遼東山區(qū)落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳通量及對氣候變化的響應

張慧東 霍常富 顏廷武 魏文俊 尤文忠

( 1. 遼寧省林業(yè)科學研究院，遼寧 沈陽 110032；2. 中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所，遼寧 沈陽 110016；

3. 遼寧省經(jīng)濟林研究所，遼寧 大連 116031)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，擁有巨大的碳庫和較高的生產(chǎn)力，森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量占陸地生態(tài)系統(tǒng)的57%，在維持全球碳平衡、減緩全球氣候變化等方面起到重要的作用?！毒┒甲h定書》允許各國通過人工造林、森林和農(nóng)田管理等人為活動產(chǎn)生的碳匯，抵消溫室氣體減排指標，碳匯造林作為碳匯林業(yè)發(fā)展的主要途徑被廣泛認可[1]。中國人工林保存面積世界第1，人工林是我國碳匯林業(yè)發(fā)展的重要組成部分。但是人工林受氣候區(qū)、樹種等影響空間異質性大，持續(xù)的氣候變化可能會影響人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)過程，進而影響森林的碳匯功能。科學評價人工林的固碳能力及其對氣候變化的響應至關重要[2-3]，生物地球化學循環(huán)模型作為一種直觀和系統(tǒng)描述和預測生態(tài)系統(tǒng)的物質循環(huán)的工具得到廣泛的研究。Forest-DNDC 模型是目前國際上廣泛用于模擬森林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮生物地球化學循環(huán)的模型[4]，可預測植物—土壤系統(tǒng)的光合產(chǎn)物分配、水分及氮吸收、土壤溫度、土壤pH、氧化還原電位等，能夠以1 d 為時間步長模擬1 a 到上百年尺度森林的碳、氮生物地球循環(huán)，可以用于點位及區(qū)域、全球尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳、氮循環(huán)過程和溫室氣體的釋放模擬[5-10]。

落葉松（Larix olgensis）是東北地區(qū)重要的造林樹種，占區(qū)域人工林面積的55%[12]，在穩(wěn)定區(qū)域森林碳匯方面具有重要作用，開展落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳通量及其對氣候變化響應研究，對準確評價區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力和未來碳匯潛力具有重要意義。本研究利用長期定位觀測數(shù)據(jù)對Forest-DNDC 模型參數(shù)進行了率定，并使用經(jīng)過率定的模型模擬了遼東山區(qū)落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、碳通量及其對氣候變化的響應，為區(qū)域人工林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究和應對氣候變化政策的制定提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究地設在國家林業(yè)和草原局所屬遼寧冰砬山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站（以下簡稱冰砬山森林生態(tài)站）試驗區(qū)內(nèi)，代表區(qū)域為長白山山脈向西南延伸部分的遼東山區(qū)。位于遼寧省西豐縣境內(nèi)，地理坐標為北緯42°20′～42°40′，東經(jīng)124°45′～125°15′。該地區(qū)屬溫帶大陸性氣候，春季氣溫回溫迅速，夏季雨量集中，秋霜較早，冬季寒冷。7月份氣溫最高，平均23.2 ℃，極端高溫35.2 ℃；1月份氣溫最低，平均-17.2 ℃，極端低溫-41.1 ℃；具有典型的山區(qū)氣候特征，年均氣溫5.2 ℃，大于10 ℃的年活動積溫2 800～3 100 ℃；年均降水量684.8 mm，年均蒸發(fā)量1 379.8 mm，無霜期133 d。

研究區(qū)為長白植物區(qū)系，地帶性植物群落是以紅松（Pinus koraiensis）為主的針闊混交林，在歷經(jīng)長期的人為干擾破壞后，演變?yōu)橐杂查熑~樹為主的天然次生林和人工林，主要包括沙松（Abies holophylla）、魚鱗云杉（Picea jezoensisvar.koma）、蒙古櫟（Quercus mongolica）、紫椴（Tilia amurensis）、色木槭（Acer mono）、黃菠蘿（Phellodendron amurense）、胡桃楸（Juglans mandshurica）、水曲柳（Fraxinus mandshurica）等。本區(qū)人工林總面積1.15×105hm2，以長白落葉松（L. olgensisvar. koreana）和日本落葉松（L.kaempferi）為主，有少量的紅松和油松（Pinus tabulaeformis）等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

