不同方法估算馬尾松天然林植被固碳潛力的比較1)

潘鵬 歐陽(yáng)勛志

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，南昌，330045)

甘文峰

(安?？h明月山林場(chǎng))

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林固碳量占陸地固碳量的70%～80%［1－2］，對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境和全球碳平衡起著重要作用。研究森林生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力對(duì)深入理解陸地生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過(guò)程和緩解氣候變化具有重要意義［3－4］。

區(qū)域尺度森林生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力的研究方法主要有連續(xù)清查法［5－6］、限制因子法［7］和時(shí)空替代法［8］等;林分尺度上森林植被固碳潛力估算方法還沒(méi)有形成統(tǒng)一的方法，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的主要有最大值法［9］、光能利用率法［10］和生產(chǎn)力回歸模型法［11］等?；诹址殖叨鹊纳痔紖R研究是準(zhǔn)確評(píng)估區(qū)域和全球尺度森林碳匯的基礎(chǔ)［12］。目前已有的森林固碳潛力研究多集中在大區(qū)域尺度，缺乏大量直觀(guān)數(shù)據(jù)的支持，使得估算結(jié)果存在較大的不確定性。因此，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力更精準(zhǔn)的估算，應(yīng)建立在林分尺度的基礎(chǔ)上。對(duì)林分尺度森林植被固碳潛力方法展開(kāi)比較研究，既可為建立林分尺度森林植被固碳潛力估算體系提供參考，同時(shí)可為區(qū)域尺度森林植被固碳潛力的準(zhǔn)確估算提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西中部的吉安市，地理坐標(biāo)為113°46'～115°56'E，25°58'～27°57'N，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，為濕潤(rùn)氣候。年平均氣溫為17.7℃，年均降水量1 553 mm，無(wú)霜期為279 d左右。境內(nèi)主要植被類(lèi)型有針葉林、針闊混交林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、竹林，其中針葉林以馬尾松(Pinus massoniana)林和杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)林為主。馬尾松天然林林下灌木以檵木(Loropetalum chinense)、金櫻子(Rosa laevigata)、梔子(Gardenia jasminoides)為主，草本以鐵芒萁(Dicranopteris linearis)、露籽草(Ottochloa nodosa)、莎草(Cyperus iria)為主。土壤主要為紅壤，其他還有黃壤、黃棕壤等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取

標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置與調(diào)查:根據(jù)國(guó)家林業(yè)局《森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定》(2003)齡組劃分標(biāo)準(zhǔn)，分別5個(gè)齡組選擇立地條件相近的馬尾松天然林，每個(gè)齡組設(shè)置3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地，共設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地15個(gè)，標(biāo)準(zhǔn)地大小為 28.28 m×28.28 m。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，對(duì)胸徑≥5 cm(幼齡林為胸徑≥2 cm)的樹(shù)木進(jìn)行每木檢尺，調(diào)查內(nèi)容包括胸徑、樹(shù)高、林分密度等。標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)，分別設(shè)置3個(gè)2 m×2 m的灌木樣方、3個(gè)1 m×1 m的草本樣方、3個(gè)1 m×1 m的凋落物樣方，調(diào)查記錄灌、草的種類(lèi)、株(叢)數(shù)、平均高度和蓋度等。標(biāo) 準(zhǔn)地基本概況見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本概況

含碳率的測(cè)定:含碳率測(cè)定時(shí)，取樣喬木分干、枝、葉、皮、根，灌木分葉、枝、根，草本分地上部分和地下部分，凋落物分未分解和半分解;采用重鉻酸鉀—加熱法對(duì)樣品的含碳率進(jìn)行測(cè)定。

碳密度估算:喬木層根據(jù)每木檢尺結(jié)果，采用植物相對(duì)生長(zhǎng)模型。公式為:

式中:W為生物量;D為胸徑;a、b為參數(shù)。本文采用張仕光等［13］模擬結(jié)果計(jì)算生物量。林下植被層(灌木、草本)和凋落物層均采用“收獲法”直接測(cè)定;灌木分根、枝、葉，草本分地上、地下部分稱(chēng)取鮮質(zhì)量，凋落物按分解程度不同劃分為未分解和半分解收集并稱(chēng)取鮮質(zhì)量。樣品用烘箱在105℃下烘干至恒定質(zhì)量，取樣的鮮質(zhì)量與烘干后的恒定質(zhì)量之差即為含水量，進(jìn)而算出干物質(zhì)質(zhì)量即生物量。各器官生物量及相應(yīng)的含碳率乘積即為碳密度。

