人工紅松中齡林含碳率研究

孫 虎，李鳳日，賈煒瑋，孫美歐，王 蒙

（東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，哈爾濱 150040）

目前，隨著人們對生態(tài)環(huán)境變化的認識，尤其是對氣候變暖問題越來越關(guān)注，研究生物圈碳循環(huán)已經(jīng)成為熱點和前沿［1］。CO2是眾所周知的溫室氣體，有學(xué)者研究表明，其在大氣中含量的增多是造成全球氣候變暖的主要原因之一［2］。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，研究森林生態(tài)系統(tǒng)生物量以及碳儲量的動態(tài)變化，可以為合理地利用森林資源以及提高其固碳能力提供依據(jù)。估算森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的方法很多，但是其主要原理都是通過直接或者間接得到森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量（現(xiàn)存量），再乘以其組成植被的含碳率而得到的，所以對森林生物量和植被含碳率的準確測定成為了估算森林碳儲量的關(guān)鍵因素［3］。對于森林生物量的研究已有很多，隨著估算精度的提高和數(shù)據(jù)資料的積累，森林生物量的估算勢必更加精確。但是目前關(guān)于植被含碳率的研究依然很少，國內(nèi)外很多學(xué)者都采用0.50或者0.45作為碳轉(zhuǎn)化系數(shù)進行碳儲量的估算［4－5］，而且很少把喬木、灌木和草本的含碳率區(qū)分對待。根據(jù)賈煒煒等［6］、徐曉靜等［7］和鄭帷婕等［8］的研究結(jié)果得知，植被種類以及不同的分布區(qū)域都會對植被含碳率造成影響，因此分別測定各區(qū)域各種植被的含碳率是很有必要的。由于森林生態(tài)系統(tǒng)自身組成的多樣性以及其分布區(qū)域的復(fù)雜性，針對較小區(qū)域的專門研究就尤為重要［9］。

紅松（Pinus koraiensis），是東北地區(qū)主要建群種之一，其樹干通直，材質(zhì)優(yōu)良，果實營養(yǎng)豐富，具有極高的經(jīng)濟價值。其典型林分類型——闊葉紅松林，是東北地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的頂級群落，具有極高的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力，生態(tài)價值巨大［10］。由于歷史上的種種原因，天然紅松資源遭到嚴重破壞，經(jīng)過幾十年的恢復(fù)和重建后，紅松資源得以休養(yǎng)生息。目前黑龍江省人工紅松重點生態(tài)公益林面積已達到7 857 hm2，蓄積量545 372 m3，固碳潛力巨大，準確合理地估算紅松人工林的固碳能力，將成為評價紅松生態(tài)經(jīng)濟價值的有力支持，也可以為紅松資源的合理利用以及持續(xù)發(fā)展提供依據(jù)。本研究從人工紅松解析木以及林下枯落物層和植被層的含碳率出發(fā)，對其含碳率進行基礎(chǔ)分析和研究，為區(qū)域范圍內(nèi)紅松人工林碳儲量的估算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究地區(qū)概況

黑龍江省位于中國東北，E121°11′～135°05′，N43°25′～53°33′，面積約為 46.9 萬 km2。氣候類型屬于中溫帶到寒溫帶過渡的大陸性季風氣候，年平均氣溫－4～5℃，冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，春秋季多大風，全年溫差近10℃。本區(qū)面積遼闊，地形復(fù)雜多樣，西南部是松嫩平原，西北部為大興安嶺山地，東北部為小興安嶺山地，東南部是東部山地（張廣才嶺、老爺嶺和完達山等）以及東部的三江興凱湖平原。整體來看，平原面積遼闊，地勢低平，呈現(xiàn)出西北部和東南部高，東部、西南部低的地勢走向。森林覆蓋率高達43.6%，森林資源以天然林為主，人工林面積也在逐年增加，主要以紅松、落葉松、樟子松和楊樹等長勢較快、木材性質(zhì)良好的樹種居多。森林主要分布在大小興安嶺、長白山脈和完達山等區(qū)域。

本研究按照黑龍江省紅松人工林分布區(qū)域和地形地勢的關(guān)系，在慶安、阿城、雞東和勃利這4個重點生態(tài)公益林縣市設(shè)置4塊標準地，每塊樣地按照徑階大小選伐6株樣木，共獲得24棵人工紅松解析木。各樣地主要調(diào)查因子及各樣木主要測樹因子見表1和表2。

