宁夏贺兰山灰榆林的有机碳储量研究

李娜++马生虎++王继飞++何建龙++许浩++季波

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.069

摘要：灰榆（Ulmus glaucescens）是分布于宁夏贺兰山东坡海拔1 500～2 100 m垂直范围内一个独特的植被类型，也是该区域唯一一种在野生状态下生长的阔叶乔木，对维持区域生态平衡发挥着重要的作用。以宁夏贺兰山大面积分布的灰榆林（包括灰榆疏林）为对象，从乔木层、灌木层、地被层、土壤层4个层次，采用标准木生物量法对灰榆林碳储量及其分布特征进行研究，结果表明，宁夏贺兰山灰榆林总有机碳储量为24.863万t，其中，大水沟管理区、马莲口管理区、红果子管理区、苏峪口管理区碳储量分别为17.141万、3.237万、2.132万、2.353万t，总体表现为大水沟管理站>马莲口管理站>苏峪口管理站>红果子管理站；土壤层是灰榆林主要的有机碳库，占总储量的80.87%，碳储量空间分布特征总体表现为土壤层>乔木层>地被层>灌木层。

关键词：灰榆；含碳率；固碳能力；宁夏贺兰山；碳储量；分布特征

中图分类号： S718.5文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0251-03

收稿日期：2015-07-31

基金项目：宁夏自然科学基金（编号：NZ13120）；宁夏农林科学院科技创新先导资金（编号：NKYJ-15-18）。

作者简介：李娜（1981—），女，宁夏石嘴山人，助理研究员，从事生态学研究。E-mail：nxlina2000@163.com。

通信作者：季波，硕士，助理研究员，从事生态学研究。E-mail：nxjibo311@163.com。大气CO2浓度增加引起的全球气候变暖已成为当今世界关注的重大环境问题[1-2]，而森林生态系统在调节大气CO2浓度及全球气候变化方面具有非常重要的作用[1]。据统计，森林生态系统生物量约占整个陆地生态系统生物量的90%，其碳储量约占陆地生态系统碳储量的46%[3]，对森林生态系统的研究已逐渐成为当代生态学研究的一个重要领域[4-5]。我国对森林植被碳储量的研究起步相对较晚，主要局限于我国中南部个别地区[6]，且大多是进行国家或区域大尺度的研究，多采用0.45或0.50作为森林植被类型的平均含碳量转换系数进行森林植被碳储量的估算，这使得很多研究结果存在很大的不确定性[6-7]。

宁夏贺兰山自然保护区地处我国温带草原与荒漠的过渡地带，是宁夏三大自然林区之一，也是腾格里沙漠、毛乌素沙漠以及乌兰布和沙漠的分界线，构成了宁夏银川平原的天然屏障。宁夏贺兰山自然保护区独特的地理位置，使贺兰山发育有茂密的天然森林植被、丰富的动植物资源等，成为我国干旱与半干旱地区具有代表性的山地自然生态系统[8-9]，资料统计显示，目前宁夏贺兰山森林覆盖度达到14.3%。灰榆（Ulmus glaucescens）是广泛分布于宁夏贺兰山海拔1 500～2 100 m 垂直范围内一个独特的植被类型，也是野生状态下生长于该区域的唯一一种阔叶乔木，对宁夏贺兰山水土保持、降低土壤侵蚀、提供绿色物质和生物栖息地等起非常重要的生态作用，对维持贺兰山生态稳定有着重要的意义。本试验以宁夏贺兰山为研究区域，选取最有代表性的一种森林植被灰榆林为研究对象，探讨宁夏小区域、小尺度灰榆林的固碳能力，不仅为干旱区特有的植被类型碳储能力提供基础数据，而且为宁夏贺兰山森林生态服务功能评价提供数据参考。

1材料与方法

1.1研究区概况

宁夏贺兰山自然保护区位于宁夏银川平原和阿拉善高原之间，是我国温带草原区与荒漠区的过渡地带，地理位置为105°49′～106°41′E、38°19′～39°22′N，年降水量为200～400 mm，最高降水量达627.5 mm，6—8月降水相对最为集中，年均蒸发量约为2 000 mm[10-11]，呈温带草原、荒漠和山地森林镶嵌分布的气候特征，是我国保存较为完整的西北干旱区天然森林生态系统之一。宁夏贺兰山海拔1 500～2 100 m 区域是灰榆林的主要分布地带，土壤以灰钙土、粗骨土为主，间杂有大量石砾，降水量为200～300 mm，林下植被主要是由灌木亚菊和短花针茅构成的荒漠草原。

