基于FORECAST模型的塞罕壩機(jī)械林場森林碳儲量動態(tài)變化

胡靖宇，沈廣林，劉靜波，王麗娟，田 曉

(1.河北石油職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 承德 067000；2. 河北旅游職業(yè)學(xué)院，河北 承德 067000)

1 引言

“十四五”時(shí)期，中國生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)入了以降碳為重點(diǎn)戰(zhàn)略方向、推動減污降碳協(xié)同增效、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善由量變到質(zhì)變的關(guān)鍵時(shí)期。森林碳儲量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的2/3,對提升碳匯能力意義重大[1]，目前不少學(xué)者對碳匯能力從不同角度開展研究，但數(shù)據(jù)精確度不夠，因此精確估算森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和價(jià)值量，預(yù)測森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及碳匯潛力，為國家林業(yè)碳匯減排及碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供參考。塞罕壩經(jīng)過三代人不懈的努力，曾經(jīng)寸草不生的荒漠發(fā)展成為“綠色地圖”，精確的估算塞罕壩機(jī)械林場森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量意義深遠(yuǎn)。

華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)是塞罕壩地區(qū)最常見的速生針葉樹種，具有喜光、喜陽、耐寒性強(qiáng)等生態(tài)特性，蓄積量最大，在華北山地分布較廣[2]。白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)是塞罕壩地區(qū)比較常見的闊葉樹種，生態(tài)習(xí)性和華北落葉松相似，喜光、喜陽、耐嚴(yán)寒，對土壤適應(yīng)性強(qiáng)，東北和華北地區(qū)比較常見，為次生林先鋒樹種。本文以塞罕壩機(jī)械林場最常見的針闊兩種代表性樹種為研究對象，研究了不同立地條件和不同混交比例落樺混交林在未來300年內(nèi)碳儲量和年均固碳量變化趨勢，篩選出落樺混交林可持續(xù)性經(jīng)營策略，增強(qiáng)碳匯能力，推動綠色發(fā)展。

2 研究地概況與研究方法

2.1 研究地概況

研究地位于河北省承德市圍場縣最北端塞罕壩機(jī)械林場陰河林場的前曼甸營林區(qū)，地處116°51′～117°39′E， 42°02′～42°36′N，海拔1650～1830 m，年均氣溫-1.3 ℃，晝夜溫差大，極端最高氣溫33.4 ℃，極端最低氣溫-43.3 ℃。年均降水量460.3 mm，年均積雪達(dá)7個(gè)月，蒸發(fā)量1230 mm，年均無霜期64 d。土壤類型以山地棕壤、灰色森林土為主，腐殖質(zhì)含量為20%。研究區(qū)域林分為華北落葉松和白樺混交林。

2.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

在試驗(yàn)地內(nèi)設(shè)置5塊20 m×20 m 的固定樣地，對華北落葉松和白樺分別進(jìn)行每木檢尺，分別確定華北落葉松和白樺標(biāo)準(zhǔn)木，分別測定其生物量，每個(gè)試驗(yàn)內(nèi)設(shè)置4 個(gè)灌木樣方(5 m×5 m)、4 個(gè)草本樣方(1 m×1 m)、4 個(gè)枯落物樣方(0.5 m×0.5 m)，灌木樹種有繡線菊 (Spiraeasalicifolia)、 沙棘 (Hippophaerhamnoides)、胡枝子 (Lespedezabicolor)、山刺玫(Rosadaverica)、華北忍冬(Loniceratatarinowii) 等，草本植物有蒲公英 (Herbataraxaci)、野薔薇(Rosamultiflora)、曼陀羅(Daturastramonium)等，全部收獲法測定生物量。選取每個(gè)試驗(yàn)地四角和中心5個(gè)位置，分層取土樣。測定土壤容重、全氮和土壤有機(jī)質(zhì)。

