1. 引言
森林是陆地生态系统的主体，其地上植被生物和土壤中储存了大量碳，并且与大气层进行交换，因此对全球生态系统碳循环具有重要意义[1] -[4] 。2014年全国第八次森林资源普查数据表明，全国森林面积2.08亿公顷，森林覆盖率达21.63%，人工林面积从原来的6169万公顷增加到6933万公顷[5] ，是人工林现存面积最大的国家。发展人工林面积，提高我国森林固碳增汇的潜力，对于我国人工林增碳汇经营意义重大。因而在不同地区的气候和立地条件下，研究树种人工林林分的生长状况，构建林木生物量方程，测算林分碳储量是一项重要研究任务。
上海位于我国长三角中心地区，是我国重要的金融中心。近年来，随着上海地区经济的快速发展，城市污染问题也越来越突出，人们对环境保护和生态文明建设的意识越来越强烈。上海林业近年来也得到了快速发展，自上世纪末，上海地区先后开展了外环林带、黄浦江上游水源涵养林等一批重大林业工程建设，截至2009年，最新森林资源清查数据结果表明，上海地区森林总面积达7.9万hm2，森林覆盖率为12.58%[6] 。这些新造林主要集中在郊区，且人工林正处于幼龄快速生长阶段。广玉兰由于树冠高大、叶片四季常绿荫浓，是我国城市园林绿化的观赏树种之一，在我国北京、河南、江苏、浙江等地分布较广[7] 。在上海地区，广玉兰作为城区园林绿化树种和郊区造林树种之一，对上海地区林业建设中也起到了重要作用，其栽植面积约为2285.3 hm，占全市森林总面积的2.3%[6] 。
目前关于广玉兰生物量和碳储量的研究还较少[8] ，而对上海地区广玉兰生物量方程构建和林分碳储量的研究也还未见报道。综上所述，本文研究目的有：1)构建上海地区广玉兰生物量方程，为研究上海及周边地区广玉兰人工林林分生物量和碳储量奠定基础；2)用构建的生物量方程，估算广玉兰人工林林分生物量和碳储量；3)通过系统研究广玉兰人工林生态系统碳储量，完整地展示广玉兰人工林林分碳储量分布特点。
2. 研究地区与研究方法
2.1. 研究区域
本文研究区域位于黄浦江中上游松江区泖港镇晨兴生态林内。自2003年松江区进行黄浦江水源涵养林工程建设以来，截止2009年，黄浦江中上游两岸已建成200~500 m宽的水源涵养林，总面积达0.33万公顷，黄浦江主干河流两侧60 km2、拦路港–泖河–斜塘–横潦泾两侧40 km2实现了森林全覆盖。松江区地势低平，地下水位较高，土壤为盐渍土，日照充分，温和湿润，年平均温度17.8℃，年降雨量1200 mm。该区域水源涵养林主要造林树种包括香樟(Cinnamomum camphora)、水杉(Metaseguoia glyptostroboides)、女贞(Ligustrum lucidum)、黄山栾树(Koelreteria interifolia)等。
2.2. 研究方法
2.2.1. 样地选择
在松江区晨兴水源涵养林内，选择树木生长良好、立地条件相似，人为干扰较少的广玉兰人工纯林设置样地(表1)。样地大小为20 m × 30 m，共3个重复样地，分别命名为M1、M2和M3。本研究外业调查和采样时间为2012年6月下旬，由于当地林业养护部门定期对水源涵养林进行维护，在与林业养护部门沟通协商后，本研究的凋落物外业调查取样时间为2012年11月。
2.2.2. 乔木层标准木调查取样
对样地内的树木进行每木调查，测量并记录每株广玉兰乔木胸径和树高，以2 cm为一个径阶，统计每个径阶范围内的乔木株数和平均胸径，采用径阶标准木法在每个径阶内选取1~2株胸径最接近径阶平均胸径的乔木作为标准株，本文共选取广玉兰标准木5株。
标准木的根部分采用“全挖法”测定地下部分根的鲜重；标准木的树干部分生物量测定采用“分层切割法”进行，以1 m定长测定树干的鲜重；采用“标准枝法”测定枝、叶部分总鲜重，对每株标准木的各个器官均取鲜样约500 g，(树干部分每段截取1个圆盘)，带回实验室在80℃条件下烘干至恒重，计算出含水量，换算成干重。
2.2.3. 乔木层生物量方程构建
本研究以胸径DBH为自变量，以树种各个器官(根、干、皮、枝、叶)生物量为因变量，利用二元幂函数进行生物量模型回归，生物量方程形式为：
(1)
2.2.4. 土壤碳储量估测
由于该地区土壤地下水位较高，实测值为37 cm，故本试验土壤碳储量为0~30 cm土壤层碳储量。具体方法为在每个样地中按对角线法设定土壤取样点5个，每个取样点按0~10 cm、10~20 cm、20～30 cm分层取样di (cm)。将同一土层样品混合后带回实验室。同时用环刀法测定各层次土壤容重Di (g·cm−3)。将各层次土壤混合样品带回实验室后，经风干研磨过0.149 mm土壤筛，用重铬酸钾-外加热法测定有机碳含量Ci (g·kg−1)；土壤50 cm深度土壤有机碳储量用下式计算：