1.2样品采集

1.2.1植被样品的采集采用生物量样地清查法：2013—2014年，在每年7—9月林木生物量最大时，配合疏林工程并获得采伐批准，在灰榆研究区设置30 m×30 m标准样地；采用每木检尺方法，对每株乔木实测胸径和树高，依此选取标准木；采用截伐收获标准木各器官生物量，抽取样品实测鲜质量，带回实验室烘干，计算干湿比，确定单株干质量；烘干样品粉碎过筛，用于测定有机碳含量。林下灌木采用收获法：在30 m×30 m标准样地内设置10 m×10 m小样地，再在每个小样地的对角线上设置2 m×2 m样方，采用挖掘法收获样方内所有优势种灌木的地上和地下生物量，测定其鲜质量；抽取样品带回实验室烘干，以测定干质量及有机碳含量。

1.2.2土壤和根系样品的采集每个样地按照上、中、下3个坡位，每个位置设定1 m×1 m样方进行随机取样，重复3次。由于灰榆林林下土壤砾石含量较多，无法采用环刀取样，故采用挖掘方法采集土样。采样时，挖取样方内深度直达岩石层的所有土壤，过5 mm筛并称质量，同时，挑出林木、草本等根系并分别称质量。抽取部分样品带回实验室，以测定含水率和有机碳含量。

1.3有机碳含量测定

将抽取的植物及枯枝落叶等样品置于干燥箱中75 ℃烘干至恒质量，测得样品干质量，计算干湿比，确定单株干质量，干燥样品粉碎处理，过60目筛；土壤样品置于干燥箱中 105 ℃ 烘至恒质量，测得样品干质量，研磨过100目筛。过筛样品均采用重铬酸钾外加热法[12]测定有机碳含量。

1.4林分平均含碳率的计算

由于树种不同，各器官及各组分的含碳率必然不同，各组分生物量及林分生物量占总生物量的比重也会不同。因此，单一以某个树种器官或组分的平均含碳率作为该树种的平均含碳率，或者是该树种林分的平均含碳率，均不能真实反映和代表其含碳率的实际水平。为更加准确、真实地反映林分平均含碳率的实际水平，林分的平均含碳率[13-14]计算公式为：

Wi=∑ZijWij∑Zij；

W=1n∑ni=1wi。

式中：i为标准样地编号，为1，2，…，n；j表示组分，分别为干、枝、叶、根；W为某种林分的平均含碳率值；Wi为第i块标准样地该种林分的生物量加权平均含碳率；Zij为第i块标准地第j组分的生物量；Wij为第i块标准地第j组分的含碳率值。

1.5碳储量的估算

1.5.1林木碳储量林木单位面积碳储量估算主要依据林分调查的径阶分布、林木密度和单株含碳率的线性关系进行估算，计算公式为：

S=∑ni=1π（d2）2；

N=S/π（d′2）2；

Ct=N×V/A。

式中：S为调查样地内的林木总胸径面积；d为胸径，d′为标准株胸径，灰榆以地径计；n为调查总数；N为等价标准株数，即样地胸径总面积与标准株胸径面积的比值；Ct为林木碳储量；V为标准株含碳量；A为调查面积。

1.5.2林分碳储量植被碳储量可根据生物量、植物含碳量、植被类型或林分类型面积3个参数进行计算，公式为：

VC=∑ni=1（Bi×Ri×Si）。

式中：Bi为生物量；Ri为含碳率；Si为某一类型植被的面积。

1.5.3土壤碳储量土壤有机碳储量可根据土壤有机碳含量、土壤密度、土壤深度、面积4个参数进行计算，公式为：

SOC=∑ni=1（Ci×di×hi）；

SC=∑ni=1（SOCi×Si）。

式中：SOC为某类型土壤有机碳储量；i表示土壤层次；Ci表示土壤有机碳含量；di表示土壤密度；hi表示土壤深度；Si表示该类型土壤面积。

2结果与分析

2.1灰榆林林木的碳储量构成特征

由表1可知，灰榆各器官的平均含碳率以树干木材最高，为0.462，树皮最低，为0.364，各器官含碳率总体表现为树干木材>树根>树枝>树叶>树皮；根据各器官生物量权重进行计算，灰榆地上部分平均含碳率为0.439，因此，通常采用0.45或0.5作为含碳率的统一指标来计算某一植被类型的碳储量会存在误差；灰榆乔木层的碳储量为8.917 t/hm2，其中地上部分碳储量为6.115 t/hm2，占总碳储量的68.58%，地下根系碳储量为2.802 t/hm2，占总碳储量的31.42%；乔木层各组分碳储量总体表现为木材>根系>树枝>树皮>树叶，其中，树干木材、树枝和树根在总碳储量中占主体优势，占总碳储量的89.13%（图1），这与林分各组分生物量的分布规律相一致。

