小興安嶺針闊混交林碳匯結(jié)構(gòu)特征的研究

崔崧　肖銳　王文帆　劉濱凡

摘 要：針闊混交林結(jié)構(gòu)特征對(duì)碳匯功能起到直接的影響作用，為明確小興安嶺碳匯結(jié)構(gòu)特征，采用生物量方程計(jì)算生物量，并以生物量推算碳儲(chǔ)量。結(jié)合垂直投影面積、角尺度、混交度及競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)等林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)，對(duì)小興安嶺主要的針闊混交林碳儲(chǔ)量特征進(jìn)行研究，得到以下研究結(jié)果：①小興安嶺針闊混交林碳匯累積傾向于較大冠幅、較高混交度、較小競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)和隨機(jī)分布狀態(tài)的林木，但個(gè)別林型存在差異，原始林碳匯累積傾向于中度混交（混交度0.5）狀態(tài)的林木，過(guò)伐林碳匯累積傾向于團(tuán)塊狀分布（角尺度0.75）狀態(tài)的林木;②針闊混交林內(nèi)林木的碳匯量與冠幅存在顯著的正向相關(guān)關(guān)系，與競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)存在顯著的負(fù)向相關(guān)關(guān)系;③成熟林木個(gè)體占據(jù)較高的資源和空間生態(tài)位，碳匯累積處于優(yōu)勢(shì)地位，可從垂直空間角度增加林分錯(cuò)層空間的資源利用效率。合理的增加非頂級(jí)群落林分的混交比例有利于碳匯累積的增加。過(guò)伐林可以通過(guò)引入伴生樹(shù)種等方法加快更新速度，改善團(tuán)塊狀碳匯累積結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：冠幅;混交度;角尺度;競(jìng)爭(zhēng)指數(shù);針闊混交林

中圖分類(lèi)號(hào)：S718.5??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1006-8023（2020）06-0030-06

The Study on the Structural Characteristics

of the Mixed-wood Carbon Sink in Xiaoxinganling Area

CUI Song1， XIAO Rui1， WANG Wenfan2， LIU Binfan2*

（1.Forestry Scientific Institute of Heilongjiang Province， Harbin 150081， China;

2.Forestry Academy of Heilongjiang Province， Harbin 150081， China）

Abstract：The structural characteristics of coniferous and broad-leaved mixed forests have a direct effect on the carbon sink function. In order to clarify the structural characteristics of the carbon sink in Xiaoxinganling， the biomass equation was used to calculate the biomass， and the biomass was used to calculate the carbon storage. Combined with stand structure indexes such as vertical projection area， angle index， mingling index and competition index， the carbon storage characteristics of main coniferous and broad-leaved mixed forests in Xiaoxinganling were studied， and the following results were obtained. ① The carbon sink of coniferous and broad-leaved mixed forests in Xiaoxinganling tended to be larger crown width， higher mingling index， lower competition index and random distribution， but there were differences among individual forest types. Carbon sink accumulation of vigin forest tended to moderate mixed （mingling index 0.5） state， and overcut forest tended to clump distribution （angle index 0.75） state. ② There was a significant positive correlation between carbon sink and crown width， and a significant negative correlation with competition index in coniferous and broad-leaved mixed forests. ③ Mature trees occupied a higher resource and spatial niche， and carbon sink accumulation was in a dominant position， which can increase the resource utilization efficiency of stand split-layer space from the vertical spatial perspective. A reasonable increase in the mixing ratio of non-top community stands was beneficial to the increase of carbon sink accumulation. Overcutting can accelerate the regeneration rate and improve the accumulation structure of carbon sink by introducing associated tree species.

林木碳含量（kg）=林木生物量（kg）×46.75%。（6）

2.3.2 空間結(jié)構(gòu)計(jì)算

（1）垂直投影面積

垂直投影面積采用冠幅垂直投影面積：

Av=W東西×W南北2。 （7）

式中：Av為垂直投影面積，m2;W東西為東西方向的冠幅，m;W南北為南北方向的冠幅，m。

（2）混交度

選定對(duì)象木的4株相鄰木中與對(duì)象木不屬于同種的個(gè)體所占據(jù)的比例，其計(jì)算公式為：

Mi=14∑nj=1Vij。 （8）

式中：Mi 為對(duì)象木i的混交度;i為對(duì)象木;j為鄰近木。Vij 為離散性變量，當(dāng)對(duì)象木i與第j株鄰近木為不同的樹(shù)種時(shí)，Vij=1;當(dāng)對(duì)象木i與第j株鄰近木為同一樹(shù)種時(shí)，Vij=0[16-17]。Mi有5種取值，分別為0（零度混交）、0.25（弱度混交）、0.50（中度混交）、0.75（強(qiáng)度混交）和1（極強(qiáng)度混交）[12]。

