全 文 ：第 34 卷第 19 期
2014年 10月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.19
Oct.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:中国科学院战略性先导科技专项(XDA05070404, XDA05050205); 中国科学院西部行动计划项目(KZCX2鄄XB3鄄 10); 国家科技支撑
计划(2011BAC09B02); 国家自然科学基金项目(31070425, 31000224, 30970508, U1033004); 广西特聘专家项目和广西科技项目(桂科攻
1123001鄄9C)
收稿日期:2013鄄01鄄15; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄07
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: songtongq@ 163.com
DOI: 10.5846 / stxb201301150101
谭秋锦,宋同清,彭晚霞,曾馥平,杨钙仁,杜虎,鹿士杨,范夫静.西南峡谷型喀斯特不同生态系统的碳格局.生态学报,2014,34(19):5579鄄5588.
Tan Q J, Song T Q, Peng W X, Zeng F P, Yang G R, Du H, Lu S Y, Fan F J. Carbon pattern of different ecosystems in canyon karst region in
southwestern of China.Acta Ecologica Sinica,2014,34(19):5579鄄5588.
西南峡谷型喀斯特不同生态系统的碳格局
谭秋锦1,2,3,宋同清1,3,*,彭晚霞1,3,曾馥平1,3,杨钙仁2,
杜摇 虎1,3,鹿士杨1,3,范夫静1,4
(1. 中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室, 长沙摇 410125;
2. 广西大学林学院, 南宁摇 530004;3. 中国科学院环江喀斯特生态系统观测研究站, 环江摇 547100;
4. 江西农业大学, 南昌摇 330045)
摘要:采用样方法研究了黔西南峡谷型喀斯特水田生态系统(ST)、旱地生态系统(HD)、草地生态系统(CD)、灌草生态系统
(GC)、人工林生态系统(RGL)和次生林生态系统(CSL)的碳贮量、组成及其分布格局。 结果表明:1)6 种生态系统的植物碳贮
量为 RGL(121.53)>CSL(116.76)>GC(54.14)>CD(36.05)>ST=HD(0.00) 103kg C / hm2,占植物碳贮量绝对贡献的层次:RGL和
CSL为乔木层、GC为灌木层、CD为草本层;2)地被物碳贮量分别为 CSL(18.34)﹥ GC(5.82)﹥ RGL(3.96)﹥ CD(0.47)﹥ ST=
HD(0.00) 103kg C / hm2,仅占生态系统总碳贮量的 0%—4.9%;3)土壤碳含量为 CSL(44.11) >RGL(29.39) >GC(21.50) >CD
(19郾 81) >ST(17.56) >HD(16.70)g C / kg,土壤碳贮量为 CD(153.12)>CSL(126.11)>ST(112.26)>HD(115.31)>RGL(65.04) >
GC (52.69) 103kg C / hm2,均随土壤深度的增加而显著降低,且与土壤深度之间有良好的线性关系;4)生态系统总碳贮量为 CSL
(261.21)﹥ RGL(190.53)﹥ CD(189.64)﹥ HD(115.31)﹥ GC(112.65)﹥ ST(112.26) 103kg C / hm2;RGL的碳格局为植物大于
土壤,CSL反之,但都是地上大于地下;GC为植物约等于土壤,地下大于地上;ST、HD 和 CD 为土壤大于植物,地下大于地上。
黔西南峡谷型喀斯特固碳潜力很大,减少人为干扰、适宜的退耕还林还草造林措施和合理的管理对策是促进该区域植被恢复、
生态重建、增加碳贮存的关键。
关键词:碳;贮量;格局;生态系统;峡谷型喀斯特
Carbon pattern of different ecosystems in canyon karst region in southwestern
of China
TAN Qiujin1,2,3, SONG Tongqing1,3,*, PENG Wanxia1,3, ZENG Fuping1,3, YANG Gairen2, DU Hu1,3, LU
Shiyang1,3, FAN Fujing1,4
1 Key Laboratory of Agro鄄ecological Processes in Subtropical Region, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha
410125, China
2 Forestry College of Guangxi University, Nanning 530004, China
