全 文 ：紫色土人工林生态系统碳库与碳吸存变化 3
于占源1 ,3 　杨玉盛2 3 3 　陈光水2
(1 中国科学院沈阳应用生态研究所 ,沈阳 110016 ;2 福建农林大学 ,南平 353001 ;3 中国科学院研究生院 ,北京 100039)
【摘要】　采用时空代换法 ,以福建省宁化县严重退化紫色土人工林生态系统为对象 ,按侵蚀强度由强到弱
选取 4 种生态恢复措施 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ,对比研究了碳库与碳吸存能力. 结果表明 ,随着恢复程度的提高 ,生
态系统的碳吸存能力逐渐增加 ,即 Ⅰ< Ⅱ< Ⅲ< Ⅳ,4 种措施生态系统碳库分别为 114、815、2516 和 3716 t
·hm - 2 ;CO2 年同化量分别是 712187、1 458101、9 718110 和 11 109156 kg·hm - 2 . 可见 ,恢复过程中的生态
系统是本地区重要的碳汇之一. 水土保持工程措施与生物措施相结合应是退化生态系统生态恢复的重要
手段 ,但是减少人为干扰才是目前较为合理的恢复策略 ,使森林生态系统成为大气中 CO2 的一个重要的
碳汇.
关键词 　紫色土 　碳库 　碳吸存 　碳汇 　生态恢复
文章编号 　1001 - 9332 (2004) 10 - 1837 - 05 　中图分类号 　S71815 　文献标识码 　A
Changes of carbon storage and carbon sequestration in plantation ecosystems on purple soil. YU Zhanyuan1 ,3 ,
YAN G Yusheng2 ,CHEN Guangshui2 (1 Institute of A pplied Ecology , Chinese Academy of Sciences , S henyang
110016 , China ;2 Fujian A griculture and Forest ry U niversity , N anping 353001 , China ; 3 Graduate School of
Chinese Academy of Sciences , Beijing 100039 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2004 ,15 (10) :1837～1841.
This paper studied the carbon storages and carbon sequestration capacities of degraded plantation ecosystems in
purple soil area. Using space2time replacement method ,four ecological restoration treatments ( Ⅰ, Ⅱ, Ⅲand Ⅳ)
were selected on the basis of erosion intensions from high to low in Ninghua ,Fujian. Treatment Ⅰwas not treat2
ed with any other measures after afforestation. Treatment Ⅱ adopted engineering soil and water conservation
measure after afforestation. In treatment Ⅲ,the engineering measure associated biological measure was taken af2
ter afforestation. As for treatment Ⅳ,enclosure was adopted to protect against anthropogenic disturbances after
afforestation. We observed that the carbon sequestration potential was increased with weakening erosion degree ,
i. e. , Ⅰ< Ⅱ< Ⅲ< Ⅳ. The carbon storage of 4 treatments was 1. 4 ,8. 5 ,25. 6 and 37. 6 t·hm - 2 ,and the annu2
al assimilation of CO2 was 712. 87 ,1458. 01 ,9718. 10 and 11109. 56 kg·hm - 2 , respectively. It was suggested
that the restored forest ecosystem was one of the important carbon sinks in this area. Engineering soil and water
conservation measure associated biological measure would be the main means of restoring degraded ecosystem. But
presently ,the reasonable strategy was to decrease human’s disturbances ,and hence ,the enclosure for reforestation
could be used to transform forest ecosystem into carbon sink.
Key words 　Purple soil , Carbon storage , Carbon sequestration , Carbon sink , Ecological restoration.3 中国科学院知识创新工程重要方向资助项目 ( KZCX32SW2418) .3 3 通讯联系人. E2mail :ffcyys @public. npptt . fj. cn
2003 - 12 - 26 收稿 ,2004 - 05 - 08 接受.
