林分密度对侧柏生态系统碳储量的影响

林分密度对侧柏生态系统碳储量的影响

世界气候变化已成为最受关注的环境问题之一。城市是世界温室的重要排放来源，其中80%以上的co排放量来自城市，其次是主要碳源。森林是陆地生态系统中最大的碳库,其碳储量占全球陆地碳库总储量的46.27%。因此,森林在应对全球气候变化过程中有不可替代的作用,而人工林作为陆地森林生态系统中重要的组成部分,其碳汇作用被认为是减缓全球变化的一种可能机制和最有希望的选择。因此,加大对人工林生态系统碳储量的研究对预测和维护其长期生产力、以及未来在京都议定书(KyotoProtocol)的框架范围内进行碳汇贸易谈判具有重要意义。然而,森林生态系统的碳储量受树种、轮伐期、施肥和间伐等多种因素的影响,有关林分密度同人工林乔木层碳储量之间关系的研究结果较为一致,即乔木层碳储量会随着林分密度的增大而增加。但有关林分密度与人工林土壤碳储量关系研究结论尚存争议,方晰等曾对不同密度的湿地松Pinuselliottii人工林进行了研究,表明湿地松人工林土壤碳储量也随林分密度的增大而增加;张国庆等对不同密度马尾松Pinusmassoniana人工林生态系统碳储量的研究却得出相反的结果,即土壤碳储量随林分密度的增大而降低。根系中尤其是细根具有巨大的吸收表面积,生理活性强,是树木吸收水分和养分的主要器官,同时由于细根生长和周转迅速,每年对土壤有机碳库的贡献率高达25%~80%,对森林生态系统碳分配、养分循环和能量流动中起着十分重要的作用。因此,本文以徐州市侧柏Platycladusorientalis(Linn)Franco人工林为对象,研究不同林分密度对侧柏人工林生态系统碳储量分配格局的影响,并试图从细根生物量和形态角度探讨其变化机理,以期为侧柏人工林科学经营中确定合理的林分密度提供理论依据。1材料和方法1.1光照、土壤条件研究区位于江苏省徐州市的丘陵山地(116°22′—118°40′E,33°43′—34°58′N),山地面积3万hm2,平均海拔400m以下。气候属暖温带半湿润季风气候区,四季分明,光照充足,雨量适中,年均温14℃左右,年均降雨量800~900mm,全年无霜期200~220d。土壤以石灰岩发育而成的淋溶褐土为主,土层薄,砾石含量高,土壤粘重,呈中性~弱碱性。林分类型以侧柏人工林为主,还有小叶朴Celtisbungeana、麻栎Quercusacutissima、黄连木Pistaciachinensis、青桐Firmianasimplex、苦楝Meliaazedarach、刺槐RobiniapseudoacaciaL)和女贞Ligustrumlucidum等,而林下灌木和草本的发育较差。1.2样地设置及其密度为了保证调查的准确性,在样地选择时尽可能使坡位、坡向、海拔和土壤条件等因子保持一致。在林分踏查和标准地调查基础上,选择50年生侧柏人工林样地,3次重复,共设置固定样地9块,每块样地面积20m×20m,分别是高密度(3074株·hm-2),中密度(2250株·hm-2),低密度(1679株·hm-2)。1.3乔木层碳储量估算徐州地区侧柏人工林各器官含碳率计算:利用李朝拟合的侧柏各器官生物量模型结合各样地测树因子调查资料,通过树干(47.33%)>树叶(43.91%)>树枝(43.45%)>树根(42.95%),地上部分平均含碳率44.89%,全株平均含碳率44.41%,估算侧柏人工林乔木层的碳储量。林下灌草层和枯落物的含碳率则采用常见的0.45碳转化率,碳储量是根据单位面积林分干物质重量(生物量)乘以其碳含量而求得:植物体碳储量(t·hm-2)=植物体生物量(t·hm-2)×植物体含碳率(%)土壤有机碳储量(t·hm-2)=土壤有机碳含量(g·kg-1)×容重(g·cm-3)×土层厚度(cm)×10-1。