新疆天山山區(qū)喬木林碳密度變化特征及其影響因素

張繪芳, 張景路, 侯曉巍, 高亞琪, 朱雅麗, 鄭 哲

(1.新疆林業(yè)科學(xué)院 現(xiàn)代林業(yè)研究所, 新疆 烏魯木齊 830000; 2.國(guó)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)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分，其碳儲(chǔ)量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的2/3[1-2]，對(duì)維護(hù)全球碳平衡和應(yīng)對(duì)氣候變化方面有十分重要的作用[3-4]。碳密度是衡量森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的重要指標(biāo)[5]，研究其變化特征可以為準(zhǔn)確估算森林碳儲(chǔ)量及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)減緩氣候變化的碳管理有重要意義。近些年不少學(xué)者對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)量進(jìn)行了大量研究，李?？黐2]根據(jù)全國(guó)第七次森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)，運(yùn)用回歸模型估計(jì)法估算了全國(guó)森林植被喬木林的碳儲(chǔ)量；戴前石[3]、黃從德[4]、王璟睿[6]、楊加猛[7]、昭日格[8]、王開(kāi)德等[9]基于連清數(shù)據(jù)運(yùn)用生物量轉(zhuǎn)換因子法分別研究了湖南、四川、廣東、江蘇、內(nèi)蒙古、福建等地森林碳儲(chǔ)量變化，分析了不同林齡、森林類(lèi)型等的碳密度變化特征；范春楠[10]、關(guān)晉宏[11]、王建[12]利用樣地調(diào)查數(shù)據(jù)結(jié)合連清數(shù)據(jù)估算了吉林、甘肅、青藏高原區(qū)域森林植被的碳儲(chǔ)量、碳密度及固碳速率的變化?，F(xiàn)有關(guān)于碳儲(chǔ)量研究大都集中在林齡、起源和不同森林類(lèi)型方面碳密度的變化，但結(jié)合地形因子分析碳密度變化的研究較少，地形因素影響區(qū)域的溫度和濕度，了解不同海拔、坡度和坡向條件下碳密度的變化特征對(duì)森林科學(xué)管理具有參考價(jià)值；在碳儲(chǔ)量變化方面大都采用固碳速率來(lái)反映，但針對(duì)碳密度基數(shù)相差大的林地用這一指標(biāo)反映森林碳密度變化快慢可能導(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確，因此采用可以科學(xué)反映固碳變化快慢的參數(shù)對(duì)評(píng)定森林固碳潛力具有重要意義。

新疆天山天然林是該區(qū)森林資源的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著調(diào)節(jié)氣候、保護(hù)冰川和涵養(yǎng)水源的重要生態(tài)功能，對(duì)維護(hù)區(qū)域生態(tài)平衡有極其重要的生態(tài)意義[13]。有學(xué)者[13,16-26]對(duì)該區(qū)域森林空間分布、資源動(dòng)態(tài)變化、云杉生物量、含碳系數(shù)等方面進(jìn)行研究，但對(duì)新疆天山山區(qū)天然林資源的碳密度動(dòng)態(tài)變化的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。本文以新疆天山山區(qū)天然喬木林為研究對(duì)象，以2001—2016年的森林連續(xù)清查的喬木林樣地調(diào)查為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，運(yùn)用該區(qū)域樹(shù)種的生物量模型和對(duì)應(yīng)的含碳系數(shù)計(jì)算碳儲(chǔ)量及相關(guān)指標(biāo)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理分析其碳密度隨林齡、地形和時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化特征，為該區(qū)域森林碳潛力的評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)為森林經(jīng)營(yíng)管理和應(yīng)對(duì)氣候變化評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

