灤河上游3種林分類型固碳釋氧效益估算

鄭 淼

(山西林業(yè)職業(yè)技術學院, 太原 030009)

全球的溫度變化是目前生態(tài)環(huán)境科學界研究的重點與前沿，而其中的重要的一項是大氣中CO2濃度的變化，研究發(fā)現(xiàn)大氣中的CO2比工業(yè)革命前高出35%，而森林是整個生態(tài)系統(tǒng)的碳庫，尤其是北半球的森林生態(tài)系統(tǒng)尤其重要，在全球碳平衡中發(fā)揮著重要的碳吸收匯功能，通過對森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧能力進行研究，評估出森林在減緩大氣CO2含量上升所起到的作用，為氣候變化提出有效的理論依據(jù)。近年來，國內(nèi)有關森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度與碳儲量的研究也開始增加，國內(nèi)學者對我國森林植被的碳密度和碳儲量進行了研究。由于森林生態(tài)系統(tǒng)的復雜性，影響因子比較多，因此對森林的固碳釋氧量一般都是采取大尺度的測定方法來進行估算，灤河上游是華北地區(qū)重要的生態(tài)功能區(qū)，對京津冀地區(qū)的防風固沙具有重要的作用，該地區(qū)多以森林經(jīng)營、水土保持、森林空間的合理配置和林分結構等方面的研究為主，而針對林分的固碳釋氧方面的研究報道較少[1-2]。

為探究灤河上游3種林分類型固碳釋氧效益，為當?shù)匾怨烫坚屟鯙橹鞯纳纸?jīng)營提供參考，因此本文以灤河上游的3種林分類型作為研究對象，以林分的生物量作為基礎來對林分的固碳釋氧功能進行研究，與此同時對3種林分類型的不同林齡(幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林)固碳釋氧的效益進行分析研究，旨在對該地區(qū)的典型林分固碳釋氧量進行對比分析，從而為該地區(qū)的森林固碳釋氧功能評價提供參考依據(jù)，以期為該地區(qū)森林健康經(jīng)營提供理論依據(jù)和技術支撐[3-4]。

1 研究區(qū)概況

本次調(diào)查是在承德木蘭圍場進行，木蘭圍場坐落于河北省東北部，地處灤河上游，地理坐標為116°32′—118°14′E，41°35′—42°40′N，海拔為820～1 850 m，木蘭林管局林區(qū)無霜期67～25 d，年平均氣溫-1.4～4.7℃，極端最低氣溫-42.9℃，極端最高氣溫38.9℃。林管局林區(qū)內(nèi)土壤主要包括棕壤、褐土、風砂土、草甸土、沼澤土、灰色森林土、黑土7個土類，共15個亞類，66個土屬，143個土種。該地區(qū)針葉樹種主要為華北落葉松林(Larixprincipis-rupprechtii)、云杉(Piceaasperata)、油松林(Pinustabulaef)，闊葉樹種主要為山楊林(Populusdavidiana)、白樺林(BetulaplatyphyllaSuk.)、榆樹(Ilhvuspuneila)等[5-7]。

2 研究內(nèi)容和方法

2.1 樣地設置

本文設置的樣地為灤河上游最常見的林分，選取針葉林、闊葉林與針闊混交林3種具有代表性的林分類型，設置9塊大樣地為100 m×100 m，4個齡期的3種林分，對樣地的一些基本情況進行了解，主要有海拔、地形、地理位置、樣地的坡位以及林分郁閉度等，在適當?shù)奈恢迷O置樣地的原點，然后輔助設備(羅盤儀、全站儀)劃定樣地邊界，并用玻璃繩連接，逐次編號，最后將邊界用鐵絲網(wǎng)、水泥樁固定，其中郁閉度的測定是通過在樣地內(nèi)機械設置200個樣點，在各樣點位置上進行抬頭垂直昂視，判斷該樣點是否被樹冠覆蓋，統(tǒng)計被覆蓋的樣點數(shù)，該點數(shù)與樣點數(shù)的比值則是林分的郁閉度，最后定量分析不同類型林分固碳釋氧功能，系統(tǒng)研究不同林型固碳釋氧效益的高低，為試驗區(qū)森林的健康經(jīng)營提供一定的理論依據(jù)[8-10]。

2.2 試驗方法

2.2.1 固碳釋氧服務功能物質(zhì)量

G固碳=1.63R碳·A·B年

(1)

G釋氧=1.19A·B年

(2)

式中：G固碳，G釋氧分別為林分年固碳、釋氧物質(zhì)量(t/a)；A為林分面積(hm2)；B年為林分凈生產(chǎn)力[t/(a·hm2)]；R碳為二氧化碳中碳元素含量。在光合作用下樹木每形成1 g干物質(zhì)，需固定1.63 g CO2，釋放1.2 g O2。由此可計算釋放氧氣量[11]。