于2006年在冰砬山森林生態(tài)站設置面積0.1 hm2長白落葉松人工林長期固定樣監(jiān)測地1 塊，設置面積0.1 hm2臨時樣地2 塊，進行每木檢尺和林地土壤養(yǎng)分進行測定，林齡34 a，密度630 株/hm2，平均樹高18.3 m，平均胸徑18.4 cm，郁閉度0.8；林地灌木稀少，草本主要為羊胡子苔草（Carex callitricihos），蓋度85%。于2011年、2016年對林地土壤養(yǎng)分和樹木生長情況復測。土壤為暗棕色森林土，土層深厚，土壤養(yǎng)分見表1。

表1 落葉松人工林土壤養(yǎng)分狀況Table 1 Soil nutrient conditions of L. olgensis plantation

2.2 Forest-DNDC 模型參數(shù)

Forest-DNDC 模型是基于過程的山地和濕地森林生態(tài)系統(tǒng)植被的生長和生產(chǎn)、土壤碳、氮動力學、碳吸收和土壤產(chǎn)生的溫室氣體的排放進行模擬的機理模型。模型詳細的構建基礎、結構、機理、操作、應用介紹參閱參考文獻[5]。模型參數(shù)要求輸入林地土壤性質、林分特征和營林管理措施等數(shù)據(jù)，模型主要參數(shù)來源于冰砬山森林生態(tài)站長白落葉松人工林固定樣地的基礎數(shù)據(jù)（表2～3），其中，緯度輸入值為42°，降水中的氮含量輸入值為2.8 mg/m3，大氣中CO2濃度輸入值為410 mL/m3，草本層地上生物量輸入值為350 kg /hm2，苔蘚層地上生物量輸入值為0，其他參數(shù)見參考文獻[11]。模型氣象數(shù)據(jù)來源于該樣地試驗區(qū)內(nèi)的森林小氣候梯度系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)。模型驗證使用的土壤碳通量長期觀測數(shù)據(jù)來源于冰砬山森林生態(tài)站在該林地開展的研究[12-16]。

表2 模型中森林生長因子的主要輸入?yún)?shù)值及描述Table 2 Main input parameter values and description of forest growth factors in the model

表3 模型中土壤因子的主要輸入?yún)?shù)值及描述Table 3 Main input parameter values and description of soil factors in the model

為提高模型驗證結果的準確性，模型驗證的氣候參數(shù)使用與土壤呼吸觀測同步的2007—2009年冰砬山森林生態(tài)站小氣候梯度觀測系統(tǒng)連續(xù)3a 的日最高氣溫、日最低氣溫和日大氣降水量等指標的平均數(shù)據(jù)（圖1）。2007—2009年冰砬山森林生態(tài)站站區(qū)的年平均溫度、最低氣溫和最高氣溫分別為6.5、6.1、6.0 ℃，-18.8、-23.3、-25.9 ℃和27.6、25.6、27.9 ℃，年降水量分別為749.1、777.7、555.6 mm，年平均溫度、年平均最高溫度和年平均最低氣溫分別為6.20、27.03、-22.67 ℃，年平均降水量為694.13 mm。使用經(jīng)過驗證的模型和2016—2018年區(qū)域氣象實測數(shù)據(jù)，對遼東山區(qū)落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)的年生產(chǎn)力和碳通量進行模擬。

圖1 2007—2009年遼東山區(qū)落葉松人工林平均日降水量、日最高氣溫、日最低氣溫Fig. 1 Average daily precipitation， daily maximum temperature and daily minimum temperature of L. olgensis plantation in Eastern Liaoning mountainous area from 2007 to 2009

3 結果與分析

3.1 模型驗證

為了準確的反映Forest-DNDC 模型對遼東山區(qū)落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程模擬結果的準確性，利用已建立的遼東山區(qū)落葉松人工林土壤呼吸速率（Rs）經(jīng)驗模型與Forest-DNDC模型對2007—2009年遼東山區(qū)落葉松人工林平均Rs進行模擬（圖2）。由圖2 可知，經(jīng)參數(shù)率定后的Forest-DNDC 模型對遼東山區(qū)落葉松人工林Rs模擬結果與野外觀測的實測值具有較好的擬合效果，兩者呈線性相關關系，相關關系為y=1.097 2x-5.199 8，R2=0.865 7，經(jīng)參數(shù)率定后的Forest-DNDC 模型對生長季Rs的模擬結果的可信度達到80%以上。

