祁連山青海云杉林生物量與碳儲量及其影響因素分析

劉建泉+李進軍+郝虎

摘要 在樣地調查的基礎上，利用青海云杉胸徑—材積的一元模型、青海云杉林蓄積—生物量模型、相關分析和主成分分析法，對甘肅祁連山青海云杉林的蓄積量、生物量、碳儲量以及影響青海云杉林碳儲量的主要因子進行了研究。結果表明，青海云杉林單位面積的蓄積量、生物量和碳儲量平均值分別為223.445 4 m3/hm2、136.075 5 t/hm2和96.186 4 t/hm2；總生物量和碳儲量分別達到2.59×107 t和1.52×107 t，其中中齡林和近熟林的生物量和碳儲量分別占總量的42.581 8%和41.134 8%，而幼齡林僅占1.080 9%；影響森林植被碳儲量的主要因子為環(huán)境水熱狀況，溫度是影響祁連山森林植被碳儲量最關鍵的因子。

關鍵詞 青海云杉林；蓄積量；生物量；碳儲量；影響因素；祁連山

中圖分類號 S718.5 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）12-0140-04

Abstract Based on sample survey，using a meta model of DBH-volume of Picea crassifolia，stand volume-biomass model of Picea crassifolia forest，correlation analysis and principal component analysis，the stand volume，biomass，carbon storage and the main factors affecting the carbon storage of Picea crassifolia forest in Gansu Qilian Mountains were studied.The results showed that the stand volume，biomass and carbon storage of per unit area averages was 223.445 4 m3/hm2，136.075 5 t/hm2 and 96.186 4 t/hm2.The total biomass and total carbon storage reached 2.59×107 t and 1.52×107 t，biomass and carbon storage of mid-age forest and near-mature forest accounted for 42.581 8% and 41.134 8% of the total，respectively，and young forest accounted for only 1.080 9%.The main factors that affectd the forest vegetation carbon storage was hydrothermal condition of the environment，the temperature was the most critical factor affecting forest vegetation carbon storage in Qilian mountains.

Key words Picea crassifolia forest；stand volume；biomass；carbon storage；influence factor；Qilian Mountains

碳源（carbon source）是指向大氣中釋放碳的過程、活動或機制。碳匯（carbon sink）是指通過植樹造林、森林管理、植被恢復等措施，利用植物光合作用吸收大氣中的CO2，并將其固定在植被或土壤中，從而減少溫室氣體在大氣中濃度的過程、活動或機制[1]。當生態(tài)系統(tǒng)固定碳量大于排放的碳量，該系統(tǒng)就稱為大氣CO2的匯，反之，則為碳源[2]。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，它貯存了陸地生態(tài)系統(tǒng)76%～98%的有機碳；森林是陸地上最大的碳匯，森林碳匯（forest carbon sinks）是指森林植物吸收大氣中CO2并將其固定在植被或土壤中，從而減少該氣體在大氣中的濃度的過程、活動或機制[3]。森林植被所固定的碳量約占陸地植被總固碳量的82.5%，是森林固碳能力的重要標志和植被碳匯的主要載體[3-4]。中國森林碳匯占總碳匯的52.85%[1]，其在應對氣候變化和增加大氣碳吸收中具有重要作用。

