阿爾泰山落葉松林碳儲(chǔ)量與生產(chǎn)力時(shí)空特征及其氣候成因分析

羅 磊,王 蕾,劉 平,侯曉臣,高亞琪

新疆林業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代林業(yè)研究所,烏魯木齊 830063

隨著CO2等溫室氣體濃度不斷升高,全球氣候變暖趨勢(shì)日益加劇,對(duì)當(dāng)今人類(lèi)生存環(huán)境提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)[1-2]。作為陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù)[3],森林生態(tài)系統(tǒng)具有巨大的碳匯能力,充分發(fā)揮森林的碳匯作用是有效緩解全球氣候變暖的重要手段之一,其關(guān)鍵和前提是準(zhǔn)確估算和掌握森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量、碳密度、凈初級(jí)生產(chǎn)力(NPP)及其響應(yīng)機(jī)制。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)森林碳儲(chǔ)量及NPP開(kāi)展了大量的研究[4-8],但由于數(shù)據(jù)來(lái)源、估算方法各異及植被類(lèi)型的多樣性,致使估算結(jié)果差異較大[9-10],為更精準(zhǔn)的估算森林碳庫(kù)的大小及其固碳能力,需要針對(duì)特定區(qū)域、特定樹(shù)種進(jìn)行更小尺度的碳儲(chǔ)量及NPP的精準(zhǔn)評(píng)估。

近年來(lái),落葉松林生長(zhǎng)及分布格局的變化正受到越來(lái)越多的關(guān)注。有研究表明：氣候變暖引起的區(qū)域環(huán)境暖干化使得限制興安落葉松徑向生長(zhǎng)的主導(dǎo)因子正由溫度轉(zhuǎn)化為水分,如果氣候繼續(xù)變暖,興安落葉松可能在我國(guó)境內(nèi)消失[11-13]；干旱程度的加重使得蒙古大部分地區(qū)落葉松生長(zhǎng)區(qū)域縮小[14]；新疆西伯利亞落葉松出現(xiàn)“高固碳速率北移,低固碳速率南移”的趨勢(shì)[15]。阿爾泰山落葉松林作為林區(qū)內(nèi)分布最為廣泛的植被類(lèi)型[16]和阿爾泰山泰加林典型代表之一,具有涵養(yǎng)水源、保持水土、防風(fēng)固沙等生態(tài)功能[17],天然更新能力很差,林區(qū)內(nèi)林木天然更新多呈現(xiàn)云杉取代落葉松的趨勢(shì)[18],且其固碳速率空間分布格局正逐漸由“東南高，西北低”向“西北高，東南低”轉(zhuǎn)變[15]。阿爾泰山落葉松林生長(zhǎng)區(qū)域、固碳速率的變化必將對(duì)整個(gè)阿爾泰山森林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)及碳收支平衡產(chǎn)生重大影響。當(dāng)前有關(guān)阿爾泰山碳儲(chǔ)量及NPP的估算研究多以阿爾泰山森林生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象,著重研究了整個(gè)阿爾泰山的固碳特征[8,19-20],其研究成果無(wú)法清晰揭示林區(qū)內(nèi)特定樹(shù)種尤其是落葉松林固碳特征的時(shí)空變化規(guī)律,忽略了不同樹(shù)種間相互影響、相互制約對(duì)阿爾泰山森林生態(tài)系統(tǒng)固碳的影響。

圖1 研究區(qū)示意圖Fig.1 Map of study area

現(xiàn)階段,針對(duì)阿爾泰山落葉松林的研究多集中于樹(shù)輪、生長(zhǎng)量與氣候變化等方面[21-23],針對(duì)落葉松林固碳機(jī)制的研究不多,尤其缺乏針對(duì)阿爾泰山落葉松林碳儲(chǔ)量和NPP時(shí)空分布格局及其氣候成因的深入探討。本文利用2001—2016年的新疆多期森林資源清查資料,估算阿爾泰山落葉松林碳密度、碳儲(chǔ)量及NPP,探討其時(shí)空分布格局和氣候成因,旨在揭示阿爾泰山落葉松林固碳規(guī)律及機(jī)制,進(jìn)而為有關(guān)部門(mén)進(jìn)行科學(xué)決策提供有效的理論和決策支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

