青羊湖林場馬尾松入工林喬木層固碳能力研究

張晨悅爾

摘要：本研究采用生物量相對(duì)方程與樣地調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，以10個(gè)樣地為基礎(chǔ)，研究了湖南省青羊湖林場內(nèi)馬尾松純林喬木層不同年齡段和不同器官的碳儲(chǔ)量。發(fā)現(xiàn)研究樣地馬尾松人工林樹干、樹枝、樹葉和樹根的碳密度分別為16.34.2.59、1.98和3.14t/hm²，總計(jì)24.04t/hm²。不同年齡階段馬尾松的碳儲(chǔ)量表現(xiàn)出很大的差異，1～10a馬尾松碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化波動(dòng)較小，10a之后隨年齡增長呈快速增大趨勢。在幼齡階段，其各器官之間的碳儲(chǔ)量順序?yàn)闃涓?樹葉>樹枝>樹根，而在中齡階段和近熟階段則為樹干>樹根>樹枝>樹葉。

關(guān)鍵詞：馬尾松；碳密度；不同年齡段；不同器官

自18世紀(jì)工業(yè)革命到現(xiàn)在，人類對(duì)化石燃料的需求已達(dá)到供不應(yīng)求的地步。雖然全球經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展，但同時(shí)也帶來了一系列被國際社會(huì)普遍關(guān)注的生態(tài)問題，例如，燃燒化石燃料導(dǎo)致大氣中C02濃度的增加，引起嚴(yán)重的全球變暖。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，簡稱IPCC）在第五次評(píng)估報(bào)告中明確指出1983～2012年是近1400年來北半球最熱的30年，由于人類活動(dòng)的影響，在這30年間全球陸地和海洋表面平均溫度上升了0.85（0.65～1.06）°C。全球變暖嚴(yán)重威脅到了人類的可持續(xù)發(fā)展，而森林作為全球碳循環(huán)中重要的“源”和“匯”，在碳平衡中起著巨大的貢獻(xiàn)。喬木層、灌草層、枯落物層和土壤層共同支持著森林生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)存CO₂、緩解全球氣候變化的重要作用，其中喬木層的固碳能力尤為重要。研究森林植被碳“源”、“匯”變化，已成為應(yīng)對(duì)全球氣候變化的一個(gè)手段，也是森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中的重要部分。估算森林喬木層碳儲(chǔ)量的收支，不僅有助于進(jìn)一步了解森林碳“源”和“匯”功能在當(dāng)下全球氣候問題中的意義和作用，也有利于相關(guān)部門制訂和優(yōu)化森林經(jīng)營政策。

馬尾松（Pinus massoniana）是我國南方低山丘陵區(qū)中主要鄉(xiāng)土造林樹種和群落演替的先鋒樹種，具有木材性質(zhì)優(yōu)良、速生、高產(chǎn)等特點(diǎn)，是恢復(fù)退化土地的首選樹種，也是良好的用材和產(chǎn)脂樹種，不僅具有經(jīng)濟(jì)意義，而且對(duì)于維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡亦具有明顯作用，在我國林業(yè)生產(chǎn)及森林生態(tài)系統(tǒng)中占有極其重要的地位。目前有關(guān)馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的研究較多。本研究利用生物量相對(duì)生長方程與樣地調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，對(duì)湖南省青羊湖林場內(nèi)，馬尾松純林喬木層不同器官和不同年齡階段的固碳能力進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)和分析，旨在為準(zhǔn)確估算研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為當(dāng)?shù)厣忠?guī)劃布局和生態(tài)工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1.研究地概況

研究地點(diǎn)位于湖南省寧鄉(xiāng)縣西部的青羊湖國有林場，為雪峰山余脈自中低山向丘陵過渡地帶，地理位置在東經(jīng)111°58～112°05、北緯28°08～28°10之內(nèi)。氣候類型屬于中亞熱帶向北亞熱帶過渡的大陸性季風(fēng)濕潤氣候，氣溫適中，雨量充沛，年平均氣溫16.2℃，年均降水量1438.8mm，年均無霜期為273。境內(nèi)母巖主要為板頁巖和少量分散的石灰?guī)r、砂礫巖、花崗巖。青羊湖國有林場又稱黃材水庫，是全國三大大堤工程之一，該林場于2011年12月由省編委批準(zhǔn)成立，森林覆蓋率98.7%，活立木總蓄積量7.7萬m³，植被種類多，其中主要喬木樹種為馬尾松（Pinusmassoniana，）、青岡（Cyelobalanopsisglauca）、杉木（Gun-ninghamialanceolata）、南酸棗（Choerospondiasaxillaris）等；非喬木有狗脊蕨（Woodwardia函ponica）、芒萁（Di-cranopterisdichotoma）、六月雪（Serissa iaponica）、菝葜（SmilaxchinaL）、淡竹葉（Lophathemmgracile）等。