青海云杉（Picea crassifolia）林主要分布于祁連山和賀蘭山兩大山系，其中祁連山分布面積占總面積的94.6%[3]，是祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)的主要組成成分，對發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)服務功能、維護山地—綠洲—荒漠生態(tài)系統(tǒng)的平衡、促進西部經濟社會的穩(wěn)定發(fā)展都具有重要意義。目前，對青海云杉林的研究主要集中在森林生態(tài)、森林水文、森林土壤等領域[5-10]，在生物量方面也有研究[11-14]，對其碳儲量和碳匯功能的研究相對較少[3-4，15-16]。本文對祁連山青海云杉林不同林組的生物量和碳儲量進行估算，從減緩氣候變化方面論證青海云杉林的碳匯功能；對影響青海云杉林碳儲量的因素進行分析，探討青海云杉林對氣候變化的響應，為青海云杉林的保護、恢復、發(fā)展和森林碳匯功能的經營管理提供參考。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于甘肅省祁連山北坡寺大隆林區(qū)，99°31′～100°53′ E，38°14′～38°44′ N，海拔2 600～4 200 m，屬大陸性高寒半濕潤山地氣候，年平均氣溫0.6 ℃，1 月平均氣溫 -13.1 ℃，7 月平均氣溫12.1 ℃；年平均降水量437.2 mm，主要集中在5—9月；年蒸發(fā)量1 066.2 mm，年相對濕度60%，年日照時數(shù)1 892.6 h，林木生長期90～120 d；土壤和植被隨山地地形和氣候的差異形成明顯的垂直帶譜，分布有寒漠土、高山和亞高山草甸土、灌叢草甸土、山地栗鈣土、森林灰褐土以及沼澤土等土壤，發(fā)育有高山流石灘植被、高山和亞高山灌叢、溫性和寒溫性針葉林、山地草原等地帶性植被和沼澤等非地帶性植被，主要優(yōu)勢種有青海云杉、祁連圓柏（Sabina przewalskii）、金露梅（Potentilla fruticosa）、鬼箭錦雞兒（Caragana jubata）、吉拉柳（Salix gilashanica）、高山繡線菊（Spiraea alpina）、珠芽蓼（Polygonum viviparum）、針茅（Stipa spp.）、苔草（Carex spp.）、嵩草（Kobresia spp.）、委陵菜（Poten-tilla spp.）以及苔蘚等，生物多樣性十分豐富。寺大隆林區(qū)的青海云杉林主要分布在海拔2 500～3 300 m的陰坡和半陰坡，多為中齡林和近熟林，面積13 968.3 hm2。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地調查。利用衛(wèi)星影像和林相圖，在研究區(qū)域沿海拔梯度每間隔100 m設置1塊調查樣地，共設6塊樣地，記錄樣地所在位置的地理坐標；根據(jù)地理坐標，選擇受干擾小、接近自然狀態(tài)的地塊設置樣地，樣地面積為20 m×20 m；進行環(huán)境因子和樣地調查，并對樹高≥1.5 m的林木測量胸徑和株數(shù)，記錄樹高<1.5 m的幼樹株數(shù)，調查樣地均為中齡林。

1.2.2 蓄積量計算。林木材積與胸徑有密切的關系，國內外林學家相繼提出了幾十個不同類型的一元材積模型[17]，根據(jù)文獻[6]資料，利用Microsoft Excel 2007提供的數(shù)據(jù)分析工具，對青海云杉胸徑與材積的一元模型進行擬合，篩選出最佳單株材積回歸模型：

1.2.5 影響青海云杉林碳儲量的主要因素分析。祁連山區(qū)氣候垂直分帶非常明顯，海拔每升高100 m，降水量增加18.6 mm，平均氣溫降低0.58 ℃，由此可以推算出樣地的平均溫度和平均降水量，將此組數(shù)據(jù)補充到表1中，并將表1中的坡向、坡位進行數(shù)字化（西北坡=1，北坡=2；上坡位=1，中坡位=2，下坡位=3），構成17×6的數(shù)據(jù)矩陣，用相關分析（correlation analysis）和主成分分析（principal components an-alysis，PCA）法分析影響青海云杉林蓄積量的主要因素。全部計算用SPSS 19軟件在計算機上完成。

2 結果與分析

2.1 樣地調查結果

根據(jù)調查結果，樣地的基本情況見表1。

2.2 青海云杉林蓄積量與生物量的垂直分布

祁連山區(qū)的溫度和降水量隨著海拔的變化而發(fā)生明顯的規(guī)律性變化，深刻影響青海云杉林的分布及其蓄積量與生物量。根據(jù)公式（2）（5）（10）的計算結果（表2）表明，隨著海拔升高、降水增加、氣溫降低，青海云杉林內樹高小于1.5 m的幼樹呈減少趨勢，林分的天然更新能力降低；林分的蓄積量和生物量隨著海拔的升高和氣溫的降低呈減少趨勢，海拔2 770 m的蓄積量、生物量和碳密度都達到最大，分別為309.197 5 m3/hm2、177.931 1 t/hm2和122.940 6 t/hm2，海拔 2 770～3 250 m的青海云杉林單位面積的蓄積量、生物量和碳儲量（碳密度）平均值分別為223.445 4 m3/hm2、136.075 5 t/hm2和96.186 4 t/hm2。

用海拔作為自變量，與青海云杉林蓄積量、生物量和碳儲量進行回歸分析，擬合得到最佳的回歸方程（表3）；回歸方程符合多項式方程，相關系數(shù)的平方（復測定系數(shù)R2）為0.798 9～0.802 8；回歸方程揭示了青海云杉林蓄積量、生物量和碳儲量隨著海拔升高而逐漸降低的趨勢。