3 Huanjiang Observation and Research Station of Karst Ecosystem, Chinese Academy of Sciences, Huanjiang, Guangxi Zhuang Autonomous Region,
Huanjiang 547100, China
4 Jiangxi Agricultural University, Nanchang, Jiangxi 330045,China
Abstract: Carbon storage, composition and patterns of six ecosystems ( Paddy field ( ST), dry land (HD), grassland
(CD), shrubbery (GC), artificial forest (RGL) and secondary forest (CSL)) were analyzed by the sample method in a
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canyon karst region, Southwestern of China. The results showed that: 1) The carbon storage of vegetation in the 6
ecosystems were ordered from large to little as: RGL(121.53)>CSL(116.76)>GC(54.14) >CD(36.05) >ST =HD(0郾 00)
103kgC / hm2, and carbon storage of tree layer in RGL and CSL, herbaceous layer in CD and shrub layer in GC dominated
the total vegetation, respectively. 2) The carbon storage of ground cover: CSL(18.34)﹥ GC(5.82)﹥ RGL(3郾 96)﹥ CD
(0.47)﹥ ST=HD(0.00) 103 kg C / hm2, only contributed 0%— 4.9% to the total carbon storage of the ecosystems. 3)
Soil carbon content was in the sequence of CSL (44.11)>RGL (29.39) >GC (21.50) >CD (19.81) >ST (17.56) >HD
(16.70) g C / kg, and soil carbon storage was CD (153.12)>CSL (126.11)>ST (112.26) >HD (115.31)>RGL (65.04)
>GC (52.69) 103kgC / hm2 . Both of soil carbon content and storage decreased significantly with soil depth, and had a good
linear relationship with soil depth. 4) Carbon storage of the whole ecosystems was CSL(261.21)﹥ RGL(190.53)﹥ CD
(189.64)﹥ HD(115.31)﹥ GC(112.65)﹥ ST(112.26) 103kgC / hm2, and the carbon pattern in RGL was plant > soil,
opposite the CSL, but they were aboveground > underground, that in GC was plant 抑 soil and underground > aboveground,
that in ST, HD and CD was soil > plant and underground > aboveground. Therefore, carbon sequestration potential in the
canyon karst region of southwestern of China is large, reducing disturbance, fit measures of returning Paddy field to forest or
grass, and reasonable management countermeasures would be the key to promote quickly vegetation recovery and ecology
reconstruction and increase carbon storage in the region.
Key Words: carbon; storage; patterns; ecosystem; canyon karst
摇 摇 随着大气 CO2浓度升高,全球气候环境问题日
益严峻,且今后很长一段时期内不可能实现零排放,
大气 CO2浓度增高不可能逆转[1]。 其中农田、草地、
