長白落葉松生物量及碳儲量研究

邵殿坤，欒志慧，吳慧書，王 剛，王延紅

(1.吉林省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，吉林 長春 130022;2.通化師范學(xué)院，吉林 通化 134002)

長白落葉松(Larix olgensis)是一種具生長速度快、耐寒、耐旱、耐水濕特點(diǎn)的優(yōu)良大徑級用材樹種，為長白山林區(qū)主要用材樹種之一。隨著碳循環(huán)研究深入開展，陸地森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量受到研究者普遍關(guān)注。森林碳庫可分為地上和地下兩部分［1～3］。地上生物量作為生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力重要組成部分，是整個生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的能量基礎(chǔ)和營養(yǎng)物質(zhì)來源［4～5］。準(zhǔn)確測定森林生物量一直是困擾生態(tài)學(xué)家和林學(xué)家的難點(diǎn)問題［6］。國內(nèi)學(xué)者對長白山林區(qū)森林生物量進(jìn)行大量研究，如李文華等［7］分析長白山主要生態(tài)系統(tǒng)生物量，郭忠玲等［8］研究長白山各植被帶主要樹種凋落物分解速率，并建立模型，代力民等［9］分析紅松林倒木貯量的變化規(guī)律，楊麗韞等［10］研究暗針葉林中倒木貯量和分解速率。作者對吉林省東部山地林區(qū)立地條件下長白落葉松生物量異速生長模型進(jìn)行研究，并對長白落葉松林碳匯儲量進(jìn)行估測。

1 研究區(qū)域自然概況

長白落葉松自然分布在我國長白山、張廣才嶺，地理位置:41°30'～45°20'N，126°30'～131°40'E。本研究選擇長白山區(qū)延吉、敦化、和龍、龍井、蛟河五縣市12 個林場長白落葉松林分為研究對象(42°01'～44°04'N;127°56'～131°08'E)，海拔405 ～1 131 m，山巒起伏、河流密布。該區(qū)氣候?qū)偌撅L(fēng)影響溫帶大陸性山地氣候，冬季漫長寒冷，春季風(fēng)大干燥，夏季短暫、溫暖多雨。全區(qū)年平均氣溫2.7℃～4.9℃之間。年降水量一般為525.9 ～607.1 mm。研究區(qū)主要樹種為長白落葉松，林分為經(jīng)過擇伐的天然純林，主要灌木和草本植物有蕨類植物(Selaginella spp.)、莎草(Cyperus tenuispica)、忍冬(Lonicera japonica)、衛(wèi)矛(Euonymus alatus)、榛子(Ostryopsis davidiana)等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)收集

利用全站儀在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)選擇典型地段設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)地，標(biāo)準(zhǔn)地大小為60 m×40 m，面積0.24 hm2;按10 m 間距分割成10 m×10 m 樣方，調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)所有林木特征值。利用x、y直角坐標(biāo)系，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)所編寫行列號即該調(diào)查單元單元號。以每個調(diào)查單元西南角為坐標(biāo)原點(diǎn)，用皮尺測量每株樹木在該調(diào)查單元內(nèi)坐標(biāo)(x，y)。測量每株樹木地徑(D0)、胸徑(D)、樹高(H)、枝下高(h)、冠幅(cr)等因子。在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)按平均胸徑和平均高選擇1 株落葉松作為平均木，按徑階選取解析木。將解析木所有樹枝齊樹干鋸下，分別測定其樹干、樹冠、樹枝、樹葉生物量，并取樣做進(jìn)一步分析。選取不同徑級大小長白落葉松樣木共計(jì)30 株。將各器官樣品帶回試驗(yàn)室，置于烘干箱，在105℃下烘干，稱取樣品干物質(zhì)質(zhì)量，通過計(jì)算各器官的含水率，得到相應(yīng)干重。長白落葉松樣木生物量測定結(jié)果見表1。

表1 長白落葉松30 株樣木各組分生物量Tab.1 Each component biomass of 30 Larix olgensis sample trees

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2.2 數(shù)據(jù)分析方法

首先利用樹干直徑建立生物量異速生長方程。方程形式為:

式中:a 和b 是方程的系數(shù);

Y 為各器官生物量;

X 為 樹 干 直 徑 (DBH1.3和DBH0)［11～13］。

利用樹干直徑和樹高建立各器官生物量兩變量回歸模型。方程形式為

式中:X1為樹干直徑;

X2為樹高;

a、b、c 為方程系數(shù)。

方程擬合優(yōu)度利用決定系數(shù)(R2)和信息指數(shù)(AIC)進(jìn)行評價(jià)。

本文利用森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，計(jì)算長白落葉松林碳儲量。利用長白落葉松林生物量與蓄積量關(guān)系估算生物量，估算長白落葉松林碳儲量與碳密度。碳儲量計(jì)算公式為:

式中:C 為碳儲量(t);

B 為地上生物量;

Cc為含碳率。

碳密度計(jì)算公式為

式中:Cp為碳密度(t·hm－2);

C 為碳儲量(t);

