河北太行山區(qū)典型水土保持林喬木層生物量及碳儲量研究

唐志明,劉炳響,2,屈 宇

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,河北 保定 071000；2.河北省林木種質(zhì)資源和森林保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 保定 071000)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體部分,擁有最高的生物量和生產(chǎn)量,是陸地生態(tài)系統(tǒng)的最大碳庫。在森林生態(tài)系統(tǒng)中大約儲存著80%的地上碳儲量和40%的地下碳儲量,在改善生態(tài)環(huán)境和緩解全球氣候變化等方面發(fā)揮著不可替代的作用[1-3]。

森林碳儲量是反映森林生態(tài)環(huán)境的重要指標(biāo)[4]。森林碳儲量可通過估算森林生物量來推算[5]。生物量是指在特定時(shí)間每單位面積上所有生物的干重或單位面積上累積的有機(jī)物的總質(zhì)量,也稱為現(xiàn)存量。目前,比較常用的估算森林生物量的方法包括:生物量模型(包括相對生長關(guān)系法和生物量—蓄積量法)[6]、生物量估算參數(shù)法[7]、3S技術(shù)[8]等。但是,由于研究對象存在地域差異,使用的數(shù)據(jù)來源和估算方法的不同等問題,導(dǎo)致森林碳儲量的估算結(jié)果通常存在較大的不確定性。當(dāng)前,一般采用國際上通用的估算森林含碳率的比例系數(shù)(0.5)[9]和生物量來估算植被碳儲量。然而,不同樹種的含碳率和同一樹種的不同器官的含碳率可能不完全相同,這樣就會對估算森林碳儲量的結(jié)果產(chǎn)生不同程度的影響。

本文以河北太行山具有典型代表性的栓皮櫟—側(cè)柏混交林、油松、栓皮櫟、刺槐為研究對象,通過樣地調(diào)查,植被類型含碳率的實(shí)測數(shù)據(jù)和生物量模型來估算不同林分類型的生物量和碳儲量,分析生物量、含碳率以及碳儲量的分配格局,以期為像太行山這種極度干旱的區(qū)域選擇合適的樹種進(jìn)行植被重建,為造林固碳提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省中南部的邢臺市內(nèi)丘縣侯家莊鄉(xiāng)崗底村,它位于太行山東麓,地理坐標(biāo)在北緯37°10′11″～37°24′39″,東經(jīng)113°56′43″～114°38′16″之間,海拔為510～1 200 m。該地區(qū)屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥并常年多雪；年平均降水量約為520 mm,7—8月的平均降水量在280 mm左右,7—9月份的降雨量占全年降水量的70%左右。全年平均氣溫為12.3 ℃,寒暑變化顯著。年平均日照總時(shí)數(shù)為2 336h,無霜期在180～200d之間。研究區(qū)為片麻巖山區(qū),以山地丘陵為主,土層稀薄,土壤種類主要以褐土和褐土性土為主,土壤類型為壤土或砂壤土。喬木樹種以栓皮櫟(Quercusvariabilis)、油松(Pinustabulaeformis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)為主,灌木主要有酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、胡枝子(Lespedezabicolor)、雀兒舌頭(Leptopuschinensisvar.chinesis)為主,草本主要有三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)、白羊草(Bothriochloaischaemum(L.)Keng)、中華卷柏(Selaginellasinensis)、白蓮蒿(Artemisiasacrorumvar.sacrorum)等。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

于2019年7月實(shí)地考察研究區(qū)植被特征,選擇了該區(qū)典型的栓皮櫟-側(cè)柏混交林、油松、栓皮櫟、刺槐作為研究對象。經(jīng)調(diào)查,4種林分在同一樹齡階段。在各林分中分別設(shè)置20m×20m的標(biāo)準(zhǔn)樣地各3個(gè),記錄樣地海拔、坡度、坡向以及土層厚度,并進(jìn)行每木檢尺,測量胸徑、樹高等因子,郁閉度采用樣點(diǎn)法目測確定。樣地基本特征如表1所示。

表1 樣地概況Tab.1 Basic situation of experiment plot

2.2 植被生物量的計(jì)算

當(dāng)前,各國普遍采用的一種簡單而可靠的估算林分總生物量的方法,就是利用數(shù)學(xué)模型來估測森林生態(tài)系統(tǒng)中喬木層各器官的干重[10-11],這種方法通常也被稱作維量分析法[12],其中應(yīng)用最多的是利用相對生長率作為基本依據(jù)。本文選擇研究區(qū)立地條件與該研究區(qū)相近的相應(yīng)樹種,運(yùn)用相對生長方程來估算喬木層不同器官(樹干、樹枝、樹葉、樹皮和樹根)的生物量[13-16]。喬木層樹種相對成長方程如表2所示。

