西藏楊樹人工林分布及碳密度模型研建

劉金山，張 蓓，劉寅學(xué)

(國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，長沙 410014)

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。森林生物量約占全球陸地植被生物量的90%，直接反映了植被的固碳能力[1-3]。森林生物量與植被碳儲量作為森林生態(tài)系統(tǒng)最基本的特征數(shù)據(jù)，是研究森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)，是森林中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)換的載體，是森林經(jīng)營和開發(fā)利用的價值體現(xiàn)[4-5]。西藏由于海拔高，空氣稀薄，大部分地區(qū)空氣含氧量只有內(nèi)地的50%～60%，因此，高原自然生態(tài)系統(tǒng)釋放氧氣的功能比低海拔地區(qū)更為重要。人工造林作為溫室氣體減排最經(jīng)濟(jì)、最有效的措施之一，在應(yīng)對氣候變化方面發(fā)揮了重要作用，其碳匯功能作為溫室氣體減排的重要途徑越來越受到人們的重視[6]。我國楊樹林總面積達(dá)1 010.26萬hm2，其中人工林面積757.23萬hm2，占全國人工喬木林總面積的18.9%[7]，發(fā)揮著保障農(nóng)區(qū)增產(chǎn)增收、改善農(nóng)田小氣候、防風(fēng)固沙等作用[8]。楊樹適宜栽植范圍較廣，是植樹造林應(yīng)對氣候變化的重要樹種，同時起到防風(fēng)固沙、保護(hù)和綠化環(huán)境的作用[9]。楊樹林占西藏人工林面積的45.34%，廣泛栽種于西藏尤其是雅魯藏布江流域，在西藏人工林生態(tài)系統(tǒng)中占有十分重要的地位，尤其作為防護(hù)林具有不可替代的優(yōu)勢，發(fā)揮了重要的碳匯和釋氧功能。通過研究楊樹林分布與碳密度，了解不同區(qū)域的楊樹發(fā)育階段及碳累積情況，掌握林分碳密度隨林齡變化的特點；通過建立碳密度模型，掌握不同因素對碳密度的影響，為各區(qū)域樹種、造林地選擇、森林經(jīng)營及固碳增匯評估提供參考依據(jù)。

1 楊樹分布與碳密度

林齡和齡組關(guān)系到林分的生長發(fā)育階段，對植被生長及碳儲存具有重要影響。楊樹不同齡組面積、碳儲量和碳密度見表1。就面積比例而言，87.1%的面積集中在幼齡林、中齡林和近熟林，分別占35.9%、34.3%和16.8%；占比最少的過熟林僅占3.3%。碳儲量集中分布于中齡林、近熟林和成熟林中。一方面歸因于中齡林、近熟林占了較大的面積比重，另一方面則是由于隨齡組增加碳密度相應(yīng)增加。中齡林、近熟林和成熟林面積占總面積的60.7%，碳儲量占總碳儲量的81.5%；碳儲量占比最少的幼齡林僅為35549 t，占6.7%。就碳密度而言，隨著齡組增加，碳密度呈線性增加趨勢，模型為：y=11.482x-10.568，R2=0.994 9，每增加1個齡組，碳密度約增加11.48 t/hm2。過熟林碳密度最大，達(dá)到了47.87 t/hm2；幼齡林碳密度最小，僅為2.51 t/hm2。

表1 楊樹不同齡組面積、碳儲量和碳密度齡組面積/hm2碳儲量/t碳密度/(t/hm2)幼齡林14 15835 5492.51中齡林13 522150 54311.13近熟林6 620149 89122.64成熟林3 788133 50335.24過熟林1 31262 79647.87合計39 401532 28113.51

不同區(qū)域楊樹分布與碳密度見表2。楊樹人工林主要分布在雅魯藏布江中游地區(qū)，該區(qū)域楊樹林分布面積、平均年齡、碳密度、碳匯均為全區(qū)最大。三江流域瀾滄江以西地區(qū)分布面積最小，種植時間最短，碳密度和碳匯也是全區(qū)最低的區(qū)域。

表2 不同區(qū)域楊樹分布與碳密度地區(qū)面積/hm2平均年齡/a碳密度/(t/hm2)雅魯藏布江中游地區(qū)31 45311.4517.33林芝地區(qū)2 7657.487.56三江流域瀾滄江以東地區(qū)1 1918.388.57三江流域瀾滄江以西地區(qū)9095.973.05

2 碳密度影響因素分析

區(qū)域、樹種、林齡對林分碳密度均有顯著影響，見表3?？梢钥闯觯瑮顦漕愄祭鄯e速率為雅魯藏布江中游地區(qū)>林芝地區(qū)>三江流域瀾滄江以東地區(qū)>三江流域瀾滄江以西地區(qū)。就楊樹的主要分布區(qū)雅魯藏布江中游地區(qū)來看，碳累積速率銀白楊>新疆楊>北京楊>藏川楊，銀白楊、新疆楊碳累積速度快。4個楊樹品種碳匯均隨經(jīng)度的增加而增加，可能與自西向東降水增加和海拔降低導(dǎo)致的溫度升高有關(guān)。經(jīng)度對銀白楊的影響程度最大，經(jīng)度每增加1°，碳匯增加0.404 8 t/(hm2·a)；經(jīng)度對新疆楊的影響程度最小，經(jīng)度每增加1°，碳匯增加0.186 4 t /(hm2·a)。緯度影響銀白楊、新疆楊、北京楊的碳密度，其中銀白楊受影響程度最大。藏川楊碳匯與距水域的距離、太陽總輻射呈負(fù)相關(guān)，北京楊碳匯與海拔呈負(fù)相關(guān)。

