大興安嶺過(guò)火區(qū)不同森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的變化1)

屈紅軍 孫曉新

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫(kù)，在調(diào)節(jié)氣候變化、減緩溫室效應(yīng)方面具有不可替代的作用[1-2]。全球森林占陸地表面的31%[3]，森林生態(tài)系統(tǒng)在植被層、凋落物層、土壤層儲(chǔ)存著大量的碳，生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量達(dá)638 Gt，其中，森林植被碳庫(kù)約占全球植被碳庫(kù)的80%，森林土壤碳庫(kù)約占全球土壤碳庫(kù)的40%[4]。北半球中、高緯度地區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)，由于其巨大的土壤碳庫(kù)，在全球碳平衡中發(fā)揮著重要作用[5]。森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量是一個(gè)不斷積累的過(guò)程，同時(shí)也受到很多自然因素和人為因素的干擾[6-7]。而火干擾在森林生態(tài)系統(tǒng)諸多干擾因素中是最重要的一個(gè)，尤其是在高緯度地區(qū)。近年來(lái)，在許多國(guó)家開(kāi)展了關(guān)于森林火干擾與森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量和碳吸收關(guān)系的研究，例如在美國(guó)對(duì)于溫帶松林[8]、俄羅斯對(duì)于北方落葉松林[9]、加拿大的北方黑云杉林等[10]都做過(guò)深入的調(diào)查。火干擾是通過(guò)燃燒生物量，減少植被蓋度和生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量，而火燒后森林生態(tài)系統(tǒng)通過(guò)植被生長(zhǎng)和有機(jī)質(zhì)在土壤內(nèi)的沉積，不斷增加生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量[8]。

大興安嶺是我國(guó)分布最北而且面積最大的林區(qū)，也是我國(guó)僅有的原始林區(qū)之一，不僅是我國(guó)重要的木材生產(chǎn)基地，而且對(duì)區(qū)域氣候水文條件也有重要的影響。大興安嶺林區(qū)為森林火災(zāi)發(fā)生的高頻區(qū)域，不同火干擾強(qiáng)度、大小和頻次等因素相互作用，影響森林生態(tài)系統(tǒng)的變化[11]。大興安嶺嚴(yán)重的森林火災(zāi)對(duì)森林資源的更新恢復(fù)以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響一直倍受關(guān)注[12]。1987年該區(qū)發(fā)生的一場(chǎng)特大森林火災(zāi)，過(guò)火面積達(dá)133萬(wàn)hm2，這次森林大火不但改變了局部區(qū)域物種的組成，更導(dǎo)致了景觀尺度上森林結(jié)構(gòu)、功能及動(dòng)態(tài)的變化?；馂?zāi)后，大興安嶺的森林覆蓋率從76%下降到61.5%[13]。為了加快恢復(fù)森林資源，維護(hù)自然生態(tài)平衡，在過(guò)火區(qū)主要采取了依靠天然更新和人工造林的辦法進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復(fù)。目前有部分學(xué)者對(duì)大興安嶺林區(qū)進(jìn)行了火干擾與森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能關(guān)系的研究[13-15]，但是關(guān)于火燒后不同恢復(fù)方式對(duì)森林碳儲(chǔ)量影響的研究較少。因此，本研究通過(guò)對(duì)1987年過(guò)火區(qū)6種不同森林生態(tài)系統(tǒng)在火干擾27 a后的植被碳儲(chǔ)量的分析，進(jìn)一步定量評(píng)估森林生態(tài)系統(tǒng)以不同恢復(fù)方式的生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲(chǔ)量的差異，以期為森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的估算及火燒跡地森林恢復(fù)方式的選擇提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于大興安嶺北麓的圖強(qiáng)林業(yè)局，東臨阿木爾林業(yè)局，南靠?jī)?nèi)蒙古滿(mǎn)歸林業(yè)局，西接西林吉林業(yè)局，北隔黑龍江與俄羅斯相望。該區(qū)屬于寒溫帶大陸季風(fēng)性氣候，主要特點(diǎn)是冬季漫長(zhǎng)寒冷干燥，夏季溫潤(rùn)而短暫，春、秋兩季氣候多變，年平均氣溫-3.9 ℃，夏季極端高溫可達(dá)35.2 ℃，冬季極端低溫可達(dá)-52.3 ℃，無(wú)霜期80～90 d。年降水量400 mm，主要集中在夏季。該區(qū)主要植被類(lèi)型包括：興安落葉松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestris)、白樺(Betulaplatyphylla)等。該區(qū)土壤主要為棕色針葉林土，土層一般較薄，表層土腐殖質(zhì)含量較高，全量養(yǎng)分和有效養(yǎng)分較高。

