山西霍山森林群落生物量與碳密度研究

程麗芬

(山西省林業(yè)科學研究院，太原030012)

山西霍山森林群落生物量與碳密度研究

程麗芬

(山西省林業(yè)科學研究院，太原030012)

以山西霍山森林植被為研究對象，在野外樣方調查的基礎上，運用生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法對霍山主要森林類型的生物量和碳密度進行了估算，并分析了影響生物量和碳密度分布的主要影響因素。山西霍山森林群落的平均單位面積生物量和碳密度分別為58.00t/hm2和29.46t/hm2。其中，遼東櫟林具有較高的生物量 (62.35 t/hm2)和碳密度 (31.17 t/hm2)，其次為油松林 (生物量58.44 t/hm2，碳密度30.10 t/hm2)，白皮松林、側柏林和刺槐林的生物量和碳密度較低。海拔與生物量、海拔與碳密度之間的相關系數(shù)分別為0.65和0.68，均表現(xiàn)出極顯著的正相關 (P＜0.01);坡度、坡向和坡位與生物量和碳密度的相關性均未達到顯著水平。海拔是影響山西霍山森林生物量和碳密度的最主要環(huán)境因子。

山西霍山;森林群落;環(huán)境因子;生物量;碳密度

溫室效應對人類的影響已引起國際社會的高度關注［1－4］。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫，利用森林生態(tài)系統(tǒng)來調節(jié)全球碳平衡、維護全球氣候已成為廣大學者研究的熱點［5］。通過研究森林生物量和碳儲量的關系，建立碳密度估算模型可以科學估算碳密度和碳儲量［6］。計算森林生物量是估算森林碳儲量的基礎［7］。

森林植被生物量的估算方法有很多，包括IPCC法、BEF為常數(shù)的生物量轉換因子法、生物量經(jīng)驗(回歸)模型估計法、生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法等［8］。本研究采用生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法對山西霍山主要森林類型的生物量和碳密度進行估算，并探討生物量和碳密度與環(huán)境因子(海拔、坡度、坡向和坡位等)的關系，進而為森林資源管理和保護提出建議。

1 研究區(qū)概況

山西霍山位于太岳山脈南端，地理坐標:36°21'～36°45'N，111°40'～112°20'E，位于洪洞、霍縣、古縣、沁源交界處。整個山體呈南北走向，最高的老爺頂海拔2 354 m，多為石灰?guī)r覆蓋?；羯綄倥瘻貛Т箨懶詺夂?。年平均氣溫10.3℃，7月均溫25.5℃，1月均溫－4℃，≥10℃的年積溫3 500℃。年降水量為500mm，無霜期170 d。

霍山物種多樣，植被類型具有明顯的垂直分布梯度，從山底到山頂依次為:灌叢及農(nóng)田帶、低中山針葉林帶、針闊混交林帶、落葉闊葉林帶和草甸帶。森林群落主要包括側柏林(Platycladus orientalis)、白皮松林(Pinus bungeana)、遼東櫟林(Quercus wutaishanica)、油松(Pinus tabulaeformis)、山楊林(Populus davidiana)、樺木林(Betula spp.)、云杉林(Picea spp.)、華北落葉松林(Larix principis-rupprechtii)。灌叢群落主要包括野皂莢灌叢(Gleditsia microphylla)、荊條灌叢(Vitex negundo var.heterophylla)、酸棗灌叢(Ziziphus jujuba var.spinosa)、黃刺玫灌叢(Rosa xanthina)、虎榛子灌叢(Ostryopsis davidiana)、三裂繡線菊灌叢(Spiraea trilobata)。

2 材料與方法

2.1 野外取樣

2014年5至8月在山西霍山進行森林植物群落調查。山西霍山主要的森林植物群落類型有白皮松林、側柏林、刺槐林、遼東櫟林、油松林5個，根據(jù)每種森林植物群落的大小和實際分布情況不同，分別選取4，4，2，7和8個具有代表性的樣地進行調查，共計25個樣地。每個樣地的面積為20m× 30m，在樣地內進行森林群落調查，并將樣地內的喬木編號，進行每木調查;之后將樣地劃分為6個10m ×10m的樣方，隨機選取其中的2個10m×10m的樣方進行灌木層調查;再在6個10m×10m的樣方內各設1個1m×1m的樣方，進行草本層調查。野外記錄的調查指標、坡向的等級制表示方法、坡位的等級制表示方法分別見表1，表2，表3。

表1 森林植物群落調查指標Tab.1 Survey index of forest plant community

表2 坡向的等級制表示方法Tab.2 Grade representation method of aspect

表3 坡位的等級制表示方法Tab.3 Grade representation method of slope position

2.2 參照樹種

本研究中的一元材積數(shù)據(jù)主要是從《山西省主要樹種立木一元材積表》中得來的，由于書中所給出的樹種有限，所以將書中沒有給出一元材積樹種的材積數(shù)據(jù)參照與其具有相似性樹種的一元材積表進行計算，具體參照樹種如表4。

