全 文 ：第 35 卷第 6 期
2015年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.35,No.6
Mar.,2015
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:林业公益性行业科研专项项目(201204502)
收稿日期:2013鄄05鄄09; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄07鄄18
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: Dangkl@ 126.com
DOI: 10.5846 / stxb201305090996
沈彪,党坤良,武朋辉,朱成功.秦岭中段南坡油松林生态系统碳密度.生态学报,2015,35(6):1798鄄1806.
Shen B, Dang K L, Wu P H, Zhu C G.Organic carbon density in Pinus tabulaeformis forest ecosystem on the south slope of the middle Qinling Mountains,
China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(6):1798鄄1806.
秦岭中段南坡油松林生态系统碳密度
沈摇 彪,党坤良*,武朋辉,朱成功
西北农林科技大学 林学院, 杨凌摇 712100
摘要:在秦岭中段南坡油松林分布较为广泛的不同区域,采用典型取样的方法设置油松林标准地 50块。 通过样地调查和室内
分析,对本区油松林生态系统植被层、枯落物层及土壤层有机碳密度进行了研究与估算,分析了油松林生态系统各层次的有机
碳密度在不同立地因子下的分布规律。 结果表明:秦岭中段南坡油松林生态系统总有机碳密度为 150.12 t / hm2,其中土壤碳分
库的碳密度占油松林生态系统总碳密度的 56.74%,是构成油松林生态系统碳的主体组成部分。 植被层碳密度为 62.29 t / hm2,
占油松林生态系统总碳密度的 41.49%,高于我国森林生态系统植被碳密度平均值,且仍有较大的固碳潜力。 枯落物层碳密度
为 2.66 t / hm2,占油松林生态系统总碳密度的 1.77%。 在植被碳分库中,乔木层碳密度是其主体构成部分,为 61.22 t / hm2,占植
被层碳密度的 98.30%;灌木层、草本层碳密度及其所占植被层碳密度的比例分别为:0.65 t / hm2(1.04%)、0.41 t / hm2(0.66%)。
碳在乔木不同器官中的分配大小顺序为:树干(55.82%)、树枝(21.25%)、树根(10.28%)、树叶(7.35%)、树皮(5.30%)。 灌木层
碳密度和草本层碳密度受地形因子影响不显著。 随海拔的升高,乔木层碳密度呈先增后减的变化趋势,在海拔 1500—1700 m
处达到最大值,枯落物层碳密度、土壤层碳密度及总碳密度变化不显著;随着坡度的增大,油松林生态系统枯落物层碳密度、土
壤层碳密度及总碳密度显著减小,乔木层碳密度呈先增后减的变化趋势,在坡度为 26—35毅范围达到最大值;下坡位土壤层碳
密度高于中坡位和上坡位,而中坡位乔木层碳密度和生态系统总碳密度高于下坡位和上坡位,枯落物层碳密度受坡位影响不明
显;阳坡乔木层碳密度大于阴坡,枯落物层碳密度、土壤层碳密度及总碳密度受坡向影响不明显。
关键词:碳密度;油松;生态系统;秦岭中段南坡
Organic carbon density in Pinus tabulaeformis forest ecosystem on the south slope
of the middle Qinling Mountains, China
SHEN Biao, DANG Kunliang*, WU Penghui, ZHU Chenggong
College of Forestry, Northwest Agriculture & Forest University, Yangling 712100, China
Abstract: Organic carbon density ( OCD) in different carbon pools of Pinus tabulaeformis forest ecosystem and its
relationship with different geocentric factors are important for estimating forest carbon budgets, and helpful to understand
forest carbon cycles.In this study, we established fifty sample plots at different site conditions using typical sampling method
on the south slope of the Middle Qinling Mountains, where Pinus tabulaeformis is widely distributed. Organic carbon density
in different carbon pools of Pinus tabulaeformis forest ecosystem and its relationship with different geocentric factors were
estimated and analyzed. Our objective was to estimate OCD in different carbon pools of Pinus tabulaeformis forest ecosystem
and its distribution on different geocentric factors, to understand the effects of geocentric factors on forest carbon budgets.