2 研究方法

本研究選擇重度火燒跡地(燒死木蓄積占林分總蓄積的60%以上[13])，按照不同森林群落類(lèi)型，主要有白樺次生林(溝谷和坡中)、樟子松林(次生林和人工林)、興安落葉松林(次生林和人工林)共6個(gè)類(lèi)型(見(jiàn)表1)。

喬木層生物量測(cè)定：分別在每個(gè)森林類(lèi)型內(nèi)設(shè)置3個(gè)調(diào)查樣方，樣方大小為20 m×20 m，共設(shè)置樣方18個(gè)。在設(shè)定的樣方內(nèi)，通過(guò)對(duì)胸徑大于或等于2 cm的樹(shù)木進(jìn)行每木檢尺，然后用已有模型計(jì)算喬木生物量[16-19]。

表1 樣地的基本特征

灌木層和草本層生物量測(cè)定：采用收獲法調(diào)查生物量，在每個(gè)樣方(20 m×20 m)內(nèi)選取3個(gè)灌木樣方(5 m×5 m)和3個(gè)草本樣方(1 m×1 m)。收獲每個(gè)樣方內(nèi)全部灌木和草本，稱(chēng)量其鮮質(zhì)量，并在每個(gè)樣方內(nèi)取灌木1 000 g和草本100 g樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，用烘箱烘干至恒質(zhì)量，計(jì)算含水率。根據(jù)鮮質(zhì)量和含水率計(jì)算灌木和草本植物的生物量。

凋落物層生物量測(cè)定：在每個(gè)樣方內(nèi)(20 m×20 m)隨機(jī)選取3處地點(diǎn)，收集面積20 cm×20 cm地表凋落物，并帶回實(shí)驗(yàn)室，60 ℃烘干至恒質(zhì)量，得到凋落物儲(chǔ)量。將凋落物磨碎以便分析有機(jī)碳含量。

碳儲(chǔ)量計(jì)算：植被生物量向碳儲(chǔ)量轉(zhuǎn)換，乘以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.5[20-21]；凋落物碳儲(chǔ)量為凋落物儲(chǔ)量與碳含量之積；總碳儲(chǔ)量為植被生物量碳儲(chǔ)量與凋落物碳儲(chǔ)量之和。

植被生物量、碳儲(chǔ)量均為3次重復(fù)的平均值；不同林型喬木、灌木、草本、凋落物碳儲(chǔ)量，以及不同生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的差異采用SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件(SPSS,Inc.version 18.0)中的一元方差分析檢驗(yàn)方法進(jìn)行檢驗(yàn)，當(dāng)P<0.05時(shí)差異顯著。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同森林植被類(lèi)型生物量

由表2可知，各林型植被生物量包括喬木層生物量、灌木層生物量、草本層生物量和凋落物層生物量。各林型單位面積植被生物量總體上由大到小的排列順序?yàn)椋号d安落葉松人工林、樟子松次生林、興安落葉松次生林、樟子松人工林、白樺次生林(溝谷)、白樺次生林(坡中)，單位面積植被生物量分別為108.81、91.17、76.50、59.89、54.95和46.15 t/hm2；單位面積植被生物量排列順序與喬木層生物量的排列順序不同，興安落葉松人工林不論植被生物量還是喬木生物量都是最大的；而白樺次生林不論植被生物量還是喬木生物量都較小，其中植被生物量最小的是白樺次生林(坡中)，僅為46.15 t/hm2。在被調(diào)查的火燒后恢復(fù)的林型中，喬木和凋落物的占比明顯大于灌木和草本，說(shuō)明喬木和凋落物是森林生物量的主要貢獻(xiàn)者。