表4 一元材積數(shù)據(jù)參照樹種Tab.4 Reference tree species to one way volume table

2.3 森林群落生物量和碳密度的估算

采用方精云等［9－11］提出的生物量換算因子(Biomass Expansion Factor，BEF)連續(xù)函數(shù)法，以林分蓄積量為基礎，對霍山主要的森林群落的生物量和碳密度進行估算。

林分蓄積量(V)與BEF具有如下函數(shù)關系:

式中:a，b均為隨樹種不同而變化的常數(shù)，V為某一樹種單位面積蓄積量。

單株樹木的材積依據(jù)其胸徑值通過立木一元材積表查得，總蓄積量為所有個體材積之和。按照生物量換算因子的定義，某一樹種單位面積生物量(B)計算公式為:

式中:V為某一樹種單位面積蓄積量，B為某一樹種單位面積生物量，BEF為對應的換算因子。

由方程(1)和方程(2)可得生物量和蓄積量的簡單線性關系:

式中:a，b均為隨樹種不同而變化的常數(shù)，B為某一樹種單位面積生物量，V為某一樹種單位面積蓄積量。

森林碳密度是單位面積的碳儲量，森林碳密度(t/hm2)計算公式為:

式中:CD為某一樹種的碳密度，B—為某一樹種單位面積生物量，CC為干物質平均碳含量。

國際上常用的樹木碳含量為0.45～0.55，參考周志勇等［12］2012年關于百花山自然保護區(qū)森林群落碳儲量的研究結果，各優(yōu)勢樹種生物量和碳密度的計算參數(shù)見表5。本研究中森林的碳密度只包括林木的活生物量，并沒有包括森林生態(tài)系統(tǒng)中的其它碳庫，如枯枝落葉層、森林土壤層等。

表5 各優(yōu)勢樹種生物量和碳密度計算參數(shù)Tab.5 Parameters of biomass and carbon density for dominant trees

3 結果與分析

3.1 主要森林群落的生物量與碳密度

用羅馬字母Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ分別代表所調查的白皮松林、側柏林、刺槐林、遼東櫟林、油松林5個森林群落類型，根據(jù)生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法得到每個森林群落類型的生物量與碳密度，結果見表6。

從表6可以看出，5種森林群落類型單位面積平均生物量和碳密度由大到小順序依次Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ。山西霍山森林群落的平均單位面積生物量和碳密度分別為58.00t/hm2和29.46t/hm2。其中最大生物量和碳密度分別為80.29t/hm2和39.70t/hm2。最小生物量和碳密度分別為40.27t/hm2和20.56 t/hm2，其中，白皮松林間的生物量和碳密度差異較大，油松林間的生物量和碳密度差異較大。

3.2 森林生物量的空間分布特征

森林生物量與環(huán)境因子的關系見圖1。

表6 各森林群落類型的單位面積生物量和碳密度Tab.6 Unit area biomass and carbon density of each forest community types

圖1 生物量與環(huán)境因子的關系Fig.1 The relationship between biomass and environmental factors

隨著海拔的上升，生物量基本上呈增加的趨勢，但在海拔1 400m左右的地方有所下降。這主要是因為該區(qū)域主要是白皮松和側柏的分布區(qū)，該區(qū)域大多為陡峭的巖石地帶，土壤較為貧瘠，土層較薄，水土流失較為嚴重。另外該區(qū)域海拔相對較低，人為活動等對森林的生物量有很大影響。隨著海拔的升高，森林生物量的整體趨勢是在增大，在海拔1 700～1 800m區(qū)域，生物量達到最大。其原因可能是在此海拔主要為遼東櫟林分布區(qū)域，坡度相對較為平緩，人為活動相對較弱;且隨著海拔梯度的升高，山地降水量有增加趨勢，故此海拔的森林生物量較高［13］。

在坡度適中的半陰坡，森林生物量最大。坡度較緩的下破位地區(qū)，由于人為活動較多，對森林的結構和組成有很大影響，該區(qū)域分布的喬木種主要以幼林階段的樹木為主。而在坡度較大的上坡位，由于地勢較陡，不利于水源涵養(yǎng)和養(yǎng)分保持，土壤有機質含量往往較低，且土層較薄，不利于大喬木的生長。在坡度適中的半陰坡，由于陰面蒸發(fā)較少，水分條件充足，且適中的坡度有利于水土的保持，土壤有機質含量高，土層厚等條件為森林的生長提供了良好的生境，故森林生物量高［14－15］。

3.3 森林生物量和碳密度與環(huán)境因子的相關性分析

生物量和碳密度與環(huán)境因子的相關性分析見表7。

表7 生物量和碳密度與環(huán)境因子的相關性Tab.7 Correlations between biomass and carbon density with environmental factors

生物量和碳密度與環(huán)境因子的相關性結果表明，海拔是影響山西霍山森林生物量和碳密度最主要的環(huán)境因子。海拔與生物量和碳密度之間均表現(xiàn)出極顯著的正相關(P＜0.01)，即隨著海拔的升高，生物量和碳密度也隨之增加。坡度、坡向和坡位與生物量和碳密度的相關性均未達到顯著水平。其中，坡向和坡位與生物量和碳密度均呈負相關，即森林生物量和碳密度隨著坡向和坡位的增大而減小。