2.2 估算方法

最大值法:計(jì)算公式［10］為:

式中:CSP為植被固碳潛力;CSr為植被參考碳密度;CS為植被初始碳密度。由于植被參考碳密度難以獲得，一般假設(shè)參考植被各組成碳密度(喬木層、林下植被層和凋落物層)均達(dá)到最大值，因而將各組成碳密度－林齡序列中的最大碳密度之和(最大喬木層碳密度+最大林下植被層碳密度+最大凋落物層碳密度)即為植被參考碳密度;以標(biāo)準(zhǔn)地?cái)?shù)據(jù)計(jì)算碳密度為植被初始碳密度。碳密度反映了固碳能力的大小，為便于對(duì)各種方法估算的結(jié)果進(jìn)行比較，以年均固碳能力代替相應(yīng)的碳密度。

光能利用率法:光能利用效率，也稱(chēng)為光能利用率，表示的是植物光合作用中固定太陽(yáng)能的效率大?。?4］。計(jì)算公式［15］為:

式中:P為光能利用率;M為單位面積上凈初級(jí)生產(chǎn)力(現(xiàn)存生物量);q為單位干物質(zhì)含能量，一般碳水化合物為 17.38 kJ·g－1［16］;∑Qd為太陽(yáng)總輻射，1961—2000年江西省吉安地區(qū)年平均太陽(yáng)輻射總量為 3.90 GJ·m－2［17］。

生產(chǎn)力回歸模型法:生產(chǎn)力代表的是森林固定CO2的能力，固碳潛力值為凈生產(chǎn)力與含碳率的乘積，凈生產(chǎn)力采用下式計(jì)算［12］:

式中:NPP為凈生產(chǎn)力;B為生物量;a、b為參數(shù)，a=5.565，b=0.157［18］。

生長(zhǎng)過(guò)程法:根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地測(cè)定的林分年齡、樹(shù)高和胸徑數(shù)據(jù)，結(jié)合樹(shù)種生長(zhǎng)過(guò)程表，確定標(biāo)準(zhǔn)地的地位級(jí)，并以不同地位級(jí)下達(dá)到過(guò)熟林后兩個(gè)齡級(jí)時(shí)有最大碳密度，此時(shí)林分平均固碳能力作為參考值，與初始固碳能力的差值估算森林植被的固碳潛力。

數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計(jì)處理用 Excel 2007、SPSS17.0。

3 結(jié)果與分析

3.1 生物量及碳密度

根據(jù)各組成生物量與測(cè)定的相應(yīng)含碳率乘積計(jì)算其碳密度。生物量及碳密度見(jiàn)表2。

表2 各層生物量及碳密度 t·hm－2

3.2 固碳潛力估算

3.2.1 最大值法

現(xiàn)有森林植被固碳能力為初始值，以標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)森林植被各組成碳庫(kù)的最大固碳能力之和組成森林植被的參考固碳能力，根據(jù)公式(2)估算了森林植被固碳潛力(見(jiàn)表3)。可知，在當(dāng)前氣候條件下，幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林、過(guò)熟林，植被固碳潛力分別為 0.83、0.81、1.07、1.22、0.97 t·hm－2·a－1。

3.2.2 光能利用率法

根據(jù)植被(不包括凋落物層)總生物量以及各齡組平均年齡，計(jì)算不同齡組凈初級(jí)生產(chǎn)力，再根據(jù)光合作用方程式推算可知，產(chǎn)生1 g干物質(zhì)(生物量)需1.62 g CO2，由此可依據(jù)凈初級(jí)生產(chǎn)力估算出森林的固碳能力，結(jié)合公式(3)求出各齡組光能利用率(見(jiàn)表4)。由表4可知，森林植被初始光能利用率范圍僅為 0.10%～0.14%。根據(jù)趙育民等［15］研究結(jié)果，我國(guó)自然植被太陽(yáng)總輻射的光能利用率為0.22%，以此值計(jì)算森林植被固碳能力(2.17 t·hm－2·a－1)為參考值，與初始固碳能力之間的差值，估算不同齡組固碳潛力(見(jiàn)表4)。

