塞罕壩地區(qū)典型人工林生物碳貯量的比較

王志杰，房子怡，張菲，張巖，許中旗

(1河北省塞罕壩機械林場總場，河北 圍場 068466；2河北農(nóng)業(yè)大學 林學院，河北 保定 071000)

由大氣濃度增加導致的全球變暖是人類當前面臨的最大威脅[1-3]。大量研究表明，森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體對大氣CO2濃度具有重要的調(diào)節(jié)作用，張新俊等研究表明全球森林對碳的吸收和儲存占每年大氣和地表碳流動量的90%，孫寶明研究表明不同植被類型的固碳能力也不同，其中森林的固碳能力最強[4-5]。焦振認為森林生態(tài)系統(tǒng)覆蓋著地球陸地表面的27%，保存陸地碳儲量的60%，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫，在減緩大氣CO2濃度升高方面扮演著重要角色[6]。通過人工造林固定已成為降低大氣CO2濃度的重要途徑，因此《京都議定書》中規(guī)定，各國家可以利用造林和再造林來抵消本國的溫室氣體排放指標[7]。

但是，林分碳貯量與森林的類型密切相關。胡海清等研究表明大興安嶺5種不同林型的碳匯功能存在較大差異，從幼齡林到成熟林單位面積生物碳儲量由大到小的增幅排列順序為：興安落葉松林>蒙古櫟林>白樺林>樟子松林>山楊林[8]。孫麗娜等研究表明山西森林植被碳儲量中喬木林碳儲量以櫟類林最大，其次為油松林[9]。陳曉鳳研究發(fā)現(xiàn)北京市喬木林中櫟類、楊樹和油松是森林碳儲量的主要貢獻者，在2006年和2016年時3者的碳儲量排序為：櫟類>楊樹>油松，在2011年3者的碳儲量排序為油松>櫟類>油松[10]。劉臻研究發(fā)現(xiàn)晉西3種人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳密度趨勢是油松>刺槐>側柏[11]；劉豪等研究發(fā)現(xiàn)山西省喬木林優(yōu)勢樹種類型的固碳能力從大到小的順序依次為楊樹、油松、華北落葉松、刺槐、針闊混、其他針葉類和其他軟闊類[12]。張春華等研究發(fā)現(xiàn)在2004-2008年和2009-2013年山東省2次森林清查期，楊樹的碳儲量均為最大，硬闊、軟闊類次之，落葉松、油松均較小[13]。已有研究說明，不同的林分類型的碳匯功能具有很大差異，對于碳匯林的營造具有重要的指導意義。但是，目前的研究中多以現(xiàn)實林分為主，而現(xiàn)實林分難以克服由具體林分差異帶來的難以比較的問題。因此本研究以塞罕壩機械林場的華北落葉松、樟子松和云杉這3種樹種的人工林為研究對象，基于林分標準收獲表的編制思想，對3種林分的最大生物碳貯量進行了比較。通過構建該地區(qū)這3種不同樹種生物量模型，以探究華北落葉松、樟子松和云杉在該地區(qū)的碳貯量差異，為該地區(qū)以增加碳匯為目標的人工林營造和經(jīng)營提供科學依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況

塞罕壩機械林場位于河北省承德市圍場滿族蒙古族自治縣北部壩上地區(qū)，中心地理位置為E 116°51′～117°39′，N 42°02′～42°36′，海拔1 010～1 939.9 m。該林區(qū)的土壤類型主要為山地棕壤土、風沙土和灰色森林土。塞罕壩處于森林-草原交錯區(qū)，森林類型多種多樣，共有林地面積74 666.7 hm2，其中人工林有57 333 hm2，森林覆蓋率達80%，林木總蓄積5.02×106m3，年均生長率達9.7%[7,14]。

該地區(qū)林區(qū)氣候寒冷，冬季長，春秋短，屬于寒溫性大陸季風氣候，年均氣溫-1.3 ℃，年極端最高氣溫為33.4 ℃，最低為-43.3 ℃；年均無霜期64 d，短且不穩(wěn)定；年均積雪天數(shù)可達7個月；年均降水量460 mm，蒸發(fā)量1 339.2 mm。且該地區(qū)常有霜凍、干旱、大風等災害性天氣[15]。