天山是亞洲山系之一，橫貫新疆的中部，西端伸入哈薩克斯坦，在我國(guó)境內(nèi)東西長(zhǎng)達(dá)約1 300 km，寬度西端約250～300 km，東端最窄處僅百余公里[27]。天山山地氣候冷暖分明，屬溫帶大陸性氣候，年降水量自西到東，逐漸減少，天山北坡在400～600 mm，南坡在200～400 mm，由于水熱條件的差異也形成了不同的森林植被類(lèi)型的分布。新疆山區(qū)天然林是全疆森林資源的重點(diǎn)，但其分布是不均勻的，其中天山山區(qū)是天然喬木林資源的主要分布之一。天山山區(qū)天然林垂直分布于海拔1 500～2 800 m的中山帶，且多分布在陰坡或半陰坡[27]?，F(xiàn)有森林多呈片、塊狀分布或與草地交錯(cuò)分布，樹(shù)種單純，針葉林占絕大比重，主要樹(shù)種多為主干挺直的西伯利亞落葉松(Larixsibirica)、雪嶺云杉(Piceaschrenkiana)。天山山脈橫貫新疆東西，氣候條件差異明顯，植被分布也存在差異，山地森林喬木林主要分布在天山北坡，在天山南坡也有零星分布，但面積和蓄積比重極小，因此本文研究區(qū)域集中在天山北坡。根據(jù)自然地理?xiàng)l件和森林分布情況，本文將天山北坡山區(qū)可劃分為天山西部、天山中部和天山東部3個(gè)區(qū)域[26]進(jìn)行碳儲(chǔ)量研究，具體劃分為天山西部區(qū)域包括伊犁州、博樂(lè)市、精河縣的山區(qū)國(guó)有林場(chǎng)，天山中部區(qū)域自烏蘇向東、沙灣縣、瑪納斯縣、呼圖壁縣、烏魯木齊和昌吉地區(qū)的山區(qū)林場(chǎng)，天山東部區(qū)域包括哈密、巴里坤、伊吾縣的山區(qū)林場(chǎng)。

1.2 數(shù)據(jù)收集

喬木林樣地?cái)?shù)據(jù)來(lái)源新疆2001—2016年森林資源連續(xù)清查的4期調(diào)查數(shù)據(jù)，調(diào)查樣地設(shè)置是在研究區(qū)范圍內(nèi)以6 km×4 km網(wǎng)格交叉點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，在從中選出地類(lèi)為喬木林的樣地，其規(guī)格是0.08 hm2，調(diào)查因子包括樣地號(hào)、地理坐標(biāo)、樣地類(lèi)型、平均胸徑、郁閉度、平均年齡、齡組、海拔、坡度、坡向等；樣地樹(shù)木進(jìn)行每木檢尺，運(yùn)用專(zhuān)業(yè)工具測(cè)量樹(shù)木的胸徑和樹(shù)高并進(jìn)行編號(hào)。 ①林齡劃分依據(jù)森林資源2類(lèi)調(diào)查細(xì)則中齡級(jí)的劃分原則對(duì)樣地的平均林齡進(jìn)行各齡級(jí)劃分。 ②地形因子按照海拔劃分以每300 m為1級(jí)，共劃分為7級(jí)：小于1 200 m，1 200～1 500 m，1 500～1 800 m，1 800～2100 m，2 100～2 400 m，2 400～2 700 m，2 700～3 000 m； ③坡向劃分8個(gè)方向：北坡(337.5°～22.5°)、東北坡(22.5°～67.5°)、東坡(67.5°～112.5°)、東南坡(112.5°～157.5°)、南坡(157.5°～202.5°)、西南坡(202.5°～247.5°)、西坡(247.5°～292.5°)、西北坡(292.5°～337.5°)；坡度劃分為6個(gè)等級(jí)：平坡(<5°)、緩坡(5°～15°)、斜坡(15°～25°)、陡坡(25°～35°)、急坡(35°～45°)、險(xiǎn)坡(>45°)。

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/site/index.html)的中國(guó)地面氣候資料，收集了日最高氣溫、日最低氣溫、年降水量、太陽(yáng)輻射等數(shù)據(jù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與計(jì)算