表2 喬木樹種相對生長方程Tab.2 Relative growth equation of arbor species

注:表中W為單株木各組分的生物量(kg/株)；D為胸徑(cm)；H為樹高(m)。由于栓皮櫟的樹皮較厚,所以栓皮櫟樹干與樹皮分開研究,同下表。

2.3 植被含碳率及碳儲量的計(jì)算

采集每個(gè)林分內(nèi)各器官樣品,殺青后裝進(jìn)牛皮紙袋帶回實(shí)驗(yàn)室,烘干至恒重后粉碎并過100目篩,采用重鉻酸鉀—稀釋熱法[17]測定樣品的含碳率。本文中的植被碳儲量僅指生態(tài)系統(tǒng)中喬木層的活生物量,林下灌木層、草本層、枯落物層的碳儲量并未包含其中。用計(jì)算出的喬木層各器官生物量與其對應(yīng)的含碳率的乘積即得到各器官的碳儲量,各器官碳儲量之和即得到喬木層植被碳儲量。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林分類型喬木層生物量及其分配

由表3可知,不同林分類型生物量因樹種的不同而表現(xiàn)出較大差異。表3中,栓皮櫟林的生物量最高,為90.19t/hm2,其次是油松林,為86.40t/hm2,混交林為51.94t/hm2,生物量最小的是刺槐林,為18.08 t/hm2。栓皮櫟林和油松林生物量高于4種人工水土保持林生物量的均值(61.65t/hm2)。而混交林和刺槐林生物量分別占生物量均值的84.25%,29.33%。不同林分各器官生物量在喬木層中的分配均以樹干最高(56.30%～56.80%),樹干生物量在4種林分中的分配順序?yàn)橛退?56.80%)>混交林(56.73%)>栓皮櫟(56.54%)>刺槐(56.30%)?？傮w上看,不同林分喬木層各器官生物量的分配順序均表現(xiàn)為樹干>樹根>樹枝>樹葉。不同林分類型各器官均值總體上也表現(xiàn)為樹干(34.93t/hm2)>樹根(12.94t/hm2)>樹枝(10.05t/hm2)>樹葉(3.73t/hm2),樹干生物量均值分別為樹枝、樹葉和樹根的3.48,9.36,2.70倍?；旖涣?、油松林、栓皮櫟林和刺槐林地上部分生物量分別占各自總生物量的75.03%,82.92%,78.32%,75.22%；樹干生物量分別為地上部分總生物量的75.62%,68.51%,72.20%,74.85%,說明樹干極易限制地上部分生物量。不同林分的根系生物量占總生物量的17.10%～24.99%,說明地下部分生物量同樣不能忽略。

表3 主要林分類型喬木層不同器官生物量及其分配Tab.3 Distribution of biomass in different organs of arborous layer in main forest types

3.2 不同林分類型喬木層含碳率

由表4可知,不同林分類型混交林(栓皮櫟-側(cè)柏)、油松林、栓皮櫟林和刺槐林各器官含碳率分別為45.16%～58.93%,58.48%～64.61%,51.16%～58.37%,52.35%～62.30%。方差分析表明,不同植被相同器官的含碳率有所不同,各器官高低順序也有差異,其中,油松和刺槐各器官含碳率的順序相同,為樹枝>樹干>樹葉>樹根；而混交林的側(cè)柏各器官含碳率的順序表現(xiàn)為樹干>樹葉>樹枝>樹根；栓皮櫟各器官的含碳率順序表現(xiàn)為樹枝>樹干>樹葉>樹皮>樹根。相同植被類型的不同器官之間的含碳率也不相同,混交林的側(cè)柏各器官含碳率之間表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05),不同林分類型植被的同一器官含碳率也存在顯著差異,4種林分類型中根的含碳率表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)。整體而言,油松各器官平均含碳率高于其他植被類型。

表4 不同林分類型各器官含碳量Tab.4 Carbon content of various organs of different forest types %

注:同列不同小寫字母表示不同森林類型同一器官間含碳率差異顯著(P<0.05),同行不同大寫字母表示相同森林類型不同器官間含碳率差異顯著(P<0.05)。

3.3 不同林分類型喬木層碳儲量

由表5可知,4種典型林分碳儲量為10.10～53.85t/hm2。不同林分類型各器官碳儲量與生物量呈正比關(guān)系,與生物量趨勢基本相同,碳儲量大小表現(xiàn)為油松林>栓皮櫟林>混交林>刺槐林。地上部分,樹干與其他器官相比碳儲量最高,為重要的碳庫資源,混交林、油松林、栓皮櫟林和刺槐林的樹干碳儲量分別占總碳儲量的57.12%,57.23%,57.17%,56.24%;其次碳儲量較高的為枝和根,兩者相加占總碳儲量的37.54%,32.19%,39.97%,39.90%。不同林分類型樹葉碳儲量在0.39～5.70t/hm2,雖然占總的碳儲量只有2.86%～10.58%,但其是大氣二氧化碳吸入的場所,對碳沉降起到至關(guān)重要的作用,所以也不可忽視。