（3）角尺度

在兩個(gè)相鄰木的鄰接夾角中選擇其中的小角α與標(biāo)準(zhǔn)角α0（相鄰木均勻分布時(shí)的夾角為90°）進(jìn)行比較。此時(shí)角尺度的定義為：α角小于標(biāo)準(zhǔn)角α0的個(gè)數(shù)占4個(gè)鄰接夾角的比例[18]，公式為：

Wi=14∑4j=1Zij。 （9）

式中：當(dāng)?shù)趈個(gè)角的α值小于標(biāo)準(zhǔn)角α0時(shí)，Zij=1，大于標(biāo)準(zhǔn)角α0時(shí)，Zij=0;Wi在0.475～0.517為隨機(jī)分布，小于0.475為均勻分布，大于0.517時(shí)為團(tuán)狀分布[12]。

（4）競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)

對(duì)象木與某一相鄰木的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)采用單木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)[19-20]：

CIij=djdi×Lij。 （10）

式中：CIij為對(duì)象木i與某一相鄰木j的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù);Lij為對(duì)象木i與競(jìng)爭(zhēng)木j之間的距離，cm;di為對(duì)象木i的胸徑，cm;dj為競(jìng)爭(zhēng)木j的胸徑，cm。

3 結(jié)果與分析

3.1 垂直投影面積與碳匯結(jié)構(gòu)的關(guān)系

將林木垂直投影面積與林木碳含量進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（表2），針闊混交林的各種林型中垂直投影面積與碳含量均呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)（α=0.01，P<0.01），碳匯積累傾向于較大冠幅的個(gè)體。具有較大冠幅的林木多為成熟個(gè)體，相同立地條件下，在資源獲取與生長(zhǎng)空間上更具優(yōu)勢(shì)。從不同林型垂直投影面積與碳匯的相關(guān)性指數(shù)比較由大到小順序?yàn)椋涸剂?、次生林、輕度采伐林、過(guò)伐林，由此看來(lái)原始林中林木的樹(shù)冠大小與碳匯的關(guān)系最密切，其次是裸地次生林，再次是輕度采伐林和過(guò)伐林。次生林雖然是由各種原因形成的裸地自然更新而來(lái)，但其更新過(guò)程接近于自然狀態(tài)，沒(méi)有人為干擾，原始林也是近乎沒(méi)有人為干擾的林分，而過(guò)伐林和輕度采伐林都經(jīng)歷過(guò)不同程度的人為干擾，因此可以推測(cè)人為干擾是影響林分冠幅和碳匯關(guān)系的重要因素。

3.2 混交度與碳匯結(jié)構(gòu)的關(guān)系

對(duì)各林型單木的碳含量根據(jù)單株混交度進(jìn)行分級(jí)發(fā)現(xiàn)，碳含量隨著混交度的升高呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。進(jìn)行混交度與林木碳含量的相關(guān)性分析（表3），可以看出針闊混交林整體（所有林型）、紅松-云冷杉林、過(guò)伐林和次生林表現(xiàn)出顯著的正向相關(guān)（α=0.01，P<0.01），但落葉松-云冷杉林、原始林未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性。從不同林型的角度來(lái)看，混交度與碳匯的相關(guān)性系數(shù)由大到小為：過(guò)伐林、紅松-云冷杉林、次生林，也未能表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。

圖1是不同林型在各混角度分級(jí)下碳含量占各林型碳含量總量的百分比，除原始林外，其余林型的碳含量比例均隨混交度的增大而增大，在混交度達(dá)到0.75或1（強(qiáng)度混交或極強(qiáng)度混交）時(shí)達(dá)到最大。原始林表現(xiàn)為隨著混交度的增加碳含量上升，在混交度0.5時(shí)（中度混交）達(dá)到最大，隨后出現(xiàn)降低。原始林處于頂級(jí)群落的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，其絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位的樹(shù)種與其他林型相比比較少，且占據(jù)絕對(duì)的空間和資源優(yōu)勢(shì)，其余樹(shù)種無(wú)法與其形成良好的混交狀態(tài)，因此碳匯累積傾向于中度混交狀態(tài)下的個(gè)體。