圖2 Forest-DNDC 模型Rs 模擬值與實測值變化趨勢Fig. 2 Dynamic change of Rs simulated value and measured value of Forest-DNDC model

表4 Forest-DNDC 土壤CO2 通量模擬結果評價表Table 4 Evaluation of simulation results of soil CO2 flux in Forest-DNDC

3.2 遼東山區(qū)落葉松人工林碳通量

Forest-DNDC 模型經(jīng)過參數(shù)率定后，利用冰砬山森林生態(tài)站2016—2018年氣象站觀測的日最高溫度、日最低溫度和日降水量作為氣候參數(shù)，對2016—2018年度落葉松人工林關鍵生態(tài)過程的碳通量進行模擬，結果見圖3～4。生態(tài)系統(tǒng)碳通量包括大氣對森林生態(tài)系統(tǒng)碳的輸入碳通量（A）、生態(tài)系統(tǒng)為維持植物生長而進行的自養(yǎng)呼吸碳通量（B）和由植物根系、礦質土壤和凋落物分解構成的土壤呼吸碳通量（C）3 部分組成。模擬結果表明，遼東山區(qū)落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)的碳輸入、植物碳排放和土壤碳釋放的變化過程基本一致。2016—2018年落葉松人工林的年平均總初級生產(chǎn)力（GPP）為13.234 t/hm2，平均年輸出碳量10.260 t/（hm2·a）；自養(yǎng)呼吸向大氣釋放6.975 t/hm2，占落葉松人工林GPP 的52.71%；異養(yǎng)呼吸每年向大氣排放2.068 t/hm2，其占GPP 的15.63%；遼東山區(qū)落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)的凈生產(chǎn)力（NEE）為3.204 t/（hm2·a），相當于GPP 的24.21%。落葉松人工林碳輸入量從3月中下旬開始，在7月中旬達到峰值108.02 kg/（hm2?d），之后開始逐漸降低，并在10月末結束；自養(yǎng)呼吸日平均向大氣釋放19.109 kg/（hm2?d），生長季日平均釋放29.712 kg/（hm2?d），在7月份達到最高的日平均50.927 kg/hm2，非生長季日平均排放1.464 kg/（hm2?d），在12月下旬達到最低值；土壤異養(yǎng)呼吸碳排放總體表現(xiàn)與植物碳排放相似，日平均向大氣釋放5.666 kg/（hm2?d），在7月份達到最高的12.433 kg/（hm2?d）。

圖3 2016—2018年遼東山區(qū)落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)GPP 和NEE 動態(tài)變化Fig. 3 Total productivity and net productivity of L. olgensis plantation ecosystem in Eastern Liaoning mountainous area from 2016 to 2018

圖4 2016—2018年遼東山區(qū)落葉松人工林平均碳通量動態(tài)變化Fig. 4 Dynamic change of average C flux of L. olgensis plantation in Eastern Liaoning mountainous area from 2016 to 2018

3.3 遼東山區(qū)落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳通量對氣候變化的響應

本研究以2016—2018年日平均氣候數(shù)據(jù)作為情景基線（A0），依據(jù)來自IPCC2000年的排放情景特別報告（SRES）描述的氣候變化情景，對未來3 種氣候變化條件（A1～A3）下遼東山區(qū)落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳分配過程對氣候變化的響應進行模擬，模擬條件見表5。

表5 未來氣候變化情景模擬條件Table 5 Simulation conditions of future climate change scenarios

由圖5 可知，3 種氣候條件下遼東山區(qū)落葉松人工林GPP 無明顯的變化，GPP 比基準年分別增加0.03%、0.00%和-0.07%；隨著大氣CO2、大氣溫度和降水的增加，落葉松人工林自養(yǎng)呼吸的碳釋放量明顯增加，自養(yǎng)呼吸分別比目前的6 975 kg/（hm2·a）分別增加945、1 500、1 847 kg/（hm2·a）；A1、A2、A3氣候條件下落葉松人工林的NPP 分別 為5 318、4 758、4 403 kg/（hm2·a），比A0分別降低15.03%、23.98%、29.65%；異養(yǎng)呼吸由目前 的2 068 kg/（ hm2·a） 增 加 到2 145、 2 213、2 280 kg/（hm2·a），釋放 量 分 別 提 高 了3.72%、7.01%、10.25%；NEE 分別為2 115、1 443、988 kg/（hm2·a），分別 比 目 前 降 低33.99%、54.96%、69.16%。