2.3 祁連山林區(qū)青海云杉林碳儲量估算

祁連山林區(qū)是我國重要的水源涵養(yǎng)林區(qū)和生態(tài)功能區(qū)，對應對氣候變化有著舉足輕重的作用；青海云杉林是祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)的主體，主要分布于甘肅和青海二省，甘肅省是青海云杉林的分布中心，分布面積13.42萬hm2。利用式（5）和式（10）對甘肅祁連山林區(qū)青海云杉林的生物量和碳儲量進行估算，結果（表4）表明，青海云杉林的生物量和碳儲量分別達到2.59×107 t和1.52×107 t。其中，中齡林和近熟林的生物量和碳儲量分別占總量的42.581 8%和41.134 8%，而幼齡林只占1.080 9%。

2.4 青海云杉林碳儲量與樣地因子的相關性

相關分析結果（表5）表明，在選取的17個因子中，僅有郁閉度（x7）、草本高度（x11）與林分碳儲量有不顯著的負相關，幼樹株數(shù)（x13）與碳儲量有不顯著的正相關，其余14個因子與青海云杉林碳儲量均成顯著或極顯著的正相關或負相關，其中極顯著相關因子12個、顯著相關因子2個。因此，這14個因子是研究林分碳儲量的重要因子。

2.5 影響青海云杉林碳儲量的主要因素

主成分分析結果（表6）表明，①特征值≥1的主成分有3個，因而可以提取3個主成分；②前3個主成分的累計貢獻率已經達到96.012 7%，可以基本反映影響林分碳儲量的全部指標信息；③第一主成分上載荷較高的有平均氣溫、平均降水量、海拔、草本蓋度、坡度、坡位，基本反映了林地的水熱狀況；第二主成分上載荷較高的有草本高度、苔蘚蓋度、幼樹株數(shù)、大樹株數(shù)、平均胸徑，基本反映了林分結構特點；第三主成分則是對第一、第二主成分的補充。綜上分析，林分環(huán)境的水熱狀況是影響青海云杉林碳儲量的主要因子，而且海拔、平均氣溫、平均降水量的載荷量分別達到0.9802、-0.985 0和0.980 2，是影響青海云杉林碳儲量的關鍵因子，特別是平均氣溫的影響最大。

3 結論與討論

甘肅祁連山林區(qū)青海云杉林的總生物量為2.59×107 t，平均生物量為193.2055 t/hm2，接近王金葉等[16]203.08 t/hm2、常學向等[12]242.98 t/hm2和彭守璋等[3]134.3～250.1 t/hm2的研究結果，大于張 雷等[11]128.61 t/hm2的研究結果；總碳儲量為1.52×107 t，平均碳儲量（碳密度）為96.186 4 t/hm2，平均碳儲量（碳密度）高于寧夏賀蘭山保護區(qū)青海云杉林64.51 t/hm2 [15]和青海大通縣林區(qū)青海云杉林65.68 t/hm2 [4]，接近祁連山青海云杉林70.4～131.1 t/hm2 [3]的研究結果。甘肅祁連山林區(qū)青海云杉林中齡林和近熟林的生物量和碳儲量分別占總量的42.581 8%和41.134 8%，至少能夠維持3個林組80～120年生物量和碳儲量的持續(xù)增長，80～120年后也可以保持一定時期的穩(wěn)定，但幼齡林僅占1.080 9%，后備資源匱乏。因此，從可持續(xù)發(fā)展和持續(xù)應對氣候變化角度出發(fā)，必須持續(xù)擴大造林和封山育林面積，加強幼齡林撫育管理，有效地培育森林資源，以保證碳匯功能的持續(xù)發(fā)揮。

林分碳儲量是林木通過光合作用將CO2轉換為有機物儲存在林分中的產物，是林分生物量非常重要的表現(xiàn)形式。對影響甘肅祁連山青海云杉林碳儲量關鍵因子的分析證明，在祁連山林區(qū)，坡位和坡向的改變會影響林地的水熱條件；特別是隨著海拔升高，林地的水熱條件逐步發(fā)生變化：水分條件會顯著改善，而平均氣溫明顯下降，造成林木光合速率降低，吸收和固定CO2的能力減弱。因此，溫度成為影響祁連山森林植被碳儲量最關鍵的因子。

林分生物量的測定是估算林分碳儲量的基礎。標準木分段切割法是常用的生物量測定方法，具有測定結果相對準確、人力物力消耗較大的特點，而且天然林資源保護工程和林地管理相關法規(guī)的實施對林木采伐有了嚴格的規(guī)定。因此，研究者把目光逐漸轉移到利用青海云杉林生物量—蓄積量模型研究林分的生物量[3，4，17-18]，具有良好的效果。

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