青海祁連圓柏林喬木層碳密度空間分異特征

強(qiáng)浪浪,陳志林,黨坤良,侯曉巍,李智華

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 國家林業(yè)和草原局 西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710048)

森林植被在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中占有重要地位[1-2]，大氣中90%的CO2與陸地森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行交換[3]，森林植物通過光合作用進(jìn)行CO2固定，降低大氣CO2濃度，延緩全球氣候變化進(jìn)程[4]。2015年通過的《巴黎協(xié)定》和歷年的聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)報(bào)告肯定了森林植被在減少碳排放及增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳匯中的作用，指出增加森林面積和蓄積是增匯的有效措施[5-6]。隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的加快，碳排放量逐漸增加，減排固碳成為我國綠色環(huán)保發(fā)展所面臨的首要問題[7]。

青海地處三江源頭，生態(tài)地位十分重要。經(jīng)評(píng)估，三江源區(qū)生態(tài)價(jià)值總現(xiàn)價(jià)達(dá)11.55萬億元，其中固碳釋氧的年產(chǎn)出價(jià)值為1 266億元[8]。準(zhǔn)確估算森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量，不僅可以促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，而且對(duì)我國實(shí)施綠色發(fā)展具有重要的實(shí)際意義[9]。祁連圓柏林是青海三江源頭的主要森林類型之一，其在森林固碳、增加青海陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，但目前對(duì)青海祁連圓柏林的研究多集中于育種與病蟲害防治[10-11]方面，對(duì)其碳密度的研究尚少。為此，本研究對(duì)青海祁連圓柏林進(jìn)行了較大空間尺度的野外調(diào)查、采樣和分析，估算其喬木層碳密度及空間分異特征，闡明其空間差異及隨立地因子的變化規(guī)律，以期為我國森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度的研究提供數(shù)據(jù)支撐，也為青海省祁連圓柏碳儲(chǔ)量的科學(xué)管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究區(qū)域選設(shè)在祁連圓柏分布較為廣泛的青海省海北洲祁連縣、黃南洲澤庫縣、海西州德令哈市、海西州都蘭縣、海西州烏蘭縣和海南州興?？h。研究區(qū)域地理坐標(biāo)為東經(jīng) 95°34′～102°08′，北緯 34°48′～39°10′；海拔2 915～3 870 m。主要成林樹種有祁連圓柏(Juniperusprzewalskii)、青海云杉(Piceacrassifolia)、白樺(Betulaplatyphylla)、紅樺(Betulaalbosinensis)、青楊(Populuscathayana)、小葉楊(Populussimonii)、紫果云杉(Piceapurpurea)、旱柳(Salixmatsudana)、新疆楊(Populusalba)和山楊(Populusdavidiana)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查 按照不同立地條件(海拔、坡向、坡度、坡位)設(shè)置96個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地，面積為20 m×20 m。其中德令哈柏樹園(DLH)6個(gè)、都蘭熱水鄉(xiāng)(DL)17個(gè)、祁連八寶鎮(zhèn)(QL)8個(gè)、烏蘭哈里哈圖國家森林公園(WL)12個(gè)、興海中鐵林場(XH)24個(gè)、澤庫麥秀林場(ZK)29個(gè)。利用GPS確定樣地位置，用海拔儀、羅盤儀測定各樣地的海拔、坡度、坡位和坡向等立地因子，并對(duì)樣地進(jìn)行每木檢尺，測定林木胸徑、樹高、林分密度和林分郁閉度等因子。不同研究區(qū)域的基本概況見表1和表2。

表1 6個(gè)研究區(qū)域的自然條件概況Table 1 Natural conditions of 6 study sites

表2 6個(gè)研究區(qū)域的土壤類型和林分狀況Table 2 Soil type and forest condition of 6 study sites