森林 3类主要陆地生态系统中的碳库贮量被认为是
一种非常有效的 CO2减排措施,农田土壤碳库的稳
定与增加对于保证全球粮食安全与缓解气候变化趋
势具有双重积极意义[2]。 许多研究表明,发达国家
实行的保护性耕作、秸秆还田、施用有机肥和化肥等
农业管理措施,使得农业土壤碳库在近期呈现出稳
定和增长的趋势[3]。 草地生态系统覆盖了几乎 20%
的陆地面积,其碳贮量占全球陆地生态系统 1 / 3[4],
Gurney和 Neff评估了美国、加拿大和俄罗斯草地改
良的固碳潜力[5],IPCC 估算全球草地 2010 年的固
碳潜力为 0.24Pg[6]。 森林维持的植被碳库约占全球
植被碳库的 86%[7]。 维持的土壤碳库约占全球土壤
碳库的 73%[8]。 同时,森林生态系统具有较高的生
产力,每年固定的有机碳约占整个陆地生态系统的
2/ 3[9鄄10],其中地上部分占 80%,地下部分占 40%[11]。
王斌和杨校生[12]对西双版纳热带季节雨林、鼎湖山
亚热带常绿阔叶林、哀牢山中山湿性常绿阔叶林和
长白山阔叶红松林 4 种地带性森林类型的碳含量和
碳密度及其空间分布格局进行了比较,Chen 等[13]研
究了中国南方马尾松林、杉木林、硬阔林和软阔林乔
木层地上生物量及其碳汇能力,指出阔叶林是我国
热带和亚热带区域碳汇林的最佳选择。
喀斯特生态系统是以碳酸盐为主要的物质基
础,在大气鄄水鄄岩鄄生物相互作用下所形成的一种具
有特殊物质、能量、结构和功能的生态系统,具有景
观异质性强、二元结构明显、环境容量小、植被不连
续、土层浅薄、蓄水性差、土地承载力小、抗干扰能力
弱等特点[14]。 近年来,在人为活动的干扰加剧情况
下,产生了不同程度的退化,许多地方石漠化现象严
重,且仍呈扩张的态势。 目前对喀斯特植被群落的
退化原因、退化过程及与环境的关系研究较多[15鄄19],
但有关喀斯特地区碳储量特别是同一区域不同生态
系统碳格局的比较研究报道甚少[20],本文以贵州省
晴隆县孟寨小流域峡谷型喀斯特的 6 个生态系统为
研究对象,根据样地调查数据估算各生态系统碳格
局并进行了比较,旨在揭示不同生态系统总体生物
量碳库和土壤碳库的变化规律,为制定该区域的植
被恢复、生态重建和固碳措施提供科学参考。
1摇 研究区概况与研究方法
1.1摇 研究区概况
研究区为贵州省晴隆县孟寨河小流域,位于 25毅
33忆—26毅11忆N、105毅01忆—105毅 25忆E 之间,最高海拔
2025 m,属北亚热带湿润季风气候区,年平均气温
14.0—15. 9益,年极端高温为 33. 4益,最低气温为
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-6.2益,日照时数 1 453 h,无霜期 280 d。 年降水量
1500—1650 mm,集中在 6—9 月份,年蒸发量 1 800
mm,空气相对湿度在 50%以下。 地形起伏大,具有
山高、谷深、坡陡的特点,属二迭纪岩层风化而成的
石灰土。 该小流域与(高原型)普定后寨、(岩溶槽
谷型)印江朗溪、 (峰丛洼地型)荔波板寨并称四大
地貌类型区的 4个小流域。
在流域内选取立地条件基本一致、具有代表性
的水田、旱地、草地、灌丛、人工林和次生林 6 种生态
系统,其中水田种植以水稻 (Oryza sativa)、小麦
(Triticum aestivum)为主,旱地种植玉米(Zea mays)、
油菜(Brassica napus)等;人工草地的主要植物组成
有白花刺 ( Sophora davidii)、宽叶雀稗 ( Paspalum
wettsteinii Hackel)、多年生黑麦草( Lolium perenne)、
鸭茅(Dactylis glomerata)、白三叶(Trifolium repens)、
紫花苜蓿(Medicago sativa)等,草地上饲养的家畜主
要是山羊,品种包括杂交波尔山羊(Transgressus Boer
Capra)、本地黑山羊(Local niger hircum)、南江黄羊
(Nanjiang Yellow)和杜泊羊(Dorper oves),以放牧利
用为主; 灌丛主要有车桑子 ( Dodonaea viscosa
(Linn.) Jacq. Enum)、高羊茅 (Festucaarundinacea)
等;人工林主要是人为种植的楸树(Catalpa bungei C.
A.Mey.),林龄在 15—20 a之间,群落结构简单,林下
植被发育较差且分布不均,盖度仅 6%左右;灌木层
主要 有 火 棘 ( Pyracantha fortuneana )、 杜 茎 山
(Elaeocarpus syluestris)等;次生林林龄 20—40 a,乔
木层以白栎 ( Quercus fabri Hance)、椿树 ( Toona
sinensis)和翅荚香槐(Cladrastis platycarpa)为优势树
种,灌木层植物主要包括朴树(Celtis sinensis Pers)、
构树 ( Broussonetia papyrifera )、 香 叶 树 ( Lindera
communis Hemsl)和阴香(Cinnamomum burmannii)等。
1.2摇 研究方法
1.2.1摇 样方设置与调查
对研究区域进行实地踏查基础上,选择具有代