4 結論與討論

生物量和碳密度一方面受到群落結構自身的限制，如森林結構、林齡組成、種間競爭等，另一方面受到環(huán)境因子的影響，如水熱條件、土壤理化性質、經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向等，這些因素相互制約、相互聯(lián)系，共同作用于生物量和碳密度［16－17］。另外，人為干擾也是影響森林生物量和碳密度的重要因素，人為干擾主要是影響了群落的結構和組成［18－20］。山西霍山森林群落的平均生物量和碳密度分別為58.00t/hm2和29.46t/hm2。遼東櫟林具有較高的生物量(62.35 t/hm2)和碳密度(31.17 t/hm2)，其次為油松林(生物量58.44 t/hm2;碳密度30.10t/hm2)，白皮松林、側柏林和刺槐林的生物量和碳密度較低。主要是因為遼東櫟林位于中高海拔區(qū)域，水熱條件適中，人為活動相對較少，地形地勢有利于水土涵養(yǎng)和保持，為遼東櫟林的生長和繁殖提供了相對穩(wěn)定、良好的環(huán)境。而白皮松林和側柏林主要分布于低山巖石區(qū)域，且地勢相對陡峭，不利于水源涵養(yǎng)，土壤理化性質貧瘠，土層厚度較薄，不利于喬木的生長［21］。油松林不同樣地間的生物量和碳密度差異較大，這主要與油松的適應性較強有關。雖然，在不同的海拔梯度和各種地形地勢下油松都能生長，但往往在水熱充沛，地勢相對平緩，人為干擾相對較少的情況下，油松的長勢較好［22］。相反，在較差的環(huán)境下，由于水熱的缺失，營養(yǎng)物質的流失等，油松林往往呈現(xiàn)出緩慢的生長態(tài)勢［23］。

霍山森林群落的生物量和碳密度受各種環(huán)境因子的影響，其中，海拔是影響山西霍山森林生物量和碳密度最主要的環(huán)境因子［24］。海拔與生物量和碳密度的相關系數(shù)分別為0.65和0.68，均表現(xiàn)出極顯著的正相關(P＜0.01)，生物量和碳密度在海拔1 700～1 800m范圍內達到最大值。本次研究調查的植被是位于海拔低于2 000m的低山區(qū)域，在該區(qū)域，隨著海拔的升高，降水量是逐漸增加的，所以生物量和碳密度是隨著海拔梯度的升高而增加的。但生物量和碳密度在海拔1 400m左右有所下降，這主要是因為影響生物量和碳密度的環(huán)境因子不光只有海拔，還有坡度、坡向、破位以及人為活動等［25］。在海拔1 400m的低山地帶，分布的森林類型主要是白皮松林和側柏林，該區(qū)域往往多為陡峭的巖石地帶，土層較薄，不利于水分的存儲，土壤理化性質貧瘠;另外，該區(qū)域人為活動較為頻繁，不利于喬木的快速生長。

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Biomass and Carbon Density of Forest Communities in Shanxi Huoshan Mountains

CHENG Lifen
(Shanxi Academy of Forest Sciences，Taiyuan 030012，China)

Based on field investigation，biomass and carbon density of forest communities in Shanxi Huoshan Mountains were estimated by using the biomass expansion factor(BEF)continuous function method and its distribution pattern and influence factors were analysed.Results showed that the average unit area biomass and carbon density of forest communities in Shanxi Huoshan Mountains were 58.00 t/hm2and 29.46 t/hm2.The average unit area biomass(62.35 t/hm2)and carbon density(31.17 t/hm2)of Quercus wutaishanica forest were highest in comparison with that of the Pinus tabulaeformis forest(58.44 t/hm2，30.10 t/hm2).Pinus bungeana forest(56.58 t/hm2，28.79 t/hm2)，Platycladus orientalis forest(54.86 t/hm2，27.91 t/hm2)and Robinia pseudoacacia forest(53.78 t/hm2，26.74 t/hm2).The correlation coefficient between altitude and biomass was 0.65 and the correlation coefficient between altitude and carbon density was 0.68，which all showed significant positive correlation(P＜0.01).The relationships between slope，slope aspect，slope position and biomass，carbon density were not significant.Altitude was the main influence factor on distribution pattern of forest biomass and carbon density in Shanxi Huoshan Mountains.

Shanxi Huoshan Mountains，forest community，environmental factors，biomass，carbon density

S718.556

A

1002－6622(2017)01－0070－05

10．13466/j．cnki．lyzygl．2017．01．013

2016－11－03;

2016－12－16

“十二五”農(nóng)村領域國家科技計劃(2015BAD07B0204)

程麗芬(1966－)，女，山西太原人，碩士，高工，主要從事森林培育及植物組織培養(yǎng)研究。Email:clf1125@sohu.com