林分密度對側柏生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響

林分密度對側柏生態(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,其碳匯作用被認為是減緩全球變化的一種可能機制和最有希望的選擇。因此,加大對人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的研究對預測和維護其長期生產(chǎn)力、以及未來在京都議定書(KyotoProtocol)的框架范圍內進行碳匯貿(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,有關林分密度同人工林喬木層碳儲量之間關系的研究結果較為一致,即喬木層碳儲量會隨著林分密度的增大而增加。但有關林分密度與人工林土壤碳儲量關系研究結論尚存爭議,方晰等曾對不同密度的濕地松Pinuselliottii人工林進行了研究,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。根系中尤其是細根具有巨大的吸收表面積,生理活性強,是樹木吸收水分和養(yǎng)分的主要器官,同時由于細根生長和周轉迅速,每年對土壤有機碳庫的貢獻率高達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,本文以徐州市側柏Platycladusorientalis(Linn)Franco人工林為對象,研究不同林分密度對側柏人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分配格局的影響,并試圖從細根生物量和形態(tài)角度探討其變化機理,以期為側柏人工林科學經(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。氣候屬暖溫帶半濕潤季風氣候區(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樣地設置及其密度為了保證調查的準確性,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。在林分踏查和標準地調查基礎上,選擇50年生側柏人工林樣地,3次重復,共設置固定樣地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)側柏人工林各器官含碳率計算:利用李朝擬合的側柏各器官生物量模型結合各樣地測樹因子調查資料,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碳轉化率,碳儲量是根據(jù)單位面積林分干物質重量(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(%)土壤有機碳儲量(t·hm-2)=土壤有機碳含量(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月在每塊標準地內隨機選取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等的方法對結構完整的根進行分級,而結構不完整根系的細根根序等級依據(jù)完整根系的1~5級根的長度和直徑的范圍來劃分。分級結束后,應用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根進行掃描,并采用根系分析系統(tǒng)軟件WinRHIZO(Pro2005c)進行直徑和根長的分析。掃描后用濾紙包好各級根序,在65℃下烘干至恒質量,用電子天平(±0.0001g)稱量。1.5林分密度對細根直徑、根長和比根長的影響采用Excel2003進行數(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,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亞表層土壤細根的平均直徑和比根長由表4可知,不同林分密度下的細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,但均未達到顯著水平(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,但均未達到顯著水平(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(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亞表層和表層細根生物量的比較由圖1可知,細根總生物量和表層細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。從細根的垂直分布來看,表層細根生物量明顯大于亞表層細根生物量。在亞表層,細根生物量依次為中密度>高密度>低密度,且中密度的細根生物量顯著增加(P<0.05)。由此可見,細根總生物量和表層細根生物量對林分密度的響應不明顯,亞表層的細根生物量對林分密度變化的響應較敏感。2.4密度對林分碳儲量的作用如圖2所示,細根生物量對林分密度的響應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,細根生物量與土壤層碳儲量的相關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,細根根長先變長說明細根吸收水分和養(yǎng)分的功能得到加強,細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,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,細根中的低級根壽命變短,其分解和周轉加快,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)林分密度對細根生物量的影響不顯著,而細根形態(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,根長和比根長變長。(3)林分密度對細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,細根生物量可能是導致系統(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,不同密度對細根生物量的影響不顯著,但對細根形態(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。因為高級根木質化程度較高,起到保護作用,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。低密度林分對細根生物量和低級根形態(tài)的