1 　引 　　言
近年来 ,减缓和防止自然生态系统的退化 ,恢复
重建受损的生态系统 ,越来越受到国际社会的广泛
关注和重视[1 ] . 森林是陆地生态系统中最重要的一
部分[14 ] ,关于森林到底是 CO2 的源还是汇的问题
曾经引起学术界激烈的争论[8 ,13 ,26 ,27 ] ,现在多数专
家认为森林的破坏即森林生态系统的退化导致了大
气 CO2 浓度的升高[3 ,5～7 ,10 ,22 ,24 ,28 ] . 由于陆地生态
系统的复杂性和多样性以及研究方法、资料来源和
模型等方面的不足和缺陷 ,北半球碳汇量仍具有很
大的不确定性[8 ,11 ] . 国际上 ,在全球森林碳预算时
把我国中亚热带森林并入热带林中 ,而最近研究却
显示 ,我国亚热带森林可能是失踪的“碳汇”之
一[27 ] .亚热带是我国主要的森林分布区之一 ,但是
受人为干扰严重 ,产生了大面积侵蚀退化生态系统 ,
其碳贮量极低 ,探求如何通过合理的生态恢复措施
增强侵蚀退化生态系统的碳吸存能力 ,科学地利用
和保护有限的森林资源 ,提高生产力 ,减缓温室气体
排放 ,这对区域经济的可持续发展和生态环境的保
护具有重要的理论意义和较高的应用价值.
2 　研究地区与研究方法
211 　试验地概况
试验地位于福建省宁化县 (116°22′～117°02′E ,25°58′～
26°40′N)禾口镇 ,本区属中亚热带季风气候 ,年平均气温
应 用 生 态 学 报 　2004 年 10 月 　第 15 卷 　第 10 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Oct . 2004 ,15 (10)∶1837～1841
表 1 　不同治理措施样地概况
Table 1 General situation of different plots
措施
Treatment
坡度
Slope
degree
(°)
侵蚀强度
Erosion
degree
容重
Bulk
density
(g·m - 3)
有机质
Organic
matter
(g·kg - 1)
植被总盖度
Coverage
( %)
平均树高
Average
tree height
(m)
平均胸径
Average DBH
(cm)
密度
Density
(株·hm - 2)
Ⅰ 710 强度 Intense 1157 0121 10 3122 3175 765
Ⅱ 615 中度 Medium 1150 0145 20 5192 6183 1425
Ⅲ 910 轻度 Light 1131 1124 90 9153 9190 1610
Ⅳ 2810 微度 Tiny 1129 1169 85 15138 16115 840
Ⅰ1 对照 Control ; Ⅱ1 工程措施 Engineering measure ; Ⅲ1 工程 + 生物措施 Engineering and biological measure ; Ⅳ1 围封 Enclosure measure. 下同
The same below.
1718 ℃, ≥10 ℃活动积温 5 39616 ℃,无霜期 255 d ,年降雨
量 1 76913 mm ,主要集中于 2～6 月 ,约占全年降雨量的
60 %.土壤以紫色土为主 ,全镇境内有 44 %的紫色土发生强
度水土流失[18 ] .
采用时空代换法 ,选取处于不同侵蚀阶段的 4 种治理措
施作为生态恢复过程的研究对象 ,在每种措施林地中选择有
代表性地段建立样地 (20 m ×20 m) ,分别在上、中、下坡位进
行 3 次重复 ,各样地均为马尾松人工林群落 ,分属于不同的
侵蚀强度级别. 措施 Ⅰ:造林后未进行其它治理措施 ,属于强
度侵蚀 ;措施 Ⅱ:造林后采取了水土保持工程措施 (台状整地
和侵蚀沟拦截)进行治理 ,属中度侵蚀 ;措施 Ⅲ:造林后采取
了水土保持工程措施与生物措施相结合 (等高带状整地 ,人
工种植胡枝子) 的方法进行了综合治理 ,属轻度侵蚀 ;措施
Ⅳ:造林后进行了围封 ,有微度侵蚀发生. 措施 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ人为
干扰仍较严重 ,是发生水土流失的主要原因 ,而措施 Ⅳ无人
为干扰 (样地的详细描述见表 1) .
