全 文 ：山东省长岛县南长山岛黑松和刺槐人工林的碳储量*
王晓丽1 摇 王摇 嫒1 摇 石洪华2**摇 彭士涛1 摇 宫立鹏1 摇 覃雪波3
( 1天津理工大学环境科学与安全工程学院,天津 300384; 2国家海洋局第一海洋研究所,山东青岛 266061; 3南开大学环境科
学与工程学院, 天津 300071)
摘摇 要摇 利用乡土树种改造大面积人工纯林已成为我国海岛人工林近自然化经营的有效模
式.采用生物量相对生长方程和样地调查数据相结合的方法,对山东省长岛县南长山岛人工
林的优势树种黑松和刺槐的碳储量进行估算.结果表明: 黑松和刺槐人工林乔木层平均碳储
量分别为 56. 81 和 37. 26 t·hm-2,均高于山东省乔木林的平均碳储量(27. 62 t·hm-2) .坡向
是影响海岛乔木碳储量的重要环境因子,林分密度是影响海岛乔木层碳储量的重要生物因
子.黑松人工林乔木层生物量平均累积速率与树龄没有明显的相关性.具有良好固碳功能的
黑松是南长山岛的理想树种.
关键词摇 南长山岛摇 碳储量摇 黑松摇 刺槐
文章编号摇 1001-9332(2013)05-1263-06摇 中图分类号摇 Q948. 1; S718. 5 摇 文献标识码摇 A
Carbon storage of Pinus thunbergii and Robinia pseudoacacia plantations on Nanchangshan
Island, Changdao County of Shandong Province, China. WANG Xiao鄄li1, WANG Ai1, SHI
Hong鄄hua2, PENG Shi鄄tao1, GONG Li鄄peng1, QIN Xue鄄bo3 ( 1 College of Environmental Science
and Safety Engineering, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China; 2The First Insti鄄
tute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, Shandong, China; 3College
of Environmental Science and Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China) . 鄄Chin. J.
Appl. Ecol. ,2013,24(5): 1263-1268.
Abstract: Using indigenous tree species to transform large area pure plantations has been an effec鄄
tive close鄄to鄄nature forest management mode in China islands. By using the biomass allometric
equation and combined with the investigation data from sampling plots, the carbon storage of the
dominant species Pinus thunbergii and Robinia pseudoacacia in the plantations on the Nanchangshan
Island of Miaodao Archipelago in Changdao County of Shandong Province was estimated. The aver鄄
age carbon storage in the arbor layer of P. thunbergii and R. pseudoacacia plantations was 56. 81
and 37. 26 t·hm-2, respectively, being higher than the average carbon stock (27郾 62 t·hm-2) of
tree plantations in Shandong Province. Slope aspect and stand density were the important environ鄄
mental and biological factors affecting the tree爷s carbon stock in the Island, respectively. There was
no significant correlation between the average cumulative rate of biomass in the arbor layer of P.
thunbergi plantation and the stand age. The P. thunbergii with good carbon sequestration function
could be an ideal tree species on Nanchangshan Island.
Key words: Nanchangshan Island; carbon storage; Pinus thunbergii; Robinia pseudoacacia.
*科技基础性工作专项(2012FY112500)、海洋公益性行业科研专项
(201305009)和国家海洋局第一海洋研究所中央级科研院所基本科
研业务经费项目(2011T06)资助.
**通讯作者. E鄄mail: shihonghua@ fio. org. cn
2012鄄11鄄23 收稿,2013鄄02鄄17 接受.
摇 摇 森林是陆地生态系统中碳的主要储存库. 森林
在调节全球碳平衡、减缓大气中 CO2等温室气体浓
度上升以及维护全球气候等方面具有不可替代的作
用[1] .森林碳储量[2-3]、碳源 /汇强度[4-5]及其空间分
布格局[6-8]及碳通量[9-10]研究已经成为当今全球气
候变化和生态学研究的热点.
目前,森林生态系统生物量和碳储量的研究多
局限于陆地生态系统[2-3,8] .海岛作为一类特殊的生
态系统,兼具陆、海双重特征[11] .由于一些海岛立地
条件较差,土壤质地较粗,其保水、保肥性能差,自然
植被生长受限,故通常采用大面积人工造林对海岛
进行绿化[12-13] .海岛人工林的建设对于美化海岛环
应 用 生 态 学 报摇 2013 年 5 月摇 第 24 卷摇 第 5 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, May 2013,24(5): 1263-1268
境、涵养淡水、改良土壤、防风减灾等起到重要作用,
被视为海岛生态建设的重要载体.但是,有关海岛人
工林的固碳能力至今并不清楚.因此,通过评估海岛
人工林的固碳作用,对于海岛的生态建设和应对全
球气候变化具有十分重要的意义.