表性、立地条件基本一致的水田(ST)、旱地(HD)、
草地 ( CD)、灌丛 ( GC)、人工林 ( RGL)、次生林
(CSL)6 个生态系统,各设置 3 个样地(样地特征见
表 1),样地面积为 20 m伊20 m。 乔木调查主要包括
种名、DBH、树高、冠幅和存活状态,并进行每木检
尺,起测胸径(DBH)为 5 cm;灌木层按“品冶字型选
择 3个 2 m伊2 m 的样框,调查种名、株丛数、平均高
度、平均基径和盖度;草本层在灌木层样框内各选择
1个 1 m伊1 m 的样框,调查其种名、株丛数、平均高
度,并记录覆盖度,同时用 GPS定位。
表 1摇 6个生态系统样地基本特征
Table 1摇 General characteristic of the studied ecosystems
生态系统
Ecosystems
坡度
Slope
/ (毅)
土壤类型
Soil type
土壤深度
Soil depth
/ cm
平均胸径
Mean DBH
/ cm
平均年龄
Mean age
/ a
平均高度
Mean height
/ m
郁闭度
Coverage
ST 0 棕色石灰土 45.3
HD 8 棕色石灰土 49.0
CD 2 棕色石灰土 53.9 2 0.2 0.95
GC 17 棕色石灰土 18.9 0.6 3 1.3 0.75
RGL 22 棕色石灰土 19.2 10.6 12 7.0 0.5
CSL 25 棕色石灰土 30.0 9.72 20 7.8 0.7
摇 摇 ST:水田 Paddy field;HD:旱地 Dry land; CD:草地 GC: shrubber; GC:灌草 GC: shrubbery; RGL:人工林 artificial forest; CSL:次生林;
Secondary forest
1.2.2摇 生物量获取
乔木层:在每木调查的基础上,以 2 cm 为径阶,
根据中央径阶多、两端逐次少的原则,在人工林样地
内选择楸树 15株、次生林样地内选择白栎 10 株、椿
树 3 株、翅荚香槐 2 株作为样木,进行生物量的测
定。 测定其基径、胸径、树高和冠幅,并按 2 m 区分
段锯断称量,在树干基部、胸径、中部及顶端分别锯
取一个圆盘测定含水量;并分别称取枝条、叶片和花
果的鲜质量;根的生物量采用全挖法,并分小根
(<2 cm)、中根(2—5 cm)、大根(>5 cm)3 组分别称
重;然后对各部分器官分别取样 500 g 带回实验室,
将样品在 105 益烘箱内杀青 2 h,调至 75 益下烘干
至恒重,求出各器官干鲜质量之比,由此换算出样木
各器官的干质量及总干质量。 利用样木各器官(干、
1855摇 19期 摇 摇 摇 谭秋锦摇 等:西南峡谷型喀斯特不同生态系统的碳格局 摇
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枝、叶、根)的干重和总干重建立如表 2 所示的各器
官及总生物量与样木胸径(D)的幂回归方程(W =
aDb)。 根据样地每木调查的结果及相应的回归方程
计算乔木层各个体的生物量,并由此获得乔木层的
总生物量。
表 2摇 乔木层生物量的估算模式
Table 2摇 Regression models of biomass for tree layer
类型 Types 拟合方程 Fitting equation 相关系数 R2 残差平方和 Sum of squared residuals
人工林 Artificial forest Y= 0.261D2.475 0.967** 0.291
次生林 Secondary forest Y= 0.179D2.335 0.945** 1.820
摇 摇 ** P<0.01
摇 摇 灌木层、草本层和地上凋落物:在灌木层样框内
按全收获法收获样框内所有灌木的枝、叶、花果、根,
测定各器官生物量,并以 3 个样框的平均值来推算
样地中灌木层的总生物量。 按同样方法在 1 m伊1 m
草本小样框内获取草本层地上与地下、凋落物生物
量及总生物量(调查时农田和旱地生态系统地上部
分已刈割)。
1.2.3摇 土样采集
首先将每个生态系统样地划分为 16 个 5 m伊
5 m的小样方,各获得 25个网点,用土钻测定每个网
格点的土壤厚度。 在每个样地中挖取典型剖面,直
至出现岩石层为止,用环刀分 0—10 cm (玉层)、
10—20 cm(域层)、20—30 cm(芋层)、30—50 cm(郁
层)、50—100 cm(吁层)5 层测容重。 在样地的 4 个
角和中间按土壤机械分 5层取样,5个点同层次的土
样组成一个混合样。 样品取完后置于阴凉处自然风
干,用四分法取土样过筛,供分析测定用,同时测定
石砾含量。
1.2.4摇 样品分析
植物碳和土壤碳均采用重铬酸钾鄄浓硫酸氧化
外加热法测定全碳含量[21]。
1.2.5摇 碳贮量计算
林下植被(灌木层、草本层)和凋落物层的碳贮
量以其生物量现存量乘以相应的碳含量求得。 土壤
层碳贮量的计算采用以下公式:
SOCn =移 ni = 1(1 - G i) 伊 Di 伊 C i 伊 Ti / 10
式中,SOCn为分 n 层调查的土壤单位面积碳贮量
(Mg C / hm2),G i 为第 i 层直径逸2 mm 的石砾含量