212 　研究方法
在每种治理措施的样地内进行每木检尺 ,乔木层生物量
采用平均木法 ,各样地选取平均木 3 株 ,按 Monsi 分层切割
法每 1 m 为一区分段 ,分干、皮、枝、叶测其鲜重. 地下生物量
的测定采用全根挖掘法 ,分别按根桩、粗根 ( > 2 cm) 、大根 (1
～2 cm) 、中根 (015～1 cm) 、小根 (012～015cm) 和细根 ( <
012cm)分级. 林下植被生物量采用样方收获法 ,每个样地内
设置 5 个面积为 1 m ×1 m 样方. 调查时灌木按枝、叶和根
系 ,草本按地上 (茎叶) 和地下 (根系) 部分分别称量 ,取样测
定含水率. 枯枝落叶层调查方法亦采用样方收获法 ,与林下
植被层调查同步进行 [27 ] . 林木年净生长量采用相对生长法
推算 ,灌木叶寿命按 2 年计 ,枝和根按 8 年计 ,草本、苔藓寿
命均按 2 年计 ,用于推算生物量年增量 [27 ] . 碳年净增量用各
器官生物量年增量与碳含量乘积之和表示. 在每个样地内按
S形布点 ,分别采集 0～20 cm 土样. 有机碳测定用重铬酸钾2
硫酸外加热法[27 ] .
3 　结果与分析
311 　不同治理措施样地植物各组分有机碳含量
碳素营养是最重要的生命元素 ,是绿色植物的
重要组成部分 ,约占有机体干重的一半. 在上述 4 种
措施中植物各组分有机碳的测定中 ,对马尾松分别
测定了干、皮、枝、叶、根的含量 (表 2) . 结果表明 ,各
恢复措施的马尾松叶有机碳含量明显高于干、枝、皮
部分 ,也高于根的平均值 ,这与我国苏南地区 18 年
生国外松林及 40 年生栎林的研究结果一致[21 ] ,说
明植物器官叶是生态系统地上部分的重要碳储存
库 ,其值为 : Ⅰ> Ⅲ> Ⅱ> Ⅳ. 乔木根系的有机碳平
均含量为 Ⅰ> Ⅱ> Ⅲ> Ⅳ,最大值 459177 g·kg - 1
出现在强度侵蚀地 (措施 Ⅰ) 的马尾松粗根中 ,最小
值为微度侵蚀地 (措施 Ⅳ) 马尾松的小根 399123 g·
kg - 1 .草茎叶和草根的变化规律与乔木根相似 ,灌
木及枯落物部分的有机碳含量变化规律不明显. 从
群落各层次的植株各器官的有机碳平均含量来看 ,
总体的趋势是 Ⅰ> Ⅱ> Ⅲ> Ⅳ. 而方运霆和莫江
明[11 ]对鼎湖山马尾松有机碳含量的研究结果有所
不同 ,其中叶的有机碳含量 (44613 g·kg - 1) 最低 ,干
的含量 (61318 g·kg - 1)最高 ,各器官依次为 :干 > 根
> 皮 > 枝 > 叶. 可见 ,不同树种以及同一树种在不同
地区 ,其各器官有机碳含量有一定差异 ,但其变化范
围都在 45010～55010 gC·kg - 1之间[9 ] ,而我们的研
究结果低于这一范围 ,变化在 39913～45918 gC·
kg - 1之间 ,这可能是由侵蚀退化紫色土立地条件恶
劣造成的.
