本研究中两典型森林生态系统乔木层相应各器官的碳含量之间均存在显著差异。刺槐人工林乔木层各器官的碳含量与之前的研究结果基本一致[19]。而辽东栎林的林下灌木层、草本层的平均碳含量均高于刺槐林,这可能与两林分不同的冠层结构及光合生态特性有关[20]。另外,两森林生态系统中垂直层次上各器官碳含量依次为乔木层>灌木层>草本层。乔木层叶片位于林冠上层,能够接受到较长时间日照,截获更多的能量,促进植物光合作用积累较多的有机物质,因而碳含量较高[21]。从整个植被层来看,刺槐人工林的碳密度为67.53 t/hm2,辽东栎天然次生林为76.89 t/hm2,均高于同一地区立地条件相接近的相同林分[15,22-23]和中纬度国家森林的平均植被碳储量57 t/hm2[24]。本研究结果高于陕西省栎类和硬阔类的碳密度[25],可能是由于计算方法以及林龄不同造成的差异。本研究结果明显高于西北地区植被碳密度[26](42.82 t/hm2)和我国的森林植被碳密度[27](41.00 t/hm2),这可能是因为本研究中涉及样地的林龄偏大,且林分密度较大。
净初级生产力是反映森林生态系统同化CO2能力的重要指标[28],本研究中刺槐林和辽东栎林生态系统植被层每年生产的干物质量分别为15.20,18.21 t/(hm2·a),高于前人的其他研究[15-16]。辽东栎林的生物量年增长量高于刺槐林,与张希彪等[29]研究报道的刺槐林生物量年增长量高于辽东栎林的结果刚好相反,这可能是由于林龄、立地条件以及计算方法不同造成的,另外植物所处环境及群落格局都会影响其生长,群落结构也是影响森林生态系统生产力的一个因素[30]。本研究得出刺槐林和辽东栎林植被层的固碳速率分别为6.12,7.19 t C/(hm2·a)高于相关研究[7,31]。地形、海拔和坡度等环境因子是影响阔叶林固碳的重要因素,这些因子不同时其所处位置的水分、养分、光照和土壤条件也不同,从而引起不同地区之间固碳速率存在很大差异[32]。
净生态系统生产力能够直接度量生态系统和大气之间CO2交换的状况,是表征生态系统碳汇功能的重要指标,能够直观评价生态系统的碳源汇功能[33]。本研究中刺槐林和辽东栎林的年净固碳量分别为1.814,0.966 t C/(hm2·a),辽东栎林的固碳量要高于刺槐林,但是其土壤异养呼吸量也高于刺槐林,使得刺槐林的年净固碳量约为辽东栎林的1.88倍。本研究结果低于杨凤萍等[10]在秦岭火地塘林区内对油松和华山松的估算结果[4.18,3.2 t/(hm2·a)],这可能是因为火地塘林区内降雨量充沛且温度适宜有利于油松和华山松生长,而在陕北黄土高原地区水、肥因子是各类型生态系统的主要限制因子[34]。刺槐林的年净固碳量与延安地区植被同一时期内的研究结果基本一致[2.0～3.0 t C/(hm2·a)][9],而辽东栎林则略低于这些研究结果。说明刺槐成熟林生态系统在本研究区域内仍然表现为重要的碳汇,因此在生态环境脆弱的黄土丘陵地区应加强对刺槐人工林的经营管理,以充分地发挥其生态功能,更好地改善当地生态环境。
目前,我国对森林碳汇的研究工作开展了很多,但是由于计算方法的不同且其受影响的自然和人为因素众多,使得估算结果存在较大差异[35]。本研究中估算的刺槐人工林和辽东栎天然林着重考虑的是地上生产力和碳汇功能,没有考虑细根生产力的影响,使得本研究结果可能会低估这两种森林类型的生产力和碳汇功能。森林生物量清查法作为传统的估算方法而被人们所普遍接受,为提高估算结果的准确性,应建立起统一的标准规范,在该规范下进行更精细的研究[36-37]。然而,每一种估算方法都有其不同的侧重和局限性,如何综合应用多种方法降低误差,更准确地估算森林碳汇,为碳循环模型和区域尺度碳平衡的估算提供更可靠的数据支撑是今后研究工作的要点。