(2)
式中，i为土壤层次。
2.2.5. 凋落物碳储量估测
在广玉兰人工林林分调查中发现，当地林业养护部门按照当地政府要求，定期对林下植被层进行养
Table 1. General conditions in M. grandiflora stands
表1. 广玉兰人工林林分样地概况
护收割，因此林下地被层植被稀少，本试验只对样地林分枯落物层生物量进行计算。在每个样地内，按对角线法设置5个1 m × 1 m的小样方；采用全收获法将凋落物样品收集。在实验室将样品于80 ℃下烘干，测定烘干重，估算单位面积内凋落物生物量。
2.2.6. 碳储量估算
一般植物碳素含量转换率为0.45~0.55，本文根据前人研究结果，取0.5作为生物量碳储量转换因子，计算林分碳储量[9] [10] 。
2.2.7. 数据处理
本试验数据的统计处理采用Excel (Microsoft Inc. 2007)进行，试验数据分析及生物量方程的拟合则用SigmaPlot 10.0 (Systat Inc. US)软件进行。
3. 结果与分析
3.1. 树种生物量方程
广玉兰的各组分生物量方程见表2。各组分的生物量与测树因子DBH间具显著相关性(P < 0.05)，可见各组分的生物量方程拟合效果较好。其中树皮的生物量方程决定系数R2达到0.99，P < 0.001。树根的生物量方程决定系数R2较其他组分低，为0.895，P < 0.05。由表2可知广玉兰胸径DBH与生物量有良好的相关性，所构建的生物量方程都具有很高的适用性，可以用来估测样地林分中立木及各组分的生物量大小。
3.2. 人工林乔木层生物量碳储量
表3中M1、M2和M3分别代表三个广玉兰人工林样地。三个样地林分生物量大小分别为14.6 t·hm−2、13.1 t·hm−2和14.2t·hm−2，乔木层碳储量则分别为7.3 t·hm−2、6.6 t·hm−2和7.1 t·hm−2。表3中三个广玉兰样地林分乔木层生物量和碳储量均值分别为14.0 t·hm−2和7.0t·hm−2。9年生广玉兰人工林乔木层各组分的生物量和碳储量大小差异较大(表3)。广玉兰人工林林分乔木层树干部分的生物量和碳储量所占比例最大一般可达35%以上，其次为根、叶和枝部分，分别为25%、16%和12%。皮部分的生物量和碳储量所占比例最小，一般在7%。
表4为广玉兰人工林乔木层平均单立木及各组分生物量。三个样地林分乔木层单立木的生物量分别为16.39 kg、15.34 kg和16.28 kg。单立木各个器官的平均生物量为：树根4.24 kg，树干5.86 kg，树皮1.13 kg，树枝2.03 kg，树叶2.73 kg。广玉兰立木各器官生物量和碳储量大小排序一般为树干 > 树根 > 树叶 > 树枝 > 树皮。
3.3. 广玉兰人工林土壤碳储量
在广玉兰人工林样地土壤中，M3林分0~30 cm土壤碳储量最大(51.3 t·hm−2)，其次为M1和M2 (43.8 t·hm−2，39.8 t·hm−2)，三个样地的土壤碳储量均值是45.0 t·hm−2。在林分土壤各层次中，土壤10~20 cm碳储量一般较高，其次为0~10 cm，土壤20~30 cm土壤碳储量最小(图1)。
Table 2. Allometric biomass equations of different organs for M. grandiflora
表2. 广玉兰各器官生物量方程
Table 3. Biomass and carbon storage of tree layers in M. grandiflora stands
表3. 广玉兰人工林乔木层各组分生物量碳储量(t·hm−2)
a：M1、M2和M3分别代表3个重复样地；b：生物量碳储量转换因子0.5；c：括号中数值表示树种各组分所占乔木层生物量的比例。
Table 4. Biomass of standard wood in M. grandiflora stands
表4. 广玉兰人工林乔木层平均单立木生物量(kg)
a：生物量碳储量转换因子0.5。
3.4. 广玉兰人工林生态系统碳储量
在3个样地林分中，广玉兰人工林生态系统总碳储量分别为59.3 t·hm−2、53.8 t·hm−2和66.4 t·hm−2(表5)。其中，土壤层碳储量所占比例最大(P173.8%、P2 74.1%、P3 77.3%)，其次为乔木层碳储量(P1 24.6%、P2 24.3%、P3 21.4%)，凋落物层碳储量所占比例最小(P1 1.6%、P2 1.6%、P3 1.3%)(表5)。由表5可知广玉兰人工林生态系统碳储量均值为59.9 t·hm-2，土壤层碳储量所占比例最大为75.1%，乔木层碳储量占23.4%，而凋落物层碳储量所占比例最小，不到林分生态系统总碳储量的2%。