(1) 喬木林的碳密度。碳密度指單位面積的碳儲(chǔ)量，各樹(shù)種的生物量模型采用張繪芳[19-20]、高亞琪等[21]所構(gòu)建的新疆天然林各樹(shù)種一元生物量模型(表1)計(jì)算樣地中所有樹(shù)木的生物量，乘以含碳系數(shù)(朱雅麗[22-23]研究該區(qū)域各樹(shù)種的含碳系數(shù))得出碳儲(chǔ)量，然后除以樣地面積計(jì)算出碳密度。其中針對(duì)分布很少的冷杉其碳儲(chǔ)量計(jì)算以云杉為參考。

表1 新疆山區(qū)喬木林各優(yōu)勢(shì)樹(shù)種生物量模型

(2) 喬木林的碳密度變化率。林地碳密度較高和較低的林地在單位時(shí)間和單位面積上都增加或減少相同碳儲(chǔ)量所反映該林地的固碳潛力是不同的，為了客觀反映森林固碳潛力本文運(yùn)用碳密度變化率指標(biāo)判定。

碳密度變化率是指某時(shí)間段植被單位面積碳儲(chǔ)量的變化量占原單位面積碳儲(chǔ)量的百分比，變化率越大表示碳密度變化的越快，反之亦然。計(jì)算公式為：

(1)

式中：a表示碳密度變化率；C1，C2表示兩個(gè)不同時(shí)期林分碳密度。

(3) 運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析碳密度和碳密度變化率。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)2001-2016年碳密度動(dòng)態(tài)變化

整體上天山山區(qū)喬木林碳密度在2001—2016年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，平均碳密度從2001年的66.72 t/hm2增長(zhǎng)到2016年的74.68 t/hm2，增長(zhǎng)了7.96 t/hm2，說(shuō)明自天然林資源保護(hù)工程實(shí)施以來(lái)天山山區(qū)森林碳匯能力不斷增強(qiáng)(圖1)，在不同調(diào)查期天山不同區(qū)域喬木林平均碳密度呈：天山西部>天山東部>天山中部，天山西部年降水量豐沛，前山帶有明顯的逆溫層，氣候溫暖濕潤(rùn)，土壤多為灰褐色森林土，厚度較厚，該區(qū)域的云杉是新疆的精華。

圖1 天山山區(qū)不同時(shí)期喬木林碳密度變化

由表2可以看出，喬木林碳密度變化率表現(xiàn)為：天山中部>天山東部>天山西部，說(shuō)明在喬木林碳密度變化快慢方面天山中部和東部增長(zhǎng)較快，天山西部則最慢。天山中部的碳密度變化率在2011—2016年明顯高于前兩個(gè)調(diào)查間隔期，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)該區(qū)域在2011—2016年年平均降水量280.37 mm，是前兩期的2倍多，該區(qū)域喬木林以云杉為主，張艷靜[31]研究表明云杉生長(zhǎng)與降水呈顯著正相關(guān)，因此碳密度變化率的變化可能是降水量變大所致。天山東部的碳密度變化率在2006—2011年調(diào)查間隔期明顯低于其他兩個(gè)調(diào)查間隔期，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)該調(diào)查間隔期的日平均溫度比其他調(diào)查期偏低4 ℃左右，天山東部喬木林以落葉松為主，羅磊[30]研究表明氣溫對(duì)落葉松碳密度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于降水，因此該調(diào)查期碳密度變化率偏低可能是由于溫度降低所致。天山西部喬木林碳密度變化率變化不明顯。

表2 不同調(diào)查期間天山山區(qū)喬木林碳密度變化率 %

2.2 喬木林碳密度的影響因素

2.2.1 碳密度變化影響因素相關(guān)性分析 由表3統(tǒng)計(jì)分析可以看出，喬木林碳密度與林齡顯著正相關(guān)、與坡度呈顯著負(fù)相關(guān)，與海拔、坡向相關(guān)性不顯著；碳密度變化率與林齡呈顯著負(fù)相關(guān)，與海拔、坡度和坡向地形因子相關(guān)性均不顯著。說(shuō)明林齡是影響天山山區(qū)喬木林碳密度變化的關(guān)鍵因素。