The results showed that the total OCD of Pinus tabulaeformis forest ecosystem was 150. 12 t / hm2 in this region. The
proportion of soil pool OCD was 56.74% and comprised the major part of the OCD of ecosystem. The OCD of litter pool was
2.66 t / hm2, accounting for 1.77% of the ecosystem. Carbon density of vegetation pool was 62.29 t / hm2,taking up 41.49%
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of the OCD of ecosystem. The OCD of vegetation layer in this region was much higher than the average vegetation pool OCD
of forest ecosystem in China, and mere carbon sequestrations are expected. The tree OCD was 61.22 t / hm2, accounting
98郾 3% of the whole vegetation OCD. The OCD of shrub and herb were 0.65 t / hm2 and 0.41 t / hm2, accounting for 1.04%
and 0.66% of the vegetation pool respectively. The OCD of different compositions of tree ranked as stem>branch>roots>leaf
>bark. Effects of geocentric factors on the OCD of shrub and herb were insignificant. With the increase of elevation, the
OCD of tree first increased and then decreased, peaking at 1500—1700 (a.s.l.) . Variations of OCD in litter, soil and the
ecosystem were insignificant. With the increase of slope gradient, the OCD of litter, soil and the ecosystem significantly
decreased. In comparison, the OCD of tree first increased and then decreased, reaching its maximum on the slope gradient
of 26—35毅. The OCD of soil was higher in the lower slope compared with that of the middle and the upper slope, while the
OCD of tree and the ecosystem was larger in the middle slope. Nevertheless, effects of slope position on the OCD of litter
were slight. The OCD of tree at sun鄄facing slope appeared higher than that of back slope. While effects of slope aspect on the
OCD of litter, soil layer and ecosystem were insignificant. It was concluded that effects of geocentric factors on the OCD of
Pinus tabulaeformis forest ecosystem were mainly on the tree pool and soil pool on the south slope of the Middle Qinling
Mountains. Effects of elevation, slope gradient, slope position, slope aspect were significant on tree pool, and effects of
slope gradient, slope position were significant on soil pool. Geocentric factors should be considered in researches on forest
ecosystem carbon cycles and estimation of carbon storage of forest ecosystem.
