小興安嶺天然更新針闊混交林碳匯結(jié)構(gòu)特征的研究

崔崧，劉濱凡，王明強

(1.黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所，哈爾濱150081；2.黑龍江省林業(yè)科學(xué)院，哈爾濱150081)

小興安嶺是黑龍江省重要的具有典型地域性植被特征的森林分布區(qū)，其生態(tài)結(jié)構(gòu)功能的完整性是黑龍江省生態(tài)安全的重要保證。隨著全面禁伐的實施，碳匯林營造將是未來林區(qū)的生態(tài)甚至是經(jīng)濟功能的重要組成部分。該地區(qū)采伐區(qū)域多形成以白樺和山楊為主的闊葉林或混交林，在不經(jīng)過經(jīng)營措施的干預(yù)下無法在短時間內(nèi)恢復(fù)成以紅松為頂級群落的針闊混交林，而目前造林工作又都是以用材林營造標準為依據(jù)，與自然化的林業(yè)差別較大。因此，本文選取未經(jīng)過人為擾動的更新狀態(tài)較好自然更新林分為研究對象，通過生物量模型、碳含量模型推算出建群種碳匯量，結(jié)合群落學(xué)分析得到小興安嶺天然更新混交林碳匯結(jié)構(gòu)特征。

1 研究方法及樣地概況

1.1 研究方法

選取小興安嶺豐林自然保護區(qū)為實驗地點，選取天然更新狀況較好的混交林為研究對象，在實驗區(qū)內(nèi)建立20m×30m實驗樣地，在樣地內(nèi)設(shè)置5m×5m樣方共計24個，對樣地內(nèi)所有喬木樹種進行調(diào)查，測定樹高、胸徑、冠幅等指標，通過生物量模型擬合計算出各喬木樹種的生物量，同時結(jié)合碳含量方程計算出各個建群種的含碳量。

表1 生物量模型的選擇[1]

有關(guān)森林碳儲量的研究大多采用固定的數(shù)值作為森林的平均含碳率。例如，方精云等[2]采用 0.5 的含碳率，也有采用0.45作為平均含碳率估算碳儲量[3]。

本文采用不同樹種不同部位的碳含量[4]的研究結(jié)果作為計算依據(jù)：

表2 不同樹種含碳率(%)

重要值(IV)的計算公式[5]：

IV=RDE+RCO+RFE

RDE：相對密度，樣方內(nèi)某種植物的密度與群落所有植物群落密度總和之比；

RCO：相對蓋度，樣方內(nèi)某種植物的蓋度與所有植物蓋度總和之比，蓋度采用冠層投影面積進行計算；

RFE：相對頻度，樣方內(nèi)某種植物的頻度與所有植物種的頻度總和之比。

1.2 樣地概況

實驗選取的混交林為1967年采伐地自然更新，經(jīng)過近50年的自然生長形成，未經(jīng)過人為擾動，坡度3°，坡位：上，坡向：南,年平均氣溫-1℃左右,年降水量700～800mm。樣地內(nèi)主要喬木為白樺(Betulaplatyphylla)、毛赤楊(Alnussibirica)、紅松(Larixgmelinii)、大黃柳(Salixraddeana)、冷杉(Abiesfabri)、山楊(Populusdavidiana)、山桃稠李(Padusmaackii)、春榆(Ulmuspumila)、楓樺(Betulacostata)、花楷槭(Acerukurunduense)、黃菠蘿(Phellodendronamurense)、青楷槭(Acertegmentosum)、山槐(Albiziakalkora)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、色木槭(Acermono)、云杉(Piceaasperata)、紫椴(Tiliaamurensis)。灌木為暴馬丁香(Syringareticulata)、鼠李(Rhamnusdavurica)、刺五加(Acanthopanaxsenticosus)、狗棗獼猴桃(Actinidiakolomikta)、金花忍冬(Lonicerachrysantha)、接骨木(Sambucuswilliamsii)、瘤枝衛(wèi)矛(Euonymusverrucosus)、毛榛(Corylusmandshurica)、暖木條莢蒾(Viburnumburejaeticum)、三棵針(Berberissoulieana)、山刺玫(Rosadavurica)、烏蘇里繡線菊(Spiraeaussuriensis)、珍珠梅(Sorbariasorbifolia)。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要喬木樹種種群特征及重要值

種群的群落學(xué)特征反映了種群在該群落中的數(shù)量、組成、比例、生長、對資源的占有狀況等。表3看出，主要喬木樹種中更新狀態(tài)最好的樹種是(≥10株)：白樺、水曲柳、色木槭、云杉、紫椴。從垂直空間來看，整體處于結(jié)構(gòu)上層的樹種(H≥10m)主要有：山楊、毛赤楊、黃菠蘿，但3個物種的個體數(shù)量都很?。徽w處于結(jié)構(gòu)中層的樹種(10m≤H≥5m)主要有：紫椴、大黃柳、色木槭、水曲柳、白樺、春榆、紅松、冷杉、青楷槭、山槐、山桃稠李；整體處于結(jié)構(gòu)下層的樹種(5m≤H)主要有：云杉、花楷槭。從水平空間來看，整體對于水平空間占有較大樹種(D≥10cm)有：黃菠蘿、冷杉、毛赤楊、山桃稠李、山楊。整體資源占有較大的樹種(C≥10m2)有：紅松、冷杉、毛赤楊，但這3個樹種的數(shù)量都較小。