1.2.2 立地因子劃分 根據(jù)調(diào)查區(qū)域的地形條件，參考《西北主要樹種培育技術(shù)》[12]中的方法劃分立地條件等級(jí)。其中海拔劃分為5個(gè)等級(jí)：>2 900～≤3 100 m (Z11)、>3 100～≤3 300 m (Z12)、>3 300～≤3 500 m (Z13)、>3 500～≤3 700 m (Z14)、>3 700～≤3 900 m (Z15)；坡向劃分為2個(gè)等級(jí)：陽坡(正南、西南、東南和正西，Z21)、陰坡(正北、東北、西北和正東，Z22)；坡度劃分為4個(gè)等級(jí)：緩坡(>5°～≤15°，Z31)、斜坡(>15°～≤25°，Z32)、陡坡(>25°～≤35°，Z33)、急坡(>35°～≤45°，Z34)；坡位劃分為3個(gè)等級(jí)：上坡位(Z41)、中坡位(Z42)、下坡位(Z43)。

1.2.3 碳密度的計(jì)算 (1)生物量估算。通過標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查和每木檢尺數(shù)據(jù)，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)確定1～3株標(biāo)準(zhǔn)木，伐倒，挖出根系，稱量樹枝、樹葉、樹干和樹根的鮮質(zhì)量。采集各器官樣品200～500 g帶回實(shí)驗(yàn)室，在鼓風(fēng)干燥箱中于85 ℃烘干至恒質(zhì)量，計(jì)算含水率，進(jìn)而估算標(biāo)準(zhǔn)木各器官生物量和總生物量，標(biāo)準(zhǔn)木各器官生物量和總生物量與樣地林木株數(shù)之積即為樣地祁連圓柏林各器官和林木生物量。

(2)碳密度的估算。取烘干樣品粉碎過孔徑75 μm(200目)篩網(wǎng)，用高頻硫碳分析儀測定樣品含碳率，計(jì)算各器官碳密度。公式如下：

式中：ρc為所求器官的碳密度，t/hm2；Wi為該器官的總生物量，t；Si為樣地面積，hm2；cwi為該器官的含碳率。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

用SPSS 23.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用t檢驗(yàn)闡明不同區(qū)域和立地條件的祁連圓柏林喬木層碳密度差異特征。通過多元回歸分析，揭示影響祁連圓柏林喬木層碳密度的主導(dǎo)立地因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同區(qū)域青海祁連圓柏林的碳密度

由表3可知，青海祁連圓柏林不同區(qū)域的喬木層碳密度存在明顯差異，其中興海中鐵林場的喬木層碳密度最大為134.88 t/hm2，祁連八寶鎮(zhèn)最小僅為52.39 t/hm2。

表3顯示，6個(gè)區(qū)域的祁連圓柏林喬木層碳密度由大到小依次為：興海中鐵林場>都蘭熱水鄉(xiāng)>烏蘭哈里哈圖國家森林公園>德令哈柏樹園>澤庫麥秀林場>祁連八寶鎮(zhèn)。統(tǒng)計(jì)分析表明：興海中鐵林場與其他區(qū)域均存在極顯著差異(P<0.01)，都蘭熱水鄉(xiāng)與澤庫麥秀林場之間存在極顯著差異(P<0.01)，與祁連八寶鎮(zhèn)存在顯著差異(P<0.05)。

表3 不同分布區(qū)域青海祁連圓柏林分的碳密度Table 3 Carbon density of Juniperus przewalskii forest in different distribution regions in Qinghai

2.2 青海祁連圓柏各器官碳密度

2.2.1 各器官碳密度總特征 由表4可知，青海祁連圓柏林喬木層碳密度均值為81.72 t/hm2，變異系數(shù)為0.58。各器官碳密度占比大小依次為樹干>樹枝>樹根>樹葉，且各器官碳密度變異系數(shù)為0.46～0.64，表明青海祁連圓柏林喬木層各器官間碳密度變異較大。

表4 青海祁連圓柏不同器官的碳密度Table 4 Carbon density of different organs of Juniperus przewalskii forest in Qinghai

2.2.2 不同區(qū)域祁連圓柏各器官碳密度的比較 表5顯示，6個(gè)不同區(qū)域祁連圓柏各器官碳密度占比存在明顯差異。樹干和樹枝的碳密度占比均以都蘭熱水鄉(xiāng)最小，分別為31.57%和27.28%;澤庫麥秀林場樹干碳密度占比(41.89%)最大，興海中鐵林場樹枝碳密度占比(29.65%)最大；樹葉和樹根的碳密度占比均以都蘭熱水鄉(xiāng)最大，分別為7.31%和33.84%；而興海中鐵林場樹葉碳密度占比(4.98%)最小，澤庫麥秀林場樹根碳密度占比(24.02%)最小。

