內(nèi)蒙古大興安嶺興安落葉松人工林生物量碳計量參數(shù)研究

郭嬌宇,周 梅,2,舒 洋,2,趙鵬武,2,烏藝恒,田金龍,楊 磊,管立娟,肖 雷

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,呼和浩特 010019；2.內(nèi)蒙古賽罕烏拉森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站,內(nèi)蒙古 赤峰 025150；3.內(nèi)蒙古天合林業(yè)碳匯研究院,呼和浩特 010000)

森林生態(tài)系統(tǒng)是巨大的碳庫,對大氣中的CO2起到源或匯的作用[1]。森林被稱為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體[2],森林生物量碳在全球碳儲量中占有重要地位,森林生物碳儲量占陸地生物碳儲量的82.5%左右[3],是估計森林生態(tài)系統(tǒng)中碳通量的重要數(shù)據(jù)源。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)(2003)第三次評估報告表明,全球變化已經(jīng)對地球生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)生了顯著的影響[4]?！?006年IPCC國家溫室氣體清單指南》報告中,將生物量因子分別修訂為生物量轉(zhuǎn)化與擴展因子(Biomass conversion and expansion factor,BCEF)、生物量擴展因子(Biomass expansion factor,BEF)、根莖比(Root shoot ratio,R)、木材基本密度(Basic wood density,WD)等[5]?！恶R拉喀什協(xié)定》中有關(guān)土地利用、土地利用變化和林業(yè)(Land Use Land-use Change and Forestry,LULUCF)的第11/CP.7號決議確定了5個需要計量的碳庫,即土壤有機碳、枯落物、粗木質(zhì)殘體、地下生物量、地上生物量[6]。

方精云等[7]通過全國各地林分蓄積量與生物量關(guān)系的研究,探討了林分生物量和蓄積量的相關(guān)函數(shù)關(guān)系,并采用材積法對我國森林植被的林分生物量及生產(chǎn)力進行了估算；李海奎等[8]研究表明,方精云所采用的材積推算生物量的方法雖可以反映不同林齡生物量的變化,但是這種方法并不適宜在較小的范圍(例如省級)內(nèi)使用。為了使林木生物量估算的方法更加規(guī)范和簡化,IPCC指南中重點推薦使用碳計量參數(shù)的生物量因子法[5]。目前,我國基于IPCC指南中計算碳計量參數(shù)的研究主要應(yīng)用于落葉松(Larix)[6]、思茅松(Pinuskhasya)[9]、山楊(PopulusdavidianaDode)[10]毛竹林(Phyllostachysedulis)[11]杉木(CunninghamiaLanceolata)[12]等樹種上,利用樹高、胸徑等容易測定的指標,結(jié)合碳計量參數(shù)估算林分生物量等,實現(xiàn)林分生物量測定工作的簡化目的。碳計量參數(shù)的精度直接影響林分生物量碳儲量的估算結(jié)果,所以確定碳計量參數(shù)的精度是至關(guān)重要的。

大興安嶺是我國緯度最高、生態(tài)地位最重要的國家森林生態(tài)功能區(qū)[13]。內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)的森林面積為8.17萬hm2,占內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)林業(yè)主體生態(tài)功能區(qū)總面積的80%左右[14],是我國惟一的寒溫帶針葉林區(qū)。該區(qū)分布的興安落葉松(Larixgmelini)是大興安嶺的主要樹種[15],林分面積約占大興安嶺林區(qū)總面積的57%,蓄積量約占林區(qū)總蓄積量的72%,在我國森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中占有重要的地位[16]。因此,本試驗以內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)不同人工造林的興安落葉松為研究對象,以IPCC指南中生物量因子法為基礎(chǔ),通過野外試驗,獲得實測生物量數(shù)據(jù)并計算碳計量參數(shù),對比IPCC指南給定的缺省值,提高IPCC指南中碳計量參數(shù)的精度,更好地為國家溫室氣體清單編制和森林生物量碳儲量估算服務(wù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)的根河林業(yè)局、庫都爾林業(yè)局、烏爾旗汗林業(yè)局、綽爾林業(yè)局、阿里河林業(yè)局境內(nèi),其中:根河林業(yè)局位于內(nèi)蒙古自治區(qū)根河市境內(nèi),地理坐標為北緯50°20′～52°30′,東經(jīng)120°12′～122°55′,年均氣溫為-5.3℃,平均海拔為1 241m；庫都爾林業(yè)局位于內(nèi)蒙古自治區(qū)牙克石市境內(nèi),地理坐標為北緯49°36′～50°16′,東經(jīng)120°53′～121°59′,年均氣溫為-5.0℃,平均海拔為1 058m；烏爾旗汗林業(yè)局位于內(nèi)蒙古自治區(qū)牙克石市境內(nèi),地理坐標為北緯49°15′～49°52′,東經(jīng)121°12′～122°50′,年均氣溫為-2.6℃,平均海拔為709m；綽爾林業(yè)局地處內(nèi)蒙古自治區(qū)牙克石市境內(nèi),地理坐標為北緯47°35′～48°10′,東經(jīng)120°18′～121°37′,年均氣溫為-3.2℃,平均海拔為900m；阿里河林業(yè)局位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市境內(nèi),地理坐標為北緯50°34′～50°36′,東經(jīng)123°43′～123°45′,年均氣溫為-2.7℃,平均海拔為750m[17]。