阿爾泰山位于新疆北部邊界,全長(zhǎng)約2000km,山體走向?yàn)槲鞅?東南走向。地形呈現(xiàn)出“西北高而寬,東南低而窄”的特征；氣候上屬溫帶大陸性氣候,夏季溫暖多雨,冬季寒冷干燥。阿爾泰山林區(qū)森林資源豐富,是我國(guó)唯一的南西伯利亞區(qū)系原始森林,多分布于海拔1200—2600m的山地地區(qū),多年平均氣溫為-2℃左右,年降水量為400—600 mm,隨海拔的升高而遞增,并由東南向西北遞增[19]。林區(qū)內(nèi)植被類(lèi)型主要以西伯利亞落葉松(Larixsibirica)為主,其次為西伯利亞云杉(Piceaobovata),其他樹(shù)種還有西伯利亞冷杉(Abiessibirica)、西伯利亞紅松(Pinussibirica)、疣枝樺(Betulapendula)、歐洲山楊(Populustremula)等。其中,西伯利亞落葉松是喬木針葉樹(shù)種,為陽(yáng)性樹(shù),具有壽命長(zhǎng)、抗寒、抗貧瘠等特征。

1.2 數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

本文主要數(shù)據(jù)包括森林資源清查數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。森林資源清查數(shù)據(jù)包括新疆森林資源第六次(2001年)、第七次(2006年)、第八次(2011年)和第九次(2016年)連續(xù)清查數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)由樣地?cái)?shù)據(jù)和樣木數(shù)據(jù)組成。樣地全部為地面固定樣地,按系統(tǒng)抽樣布設(shè)于比例尺1∶50000地形圖的公里網(wǎng)交點(diǎn)上,形狀為正方形,面積0.08hm2(樣地邊長(zhǎng)28.28m),單個(gè)樣地控制面積約1198.42hm2。樣地?cái)?shù)據(jù)主要包含樣地坐標(biāo),高程,郁閉度,坡度,坡位,坡向,經(jīng)緯度,林地更新情況和病蟲(chóng)害等級(jí)等信息。樣木數(shù)據(jù)主要包含樣地號(hào),樣木號(hào),樣木胸徑。樣木檢尺起測(cè)胸徑為5cm,一律用鋼圍尺,讀數(shù)記到0.1cm,檢尺位置為樹(shù)干距上坡根頸1.3m高度(長(zhǎng)度)處,胸徑測(cè)量誤差小于1.5%。本文選擇阿爾泰山落葉松林分布區(qū)內(nèi)的325個(gè)樣地?cái)?shù)據(jù)及各樣地內(nèi)樣木數(shù)據(jù)。高程數(shù)據(jù)為SRTM_30m分辨率的高程數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)源于地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)。氣象數(shù)據(jù)包括降水和氣溫?cái)?shù)據(jù),來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/site/index.html)的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集,使用Excel對(duì)2001、2006、2011和2016年的新疆各氣象站點(diǎn)降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理后利用ANUSPLIN軟件以高程數(shù)據(jù)作為協(xié)變量進(jìn)行插值,可得新疆相應(yīng)年份連續(xù)分布的降水和氣溫柵格數(shù)據(jù),在此基礎(chǔ)上利用ArcGIS軟件提取各樣地點(diǎn)對(duì)應(yīng)年份的降水和氣溫?cái)?shù)值。

1.3 研究方法

1.3.1碳儲(chǔ)量與碳密度估算方法

阿爾泰山落葉松地上生物量和地下生物量估算模型選用高亞琪等[24]、朱雅麗等[17]人的研究成果,計(jì)算公式如下：

Bt=0.0934×D2.4097

(1)

Br=0.03086×D2.221

(2)

式中,D表示胸徑,單位cm；Bt表示單株地上總生物量,單位kg。(2)式中,Br表示根生物量,單位kg。

C=Bt×0.4759+Br×0.4768

(3)

式中,C表示單株含碳量,其單位均為kg/株,其地上部分含碳系數(shù)為0.4759,其根部含碳系數(shù)為0.4768[12]。用式(3)計(jì)算得到單株樣木含碳量,對(duì)各樣地所有的樣木含碳量分別求和,得到各樣地總碳儲(chǔ)量,除以1000將單位kg轉(zhuǎn)化為t,再除以樣地面積(0.08hm2),即得到各樣地單位面積落葉松碳儲(chǔ)量,即碳密度,其單位為t/hm2。