Key Words: organic carbon density; Pinus tabulaeformis;ecosystem; the south slope of the Qinling Mountains
温室效应正在使地球以前所未有的速度变暖,目前,大气中 CO2的含量比过去 6.5 万年中任何时期都高,
比工业革命前高了 35%[1]。 森林是陆地生态系统的主体,同时也是陆地生态系统最大的碳库,陆地生态系统
有机碳地上部分的 80%和地下部分的 40%存储于森林中[2]。 森林通过同化作用吸收并固定大气中的 CO2,
抑制其浓度上升的功能对于缓解全球变暖具有不可替代的作用和地位。 森林作为一个动态的碳库,其贮碳能
力不仅取决于森林的面积,还取决森林的质量,即单位面积的森林碳密度[3]。 秦岭既是我国的主要林区之
一,也是我国中部的重要生态屏障,对秦岭林区不同森林生态系统碳储量和碳密度特征的研究和估算,不仅能
够准确估算秦岭林区的碳储量,而且对我国森林碳汇研究具有重要的意义。
关于秦岭林区森林碳储量与碳密度及其分配已有学者进行过部分研究[4鄄8],但现有研究主要集中在火地
塘林区等几个面积较小的区域内,并且对于森林生态系统碳密度在不同地形因子下的分布状况少有研究。 在
较大尺度上对不同地形因子下森林生态系统碳密度分布状况的研究对研究森林生态系统碳循环以及森林生
态系统碳储量的准确估算具有重要意义。 本研究旨在通过样地调查及生物量和含碳率的测定,较准确地估算
秦岭中段南坡油松林生态系统的碳密度,同时分析秦岭南坡中段油松林生态系统不同层次的碳密度与立地因
子间的关系,为研究秦岭林区乃至全国森林生态系统碳库特征提供参考。
1摇 材料与方法
1.1摇 研究区概况
秦岭中段是指秦岭位于陕西省中部的一部分。 研究区位于陕南秦巴山地北部,地理位置位于 32毅53忆—
33毅57忆N,105毅53忆—111毅01忆E,总面积 484 km2。 海拔 700—3071 m。 年平均气温 11.5 益,极端高温 41.3 益,极
端低温-25.1 益。 年降水总量 563—1274 mm,全年降水日数 93—140 d。 无霜期 210 d, 植物生长期 130—206
d。 区内植被属山地暖温带典型落叶阔叶林带,森林主要分布于中高山区的中西段,绝大部分为次生林。 由于
本区森林在 20世纪 50—70年代经历了过度采伐和利用,因此原生植被几乎荡然无存,到 20 世纪 90 年代,森
林基本恢复,形成大面积的天然次生林和人工林[9]。
油松属阳性、喜光、耐旱耐瘠薄树种,在秦岭中段南坡海拔 1000—2200 m 范围普遍分布。 伴生树种主要
9971摇 6期 摇 摇 摇 沈彪摇 等:秦岭中段南坡油松林生态系统碳密度 摇
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为锐齿栎(Ouercus aliena var. Acuteserrata)、华山松(Pinus armandi)、红桦(Betula albo鄄sinensis)、青榨槭(Acer
davidii)、千金榆(Carpinus cordata)等。 根据陕西省 2006年森林资源清查资料,在秦岭林区,油松林分布面积
为 34.55km2,以天然林为主,中幼龄林占油松林总面积的百分之九十以上。
1.2摇 研究方法
1.2.1摇 样地设置
本研究以秦岭中段南坡油松林分布较广、面积较大的陕西省太白林业局黄柏塬林场(20块)、西北农林科
技大学火地塘试验林场(10块)、陕西省宁东林业局旬阳坝林场(10 块)、陕西省宁西林业局菜子坪林场作为
研究地点(10块),共布设 20 m伊20 m的调查样地 50块。 调查样地设置在每个林区不同立地条件下,林分生
长状况可以代表区域内平均水平的油松纯林中。 所选林分均为天然中龄林。 利用 GPS 确定每个样地的位
置,并记录每块样地海拔、坡度、坡位、坡向等立地因子,进行每木检尺,记录每株乔木的树高、胸径,调查林分
郁闭度、灌木与草本盖度、主要植物种类。 采集样品。 各研究地区及样地概况见表 1。
表 1摇 研究地自然条件概况及林分状况
Table 1摇 General situation of study sites and characteristics of the forest
样点
Study sites
研究地概况
General situation of study sites
地理位置
Geographic
position
海拔 / m
Altitude
年均温 / 益
Annual
average
temperature
年均
降雨量 / mm
Annual
precipitation
土壤类型
Type of soil
样地概况
Characteristics of the forest
样地数目
Number
林龄 / a
Stand age
林分密度 /
(株 / hm2)
Density
郁闭度
Crown
density
黄柏塬林区 33毅42忆—33毅54忆N,107毅31忆—107毅42忆E 1280—3120 2—11 725—1029 棕色森林土 20 36 1057 0.6
火地塘林区 33毅18忆—33毅28忆N,108毅24忆—108毅29忆E 1450—2470 8—10 900—1200 棕色森林土 10 40 941 0.7
旬阳坝林场 33毅25忆—33毅35忆N,108毅27忆—108毅57忆E 824—2616 6—10 900—1133 棕色森林土 10 37 1158 0.7