表 2 　不同治理措施植物各组分有机碳含量
Table 2 Organic carbon concentrations of vegetation tissues in different
plots( g·kg - 1)
组分 Components Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
干 Stem 431145 ±50113 3 408154 ±39116 407196 ±36131 404184 ±73169
皮 Bark 425195 ±44132 413154 ±29196 416120 ±41105 409121 ±44100
枝 Branch 421189 ±39155 418160 ±36137 408104 ±34169 402118 ±28190
叶 Leaf 459194 ±28147 445119 ±45156 457117 ±30188 427128 ±54199
根桩 Main roots 442163 ±52118 425164 ±24159 421160 ±15125 419111 ±50101
粗根 > 2 cm roots 459177 ±45109 436138 ±41171 409163 ±34106 425103 ±44138
大根 1～2cm roots 433129 ±21141 427191 ±25150 414177 ±46194 417149 ±30116
中根 015～1 cm roots 434167 ±30188 427130 ±57189 441134 ±48192 432105 ±84187
小根 012～015 cm roots 417170 ±48102 426123 ±66180 411163 ±38168 399123 ±32142
细根 < 012 cm roots 413100 ±32139 405137 ±31194 400180 ±29164 399175 ±52105
根平均 Roots mean 433151 424181 416163 415144
灌叶 Shrub leaf 0100 439163 ±37157 396189 ±47135 416165 ±50134
灌枝 Shrub stem and twig 0100 407109 ±41133 404175 ±22159 400152 ±65169
灌根 Shrub root 0100 419168 ±29178 392112 ±40107 387125 ±26113
草茎叶 Herb stem and leaf 523137 ±37101 445108 ±37162 403166 ±73101 379168 ±19121
草根 Herb root 427141 ±74181 408179 ±58111 373148 ±34114 361116 ±28184
平均值 Mean value 397145 ±31124 394162 ±36105 391153 ±37156 393111 ±581603 平均值 ±标准误 MV ±SE.
8381 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　15 卷
312 　不同治理措施生态系统碳库及碳吸存量变化
31211 群落及枯枝落叶层的有机碳贮量分布 　生态
系统的碳吸存包括群落、枯枝落叶层和土壤 3 部分 ,
分别计算了乔木层、灌木层、草本层、枯枝落叶层和
土壤层的有机碳贮量 (表 3) ,鉴于乔木层的重要性 ,
将其分为干、皮、枝、叶、根 5 个组分. 由表 3 可见 ,人
为干扰存在的情况下 ,采取不同的治理措施后 ,群落
的有机碳贮量明显增加 ,其中以 Ⅲ最高 (23 501184
kg·hm - 2 ) , Ⅱ次之 ( 7 613194 kg·hm - 2 ) , Ⅰ最小
(907128 kg·hm - 2) .
乔木层是森林生态系统有机碳贮存的主要场所
之一. 4 种措施中 ,乔木层有机碳贮量在整个系统中
所占的比例分别达到 82164 %、95119 %、96135 %和
94192 %. 随着侵蚀强度的减弱 ,样地的乔木层有机
碳贮量逐渐增强 ,其中已治理样地 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的乔木
层有机碳贮量分别为未治理样地 Ⅰ的 911 倍、2813
倍和 4111 倍. 各措施群落乔木层有机碳在各器官的
分布规律相似 ,与李杨等[15 ]的研究结果一致 ,均以
树干的贮量最大 ,根次之 ,且根占乔木层有机碳贮量
的比例分别是 2613 %、2912 %、2211 %和 1915 % ,因
此 ,在计算生态系统的碳库时 ,不应忽略根系部分.
措施 Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ灌木层有机碳贮量分别是 178114、
523126 和 1 102144 kg·hm - 2 (样地 Ⅰ无灌木) ,与草
本层相比 ,灌木层应该是林下植被层主要的有机碳
贮存库. 枯枝落叶层的有机碳贮量远小于群落部分 ,
但是也要高于群落部分的草本层 ,所以也是不可忽
略的部分.
31212 土壤有机碳贮量分布 　通过生物量生产而增
加土壤有机碳库 ,使土壤成为碳存储和固定的有效
库[12 ] . 土壤碳库对全球变化敏感的主要因子是土壤
有机碳[4 ,17 ] , 其吸收能力取决于土地利用和经
营[20 ,23 ,28 ] ,不合理利用引起的退化土地可以通过土
壤有机碳的分解、侵蚀和淋溶等形式损失大量的
碳[2 ] .王金叶等[25 ]认为 ,土壤有机碳主要集中分布
在 0～40 cm 土层中 ,且在 20 cm 土层以下差异较
小 ,其有机碳贮量占森林土壤总碳贮量的比例约为
70 %～85 %左右. 由紫色土的成土特点决定的 ,加之
亚热带多雨的气候条件致使土层不断更新 ,始终处
于幼年发育阶段. 由于土层浅薄 ,只能对表层 0～20
cm 进行取样分析 ,结果显示土壤 0～20 cm 层有机
碳贮量数值相对较小 (表 3) . 措施 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ土壤有
机碳的贮量分别是措施 Ⅳ的 14167 %、30103 %和
72127 % ,表明随着治理措施的加强 ,土壤吸存了更
多的碳 ,表现出碳贮量增加的趋势 ,土壤已成为一个
重要的碳汇. 但是 ,相对于微度侵蚀地的林下土壤有
机碳贮量仍有差距 ,可见该退化紫色土生态系统土
壤有机碳贮量的增加还需要一个漫长的过程.