表3 林齡和環(huán)境因素對碳匯的影響幅度地區(qū)、樹種林齡環(huán)境因子雅魯藏布江中游地區(qū)藏川楊1.373 8經(jīng)度+0.275 7,距水域的距離-0.063 6、太陽總輻射-0.710 3銀白楊2.066 2經(jīng)度+0.404 8,緯度-2.278 2新疆楊1.893 9經(jīng)度+0.186 4,緯度-0.345 3北京楊1.467 2經(jīng)度+0.326 1,緯度-0.088 6、海拔-0.001 6

續(xù)表3 林齡和環(huán)境因素對碳匯的影響幅度地區(qū)、樹種林齡環(huán)境因子林芝地區(qū)0.924 0經(jīng)度+、海拔+,緯度-三江流域瀾滄江以東地區(qū)0.867 9緯度-0.853 8,經(jīng)度+0.758 0三江流域瀾滄江以西地區(qū)0.709 7 注: 影響幅度單位為t/(hm2·a) ,“+”代表正影響,“-”代表負(fù)影響

3 分區(qū)域分樹種碳密度模型

以林分碳密度為因變量，以環(huán)境因子和林分因子為自變量，建立了多元碳密度模型。區(qū)域劃分、因子選擇及建模方法參考楊樹碳密度研究方法[10]。

3.1 雅魯藏布江中游地區(qū)

1)藏川楊

①Ci=Ai·(0.863Loni-73.978)·(-0.074 822Dwi+1)·(-0.086 41Ri+1)；

R2=0.409，n=2 793

②Ci=Ai·(0.314Loni-26.981)·(-0.078 817Dwi+1)；R2=0.399，n=2 793

③Ci=Ai·(0.838Loni-71.835)·(-0.087 443Ri+1)；R2=0.403，n=2 793

式中，Ci為i小班的碳密度；Ai，Loni，Dwi和Ri分別為i小班的林齡、經(jīng)度、距離水域的距離(km)、太陽總輻射(1 000 MJ/(m2·a))；n為樣本數(shù)。下同。

3個模型精度相差不大，在應(yīng)用時優(yōu)先選擇林齡、經(jīng)度作為自變量，并根據(jù)距水域的距離、太陽總輻射量兩項指標(biāo)數(shù)據(jù)獲取的難易程度確定是否將其作為自變量因子。

2)銀白楊

Ci=Ai·(10.909Loni-961.667)·(1-0.032 079Lati)；R2=0.307，n=762

式中，Lati為i小班的緯度。下同。

3)新疆楊

①Ci=Ai·(0.587Loni-51.794)；R2=0.469，n=875

②Ci=Ai·(4.905Loni-432.219)·( 1-0.030 029Lati)；R2=0.471，n=875

模型③和④要優(yōu)于①和②，即林齡的冪函數(shù)比線性形式可以更好的表征碳密度，自變量中引入緯度對提高模型精度的作用有限。

4)北京楊

①Ci=576.158Ai·(0.011 781Loni-1) ·( 1-0.000 190Hi)·(0.038 306Lati-1)；R2=0.436，n=3 951

②Ci=59.016Ai·(0.011 740Loni-1)·( 1-0.000 163Hi)；R2=0.430，n=3 951

③Ci=28.884Ai·( 0.011 598Loni-1)；R2=0.425，n=3 951

④Ci=6.908Ai·( 1-0.000 208Hi)；R2=0.415，n=3 951

式中，Hi為i小班的海拔。

3.2 其他地區(qū)

1)林芝地區(qū)

Ci=Ai·(0.875Loni-80.808)；R2=0.492，

n=114

2) 三江流域瀾滄江以東地區(qū)

①Ci=502.402Ai·(1-0.029 383Lati)·(0.010 403Loni-1)；R2=0.525，

n=121

②Ci=68.854Ai·(0.010 347Loni-1)；

R2=0.492，n=121

③Ci=20.709Ai·(1-0.030 910Lati)；

R2=0.499，n=121

3)三江流域瀾滄江以西地區(qū)

Ci=1.509 4Ai-5.922 4；R2=0.482，n=243

4 結(jié)論與討論

森林生物量和碳分配格局受森林類型、地形和林分特征等多種因素的影響[11-15]。鄭海峰[16]等在新江實驗林場植被生物量、碳儲量及年凈固碳量研究結(jié)果表明，銀中楊>小黑楊>樟子松>興安落葉松，不同樹種的固碳能力有明顯差異，楊樹類是優(yōu)良的固碳樹種。以雅魯藏布江中游地區(qū)不同樹種的碳匯來看，銀白楊>新疆楊>北京楊>藏川楊。桑巴葉等[8]對新疆楊的研究表明，林齡是影響林分碳儲量積累的主導(dǎo)因子之一，新疆楊人工防護(hù)林的碳儲量隨林齡的增加而增加，不同齡組林分碳儲量從大到小依次為成熟林>近熟林>中齡林>幼齡林，與本研究碳密度隨林齡的變化規(guī)律一致。

總體來看，銀白楊與新疆楊累積速度快，雅魯藏布江中游地區(qū)是楊樹的適宜生長區(qū)域；西藏楊樹人工林生長和碳積累主要受林分生長發(fā)育階段(林齡)和經(jīng)度、緯度等自然條件的影響，與林齡和經(jīng)度呈正相關(guān)，與緯度呈負(fù)相關(guān)。根據(jù)適地適樹的原則，建議在造林前利用本文建立的碳密度模型，通過經(jīng)度、緯度、海拔等因子計算并比較計劃造林小班未來預(yù)期碳密度，從而選擇楊樹生長和碳累積潛力大的地塊開展造林綠化。