遼東山區(qū)蒙古櫟天然林固碳特征研究

魏文俊，尤文忠，柴兵，張慧東，顏廷武

(1.遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，遼寧沈陽 110032;2.遼寧省三北防護(hù)林工作總站，遼寧沈陽 110036)

以大氣CO2濃度增加和全球變暖為主要特征的全球氣候變化正在改變著陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，威脅著人類的生存與健康，成為世界社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和國際社會(huì)所面臨的最為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因而如何減緩與適應(yīng)全球氣候變化成為世界各國政府和科學(xué)家們最為關(guān)注的全球性生態(tài)與環(huán)境科學(xué)問題［1］。森林生態(tài)系統(tǒng)植被所固定的碳量約占陸地植被總固碳量的82.5%［2］。隨著《京都議定書》的簽定和生效，尋找控制或減輕碳釋放的途徑已成為當(dāng)前和今后世界各國迫切需要解決的重大問題;而通過造林、再造林和森林管理等活動(dòng)來增加陸地生態(tài)系統(tǒng)中的碳固定量，減緩CO2在大氣中的積累速度，無疑是一條極其重要的途徑［3－8］。準(zhǔn)確估算我國森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量不僅可以減少全球或區(qū)域碳平衡估算中的不確定性，而且對研究全球碳循環(huán)有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義［9，10］。目前大多數(shù)研究是關(guān)于森林植被碳儲(chǔ)量的估算［7－10］，還缺乏對森林植被碳密度及固碳速率動(dòng)態(tài)變化的研究。不同生長階段森林所固定CO2的量也不相同，因此有必要深入研究森林植被固碳速率的動(dòng)態(tài)變化，以更好地了解其固碳能力和潛力。本文以蒙古櫟(Quercus mongolica)天然林為研究對象，在單木和林分2 種尺度上探討不同林齡階段蒙古櫟天然林的碳素分配規(guī)律，為揭示蒙古櫟天然林儲(chǔ)碳功能和固碳規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)地概況

研究地位于遼寧省西豐縣境內(nèi)(124°45'—125°15' E，42°20'—42°40' N)的冰砬山森林生態(tài)站。冰砬山屬吉林哈達(dá)嶺的西南延續(xù)地帶，低山丘陵地貌，平均海拔為500 ～600 m，最高峰海拔達(dá)870 m。屬溫帶季風(fēng)氣候，春季氣溫回溫迅速，夏季雨量集中，秋霜較早，冬季寒冷。7月氣溫最高，平均溫度為23.2 ℃，極端高溫 35.2 ℃;1月氣溫最低，平均為－17.2 ℃，極端低溫 －41.1 ℃;具有典型的山區(qū)氣候特征，年均氣溫 5.2 ℃，年均降水量684.8 mm，年均蒸發(fā)量1 379.8 mm，無霜期達(dá)133 d。土壤以暗棕色森林土為主，其次為棕色森林土，土壤多為粉沙壤土和壤土質(zhì)地，土層深厚，有機(jī)質(zhì)含量高，pH 值為6 ～7?，F(xiàn)存森林植被為以蒙古櫟等為主的天然次生林和以長白落葉松(Larix olgensis)、日本落葉松(L.kaempferi)、紅松(Pinus koraiensis)、油松(P.tabulaeformis )、樟子松(P.sylvestris var.mongolica)為主的人工林。

2 試驗(yàn)方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查

本文調(diào)查蒙古櫟天然林幼齡林(1 ～30 a)標(biāo)準(zhǔn)地4 塊、中齡林(31 ～50 a)2 塊、近熟林(51 ～60 a)2塊和成熟林(61 ～80 a)3 塊，綜合每木檢尺胸徑資料，采用平均木法對林分生物量進(jìn)行估測。標(biāo)準(zhǔn)地面積均為600 m2(20 m×30 m)，在每塊標(biāo)準(zhǔn)地中分別選取1 株平均木作為標(biāo)準(zhǔn)木，標(biāo)準(zhǔn)木及其所在標(biāo)準(zhǔn)地的基本情況見表1。