表3 不同因子與喬木林碳密度相關(guān)性分析

2.2.2 不同因素喬木林碳密度變化分析

(1) 不同林齡喬木林碳密度變化。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)計(jì)算不同林齡天山3個(gè)區(qū)域的喬木林平均碳密度及碳密度變化率(圖2)，天山西部山區(qū)喬木林在不同林齡的平均碳密度呈隨著林齡增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的趨勢(shì)，天山中部和東部山區(qū)喬木林平均碳密度從幼齡林到近熟林階段隨林齡增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，在近熟林至過(guò)熟林階段呈先降后升趨勢(shì)，碳密度在近熟林最高。天山山區(qū)3個(gè)區(qū)域喬木林碳密度變化率均表現(xiàn)為隨著林齡的增加呈遞減趨勢(shì)，在幼齡林至近熟林遞減幅度較大，近熟林至過(guò)熟林遞減平緩，這是由于林木在幼中齡林階段處于樹(shù)木的快速生長(zhǎng)期，碳儲(chǔ)量的積累較迅速，到近熟林后生長(zhǎng)速度慢慢減緩；天山東部碳密度變化率除幼齡林缺失外在中、近、成、過(guò)熟林階段均表現(xiàn)為較高，說(shuō)明天山東部喬木林生長(zhǎng)過(guò)程中碳密度增長(zhǎng)較天山西部和中部地區(qū)快，碳匯功能表現(xiàn)更強(qiáng)。

圖2 不同林齡喬木林平均碳密度和碳密度變化率的變化

(2) 不同地形因子喬木林碳密度的變化。由圖3所示，天山山區(qū)喬木林碳密度整體上在不同坡度呈先升后降趨勢(shì)，在緩坡、斜坡和陡坡上相對(duì)較高，急坡和險(xiǎn)坡急劇下降。天山西部表現(xiàn)為先升后降，在斜坡碳密度最高；天山中部在平坡、緩坡、斜坡和陡坡上碳密度變化比較平緩，急坡開(kāi)始下降，險(xiǎn)坡很低，只有1.54 t/hm2；天山東部從平坡至緩坡碳密度快速增長(zhǎng)達(dá)最高，在斜坡又明顯降低，斜坡至急坡變化平緩，險(xiǎn)坡又急劇下降。由圖4所示，天山山區(qū)喬木林碳密度隨海拔升高呈現(xiàn)不同趨勢(shì)，天山西部碳密度隨海拔升高呈先升后降趨勢(shì)，在2 100～2 400 m出現(xiàn)峰值，該區(qū)域在1 500 m以下主要分布楊樹(shù)、野蘋(píng)果、野山杏等闊葉林，碳密度較小，云杉林主要分布在1 500～2 800 m，長(zhǎng)勢(shì)較好，但在1 800～2 100 m碳密度偏低，主要原因是該海拔段樣地?cái)?shù)據(jù)幼中齡林占比較高；天山中部喬木林碳密度自1 500 m開(kāi)始隨海拔升高呈先升后降趨勢(shì)，在1 800～2 100 m達(dá)峰值，碳密度變化差異不大；天山東部喬木林碳密度自2 100 m開(kāi)始隨海拔升高而降低，在2 100～2 700 m降低幅度很小，到2 700 m以上碳密度明顯降低，3 000 m以上降至1.15 t/hm2。由圖5所示，在不同坡向上，喬木林碳密度較高天山西部和中部除了南坡碳密度最低外，其他坡向沒(méi)有明顯規(guī)律，天山東部樣地分布在北坡、西北坡和東北坡，碳密度均較高。