表5 不同林分類型各器官碳儲量Tab.5 Carbon storage of various organs of different forest types

3.4 不同林分類型碳儲量分配特征

由圖1可知,4種林分類型各器官中,樹干碳儲量最高,其次是樹枝和樹根,最小的是樹葉。在不同林分類型碳儲量中樹干占主導(dǎo)地位,在混交林、油松林、栓皮櫟林和刺槐林中所占的比例分別為57.12%,57.23%,57.17%,56.24%,均高于50%。樹枝和樹根分別占總碳儲量的14.23%～19.98%和16.03%～23.31%。樹葉僅占2.86%～10.58%。4種林分中各器官碳儲量平均分配比例表現(xiàn)為樹干(56.94%)>樹根(20.65%)>樹枝(16.75%)>樹葉(5.66%),各林分地上部分碳儲量占4種林分總的碳儲量的76.69%～83.97%,平均為79.35%。地上部分與地下部分碳分配之比達(dá)3.29～5.24倍。

圖1 不同林分類型碳儲量分配特征Fig.1 Allocation characteristics of carbon reserves in different forest types

4 結(jié)論與討論

4.1 討論

根據(jù)研究,河北省太行山區(qū)4種典型水土保持林喬木層單位面積生物量為246.61t/hm2,該數(shù)值遠(yuǎn)高于太岳山(2015年)森林植被平均生物量88.26t/hm2[18],全國喬木層平均單位面積生物量86.07t/hm2[19],這與河北省在太行山區(qū)森林綠化建設(shè)中進(jìn)行有力的保護(hù)以及撫育管理措施有很大的關(guān)系。4種林分類型各器官生物量分配順序均表現(xiàn)為樹干>樹根>樹枝>樹葉,這與王炳焱[20]、朱麗平等[21]對喬木層各器官生物量分配研究結(jié)果相同；宋婭麗等[22]在山西太岳山不同林齡油松林生物量及碳儲量研究中表明,植被生物量隨著林齡的增加逐漸增加；付夢瑤等[23]在不同立地條件(坡向、坡位和海拔)下栓皮櫟人工林群落生物量結(jié)構(gòu)特征研究中表明,植被生物量會隨著坡向、坡位和海拔的不同表現(xiàn)出差異性?？梢?森林生物量受到地區(qū)、樹齡以及立地條件等的影響。

森林碳儲量是由生物量和含碳率兩個(gè)因素決定的,作為森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分,森林碳儲量在森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[24]。河北省太行山區(qū)4種林分類型平均碳儲量為35.52t/hm2,高于山西霍山森林碳儲量29.46t/hm2[25],也高于河南省(2013年)喬木林碳儲量24.31t/hm2[26],但是低于2008年全國平均水平41.3t/hm2,也低于山西太岳山(2015年)44.13t/hm2[18],低于山西中南部主要造林樹種平均碳儲量44.34t/hm2[27],低于河南伏牛山區(qū)櫟類天然次生林喬木層40.451t/hm2[28]。這表明,不同地區(qū)、不同氣候條件對碳儲量的變化有影響。研究區(qū)各林分地上部分碳儲量占4種林分總碳儲量的79.35%,這與曹曉陽[27]對山西中南部主要造林樹種固碳能力研究中的分配結(jié)果一致。

森林碳儲量由地上部分、地下部分、枯落物和土壤有機(jī)質(zhì) 4 個(gè)碳庫組成,但本研究只是針對喬木層進(jìn)行研究,并未計(jì)入土壤、林下灌木、草本和凋落物生物量和碳儲量,實(shí)際的森林碳儲量還應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于以上估算值,且本研究只是對喬木層生物量和碳儲量進(jìn)行了一年的測量,并沒有進(jìn)行長期取樣觀察,今后將進(jìn)行多年取樣,觀測出長期變化,可為深入研究河北太行山森林固碳能力和其碳匯功能以及研究合理的經(jīng)營模式提供參考依據(jù)。

4.2 結(jié)論

1)本研究4種林分類型單位面積總生物量為246.61t/hm2,其中栓皮櫟林總生物量最高(90.19t/hm2),最小的是刺槐林(18.08t/hm2),栓皮櫟林和油松林生物量高于4種林分類型生物量均值,混交林和刺槐林生物量低于4種林分生物量均值。4種林分各器官生物量的分配順序均表現(xiàn)為樹干>樹根>樹枝>樹葉。

2)本研究4種林分類型各器官含碳率為45.16%～64.61%。油松和刺槐各器官含碳率的順序表現(xiàn)為樹枝>樹干>樹葉>樹根；側(cè)柏各器官含碳率的順序?yàn)闃涓?樹葉>樹枝>樹根；栓皮櫟各器官的含碳率順序?yàn)闃渲?樹干>樹葉>樹皮>樹根。

3)本研究4種林分類型總的碳儲量為142.06t/hm2,各林分的碳儲量順序表現(xiàn)為油松林>栓皮櫟林>混交林>刺槐林,各器官碳儲量與生物量趨勢基本相同。樹干在不同林分類型碳儲量中所占的比例分別為57.12%,57.23%,57.17%,56.24%,均高于50%。4種林分中各器官碳儲量平均分配比例表現(xiàn)為樹干(56.94%)>樹根(20.65%)>樹枝(16.75%)>樹葉(5.66%),各林分地上部分碳儲量占4種林分總的碳儲量的79.35%。地上部分與地下部分碳分配之比達(dá)3.29～5.24倍。