菜子坪林场 33毅28忆—33毅48忆N,108毅11忆—108毅24忆E 732—2964 3—8 800—1027 棕色森林土 10 38 1197 0.7
1.2.2摇 立地因子的划分
按照《西北主要树种培育技术》 [10]立地因子等级划分方法,并结合本研究野外调查实际,本文立地因子
的划分如下:海拔按 1300 m以下、1300 m—1500 m、1500 m—1700 m、1700 m以上划分为 4个等级;坡度按平
地(臆5毅)、缓坡(5毅—15毅)、斜坡(15毅—25毅)、陡坡(25毅—35毅)、急坡(35毅—45毅)、险坡( >45毅)划分为 6 个等
级;坡位按下坡位(地形图上距离坡顶大于 2 / 3 处及其以下的坡面)、中坡位(上坡位与下坡位之间的坡面部
分)、上坡位(地形图上距离坡顶 1 / 3 处及其以上的坡面)划分为 3 个等级;坡向分为阴坡(西北、正北、东北、
正东)和阳坡(东南、正南、西南、正西)两个等级。
1.2.3摇 碳密度的估算
(1)乔木层生物量的估算摇 以 2 cm 为一个径阶,在每个样地进行每木检尺。 在每个样地采用平均标准
木法选取标准木 3—5株。 本研究共选取标准木 184株,伐倒标准木并用收获法挖出其根,分别称量标准木的
干(去皮)、皮、枝、叶、根等器官的鲜重。 分器官采样并带回实验室 85益烘至恒重,测定各器官的含水率,计算
标准木各器官的生物量,进而估算调查样地的乔木各器官的生物量。 调查样地乔木层生物量计算公式如下:
B i =移
5
j = 1
W j标 伊 n / s (1)
式中,B j为样地乔木各器官单位面积生物量(t / hm2);j= 1,2,3,4,5分别代表代表枝、叶、干、皮、根;W j标为标准
木不同器官的生物量(t);n为株数;S为样地面积(0.04 hm2)。
(2)灌木层、草本层生物量及枯落物量摇 在每个调查样地内四角和中央分别设置 2 m伊2 m的灌木调查样
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地、1 m伊1 m的草本调查样地、1 m伊1 m的枯落物调查样地,将灌木、草本连根挖出,分别称量灌木根、枝干和
叶鲜重,草本地上、地下部分鲜重,枯落物全部收集并称重,分别取样。 所有样品带回实验室 85 益烘至恒重,
测定其含水率,进而推算样地内单位面积灌木、草本各器官生物量及枯落物量。
(3)植被与枯落物层碳密度的估算 摇 植被与枯落物所烘干样品用粉碎机粉碎,过 200 目筛用德国
ELEMENTAR公司 LIQUIC TOC域总有机碳分析仪测定各部分含碳率,各部分单位面积生物量乘以含碳率即
为其碳密度。
(4)土壤碳密度的估算摇 在每个调查样地内四角及中央各挖取 1 个土壤剖面,按照土壤自然发生过程分
A、B、C3个层次分别采样,记录各层次厚度(本研究中 A、B、C 3 个层次的平均厚度分别为 11、25 cm 和 30
cm)。 用环刀法测土壤容重,挑出其中的植物根,大于 2 mm 的砾石,测定其含量(体积),另取土样风干后磨
碎,过 200目筛,用德国 ELEMENTAR公司 LIQUIC TOC域总有机碳分析仪测定样品含碳率,土壤各层碳密度
计算公式如下:
SOCD =移
n
i = 1
(籽i 伊 (1 - 兹i) 伊 ci 伊 di 衣 10) (2)
式中,SOCD为整个土壤剖面土壤有机碳密度(t / hm2),n= 3,籽i为第 i层土壤平均容重(g / cm3),兹i为第 i 层>2
mm石砾含量(%),ci为第 i层土壤含碳率(g / kg),di为第 i层土壤厚度(cm)。
各层土壤碳密度之和即为总土壤碳密度。 每个样地中 5个剖面平均值为样地土壤碳密度。
1.2.4摇 数据分析
数据处理与分析采用 EXCEL及 SPSS软件进行。 通过相关分析研究生态系统各组分碳密度间的关系,运
用方差分析比较不同海拔、不同坡度、不同坡位碳密度差异,差异显著性检验采用 LSD 法,用独立样本 t 检验
比较不同坡向碳密度差异程度。
2摇 结果与分析
2.1摇 秦岭中段南坡油松林生态系统碳的总体分布特征
森林生态系统的碳库由土壤碳分库、植被碳分库和枯落物碳分库三部分组成。 通过研究和计算,秦岭中
段南坡油松林生态系统碳库总碳密度为 89.81—202.35 t / hm2,平均碳密度为 150.12 t / hm2。 其中土壤碳分库
的碳密度为 39.97—117.70 t / hm2,平均碳密度为 85.17 t / hm2,占油松林生态系统碳库总碳密度的 56.74%;植
被碳分库的碳密度为 18.93—112.22 t / hm2,平均碳密度为 62.29 t / hm2,占油松林生态系统碳库总碳密度的
41郾 49%;枯落物层碳密度为 0郾 37—6郾 50 t / hm2,平均碳密度为 2郾 66 t / hm2,占油松林生态系统碳库总碳密度的
1郾 77%(表 2)。
表 2摇 油松林生态系统各组分碳密度
Table 2摇 Carbon density of each component in the Pinus tabulaeformis forest ecosystem
组分
Component
均值 / ( t / hm2)
Mean value
标准差
Standard deviation
变异系数
Variable coefficient
极小值 / ( t / hm2)
Minimum