2 研究方法

2.1 樣地設置及調(diào)查

首先通過調(diào)查與實地考察，了解塞罕壩機械林場中華北落葉松、樟子松、云杉3種典型人工林的分布狀況和林分狀況，采用典型取樣的方法選擇樣地，選取具有代表性的林分，要涉及到每一樹種的不同林分年齡、不同林分密度、不同立地條件等，共設樣地60塊，面積為900 m2，在每一個樣地內(nèi)進行每木檢尺，需要使用到的實驗儀器有：胸徑尺、皮尺、勃魯萊測高器。測量的內(nèi)容包括胸徑、每棵樹的具體坐標、樹高、冠幅和土壤厚度等。

2.2 生物量的測定

2.2.1 單株生物量及其各器官的比較 引用賈彥龍及楚聰穎得到的華北落葉松、樟子松和云杉的單木生物量模型，對不同胸徑林木的單株生物量進行計算，見表1[16-17]。

表1 華北落葉松、樟子松松及云杉的生物量模型Table 1 Biomass models of Larix principis-rupprechtii, Picea meyeri and Pinus sylvestris var. mongolica

2.2.2 林分密度的測定 根據(jù)調(diào)查樣地所得的數(shù)據(jù)，建立起胸徑與平均冠幅的相關關系，詳情見圖1。

圖1 胸徑與平均冠幅之間的線性關系Figure 1 Linear relationship between DBH and mean crown width

假設林分內(nèi)的密度均按最大密度計算，即林地被充分利用，樹冠與樹冠相互連接，林地完全被覆蓋，這時的林分密度為林地面積與樹冠面積之比，也就可以將每株樹木的冠幅抽象為一個正六邊形，正六邊形邊長為林木冠幅，再由林地面積除以正六邊形面積得到林分密度，最后，用密度乘以華北落葉松、樟子松及云杉的單株生物量模型，即得出了各林分的總生物量。

如圖2所示，假設樹冠形狀接近于六邊形，則樹冠面積則為：

圖2 林分中樹冠相接示意圖Figure 2 Tree crown connection in stand

(1)

其中，S為樹冠面積，L為林木平均冠幅。

2.2.3 林分生物量碳貯量的測定 由單株生物量乘以林分密度得到林分的總生物量。然后再由生物量乘以0.5得到碳貯量，即：碳貯量=生物量×含碳量(0.5)[18]。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

使用Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理和做圖。

3 結果與分析

3.1 單株地上生物量的比較

不同樹種單株及各器官生物量比較見圖3。由圖3可以看出，在林木胸徑相同時，3個樹種單株生物量具有明顯差異，且差異隨林木胸徑的增加而增大。胸徑10～40 cm單株地上生物量由大到小依次為華北落葉松、云杉、樟子松，分別為25.87～661.53 kg、20.42～564.18 kg和20.48～527.17 kg。同時，由圖3還可以看出，3個樹種不同器官生物量的排序并不相同。以胸徑30 cm單株林木為例，干生物量由大到小的排序依次為：華北落葉松、樟子松、云杉，依次為300.17 kg、215.30 kg和152.75 kg；枝生物量由大到小的排序依次為華北落葉松、云杉、樟子松，分別為86.08 kg、59.99 kg、34.53 kg；葉生物量由大到小的排序依次為云杉、樟子松、華北落葉松，分別為105.04 kg、21.37 kg、5.55 kg。由以上結果可知，不同樹種在胸徑相同時，其生物量并不相同，同時生物量在不同器官的分配也有明顯不同。華北落葉松總生物量最大，且其干、枝生物量也最大，云杉的生物量低于華北落葉松，但其葉片生物量最大。

圖3 不同樹種單株及各器官生物量的比較Figure 3 Comparison of individual and organic biomass among different species