(%),Di 为第 i 层土壤容重(g / cm3),C i 为第 i 层土
壤有机碳含量(g / kg),Ti 为第 i土层的厚度(cm)。
1.2.6摇 数据处理
采用单因素方差分析和多因素方差分析分析 6
种不同生态系统碳含量、碳贮量的空间变异情况,并
采用最小显著差法进行多重比较。 所应用的软件为
Excel鄄 2007、SPSS 16.0。
2摇 结果与分析
2.1摇 植物碳贮量
采样时旱地和水田地上部分已刈割,但是刘阳
等[22]研究传统耕作和保护性耕作 2 种方式对玉米
农田生态系统的各碳库的影响,知道地上部分为
0郾 39伊103—1.43伊103 kg C / hm2,地下部分为 0.11伊
103—0.36伊103 kg C / hm2,而李庆云[23]研究间作样地
不同时间小麦的碳贮量为 2.21伊103—2.81伊103 kg
C / hm2。 由表 3知,如以上面的数据作比较,水田和
旱地较其它 4 种生态系统的碳贮量少,而现两者已
刈割,只对草地、灌丛、人工林和次生林 4 种生态系
统的碳贮量进行现状比较和分析。 植被总碳贮量为
RGL>CSL>GC>CD,差异极显著,RGL 颐CSL 颐GC 颐CD
为 1颐0.96颐0.45颐0.30,均以地上部分为主,地上部分分
别是根系的 3.51、8.01、1.61、1.49 倍,地上部分的大
小顺序为 CSL>RGL>GC>CD,根系则为 RGL>GC>
CD>CSL,灌丛、草地、次生林差异不显著,均极显著
低于人工林。 同一生态中不同层次的碳储量对植被
总碳储量的贡献不同,草地只有草本层,碳储量为
36.05伊103 kg C / hm2;灌丛没有乔木层,灌木层碳储
量的贡献率达 87.64%,是草本层的 7.10 倍;人工林
和次生林两类森林生态系统的乔木层碳储量占绝对
优势,分别是总碳储量的 93.36%和 88.05%,其他各
层所占比例很小,人工林的草本层>灌木层,次生林
反之。 同一层次不同生态系统的碳储量不同,乔木
层人工林极显著高于次生林;灌木层为 GC>CSL>
RGL,差异极显著;草本层为草地极显著高于灌丛、
人工林、次生林,后三者差异不显著。
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表 3摇 4种生态系统中不同层次的植物碳贮量
Table 3摇 Carbon Storage of vegetation in different layers in the 4 ecosystems
生态系统
Ecosystems
乔木层 Tree layer /
(103kg C / hm2)
地上部分
Aboveground
根
Root
小计
Total
灌木层 Shrub layer /
(103kg C / hm2)
地上部分
Aboveground
根
Root
小计
Total
草本层 Herb layer /
(103kg C / hm2)
地上部分
Aboveground
根
Root
小计
Total
合计 Total(103kg C / hm2)
地上部分
Aboveground
根
Root
小计
Total
CD 21.59Aa 14.46Aa 36.05Aa 21.59Dd 14.46Bb 36.05Dd
GC 28.93Aa 18.52Aa 47.45Aa 4.44Bb 2.25Bb 6.69Bb 33.37Cc 20.77Bb 54.14Cc
RGL 88.58Bb 24.88Aa 113.46Aa 1.73Cc 0.42Cc 2.15Cc 4.25Bb 1.67Bb 5.92b 94.56Aa 26.97Aa 121.53Aa
CSL 94.99Aa 7.82Bb 102.81Bb 5.64Bb 3.61Bb 9.22Bb 3.17Bb 1.53Bb 4.70b 103.80Bb 12.96Bb 116.76Bb
摇 摇 同列不同大写字母表示差异极显著(P<0.01),不同小写字母表示差异显著(P<0.05)
2.2摇 地被物层碳贮量
6种生态系统中,次生林地被物的碳贮量最大,
极显著高于灌丛、人工林和草地(P ﹤ 0.01),灌丛和
人工林没有显著差异,但都极显著高于草地(表 5),
调查时水田和旱地没有地被物。 尽管各个生态系统
中地被物碳贮量的绝对数量相差较大,但对整个生
态系统碳贮量的贡献不大,均低于 5%。
2.3摇 土壤碳
峡谷型喀斯特 6种典型生态系统土壤碳含量均
随土壤深度的增加极显著降低(表 4),其中 CSL 和
CD的下降速度相对平缓,RGL 和 GC 下降的速度最
快。 从 ST到 CSL,第域层的碳含量依次为第玉层的
72. 33%、 81. 78%、 99. 32%、 55. 93%、 87. 43% 和
93郾 10%,第 芋 层为第 玉 层的 50郾 78%、 60郾 46%、
78郾 85%、34郾 37%、62郾 93%和 79郾 37%,最后一层为
第玉层 的 36郾 30%、 35郾 43%、 50郾 20%、 34郾 37%、
20郾 31%、79郾 37%。 不同生态系统同一层次的土壤碳
含量也有明显差异。 第玉层,CSL 和 RGL 的土壤碳
含量差异不显著,但均显著高于 GC(P ﹤ 0郾 05),极
显著高于 ST、HD、CD(P﹤ 0郾 01),GC和 ST不显著,