表1 紅松人工林各樣地主要調(diào)查因子Tab.1 Summary of the main factors of planted Pinus koraiensis forest plots

表2 人工紅松各樣木測樹因子統(tǒng)計量Tab.2 Summary of the main factors of planted Pinus koraiensis sample trees

2 樣品收集和測定

2.1 樣品收集

在選定區(qū)域內(nèi)選擇立地條件相似，林分特征差異不顯著的地塊設(shè)置30 m×30 m標準地，進行樣地調(diào)查。以樣地每木檢尺數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按照等斷面積標準木法［11］確定解析木，每塊樣地分別獲得優(yōu)勢木、中等木和被壓木各2株。再結(jié)合生物量調(diào)查方法獲取解析木各部分樣品，包括樹干（1.3 m處圓盤）、樹枝、樹葉和樹根（按照樹根的粗細分為3個等級，分別為0.2～2 cm、2～5 cm和 ＞5 cm）。每個樣地內(nèi)隨機布設(shè)3個1 m×1 m的小樣方，收集林下層灌木和草本樣品，設(shè)置3個0.5 m×0.5 m的小樣方收集林下層枯落物 （枯枝、枯葉和半分解層）樣品。所有收集的樣品帶回實驗室進行含碳率測定。

2.2 含碳率測定

將樣品帶回實驗室，在85℃恒溫烘箱中烘干至恒重，然后研磨樣品（將樹干樣品分為心材、邊材和樹皮3部分分別研磨）。為使樣品充分混勻，研磨前先將樣品切碎，然后用中藥粉碎機反復(fù)對樣品進行研磨，使樣品通過50目的土壤篩，以保證樣品充分混勻以及使用碳氮分析儀測定，樣品可以完全灼燒。將所有樣品粉碎研磨之后，在使用碳氮分析儀測定之前還需要將樣品放入85℃烘箱中烘干24 h，以保證樣品為絕干狀態(tài)。關(guān)于木質(zhì)樣品含碳率的測定，有濕燒法和干燒法兩種。根據(jù)文獻資料，干燒法相對于濕燒法來講，誤差更小，大約在±0.3%［12－13］，所以本研究采用干燒法，使用德國產(chǎn)Multi C/N 2100S碳氮分析儀，對所有采集樣品含碳率進行測定。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2003和Mintab18.0軟件對數(shù)據(jù)進行整理分析，基于方差分析和多重比較（LSD）研究林木胸徑、器官和分布區(qū)域?qū)α帜竞悸实挠绊懀约傲窒聦痈鞑糠趾悸实牟町愋?。所有比較及檢驗均采用0.05%的顯著水平。

3 結(jié)果與分析

通過參考李江等［14］研究結(jié)果和分析本研究數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，樹木胸徑、年齡、分布區(qū)域和樹木的不同器官等因素都對樹木含碳率有影響。在分析某一因素是否對含碳率有影響之前，首先應(yīng)該考慮各個因素之間是否有交互作用。本研究獲得的解析木年齡都非常接近，屬于同一個齡組，因此可暫不考慮年齡對含碳率的影響，只考慮胸徑、器官、分布區(qū)域或者三者的兩兩組合對樹木含碳率的影響［15］。

3.1 解析木胸徑對含碳率的影響

分析數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)解析木胸徑對其含碳率的影響是單一的，和解析木的不同器官（P=0.547＞0.05）以及解析木的不同分布區(qū)域（P=0.745＞0.05）沒有交互作用，因此分別在每個區(qū)域分析解析木胸徑大小對含碳率的影響，結(jié)果見表3。4個區(qū)域情況一致，解析木胸徑對各個器官（樹干、樹枝、樹葉和樹根）含碳率沒有顯著影響（P＞0.05）。因此可以將24株解析木當作一個整體分析解析木胸徑對各器官含碳率的影響，結(jié)果如圖1所示。以簡單的線性關(guān)系表示樹干、樹枝、樹葉和樹根隨樹木胸徑增大時的變化情況發(fā)現(xiàn)，樹干和樹根含碳率的變化和樹木胸徑的增長成正比，分別在 0.450 ～0.558 和 0.442 ～0.624 之間波動，樹枝和樹葉則比較平穩(wěn)，隨樹木胸徑的增大含碳率變化不明顯。

圖1 樹木器官含碳率和胸徑的簡單線性關(guān)系Fig.1 The simple linear regression between tree diameter and organ carbon content

表3 不同徑級樹木各器官含碳率比較Tab.3 The comparison of carbon content of each organ among different tree diameters