圖5 模擬氣候變化背景下遼東山區(qū)落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)通量Fig. 5 Fluxes of L. olgensis plantation ecosystem in Eastern Liaoning mountainous area under the background of climate change

4 結論與討論

本研究利用研究區(qū)多年平均氣象觀測數(shù)據(jù)和遼東山區(qū)落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)土壤、水文和生物的實測數(shù)據(jù)，對Forest-DNDC 模型進行了參數(shù)率定。經(jīng)率定后的Forest-DNDC 模型對生長季Rs的模擬結果的可信度能夠達到80%以上。經(jīng)過參數(shù)率定的Forest-DNDC 模型對遼東山區(qū)落葉松人工林土壤CO2釋放結果與實測值具有較高的吻合度，和MAE 分別為0.92、0.25 和1.31；模擬值和實測值的線性吻合度為0.79，吻合變異能力決定系數(shù)為0.93，F(xiàn)orest-DNDC 模型可以較好的實現(xiàn)對該區(qū)域落葉松人工近熟林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)過程的模擬。

我國東北2000—2015年森林生態(tài)系統(tǒng)的GPP年均值為7.73 t/（hm2·a），東部的長白山地區(qū)森林GPP 最高可達10.00 t/（hm2·a）[17]。本研究的模擬結果表明遼東山區(qū)落葉松人工林年平均輸入碳量為13.234 t/hm2，模擬結果與尤文忠等[11]采用生物量實測法對本區(qū)域長白落葉松中齡林和近、成熟人工林群落NPP 為13.72、13.56 t/（hm2·a）的研究結果相一致，與采用渦度相關系統(tǒng)對長白山闊葉紅松林的GPP 多年平均值基本相同[18-19]，高于周麗艷等[20]對呼中寒溫帶興安落葉針葉林的結果。我國東北地區(qū)寒溫帶落葉松天然林群落生產(chǎn)力范圍為4.86～12.45 t/（hm2·a）[21]，不同森林類型的NPP 存在差異[18]。遼東山區(qū)落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)的凈生產(chǎn)力為3.204 t/（hm2·a），與王琪[22]利用MONTETH 光能利用率模型對黑龍江省植被NPP年平均值相一致，低于解雅麟等[23]采用BIOME-BCC 模型對吉林汪清長白落葉松林生態(tài)系統(tǒng)NPP 模擬的多年平均值4.78 t/（hm2·a），與樸世龍等[24]、陶波等[25]、何勇等[26]、何麗鴻等[27]基于CASA、 CEVSA 和AVIM 模 型 對 東 北 針 葉 林NPP 模擬的結果接近。

森林生態(tài)系統(tǒng)NPP 與降水量、大氣CO2濃度關系密切，解雅麟等[23]對吉林地區(qū)的長白落葉松人工林的研究結果表明，長白落葉松人工林NPP與降水量、大氣CO2濃度，與生長季溫度負相關，CO2濃度及降水量對落葉松人工林NPP 的正效應大于溫度升高對其產(chǎn)生的負效應。研究結果顯示大氣CO2濃度、大氣溫度和降水量上升的協(xié)同作用的3 種氣候變化情景下，遼東山區(qū)落葉松人工林GPP 的影響不明顯，但是植物呼吸和土壤呼吸釋放的碳增加明顯，導致區(qū)域落葉松人工林NPP 降低15.03%～29.65%，這一研究結果與魯旭陽[5]對西南峨眉冷杉林的研究結果相似。但與國內(nèi)外的部分研究結果不一致[23，28-29]，這可能主要是不同區(qū)域限制森林生產(chǎn)力的主導因子不同有關[30]。研究結果可為區(qū)域落葉松人工林生產(chǎn)力、碳匯功能的評估及其對氣候變化的響應研究和政策制定提供參考。