均显著高于 HD 和 CD(P ﹤ 0郾 05),HD 和 CD 之间
无显著差异。 第域层,CSL 和 RGL 的碳含量差异不
显著,极显著高于 ST、HD、CD 和 GC(P ﹤ 0郾 01),后
4者间的差异不显著。 第芋层,CSL 和 RGL 差异不
显著,但极显著高于 CD、ST、HD 和 GC(P ﹤ 0郾 01),
CD显著高于 ST、HD 和 GC(P ﹤ 0郾 05),ST 显著高
于 HD和 GC(P ﹤ 0郾 05),HD 和 GC 无显著差异。
第郁层, CT、HD 显著高于 ST、 RGL ( P ﹤ 0郾 05)。
第吁层,ST、HD 和 CD 之间无显著差异。 土壤不同
层次的碳贮量变化趋势相同(表 4)。
6 种生态系统土壤碳的平均含量可分为 3 组,
CSL>RGL>GC、CD、ST、HD,组间差异极显著,组内差
异不显著(表 4),其中 CSL分别是 RGL、GC、CD、ST、
HD的 1. 50、2. 05、2. 23、2. 51、2. 64 倍,RGL 分别是
GC、CD、ST、HD 的 1.37、1.48、1.67、1.76 倍。 同理,
6种生态系统土壤碳贮量也可分为 3 组,CD>CSL、
ST、HD>RGL、GC,组间差异极显著,组内差异不显著
(表 4),主要受土壤深度的影响,其中 CD 土壤碳贮
量分别是 CSL、ST、HD、RGL、GC 的 1.21、1.36、1.33、
2.35、2.91倍。
表 4摇 6种生态系统中的土壤碳含量及其分布格局
Table 4摇 Soil organic carbon (SOC) Storage and its allocation in the 6 ecosystems
生态系统
Ecosystems
土壤层次
Soil layer
碳含量
SOC content /
(g C / kg)
碳贮量
SOC Storage /
(103kg C / hm2)
土壤平均碳含量
Average SOC
content / (g C / kg)
土壤碳贮量
SOC Storage /
(103kg C / hm2)
ST 玉 29.42Aa 35.54Aa 17.56c 112.26Bb
域 21.28Bb 29.55Bb
芋 14.94Cc 22.39Cc
郁 11.50Dd 24.39Cc
吁 10.68Ee 0.35Dd
HD 玉 23.98Aa 30.17Aa 16.70c 115.31Bb
域 19.61Bb 25.54Aa
芋 14.50Cc 24.06Aa
3855摇 19期 摇 摇 摇 谭秋锦摇 等:西南峡谷型喀斯特不同生态系统的碳格局 摇
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续表
生态系统
Ecosystems
土壤层次
Soil layer
碳含量
SOC content /
(g C / kg)
碳贮量
SOC Storage /
(103kg C / hm2)
土壤平均碳含量
Average SOC
content / (g C / kg)
土壤碳贮量
SOC Storage /
(103kg C / hm2)
郁 15.00Dd 29.83Aa
吁 10.40Ee 5.70Bb
CD 玉 25.34Aa 36.97a 19.81c 153.12Aa
域 25.17Bb 34.85a
芋 19.98Cc 28.22b
郁 15.85Dd 40.89Aa
吁 12.72Ee 17.15c
GC 玉 33.90Aa 36.23Aa 21.50c 52.69Cc
域 18.96Bb 16.23Bb
芋 11.65Cc 0.23Cc
RGL 玉 43.43Aa 46.85Aa 29.39Bb 65.04Cc
域 37.97Bb 17.10Bb
芋 27.33Cc 1.01Cc
郁 8.82Dd 0.08Cc
CSL 玉 48.57Aa 52.46Aa 44.11Aa 126.11Bb
域 45.22Bb 50.30Aa
芋 38.55Cc 23.35Bb
2.4摇 不同生态系统的碳贮存及其分布格局
6 种生态系统的总碳贮量大小顺序为:CSL >
RGL>CD>HD>GC>ST,CSL的碳贮量最高,极显著高
于 RGL,RGL 极显著高于 CD,CD 极显著高于 GC、
HD、ST,GC、HD、ST 的差异不显著(表 5)。 同一生
态系统碳贮量的分布格局不同,CSL 碳贮量的分布
格局为土壤﹥植物﹥地被物,RGL 碳贮量的分布格
局则为植物﹥土壤﹥地被物,都是地上部分>地下部
分;GC的植物和土壤碳储量差异很小,基本平衡,但
均明显高于地被物、地下部分碳贮量高于地上部分;
CD的碳贮量贡献率为土壤>植物>地被物、地下部分
>地上部分;HD和 ST 调查时地上部分已刈割,无植
物和地被物碳储量,其土壤碳贮量分别为 115郾 31伊
103 kgC / hm2和 112.26 伊103 kgC / hm2。
表 5摇 6 种生态系统中的碳分布
Table 5摇 Carbon allocation in different layers in the 6 ecosystems
类型
Types
植物
Plant
碳贮量
Carbon storage /
(103kg C/ hm2)
%
地被物层
Ground cover
碳贮量