本研究选择庙岛群岛南长山岛作为研究区域,利
用生物量相对生长方程与样地调查数据相结合的方
法,研究了南长山岛优势树种黑松(Pinus thunbergii)
和刺槐(Robinia pseudoacacia)的乔木层碳储量,旨在
为庙岛群岛陆地植被固碳能力的评估提供参考.
1摇 研究区域与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
南 长 山 岛 ( 37毅 53郾 43忆—37毅 57郾 39忆 N,
120毅42郾 92忆—120毅45郾 59忆 E)位于山东省长岛县,是
庙岛群岛中最大的海岛,岛屿面积 13郾 21 km2,海岸
线长 21郾 60 km.该区域属东亚季风型气候,年均气
温 12郾 0 益,最低气温-1郾 6 益,最高气温 24郾 5 益,年
均降水量 549郾 5 mm,降水多集中在 6—9 月;年均日
照时数 2771 h.土壤主要有棕壤、褐土两大类,土层
厚度约 0郾 3 m,质地粗,多砂砾,蓄水能力差,养分含
量少.植被类型主要是常绿针叶林、落叶阔叶林、灌
丛、草丛、滨海盐生植被、滨海沙生植物、沼生水生植
图 1摇 南长山岛植被调查样方分布
Fig. 1摇 Locations of the sampling stations in the Nanchangshan
Island郾
被和人工栽培的草本植被、农作物及木本的果树.该
岛现有林木绝大部分为 1949 年以后人工植种,目前
森林覆盖率为 44郾 8%,黑松和刺槐是主要优势树种.
1郾 2摇 野外调查
根据南长山岛植被分布特征,依据代表性和可
达性原则,共设置 20 个 20 m伊20 m的样地,其中 14
个样地以黑松或刺槐为优势树种(图 1). 各样地的
生境特征见表1.分别统计各样地内乔木的胸径、高
表 1摇 样地基本概况
Table 1摇 Description of sampling stations
样地号
Sampling
station No郾
生境特征
Habitat characteristic
纬度
Latitude
经度
Longitude
海拔
Altitude
(m)
坡向
Aspect
坡度
Slope
(毅)
林龄
Stand age
(a)
1 黑松林 P郾 thunbergii forest 37毅54郾 961忆 120毅45郾 001忆 53 NE 25郾 6 25
2 黑松林 P郾 thunbergii forest 37毅55郾 331忆 120毅45郾 025忆 68 SE 13郾 2 28
3 黑松林 P郾 thunbergii forest 37毅54郾 262忆 120毅45郾 163忆 86 SW 24郾 0 32
4 黑松林 P郾 thunbergii forest 37毅54郾 529忆 120毅44郾 812忆 142 SE 8郾 0 27
5 黑松林 P郾 thunbergii forest 37毅54郾 014忆 120毅45郾 115忆 37 SE 33郾 0 31
6 黑松林 P郾 thunbergii forest 37毅53郾 690忆 120毅45郾 470忆 62 SW 46郾 0 33
7 黑松林 P郾 thunbergii forest 37毅56郾 429忆 120毅44郾 191忆 94 NE 53郾 0 31
8 黑松林 P郾 thunbergii forest 37毅56郾 971忆 120毅44郾 341忆 96 SW 65郾 0 38
9 黑松林 P郾 thunbergii forest 37毅55郾 934忆 120毅44郾 821忆 79 SE 4郾 0 26
10 黑松林 P郾 thunbergii forest 37毅55郾 800忆 120毅43郾 873忆 46 SE 29郾 0 30
11 刺槐林 R郾 pseudoacacia forest 37毅55郾 394忆 120毅45郾 120忆 48 E 24郾 1 21
12 刺槐林 R郾 pseudoacacia forest 37毅54郾 579忆 120毅44郾 970忆 69 SE 45郾 0 20
13 刺槐林 R郾 pseudoacacia forest 37毅56郾 183忆 120毅44郾 144忆 46 SW 3郾 0 22
14 刺槐林 R郾 pseudoacacia forest 37毅55郾 878忆 120毅44郾 619忆 56 SW 11郾 0 17