S 為森林面積(hm2)。

喬 木 樹 種 含 碳 率 通 常 為 0. 45 或0.5［14～16］。馬欽彥研究認(rèn)為，喬木樹種平均含碳率均大于0.45，其中闊葉樹種平均含碳率值多數(shù)低于0.5，針葉樹平均含碳率多數(shù)等于或高于0.5，因此使用0.5 作為轉(zhuǎn)換系數(shù)要優(yōu)于0.45［17］。本研究含碳率采用0.5 進(jìn)行計(jì)算。

圖1 長白落葉松地上生物量分配Fig.1 The above－ground biomass distribution of Larix olgensis

3 結(jié)果與分析

3.1 長白落葉松地上生物量異速生長模型

長白落葉松地上生物量分配如圖1 所示。

從圖1 中可以看出，地上生物量以樹干生物量為主，生物量各組分所占比重隨著年齡和胸徑增大而增大。長白落葉松總平均生物量為215.021 kg，各組分生物量大小差異明顯，樹干生物量占地上總生物量67.15%，活枝、針葉、樹皮生物量分別占17.09%、6.00%和9.76%。

分別采用單變量(DBH)和雙變量(DBH、H)模型建立長白落葉松不同器官生物量最優(yōu)模型，見表2。

表2 長白落葉松各器官生物量異速生長模型Tab.2 Allometric models for each organ biomass of Larix olgensis

從表2 中可以看出，所有模型F 檢驗(yàn)均顯著(p ＜0.001)，基于胸徑的單變量模型可解釋量均超過90%，其中樹干生物量、樹皮生物量和地上總生物量回歸模型可解釋量達(dá)到99%。利用胸徑和樹高建立的樹干生物量模型，決定系數(shù)Radj2 最大，信息指數(shù)AIC 最小。活枝和針葉生物量回歸模型可解釋量超過93%，與其他3 個回歸模型相比信息指數(shù)AIC 值最小。因此，利用胸徑和樹高可獲得樹干生物量最優(yōu)模型，模型方程為Y=0.059 DBH1.32.171H0.420。胸徑對樹皮、活枝、針葉和地上總生物量預(yù)測較重要，模 型 方 程 分 別 為:樹 皮，地上總生物量Y=

3.2 生物量與蓄積量線性關(guān)系

利用線性回歸方程建立樹干、樹皮、樹枝、樹葉生物量與樹干蓄積量相關(guān)方程，如圖2 所示。

圖2 各組分生物量與蓄積量之間關(guān)系Fig.2 Relationship between biomass and stand volume of each component

從圖2 中可以看出，擬合方程分別為:樹干y=448.68 x+4.433 1，樹枝y=105.21 x+3.944 9，針葉y=32.89 x+2.639 8，樹皮y=57.39 x+3.099 7。各組分生物量與蓄積量均顯著線性相關(guān)(p ＜0.001)，R2值達(dá)到0.9 以上。方精云［18］和孫玉軍［19］研究顯示林木生物量與蓄積量之間存在線性關(guān)系，與本文結(jié)果一致。生物量與蓄積量之間的線性關(guān)系可以作為估測森林地上生物量的基礎(chǔ)。

3.3 長白落葉松林碳儲量與碳密度

利用長白落葉松生物量與蓄積量關(guān)系，估算不同林齡長白落葉松林的碳儲量與碳密度，見表3。

表3 長白落葉松林碳儲量和碳密度Tab.3 Carbon storage and carbon density of Larix olgensis forest

從表3 中可以看出，長白山地區(qū)長白落葉松幼齡林面積為3.06×105hm2，蓄積量為1.66×106m3;中齡林面積為4.71×105hm2，蓄積量為2.72×106m3;近成熟林面積為5.42×105hm2，蓄積量為2.34×106m3。長白落 葉 松 林 生 物 量 范 圍 為2.38×106～7.52×106t，幼齡林、中齡林、近成熟 林 碳 儲 量 分 別 為1.19 ×107t·hm－2、2.68 ×107t·hm－2和3.76 ×107t·hm－2;碳密度分別為38.89 t·hm－2、56.09 t·hm－2和69.37 t·hm－2。隨著林齡增加，長白落葉松林單位面積生物量、碳儲量和碳密度增大。

4 結(jié)論

在吉林省東部山地林區(qū)立地條件下，長白山落葉松地上總平均生物量為215.021 kg，樹干生物量占地上總生物量67.15%，活枝、針葉、樹皮生物量分別占17.09%、6.00%和9.76%。樹干生物量最優(yōu)模型方程為Y=0.059 DBH1.32.171H0.420。樹皮、活枝、針葉和地上總生物量預(yù)測模型分別為:樹皮Y=0.046;活 枝Y=0.033;針葉Y=0.054;地 上 總 生 物 量Y=0.197。擬 合 方 程:樹 干 y =448.68x+4.4331，活枝y=105.21 x+3.944 9，針葉y=32.89 x+2.639 8，樹皮y=57.39 x+3.099 7。長白落葉松不同林分生物量范圍2.38×106～ 7.52×106t，碳 儲 量 范 圍1.19×107～3.76×107t，碳密度范圍38.89 ～69.37 t·hm－2。

長白落葉松是長白山區(qū)主要用材樹種之一，適應(yīng)性強(qiáng)，生長速度快，碳儲量積累迅速，因此，應(yīng)在適宜立地條件大力培育長白落葉松林。

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