Carbon storage /
(103kg C/ hm2)
%
土壤
Soil
碳贮量
Carbon storage /
(103kg C/ hm2)
%
地上部分
Aboveground
碳贮量
Carbon storage /
(103kg C/ hm2)
%
地下部分
Underground
碳贮量
Carbon storage /
(103kg C/ hm2)
%
合计
Total
ST 0.00 0.00 0.00 0.00 112.26Bb 100.00 0.00 0.00 112.26Dd 100.00 112.26Dd
HD 0.00 0.00 0.00 0.00 115.31b 100.00 0.00 0.00 115.31Dd 100.00 115.31Dd
CD 36.05Dd 19.01 0.47Cc 0.25 153.12Bb 80.74 22.06Dd 11.63 167.58Cc 88.37 189.64Cc
GC 54.14Cc 48.06 5.82Bb 5.17 52.69Cc 46.77 39.19Cc 34.79 73.46Dd 65.21 112.65Dd
RGL 121.53Bb 63.79 3.96Bb 2.07 65.04Bb 33.14 98.52Bb 51.71 92.01Bb 48.29 190.53Bb
CSL 116.76Aa 44.70 18.34Aa 7.02 126.11Aa 48.28 122.14Aa 46.76 139.07Aa 53.24 261.21Aa
摇 摇 地上部分碳贮量包括地被物碳与植物地上部分所含的碳,地下部分碳贮量则包括土壤碳和根系碳;碳贮量单位:103kg C / hm2
3摇 结论与讨论
3.1摇 植物碳贮量
西南喀斯特植物在区划上属泛北极植物区,中
国鄄日本森林植物区,滇黔桂地区范畴[24鄄25],其顶极
群落为亚热带喀斯特常绿落叶阔叶混交林,生境异
质性极高、区系组分复杂,生物种类极为丰富,生态
系统稳定。 但受地球内动力、强烈的地质运动、高温
4855 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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多雨且分布不均、碳酸盐岩溶蚀性强、水文二维结构
明显以及其适生植物具有嗜钙性、耐旱性和石生性
等限制特点的综合影响,生态系统的稳定性和抗干
扰能力差[14],强烈的人为干扰导致农田、旱地、草
丛、灌丛、人工林、次生林、原生林等各种偏途、不同
演替阶段生态系统和群落共存现象。 峡谷型喀斯特
区域人口密度大,干扰更严重,顶极群落破坏殆尽。
植被碳储量为 36.05伊103—121.53伊103kg C / hm2,其
大小顺序为 RGL>CSL>GC>CD,差异极显著,同区域
喀斯特峰丛洼地石灰土上的相同生态系统相似
(5郾 02伊103—136.17伊103 kg C / hm2),如次生林的植
物碳贮量高达 116.76伊103 kg C / hm2,远高于峰丛洼
地石灰土上的次生林和红壤上的白桦林、马尾松落
叶阔叶混交林[26,27鄄28](表 6)。 不同生态系统植被各
层次的碳储量贡献不同,次生林和人工林两类乔木
层的碳贮量占绝对优势,分别为总碳贮量的 93.36%
和 88.05%,灌丛的灌木层碳贮量贡献高达 87.64%,
草地的草本层碳贮量贡献率为 100%。 同一层次不
同生态系统碳贮量也不同,乔木层人工林极显著高
于次生林;灌木层为 GC>CSL>RGL,差异极显著;草
本层为草地极显著高于灌丛、人工林、次生林。
表 6摇 不同生态系统类型土壤、植被碳贮量比较
Table 6摇 The comparison of carbon storage in soil and vegetation in different ecosystems
森林类型
Forest types
地点
Sites
土层厚度
Soil thickness /
(103kg C / hm2)
土壤碳 Soil carbon /
(103kg C / hm2)
含量
Content
贮量
Storage
植被碳贮量
Vegetation
carbon storage /
(103kg C / hm2)
文献
References
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Secondary forest in Canyon type 贵州省晴隆县 30 44.11 126.11 229.61
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Secondary forest in Cluster鄄peak鄄
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中亚热带常绿阔叶林
Evergreen broad鄄leaved forests in
mid鄄subtropical
湖南省会同县 60 20.08 65.73 110.98 [28]
3.2摇 土壤有机碳
西南峡谷型喀斯特受亚热带湿润季风气候影响
较大,优越的温湿条件既有利于生物的繁衍和生长,