表2 6種林型不同組分生物量 t·hm-2

3.2 不同森林植被類(lèi)型碳儲(chǔ)量

各林型植被碳儲(chǔ)量包括喬木層碳儲(chǔ)量、灌木層碳儲(chǔ)量、草本層碳儲(chǔ)量和凋落物層碳儲(chǔ)量。由表3可知，各林型單位面積植被碳儲(chǔ)量由大到小的排列順序?yàn)椋号d安落葉松人工林、樟子松次生林、興安落葉松次生林、樟子松人工林、白樺次生林(溝谷)、白樺次生林(坡中)，單位面積植被碳儲(chǔ)量分別為54.06、38.33、37.97、29.21、27.75和23.17 t/hm2；興安落葉松人工林植被碳儲(chǔ)量與其他林型均有顯著性差異(P<0.05)，而其余各林型之間無(wú)顯著性差異。從各組分來(lái)看，灌木和草本層對(duì)生物量的貢獻(xiàn)量較小，最小的樟子松次生林的草本，僅為其碳儲(chǔ)量的0.18%。

喬木和凋落物是森林碳儲(chǔ)量的主要貢獻(xiàn)者，并且可以明確植被碳儲(chǔ)量與植被生物量呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，說(shuō)明生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的碳儲(chǔ)量分布與森林生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物量分布息息相關(guān)。

表3 6種林型不同組分的森林植被碳儲(chǔ)量 t·hm-2

3.3 植被碳儲(chǔ)量恢復(fù)效果

通過(guò)將本研究得到的調(diào)查結(jié)果與本研究區(qū)相同森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的成熟林的結(jié)果[22]進(jìn)行比較，得到不同林型植被碳儲(chǔ)量恢復(fù)效果(見(jiàn)表4)。

表4 不同林型植被碳儲(chǔ)量恢復(fù)效果 %

由表4可知，恢復(fù)最好的興安落葉松人工林，植被碳儲(chǔ)量約達(dá)到未干擾成熟林的50%；最差的樟子松人工林，恢復(fù)不到同林型成熟林的25%。各林型植被碳儲(chǔ)量恢復(fù)度從大到小的順序依次為：興安落葉松人工林、白樺次生林(溝谷)、白樺次生林(坡中)、興安落葉松次生林、樟子松次生林、樟子松人工林，分別恢復(fù)到同林型成熟林分的49.45%、43.12%、36.00%、34.73%、32.75%和24.95%。各組分恢復(fù)情況差別也很大，喬木層恢復(fù)最好的為興安落葉松人工林，灌木層恢復(fù)最好為興安落葉松天然林，草本層最好為白樺次生林(溝谷)，凋落物層為樟子松次生林。凋落物層恢復(fù)度最高的是樟子松次生林，高達(dá)約317.90%，恢復(fù)度最差的為樟子松次生林中的草本層，僅為4.57%。

4 討論

在本研究的6種森林生態(tài)系統(tǒng)中，樟子松次生林、落葉松次生林和落葉松人工林接近或高于我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳儲(chǔ)量(38.40～49.45 t/hm2)[23-25]，樟子松次生林和白樺次生林明顯低于我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳儲(chǔ)量，說(shuō)明不同樹(shù)種和不同恢復(fù)方式都會(huì)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲(chǔ)量的恢復(fù)產(chǎn)生較大影響。興安落葉松人工恢復(fù)比天然恢復(fù)更加促進(jìn)火燒跡地的植被碳儲(chǔ)量恢復(fù)，兩種恢復(fù)方式生物碳儲(chǔ)量差異顯著(P<0.05)，與鄒夢(mèng)玲[26]研究結(jié)果一致；樟子松林人工更新和天然更新更的植被碳儲(chǔ)量并無(wú)顯著性的差異(P>0.05)，由于所調(diào)查的樟子松人工林經(jīng)營(yíng)不佳或因經(jīng)營(yíng)時(shí)間較短，導(dǎo)致人工更新作用不顯著，辛穎等[27]對(duì)阿木爾林業(yè)局火燒跡地樟子松人工林研究結(jié)果非常接近。

