天山北坡中段雪嶺云杉人工林碳匯隨林齡的動態變化*

馬媛，常順利?，王冠正，張毓濤，孫雪嬌，李吉玫

（1.新疆大學生態與環境學院綠洲生態教育部重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830017；2.新疆天山森林生態系統國家定位觀測研究站，新疆 烏魯木齊 830063；3.新疆林業科學院森林生態研究所，新疆 烏魯木齊 830063）

0 引言

通過造林、再造林以及森林經營來增加陸地生態系統固碳量和碳匯潛力，是減緩氣候變暖和實現碳中和的重要措施[1-2].第九次全國森林資源清查結果顯示，我國人工林總面積為7 954.28萬公頃，蓄積量為33.88億立方米[3]，是世界上人工林面積最大的國家，其發揮的碳匯功能是我國林業碳匯的重要組成部分，在實現我國“雙碳”目標過程中具有關鍵的支撐作用.

近年來，國內外學者在基于國家、區域及生態系統等尺度上積累了大量關于森林碳儲量和碳匯功能的研究成果[4-6]，這些研究涵蓋了不同氣候條件下多種森林類型的固碳現狀及其動態變化，對于準確評價我國森林碳庫在全球碳循環和碳平衡中的地位起到了推動作用.但這些研究多集中于天然林，關于人工林，尤其是干旱-半干旱地區人工林生態系統碳匯特征的研究較少，并且缺乏對人工林造林后產生的固碳量的系統評價.目前，亟需對人工林生態系統碳匯特征進行精準計量，深入開展人工林生長發育過程中生態系統碳源匯動態變化、分配規律及其影響機制研究.

人工林生態系統碳密度主要由植被地上、植被地下、凋落物、枯死木和土壤碳密度組成[5,7]，其碳匯量可用一定時間內森林碳密度變化量之和來表示[8]，主要受氣候、造林物種立地條件和林分年齡等因素的顯著影響[9-10].一般認為，造林年限是人工林碳匯功能的主要影響因素，例如黃土丘陵區刺槐和油松人工林碳匯功能隨林齡增加呈先升后降的變化[11]；而廣西地區不同林齡軟闊林生態系統碳儲量隨林齡的增長總體持續增加，但硬闊林總碳儲量卻隨林齡增長呈先降后升趨勢[12-13].表明造林對碳匯的提升作用隨林齡的變化趨勢由于區域特征、林分類型和造林方式等而具有不確定性.

中國新疆地處干旱-半干旱區，天山森林在全疆碳平衡中發揮著重要作用，雪嶺云杉是天山森林的單優樹種，也是天山林區最主要的造林樹種，根據第九次森林資源清查數據，雪嶺云杉人工林面積達1.32萬公頃，但目前關于雪嶺云杉人工林的碳匯作用分析研究還未見報道.因此，本文以天山北坡中段雪嶺云杉人工林為研究對象，結合雪嶺云杉異速生長方程及土壤碳含量實測數據，通過建立人工林碳密度、碳匯量和造林后固碳量的時間序列，主要解決以下問題：1）明確雪嶺云杉人工林不同組分碳匯特征；2）揭示雪嶺云杉人工林碳匯特征隨林齡的動態變化趨勢；3）構建人工林林齡與造林后固碳量的函數關系，量化雪嶺云杉人工造林發揮的固碳功能大小及動態過程.以期為森林碳匯精準化計量和提高森林經營管理水平提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本文依托中國森林生態系統研究網絡天山森林生態系統國家定位觀測研究站（43°14′～43°26′N，87°07′～87°28′E）開展工作，該地位于天山北坡中段烏魯木齊板房溝林場，屬大陸溫帶氣候，最大積雪深度為65 cm，年總輻射約為5.85×105J·cm-2.年均氣溫2～7 ℃，年降水量400～800 mm，年蒸發量達1 100～2 100 mm.林下土壤類型為山地灰褐色森林土.