2.2.2 固碳釋氧服務功能價值量[12-13]

U固碳=1.63C碳·R碳·A·B年

(3)

U釋氧=1.19C氧·A·B年

(4)

式中：U固碳，U釋氧分別是林分年固碳、釋氧價值量(元/a)，C碳，C氧分別為固碳、氧氣價格。采納歐洲國家溫室氣體排放稅收制度，確定固碳價格，本文采用瑞丹的碳稅率150 $/t，折算人民幣的價格為1 200元/t。而氧氣的價格則采用2007年衛(wèi)生部公布的春季氧氣平均價格1 000元/t。

生物量和蓄積量的關系方程：

B=a·V+b

(5)

式中：B為森林生物量(t)；V為森林蓄積量(m3)；a,b為參數(shù)。各樹種生物量與蓄積量回歸方程見表1，不同林分類型林齡組劃分見表2。

表1 不同林分類型生物量與蓄積量回歸方程

碳儲量與生物量的關系方程：

C=B·Cc

(6)

式中：C為碳儲量(t)；B為森林生物量(t)；Cc為含碳率，森林含碳率采用平均值0.5。

3 結果與分析

3.1 3種林分類型生物量分析

如圖1所示，同一林分不同齡期的生長狀況比較可以看出：針葉林蓄積量在中幼齡期增長速度比較慢，而近熟期增長速度最快；闊葉林蓄積量中幼齡期增長速度比較快，近熟期與成熟期增長速度較慢；針闊混交林蓄積量在中幼齡期增長速度相對較快，而近熟期與成熟期增長速度相對較慢。不同林分類型同一齡期生長狀況的比較，處于幼齡期時不同林分類型蓄積量由大到小排序為：闊葉林>針闊混交林>針葉林；中齡期不同林分類型蓄積量由大到小排序為：闊葉林>針闊混交林>針葉林；近熟期不同林分類型蓄積量由大到小排序為：闊葉林>針闊混交林>針葉林；成熟期不同林分的蓄積量由大到小排序為：闊葉林>針闊混交林>針葉林。

表2 不同林分類型林齡組劃分 a

圖1 3種林分類型不同齡期蓄積量估算

不同林分類型蓄積量呈現(xiàn)這種規(guī)律可能是因為闊葉林在中幼齡期生長速度比較快，近熟期開始速度減慢，而針葉樹種則相反。闊葉林蓄積量無論在哪個齡期其蓄積量都要高于其他兩種林分，但是針葉林與闊葉林的差距從近熟林開始迅速減小。根據(jù)生物量與蓄積量的關系測定出各林分類型不同齡期年均生長量，即年均生物量，從而對3種林分類型的固碳釋氧經(jīng)濟價值進行分析(圖2)。

由圖2可以看出，幼齡期3種林分類型平均生物量大小依次排序為：針闊混交林>闊葉林>針葉林，針葉林在該時期的生物量明顯低于其他兩種林分類型，是因為在生長初期針葉樹種生長速度低于闊葉的原因，而闊葉林低于針闊混交林是由于針闊混交林林內(nèi)生長競爭比較激烈，有助于林分的生長；中齡期3種林分類型依次排序為：闊葉林>針闊混交林>針葉林，在中齡期闊葉林的生長速度達到了最高，針葉林增長速度開始加快；近熟林3種林分依次排序為：針葉林>針闊混交林>闊葉林，針葉林在近熟期樹種生長速度達到最大，超過闊葉樹種生長速度。成熟林3種林分類型依次排序為：針闊混交林>針葉林>闊葉林，3種林分類型在成熟期蓄積量積累達到了最大值，但是林分蓄積量生長速度都比較慢。

圖2 3種林分不同齡期生物量估算

3.2 3種林分類型不同齡級的固碳釋氧量價值估算

3.2.1 不同齡期不同林分的碳密度估算 固碳物質(zhì)量與林木的生長速度呈正相關，生長越快，固碳物質(zhì)量增加越多。3種林分類型固碳規(guī)律比較相似，從幼齡期到成熟林固碳的質(zhì)量呈現(xiàn)出增加的趨勢，中幼齡期針葉林固碳量低于其他兩種林分類型，近熟齡到成熟齡期間針葉林的生長速度明顯增快，固碳量高于闊葉林，與其他兩種林分類型縮小了差距(圖3)。