2 研究方法

2.2 樣地調(diào)查及樣品采集與處理

在研究區(qū)的施業(yè)區(qū)隨機選取32塊30m×30m的標準樣地,林齡為6～47a。在標準地內(nèi)進行每木檢尺,測定樹高、胸徑,并根據(jù)平均胸徑和平均樹高,按林分生物量測量的要求,選擇無病蟲害、不斷梢的生長正常的平均木1株作為標準木,共選取32株標準木,記載立地條件、林分狀況、標準木的東西、南北冠幅、胸徑等基本信息。根據(jù)國家林業(yè)行業(yè)標準中的齡組劃分[18],將所選標準木劃分幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林,進行樹木解析,采用實測法測量并計算標準木各器官的生物量,通過計算獲得各個齡組的林分生物量(表1)。

表1 不同齡組興安落葉松人工林實測生物量Tabl.1 Measured biomass of Larix gmelini of different age groups

2.2 林分生物量計算

根據(jù)IPCC指南(2003,2006)林分生物量的計算公式如下:

B=V×BCEF×(1+R)

B=V×WD×BEF×(1+R)

式中:B為林分生物量(t/hm2)；BCEF為生物量轉(zhuǎn)化與擴展因子(t/m3)；V為蓄積量(m3/hm2)；BEF為生物量擴展因子,無量綱；R為根莖比,無量綱；WD為木材基本密度(t/m3)；根據(jù)以上定義,生物量因子法中的計量參數(shù)包括BCEF,BEF,R,WD。因此采用IPCC指南中的方法計算林分生物量需計算V,BCEF,BEF,R和WD[19]。

2.2.1林分蓄積量計算

根據(jù)樹干解析的原則[13]將基干分段,截取3.0～5.0cm厚的圓盤,測量每個圓盤的直徑,采用區(qū)分求積公式計算各個圓盤的體積進而計算標準木的單株材積,利用如下公式計算:

林分蓄積量:V=Vt×D

式中:Vt為單株總材積(m3/株)；D為林分密度(株/hm2)。

2.2.2林分生物量碳計量參數(shù)計算

依據(jù)國家溫室氣體清單,基于IPCC指南下的生物量估算方法中所涉及到的相關(guān)林分生物量、碳計量參數(shù)的種類和定義,歸類總結(jié)如表2所示的計算公式。

根據(jù)興安落葉松人工林的樹干生物量、地上生物量、地下生物量實測數(shù)據(jù)如表1所示,按照表2所給的碳計量參數(shù)的相關(guān)計算公式,計算得出不同齡組間的碳計量參數(shù)的平均值,計算結(jié)果如表3所示。

表3 碳計量參數(shù)平均值Tab.3 Average values of carbon measurement parameters

表2 參數(shù)計算公式Tab.2 Calculation formula of parameters

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel進行林分生物量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的整理,并計算林分蓄積量、林分生物量碳計量參數(shù)。采用SPSS 25.0進行落葉松人工林不同器官生物量相關(guān)性分析,將碳計量參數(shù)BCEF,BEF,R,WD與A,DBH和D分別進行回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.3 林分生物量因子分析

由表3可知,根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算得出內(nèi)蒙古大興安嶺興安落葉松人工林的BCEF平均值為0.92t/m3(n=32,SD=0.478),其中幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林的平均值分別為1.783,0.639,0.621,0.638 t/m3；BEF平均值為1.39(n=32,SD=0.334),其中幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林的平均值分別1.879,1.250,1.241,1.198。t檢驗表明:不同齡組之間的BCEF與BEF均有明顯的差異(P<0.05)。

回歸分析發(fā)現(xiàn)興安落葉松人工林的BCEF和BEF與A,DBH有顯著相關(guān)性(P<0.05),如圖1所示,BCEF隨著A和DBH的增加呈降低并趨于穩(wěn)定的趨勢；如圖2所示,BEF也呈現(xiàn)相同趨勢,BCEF和BEF與D的相關(guān)性較小,沒有顯著變化趨勢。

圖1 生物量轉(zhuǎn)化和擴展因子(BCEF)與林齡(A)、平均胸徑(DBH)的關(guān)系Fig.1 Relationship between biomass conversion and extension factor(BCEF) and forest age(A) and average DBH

圖2 生物量擴展因子(BEF)與林齡(A)、平均胸徑(DBH)關(guān)系Fig.2 Relationship between biomass expansion factor(BEF) and forest age(A) and average DBH

3.2 根莖比分析

興安落葉松人工林的R平均值為0.14(n=32,SD=0.034)其中幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林的平均值分別為0.174,0.142,0.155,0.111。t檢驗表明:不同齡林間的R沒有明顯差異(P>0.05)?；貧w分析發(fā)現(xiàn)R與A,DBH和D均沒有顯著相關(guān)性(P>0.05)。