1.2 各齡組樣地的選取

結合林場經營檔案以及樹木生長錐確定人工林造林年限.按照每10 a一個齡級，將雪嶺云杉人工林劃分為10～20、21～30、31～40、41～50、51～60 a五個齡組.每個林齡組布設3塊20 m×20 m的調查樣地.所選樣地造林方式均為8～10 a實生苗植苗造林，郁閉度處于0.7～0.9之間，林分密度約每公頃2 500～3 500株.同時，在每個齡組樣地周邊選取立地條件與該齡組人工林樣地相對一致的無林地，設3塊20 m×20 m樣地作為造林前的對照.

對樣地的海拔和經緯度等基本信息進行調查，以胸徑尺、測高儀和卷尺調查樣地內所有雪嶺云杉的胸徑、樹高、冠幅和生長狀態，以對角線望高法測定樣地的郁閉度.

1.3 樣品采集與測試方法

凋落物生物量：采用全收獲法測定，在每個樣地內按品字形設置5個1 m×1 m小樣方，收集樣方內所有凋落物并混合稱鮮質量，取其混合樣品約300 g，置于80 ℃烘箱烘干至恒重，利用樣品鮮質量、樣品烘干質量及樣方鮮樣總質量換算樣地凋落物總生物量.

土壤有機碳含量：每個樣地內設置3個土壤取樣點，除去土壤表層凋落物及雜質后，每個采樣點按0～10、10～20、20～40、40～60、60～100 cm將土壤剖面分為五層，每層用環刀法測定土壤容重，同一樣方內的土樣同層均勻混合.將每個樣方內各采樣點的土樣剔除植物、昆蟲等殘體，壓碎，使之自然風干，利用四分法取樣磨細并過篩，以重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定風干樣品中土壤總有機碳含量（Soil Organic Carbon,SOC）.

1.4 碳密度、碳匯與造林后固碳量的計算

1.4.1 碳密度

1）植被地上和地下碳密度

雪嶺云杉生物量的估算采用蘭潔等[14]在該研究區建立的生物量方程（表1），此方程符合該區雪嶺云杉生長特點，可較準確地估算雪嶺云杉生物量.雪嶺云杉各器官含碳率參考許文強等[15]在天山北坡森林的研究成果.由于雪嶺云杉人工林無林下灌木、且枯死木和草本很少，在此部分不考慮灌木和草本的碳密度，并將枯死木碳密度加入植被地上和地下碳密度一起計算.

表1 雪嶺云杉各器官生物量方程[14]

以枝、干、葉單位面積生物量與含碳率的乘積之和計算植被地上碳密度（VACD）：

式中：VACD為植被地上碳密度（t·hm-2），Wi為雪嶺云杉枝、干、葉單位面積生物量（t·hm-2），VCi為各器官含碳率（%）.

以樹根單位面積生物量與含碳率的乘積計算植被地下碳密度（VBCD）：

式中：VBCD為植被地下碳密度（t·hm-2），Wr為雪嶺云杉樹根單位面積生物量（t·hm-2），VCr為樹根含碳率（%）.

2）土壤有機碳密度

土壤有機碳密度（SOCD）計算公式為：

式中：Ci為第i層土壤有機碳含量（g·kg-1），BDi為該層土壤平均容重（g·cm-3），Di為該層土壤厚度（cm），Ri為直徑大于2 mm的石礫所占百分比（%），10-1為單位轉換系數.

3）凋落物碳密度

以凋落物單位面積生物量和含碳率計算凋落物層碳密度（LCD）：

式中：LCD為凋落物層碳密度（t·hm-2），Wl為凋落物層單位面積生物量（t·hm-2），VCl為凋落物層含碳率（%）.含碳率參考許文強等[15]的研究成果，為42.14%.

4）總碳密度

總碳密度（TCD）=植被地上碳密度（VACD）+植被地下碳密度（VBCD）+凋落物碳密度（LCD）+土壤碳密度（SOCD）.