表3 主要喬木樹種種群特征

表4 主要喬木樹種種群重要值

表4看出，重要值較大的喬木樹種(≥10%)有白樺、水曲柳、云杉、色木槭、紫椴、春榆和黃菠蘿，由于春榆無法形成高大喬木，在群落未來演替中不會占據(jù)主要位置，因此不予考慮，所以，本文對白樺、水曲柳、云杉、色木槭、紫椴、黃菠蘿的生物量及碳匯特征進行了研究。

2.2 種群生物量及碳匯特征

2.2.1 種群生物量特征

表5可以看出，喬木樹種整體生物量中最大的是白樺(1686.78kg)和水曲柳(992.98kg)，單株最大平均生物量是黃菠蘿(58.91kg/株)和水曲柳(22.07kg/株)，樹干生物量與此情況一致。樹干生物量比率最大的是白樺(81.32%)和云杉(73.21%)。

2.2.2 種群碳匯特征

表5 種群生物量特征

表6 種群碳匯特征

喬木樹種碳匯特征與生物量特征類似，整體碳匯量中最大的是白樺(758.87kg)和水曲柳(430.56kg)，單株最大平均碳匯量是黃菠蘿(26.1kg)和白樺(11kg)，樹干碳匯量及碳密度與此情況一致。樹干碳匯量比率最大的是白樺(70.2%)和紫椴(67.82%)。

3.3 種群碳匯結(jié)構(gòu)特征

3.3.1 不同徑級優(yōu)勢種固碳總量的特征

圖1 不同徑級優(yōu)勢種固碳總量

圖1看出，不同優(yōu)勢種表現(xiàn)出隨著徑級的升高，總固碳量均呈現(xiàn)上升的趨勢，其中白樺在8～10cm徑級中積累了最多的碳匯量，水曲柳在10～12cm徑級中達到最大，色木槭在8～10cm徑級中達到最大，隨后三個樹種均呈現(xiàn)下降的趨勢。云杉、紫椴和黃菠蘿在樣地內(nèi)隨徑級的增大，呈現(xiàn)上升的狀態(tài)，且在目前的徑級范圍內(nèi)未出現(xiàn)下降的趨勢。

3.3.2 不同樹高級優(yōu)勢種固碳總量的特征

圖2 不同樹高級優(yōu)勢種固碳總量

圖2看出，不同優(yōu)勢種表現(xiàn)出隨著樹高級的升高，總固碳量均呈現(xiàn)上升的趨勢，除白樺外其余樹種均未出現(xiàn)下降的趨勢，白樺在14～16m樹高級中積累了最多的碳匯量，隨后出現(xiàn)下降的趨勢。

3.3.2 不同冠層投影面積分級下優(yōu)勢種固碳總量的特征

圖3 不同冠層投影面積分級下優(yōu)勢種固碳總量

圖3可以看到，在0～12m2之前的分級中，闊葉樹種均在2～4和4～6m2達到碳匯積累量的最大值，隨后開始下降，但云杉卻表現(xiàn)出隨投影蓋度分級的增加，碳匯積累出現(xiàn)下降的趨勢。在投影蓋度分級達到8～10m2之后，個別冠幅非常大的個體表現(xiàn)出一定的積累量，但這種積累呈現(xiàn)無規(guī)律的狀態(tài)。

4 結(jié)果與分析

4.1 通過對所有喬木群落學(xué)重要性進行分析，明確白樺、水曲柳、云杉、色木槭、紫椴、黃菠蘿為該群落主要建群種，經(jīng)過50年無人為擾動的自然更新演替，混交林的結(jié)構(gòu)狀態(tài)還是以闊葉為主，針葉樹種比例低、重要性差。

4.2 對于整個群落碳匯作用貢獻最大的仍然為先鋒樹種白樺(12693.88 kg/hm2)，但排在第二位的是水曲柳(7175.95kg/hm2)，說明群落在向著結(jié)構(gòu)有利于針闊混交的方向發(fā)展，但針葉樹種的自然更新狀態(tài)并不太好，這可能在未來很長一段時間影響群落的整體結(jié)構(gòu)功能，從而影響碳匯能力。

4.3 從結(jié)構(gòu)分級來看，水平結(jié)構(gòu)上白樺和色木槭在8～10cm，水曲柳在10～12cm徑級下碳累積量達到最大，之后呈現(xiàn)一定的下降趨勢，其余樹種呈現(xiàn)持續(xù)的上升趨勢；垂直結(jié)構(gòu)上，優(yōu)勢種總固碳量隨著樹高級的升高均呈現(xiàn)上升的趨勢，除白樺外其余樹種均未出現(xiàn)下降的趨勢，白樺在14～16m樹高級達到最大隨后出現(xiàn)下降的趨勢；由于喬木樹種的形態(tài)特征及林分內(nèi)各樹種間的相互作用，冠層投影面積分級下碳匯積累量規(guī)律不明顯，特別是達到8～10m2之后，樹種的碳積累呈現(xiàn)出不規(guī)律的狀態(tài)。