3.2 解析木分布區(qū)域和解析木各器官對含碳率的影響

分析發(fā)現(xiàn)解析木分布區(qū)域和不同器官對含碳率的影響有交互作用（P=0.028＜0.05），因此首先分別在每個區(qū)域以解析木各不同器官作為單一變量分析各器官含碳率的差異，結(jié)果見表4。通過單因素方差分析和多重比較發(fā)現(xiàn)，在小興安嶺南坡和張廣才嶺西坡解析木各器官之間含碳率沒有顯著差異，張廣才嶺東坡和完達山區(qū)域情況相反。張廣才嶺東坡解析木各器官含碳率大小為樹枝＞樹葉＞樹根＞樹干，樹枝和樹葉、樹葉和樹根、樹根和樹干含碳率都無顯著差異，但是樹枝和樹根、樹枝和樹干之間含碳率差異都達到顯著水平;完達山區(qū)域情況類似，各器官含碳率大小為樹葉＞樹枝＞樹根＞樹干，樹枝和樹葉含碳率也無差異，但是樹枝和樹根、樹葉和樹根、樹根和樹干之間含碳率都差異顯著。以解析木分布區(qū)域作為單一因素分析每個器官含碳率是否有差異，結(jié)果見表5。樹干、樹枝、樹葉和樹根在不同區(qū)域含碳率差異都達到顯著水平，平 均 值 分 別 在 0.470 7 ～ 0.511 2、0.462 6 ～0.500 8、0.473 0 ～ 0.510 8和0.461 5 ～ 0.522 8之間波動。

表4 相同區(qū)域不同器官之間含碳率的差異Tab.4 Difference of carbon content of each organ in the same area

表5 不同區(qū)域相同器官含碳率的差異Tab.5 Difference of carbon content of the same organ in different area

3.3 林下層各部分含碳率比較

分析發(fā)現(xiàn)由于分布區(qū)域和林下層各部分的不同對林下層枯落物層和林下植被層的含碳率同時有影響（P=0.00＜0.05），因此分別考慮區(qū)域因素和林下層各部分的不同，分析其對含碳率的影響，見表6和表7。在同一個區(qū)域內(nèi)部，除張廣才嶺西坡之外，其余3個區(qū)域林下層各部分含碳率差異都顯著，并且枯枝和枯葉含碳率都明顯高于其他各部分，并且林下植被層含碳率都沒有顯著差異;不同區(qū)域之間，林下枯落物和植被層含碳率都達到差異顯著水平。

表6 相同區(qū)域林下層各部分含碳率差異Tab.6 Difference of carbon content at each part of understory layer in the same area

表7 不同區(qū)域林下層各部分含碳率比較Tab.7 Difference of carbon content at each part of understory layer in different area

4 結(jié)論與討論

通過比較分析發(fā)現(xiàn)，人工紅松胸徑大小對含碳率沒有影響，這和李江等［14］研究結(jié)論不相符合，可能是由于沒有考慮年齡因素或者是胸徑區(qū)間較窄而影響了研究的準確性，在今后的研究中還需要進一步驗證。通過比較解析木各器官含碳率在同一區(qū)域和不同區(qū)域之間的差異性發(fā)現(xiàn)，對于小興安嶺和張廣才嶺西坡的人工紅松來說，可以用各個器官含碳率的平均值作為整株樹木的含碳率計算碳儲量的轉(zhuǎn)化系數(shù)，分別是0.510 1和0.465 3;而張廣才嶺東坡和完達山人工紅松各器官含碳率都有顯著差異，所以在估計碳儲量時因該分別對含碳率進行實際測量，具體數(shù)值見表4。由此可見人工紅松含碳率變異較大，和現(xiàn)在通用的0.5或者0.45還是有一定差異，不能一概而論。林下枯落物層和植被層同樣是森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫組成的重要部分，因為各個部分含碳率差異較大，在0.467 5～0.391 3之間波動，因此需要實際測量，具體數(shù)值見表6。

由于各種因素的制約，造成此次研究缺陷較多。一方面由于本研究樣本量較少，涵蓋的徑級和齡級區(qū)間較小，可能對研究結(jié)果產(chǎn)生影響，無法知道這些范圍之外的具體情況;另一方面本文沒有涉及紅松果實含碳率的研究，由于紅松果實也具有相當一部分生物量，因此對碳的固定也有貢獻，若對其忽略不計，將對整個碳儲量的估計產(chǎn)生影響，這方面有待深入研究。

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