4. 结论与讨论
4.1. 生物量方程构建
通过构建乔木异速生长方程来对林分尺度上森林生物量和碳储量的估测，是一种广泛应用的方法[11] 。
Figure 1. Carbon storage of different soil depths in M. grandiflora stands
图1. 广玉兰人工林林分土壤碳储量
Table 5. Carbon storage and its allocation in three M. grandiflora stands
表5. 不同树种人工林林分碳储量及空间分配
本研究中广玉兰人工林乔木胸径(D)与各器官的生物量BM的异速生长方程，拟合效果较好(一般R2 > 0.90，P < 0.05)。通常在林分调查中，树高(H)测量比胸径(D)的测量要困难许多，且树高的测量误差较大，因而，在乔木生物量回归方程的构建中，树木胸径(D)常常作为自变量来进行生物量的估算[12] -[16] 。本研究正是基于此，构建了上海黄浦江中上游广玉兰人工林乔木器官及立木基于胸径生长的生物量方程，目前，关于上海地区人工林树种生物量方程的报道还较少[17] -[20] ，而本研究中构建的广玉兰人工林立木及各组分生物量方程，对于准确估算上海地区广玉兰人工林生物量碳储量具有重要意义，同时采用异速生长方程的方法，构建上海地区主要树种生物量方程，对于市域尺度上的上海地区森林生物量碳储量估测，提供了方法学基础。
4.2. 广玉兰人工林乔木层碳储量及其分配格局
本研究表明，上海地区广玉兰人工林乔木层碳储量为14.0 t·hm−2，低于我国森林植被平均碳储量(57.78 t·hm−2)[21] 。另外，根据我国人工幼龄林碳密度的研究结果[22] [23] ，我国人工幼龄林植被碳密度在15.00~19.51 t·hm−2，华东地区的森林植被碳密度是26.58 t·hm−2，与本文研究结果相比，上海地区广玉兰人工林植被碳密度相对我国及华东地区人工幼龄林平均碳密度。与上述结果相比，本文中9年生广玉兰人工林乔木层生物量和碳储量相对较小，这可能是由于林分栽植密度过大造成树木生长发育受限，养分竞争剧烈。根据当地林业部门资料显示，2003年进行造林时，林木栽植密度一般都在2000株·hm−2以上。
本研究中，广玉兰乔木层生物量碳储量分配格局表明，树干部分所占比例最大(35%)，其次为树根部分(26%)、树叶(16%)和树枝(12%)，最小为树叶部分(7%)。本研究的乔木生物量碳储量分配特征与相关树种生物量研究结果基本一致[24] 。
4.3. 广玉兰人工林土壤碳储量
本研究中，广玉兰人工林林分土壤(0~30 cm)碳储量仅为45.0 t·hm−2，与我国森林生态系统土壤(0~100 cm)碳储量平均值(201.76 t·hm−2)[21] 相比，仅为我国森林土壤碳储量均值水平的四分之一，这主要是由于黄浦江中上游地区地下水位较高，且林地多由农田转化而来，造林时间相对较短，因此广玉兰人工林随着林分生长和发育，广玉兰人工林土壤碳储量具有较高的增汇潜力。
本文通过构建广玉兰立木及各组分生物量方程的方法，估测了黄浦江中上游广玉兰人工林乔木层生物量和碳储量，并通过样地实测数据估算了广玉兰人工林凋落物层、土壤(0~30 cm)的碳储量，为系统估算上海市域尺度上森林生物量和碳储量奠定了基础。
广玉兰作为我国主要城市的园林绿化和庭院绿化树种之一，在吸收污染物、固碳释氧方面具有很好的生态服务效益。本文仅对黄浦江中上游地区水源涵养林内的广玉兰人工幼龄林进行标准木砍伐和构建生物量方程，但是由于标准木胸径都偏小，而对于城区广玉兰中龄林及成熟林的高大乔木缺乏大径阶标准木，因而本文所构建的广玉兰生物量方程还具有一定的局限性，在准确估测大径阶广玉兰乔木生物量时会出现一定程度的误差。基于此，本文今后的研究方向应注意补充大径阶广玉兰标准木，完善生物量方程，以期为准确估算市域尺度上森林固碳现状、速率和潜力提供研究基础。
致 谢
感谢马克平研究员、刘春江教授给予本文提出宝贵意见；感谢上海市松江区林业站对本次试验外业调查取样给予了极大帮助；感谢王紫君、杜宝明等人参与野外调查试验。
项目基金
中国科学院战略性先导科技专项(XDA05050204)和上海市科技兴农重点攻关项目(沪农科攻2011第1~6)和上海市绿化和市容管理局局管项目G141208资助。