1.4.2 造林后固碳量

通過造林后的碳密度減去造林前（無林地）的碳密度來計算造林后產生的固碳量大?。?/p>

式中：ΔTCD代表造林后固碳量（t·hm-2）；TCDck代表造林前（無林地）的碳密度（t·hm-2），其中造林前植被地上、地下和凋落物層碳密度為0.

1.4.3 碳匯量

電力調度信息化是電力信息化的重要組成部分，水電、火電的調度都需要計算機監控系統及時監測調度信息，進行故障的預警提示和電力調度線路的保護。目前，我國的網絡技術主要運用在電力調度的監控環節，即對發電生產自動化的監控、變電情況的監控和輸電線路狀態的監控。為滿足電力調度的可靠性和實效性，電力調度自動化系統應運而生。其中，主要的電力自動化調度系統有SCADA系統和EMS系統。

本文定義人工林隨林齡增長的碳匯為人工林生態系統總碳密度在單位時間上的變化量，即兩個林齡人工林造林后碳密度之差，為這兩個林齡人工林在生長年限（林齡差）的碳匯量：

式中：ΔCS為碳匯（t·hm-2·10 a），TCDT2為T2時刻生態系統總碳密度（t·hm-2），TCDT1為T1時刻生態系統總碳密度（t·hm-2），ΔT表示T2時刻與T1時刻的時間間隔，單位為10 a.

1.5 數據處理與分析方法

采用Microsoft Excel 2016對數據進行整理和統計，并利用Microsoft Excel 2016和Origin pro 2020繪制相關圖表，利用單因素方差分析中的Duncan多重比較方法探討差異性顯著分析，圖表中數據均為“平均值±標準誤”；應用非線性回歸法，對造林后固碳量與林齡進行擬合，通過判定系數（R2）、標準誤差（SE）的大小及回歸檢驗顯著水平來選取最優回歸模型.

2 結果分析

2.1 雪嶺云杉人工林地上部和地下部碳匯隨林齡的動態變化

植被地上和地下碳密度、碳匯量和造林后固碳量如表2和圖1所示，隨著林齡增加，植被地上干、枝、葉的碳密度均顯著增加（P＜0.05），地上碳密度從1.82 t·hm-2顯著增長到119.34 t·hm-2（P＜0.05），樹干部分占地上部碳密度比例最大，為75.4%～78.9%，具有絕對優勢；分布在葉、枝當中的碳密度僅為5.5%～18.7%.地上碳匯量隨林齡表現為先快速增加又減小的趨勢，31～40 a的碳匯量最大，達73.25 t·hm-2·10 a.10～20、21～30 a的地上碳匯量僅為1.82 t·hm-2·10 a、0.45 t·hm-2·10 a.地上部分造林后的碳匯量與林齡表現出顯著的線性函數關系，隨林齡升高，造林后固碳量逐漸上升，函數關系式為：y=3.285 2x-56.043.

圖1 植被地上部和地下部造林后固碳量隨林齡的變化趨勢

表2 不同林齡雪嶺云杉人工林植被地上和地下部分碳密度和碳匯量特征

植被地下碳密度從10～20 a的1.26 t·hm-2快速增長至51～60 a的27.77 t·hm-2（P＜0.05），增長了21倍.地下碳匯量隨林齡變化趨勢與地上碳匯量相同，表現為先上升至31～40 a（20.17 t·hm-2·10 a）達到最大后又下降的趨勢.造林后植被地下固碳量隨林齡增加呈指數上升，與林齡的函數關系式為：y=0.280 6e0.092x.