表1 蒙古櫟標(biāo)準(zhǔn)木及其標(biāo)準(zhǔn)地的基本概況

2.2 生物量和凈生產(chǎn)力測定

將標(biāo)準(zhǔn)木從地徑處伐倒，分別在樹干的0 m、1.3 m、3.6 m、5.6 m……處截取圓盤進(jìn)行樹干解析，區(qū)分樹干、樹枝、樹葉并且稱其鮮質(zhì)量，帶回實(shí)驗(yàn)室在85 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定各器官的含水率，推算各器官的干質(zhì)量。采用全挖法挖出所有根系，測定樹根生物量，同樣取樣帶回實(shí)驗(yàn)室在85 ℃烘干至恒質(zhì)量，推算根系的干質(zhì)量。采用樹干、樹枝、樹葉年平均生物量作為各器官的凈生產(chǎn)力［11］。由于蒙古櫟是落葉喬木樹種，葉生物量是當(dāng)年新萌發(fā)出來的，因此樹葉凈生產(chǎn)力就是當(dāng)年的生物量。

2.3 碳素含量測定

取烘干的樹干、樹枝、樹葉和樹根混合樣品粉碎來測定其碳素含量。采用3 次粉碎制樣，即初次粉碎時(shí)取樣量較大，在初粉碎的基礎(chǔ)上按四分法取其中的1/4 進(jìn)行第2 次粉碎，然后依法進(jìn)行第3 次粉碎，經(jīng)粉碎的樣品過0.02 mm 篩后裝瓶備用。所有粉碎后的樣品在分析前，再次放入85 ℃的恒溫箱中烘干至恒質(zhì)量。采用經(jīng)典的濃H2SO4－K2CrO4水合熱法測定樹干、樹枝、樹葉、樹根的碳素含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 蒙古櫟單木碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)

蒙古櫟單木碳儲(chǔ)量與林齡、胸徑密切正相關(guān)，與樹高的相關(guān)性較差(圖1)。蒙古櫟單木碳儲(chǔ)量隨著林木年齡的增加而增加，該區(qū)內(nèi)長白落葉松單木碳儲(chǔ)量亦與林齡密切正相關(guān)［12］。蒙古櫟枝、根和干碳儲(chǔ)量也隨著年齡的增加而增加，葉碳儲(chǔ)量近熟林最大，中齡林次之，幼齡林最小(表2)，其葉量的增加主要為了滿足樹木速生期的需要［12］。蒙古櫟單木碳儲(chǔ)量幼林齡在 9.69 ～39.89 kg 之間，中齡林在115.48 ～174.45 kg 之間，近熟林在210.61 ～277.84 kg 之間，成熟林在 244.57 ～ 374.8 kg 之間(表 2)。總碳儲(chǔ)量由 9.69 kg 增加到 374.8 kg，樹干、枝和葉碳儲(chǔ)量占單木碳儲(chǔ)量的比例隨著林齡增加均在增加，其中樹干增加最為明顯，樹干碳儲(chǔ)量占單木碳儲(chǔ)量的百分比從中齡時(shí)的49.56%增加到成熟時(shí)的59.68%。地上部分的碳儲(chǔ)量占單木碳貯量的64.86% ～ 88.56%，根冠碳儲(chǔ)量比在 12.92% ～ 54.19%之間且隨著林齡增加變小，表明在幼齡時(shí)地上部分的固碳貢獻(xiàn)與地下部分相當(dāng)，而當(dāng)成熟時(shí)地上部分的固碳貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于地下部分。