15 侧柏林 P郾 orientalis forest 37毅55郾 010忆 120毅43郾 058忆 56 SW 18郾 0 -
16 麻栎林 Q郾 acutissima forest 37毅54郾 944忆 120毅45郾 019忆 58 NW 7郾 3 -
17 果园 Orchard 37毅53郾 972忆 120毅44郾 770忆 26 NW 8郾 0 -
18 农田 Farmland 37毅55郾 424忆 120毅44郾 451忆 51 S 3郾 0 -
19 城市绿地 Urban greenbelt 37毅55郾 712忆 120毅43郾 739忆 25 S 0 -
20 水库沿岸 Reservoir area 37毅56郾 232忆 120毅44郾 549忆 20 NW 16郾 0 -
4621 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
表 2摇 不同人工林乔木各器官生物量(W)与胸径(D)、树高(H)的相对生长方程
Table 2摇 Organ biomass (W) allometric equations of diameter at breast height (D) and height (H) of trees in different
plantations
树种
Species
器官
Organ
方摇 程
Equation
R2 文献
Reference
黑松 树干 Trunk W=0郾 0702D1郾 5703H1郾 1795 0郾 963 [12]
P郾 thunbergii 树枝 Branch W=1郾 0395+ 0郾 0140 D2H 0郾 959 [12]
树叶 Leaf W=0郾 4234+ 0郾 01224 D2H 0郾 957 [12]
树根 Root W=0郾 0152(D2H) 1郾 0199 0郾 967 [12]
刺槐 树干 Trunk lnW=-2郾 895531+0郾 86764ln(D2H) 0郾 989 [13]
R郾 pseudoacacia 树枝 Branch lnW=-3郾 71916+0郾 79079ln(D2H) 0郾 932 [13]
树叶 Leaf lnW=-2郾 90872+0郾 45739ln(D2H) 0郾 795 [13]
树根 Root lnW=-2郾 16746+0郾 63276ln(D2H) 0郾 956 [13]
度、基径、枝下高、冠幅、株数等指标.
1郾 3摇 人工林固碳能力评估
1郾 3郾 1 乔木层植被生物量摇 根据文献[12-13]中给
定的相对生长方程适用范围、模拟效果等因素,选择
适合本研究区域内黑松和刺槐生物量相对生长方程
(表 2),计算出南长山岛黑松、刺槐林乔木各器官的
生物量和总生物量.
1郾 3郾 2 乔木层生物量平均累积速率摇 乔木层生物量
平均累积速率(RGRM,t·hm-2·a-1)计算公式:
RGRM= W / a
式中: W为林分平均生物量( t·hm-2);a 为样地平
均林龄(a).由于南长山岛上的乔木全部为人工林,
其林龄调查方法一是查阅当地植树造林记录,二是
计数样芯的年轮.两种方法相结合得到样地的乔木
树龄.
1郾 3郾 3 乔木层碳储量的计算摇 植被生物量乘以含碳
率可得到植被碳储量. 在估算森林生态系统植被碳
储量的研究中,国内外研究者通常采用 0郾 50 或
0郾 45 的生物量作为碳的换算系数[14-17] . 本文选取
0郾 45 作为碳换算系数.
1郾 4摇 数据处理
采用单因素方差分析(one鄄way ANOVA)比较两
树种及各器官之间生物量和碳储量的差异,显著性
水平设定为 琢=0郾 05.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 南长山岛人工林乔木层的生物量和碳储量
由表 3 可以看出,在南长山岛人工林中,黑松各
个器官的生物量(除树皮外)均高于刺槐.两树种各
器官生物量之间的差异明显,均以树干最高,树根次
之,树枝和树叶最低.黑松和刺槐的根系生物量占各
自乔木层总生物量的 1 / 5,而且黑松相对较高.表明
南长山岛的黑松较刺槐的根系更发达,具有良好的
固碳能力.
黑松的乔木层碳储量显著高于刺槐林.两树种
不同器官的碳储量均为:树干>树根>树枝>树叶,说
明树干碳储量的积累是乔木层碳储量增加的重要影
响因素.黑松乔木层平均碳储量显著高于刺槐.造成
这种差异的主要原因是调查区域的黑松、刺槐林的
林龄结构不同,黑松的树龄相对较长;此外,树龄相
近的黑松、刺槐的立地条件(如坡度、坡向等)有所
不同,导致二者碳储量具有显著差异.