1.4土块根系分级2011年10月在每块标准地内随机选取3个点,参考以往根系土块的取样方法在离树50cm处,用平板利铲在0~10cm和10~20cm的土层中各取20cm×20cm的土块,共54块(9×2×3)。在实验室里,将根系用去离子水清洗干净,然后按照Pregitzer等的方法对结构完整的根进行分级,而结构不完整根系的细根根序等级依据完整根系的1~5级根的长度和直径的范围来划分。分级结束后,应用Epson数字化扫描仪对分级后的不同处理样地的各级根序细根进行扫描,并采用根系分析系统软件WinRHIZO(Pro2005c)进行直径和根长的分析。扫描后用滤纸包好各级根序,在65℃下烘干至恒质量,用电子天平(±0.0001g)称量。1.5林分密度对细根直径、根长和比根长的影响采用Excel2003进行数据整理和表格制作,基于SPSS13.0,采用单因素ANOVA法分析不同林分密度对细根直径、根长和比根长有无显著性的影响(P<0.05),多重比较采用Duncan法。2结果与分析2.1林分密度对碳储量的影响由表3可知,乔木层、土壤层和生态系统的碳储量均随林分密度的增加而明显减少。乔木层的碳储量由低密度到高密度依次为34.69t·hm-2、29.18t·hm-2和26.47t·hm-2,占系统碳储量36%左右,是侧柏人工林生态系统中的最大生产者。土壤层碳储量依次为55.31、48.07和45.09t·hm-2,分别占总生态系统碳储量的58.77%、60.80%和61.50%。由此可见,土壤是森林生态系统以及陆地生态系统最主要的碳库之一。整个生态系统的碳储量随着林分密度增加而显著减少,低林分密度的碳储量是94.11t·hm-2,分别是中密度和高密度碳储量的1.19倍和1.28倍,而这种差异主要是由乔木层和土壤层碳储量差异引起。各密度林分碳储量空间分布格局均为土壤层>乔木层>林下层,林下层中的灌木,草本和枯落物因为林分密度的不同有细微的变化,其中灌草层碳储量在低林分密度最大,而枯落物层碳储量在中林分密度最大。在低密度林分中,灌木层和草本层碳储量高于枯落物碳储量,这是因为林分密度降低后,林木个体的营养空间增加,林内的光照增多,有利于林下灌木和草本的生长。同时因为林分密度小的样地中光照明显增强,地表温度上升,土壤微生物活动增多,枯落物层分解速率加快,所以枯落物层碳储量减少,灌草层碳储量增加。2.2亚表层土壤细根的平均直径和比根长由表4可知,不同林分密度下的细根平均直径均随根序增加而增粗。其中,1级根直径最小(0.38~0.46mm),5级根直径最大(1.36~1.72mm),5级根平均直径是1级根的3.58~4.53倍。与低密度林分相比,中密度林分表层土壤中1~5级根的平均直径变粗,其中1、2级根的平均直径显著变粗(P<0.05);亚表层土壤中1~3级根的平均直径变粗,4、5级根的平均直径变细,但均未达到显著水平(P>0.05)。与低密度林分相比,高密度林分表层土壤中1~3级根的平均直径变粗,4、5级根的平均直径变细,但均未达到显著水平(P>0.05);亚表层土壤中1~4级根的平均直径无显著变化(P>0.05),但5级根的平均直径显著变细(P<0.05)。与中密度林分相比,高密度林分表层和亚表层土壤中1~5级根的平均直径均无显著变化(P>0.05)。由表4可知,不同林分密度下的细根平均长度均随根序的增加而伸长。其中,1级根平均根长最短(0.76~1.42cm),5级根根长最长(10.80~13.77cm),而5级根平均根长是1级根的7.61~18.12倍。与低密度林分相比,中密度林分表层土壤中1、2级根的平均根长显著变长(P<0.05),3~5级根的平均根长无显著变化(P>0.05);亚表层土壤中1~5级根的平均根长变长,其中3级根的平均根长显著变长。与低密度林分相比,高密度林分表层和亚表层土壤中1~5级根的平均根长均无明显变化(P>0.05)。与中密度林分相比,高密度林分表层和亚表层土壤中1~5级根的平均根长均无明显变化(P>0.05)。由表4可知,不同林分密度下的细根平均比根长均随根序的增加而减小。