2.2 雪嶺云杉人工林凋落物碳匯隨林齡的動態變化

不同林齡雪嶺云杉人工林凋落物碳密度、碳匯量和造林后固碳量特征如圖2至圖4所示，隨林齡逐漸增加，從10～20 a的0.42 t·hm-2顯著增加至51～60 a的1.74 t·hm-2（P＜0.05），增長率達314.3%.凋落物層碳匯量在造林后快速累積，10～20 a的碳匯量達0.42 t·hm-2·10 a，后降低至21～30 a的0.29 t·hm-2·10 a，隨著林齡增加逐漸增長，至41～50 a達到最大（0.41 t·hm-2·10 a），51～60 a的碳匯量又有所降低.凋落物層造林后固碳量與林齡呈顯著的線性函數關系，隨林齡升高固碳量不斷上升，最優擬合方程為：y=0.034 4x-0.104 4.

圖3 不同林齡雪嶺云杉人工林的凋落物層碳匯量特征

圖4 造林后凋落物層固碳量隨林齡的變化趨勢

2.3 雪嶺云杉人工林土壤碳匯隨林齡的動態變化

雪嶺云杉人工林土壤層碳密度、碳匯量和造林后固碳量如圖5至圖7所示.隨著林齡的增加，土壤碳密度表現為先升高后降低的變化趨勢，土壤層有機碳密度從土層垂直剖面上來看，造林前期10～40 a隨土層深度顯著增加（P＜0.05），深層60～100 cm土壤碳密度是表層0～10 cm的0.94～2.60倍.造林后期40～60 a，表層0～10 cm和深層60～100 cm顯著大于其余土層（P＜0.05）.不同林齡相同土層中，除表層土壤外，土壤有機碳密度總體表現為先升高至21～30 a達到最大后又顯著降低的趨勢（P＜0.05）.0～10 cm表層土壤碳密度隨林齡逐漸升高，至41～50 a顯著升高后（P＜0.05），51～60 a又有所降低（P＜0.05）.土壤層碳匯量隨林齡增加表現為先升高后降低的倒“V”字形趨勢.

圖5 雪嶺云杉人工林土壤層不同林齡不同土層的碳密度特征

圖6 不同林齡雪嶺云杉人工林土壤層碳匯量特征

圖7 雪嶺云杉人工林土壤層造林后固碳量隨林齡的變化趨勢

2.4 雪嶺云杉人工林生態系統碳匯特征的動態變化

各齡組雪嶺云杉人工林總碳密度、總碳匯量和造林后固碳量如圖8至圖10所示.隨著林齡增加，雪嶺云杉人工林生態系統碳密度隨林齡表現為先顯著升高又逐漸下降的變化趨勢.碳匯峰值出現在21～30 a，該齡組碳匯量為266.65 t·hm-2·10 a；低值出現在31～40 a，該齡組為負值，表現為碳源.

圖8 不同林齡雪嶺云杉人工林碳密度特征

圖9 不同林齡雪嶺云杉人工林碳匯量特征

圖10 不同林齡雪嶺云杉人工林造林后固碳量分配格局及其隨林齡變化趨勢

造林后雪嶺云杉人工林生態系統固碳量與林齡表現出顯著的二次函數關系，隨林齡升高，造林后固碳量逐漸上升后趨于平緩，函數關系式為：y=-0.087 8x2+9.956 7x-67.887.林齡也改變了天山北坡中段雪嶺云杉人工林生態系統固碳量各層組分貢獻百分比（圖10左圖），30 a前以土壤固碳量為主（94.8%～96.0%），31～40 a植被層和土壤層二者占比接近平衡，41～60 a人工林生態系統主要表現為植被固碳（62.3%～67.7%），土壤層貢獻率下降至31.5%.