2.3 FORECAST模型簡介

如圖1所示，將土壤數(shù)據(jù)、喬木數(shù)據(jù)、林下植被數(shù)據(jù)、苔蘚數(shù)據(jù)輸入到模型中，模式會輸出相應(yīng)變化趨勢，該模型最大的優(yōu)點(diǎn)是隨著外界環(huán)境因素的變化模型可以進(jìn)行動態(tài)的模擬，然后進(jìn)行相應(yīng)反饋，例如季節(jié)變化、土壤肥力、病蟲害，甚至火災(zāi)等外界因素都可以動態(tài)反饋。FORECAST模型的驅(qū)動機(jī)制是葉氮同化率(FNE)。由于下層樹葉被上層樹葉遮擋，在實(shí)際應(yīng)用過程中對FNE進(jìn)行修正，修正為遮蔭葉氮同化率(SCFNE)。SCFNE的計(jì)算方法首先將林冠層沿垂直方向分為若干亞層，分別計(jì)算每個(gè)亞層的光合效率和葉氮量，最后求和[3～9]。

圖1 FORECAST模型流程

2.4 情景模擬

將混交林立地指數(shù)(好、中、差)分別設(shè)置為25、19、15。將華北落葉松和白樺混交林混交比例分別設(shè)置為2∶1，1∶1，1∶2，1∶3，1∶4五種模式，每個(gè)輪伐期50年，共6個(gè)輪伐期，每個(gè)輪伐期第10年間伐20%。

2.5 模型的精度檢驗(yàn)

將FORECAST模型模擬數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)中實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，模型校驗(yàn)精度如圖2所示，好中差3種立地條件下生物量變化趨勢與實(shí)測數(shù)據(jù)趨勢一致。

圖2 模型精度檢驗(yàn)

3 結(jié)果與分析

3.1 喬木層碳儲量變化趨勢

模擬結(jié)果如圖3所示：好中差3種立地條件下華北落葉松和白樺全樹總碳儲量累積和樹干碳儲量表現(xiàn)為較好立地>中等立地>較差立地。華北落葉松和白樺混交比例為1∶2的混交林平均每個(gè)輪伐期全樹碳儲量和莖干碳儲量積累多，其次為混交比例為1∶3的混交林，混交比例1∶4次之，華北落葉松和白樺混交比例為2∶1和1∶1表現(xiàn)較差，由此可見，華北落葉松和白樺混交林中白樺占比大于華北落葉松情況下有利于碳儲量的積累。

圖3 不同立地類型華北落葉松和白樺混交林全樹和莖干碳儲量300年間的累積量

3.2 土壤碳儲量變化趨勢

土壤碳儲量變化趨勢如圖4所示，華北落葉松和白樺混交林混交比例2∶1和1∶1兩種林分在6個(gè)輪伐期內(nèi)均有不同程度的下降，說明以上兩種混交方式經(jīng)過連載，會導(dǎo)致土壤肥力下降，由此可見，混交林中華北落葉松占比過高不利于可持續(xù)經(jīng)營。而華北落葉松和白樺混交林混交比例為1∶2、1∶3和1∶4三種混交林在6個(gè)輪伐期內(nèi)土壤有機(jī)碳儲量呈現(xiàn)上升趨勢，可見，混交林中白樺占比大于華北落葉松有利于土壤碳儲量的積累。

圖4 不同立地類型華北落葉松和白樺混交林土壤碳儲量

3.3 生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化趨勢

模擬結(jié)果如圖5所示：好中差3種立地條件下生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量表現(xiàn)為較好立地>中等立地>較差立地。其中華北落葉松和白樺混交比例為1∶2、1∶3和1∶4三種林分在6個(gè)輪伐期內(nèi)生態(tài)系統(tǒng)碳儲量呈現(xiàn)上升趨勢，而混交比例為1∶1和2∶1兩種林分呈現(xiàn)下降趨勢，由此可見這兩種方式不利于混交林的可持續(xù)發(fā)展。

圖5 不同立地類型華北落葉松和白樺混交林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量

3.4 年均固碳量差異分析

模擬結(jié)果如表1所示：華北落葉松和白樺混交林在中等立地條件下不同混交比例(1∶4、1∶3、1∶2、1∶1、2∶1)年均凈生產(chǎn)力分別為7.58 t/(hm2·a)、7.58 t/(hm2·a)、8.35 t/(hm2·a)、6.88 t/(hm2·a)、4.88 t/(hm2·a)，落樺混交比例為1∶2年均凈生產(chǎn)力高于其他種類林分。年均固碳量如圖6所示：較好立地和中等立地落樺混交比例為1∶2均可獲得最大年均固碳量，且不同混交比例年均固碳量趨勢相同。較差立地條件下，混交林中華北落葉松比例高于白樺比例時(shí)，年均固碳量較少，其它4種混交方式年均固碳量差距較小。