31213 生态系统碳库及其分配 　措施 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的生
态系统有机碳贮量分别为 114、815 和 2516 t·hm - 2
(表 3) ,是措施 Ⅳ的 3162 %、22169 %和 68115 % ,表
明采取相应的治理措施后 ,生态系统的碳贮量明显
增加 ,碳吸存能力有所加强. 但是 ,即使是恢复程度
最好的措施 Ⅳ的有机碳贮量也只有我国森林生态系
统平均碳贮量[29 ]的 15 %左右 ,植物的碳贮量达到
了全国平均的 60 % ,这主要是因为该退化紫色土的
土层浅薄 ,石砾较多 ,基岩已接近表土层 ,所以土壤
碳贮量占整个生态系统碳贮量的比例很小 (619 %) .
3 种受人为干扰的侵蚀地的群落总有机碳贮量分别
为 0191、7161 和 23150 t·hm - 2 ,而土壤的有机碳贮
量分别是 0138、0178 和 1188 t·hm - 2 ,可见土壤有
机碳的积累与植被有机碳积累速度并不一致 ,土壤
碳积累速度严重滞后于植被碳的积累速度 ,植被吸
存有机碳功能越强 ,相应的土壤有机碳的积累也越
表 3 　不同治理措施的植物各组分、枯枝落叶层及土壤有机碳贮量
Table 3 Organic carbon storage of vegetation tissues ,litters and soils in different plots
组分
Component
Ⅰ
A B
Ⅱ
A B
Ⅲ
A B
Ⅳ
A B
干 Stem 01613 264148 61984 2853124 271749 11320148 451430 18391189
皮 Bark 01237 100195 21546 1052187 51371 2235141 51400 2209173
枝 Branch 01239 100183 11778 744127 61831 2787132 101418 4189191
叶 Leaf 01281 129124 11272 566128 31159 1444120 41492 1919134
根 Root 01490 212142 51060 2149154 121140 5057189 151560 6464125
乔木层 Tree layer 11860 807192 171640 7366120 551250 22845130 811300 33175112
灌木层 Shrub layer 01000 0100 01422 178114 11315 523126 21746 1102144
草本层 Herb layer 01209 99136 01162 69116 01343 133128 01566 209166
群落 Community 21069 907128 181224 7613194 561908 23501184 841612 34487122
枯枝落叶层 Forest floor 01177 70135 01316 124170 01532 208130 11180 463187
土壤层 Soil - 382148 - 783106 - 1884145 01000 2607154
总计 Total 21246 1360111 181540 8521170 571440 25594159 851792 37558163
A :生物量 Biomass(t·hm - 2) ,B :有机碳贮量 Organic carbon storage (kg·hm - 2) .
938110 期 　　　　　　　　　　　　　于占源等 :紫色土人工林生态系统碳库与碳吸存变化 　　　　　　　　　　　
多 ,因此对于受人为干扰较严重的林地采取适当的
治理措施将有助于吸存更多的碳. 4 个恢复生态系
统的群落有机碳贮量占系统有机碳贮量的比例分别
是 6617 %、8913 %、9118 % 和 9118 % ,可见 ,该生态
系统的有机碳主要储存在植物体中 ,与李家永等[19 ]
在亚热带红壤地区千烟洲试验站测定的湿地松、马
尾松和杉木等针叶林地系统的有机碳分布规律一
致. 这是土壤层过于浅薄的缘故 ,而大多数研究者的
结论是地下部分的碳贮量高于地上部分的碳贮
量[9 ,16 ,21 ] .