3 討論

3.1 雪嶺云杉人工林植被地上和地下層碳匯的影響因素分析

天山北坡中段雪嶺云杉人工林地上和地下碳密度隨著林齡增長而增加，增速呈先慢后快再慢的趨勢，此“S”型生長規律在其它人工林的研究中也普遍存在[16-17].原因在于雪嶺云杉為慢生樹種，其天然林在20 a以前為形成期，21～40 a為速生期[18]，而人工林在10～20 a至21～30 a過渡階段生長較慢，這一時期由于植株個體較小，林冠層葉表面積有限，能夠進行光合作用的區域相對較少，導致林分的年生產力較低，年固碳量在0.18～0.23 t·hm-2之間.為了在此階段壯大個體并組建群落，需要林木建立具有增大林分并與外界進行物質和能量交換的功能器官，以制造更多的有機物質.因此在這個林齡階段，枝葉的生物產量增加速率高于其它器官[19]，在31～40 a進入速生期.除了雪嶺云杉本身的生長特性外，氣候也可能是導致該過渡階段生長較慢的原因，20世紀90年代為天山山區偏暖期，溫度有較大幅度提升，平均溫度上升約0.6 ℃[20]，導致土壤水分蒸散及植物蒸騰作用加強，加快了雪嶺云杉水分散失和養分消耗，光合作用速率減弱，樹木生長減緩[21].

本文結果顯示樹根碳密度僅次于樹干碳密度，這是因為雪嶺云杉地處干旱-半干旱區，干旱脅迫導致植物發生不同程度生長緩慢、物候提前、地上/地下生物量分配比例改變、萎蔫或死亡加劇等諸多生長特性的變化，但干旱脅迫也會促進植物根系生長，通過改變根表面積、側根數、根冠比等策略，調整地下生物量積累和分配，便于吸收水分[22].本文發現天山北坡中段雪嶺云杉人工林平均植被地上和地下碳密度為74.37 t·hm-2，遠高于我國森林植被平均碳密度（57.07 t·hm-2）和西北地區植被碳密度（42.82 t·hm-2）[23]，但低于全國云冷杉林植被平均碳密度（82.01 t·hm-2）[6].推測其原因：一方面是樹種類型、氣候條件等客觀因素所致，雪嶺云杉喜陰冷潮濕，但研究區夏季日照較強，降雨量稀少，且存在季節性凍融現象，使得雪嶺云杉人工林生長速度相對較緩慢[24]；另一方面是研究區雪嶺云杉人工林未曾撫育，因自疏和干擾等因素導致同林齡人工林林分密度存在差異，樹木生長受限于樹冠和莖的大小以及光合作用空間[25].

3.2 雪嶺云杉人工林凋落物層和土壤層碳匯的影響因素分析

雪嶺云杉人工林內，凋落物自身儲存少量的碳，占比不到總固碳量的1%，但其覆蓋于地面能有效減少土壤的碳流失，是土壤碳和植物碳的重要連接庫[26].有較高的生物量或凋落物并不意味著有較高的土壤有機碳儲量，凋落物分解過程中產物去向決定了土壤有機碳的賦存狀態，高質量的凋落物分解產物向土壤轉移的比例更高[27].林齡變化對人工林生態系統群落結構、物種豐富度、生物量累積以及碳的分配會產生巨大影響，進而影響森林生態系統土壤碳庫變化及碳吸存能力[28].0～20 cm的土層深度土壤碳密度最高，主要是因為土壤有機碳的主要來源為土壤有機質，土壤表層有機質的積累在很大程度上依靠土壤表層凋落物的分解，且雪嶺云杉的根系在土層中呈平鋪式伸展、分布較淺，死亡根系及其分泌物的補充主要發生在表層，使表層有機碳持續積累，而地表植物殘體不能被土壤中下層直接吸收，主要依賴上層的淋溶下移和地下部分植物殘體分解[29].