1.3.2生產(chǎn)力(NPP)計(jì)算方法

NPP通過(guò)森林群落年生長(zhǎng)量P和年凋落量L來(lái)估算[25-26],計(jì)算公式如下:

(4)

(5)

NPP=P+L

(6)

式中:Bt為地上生物量;A為年齡;P為森林群落年生長(zhǎng)量；L為年凋落量。

1.3.3影響因子分析方法

本文采用標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)法和因子分析法[6,23]評(píng)估阿爾泰山落葉松林碳儲(chǔ)量及NPP時(shí)空變化特征的氣候成因,包括3個(gè)步驟：(1)各要素?cái)?shù)據(jù)的均值化處理；(2)多元回歸建模；(3)影響因子系數(shù)計(jì)算。

均值化處理的目標(biāo)是為了消除碳儲(chǔ)量、NPP、降水、氣溫等要素因單位或權(quán)重的不同所產(chǎn)生的影響,進(jìn)而使得各要素間對(duì)比性更強(qiáng),其處理過(guò)程如下：

(7)

(8)

(9)

(10)

利用SPSS的多元回歸分析功能和均值化后的各要素?cái)?shù)據(jù),以碳儲(chǔ)量和NPP為因變量,年均氣溫和降水為自變量,進(jìn)而進(jìn)行回歸建模,其基本模型為：

y=ax1+bx2+c

(11)

公式(11)中,y為因變量,x1、x2為自變量,a、b、c為回歸方程系數(shù)。根據(jù)這些系數(shù)的大小,可初步判斷參變量對(duì)森林碳密度影響的重要程度,這種方法叫標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)法。

由于各系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ不同,回歸系數(shù)必須大于其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)誤差才有意義。為此,對(duì)各元素的回歸系數(shù)除以其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)誤差,進(jìn)而計(jì)算影響因子系數(shù),計(jì)算過(guò)程如下：

E=STibi/ei

(12)

公式(12)中,E為影響因子系數(shù)；STi為受氣溫和降水的影響,即當(dāng)降水或氣溫與碳儲(chǔ)量或NPP呈正相關(guān)時(shí),ST=1,反之則ST=-1；bi為方程中不同要素的回歸系數(shù);ei為各回歸系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)誤差值。只有當(dāng)E>1時(shí),bi所對(duì)應(yīng)參變量對(duì)因變量的回歸才有意義,且E越大,bi所對(duì)應(yīng)參變量對(duì)因變量貢獻(xiàn)越大。因此,可根據(jù)E的大小判斷參變量對(duì)森林碳儲(chǔ)量影響程度,這種方法叫因子分析法。

1.3.4方差分析法

方差分析又叫變異數(shù)分析或F檢驗(yàn),反映樣本在不同水平下是否具有顯著性差異,如果具有顯著差異說(shuō)明樣本在該水平下對(duì)因變量存在顯著影響。本文利用單因素方差分析和雙因素方差分析分析不同因素對(duì)阿爾泰山落葉松林固碳的影響,其顯著性P>0.05表示無(wú)顯著差異,<0.05表示存在顯著差異,<0.01表示存在極顯著差異,分析工具使用SPSS軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 阿爾泰山落葉松林固碳變化趨勢(shì)

2001—2016年間,阿爾泰山落葉松林碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP呈增長(zhǎng)趨勢(shì),且增長(zhǎng)幅度不大(表1)。落葉松林碳儲(chǔ)量由2001年時(shí)的2247.45×104t增加到2016年時(shí)的2345.20×104t,凈增加97.75×104t,平均每年增加量為6.52×104t·a-1,年均增長(zhǎng)率為0.29%,2001—2006、2006—2011、2011—2016年凈增長(zhǎng)量分別為5.79×104t、37.43×104t、54.53×104t,年均增長(zhǎng)率分別為0.05%、0.33%和0.48%,可以看出2001—2006年的碳匯作用弱于其他2個(gè)時(shí)期；碳密度由2001年的57.70t/hm2增加至2016年的60.21t/hm2,年均增長(zhǎng)率為0.29%；2001—2006年阿爾泰山落葉松林生產(chǎn)力略有下降,年均下降率為0.08%,下降幅度不明顯,2006—2016年則呈逐年增長(zhǎng)趨勢(shì),年均增長(zhǎng)率分別為0.16%和0.57%。利用SPSS軟件,不同調(diào)查期為分組變量,以阿爾泰山落葉松林碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP為因變量分別進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)：阿爾泰山落葉松林在不同調(diào)查期內(nèi)的碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP在4個(gè)調(diào)查期內(nèi)均無(wú)顯著差異(P>0.05),說(shuō)明阿爾泰山落葉松林的碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP在調(diào)查期內(nèi)變化不大。