其中,1级根平均比根长最长(15.28~18.80m/g),5级根平均比根长最短(1.00~1.54m/g)。与低密度林分相比,中密度林分表层土壤中1~5级根的平均比根长无明显变化(P>0.05);亚表层土壤中1~5级根的平均比根长变短,其中2级根的平均比根长显著变短(P<0.05)。与低密度林分相比,高密度林分表层土壤中1~5级根的平均比根长变长,其中2级根的平均比根长显著变长(P<0.05),亚表层土壤中1~5级根的平均比根长无明显变化(P>0.05)。与中密度林分相比,高密度林分表层土壤中1~5级根的平均比根长变长,其中2级根的平均比根长显著变长(P<0.05);亚表层土壤中1~5级根的平均比根长无明显变化(P>0.05)。2.3亚表层和表层细根生物量的比较由图1可知,细根总生物量和表层细根生物量均随林分密度的增加而略有减少,但差异均不显著。从细根的垂直分布来看,表层细根生物量明显大于亚表层细根生物量。在亚表层,细根生物量依次为中密度>高密度>低密度,且中密度的细根生物量显著增加(P<0.05)。由此可见,细根总生物量和表层细根生物量对林分密度的响应不明显,亚表层的细根生物量对林分密度变化的响应较敏感。2.4密度对林分碳储量的作用如图2所示,细根生物量对林分密度的响应与不同林分密度下乔木层、土壤层和生态系统碳储量的变化规律一致,最高值均出现在低林分密度样地,最低值均出现在高林分密度样地。由此可知,细根生物量与土壤层碳储量的相关性大于其与乔木层碳储量或系统碳储量。随着林分密度的降低,细根根长先变长说明细根吸收水分和养分的功能得到加强,细根中的高级根直径变粗,分配的碳增多,运输和向土壤深层延伸能力增强,以此来满足地上部乔木的快速生长,使乔木层碳储量随之增加。随着林分密度的继续降低,细根中的低级根寿命变短,其分解和周转加快,土壤层碳储量随之明显增加。还说明低林分密度并没有减弱林分的固碳能力,这是因为林分密度过大,林分的营养空间相对较小,从而抑制了林分生物量的增加,而低林分密度使林分拥有相对充足的营养空间,加速了林分生物量的积累,增加了林分碳储量。因此,合理的林分密度既可增加乔木层的碳储量还可以增加整个生态系统的碳储量。3林分密度和碳储量(1)3种密度的侧柏人工林碳储量表现为:乔木层、土壤层和生态系统的碳储量均随林分密度的增加而明显减少,灌草层碳储量在低林分密度最大,而枯落物层碳储量在中林分密度最大。低密度生态系统的碳储量是94.11t·hm-2,分别是中密度和高密度生态系统的碳储量1.19倍和1.28倍,而这种差异主要是由乔木层和土壤层碳储量差异引起的。(2)林分密度对细根生物量的影响不显著,而细根形态随林分密度的增加表现为低级根中1、2级根直径变粗,根长先变长后变短,比根长变小;而高级根中的5级根直径变细,根长和比根长变长。(3)林分密度对细根生物量的影响与乔木层、土壤层和生态系统碳储量的变化规律具有较高的一致性,均为低密度下最大,高密度下最小。因此,细根生物量可能是导致系统碳储量变化的主要因素之一。4日本落叶松低密度林分细根的生长和碳本研究中乔木层碳储量随林分密度的变化规律与方晰等和丁贵杰等的研究相反,这可能是因为研究对象的立地条件和研究树种的不同造成的。在本研究中,不同密度对细根生物量的影响不显著,但对细根形态的影响明显,表现为低级根中的1、2级根直径变小,根长先变长后变短,而高级根中的5级根直径变粗。这可能是由于低级根对外界干扰的敏感程度大于高级根。因为高级根木质化程度较高,起到保护作用,受干扰的影响较小,于立忠等(2007)发现日本落叶松低级根易受土壤资源有效性的影响,而高级根对其不敏感。研究表明,1级根氮含量最高、直径最小、菌根菌侵染率高、中柱比例低等。细根直径对其寿命有很大的影响,直径较小的根通常衰老快,寿命短。因此,低级根(特别是1级根)在森林植被获取土壤养分、水分、碳和氮动态中起到重要作用。低密度林分对细根生物量和低级根形态的