,分配的碳增多,運輸和向土壤深層延伸能力增強(qiáng),以此來滿足地上部喬木的快速生長,使喬木層碳儲量隨之增加。隨著林分密度的繼續(xù)降低,細(xì)根中的低級根壽命變短,其分解和周轉(zhuǎn)加快,土壤層碳儲量隨之明顯增加。還說明低林分密度并沒有減弱林分的固碳能力,這是因為林分密度過大,林分的營養(yǎng)空間相對較小,從而抑制了林分生物量的增加,而低林分密度使林分擁有相對充足的營養(yǎng)空間,加速了林分生物量的積累,增加了林分碳儲量。因此,合理的林分密度既可增加喬木層的碳儲量還可以增加整個生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量。3林分密度和碳儲量(1)3種密度的側(cè)柏人工林碳儲量表現(xiàn)為:喬木層、土壤層和生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量均隨林分密度的增加而明顯減少,灌草層碳儲量在低林分密度最大,而枯落物層碳儲量在中林分密度最大。低密度生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量是94.11t·hm-2,分別是中密度和高密度生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量1.19倍和1.28倍,而這種差異主要是由喬木層和土壤層碳儲量差異引起的。(2)林分密度對細(xì)根生物量的影響不顯著,而細(xì)根形態(tài)隨林分密度的增加表現(xiàn)為低級根中1、2級根直徑變粗,根長先變長后變短,比根長變小;而高級根中的5級根直徑變細(xì),根長和比根長變長。(3)林分密度對細(xì)根生物量的影響與喬木層、土壤層和生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的變化規(guī)律具有較高的一致性,均為低密度下最大,高密度下最小。因此,細(xì)根生物量可能是導(dǎo)致系統(tǒng)碳儲量變化的主要因素之一。4日本落葉松低密度林分細(xì)根的生長和碳本研究中喬木層碳儲量隨林分密度的變化規(guī)律與方晰等和丁貴杰等的研究相反,這可能是因為研究對象的立地條件和研究樹種的不同造成的。在本研究中,不同密度對細(xì)根生物量的影響不顯著,但對細(xì)根形態(tài)的影響明顯,表現(xiàn)為低級根中的1、2級根直徑變小,根長先變長后變短,而高級根中的5級根直徑變粗。這可能是由于低級根對外界干擾的敏感程度大于高級根。因為高級根木質(zhì)化程度較高,起到保護(hù)作用,受干擾的影響較小,于立忠等(2007)發(fā)現(xiàn)日本落葉松低級根易受土壤資源有效性的影響,而高級根對其不敏感。研究表明,1級根氮含量最高、直徑最小、菌根菌侵染率高、中柱比例低等。細(xì)根直徑對其壽命有很大的影響,直徑較小的根通常衰老快,壽命短。因此,低級根(特別是1級根)在森林植被獲取土壤養(yǎng)分、水分、碳和氮動態(tài)中起到重要作用。低密度林分對細(xì)根生物量和低級根形態(tài)的