摇 摇 无论是黑松林还是刺槐林,其乔木层碳储量均高
于山东省乔木林平均碳储量(27郾 62 t·hm-2) [18],但
低于世界平均水平(86 t·hm-2) [19] .黑松林乔木层
平均碳储量高于长沙市区马尾松林乔木层碳储量
表 3摇 不同人工林乔木层的生物量和碳储量
Table 3摇 Biomass and carbon storage of trees in different
plantations (mean依SD)
林型
Forest
type
项目
Item
生物量
Biomass
平均值
Mean
(t·hm-2)
%
碳储量
Carbon storage
平均值
Mean
(t·hm-2)
黑松林
P郾 thunbergii
乔木层
Tree layer
125依42郾 00 100 56郾 81 依19郾 00
forest 树干
Trunk
51郾 74依14郾 68 41郾 4 23郾 28依6郾 60
树枝
Branch
23郾 88依10郾 64 19郾 1 10郾 75依4郾 79
树叶
Leaf
20郾 44依8郾 88 16郾 3 9郾 20依4郾 00
根系
Root
28郾 94依7郾 29 23郾 2 13郾 02依3郾 28
刺槐林
R郾 pseudoacacia
乔木层
Tree layer
82郾 8依28郾 00 100 37郾 26依13郾 00
forest 树干
Trunk
51郾 87依16郾 69 62郾 6 23郾 34依7郾 51
树枝
Branch
12郾 36依4郾 51 14郾 9 5郾 56依2郾 03
树叶
Leaf
1郾 96依0郾 89 2郾 4 0郾 88依0郾 40
根系
Root
16郾 61依4郾 97 20郾 1 7郾 47依2郾 24
56215 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 王晓丽等: 山东省长岛县南长山岛黑松和刺槐人工林的碳储量摇 摇 摇 摇 摇 摇
(32郾 42 t·hm) -2[20],高于大兴安岭南部温带中龄山
杨林乔木层碳储量(47郾 22 t·hm-2 ) [21],接近于小
兴安岭南部长白落叶松幼龄林碳储量,但低于该地
区长白落叶松中龄林的碳储量[22] . 可见,南长山岛
人工种植的黑松林的固碳能力高于陆地的其他人工
林(如长沙市区马尾松林)和一些天然林(如大兴安
岭南部温带中龄山杨).可以认为,海岛人工林的固
碳能力与陆地人工林固碳能力相当.调查中也发现,
黑松在南长山岛生长良好,具有良好固碳功能,是庙
岛群岛的理想树种.
2郾 2摇 乔木层碳储量的影响因素
乔木层碳储量不仅受到水、温度、海拔、坡向、光
等多种环境因子的影响[23],同时也受到林分密度、
种间竞争等生物因子的影响[24] . 由于海岛的特殊
性,加之南长山岛相对较小,各个样地的水、温度、海
拔差异不明显,但风对岛上生物的影响较明显[25],
尤其是坡向在改变风向和风速中起到关键作用[26] .
本研究区域中,坡向是影响海岛乔木碳储量最明显
的环境因子之一.南长山岛黑松林乔木层平均碳储
量随坡度发生变化. 平坡 (0毅 ~ 5毅)、缓坡 (5毅 ~
14毅)、斜坡 (15毅 ~ 24毅)、陡坡 (25毅 ~ 34毅)和急坡
(逸35毅)的黑松林乔木层碳储量分别为 29郾 14 依
8郾 74、35郾 44依14郾 37、47郾 31依11郾 11、63郾 57依10郾 16 和
84郾 01依10郾 05 t·hm-2 . 随着坡度等级的增加,森林
受到海风的胁迫减小,沿海前缘的森林构筑型多表
现为低矮的旗形树冠、伞形树冠,此后,冠形逐渐趋
于卵形或圆锥形,树高和胸径也随之增大,进而导致
生物量增加,碳储量也增加[25] .另一方面,坡度等级
越小,农事活动越频繁,以平坡附近更甚,森林植被
更易受到人为活动的干扰,碳储量相对较低;随着坡
度的增大,人为活动对森林植被的干扰相对减轻,碳
储量也随之增加.此外,现场调查发现,由于受到海
风、雨水冲刷等作用,山坳地区土壤厚度大于山顶,山
坳中乔木生长较旺盛,具有较高的碳储量.背风坡的
植物较迎风坡生长旺盛,具有较高的碳储量,可能是
迎风坡植物受到海风的胁迫,树高和胸径较低;背风
坡的乔木树高和胸径相对较高,因而其碳储量较高.