6種森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中，兩種白樺次生林的植被碳儲(chǔ)量要低于落葉松和樟子松的次生林或人工林碳儲(chǔ)量。雖然白樺為先鋒樹(shù)種，在火燒干擾后會(huì)優(yōu)先恢復(fù)，但其碳儲(chǔ)量不比落葉松林和樟子松林高。一方面，由于白樺類(lèi)先鋒物種的恢復(fù)只在受干擾的早期(如火燒后幾年)占優(yōu)勢(shì)，而隨著恢復(fù)時(shí)間的增加，針葉樹(shù)生長(zhǎng)逐漸加快，所以在恢復(fù)27 a后，白樺樹(shù)種的早期生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)不再明顯，與Dzwonko et al.[28]對(duì)歐洲中部重度火燒區(qū)植被更新的研究結(jié)果相似。另一方面，白樺為耐水濕樹(shù)種，次生白樺林往往分布在平坦而積水較重的溝谷，即使生長(zhǎng)在坡中，也往往分布在坡度有起伏而排水不暢的斑塊中，積水導(dǎo)致土壤中氧和溫度都降低，從而限制了樹(shù)木的生長(zhǎng)，與加拿大北方黑云杉林在火燒后的植被恢復(fù)研究結(jié)果一致[10]。因此，白樺次生林的碳儲(chǔ)量低于落葉松林和樟子松林。

不同林型植被碳儲(chǔ)量恢復(fù)效果最好的為興安落葉松人工林，植被碳儲(chǔ)量達(dá)到未干擾成熟林的一半，最差的樟子松人工林，恢復(fù)不到同林型成熟林的四分之一；兩種白樺次生林的植被碳儲(chǔ)量明顯低于兩種樟子松林和兩種落葉松林，但高于樟子松次生林和人工林的恢復(fù)效果。這主要是由于樹(shù)木本身的生活史特征決定的，白樺的壽命僅為樟子松和落葉松的一半[29]，因此相同的恢復(fù)時(shí)間(27 a)，白樺比樟子松和落葉松更接近于中齡林或成熟林。同時(shí)，在大興安嶺的成熟林中，白樺成熟林的植被碳儲(chǔ)量遠(yuǎn)低于樟子松和落葉松成熟林的植被碳儲(chǔ)量[22]。因此，經(jīng)過(guò)相同的恢復(fù)時(shí)間，盡管白樺次生林的植被碳儲(chǔ)量的絕對(duì)值低于樟子松林和落葉松林，但是其恢復(fù)效果卻高于樟子松次生林和人工林，也高于落葉松次生林，僅低于落葉松人工林。

6種恢復(fù)森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型中，火干擾后，經(jīng)過(guò)27 a人工恢復(fù)，興安落葉松林植被碳儲(chǔ)量為54.06 t/hm2，接近于鄒夢(mèng)玲[26]研究的人工更新恢復(fù)23 a的興安落葉松人工林森林植被碳儲(chǔ)量(57.712 92 t/hm2)，但高于我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)平均碳儲(chǔ)量[23-25]。由此可見(jiàn)，雖然所調(diào)查的森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型只恢復(fù)了27 a，但選擇恰當(dāng)?shù)臉?shù)種，并輔以人工恢復(fù)方法，森林生態(tài)系統(tǒng)的植被碳儲(chǔ)量可以達(dá)到相對(duì)較高水平。科學(xué)合理地進(jìn)行森林經(jīng)營(yíng)，可以使重度火燒跡地恢復(fù)的森林發(fā)揮更大的碳匯功能和生態(tài)效應(yīng)。

5 結(jié)論

不同森林生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)型的植被碳儲(chǔ)量存在差異，相同森林群落類(lèi)型中不同組分的植被碳儲(chǔ)量差異也較大，其中喬木層和凋落物層是森林植被碳儲(chǔ)量的主要貢獻(xiàn)者。雖然所調(diào)查的森林生態(tài)系統(tǒng)只恢復(fù)了27 a，但森林生態(tài)系統(tǒng)的植被碳儲(chǔ)量卻相對(duì)較高，說(shuō)明植被碳儲(chǔ)量恢復(fù)較好。

不同森林群落類(lèi)型中，恢復(fù)最好的興安落葉松人工林，最差的為樟子松人工林；興安落葉松林經(jīng)過(guò)27 a的恢復(fù)，人工更新方式的林分植被碳儲(chǔ)量更高，人工更新方式比天然更新方式對(duì)林分生長(zhǎng)的作用顯著。因此，人工恢復(fù)興安落葉松林可作為大興安嶺火燒跡地恢復(fù)的推薦恢復(fù)方式。此外，在火干擾后的27 a間，各森林群落類(lèi)型不同組分的碳儲(chǔ)量恢復(fù)情況差別也很大，其中灌木層和凋落物層的恢復(fù)效果明顯高于喬木層和草本層，說(shuō)明灌木層和凋落物層在森林碳儲(chǔ)量恢復(fù)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。