圖6 不同立地類型華北落葉松和白樺混交林年均固碳量

4 結(jié)論

好、中、差三種立地條件下，不同混交比例華北落葉松和白樺混交林6代連栽所呈現(xiàn)出來的喬木層碳儲量、土壤碳儲量、生態(tài)系統(tǒng)碳儲量和年均固碳量有差異，較好立地優(yōu)于中等立地優(yōu)于較差立地，其中混交林中白樺的占比高于華北落葉松的林分，隨著連栽次數(shù)的增加，生態(tài)系統(tǒng)碳儲量都有上升的趨勢，混交林中華北落葉松占比過高的林分，隨著連栽次數(shù)的增加土壤碳儲量、生態(tài)系統(tǒng)碳儲量趨于平緩，較好立地有下降的趨勢。在較好和中等立地條件下華北落葉松和白樺混交林混交比例為1∶2均可獲得最大年均固碳量和年均凈生產(chǎn)力，較差立地條件下混交比例對年均固碳量和凈生產(chǎn)力不明顯。

5 討論

5.1 FORECAST模型對落樺混交林凈生產(chǎn)力估測

凈初級生產(chǎn)力(NPP)直接反映森林生態(tài)系統(tǒng)的質(zhì)量狀況、生產(chǎn)能力和固碳能力，對于碳中和、碳平衡的研究有重要的意義，不同學(xué)者針對于華北落葉松和白樺凈生產(chǎn)力和固碳量有一定的研究，如張慧東等運(yùn)用參數(shù)率定模型模擬了落葉松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳通量的動態(tài)變化，測算生態(tài)系統(tǒng)的年平均總初級生產(chǎn)力為 13.234 t/hm2[9]。呂振剛等利用CASA模型計(jì)算華北落葉松當(dāng)前及未來潛在NPP,結(jié)果河北省華北落葉松當(dāng)前潛在NPP均值為342.7 gC·m2a[10]。趙匡記等以塞罕壩地區(qū)華北落葉松為研究對象，結(jié)果26～30年生林分的生產(chǎn)力最大，為5.72 m3/(hm2·a)，11～15年生產(chǎn)力最小，為3.22 m3/(hm2·a)，45年以上林分為3.92 m3/(hm2·a)[11]。姚丹陽以塞罕壩機(jī)械林場華北落葉松人工林為研究對象，初植密度為3330株/hm2的林分5～10 a總生物量為7.10～14.35 t/hm2之間，初植密度為4995株/hm2的林分總生物量為5.66～12.37 t/hm2之間[12]。本研究落葉松白樺混交林凈生產(chǎn)力模擬結(jié)果為4.36～9.58 t/(hm2·a)之間，與前人估算結(jié)果相近，由此可見FORECAST混合模型對于落樺混交林模擬結(jié)果相對準(zhǔn)確。

5.2 不同混交比例華北落葉松白樺混交林的凈生產(chǎn)力及碳儲差異

在較好和中等立地條件下華北落葉松和白樺混交林混交比例為1∶2均可獲得最大年均固碳量和年均凈生產(chǎn)力，落樺混交比1∶3和1∶4的混交林次之，落樺混交比2∶1年均固碳量和年均凈生產(chǎn)力最差，較差立地條件下混交比例對年均固碳量和凈生產(chǎn)力不明顯，由此可見，較好和中等立地條件下落樺混交比例為1∶2為最佳混交比例，在較差立地條件下，混交比例對年均固碳量和年均凈生產(chǎn)力影響不大，主要影響因素取決于林分密度。

5.3 FORECAST模型在針闊混交林模擬中的應(yīng)用問題

FORECAST模型在全球已廣泛應(yīng)用，但在針葉純林上應(yīng)用居多，對于闊葉樹和針闊混交林還處于嘗試階段，F(xiàn)ORECAST模型最大優(yōu)勢在于其動態(tài)管理，反饋機(jī)制，打破傳統(tǒng)模型預(yù)測的局限性，J. P. (Hamish)Kimmins 團(tuán)隊(duì)正在將該模型與水分模型(FORWADY)進(jìn)行耦合，未來在森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量預(yù)測會更精準(zhǔn)、更客觀。