由表5可知，興海中鐵林場的樹干和樹枝碳密度均顯著高于其他區(qū)域(P<0.05)，樹葉和樹根碳密度均顯著高于除都蘭熱水鄉(xiāng)外的其他4個(gè)區(qū)域(P<0.05)；都蘭縣熱水鄉(xiāng)樹葉和樹根碳密度與祁連八寶鎮(zhèn)、澤庫麥秀林場差異顯著(P<0.05)；澤庫麥秀林場樹根碳密度與德令哈柏樹園、烏蘭哈里哈圖國家森林公園均存在顯著差異(P<0.05)。

表5 不同區(qū)域青海祁連圓柏各器官的碳密度及占比Table 5 Ratio and carbon density of each organ in different regions of Juniperus przewalskii forest in Qinghai

2.3 立地因子對(duì)青海祁連圓柏林碳密度的影響

2.3.1 海 拔 圖1表明，祁連圓柏林喬木層碳密度隨海拔升高呈先升高后降低的趨勢。其中以海拔>3 500～≤3 700 m(Z14)區(qū)域最高，為109.76 t/hm2；海拔>2 900～≤3 100 m(Z11)區(qū)域最低，為44.37 t/hm2。由表6可知，海拔>2 900～≤3 100 m、>3 100～≤3 300 m(Z12)區(qū)域祁連圓柏的地上、地下部碳密度和總碳密度分別與海拔>3 500～≤3 700 m、>3 700～≤3 900 m(Z15)區(qū)域祁連圓柏存在極顯著差異(P<0.01)；海拔>3 300～≤3 500 m(Z13)祁連圓柏的地上、地下部碳密度和總碳密度與海拔>3 500～≤3 700 m區(qū)域祁連圓柏有極顯著差異(P<0.01)，并且與>3 700～≤3 900 m區(qū)域祁連圓柏除地上部碳密度外均呈極顯著差異(P<0.01)；海拔>2 900～≤3 100 m區(qū)域祁連圓柏地下部碳密度與海拔>3 300～≤3 500 m區(qū)域的祁連圓柏存在顯著差異(P<0.05)。

圖1 青海祁連圓柏林喬木層碳密度與海拔的關(guān)系Fig.1 Relationship between arbor layer carbon density of Juniperus przewalskii forest and elevation in Qinghai

表6 海拔對(duì)青海祁連圓柏林各部位碳密度的影響Table 6 Effect of elevation on carbon density in different plant parts of Juniperus przewalskii forest in Qinghai

2.3.2 坡 向 表7表明，祁連圓柏林喬木層碳密度以陽坡(Z21)(86.55 t/hm2)顯著高于陰坡(Z22)(68.74 t/hm2)(P<0.05)，且其地上部碳密度間存在極顯著差異(P<0.01)。

表7 坡向?qū)η嗪Ｆ钸B圓柏林各部位碳密度的影響Table 7 Effect of slope aspect on carbon density in different plant parts of Juniperus przewalskii forest in Qinghai

2.3.3 坡 度 青海祁連圓柏林喬木層碳密度與坡度的關(guān)系見圖2。圖2顯示，祁連圓柏林喬木層碳密度隨坡度增大呈先增后減的趨勢，在坡度為>15°～≤25°(Z32)區(qū)域最大，為108.36 t/hm2。表8表明，坡度>35°～≤45°(Z34)區(qū)域祁連圓柏與坡度>5°～≤15°(Z31)區(qū)域相比，其地下部碳密度差異顯著(P<0.05);與>15°～≤25°區(qū)域相比,總碳密度和地上部、地下部碳密度均有顯著差異(P<0.05);與>25°～≤35°(Z33)區(qū)域的祁連圓柏相比,總碳密度差異顯著(P<0.05)，地下部碳密度差異極顯著(P<0.01)。