表1 阿爾泰山落葉松林各要素的變化Table 1 Changes in all elements of Larix forest in Altay Mountains

2.2 不同林區(qū)固碳差異分析

阿爾泰山落葉松林碳儲(chǔ)量呈“富蘊(yùn)>阿勒泰>哈巴河、青河>布爾津>福海”的空間分布特征,碳密度和NPP在青河林區(qū)最高,在布爾津林區(qū)最低,總體表現(xiàn)出“東南高,西北低”的分布特征(表2)。富蘊(yùn)林區(qū)是阿勒泰山落葉松林最大的碳庫(kù),在調(diào)查期內(nèi)碳儲(chǔ)量占比在38%以上；福海林區(qū)固碳量最低,其碳儲(chǔ)量占比小于8%。碳密度和NPP方面,青河林區(qū)固碳能力最強(qiáng),2001—2016年平均碳密度和NPP分別為87.92t/hm2和9.47t hm-2a-1；布爾津最低,分別為44.50t/hm2和5.82t hm-2a-1。利用SPSS軟件分別針對(duì)4個(gè)調(diào)查期,以不同林區(qū)為分組因子,以碳儲(chǔ)量、碳密度和NPP為因變量作方差分析,結(jié)果顯示2001、2006、2011、2016年阿爾泰山落葉松林碳儲(chǔ)量、碳密度和NPP在不同林區(qū)分布均表現(xiàn)出極顯著差異(P<0.01),說(shuō)明阿爾泰山落葉松林固碳空間差異較大；分別針對(duì)富蘊(yùn)、阿勒泰、哈巴河、青河、布爾津、福海6個(gè)林區(qū),以調(diào)查年份為分組因子,以碳儲(chǔ)量、碳密度和NPP為因變量作方差分析,結(jié)果顯示阿爾泰山落葉松林各林區(qū)碳儲(chǔ)量、碳密度和NPP在4個(gè)調(diào)查期內(nèi)均無(wú)顯著差異(P>0.05),說(shuō)明阿爾泰山各林區(qū)固碳在時(shí)間尺度上均無(wú)顯著變化。

表2 不同林區(qū)落葉松林各要素估算平均結(jié)果Table 2 Estimated average results of factors of Larix Forest in different forest regions

2.3 不同齡組固碳差異分析

對(duì)比分析各齡組的固碳差異發(fā)現(xiàn)：2001—2016年,阿爾泰山落葉松林的碳儲(chǔ)量及碳密度在各齡組均呈現(xiàn)出“過(guò)熟林>成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林”的齡組分布特征,NPP則呈現(xiàn)“過(guò)熟林>近熟林>成熟林>中齡林>幼齡林”的特征(表3)。過(guò)熟林的固碳量和固碳能力均明顯強(qiáng)于其他齡組,在各齡組落葉松林間占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),表現(xiàn)為調(diào)查期內(nèi)過(guò)熟林碳儲(chǔ)量百分比達(dá)到49—53%,碳密度和NPP明顯高于其他齡組,分別在78t/hm2和8.3t hm-2a-1以上；幼齡林的固碳最差,其碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他齡組,在阿爾泰山落葉松林固碳中作用微?。唤炝趾统墒炝衷诠烫剂亢凸烫寄芰Ψ矫鎰t表現(xiàn)出一定的差異,近熟林的碳儲(chǔ)量低于成熟林,NPP卻高于成熟林,碳密度在2001年低于成熟林,至2016年時(shí)已超過(guò)成熟林。利用SPSS軟件分別針對(duì)4個(gè)調(diào)查期,以齡組為分組因子,以碳儲(chǔ)量、碳密度和NPP為因變量作方差分析,結(jié)果顯示2001、2006、2011、2016年阿爾泰山落葉松林碳儲(chǔ)量、碳密度和NPP在不同齡組分布均表現(xiàn)出極顯著差異(P<0.01),說(shuō)明阿爾泰山落葉松林固碳齡組分布差異較大。時(shí)間尺度上,各齡組碳儲(chǔ)量均呈增加趨勢(shì),幼齡林和中齡林碳密度及NPP呈下降趨勢(shì),近熟林、成熟林、過(guò)熟林的碳密度及NPP呈增長(zhǎng)趨勢(shì)(表3)。利用SPSS軟件分別針對(duì)各齡組,以調(diào)查年份為分組因子,以碳儲(chǔ)量、碳密度和NPP為因變量作方差分析,結(jié)果顯示：近熟林在4個(gè)調(diào)查期內(nèi)碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP呈現(xiàn)出顯著差異(P<0.05),其他各齡組碳儲(chǔ)量、碳密度和NPP在4各調(diào)查期內(nèi)均無(wú)顯著差異(P>0.05),說(shuō)明近熟林固碳在2001—2016年有顯著變化,其他各齡組固碳均變化不大。