圖3 3種林分類型不同齡期碳密度估算

從圖3可以看出，幼齡期3種林分類型碳密度由大到小排序為：針闊混交林>闊葉林>針葉林；中齡期碳密度由大到小排序為：闊葉林>針闊混交林>針葉林；3種林分近熟林碳密度由大到小排序為：針葉林>針闊混交林>闊葉林；3種林分類型成熟林碳密度由大到小排序為：針闊混交林>針葉林>闊葉林。

3.2.2 不同齡期不同林分類型氧氣釋放量估算 釋放氧氣物質(zhì)量與林木的生長速度呈正相關，生長越快，釋氧物質(zhì)量增加越多。3種林分類型中闊葉林從幼齡林到中齡林期間，釋氧物質(zhì)量呈增加趨勢，此后開始減少，到近熟期以后釋氧物質(zhì)量變化不大；針葉林從幼齡林到近熟林期間，釋氧物質(zhì)量呈增加趨勢，此后開始減少；針闊混交林則是呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律(圖4)。

從圖4可以看出，幼齡期3種林分類型氧氣釋放量由大到小排序為：針闊混交林>闊葉林>針葉林；中齡期氧氣釋放量由大到小排序為：闊葉林>針闊混交林>針葉林；3種林分類型近熟林氧氣釋放量由大到小排序為：針葉林>針闊混交林>闊葉林；3種林分類型成熟林氧氣釋放量由大到小排序為：針闊混交林>針葉林>闊葉林。

圖4 3種林分類型不同齡期氧氣釋放量

3.3 固碳釋氧經(jīng)濟價值估算

采納歐洲國家溫室氣體排放稅收制度，確定固碳價格，本文采用瑞丹的碳稅率150 $/t，折算人民幣的價格為1 200元/t。而氧氣的價格則采用2007年衛(wèi)生部公布的春季氧氣平均價格1 000元/t。

如表3所示，針葉林固碳釋氧總價值隨齡林的增加呈單峰曲線，在近熟林時達到最大價值量，為16 397元/(hm2·a)，成熟林期間固碳釋氧總價值最低，僅為3 321元/(hm2·a)，是近熟林時的20%；闊葉林固碳釋氧總價值隨齡林的增加呈單峰曲線，在中齡林時達到最大價值量，為18 948元/(hm2·a)，成熟林期間固碳釋氧總價值最低，僅為2 110元/(hm2·a)，是中齡林時的11%；針闊混交林固碳釋氧總價值隨齡林的增加呈單峰曲線，在近熟林時達到最大價值量，為15 188元/(hm2·a)，成熟林期間固碳釋氧總價值最低，僅為5 695元/(hm2·a)，是近熟林時的37%。

幼齡林時固碳釋氧平均總價值為5 272元/(hm2·a)，不同林分類型價值量大小排序為：針闊混交林>闊葉林>針葉林；中齡林時平均總價值為13 904元/(hm2·a)，不同林分類型價值量大小排序為：闊葉林>針闊混交林>針葉林；近熟林時平均總價值為9 555元/(hm2·a)，不同林分類型價值量大小排序為：針葉林>針闊混交林>闊葉林；成熟林期平均總價值為3 709元/(hm2·a)，不同林分類型價值量大小排序為：針闊混交林>針葉林>闊葉林。整個生命周期平均固碳釋氧總價值排序為：針闊混交林>針葉林>闊葉林，針闊混交林固碳釋氧的總價值明顯高于其他兩種林分，而闊葉林固碳釋氧總價值最低。

表3 3種林分類型不同齡級單位面積固碳釋氧價值量 元/(hm2·a)

4 結 論

(1) 3種林分類型各齡期蓄積量與闊葉林在林分中占的比例呈正比，闊葉林最大，針葉林最小，而針闊混交林居中；在中幼齡時期，針葉林的平均生物量都是最小的，而近熟與成熟時期闊葉林的平均生物量為最小，這與林分內(nèi)林木本身的生長規(guī)律有關。

(2) 中幼齡時期碳密度與氧氣釋放量最小的為針葉林，而近熟齡與成熟齡時期最小的為闊葉林，兩者都與林木的生長速度呈正相關，生長越快，固碳釋氧量越大，而林分的價值量與兩者的變化規(guī)律一致。

(3) 針葉林固碳釋氧總價值最大的為近熟林，成熟林最小，僅為近熟林的20%；闊葉林固碳釋氧總價值最大為中齡林，成熟林最低，為中齡林時的11%；針闊混交林固碳釋氧總價值最大的為近熟林，成熟林最小僅近熟林時的37%。

(4) 4個林齡的林分固碳釋氧平均總價值大小排序為：中齡林>近熟林>幼齡林>成熟林，整個生命周期平均固碳釋氧總價值排序為：針闊混交林>針葉林>闊葉林，說明針闊混交林固碳釋氧的總價值是最高的，而闊葉林固碳釋氧總價值最低。