圖2 青海祁連圓柏林喬木層碳密度與坡度的關(guān)系Fig.2 Relationship between arbor layer carbon density of Juniperus przewalskii forest and slope in Qinghai

表8 坡度對(duì)青海祁連圓柏林各部位碳密度的影響Table 8 Effect of slope on carbon density in different plant parts of Juniperus przewalskii forest in Qinghai

2.3.4 坡 位 坡位對(duì)青海祁連圓柏林各部位碳密度的影響見表9。

表9 坡位對(duì)青海祁連圓柏林各部位碳密度的影響Table 9 Effect of slope position on carbon density in different plant parts of Juniperus przewalskii forest in Qinghai

由表9可知，祁連圓柏林喬木層碳密度在不同坡位的大小依次為下坡位(Z43)(98.80 t/hm2)>中坡位(Z42)(75.72 t/hm2)>上坡位(Z41)(54.92 t/hm2)。t檢驗(yàn)顯示，上坡位與中坡位地下部碳密度有顯著差異(P<0.05)，上坡位與下坡位的總碳密度和地上、地下部碳密度均有極顯著差異(P<0.01)；中坡位與下坡位的總碳密度和地上、地下部碳密度均有顯著差異(P<0.05)。

2.4 青海祁連圓柏林碳密度與立地因子的關(guān)系

表10表明，青海祁連圓柏的樹干、樹枝、樹葉、樹根碳密度和總碳密度與各立地因子均呈極顯著相關(guān)(P<0.01)，其復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.668，0.678，0.632，0.688和0.673。其中樹根的復(fù)相關(guān)系數(shù)最大，樹葉最小，說明樹根碳密度受立地因子的綜合影響最大，樹葉受到的影響最小。偏相關(guān)分析結(jié)果表明，海拔、坡位與各器官碳密度和總碳密度均呈極顯著正相關(guān)性(P<0.01)；分布區(qū)域與樹根碳密度、坡向與樹干碳密度之間均存在顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.05)；坡度與總碳密度、樹干碳密度和樹枝碳密度存在顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.05)，與樹葉和樹根碳密度存在極顯著負(fù)相關(guān)性(P<0.01)。從偏相關(guān)系數(shù)大小可以得出，海拔對(duì)祁連圓柏林喬木層碳密度影響最大，分布區(qū)域的影響最小。

3 討 論

3.1 不同分布區(qū)祁連圓柏林碳密度的差異

由于各研究區(qū)域的水熱條件存在一定差異，而祁連圓柏生長與溫度、降水密切相關(guān)[13]。興海中鐵林場的降雨量為240～600 mm、年均溫為0.8～5.9 ℃，綜合降雨量和年均溫來看，其處于6個(gè)研究區(qū)域的較優(yōu)水平，因此該區(qū)域的祁連圓柏林喬木層碳密度最高。

本研究表明，青海祁連圓柏林喬木層碳密度均值為81.72 t/hm2，小于劉建泉等[14]報(bào)道的祁連山祁連圓柏林平均碳密度(111.50 t/hm2)和Dixon等[15]估算的世界森林植被平均碳密度(86 t/hm2)，但大于方精云等[16]估算的我國森林植被平均碳密度(41.0 t/hm2)、李?？萚17]估算的西北地區(qū)與青海省森林植被平均碳密度(50.49和45.28 t/hm2)。說明與青海全省及全國的森林植被碳密度平均值相比，青海祁連圓柏林的喬木層碳密度均值處于較高水平，但低于世界森林植被平均碳密度與祁連山地區(qū)祁連圓柏林的平均碳密度。祁連圓柏不同器官的碳密度分布不等，表現(xiàn)為樹干>樹枝>樹根>樹葉，與季波等[3]對(duì)賀蘭山青海云杉的研究結(jié)果相似，說明不同樹種與分布區(qū)域的林木各器官具有相似的固碳能力。樹葉碳密度最小，原因是樹葉參與植株代謝凋落過程，所固定的碳不能較長時(shí)間儲(chǔ)存所致。