人工林土壤碳匯與造林時間通常情況下呈非線性變化[30]，本文結果顯示雪嶺云杉人工林土壤碳匯隨著造林時間增加呈先增加后降低的趨勢，這與Ahmad等[31]對我國西北落葉松人工林土壤碳庫的研究結果相似.不同林齡雪嶺云杉人工林平均土壤固碳量為79.99 t·hm-2，造林后土壤固碳量與無林地相比提升較明顯.這是因為雪嶺云杉林冠對降水截流作用較強，林地削弱了地表徑流，且侵蝕量遠小于無林地，具有較好的水土保持作用[32].其中21～30 a雪嶺云杉人工林在0～20 cm土層土壤固碳量為負值，這可能是該林齡人工林在草地上造林所致.有學者指出土地利用方式的改變會影響土壤碳匯[33]，在土壤碳密度較低的荒地、耕地上造林，土壤表現為凈固碳；而在土壤碳密度較高的天然林、草地上造林，前期易造成土壤有機碳凈損失[34]，這是因為較高的土壤有機碳密度會加速土壤有機碳礦化，造林后前期又因森林冠層、腐殖質覆蓋的干擾和土壤結構的破壞導致土壤出現明顯的碳損失[35-36].此外，造林過程中對土壤的人為擾動也會提高土壤溫度，增強微生物活性，加速土壤有機質礦化[37].Hong等[38]的研究也表明土壤有機碳的積累速率取決于本底土壤碳密度.

3.3 不同類型人工林碳匯的分析比較

估算人工林生態系統碳匯是預測人工林碳動態長期變化的基礎，本文發現雪嶺云杉人工林生態系統平均碳匯為81.43 t·hm-2·10 a，高于相關學者對黃土丘陵區油松（67.23 t·hm-2·10 a）[39]、南亞熱帶紅錐（52.33 t·hm-2·10 a）[40]以及燕山華北落葉松（45.99 t·hm-2·10 a）[41]等人工林的研究結果，同時也高于一些學者對川中榿-柏混交林（-2.94 t·hm-2·10 a）、側柏（5.43 t·hm-2·10 a）[42]和黃土高原刺槐（-7.55 t·hm-2·10 a）[43]等人工林的研究結果，與我國這些類型人工林相比，雪嶺云杉人工林碳匯能力相對較高，這可能與雪嶺云杉樹種自身生理特性以及本文選取的人工林林齡相對較大有關，以雪嶺云杉為單優樹種的森林占天山森林的90%[44]，表明天山北坡中段雪嶺云杉人工林在我國西北及全國范圍人工林中具有重要碳吸存能力.

人工林生態系統中31～40 a云杉表現為碳源，因為林分逐漸郁閉，林內光照強度減弱，土層溫度下降，林木根系密度和土壤生物活性降低，凋落物分解速率變慢，土壤有機碳輸入減少，致使人工林生態系統碳累積量增速減緩[45]，因此亟需對該林齡雪嶺云杉人工林林分結構進行優化.其中撫育間伐和修枝是人工林經營過程中兩種重要的營林措施，可增大林內透光率，增強太陽輻射，提高土壤溫濕度，使樹木光合作用加強以促進生長[46-47]，并且撫育過程中掉落的枯死枝葉，可與林下植被和凋落物進行協同作用，加速林地養分循環[48-49].本文依據“空間代替時間”的方法開展，雖能彌補采樣點相同時間線樣地數量不足的弊端，但在山地生態系統中仍存在空間異質性，對結果有一定的干擾，因此需對云杉人工林進行長期連續觀測，以盡可能減少該類研究實驗誤差，并明確最適的人工撫育措施和撫育強度，這對提升云杉人工林林分穩定性和碳匯潛力具有重要意義.

4 結論

本文綜合分析了天山北坡中段雪嶺云杉人工林生態系統碳匯在林齡梯度上的變化規律和分配特征.雪嶺云杉人工林植被地上和地下碳匯隨著林齡增加而增大，樹干碳匯為植被地上部的主體，造林前土地利用類型造成了一定程度的影響，土壤固碳貢獻率隨著林齡增加不斷減弱，生態系統碳匯整體上隨林齡增加而增加.在全球氣候變化背景下，天山北坡中段雪嶺云杉人工林具有可觀的碳匯能力，加強人工撫育和管理是改善其碳匯功能的重要手段.