极大值 / ( t / hm2)
Maximum
植被层 Vegetation layer 乔木层 61.22 20.01 0.33 17.89 111.48
灌木层 0.65 0.45 0.69 0.09 2.07
草本层 0.41 0.31 0.75 0.03 1.25
小计 Subtotal 62.29 19.96 0.32 18.93 112.22
枯落物层 Litter layer 2.66 1.45 0.55 0.37 6.50
土壤层 Soil layer A 43.07 11.20 0.26 19.30 74.74
B 33.31 7.12 0.21 16.27 46.73
C 8.80 5.52 0.63 0.51 21.56
小计 Subtotal 85.17 18.41 0.22 39.97 117.70
合计 Total 150.12 26.31 0.18 89.81 202.35
1081摇 6期 摇 摇 摇 沈彪摇 等:秦岭中段南坡油松林生态系统碳密度 摇
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摇 摇 在油松林生态系统土壤碳分库中,A层土壤碳密度为 19.30—74.74 t / hm2,平均碳密度为 43.07 t / hm2,占
土壤碳分库总碳密度的 50.56%;B层碳密度为 16.27—46.73 t / hm2,平均碳密度为 33.31 t / hm2,占土壤碳分库
总碳密度的 39.11%;C层碳密度为 0.51—21.56 t / hm2,平均碳密度为 8.80 t / hm2,占土壤碳分库总碳密度的
10.33%。
在油松林生态系统植被碳分库中,乔木层碳密度为 17.89—111.48 t / hm2,平均碳密度为 61.22 t / hm2,占
植被碳分库碳密度的 98.28%;灌木层碳密度为 0.09—2.07 t / hm2,平均碳密度为 0.65 t / hm2,占植被碳分库碳
密度的 1.04%;草本层碳密度为 0.03—1.25 t / hm2,平均碳密度为 0.41 t / hm2,占植被碳分库碳密度的 0.66%。
2.2摇 乔木层碳在不同器官的分配
在森林生态系统中,不同树种构成的生态系统由于其生物学和生长特性不同,因而乔木层碳在不同器官
的分配也具有明显差异。 在油松林生态系统中,乔木层树干碳密度为 34.18 t / hm2,占乔木层总碳密度的
55郾 82%;枝条碳密度为 13.01 t / hm2;占乔木层总碳密度的 21.25%;树根碳密度为 6.30 t / hm2,占乔木层总碳密
度的 10.28%;树叶碳密度为 4.50 t / hm2,占乔木层总碳密度的 7.35%;树皮碳密度为 3.24 t / hm2,占乔木层总碳
密度的 5.30%(表 3)。 可见,树干是构成油松林生态系统乔木层碳密度的主要组成部分,在碳汇方面具有极
为重要的作用。
表 3摇 乔木层不同器官碳密度
Table 3摇 Carbon density of different organs of the arbor
器官
Organ
均值 / ( t / hm2)
Mean value
标准差
Standard deviation
变异系数
Variable coefficient
极小值 / t( / hm2)
Minimum
极大值 / ( t / hm2)
Maximum
树枝 Branch 13.01(21.25%) 4.10 0.32 3.60 23.48
树叶 Leaf 4.50(7.35%) 1.28 0.29 2.22 7.53
树干 Trunk 34.18(55.82%) 12.24 0.36 3.52 64.20
树皮 Bark 3.24(5.30%) 1.00 0.31 1.56 5.37
树根 Root 6.30(10.28%) 2.02 0.32 3.02 11.38
2.3摇 不同区域油松林生态系统碳密度差异分析
在秦岭中段南坡不同区域,由于各区域气候、土壤和人为活动的影响不同,油松林生态系统总碳密度也存
在一定差异,但这种差异在 4 个林区之间并不显著(P>0.05) (表 4)。 乔木层碳密度大小顺序为:旬阳坝
(71郾 83 t / hm2)>菜子坪(69.13 t / hm2)>火地塘(65.34 t / hm2)>黄柏塬(49.90 t / hm2),乔木层碳密度黄柏塬林
区显著低于其他 3个地区,而菜子坪、火地塘、旬阳坝 3个林区之间乔木层碳密度差异不显著;灌木层碳密度
以菜子坪林区最高,平均为 1.09 t / hm2,并与其他 3 个区域灌木层碳密度存在显著差异;不同林区之间草本
层、枯落物层的碳密度差异不显著;4个林区油松林的土壤碳密度非常接近,几乎不存在差异;由此可见,导致
不同区域油松林生态系统碳密度差异的主要因素为乔木层碳密度,但总碳密度差异不显著,说明在秦岭中段
南坡这一较大范围内进行油松林碳密度的估算可以代表该区域油松林碳密度的总体水平。
表 4摇 各研究地油松林生态系统碳密度(t / hm2)
Table 4摇 Carbon density of Pinus tabulaeformis forest ecosystem in each study sites
研究地
Study sites
样本数
Sample size
乔木层
Arbor layer
灌木层
Shrub layer
草本层
Herb layer
枯落物层
Litter layer