圖1 蒙古櫟次生林單木碳儲(chǔ)量隨林齡(a)、樹高(b)和胸徑(c)的變化

表2 不同林齡蒙古櫟單木器官碳儲(chǔ)量

3.2 不同林齡蒙古櫟天然林林分碳密度差異

蒙古櫟林分碳密度隨著林齡的增加而增大(表3)。其中，林分碳密度為成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林，這與處于我國不同氣候區(qū)的其他樹種的林分碳密度隨林齡的變化規(guī)律一致［13－14］。蒙古櫟林分碳密度成熟林是幼齡林的3.28 倍，是中齡林的1.63 倍，是近熟林的1.33 倍，可以看出隨著林齡的增加林分碳密度增加呈現(xiàn)先快后慢趨勢，其中葉、枝、根和干碳密度隨著林齡的增加在增大，總體來看碳密度是干＞根＞枝＞葉［12－15］。蒙古櫟非木材的枝、葉、根碳儲(chǔ)量占 45.01% ～ 47.49%，因此，采伐剩余物的不合理處理對碳貯量將產(chǎn)生很大的影響，如采伐后大量枝、葉等作薪材，土壤表層有機(jī)質(zhì)也迅速分解，將導(dǎo)致大量的CO2排放。

表3 不同林齡蒙古櫟天然林林分碳密度 t·hm －2

3.3 蒙古櫟天然林喬木層年凈固碳量估算

根據(jù)喬木層各組成部分年凈生產(chǎn)力及相應(yīng)的碳素密度計(jì)算出年凈固碳量，同時(shí)可以確定林分同化CO2的能力。蒙古櫟幼齡林年凈固碳量為3.83 t·hm－2·a－1，折合 CO2量為 14.05 t·hm－2·a－1，中齡林年凈固碳量為 5.48 t·hm－2·a－1，折合 CO2量為20.1 t·hm－2·a－1，近熟林年凈固碳量為 4.76 t·hm－2·a－1，折合 CO2量為 17.47 t·hm－2·a－1，成熟林年凈固碳量為 4.32 t·hm－2·a－1，折合 CO2量為 15.84 t·hm－2·a－1。喬木層葉年凈固碳量占25.95% ～ 54.16%，枝 5.25% ～ 15.86%，根13.11% ～ 23.31%，干 24.56% ～ 43.94%(表 4)。蒙古櫟天然林喬木層年凈固碳量隨著林齡增加先增加后降低，由近熟時(shí)的峰值 5.48 t·hm－2·a－1減少到4.32 t·hm－2·a－1，折合 CO2量由 20.1 t·hm－2·a－1減少到 15.84 t·hm－2·a－1。不同器官的年凈固碳量以葉、干最大，其年凈固碳量占喬木層年凈固碳量的25.95% ～54.16%、30.07% ～43.94%，其次是根和枝，分別占喬木層年凈固碳量13.11% ～23.31%和5.25% ～15.86%，何斌等的研究結(jié)果為干最大，葉次之、枝其次、根最小［16］，二者的差別主要與樹種自身生長密切相關(guān)，還有待于今后進(jìn)行深入的研究。

表4 蒙古櫟天然林喬木層年凈固碳量t·hm －2·a －1

4 結(jié)論與討論

4.1 蒙古櫟單木碳儲(chǔ)量與林齡、胸徑密切正相關(guān)，與前兩者相比，與樹高的相關(guān)性較差。蒙古櫟單木碳儲(chǔ)量隨著林齡的增長而增加。枝、根和干碳儲(chǔ)量隨著年齡的增加而增加，而葉碳儲(chǔ)量在樹木速生期(中齡和近熟時(shí))最大。

4.2 蒙古櫟林分碳密度隨著林齡的增加而增大，成熟林是幼齡林的3.28 倍，是中齡林的1.63 倍，是近熟林的1.33 倍，隨著林齡的增加林分碳密度增加呈現(xiàn)先快后慢趨勢。

4.3 蒙古櫟天然林喬木年凈固碳量在3.83 ～5.48 t·hm－2·a－1之間，折合 CO2量為 14.05 ～ 20.1 t·hm－2·a－1，在中齡時(shí)達(dá)到峰值，固碳能力最強(qiáng)，而后隨著林齡增加而降低。

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