表3 最大值法估算馬尾松天然林植被固碳潛力t·hm－2·a－1

表4 光能利用率法估算馬尾松天然林植被凈初級(jí)生產(chǎn)力及固碳潛力

3.2.3 生產(chǎn)力回歸模型法

凈生產(chǎn)力是指森林植被凈生產(chǎn)量，不包括凋落物層的生物量。按公式(4)估算森林植被凈生產(chǎn)力。由森林植被凈生產(chǎn)力轉(zhuǎn)換為固碳潛力(含碳率取當(dāng)前各組分含碳率加權(quán)平均值)(見(jiàn)表5)。

表5 生產(chǎn)力回歸模型法估算馬尾松天然林凈生產(chǎn)力和固碳潛力

3.2.4 生長(zhǎng)過(guò)程法

根據(jù)江西省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)院編制的《林業(yè)調(diào)查常用表》中的馬尾松生長(zhǎng)過(guò)程表，查出不同地位級(jí)的平均直徑、林分密度等數(shù)據(jù)，按公式(1)估算成過(guò)熟林兩個(gè)齡級(jí)馬尾松林喬木生物量，按喬木層各器官含碳率保持不變的條件下，計(jì)算林分不同地位級(jí)下固碳能力，并以各齡組3次重復(fù)的地位級(jí)平均值作為參考固碳能力，估算出不同齡組喬木固碳潛力(見(jiàn)表6)。

表6 馬尾松天然林固碳潛力 t·hm－2·a－1

3.3 固碳潛力分析

對(duì)4種方法估算的森林植被固碳潛力進(jìn)行方差分析(表7)，結(jié)果表明，各齡組間最大值法和光能利用率法估算結(jié)果相近，生長(zhǎng)過(guò)程法略高于最大值法和光能利用率法，但三者間估算結(jié)果均無(wú)顯著性差異(P＞0.05)，生產(chǎn)力回歸模型法顯著高于其他3種方法估算結(jié)果(P＜0.05)。

表7 4種方法估算的馬尾松不同齡組固碳潛力

4 結(jié)論與討論

研究分析了最大值法、光能利用率法、生產(chǎn)力回歸模型法和生長(zhǎng)過(guò)程法用于估算林分尺度上森林植被固碳潛力的優(yōu)劣。固碳潛力估算結(jié)果，最大值法估算為 0.81～1.22 t·hm－2·a－1，光能利用率法為0.77～1.21 t·hm－2·a－1，生產(chǎn)力回歸模型法為 4.15～4.93 t·hm－2·a－1，生長(zhǎng)過(guò)程法為 1.25 ～ 1.60 t·hm－2·a－1;生產(chǎn)力回歸模型法估算結(jié)果最高，且與其他3種方法估算結(jié)果存在顯著性差異(P＜0.05)，最大值法、光能利用率法和生長(zhǎng)過(guò)程法三者間估算結(jié)果無(wú)顯著性差異(P＞0.05)。生長(zhǎng)過(guò)程法簡(jiǎn)單、方便，在編制了相關(guān)樹(shù)種不同地位級(jí)表或地位指數(shù)表的地區(qū)，適合采用生長(zhǎng)過(guò)程法估算林分尺度上森林植被固碳潛力。

最大值法是根據(jù)喬、灌、草等各組成部分的固碳能力最大值，重新組合為森林植被參考固碳能力，與植被初始固碳能力的差值作為固碳潛力的一種方法。本研究中植被參考固碳能力的選定，以所選標(biāo)準(zhǔn)地中各組成部分的固碳能力最大值組合而成，故僅適用于固碳能力在喬木層、林下植被層和凋落物層三者間呈正相關(guān)的林分類(lèi)型。由于所選標(biāo)準(zhǔn)地是代表當(dāng)?shù)氐钠骄L(zhǎng)水平，所以用標(biāo)準(zhǔn)地中各組成部分固碳最大值的組合，代表其區(qū)域的最大值具有一定的局限性。光能利用率法是一種比較復(fù)雜的方法，主要是光合作用的過(guò)程較為復(fù)雜。從研究結(jié)果可以看出，森林植被參考光能利用率的選定對(duì)其固碳潛力有決定性影響。理論上推算出植物的最大光能利用率為5%～6%［19］，由式公式(3)可知光能利用率提高一個(gè)百分點(diǎn)，固碳潛力成倍增加。而實(shí)際應(yīng)用中，很難確定具體樹(shù)種光能利用率的大小，且太陽(yáng)輻射總量并非全部用于光合作用產(chǎn)生干物質(zhì)量(生物量)，算出的光合效率因植物在利用光能各階段能量上均有不同程度的損失［15］，所以該方法估算結(jié)果存在一定的偏差。