313 　不同治理措施碳年净增量
分别计算乔木层、林下植被层、凋落物层的碳年
净增量 ,乔木层分为干、皮、枝、叶、根 ,林下植被层分
为灌木和草本. 由表 4 可见 ,措施 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的碳年净
增量分别是 Ⅳ的 6142 %、13112 %和 87146 % ,表明
随着治理力度的加大 ,该退化生态系统有机碳的积
累能力逐渐增强. 措施 Ⅳ的碳年净增量略低于湖南
会同速生阶段杉木人工林 (3 489 kg·hm - 2) ,措施 Ⅲ
已超过苏南地区 27 年生杉木林生态系统 (2 360 kg
·hm - 2) 的碳年净增量[9 ,21 ] . 换算为 CO2 的同化能
力 ,4 个群落的 CO2 年同化量分别是 712187、1
458101、9 71811 和 11 109156 kg·hm - 2 . 同祁连山
青海云杉林的年净固定 CO2 量 9185 t·hm - 2 [25 ]相
比 ,措施 Ⅲ已十分接近 ,而 Ⅳ较之每年多固定 1126 t
·hm - 2 . 各措施每年有 6317 %～8717 %的有机碳通
过乔木层积累 ,林下植被层和枯枝落叶层碳年净增
量相对较小 ,4 种措施的林下植被及凋落物碳年净
增量占全部碳年净增量的比例分别是 4614 %、
3613 %、1213 %、2513 % ,从比值来看 ,其重要性也是
不可忽视的 ,且林下植被和凋落物周转快 ,对土壤碳
库的贡献更大.
表 4 　不同治理措施碳年净增量( kg·hm - 2·yr - 1)
Table 4 Annual net storages of carbon in different plots
措施
Treatment
总计
Total
乔木层 Tree layer
干
Stem
皮
Bark
枝
Branch
叶
Leaf
根
Root
小计
Sum
林下植被 Undergrowth
灌木
Shrub
草本
Herb
小计
Sum
凋落物
Litterfall
Ⅰ 194142 46116 13167 12122 7197 24118 104120 0100 51167 51167 38155
Ⅱ 397164 122146 33169 21150 10186 64183 253134 39125 35120 74145 69185
Ⅲ 2 650139 1 360161 204161 233180 84172 441186 2325160 138146 67170 206116 118163
Ⅳ 3 029188 1 529147 137158 237169 75151 383101 2263126 400174 106103 506177 259185
4 　结 　　论
411 　马尾松叶有机碳含量最高 ,不同措施依次为 :
Ⅰ> Ⅲ> Ⅱ> Ⅳ. 乔木层有机碳贮量占生态系统有
机碳贮量的比例分别达到 82164 %、95119 %、
96135 %和 94192 % ,是有机碳贮存的主要场所.
412 　4 种措施群落总有机碳贮量分别为 0191、
7161、23150 和 34149 t·hm - 2 ,而土壤的有机碳贮量
分别是 0138、0178、1188 和 2161 t·hm - 2 ,可见土壤
有机碳的积累与植被有机碳积累速度并不一致 ,土
壤碳积累速度严重滞后于植被碳的积累速度 ;随着
侵蚀程度的减弱 ,措施 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的生态系统碳库
依次增大分别为 114、815、2516 和 3716 t·hm - 2 .
413 　4 种措施的群落碳年净增量分别是 194142、
397164、2 650139 和 3 029188 kg·hm - 2 . 换算为
CO2 年同化量分别是 712187、1 458101、9 718110 和
11 109156 kg·hm - 2 ,说明随着恢复程度的提高 ,紫
色土生态系统有机碳的积累能力逐渐增强.
致谢 　得到姜凤岐老师和曾德慧老师的悉心指导 ,特此致
谢 !
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作者简介 　于占源 ,男 ,1978 年生 ,博士研究生 ,主要从事恢
复生态学与草地生态学研究. E2mail :zhanyuan4059 @sohu.
com
148110 期 　　　　　　　　　　　　　于占源等 :紫色土人工林生态系统碳库与碳吸存变化