2.研究方法

2.1樣地設(shè)置

于2013年6月，在青羊湖國有林場林選擇馬尾松人工林，依據(jù)代表性和可達(dá)性原則，設(shè)置10塊20m×20m的馬尾松調(diào)查樣地，對(duì)每塊樣地內(nèi)的馬尾松進(jìn)行每木檢尺，記錄樹高（Height）、胸徑（Diameter at breastheight，DBH）、平均冠幅（Mean crown）、枝下高（un-der-branch height），以及樣地海拔、坡向、坐標(biāo)等信息，共計(jì)428株馬尾松樣本。每塊樣地信息（表1）和每株馬尾松胸徑一樹高數(shù)據(jù)（圖1）如下：

2.2生物量轉(zhuǎn)換因子法

生物量轉(zhuǎn)換因子法（Biomass Expansion Factor，BEF）又叫作材積源生物量法（volume derivedbiomass），是利用林分生物量與木材材積比值的平均值乘以該森林類型的總蓄積量或利用木材密度（一定鮮材積的烘干量）乘以總蓄積量和總生物量與地上生物量的轉(zhuǎn)換系數(shù)得到該類型森林總生物量的方法。續(xù)珊珊和姚順波利用生物量轉(zhuǎn)換因子法對(duì)我國森林碳儲(chǔ)量區(qū)域差異進(jìn)行了研究分析；沈楚楚研究了浙江省主要樹種的生物量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.3數(shù)據(jù)分析

目前針對(duì)區(qū)域或全球尺度的森林植被碳儲(chǔ)量方法歸結(jié)為三大類型：樣地實(shí)測估算、模型估算和基于遙感技術(shù)的估算?？紤]到本研究為小區(qū)域內(nèi)碳儲(chǔ)量的計(jì)算，較容易獲取樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，故選用屬于第一、二類的生物量相對(duì)生長方程與樣地調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，同時(shí)依據(jù)植被生物量乘以含碳率求得植被碳儲(chǔ)量。在估算森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲(chǔ)量的研究中，國內(nèi)外相關(guān)研究人員通常采用0.50或0.45的含碳系數(shù)（生物量與碳含量的轉(zhuǎn)換系數(shù)），該值在不同樹種間以及同一樹種不同器官之間不盡相同，本研究依據(jù)郭文清對(duì)湖南省馬尾松純林全林整體生物量模型及碳儲(chǔ)量的研究結(jié)果，選擇馬尾松樹干、樹枝、樹葉和樹根的含碳系數(shù)分別為0.5029、0.4828、0.5959和0.4919（表2）。endprint

3.結(jié)果與分析

3.1馬尾松林喬木層結(jié)構(gòu)特征及碳儲(chǔ)量

林分直徑直接影響著林木的材積、干形、樹高等林分因子的變化，從而進(jìn)一步影響到生物量，是最重要和最基本的林分結(jié)構(gòu)，林分直徑分布是測樹制表技術(shù)理論及森林經(jīng)營技術(shù)的重要依據(jù)，根據(jù)林分直徑分布還可以從經(jīng)營效果和生態(tài)利用價(jià)值等方面分析林分的經(jīng)營管理情況。圖2為所馬尾松樣本的徑階分布圖，428株樣本的胸徑主要分布在12-16cm之間，大徑階和小徑階所占比例小，呈現(xiàn)出正態(tài)形的分布，結(jié)構(gòu)合理，符合自然規(guī)律的分布。依據(jù)黔南馬尾松人工林的胸徑生長方程，進(jìn)一步得出本研究所選擇的馬尾松年齡分布在7～38a，多數(shù)正處于中齡階段。

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)與馬尾松生物量生長方程將研究地馬尾松人工林的林分特征匯總見表3，其林分平均密度為1071株/hm²，平均胸徑和樹高分別是1 1.9cm和14.6m。林分各器官生物量所占大小順序?yàn)闃涓?樹根>樹枝>樹葉。結(jié)合含碳系數(shù)得到研究地馬尾松人工林樹干、樹枝、樹葉和樹根的碳密度分別為16.34、2.59、1.98和3.14t/hm²?？傆?jì)24.04 t/hm²。