2.2灰榆林林下灌木及地被层固碳能力

2.2.1林下灌木含碳率差异由表2可见，4种主要灌木的地上部分平均含碳率为0.469 4；酸枣地上部分的平均含碳率相对最高，为0.510 5，其次为刺玫，其地上部分的平均含碳率为0.506 5，与酸枣之间差异不显著；锦鸡生地上部分的平均含碳率显著低于其他3种主要灌木。

2.2.2林下灌木及地被层固碳量由表3可见，灰榆林林下灌木层、地被层的碳储量分别为0.117、2.918 t/hm2，灌木层地上部分的碳储量在总碳储量中占主体地位；灌木层地上、地下部分的碳储量分别占灌木层总碳储量的71.36%、28.64%；地被层地上、地下部分的碳储量在总碳储量中所占比重与灌木层相反，其地下部分的碳储量所占比重相对较大，占总碳储量的83.17%。

2.2.3林下土壤层固碳能力经调查发现，灰榆林林下土壤砾石含量较多，质地较粗，没有明显的层次区别，土层平均厚度为40.25 cm；灰榆林分布较为稀疏，对风成沉积物的滞留作用相对较弱，加之土壤侵蚀作用，对土壤的累积非常不利。经测试分析，林下土壤有机碳含量为21.61 g/kg，碳储量为50.53 t/hm2，与同属荒漠区的沙地有机碳含量4.31 g/kg[15]相比，灰榆林土壤有机碳含量明显高于沙地，也高于黄土0～90 cm土层的有机碳含量（3.8～28 g/kg）[16]。

2.3宁夏贺兰山灰榆林的碳储量及其构成特征

2.3.1灰榆疏林生态系统的碳储量及构成特征由表4可见，宁夏贺兰山灰榆疏林总碳储量为62.48 t/hm2；灰榆疏林乔木层、灌木层、地被层、土壤层的碳储量分别为8.92、0.12、2.92、50.53 t/hm2，空间分布上总体表现为土壤层>乔木层>地被层>灌木层；土壤层在总碳储量中所占比重相对最大，占总碳储量的80.87%，其次为乔木层，所占比重为1428%，这说明土壤层与乔木层在森林生态系统碳循环中起主导作用，林地土壤是陆地生态系统重要的有机碳库；灌木层和地被层占碳总储量的比重相对较低，分别为0.19%、467%，这主要与其生物量占比相对较低有关。

2.3.2宁夏贺兰山灰榆林碳储量的构成特征由表5可见，宁夏贺兰山灰榆林总碳储量为24.863万t；大水沟管理站的总碳储量相对最高，为17.141万t，其次是马莲口管理站，其碳储量为3.237万，红果子管理站和苏峪口管理站相对较低，分别为2.132万、2.353万t，总体表现为大水沟管理站>马莲口管理站>苏峪口管理站>红果子管理站，这种差异性可能主要与灰榆分布面积有关；在4个管理站中，土壤层碳储量占有主体地位，其次是乔木层，地被层和灌木层所占比重均相对较小。

3结论与讨论

在以往的很多研究中，许多学者均采用0.45或0.5作为森林植被的平均含碳率来估算碳储量，如2000年刘国华等对中国森林碳动态的研究、马钦彦等1996年对中国油松林储碳量基本估计的研究及2000年周玉荣等对中国森林生态系统碳循环的研究等[17-19]。本研究结果表明，灰榆地上部分的平均含碳率为0.439。不同林种具有不同的含碳率值，如统一采用 0.45 或0.5作为平均含碳率转换系数进行碳储量估算，会使结果产生一定偏差，如仅以0.45作为所有林木的平均含碳率转换系数进行碳储量估算，可能会带来3%～10%的负系统误差。因此，在估算区域碳储量时，为确保结果更加准确，应依据不同区域不同森林类型的不同树种而采用不同的含碳率数值[20-21]。

本研究经测算认为，灰榆林林下土壤有机碳含量为 21.61 g/kg，与同属荒漠区的沙土[15]比较，灰榆林土壤有机碳含量明显高于沙土；灰榆林林下土壤碳储量为50.53 t/hm2，与我国各森林类型的土壤碳储量全国平均水平107.8 t/hm2（其中，天然林平均土壤碳储量109.1 t/hm2，人工林平均土壤碳储量107.1 t/hm2）相比[21-22]，灰榆林林下土壤碳储量为全国天然林土壤有机碳平均水平的46.32%。可见，宁夏贺兰山灰榆林虽地处干旱风沙区，但其林下土壤有机碳库是不可忽视的碳库来源。

宁夏贺兰山灰榆林的总碳储量在空间分布上总体表现为土壤层>乔木层>地被层>灌木层，土壤层碳储量是构成总碳储量的主体，这与王金叶等研究结果[23-24]一致。因此，在保护区日常经营管理中，要促进碳的贮存和持续增加，特别要防止不适当的经营活动造成森林土壤碳的排放，削弱其碳源作用[21，23]。

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