黄土高原地区林草生态系统碳密度和碳储量研究

【摘要】随着“退耕还林(草)”、天然林保护、封山禁牧等生态工程的实施，黄土高原地区的天然植被资源得到一定恢复，人工植被建设规模不断扩大，林草生态系统的碳汇功能进一步增强。针对目前黄土高原地区林草生态系统碳密度数据相对匮乏和区域尺度林草生态系统碳储量尚未清晰的研究现状，本研究以黄土高原地区典型森林和草地生态系统为研究对象，采用野外调查与室内分析相结合的方法，分析和比对了典型林草生态系统的碳密度及其库间分配，估算了宁夏地区森林生态系统和黄土高原地区天然草地生态系统的碳储量，并揭示了其空间分布格局。主要研究结果如下：1.九个天然林样点(六盘山白桦林、六盘山辽东栎林、固原山杨林、贺兰山油松林、罗山青海云杉成熟林、罗山青海云杉中龄林、贺兰山青海云杉林、六盘山华山松+少脉椴林和罗山油松+山杨林)生态系统碳密度变化范围为228.77MgC·hm-2~444.77MgC·hm-2，其中罗山油松+山杨林最高，华山松+少脉椴林最低。天然林土壤碳密度与生物量碳密度的平均比值为4.09。各天然林样点的土壤碳密度变化范围为170.15MgC·hm-2~354.29MgC·hm-2，50~100cm土层碳密度对整个剖面土壤碳密度的平均贡献率为41.65%。9个天然林样点平均生物量碳密度为75.86MgC·hm-2，其中，乔木层碳密度占66.00%~90.31%，细根和凋落物层的比例均为13%，灌木层和草本层贡献最少。2.七个人工林样点(固原小叶杨中龄林、吴忠小叶杨成熟林、吴忠榆树林、平凉刺槐林、六盘山油松林、六盘山华北落叶松林和六盘山青海云杉林)生态系统碳密度变化范围为132.85MgC·hm-2~469.86MgC·hm-2，六盘山青海云杉林最高，吴忠小叶杨成熟林最低。各人工林土壤碳密度在89.31MgC·hm-2~419.54MgC·hm-2之间变化，平均为生物量碳密度的4.29倍。人工林生物量碳密度的变化范围为11.59MgC·hm-2~155.47MgC·hm-2，其中六盘山油松林最高，吴忠榆树林最低。乔木层碳密度占人工林生物量碳密度的比例为56.48%~93.52%。3.放牧和封育5年、9年、15年、22年、25年、30年的天然草地生态系统碳密度变化范围为212.72MgC·hm-2~350.42MgC·hm-2，其中，封育30年草地最高，放牧草地最低，且显著低于各封育草地(P<0.05)。不同封育年限天然草地的土壤碳密度在204.90MgC·hm-2~337.36MgC·hm-2之间变化，表现出随封育时间增加而持续增长的趋势。各样点的生物量碳密度在7.82MgC·hm-2~15.65MgC·hm-2之间变化，以封育15年草地最高，放牧草地最低。根系碳密度占草地生物量碳密度的平均比例为82.56%。4.不同立地条件下紫花苜蓿人工草地生态系统碳密度变化范围为193.26MgC·hm-2~247.88MgC·hm-2，其中，阴坡上样点最高，阳坡中样点最低。阴坡草地的生态系统碳密度显著均值高于阳坡草地(P<0.05)。各人工草地土壤碳密度变化范围为189.95MgC·hm-2~244.09MgC·hm-2，阴坡草地的均值为阳坡的1.20倍。各人工草地的生物量碳密度在2.99MgC·hm-2~5.03MgC·hm-2之间变化，其中阴坡下草地最高，其次为阴坡上草地。根系是人工草地生物量碳密度最重要的组成部分，其碳密度平均为地上部分碳密度的2.57倍。5.天然林和人工林的生物量碳密度、土壤碳密度和生态系统碳密度之间均未出现显著性差异(P>0.05)，而天然草地的生物量碳密度、土壤碳密度和生态系统碳密度均显著高于紫花苜蓿人工草地(P<0.05)。上述结果表明，黄土高原地区天然林和人工林生态系统的固碳水平相近，而天然草地的固碳能力高于紫花苜蓿人工草地。综合比较结果显示，森林的生物量碳密度和生态系统碳密度显著高于草地(P<0.05)，但二者的土壤碳密度之间无显著性差异(t=-0.909,P=0.306)。6.宁夏地区各森林类型生态系统碳密度大小顺序为：寒温性针叶林>温性针阔混交林>温性针叶林>落叶阔叶林。应用平均碳密度法和面积-蓄积量法对宁夏全区森林碳量进行估算的结果分别为26.18TgC和23.43TgC(2000年)、42.35TgC和41.06TgC(2005年)、51.20TgC和42.75TgC(2010年)，表明森林碳储量随时间推移持续增加。宁夏地区森林生态系统的碳储量总量较低，呈南高北低的分布格局。7.黄土高原地区天然草地的生物量碳储量、土壤碳储量和生态系统碳储量分别为0.20Pg、3.50Pg和3.70PgC。该区天然草地碳密度的分布格局为由西南部和东南部向西北部递减。各类型天然草地的生态系统碳密度在138.17MgC·hm-2~354.96MgC·hm-2之间变化，大小顺序为：高寒草原>草甸草原>典型草原>荒漠草原(P<0.05)。生物量碳密度和土壤碳密度分别占生态系统碳密度的2.06%~6.23%和93.77%~97.94%。本研究为我国陆地生态系统碳循环的研究提供了基础数据，为黄土高原地区植被的经营管理和生态环境的持续健康发展提供了理论支持，是相似地区的林草生态系统碳密度和碳储量估算的可靠参考。
【作者】高阳；
【导师】程积民；
【作者基本信息】西北农林科技大学，草业科学，2014，博士
【关键词】林草生态系统；生物量；土壤；碳密度和碳储量；黄土高原；

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