3.3 木材基本密度分析

興安落葉松人工林的WD作為生物量擴展因子法計算生物量的配套因子,根據(jù)實際生物量數(shù)據(jù)利用表2公式計算得到:WD的平均值為0.61t/m3(n=32,SD=0.293)其中幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林的平均值分別為0.876,0.519,0.502,0.533 t/m3；t檢驗表明:不同齡林間WD均有相關(guān)性(P<0.05)。

回歸分析發(fā)現(xiàn)WD與A,DBH顯著相關(guān)(P<0.05),如圖3所示,隨著A,DBH的增加,WD呈遞減趨勢,WD與D沒有顯著相關(guān)性。

圖3 木材基本密度(WD)與林齡(A)、平均胸徑(DBH)關(guān)系Fig.3 Relationship between wood base density(WD) and forest age(A) and average DBH

3.3 實測值與IPCC缺省值對比分析

如表4所示,通過實測值與IPCC指南所給缺省值對比發(fā)現(xiàn):BCEF,R的實測值均小于IPCC中缺省值；BEF,WD的實測值均大于IPCC缺省值。分析發(fā)現(xiàn):BCEF,BEF的實測值與IPCC給定缺省值沒有顯著差異,而R,WD的實測值與IPCC給定缺省值差異顯著(P<0.05)。

表4 實測值與IPCC指南給定缺省值比較Tab.4 Comparison of measured values with the default values given in IPCC guidelines

如表5所示,用IPCC指南給定缺省值估算林分生物量并與實測生物量對比發(fā)現(xiàn):IPCC缺省值計算的理論生物量與實測生物量存在顯著差異(P<0.01)。IPCC給定缺省值估算生物量比實測生物量高40.64%～47.06%,而本文所計算碳計量參數(shù)估算的林分生物量比實測生物量低6.50%～15.24%。所以,用本文計算的碳計量參數(shù)估算內(nèi)蒙古大興安嶺興安落葉松生物量誤差更小。

表5 實測生物量與缺省值、實測值計算生物量比較Tab.5 Comparison between measured biomass,default value and measured biomass calculation t/hm2

4 討論與結(jié)論

4.4 興安落葉松碳計量參數(shù)實測值

根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算興安落葉松人工林BCEF平均值為0.92t/m3,BEF平均值為1.39,R平均值為0.14,WD平均值為0.61t/m3。本文所得R的實測值(0.14)與IPCC(2003)缺省值(0.336 7)相差較多,這樣的結(jié)果與華北落葉松人工林[21]、日本落葉松、興安落葉松和長白落葉松的研究結(jié)果相似。 本文認為引起以上R的實測值與缺省值差異大的主要原因是,由于本研究區(qū)域?qū)儆趦?nèi)蒙古大興安嶺區(qū)域,土壤土層較薄,土壤中石頭較多,導(dǎo)致華北落葉松根系的徑向生長受阻,最終導(dǎo)致地下生物量偏低,使得R的實測值偏小。

4.4 興安落葉松碳計量參數(shù)與林分因子的回歸分析

BCEF,BEF,WD,R與A,DBH,D進行相關(guān)性回歸分析結(jié)果為:BCEF,BEF,WD這3者均隨A,DBH呈負相關(guān),即隨著A或DBH的增加遞減。3者均與D沒有明顯變化趨勢,沒有顯著相關(guān)性,此結(jié)果與羅云建等[6]的落葉松人工林研究結(jié)果相近,R與A,DBH,D都沒有顯著相關(guān)性,可以表示R是一個相對穩(wěn)定的數(shù)值。WD與林分因子A,DBH,D回歸分析發(fā)現(xiàn),WD與A,DBH顯著相關(guān)(P<0.05)。李泰君等[22]研究表明思茅松的WD與A存在正相關(guān)關(guān)系(R=0.556,P<0.05),WD與D沒有顯著相關(guān)性。此結(jié)果與羅云建[21]的研究結(jié)果有差異,他在華北落葉松的研究中指出WD與D呈顯著負相關(guān)。除本文提及的林分因子外,為了更準確地分析碳計量參數(shù)與林分因子的相關(guān)性,還需進一步跟蹤研究碳計量參數(shù)與樹高(H)、蓄積量(V)等其它林分因子變化的相關(guān)關(guān)系。

4.4 興安落葉松實測碳計量參數(shù)與IPCC缺省值對比

本研究測算的內(nèi)蒙古大興安嶺興安落葉松人工林的BCEF,R的實測值均小于IPCC中缺省值；BEF,WD的實測值均大于IPCC缺省值。用IPCC給定缺省值估算林分生物量比實測生物量高40.64%～47.06%,而用實測碳計量參數(shù)估算的林分生物量比實測生物量低6.50%～15.24%。因此，為了提高生物量計算精度,在進行大興安嶺興安落葉松人工林生物量碳計量的估算時,建議采用本研究實測得出的碳計量參數(shù)。