3.2 單株碳貯量及其分配

單株碳貯量及其分配見圖4。

圖4 單株碳貯量的比較Figure 4 Comparison of carbon storage per plant

由圖4可知，單株碳貯量與單株生物量的變化趨勢相似。當胸徑相同時，3個樹種單株碳貯量有明顯不同，且其差異隨胸徑的增加而增大。單株碳貯量由高到低分別為華北落葉松、云杉、樟子松，胸徑10～30 cm時，分別為17.01～434.95 kg、13.43～370.95 kg、13.47～346.61 kg。

3個樹種地上部分器官碳貯量的分配見圖5。

圖5 3個樹種地上部分各器官碳貯量的分配Figure 5 The above-ground carbon stock of each organs distribution of 3 species

由圖5可知，各樹種碳在各個器官的分配有明顯不同。華北落葉松的葉片所占比例隨胸徑的增加逐漸減小，其所占比例在1.29%～7.02%之間；側枝中的碳所占比例則呈逐漸增加的趨勢，為16.39%～24.58%，主干所占比例為74.13%～83.28%。樟子松葉片及側枝所占比例則隨胸徑的增加呈逐漸下降的趨勢，分別為19.44%～7.43%和22.11～12.25%，主干中的碳所占比例則呈明顯逐漸增加的趨勢，由58.45%上升至80.32%。云杉葉片中碳所占比例則隨胸徑的增加呈極明顯的增加趨勢，由8.95%增加到35.14%，枝條所占比例則相對穩(wěn)定，在15.95%～18.98%之間，而主干所占比例則由75.12%下降至46.09%。

3.3 3種人工林總碳貯量的比較

3種人工林林分總碳貯量均隨林分平均胸徑的增加而增加，但是增加的趨勢有所不同，見圖6。

圖6 人工林總碳貯量的比較Figure 6 Comparison of total carbon storage in artificial forests

由圖6可知，隨林分平均胸徑的增加，云杉林和樟子松林的林分碳貯量增長較快，而華北落葉松林林分碳貯量增加的速率較為緩慢。在胸徑小于16 cm時，華北落葉松林總碳貯量最高，其次為云杉，最低為樟子松；當胸徑為13 cm時，華北落葉松總碳貯量為68.43 t/hm2，云杉為56.56 t/hm2，樟子松為41.87 t/hm2。當胸徑在16～28 cm時，總碳貯量由高到低分別為云杉林、華北落葉松林和樟子松林；如當胸徑為25 cm時，總碳貯量分別為99.95 t/hm2、78.70 t/hm2和75.36 t/hm2。當平均胸徑大于28 cm時，總碳貯量由高到低分別為云杉林、樟子松和華北落葉松；如當胸徑為35 cm時，其總碳貯量分別為127.0 t/hm2、96.05 t/hm2和86.05 t/hm2。3種人工林總碳貯量隨林分平均胸徑的變化趨勢不同，其原因在于林分碳貯量受林木的單株碳貯量和林分密度的共同影響。3個樹種的樹冠大小與胸徑的關系不同，相對于樟子松與云杉，相同胸徑的華北落葉松林的冠幅更大，因此對空間的要求也更大，林分密度也更小。隨胸徑的增加，華北落葉松林的密度下降更快，盡管其單株的碳貯量明顯高于樟子松和云杉，其林分碳貯量則低于樟子松林和云杉林。

4 討論

本研究基于林木生長對地上空間的需求，即樹冠大小，對比了3種人工林碳貯量的大小。研究結果表明，不同樹種的樹冠與胸徑的關系不同，相同胸徑條件下，各樹種的樹冠大小不同，因此，隨胸徑的變化3種林分的密度不同，導致3者之間林分碳貯量的相對大小呈現(xiàn)明顯的階段性。在林分平均胸徑小于16 cm時，林分碳貯量由高到低分別為華北落葉松林、云杉林和樟子松林；當平均胸徑在16～28 cm時，由高到低分別為云杉林、華北落葉松林和樟子松林；當平均胸徑大于28 cm時，總碳貯量由高到低分別為云杉林、樟子松林和華北落葉松林。本研究云杉人工林碳貯量增長趨勢與范圍(42.92～138.63 t/hm2)與岳軍偉等人研究結果相近，喬木層碳貯量從近熟林48.17 t/hm2增加至成熟林138.93 t/hm2[19]。樟子松人工林平均胸徑在15 cm時碳貯量為48.34 t/hm2，該結果與袁立敏等人研究發(fā)現(xiàn)科爾沁沙地樟子松人工中齡林喬木層碳儲量(57.8 t/hm2)的研究結果相似[20]，樟子松人工林碳貯量增長趨勢與范圍(31.47～104.82 t/hm2)與胡海清等研究結果相近，樟子松林單位面積生物量碳密度從中齡林的43.7 t/hm2增加到成熟林的92.6 t/hm2[21]。