3.3 角尺度與碳匯結(jié)構(gòu)的關(guān)系

對(duì)各林型單木的碳含量根據(jù)角尺度進(jìn)行分級(jí)發(fā)現(xiàn)，隨著角尺度的增大，碳含量出現(xiàn)增高的趨勢(shì)，在角尺度達(dá)到0.5時(shí)達(dá)到最大，隨后逐漸減少，將二者進(jìn)行相關(guān)性分析，各林型均未表現(xiàn)出顯著的相關(guān)性。

圖2為不同林型在角尺度分級(jí)下碳含量占各林型碳含量總量的百分比，各林型的碳含量比例均隨角尺度的增大而增大，各林型均在0.5（隨機(jī)分布）達(dá)到峰值，但過(guò)伐林在0.75（團(tuán)塊狀分布）達(dá)到峰值，達(dá)到峰值后出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。紅松-云冷杉林在達(dá)到峰值下降后在角尺度為1時(shí)出現(xiàn)一定的增大。過(guò)伐林由于過(guò)度采伐，林內(nèi)更新樹(shù)種多集中于采伐后剩余林木的周?chē)?，因此呈現(xiàn)團(tuán)塊狀的碳匯分布結(jié)構(gòu)。

3.4 競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)與碳匯結(jié)構(gòu)的關(guān)系

將不同林型內(nèi)單木碳含量與其競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)做相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（表4），不同林型內(nèi)單株林木的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)與碳匯量均存在顯著的負(fù)向相關(guān)關(guān)系（α=0.01，P<0.01），原因是競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)越大，林木的生長(zhǎng)空間和資源利用所面臨的競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)越激烈，碳匯累積的不利因素就越多。相關(guān)性由大到小順序?yàn)椋哼^(guò)伐林、次生林、輕度采伐林、原始林，由此看來(lái)這與各林型林分結(jié)構(gòu)的完整程度的排列順序是一致的。這表明林分結(jié)構(gòu)越完整，競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)對(duì)碳匯的影響作用越弱，即完整的林分結(jié)構(gòu)可以降低林木競(jìng)爭(zhēng)對(duì)于碳匯積累的不利影響。

將競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)與碳匯量進(jìn)行方程擬合，二者呈現(xiàn)出冪函數(shù)關(guān)系，不同林型擬合方程具體參數(shù)有所不同（表5）。從整體來(lái)看，針闊混交林內(nèi)林木的碳匯量和競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)符合y=98.065x-1.254，R2=0.58。具有較小競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的林木大部分都是成熟個(gè)體，相同立地條件下，較低的競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)更有利于資源的占有和碳匯的累積。

4 結(jié)論

小興安嶺針闊混交林碳匯累積整體來(lái)看具有傾向于較大冠幅、較高混交度和較小競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的隨機(jī)分布狀態(tài)的個(gè)體，但不同林型在碳匯累積結(jié)構(gòu)特征上存在差異，原始林碳匯累積傾向于中度混交（混交度為0.5）狀態(tài)的個(gè)體，過(guò)伐林碳匯累積傾向于團(tuán)塊狀分布（角尺度0.75）狀態(tài)。針闊混交林內(nèi)林木的碳匯量和競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)符合y=98.065x-1.254，R2=0.58關(guān)系。不同林型林分人為干擾程度及結(jié)構(gòu)完整程度可以影響到冠幅和競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)對(duì)碳匯累積的影響效果。

筆者建議：成熟的林木個(gè)體由于處于生長(zhǎng)峰值，占據(jù)較高的資源和空間生態(tài)位，其碳匯累積也處于相對(duì)的優(yōu)勢(shì)地位，因此可從垂直空間角度對(duì)林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行改善，增加林分錯(cuò)層空間的資源利用效率。原始林由于林分結(jié)構(gòu)的原因，在中度混交狀態(tài)聚集了更多的碳匯累積，其他林型林木個(gè)體呈現(xiàn)趨向于高混交度個(gè)體的碳匯累積，因此合理地增加非頂級(jí)群落的混交比例有利于碳匯累積的增加。過(guò)伐林呈現(xiàn)出團(tuán)塊狀碳匯累積結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)引入伴生樹(shù)種等方法加快更新速度，達(dá)到增匯的目的。

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