生產(chǎn)力回歸模型法是利用不同森林類(lèi)型的生物量－凈生產(chǎn)力回歸模型，結(jié)合現(xiàn)有林分生物量估算其凈生產(chǎn)力，進(jìn)而求得固碳潛力的一種方法。生產(chǎn)力表征了森林固定CO2的潛在能力，利用樹(shù)種生物量推算凈生產(chǎn)力成為一個(gè)快捷的估算固碳能力的方法［19］。一般正常生長(zhǎng)的林分中，林木材積連年生長(zhǎng)量隨林齡的增大呈先增大后減小的趨勢(shì)［20］，成、過(guò)熟林時(shí)林木生長(zhǎng)緩慢，其固碳能力基本達(dá)到飽和，固碳潛力相應(yīng)減弱。但從研究結(jié)果中可以看出，各齡組固碳潛力分別為:4.15、4.24、4.42、4.52、4.93 t·hm－2·a－1，隨林齡的增大而增加，固碳潛力在過(guò)熟林時(shí)達(dá)到最大，且生產(chǎn)力回歸模型法估算固碳潛力結(jié)果與最大值法、光能利用率法及生長(zhǎng)過(guò)程法存在顯著性差異，這是由于本研究采用的模型參數(shù)為方精云等［19］早期建立的模型，故而估算結(jié)果的準(zhǔn)確性有待研究。固碳潛力精準(zhǔn)的估算，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域建立各森林類(lèi)型生物量－生產(chǎn)力回歸模型，這需收集大量文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，以大樣本數(shù)值反映區(qū)域林分樹(shù)種生物量與凈生產(chǎn)力之間的回歸關(guān)系，建立生物量－凈生產(chǎn)力回歸模型。此方法不僅耗時(shí)，且由于森林生產(chǎn)力方面的資料少，對(duì)一些區(qū)域、一些森林類(lèi)型來(lái)說(shuō)，建立生物量與凈生產(chǎn)力之間的關(guān)系不具備足夠的樣本數(shù)。

生長(zhǎng)過(guò)程表是反映林分在一定立地條件下、疏密度為1.0時(shí)的生長(zhǎng)變化過(guò)程表，是林業(yè)生產(chǎn)中常用的基礎(chǔ)數(shù)表之一。采用生長(zhǎng)過(guò)程表估算固碳潛力，關(guān)鍵是估算區(qū)域編制了相關(guān)樹(shù)種地位級(jí)表或地位指數(shù)表。本研究中估算結(jié)果與最大值法和光能利用率法無(wú)顯著性差異，較為準(zhǔn)確地估算區(qū)域不同立地條件下林分喬木實(shí)際固碳潛力。我國(guó)從70年代起，各地就開(kāi)始編制松、杉等主要樹(shù)種地位指數(shù)表、地位級(jí)表和生長(zhǎng)過(guò)程表［21］，該方法簡(jiǎn)單、方便，適用于編制了不同地位級(jí)或地位指數(shù)下樹(shù)種生長(zhǎng)過(guò)程表的地區(qū)。

最大值法估算了森林植被固碳潛力，包括喬木層、林下植被層和凋落物層;光能利用率法和生產(chǎn)力回歸模型法估算了森林植被喬木層和林下植被層固碳潛力，不包括凋落物層;生長(zhǎng)過(guò)程表中僅有林分喬木參數(shù)，缺少林下植被和凋落物數(shù)據(jù)，故生長(zhǎng)過(guò)程法僅對(duì)林分喬木層固碳潛力進(jìn)行了估算。本文研究顯示喬木層碳密度占森林植被總碳密度的80.92%，凋落物層僅占2.28%，這4種固碳潛力估算方法對(duì)分析結(jié)果影響不大。

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