在不同研究區(qū)域內(nèi)，祁連圓柏各器官碳密度在總碳密度中的占比受到所處生境的影響。都蘭熱水鄉(xiāng)的降水量為175～400 mm，小于興海中鐵林場(240～600 mm)與澤庫麥秀林場(277～530 mm)。在都蘭熱水鄉(xiāng)這樣相對(duì)干旱的環(huán)境中，祁連圓柏必須擴(kuò)大根系獲取水分滿足生長需求[18]，因此都蘭熱水鄉(xiāng)祁連圓柏樹根碳密度占比(33.84%)明顯大于興海中鐵林場(24.19%)和澤庫麥秀林場(24.02%)。

3.2 立地因子對(duì)祁連圓柏碳密度的影響

祁連圓柏林喬木層碳密度隨海拔的升高呈先升高后降低的趨勢，這與齊國翠[19]在祁連山哈溪林區(qū)的研究結(jié)果一致。水熱條件隨海拔變化而變化[20]，低海拔區(qū)域水熱條件較好，有利于植被生長，但人為活動(dòng)干擾嚴(yán)重，隨著海拔升高水熱條件逐漸變差，但人為干擾減弱[21-22]。同時(shí)，李斌[23]、王效科等[24]對(duì)森林植被碳密度的研究均認(rèn)為，人為干擾對(duì)森林植被碳密度的影響大于環(huán)境氣候因素。本研究表明，在海拔>3 500～≤3 700 m區(qū)域，水熱條件適中，人為干擾小，祁連圓柏生長最優(yōu)。

祁連圓柏是喜光樹種，陽坡的喬木層碳密度高于陰坡。與陰坡相比，陽坡日照時(shí)間長，熱量充足，有利于祁連圓柏生長和碳的積累。下坡位的喬木層碳密度大于中坡位，且極顯著大于上坡位(P<0.01)，與孫云霞等[25]對(duì)大興安嶺落葉松的研究結(jié)果一致。由于植物凋落物及土壤有機(jī)物質(zhì)隨重力、淋洗作用向下運(yùn)移[26]，導(dǎo)致上坡位土壤貧瘠，下坡位土壤肥厚，為祁連圓柏生長提供了充足養(yǎng)分。

本研究表明，祁連圓柏林喬木層碳密度隨坡度的增大呈先升高后降低的單峰曲線，與沈彪等[27]對(duì)秦嶺油松的研究結(jié)果一致。坡度越大越不利于水分下滲，降雨在坡面易形成地表徑流而導(dǎo)致土壤及養(yǎng)分流失[28]。因此坡度較大的坡面上土層較薄，土壤水肥條件較差，祁連圓柏生長因之較差。但本研究顯示，坡度>5°～≤15°區(qū)域祁連圓柏總碳密度小于坡度>15°～≤25°區(qū)域，原因可能是坡度小的平緩地帶人口密度大，人為活動(dòng)干擾強(qiáng)烈，使祁連圓柏林碳的積累減少。

3.3 祁連圓柏碳密度主導(dǎo)因子

相關(guān)性分析表明，海拔是影響祁連圓柏林喬木層碳密度的主導(dǎo)因子，其主要引起水熱條件的變化[29]，進(jìn)而影響祁連圓柏生長。各立地因子與祁連圓柏林喬木層總碳密度的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.673，說明還存在其他影響祁連圓柏碳積累的因素。

4 結(jié) 論

青海祁連圓柏林喬木層平均碳密度為81.72 t/hm2，在各分布區(qū)域間存在一定差異，其中興海中鐵林場最大(134.88 t/hm2)，祁連八寶鎮(zhèn)最小(52.39 t/hm2)。喬木層碳密度隨海拔升高先增后減，以海拔>3 500～≤3 700 m區(qū)域最大；陽坡的喬木層碳密度顯著高于陰坡(P<0.05)；喬木層碳密度隨坡度增大呈現(xiàn)先增后減的趨勢，在坡度>15°～≤25°達(dá)到最大；喬木層碳密度隨坡位下降而增大，下坡位與中、上坡位的差異顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)。海拔是影響青海祁連圓柏林喬木層碳密度的主導(dǎo)因子。