土壤层
Soil layer
总计
Total
黄柏塬林区 Huangbaiyuan forest region 20 49.90依18.22 b 0.64依0.38 b 0.48依0.34 2.52依1.38 84.76依17.90 138.30依24.07
菜子坪林区 Caiziping forest region 10 69.13依13.06 a 1.09依0.59 a 0.26依0.14 3.28依1.23 85.94依19.61 159.70依26.76
火地塘林区 Huoditang forest region 10 65.34依23.38 a 0.37依0.22 b 0.43依0.33 2.41依1.06 85.72依19.26 154.28依26.60
旬阳坝 Xunyangba forest region 10 71.83依16.20 a 0.52依0.29 b 0.40依0.30 2.59依1.45 84.67依20.32 160.01依24.13
摇 摇 不同字母表示差异显著(琢= 0.05)
2081 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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2.4摇 立地因子对油松林生态系统碳密度的影响
2.4.1摇 海拔对油松林生态系统碳密度的影响
摇 摇 通过统计分析和检验,结果表明在秦岭中段南坡油松林集中分布的海拔范围内,油松林生态系统总碳密
度(F3,46 = 1.364,P= 0.266)、土壤层碳密度(F3,46 = 0.1.277,P= 0.293)、灌木层碳密度(F3,46 = 0.199,P= 0.897)、
草本层碳密度(F3,46 = 0.742,P= 0.532)和枯落物层碳密度(F3,46 = 0.329,P= 0.804)与海拔具有一定的关系,但
这种关系不显著;从碳密度随海拔变化趋势来看,油松林生态系统总碳密度与土壤层碳密度随海拔升高具有
增加的趋势(图 1)。 在不同海拔范围油松林生态系统乔木层碳密度存在极显著差异(F3,46 = 4. 686,P =
0郾 006),在海拔 1500—1700 m范围内,油松林生态系统乔木层碳密度显著高于其它海拔范围,达到 76.08
t / hm2;当海拔低于 1500 m,随着海拔的升高,乔木层碳密度增加,当海拔高于 1700 m,乔木层碳密度有下降
趋势。
图 1摇 不同海拔油松林生态系统碳密度(t / hm2)
Fig.1摇 Carbon density of Pinus tabulaeformis forest ecosystem of different elevation
2.4.2摇 坡度对油松林生态系统碳密度的影响
坡度对秦岭中段南坡油松林生态系统的总碳密度(F5,44 = 8.296,P = 0.000)、乔木层碳密度(F5,44 = 3.342,
P= 0.012)、枯落物层碳密度(F5,44 = 4.771,P= 0.001)及土壤碳密度(F5,44 = 16.025,P = 0.000)具有极为重要的
影响,均呈现出显著相关关系。 乔木层碳密度随坡度增大呈先增后减的趋势,斜坡与陡坡乔木层碳密度显著
高于其他坡度(P<0.05),在陡坡达到最大值 74.23 t / hm2,土壤层碳密度、枯落物层碳密度及总碳密度随坡度
的增加而显著减小(图 2)。 不同坡度灌木层的碳密度(F5,44 = 1.127,P= 0.360)和草本层碳密度(F5,44 = 0.615,
P= 0.689)差异不显著。
2.4.3摇 坡位对油松林生态系统碳密度的影响
通过计算,在秦岭中段南坡,油松林生态系统的总碳密度(F2,47 = 4.594,P = 0.015)、乔木层碳密度(F2,47 =
5.249,P= 0.009)、土壤层碳密度(F2,47 = 4.815,P= 0.013)受坡位影响较为显著(表 5)。 其中,土壤碳密度下坡
位最大,平均为 94.62 t / hm2,与上坡位(75.34 t / hm2)差异显著,中坡位(86.42 t / hm2)介于上坡位和下坡位之
间。 总碳密度和乔木层碳密度都是中坡位大于上坡位和下坡位。 不同坡位灌木层(F2,47 = 0.038,P = 0.962)、
草本层(F2,47 = 0.088,P= 0.916)、枯落物层(F2,47 = 1.121,P = 0.334)碳密度差异不显著,但枯落物层碳密度平
均值大小表现为下坡位(2.98 t / hm2)>中坡位(2.78 t / hm2)>上坡位(2.23 t / hm2)趋势。
2.4.4摇 坡向对油松林生态系统碳密度的影响
t检验结果表明,不同坡向油松林生态系统乔木层碳密度差异显著(表 6),阳坡(68.39 t / hm2)显著高于
阴坡(54.61 t / hm2),这与油松具有喜光的生物学特性相吻合。 灌木层、草本层、枯落物层以及土壤层碳密度
阴坡大于阳坡,总碳密度阳坡大于阴坡,但差异均不显著(P>0.05),说明坡向对油松林生态系统碳密度的影
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响主要表现在对乔木层碳密度的影响上。
图 2摇 不同坡度油松林生态系统碳密度
Fig.2摇 Carbon density of Pinus tabulaeformis forest ecosystem of different gradient