增加生物“自肥冶作用,同时加速了岩石的溶蚀、风化
和土壤的形成与发育进程[29]。 土壤有机碳含量为
16.70伊103—44.11伊103kg C / hm2,远高于同纬度地区
红壤[30],以次生林为例,其含量高达 44.11伊103kg C /
hm2,远高于同纬度地区红壤上的白桦林和马尾松落
叶阔叶混交林,同时也高于同纬度地区峰丛洼地石
灰土上的次生林(表 6)。 土壤碳贮量略低于同纬度
地区红壤上的白桦林,但远高于同纬度地区峰丛洼
地次生林和马尾松落叶阔叶混交林。 不同生态系统
土壤碳含量和碳储量大小不同,碳含量的大小顺序
为 CSL>RGL >GC>CD>ST>HD,碳储量的大小顺序
为 CD>CSL>HD>ST>RGL>GC,且土壤碳含量与碳贮
量均随深度的增加而显著的降低,且降低程度与土
壤深度(层次)有较好的线性关系,土壤碳含量 R2的
范围在 0.891与 0.960之间;土壤碳贮量 R2的范围在
0.823与 0.955之间(Y=aX+b,式中 Y 为土壤碳含量
或碳贮量,X为土壤层次,a 和 b 为拟合参数;表 7),
其原因一是表层凋落物多,有机质分解量大,二是在
野外采集样品时发现表层的细根要明显多于下层,
凋落物的增加、根系的垂直分布及其穿插作用直接
影响到土壤剖面各层次的有机碳[31]。 可见,小尺度
上土壤碳贮量主要取决于土层厚度和植物群落,而
在更大的尺度上,则还与土壤、气候、土壤理化性质、
人为干扰等因子有关。
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表 7摇 土壤碳与土壤深度的关系
Table 7摇 Relationships between soil carbon content (SOC), soil carbon storage and soil depth
生态系统
Ecosystems
土壤碳含量
SOC content / (g C / kg) R
2 土壤碳贮量
Carbon storage / (103kg C / hm2) R
2
ST Y= 31.742-4.726X 0.910 Y= 39.556-5.164X 0.947
HD Y= 26.225-3.175X 0.927 Y= 32.652-3.116X 0.955
CD Y= 30.180-3.456X 0.953 Y= 42.912-5.000X 0.903
GC Y= 36.198-6.914X 0.891 Y= 36.806-6.652X 0.823
RGL Y= 56.569-10.729X 0.960 Y= 60.433-10.881X 0.937
CSL Y= 53.857-5.043X 0.943 Y= 59.243-5.263X 0.869
3.3摇 碳分布格局
峡谷型喀斯特 6 种生态系统的总碳贮量为
112郾 26—261.21伊103 kg C / hm2,其大小顺序为 CSL>
RGL>CD>HD>GC>ST,其中群落发育程度较高的次
生林的总碳贮量高达 261.21伊103 kg C / hm2,高于同
区域喀斯特峰丛洼地上次生林和红壤上的白桦林、
马尾松落叶阔叶混交林,但远低于红壤上的岷江冷
杉林(618.86伊103 kg C / hm2)和紫果云杉林(729.92伊
103 kg C / hm2) [13鄄15],不同生态系统碳储量的分布格
局不同,地被物的贡献最低,仅为 0.25伊103—4.90伊
103 kg C / hm2,次生林和人工林的碳贮量为植物大于
土壤,地上大于地下,灌丛的植物和土壤碳贮量相
似,地下高于地上,草地、旱地、水田均为土壤大于植
物,地下大于地上。
本研究虽然计算了地被物层的碳贮量,涉及到
不同植物层次和地下土壤根系,但没有涉及到土壤
微生物和土壤动物碳贮量、C 周转、群落结构的变化
等,即本文所研究的是“某一个时间点冶的生态系统
碳贮量,其大小顺序为 CSL>RGL>CD>GC>HD>ST。
其中,次生林的土壤碳含量最高,为 44.11 g C / kg;而
人工林的植物碳贮量最高,为 121.53伊103 kg C / hm2;
并且各生态系统土壤碳贮量与土壤碳含量均以土壤
深度之间有良好的线性关系。 实际上,生态系统的
碳贮量将随时间而发生相应的变化。 不同生态系统
碳贮量通常存在较大差异,受研究条件限制,各生态
系统类型的立地因子(如海拔、坡度、坡位)和主要林
分因子(如林分年龄)存在较大差异,使结果的可比
性较低。 此外,样地和标准木数量限制也可能会导
致碳贮存评估的精确度降低。 今后研究中应考虑土
壤微生物、群落结构动态所导致的碳贮量变化,尽量
获取大量有代表性的生态系统碳贮量实测数,减少
区域尺度碳平衡研究中的不确定性,从而为区域碳
贮量的精确评估提供充足的基础数据。
本研究初步发现峡谷型喀斯特生态系统碳贮存
潜力很大,如改造水田和旱地的单一模式,实行间作
耕种模式确保一年四季都有适合其的植物生长;适
当对草地和灌丛施加有机肥,提高其植物生长速度,
增加碳贮量。 总之合适的树种及其搭配比例、退耕
还草造林模式和生态系统管理对策等措施,是促进
该区域植被恢复和增加碳贮存的关键,同时对减缓
全球大气 CO2浓度升高也有着重要意义。
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