3.2不同年齡段馬尾松林喬木層碳儲(chǔ)量

根據(jù)以上的林分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，將0～30a的馬尾松（425株）生長過程劃分為3個(gè)年齡階段：幼齡階段（0～10a）9株，中齡階段（10～20a）346株，近熟階段（20～30a）70株。不同年齡階段馬尾松的碳儲(chǔ)量表現(xiàn)出很大的差異（表4），隨著年齡的增長，馬尾松單木碳儲(chǔ)量逐漸增大，其幼齡階段，中齡階段和近熟階段的平均單木碳儲(chǔ)量依次為5.91kg/株·a、28.10kg，株·a和104.21kg株·a。根據(jù)實(shí)際取樣，馬尾松幼齡階段的碳儲(chǔ)量變異范圍為2.65～9.44kg株·a，中齡階段碳儲(chǔ)量變異范圍為9.44～56.04kg株·a，近熟階段變異范圍為56.04-162.33 kg株·a?？梢婑R尾松林喬木層的碳儲(chǔ)量在幼林階段變化較小，隨年齡增長碳儲(chǔ)量增量越來越大。同時(shí)不同年齡段各器官之間的碳儲(chǔ)量順序不盡相同，在幼齡階段，其各器官之間的碳儲(chǔ)量順序?yàn)闃涓?樹葉>樹枝>樹根，而在中齡階段和近熟階段則為樹干>樹根>樹枝>樹葉。

4.討論與結(jié)論

本研究采用生物量相對(duì)方程與樣地調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，以10個(gè)樣地、428株樣本為基礎(chǔ)，研究了湖南省青羊湖國有林場內(nèi)馬尾松人工林喬木層不同年齡段，不同器官的固碳能力，發(fā)現(xiàn)研究地馬尾松人工林樹干、樹枝、樹葉和樹根的碳密度分別為16.34、2.59、1.98和3.14t/hm²，總計(jì)24.04 t/hm²。低于湖北省馬尾松天然林喬木層的碳密度（44.82t/hm²），接近全國馬尾松林的平均碳密度（26.67t/hm²），高于湖南省馬尾松林的平均碳密度（15.81t/hm2）。林分密度與林分生物產(chǎn)量之間有極大聯(lián)系，Yarie在研究阿拉斯加地區(qū)加拿大云杉林的生物量與生產(chǎn)力時(shí)發(fā)現(xiàn)，林分生物量83%的變動(dòng)與林分密度有關(guān)，其它17%與年齡和立地條件相關(guān)。因此不同地區(qū)馬尾松林的碳密度由于林分密度的不同而不盡相同，這也是由于林分密度決定競爭強(qiáng)度，影響到枝葉的生長、葉面積大小和光合作用等，進(jìn)而影響到干材的生長和積累。

不同年齡階段馬尾松的生物量碳儲(chǔ)量表現(xiàn)出很大的差異（表3），1-10a馬尾松碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化波動(dòng)較小，10a之后隨年齡增長呈快速增大趨勢。張麗云等在研究不同生長階段馬尾松生產(chǎn)力與氣候因子的關(guān)系時(shí)也發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增長，馬尾松單木生產(chǎn)力逐漸增大。同時(shí)不同年齡段各器官之間的碳儲(chǔ)量順序不盡相同，在幼齡階段，其各器官之間的碳儲(chǔ)量順序?yàn)闃涓?樹葉>樹枝>樹根，而在中齡階段和近熟階段則為樹干>樹根>樹枝>樹葉，這種不同可能是由于隨著年齡增長，樹根得到充分發(fā)育而造成的。在中林和近熟階段馬尾松碳儲(chǔ)量大小順序與方晰等對(duì)廣西中部丘陵地帶馬尾松林生產(chǎn)力與碳素動(dòng)態(tài)研究時(shí)的發(fā)現(xiàn)一致。

準(zhǔn)確測定馬尾松的碳儲(chǔ)量是研究馬尾松林分碳匯的基礎(chǔ)，馬尾松作為我國南方的主要鄉(xiāng)土造林樹種，在森林碳匯方面具有巨大的潛力和價(jià)值。針對(duì)研究地湖南省青羊湖國有林場的馬尾松人工林，可通過科學(xué)的經(jīng)營管理措施，調(diào)整林分密度和林分結(jié)構(gòu)，以提高林分的總體生產(chǎn)力。endprint