表 5摇 不同坡位油松林生态系统碳密度
Table 5摇 Carbon density of Pinus tabulaeformis forest ecosystem of different slope position
坡位
Slope position
样本数
Number
碳密度 Carbon density / ( t / hm2)
乔木层
Arbor layer
灌木层
Shrub layer
草本层
Herb layer
枯落物层
Litter layer
土壤层
Soil layer
总计
Total
下坡位
Lower slope position 14 51.12依16.40 b 0.62依0.34 0.40依0.24 2.98依1.45 94.62依13.82 a 149.74依22.59 ab
中坡位
Middle slope position 20 71.11依19.94 a 0.65依0.56 0.40依0.28 2.78依1.17 86.42依13.91 ab 161.37依23.82 a
上坡位
Upper slope position 16 57.71依18.22 b 0.67依0.42 0.44依0.40 2.23依1.74 75.34依22.55 b 136.39依27.04 b
表 6摇 不同坡向油松林生态系统碳密度
Table 6摇 Carbon density of Pinus tabulaeformis forest ecosystem of different slope aspect
坡位
Slope position
样本数
Number
碳密度 Carbon density / ( t / hm2)
乔木层
Arbor layer
灌木层
Shrub layer
草本层
Herb layer
枯落物层
Litter layer
土壤层
Soil layer
总计
Total
阴坡 shady slopes 24 54.61依17.85 b 0.72依0.52 0.44依0.35 2.73依1.68 87.62依16.19 146.13依24.26
阳坡 sunny slopes 26 68.39依20.07 a 0.57依0.36 0.38依0.26 2.58依1.18 82.52依20.57 154.45依28.25
3摇 讨论
3.1摇 油松林生态系统各组分的碳密度
研究结果表明,秦岭中段南坡油松林生态系统碳密度平均为 150.12 t / hm2,乔木层与土壤层为生态系统
碳库的主体,占生态系统总碳密度的 97%以上。 其中植被层碳密度为 62.29 t / hm2,与邓蕾等人通过二类森林
调查资料估算的宁陕县油松林碳密度(63.90 t / hm2) [8]相近,比李海奎等[11]人估算的中国油松林平均碳密度
(20.94 t / hm2)高出 41.35 t / hm2,比赵敏(41.32 t / hm2) [12]、徐新良(38.56 t / hm2) [13]、方精云(41.0 t / hm2) [14]
等人估算的我国森林植被平均碳密度分别高出 20.97 t / hm2、23.73 t / hm2、21.29 t / hm2。 可见该地区油松林乔
木层碳密度与全国森林碳密度平均值相比处于相对较高水平,但仍低于世界平均值(86 t / hm2) [15]。 土壤碳
密度平均为 85.17 t / hm2,约为植被层的 1.4倍,相对于全球森林土壤碳储量约为植被碳储量的 2.2 倍[15]而言
较低,这主要是因为秦岭林区地形以山地为主,山势陡峭,油松林多分布在土层较为瘠薄的地段所致。 油松喜
温凉气候,由表 1可以看出本区油松主要分布区年均温在 2—11益,年降水充沛,土壤为棕色森林土,气候环
4081 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 35卷摇
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境较为适合油松生长;本区平均林龄 35—40a,以中幼龄林为主,因而仍有较大的碳汇潜力。
本研究结果表明秦岭中段南坡油松林乔木层碳密度在不同器官中分布不均,主要集中在树干(55.82%)、
树枝(21.25%)和根系(10.28%)中。 这与程堂仁[16]等在小陇山和任军辉等[17]在贺兰山的研究结论一致。 树
皮与树叶占乔木层碳密度的比例很小,虽在不同地区存在差异但差别不大。 本研究中树干碳密度在乔木层碳
密度中所占的比重(55.82%)高于小陇山(48.76%)与贺兰山(44.95%)。 乔木层碳密度在不同器官中的分配
与树高、胸径以及根冠比等有关。 这些生长指标受立地条件以及树木年龄的影响。 小陇山林区年均降水量
460—900 mm,蒸发量 989—1658 mm,贺兰山林区年均降水量 420 mm,相对缺水的环境使得油松必须扩大根
系,以获取足够的水分,根系在小陇山林区与贺兰山林区油松林碳密度所占的比重分别为 17.78%和 17.43%,
明显高于本研究(10.28%)。 由于树干不参与凋落过程,其所固定的碳可以在较长时区内储存于森林中。 较
高的树干碳密度有利于碳的长期固定,因此秦岭中段南坡油松林具有相对较高的固碳能力。
3.2摇 地形因子对油松林生态系统碳密度各组分的影响
油松林生态系统中乔木层与土壤层碳密度之和占到总碳密度的 97.52%,因此,地形因子对油松林生态系