2.4 不同地形條件固碳差異分析

阿爾泰山落葉松林碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP隨海拔升高呈現(xiàn)先增后降的變化特征,在北坡和西北坡相對(duì)較高(表4)。在不同海拔梯度上,阿爾泰山落葉松林碳儲(chǔ)量分布在2001—2300m最大,其次為1701—2000m,在1401m以下和2600m以上最?。惶济芏仍?001—2600m最大,其次為1701—2000m,在1700m以下和2600m以上相對(duì)較?。籒PP在2001—2300m最大,其次為1701—2000m和2301—2600m,在1400m及以下最小。為探討海拔、坡向?qū)Π柼┥铰淙~松林碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP的影響及其顯著性水平,分別針對(duì)4個(gè)調(diào)查期,采用SPSS軟件以海拔、坡向作為分組因子,以碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP作為因變量進(jìn)行雙因素方差分析,結(jié)果顯示：海拔對(duì)碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP的影響極顯著(P<0.01),坡向?qū)μ純?chǔ)量、碳密度及NPP無(wú)顯著影響(P>0.05),海拔與坡向的交互作用對(duì)碳儲(chǔ)量、碳密度無(wú)顯著影響,對(duì)NPP的影響在2001年和2006年顯著(P<0.05),在2011年、2016年極顯著(P<0.01)。

表3 不同齡級(jí)落葉松林各要素估算結(jié)果Table 3 Estimation of factors of Larix Forest in different age groups

表4 不同地形落葉松林各要素估算結(jié)果Table 4 Estimation of factors of Larix Forest in different terrains

2.5 阿爾泰山落葉松林固碳?xì)夂虺梢蚍治?/h3>

利用標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)法和因子分析法,采用SPSS軟件對(duì)均值化的四個(gè)調(diào)查年份的阿爾泰山落葉松林碳密度、NPP與年降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析并計(jì)算其影響因子系數(shù),其回歸方程均通過(guò)了α=0.01的顯著性檢驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖2。在碳密度和NPP與降水、氣溫的回歸方程中,氣溫因子的回歸系數(shù)均大于零,降水因子的回歸系數(shù)均小于零(圖2),依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)法可認(rèn)為阿爾泰山落葉松林的碳密度及NPP與氣溫呈正相關(guān),與降水呈負(fù)相關(guān),即阿爾泰山落葉松林的碳密度隨氣溫的上升而增加,但隨降水的增加而減少。根據(jù)影響因子分析法,氣溫對(duì)碳密度的影響因子為10.967,降水對(duì)碳密度的影響因子為3.867(圖2a)；氣溫對(duì)NPP的影響因子為11.570,降水對(duì)NPP的影響因子為4.066(圖2b)。由此可見(jiàn)：氣溫對(duì)阿爾泰山落葉松林碳密度及NPP的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水,說(shuō)明氣溫是影響阿爾泰山碳密度及NPP變化的主導(dǎo)氣候因素。本研究結(jié)果與丁曉娟等[22]認(rèn)為的降水是影響落葉松生長(zhǎng)的主要限制因子有所不同,其原因可能是：(1)丁曉娟等人以1991—2011年間近20年為研究時(shí)段,本文將2001—2016年作為研究周期,研究時(shí)段的不同可能會(huì)造成研究結(jié)果的差異；(2)丁曉娟等著重研究了阿爾泰山南坡西伯利亞落葉松生長(zhǎng)量與氣候因子的關(guān)系,本文主要關(guān)注于阿爾泰山落葉松林碳密度及NPP與氣候的關(guān)系,二者研究區(qū)域及研究對(duì)象的差異也可能造成研究結(jié)果的不同。