摇 摇 林分密度是影响乔木层碳储量重要的生物因
子[24] .对黑松的林分密度和胸径进行相关性分析可
知,两者呈显著负相关关系.林分密度的增大导致植
物个体间种内竞争愈发激烈,部分个体生长受限,出
现优胜劣汰等自然现象[22,26] . 然而,黑松林碳储量
变化随着密度的增大呈现出先增加后减小的变化趋
势(图 2).通常认为,单株碳储量和立木数量共同决
图 2摇 不同林分密度下黑松人工林的平均胸径和碳储量
Fig. 2 摇 Average DBH and carbon storage of Pinus thunbergii
plantation under different tree densities (mean依SD).
定乔木层碳储量的大小[27] . 本研究中,林分密度低
于 950 株·hm-2时,乔木层碳储量变化随着密度的
增大而增加,可能是由于森林生长对环境要素具有
较宽的生态幅,加之南长山岛土壤等环境条件尚可,
种间竞争不是很明显,单株碳储量较高[28];随着密
度的增加,乔木层碳储量随之增加.但在林分密度高
于 950 株·hm-2时,随着密度的增加,部分个体生长
受限,单株碳储量减小,乔木层碳储量也随之减小.
由此可见,在某一适宜的林分密度条件下,其碳储量
较高.
2郾 3摇 南长山岛人工林乔木层生物量平均累积速率
从理论上讲,林木个体的生长过程始终呈现指
数增长,但实际中,由于器官之间的交互作用限制了
个体生长,加之林木生长受到环境容量的限制,因
而,多数林木的个体和器官的生长都表现出 “慢-快
-慢冶的林木生长大周期. 在中低纬度地区,中幼龄
林木生物量平均累积速率随林龄增加而增加[29] .在
本研究中,南长山岛黑松林的树龄在 25 ~ 40 a.树龄
在 25 ~ 40 a 的黑松林属于中幼林[30] . 由此可以推
测,南长山岛的黑松林个体生长处于“快冶生长周
期,其生物量平均累积速率应增加. 然而,黑松林的
生物量平均累积速率并未呈现增长趋势(表 4). 究
其原因可能是:1)生长较好的林木立木株数少. 本
研究中,树龄为 25 ~ 30 a的黑松正处于旺盛生长阶
段,但样地立木株数较少,生物量平均累积速率较
6621 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷
表 4摇 不同人工林生物量的平均累积速率
Table 4 摇 Average cumulative rate of biomass of different
plantations ( t·hm-2·a-1)
林龄
Stand age (a)
黑松
P郾 thunbergii
刺槐
R郾 pseudoacacia
17 ~ 22 - 2郾 02 ~ 7郾 58
25 ~ 30 0郾 70 ~ 4郾 72 -
31 ~ 35 4郾 95 ~ 10郾 25 -
36 ~ 40 2郾 25 ~ 5郾 31 -
小.以平均生物量最高的 6 号样地为例,其生物量为
74郾 33 t·hm-2,但立木株数仅有 16 株,因而生物量
平均累积速率小. 2)树龄长的林木生物量低. 在本
研究中,黑松树龄最高值在 35 ~ 40 a,生长时间长,
生物量应该较高;但受到立地条件、海风胁迫等因素
的制约,其生长受限,树木胸径和树高较低,因而生
物量较低,从而呈现出较低的生物量平均累积速率.
这两方面原因共同造成南长山岛黑松林林木生物量
平均累积速率与林龄之间没有明显的相关性. 相对
于黑松林,刺槐人工林林龄较短,其生物量平均累积
速率也较低.可见,海岛人工林生长环境、立地条件
是影响林分生物量平均累积速率的重要因子.
3摇 结摇 摇 论
南长山岛黑松人工林的固碳能力不仅高于本地
区的刺槐人工林,也高于其他地区的一些常见树种,
适宜在海岛地区生长,因此是庙岛群岛具有良好固
碳功能的理想树种.
海岛人工林乔木层碳储量受海风影响较明显,
坡向在改变风向和风速中起到关键作用. 山坳中乔
木生长较旺盛,具有较高的碳储量;迎风坡上的乔木
受到海风胁迫,其碳储量相对较低.
南长山岛的树种种类较少,种间竞争不明显;林
分密度对南长山岛乔木层碳储量影响较明显. 在某
一适宜的林分密度条件下,其碳储量较高.
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作者简介 摇 王晓丽,女,1972 年生,博士,副教授. 主要从事
环境污染生态修复研究. E鄄mail: wangxiaoli_cbm@ sina. com
责任编辑摇 李凤琴
8621 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 24 卷