统总碳密度的影响主要通过影响乔木层和土壤层碳密度来实现。
本研究结果表明,不同海拔范围的油松林生态系统总碳密度无显著差异,海拔对油松林生态系统碳密度
的影响主要体现在乔木层,对其他各层的影响则是不显著的。 海拔高度的变化会引起水热状况的差异。 随着
海拔的增加,气温逐渐降低,而根据董立民[18]等对秦岭火地塘林区的研究,年降水量随海拔呈现先增后减的
规律,年降雨量最大值出现在 2000 m。 陕西森林编辑委员会[19]和李战刚[20]的资料表明在海拔 800—1000 m,
年均温为 13—14 益,逸10益年积温 4000—4500 益;海拔 1200—1500年均温 6—10 益,逸10 益年积温 1700—
2500 益;而海拔 2000 m以上年均温在 6 益以下,逸10 益年积温不足 1700 益。 油松喜温凉气候,耐寒能力较
强,因此油松林乔木层的碳密度在海拔 1500 m以下随海拔降低而减小的可能原因为低海拔的降水量减少而
温度上升,油松生长情况不如中海拔范围,这也是油松在本区域分布下界被马尾松代替的原因;而高海地区由
于气温较低,年积温较少,油松的生长较之中海拔范围也较差。 根据陈存根[21]等的研究油松在火地塘林区适
生海拔为 1560—1640 m,这与本研究油松林乔木层碳密度在海拔 1500—1700 m范围内达到最大相一致。
在该地区,坡度对油松林生态系统碳密度的影响在乔木层、土壤层、枯落物层均达到显著或极显著水平。
这使得该地区不同坡度的油松林生态系统总碳密度呈现极显著差异。 本研究结果显示,斜坡和陡坡油松林生
态系统乔木层碳密度显著高于其他坡度范围。 阳昌平等[22]在太岳山对不同坡度油松生长状况的研究表明,
缓坡与斜坡的树高、胸径均高于平地和陡坡,本研究的结果与之相似。 坡度主要影响林冠层所接受的光照以
及土壤水肥状况。 事实上坡度可以增加林冠层接受光照的面积,这有利于乔木的生长和吸收固定 CO2。 但是
在坡面上,随着坡度的增加,降雨入渗到土壤的量减少,而多以地表径流的方式流失[23]。 由于重力作用,土壤
水分难以保持;同时坡度的增大还带来土壤养分的流失加剧,随着坡度增大,土壤养分减少。 土壤水肥状况变
差使得较大坡度上油松生长较差,碳密度较低。 而本研究与阳昌平等在太岳山的研究具体最适坡度的不同一
个可能的原因是太岳山年降水低于秦岭,坡度因素中水分的影响较大,而秦岭南坡中段由于水分条件较好,光
照的影响较太岳山显著。 在本研究中,油松林生态系统土壤层、枯落物层的碳密度随坡度的增大而减小,达到
极显著水平。 在较大坡度的油松林中,枯落物由于重力,地表径流以及风等作用向下运动而造成损失,难以在
林内积累并向土壤中输入有机质。 土壤有机质因为水土流失和输入减少而显著降低。 最终由于坡度对乔木、
土壤以及枯落物层的显著影响,在该地区,油松林生态系统碳密度随坡度的增大而显著减少。
坡位对油松林生态系统碳密度的影响主要体现在乔木层与土壤层。 本研究的结果类似于刘艳等[24]在北
京百花山和侯琳等[25]在火地塘的研究,土壤碳密度在下坡位显著高于上坡位,而中坡位土壤碳密度介于上坡
位和下坡位,但与两者差异均不显著。 其可能的原因除了土壤颗粒以及枯落物向下运移(事实上在本研究中
枯落物层的碳密度在不同坡位也表现为下坡位(2.98 t / hm2) >中坡位(2.78 t / hm2) >上坡位(2.23 t / hm2)趋
势),还与上坡位的土层较薄有关。 乔木层的碳密度中坡位显著高于上坡位和下坡位。 土壤养分和水分的向
5081摇 6期 摇 摇 摇 沈彪摇 等:秦岭中段南坡油松林生态系统碳密度 摇
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下运移以及上坡位较浅的土层使得中坡位较上坡位更适合油松的生长。 而下坡位在较优的水肥条件下其乔
木层碳密度并不高,其可能原因之一为下坡位人为干扰比较强烈,严重影响了油松林碳的积累。 这也是在本
研究中油松林生态系统碳密度在低海拔、小坡度、下坡位地段碳密度较小的重要原因之一。
油松林乔木层碳密度在不同坡向表现为阳坡显著大于阴坡。 在秦岭南坡中段水热条件较好的情况下,光
照条件是影响油松生长的主要因素。 油松是喜光树种,阴坡光照条件相对较差,不利于油松的生长和碳密度
的积累。 林下植被的生长受到水分、温度、养分、光照等多种因素的综合影响。 阳坡油松生长优于阴坡,郁闭
度较高,林下植被获得的光照较少,可能是导致林下灌木层、草本层碳密度阴坡大于阳坡的主要因素。 阴坡地
表温度较低,不利于枯落物的分解,导致枯落物层碳密度阴坡大于阳坡,但是这些差异并不显著。
4摇 结论
秦岭中段南坡油松林生态系统中地形因子对油松林生态系统碳密度的影响主要表现在乔木层和土壤层。
海拔、坡度、坡位、坡向均对乔木层的碳密度影响显著(P<0.05),而坡度和坡位对土壤层碳密度具有显著的影
响(P<0.05)。 森林生态系统的碳密度在不同立地条件下的差异,最终是受光照、温度、水分等环境因子的综
合影响,同时也与森林植被的特征有关。 在不同地区差异较大的气候条件下或不同的森林类型下,森林生态
系统各碳库在不同立地条件下的分布可能有所差异。 这使得森林生态系统碳循环的研究以及利用森林调查
资料进行大尺度碳储量估算时,应给与地形因子和气候条件与植被类型同等的重视,以保证研究或估算的可
靠性。
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