圖2 碳密度、NPP與年降水、氣溫的關(guān)系Fig.2 The relationship between carbon density，net primary productivity and annual precipitation，air temperature

2.6 碳密度及NPP估算結(jié)果的對(duì)比

由于本研究與前人研究在研究區(qū)、森林類(lèi)型、分布面積等方面存在較大的差異,因此本研究不對(duì)碳儲(chǔ)量作詳細(xì)對(duì)比,僅針對(duì)更具普遍對(duì)比性的碳密度和NPP的研究結(jié)果與前人研究成果進(jìn)行對(duì)比(表5)。從對(duì)比結(jié)果看,鄭拴麗、方岳等[19,27]分別以阿爾泰山落葉松和喀納斯自然保護(hù)區(qū)落葉松為研究對(duì)象,估算碳密度結(jié)果為64.43t/hm2和69.18t/hm2；包艷麗、許文強(qiáng)等[28-29]分別研究了天山地區(qū)的云杉林和雪嶺云杉,其碳密度估算結(jié)果分別為59.55t/hm2和92.57t/hm2；王蒙等[30]、王云霓等[31]研究了黑龍江省落葉松人工林和華北落葉松的碳密度,結(jié)果為30.38t/hm2和27.95t/hm2。本文估算所得阿爾泰山落葉松林在2000—2016年的平均碳密度為58.64t/hm2,與鄭拴麗、方岳等的估算差異保持在±20%以?xún)?nèi),略低于二人的估算結(jié)果,主要是因?yàn)猷嵥?、方岳等的碳密度估算結(jié)果不僅包括喬木層,還包括草本層和枯落層,本文估算所得碳密度僅為喬木層；與包艷麗、許文強(qiáng)在天山地區(qū)的估算結(jié)果對(duì)比具有一定差異,主要是由于森林類(lèi)型不同所導(dǎo)致；與王蒙、王云霓等在黑龍江和華北落葉松的估算也有一定差異,這可能是由于所處地區(qū)不同。NPP方面,王斌、余超等[25-26]估算1973—2008年的全國(guó)落葉松林的平均NPP分別為7.40t hm-2a-1和7.63t hm-2a-1,本研究在四個(gè)調(diào)查期的平均NPP為7.41t hm-2a-1,與王斌、余超等的研究結(jié)果差異較小。