圖4 天山山區(qū)不同海拔喬木林碳密度變化

圖5 天山山區(qū)不同坡向喬木林碳密度變化

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

在林分尺度上天山山區(qū)喬木林碳密度與林齡呈顯著相關(guān)，天山西部則表現(xiàn)為隨林齡增加而不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，天山中部和東部地區(qū)均表現(xiàn)隨林齡增長(zhǎng)先升后降趨勢(shì)，在近熟林最高，碳密度的變化受氣溫、水分、太陽(yáng)輻射和土壤等多種因素影響，西部伊犁地區(qū)溫暖濕潤(rùn)，降水豐沛，中部和東部受荒漠氣候影響，寒冷干旱，降水較西部少，天山土壤養(yǎng)分含量由西向東呈遞減趨勢(shì)[26]，自然條件的差異導(dǎo)致樹(shù)木生長(zhǎng)情況，從而影響碳密度。天山山區(qū)喬木林碳密度與坡度呈顯著性相關(guān)，與沈彪[28]研究秦嶺中段南坡油松林碳密度結(jié)論一致；在不同坡度上研究區(qū)碳密度呈先升后降趨勢(shì)，天山西部和中部地區(qū)在斜坡碳密度最高，說(shuō)明該坡度最適宜云杉林生長(zhǎng)，天山東部在緩坡碳密度最高，該區(qū)喬木林以落葉松為主，新疆落葉松喜光性強(qiáng)，對(duì)土壤水份要求較高，因此在土層深厚、濕潤(rùn)、疏松的緩坡地帶生長(zhǎng)旺盛；丁程鋒[14]、張繪芳[27]分析天山中部和西部天然林分布主要分布在斜坡、陡坡和急坡上，但本文研究喬木林碳密度在急坡上急劇下降，說(shuō)明在急坡上雖然喬木林面積分布較廣，但由于坡度較大，降水的沖刷使得土層厚度較薄，土壤持水性差，沒(méi)有充足的營(yíng)養(yǎng)供給樹(shù)木生長(zhǎng)導(dǎo)致碳儲(chǔ)量降低。

本文運(yùn)用碳密度變化率來(lái)反映林木的固碳潛力，這一指標(biāo)可以消除基數(shù)大小對(duì)碳密度變化的影響，研究區(qū)碳密度變化率與林齡顯著相關(guān)，表現(xiàn)為隨著林齡增加而遞減，說(shuō)明幼、中齡喬木林是未來(lái)森林系統(tǒng)的固碳潛力所在，在不同調(diào)查期喬木林碳密度變化率表現(xiàn)為天山中部最高，主要因素是該區(qū)域幼中林齡占比較大，具有較大的碳匯發(fā)展空間。

3.2 結(jié) 論

(1) 本文闡明了天山西部、中部和東部3個(gè)區(qū)域的喬木林碳密度變化規(guī)律，并從林齡、立地因子方面分析了該區(qū)域喬木林碳密度在林分尺度上變化特征，為準(zhǔn)確估算新疆山區(qū)森林碳儲(chǔ)量及未來(lái)可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

(2) 自天保工程實(shí)施以來(lái)新疆天山山區(qū)喬木林碳密度在2001—2016年呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，不同區(qū)域呈現(xiàn)：天山西部>天山東部>天山中部；天山山區(qū)喬木林碳密度隨著林齡增長(zhǎng)天山西部呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，天山中部和東部呈先降后升趨勢(shì)，近熟林最高；在不同坡度上碳密度呈先升后降趨勢(shì)，天山西部和中部地區(qū)斜坡最高，天山東部緩坡最高，急坡和險(xiǎn)坡均急劇下降，在不同海拔上碳密度天山西部和中部隨海拔上升整體上呈先升后降趨勢(shì)，天山東部則隨海拔上升而遞減，在不同坡向上碳密度在南坡最低，其他坡向無(wú)明顯規(guī)律。喬木林碳密度變化率表現(xiàn)為隨著林齡增加而遞減，不同區(qū)域呈：天山中部>天山東部>天山西部。

(3) 林齡對(duì)天山山區(qū)喬木林碳密度和碳密度變化率的影響均呈顯著相關(guān)，因此在森林管理方面應(yīng)加強(qiáng)科學(xué)合理地進(jìn)行幼林撫育和更新恢復(fù)，優(yōu)化林齡結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高天山天然林資源的碳匯功能，挖掘更大碳潛力，促進(jìn)該區(qū)域森林資源健康可持續(xù)發(fā)展。