同時也可以看出，碳在3個樹種各個器官的分配比例也有明顯差異，華北落葉松林、樟子松林碳在主干中的比例更大，云杉林主干中的碳所占比例相對較小。相對于側枝和葉片，林木主干壽命更長，周轉更慢，其碳庫存在時間更長，因此林木將更多的碳分配在主干之中，更有利于其固碳功能的發(fā)揮。劉亞茜研究表明華北落葉松林的樹干碳貯量所占比例最大，樹枝碳貯量所占比例變動較大，樹葉碳貯量隨胸徑的增加而降低，這與本研究中華北落葉松林的碳貯量分配比例相似[22]。韓美娜等研究表明樟子松人工林各器官碳儲量所占比例各不相同，樹干對喬木總碳儲量的貢獻最大，因此其所占比例最大，且所占比例隨林齡的增加逐漸增大[23]；枝和根的碳儲量占喬木總碳儲量的比例相似，葉碳儲量占喬木總碳儲量的比例最小，且3者均隨林齡的增加而減小，同樣與本研究中樟子松人工林各器官碳貯量分配比例相似。岳軍偉等研究發(fā)現(xiàn)云杉人工林在不同齡級樹干平均碳儲量占喬木平均碳儲量的比例為50%左右，是喬木碳儲量的主體，這與本研究中云杉人工林胸徑大于27 cm之后的比例(27 cm時比例為55%)相似[19]。

本研究結果也表明，華北落葉松林的生物碳貯量隨胸徑的增加增長較為緩慢，其平均胸徑從12 cm到36 cm，林分總碳貯量由67.58 t/hm2增長到86.72 t/hm2，提高了29%。齊光等研究表明，興安落葉松在10～35年(4.57～16.49 cm)階段，喬木的碳貯量為4.90～85.67 t/hm2，增加了16.48倍，興安落葉松在26～61年(平均胸徑為12.45～36.38 cm)階段，喬木碳貯量為77.67～105.20 t/hm2，提高了35%，與本研究結果相近[24]。

本研究在進行3個樹種的比較時，假設林木都充分生長，且林地被樹冠完全充滿，同時基于林木胸徑與樹冠的關系，確定林分的密度，該假設充分反映了不同樹種的生物學特性，使得不同林分類型之間可以進行對比，克服了現(xiàn)實林分之間差異較大、難以對比的問題[25-26]。

5 結論

(1)胸徑相同時，單株生物量和碳貯量以華北落葉松林為最高，其次為云杉林，最低為樟子松林。

(2)人工林林分總碳貯量均隨林分平均胸徑的增加而增加，但增加的趨勢有所不同。在胸徑小于16 cm時，華北落葉松林總碳貯量最高，其次為云杉林，最低為樟子松林；當胸徑在16～28 cm時，總碳貯量由高到低分別為云杉林、華北落葉松林和樟子松林，當平均胸徑大于28 cm時，總碳貯量由高到低分別為云杉林、樟子松林和華北落葉松林。

(3)各樹種碳在各個器官的分配也有明顯不同，華北落葉松的葉片和主干所占比例隨胸徑的增加逐漸減小，側枝則相反；樟子松葉片及側枝所占比例則隨胸徑的增加呈逐漸下降趨勢，主干則相反；云杉葉片中碳所占比例則隨胸徑的增加呈極明顯的增加趨勢，主干所占比例相反，枝條所占比例則相對穩(wěn)定。不同人工林生物碳貯量的相對大小與林分的平均胸徑有關。