表5 不同估算結(jié)果的對(duì)比Table 5 Comparison of different estimation results

3 討論

阿爾泰山落葉松林固碳的時(shí)空變化特征是封山育林政策、氣候條件、地形地貌、落葉松生長(zhǎng)習(xí)性等多重因素共同影響的結(jié)果。封山育林能夠顯著改善林區(qū)內(nèi)包括落葉松林在內(nèi)的各林分類(lèi)型立地條件和生態(tài)環(huán)境,促進(jìn)林區(qū)植被的生長(zhǎng)和恢復(fù),進(jìn)而提高林區(qū)內(nèi)林分蓄積量[32]。近年來(lái),阿爾泰山林區(qū)封山育林工程愈加深入,落葉松林碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。同時(shí)長(zhǎng)期的封山育林,使得各林區(qū)內(nèi)包括落葉松林在內(nèi)的喬木主要以自然更新為主導(dǎo),阿爾泰山落葉松林相較于其他喬木樹(shù)種處于弱勢(shì)地位,天然更新困難[18],進(jìn)而造成成熟林和過(guò)熟林分布比重過(guò)高,而幼齡林分布較少的現(xiàn)狀,加之落葉松自身壽命長(zhǎng),生長(zhǎng)緩慢的特點(diǎn),因此在調(diào)查期內(nèi)落葉松林碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP增長(zhǎng)幅度相對(duì)較小。水熱分布狀況的變化會(huì)引起樹(shù)木生長(zhǎng)的差異[12]。來(lái)自于大西洋、北冰洋的冷濕氣流沿西北方向進(jìn)入阿爾泰山,由于山體西北部高而寬,可保留大量的冷濕氣流,進(jìn)而形成了山體西北部寒冷濕潤(rùn)的氣候特征；冷濕氣流經(jīng)西北部山體削弱后到達(dá)山體東南部,由于海拔的降低及西伯利亞蒙古高壓干燥反氣旋的影響,形成了山體東南部相對(duì)干燥溫暖的氣候特征。由2.5節(jié)知,氣溫對(duì)碳密度及NPP的影響因子遠(yuǎn)大于降水,說(shuō)明氣溫是影響阿爾泰山落葉松林固碳的主導(dǎo)氣候因素。這主要是由于在水分充足的條件下,降水對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)的限制作用逐漸減弱,而溫度對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)的影響逐漸顯著,生長(zhǎng)季內(nèi)溫度的升高有利于增加凈光合產(chǎn)量[33]。阿爾泰山整體降水相對(duì)充足,氣溫升高有利于落葉松的徑向生長(zhǎng)[34],因此氣溫成為影響落葉松生長(zhǎng)的主導(dǎo)因素。由于山體東南部氣溫較高,因而更適宜落葉松生長(zhǎng),故其碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP較大。阿爾泰山落葉松固碳呈現(xiàn)隨海拔升高先升后降的特征,這主要是由于海拔升高引起落葉松生長(zhǎng)水熱條件變化所致。阿爾泰山低海拔地區(qū)多分布于山體東南部,該地區(qū)氣溫較高,降水相對(duì)較少,水分成為限制落葉松生長(zhǎng)的主要限制因素。隨著海拔的升高,降水逐漸增多,可用于落葉松生長(zhǎng)的水分不斷增加,因此落葉松林固碳表現(xiàn)出隨海拔升高而增加的特征；高海拔地區(qū)多位于山體西北部,該區(qū)域降水充足,氣溫成為限制落葉松生長(zhǎng)的主要限制因素,隨著海拔的繼續(xù)升高,氣溫不斷下降,抑制落葉松生長(zhǎng),因此落葉松林固碳表現(xiàn)出隨海拔升高而降低的特征。在坡向分布上,阿爾泰山落葉松林碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP在北坡和西北坡相對(duì)較高,這可能與阿爾泰山“西北-東南”走向有關(guān)。本文的研究結(jié)果有效揭示了阿爾泰山落葉松林固碳時(shí)空變化規(guī)律,為了解和掌握該區(qū)域碳匯能力及今后科學(xué)合理的森林經(jīng)營(yíng)政策的制定提供了有效的數(shù)據(jù)和決策支持。

4 結(jié)論

本文從時(shí)間尺度、水平格局和垂直格局出發(fā),以碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP為主要指標(biāo),總結(jié)了阿爾泰山落葉松林2001—2016年間固碳的時(shí)空特征,得出以下結(jié)論：

(1)從時(shí)間尺度變化看,阿爾泰山落葉松林固碳量和固碳能力均呈增長(zhǎng)趨勢(shì),但增長(zhǎng)幅度較小。2001—2016年間,阿爾泰山落葉松林碳儲(chǔ)量2247.45×104t增加至2345.20×104t,年均增長(zhǎng)率為0.29%；碳密度由2001年的57.70t/hm2增加至2016年的60.21t/hm2,年均增長(zhǎng)率為0.29%；NPP由7.35t hm-2a-1增長(zhǎng)至7.41t hm-2a-1,年均增長(zhǎng)率為0.05%。

(2)從空間水平分布看,阿爾泰山落葉松林固碳呈“東南高,西北低”的分布特征。碳儲(chǔ)量呈“富蘊(yùn)>阿勒泰>哈巴河、青河>布爾津>福海”的空間分布特征,碳密度和NPP在青河林區(qū)最高,在布爾津林區(qū)最低,總體表現(xiàn)出“東南高,西北低”的分布特征。從垂直分布看,阿爾泰山落葉松林碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP隨海拔升高呈現(xiàn)先增后降的變化特征,在北坡和西北坡相對(duì)較高。

(3)利用標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)法和影響因子分析法對(duì)阿爾泰山落葉松林固碳的氣候成因分析表明,氣溫因子與碳密度及NPP的回歸系數(shù)均大于零,其影響因子遠(yuǎn)大于降水,說(shuō)明氣溫的升高有利于阿爾泰山碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP的增加,是影響阿爾泰山落葉松林固碳的主導(dǎo)氣候因素；降水因子與碳密度及NPP的回歸系數(shù)均小于零,說(shuō)明降水的增加不利于阿爾泰山碳儲(chǔ)量、碳密度及NPP的提高,是影響阿爾泰山落葉松林固碳的次要?dú)夂蛞蛩亍?/p>