不同林齡興安落葉松人工林碳貯量及其分布特征

宋希明　王嘉夫　廉培勇

摘 要 通過樣地調(diào)查，研究了內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)10年、13年、19年、23年、35年和54年興安落葉松人工林中喬木及其各器官的碳貯量，探討落葉松人工林生長過程中喬木及其各器官的碳庫貯量變化。結(jié)果表明：隨林齡的增加，興安落葉松人工林喬木碳庫貯量逐漸增加，54年時達(dá)89.27 t·hm-2，碳匯作用顯著；13～35年興安落葉松人工林的碳匯能力最強(qiáng)。其中，樹干碳庫貯量占喬木碳庫總貯量的54.3%～73.9%，且隨林齡增加，其碳庫比率和碳密度增加；其余器官碳庫比率隨林齡增加而減小，碳密度則逐漸增加，直至趨于平衡或末期略有減少。

關(guān)鍵詞 興安落葉松；生物量；碳密度；人工林經(jīng)營；大興安嶺

中圖分類號：S718.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.05.028

工業(yè)革命以后，人類活動、煤（油）的廣泛使用及大氣污染等使大氣CO2的濃度逐漸增加，到20世紀(jì)90年代增至650～700 μmol·mol-1，地球表面氣溫相應(yīng)的增加了

2 ℃；避免地球溫室效應(yīng)的關(guān)鍵是將大氣中的CO2固持在陸地碳庫中[1]。森林是地球上最大的陸地碳庫，約占陸地總碳庫的46%，對全球碳循環(huán)和碳平衡的作用至關(guān)重要[2]。

在近幾十年來，我國人工林的面積迅速增加，人工林在植被生物量及二氧化碳吸收和固定等方面的作用越來越受到重視[3]。大興安嶺林區(qū)地處北半球高緯度區(qū)域，有力地維護(hù)了呼倫貝爾大草原和東北平原的生態(tài)平衡，在建設(shè)祖國北疆生態(tài)安全屏障中發(fā)揮了重要作用，同時該地區(qū)也是對全球氣溫變化反應(yīng)最敏感的地區(qū)之一[4]。在大興安嶺林區(qū)廣泛分布的興安落葉松人工林是對全球溫度變化最敏感的植被類型之一[5]。

本研究以內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)興安落葉松人工林為研究對象，根據(jù)解析木及樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，建立基于胸徑的興安落葉松各器官生物量的相對生長方程，同時結(jié)合器官含碳率來估算興安落葉松人工林的生物量和碳儲量，從而了解落葉松人工林生長過程中喬木及其各器官的碳庫貯量變化及其分布的規(guī)律。

1 研究地區(qū)與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺主脈西側(cè)的烏爾旗漢林場，隸屬于牙克石市，地處東經(jīng) 121°12′～122°28′，北緯49°15′～ 49°58′。烏爾旗漢四周為大興安嶺東側(cè)主脈和支脈構(gòu)成的起伏不平的丘陵地帶，山坡外貌較平緩，海拔700～1 300 m，平均坡度為15°左右，屬于中低山類型。該區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)半濕潤森林氣候，無霜期短，晝夜溫差及季節(jié)溫差變化較大，年均氣溫2.6 ℃，最高氣溫34.5 ℃，最低氣溫-47.6 ℃，冬季寒冷漫長，夏季溫和短促，霜凍為該地區(qū)的主要自然災(zāi)害。土壤屬暗棕色森林土，土質(zhì)多為砂壤土。烏爾旗漢的森林資源十分豐富，森林總面積達(dá)456 436 hm2，主要是以興安落葉松為建群種的森林植物群落，占全部有林地面積的70%，喬木主要有白樺（Betula platyphylla Suk.）、山楊（Populus davidiana）、黑樺（Betula davurica）、樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）、鉆天柳（Chosenia arbutifolia ）等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置

于2013年8月進(jìn)行樣地調(diào)查，根據(jù)土地利用變化、樹種選擇、采伐方式、撫育方式、林齡、郁閉度、地勢和坡向等影響因子選擇樣地，所選樣地均為草類落葉松人工林，坡度13°～19°。結(jié)合當(dāng)?shù)刂矘湓炝钟涗洿_定樣地林齡，造林后無撫育管護(hù)，成活率80%以上，林齡分別為10年、13年、19年、23年、35年和54年。設(shè)置3個20 m

×20 m喬木樣方研究樣地，測定每木胸徑（DBH），調(diào)查共設(shè)置 18個喬木樣方，樣地概況見表1。

1.2.2 分析方法

標(biāo)準(zhǔn)地及生物量解析依據(jù)文獻(xiàn)方法[6]，根據(jù)文獻(xiàn)中單木各器官相對生長方程（表2），該生長方程是根據(jù)大興安嶺地區(qū)興安落葉松28株解析木數(shù)據(jù)擬合而成的，R2為0.956～0.983，擬合效果良好，測量指標(biāo)的預(yù)測值和實測值采用均方根誤差（RMSE）和相對均方根誤差（RMSEr）2個指標(biāo)進(jìn)行比較，驗證所得方程的擬合效果，RMSE值介于0.000 12（葉）～0.002 36（干），方程的擬合效果較好[7]。

將擬合所得的興安落葉松各器官生物量-胸徑相對生長方程，代入本研究18個調(diào)查樣地（表1）每木胸徑，得到興安落葉松各調(diào)查樣地器官生物量。在18個調(diào)查樣地生物量基礎(chǔ)上，通過大興安嶺北部地區(qū)興安落葉松器官含碳率（干、皮、枝、葉和根的含碳率分別為0.525、0.525、0.532、0.520和0.517）和喬木樣方面積求得各器官及喬木碳密度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采集數(shù)據(jù)采用Excel、SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，運用單因素方差分析和 Duncan 法分析不同數(shù)據(jù)組間的差異，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡興安落葉松人工林喬木生物量

將擬合所得的興安落葉松各器官相對生長方程（表2）代入本研究18個調(diào)查樣地，得到不同林齡興安落葉松人工林喬木生物量，見表3。由表3可知，調(diào)查區(qū)域喬木生物量的主體為樹干，其次是根、枝和樹皮，而葉生物量較小。當(dāng)林齡<35年時，興安落葉松人工林各器官的生物量均隨林齡增加而增加，以13～35年時段的增幅最大；林齡為35～54年時，干、根生物量仍有所增加，但是增幅較前一階段減小；枝和葉生物量趨于穩(wěn)定，而樹皮的生物量略有降低。

2.2 不同林齡興安落葉松人工林喬木碳庫貯量

從表4可以得出，興安落葉松不同器官碳庫量的時間變化特征與生物量變化相似。由于各器官的含碳率為0.517～0.532，器官間變動不大，器官的生物量決定各器官碳庫的大小。樹干是最大生物量載體，同時也是最大碳存儲器官。

林齡<35年時，隨著林齡的增加，各器官及喬木碳密度也同時增加，增幅最大時段為13～35年，與器官生物量增幅最大時期相符，說明中、近齡階段的碳匯功能最大。林齡35～54年時，樹干碳密度仍有顯著增加，枝、根碳密度趨于穩(wěn)定，葉和樹皮的碳密度略有減少。

以18個調(diào)查樣方生物量為基礎(chǔ)，通過各器官含碳率得到興安落葉松器官生物量碳分配比率，見表5。由表5可以看出，興安落葉松各器官碳庫占喬木總體碳庫的比率隨林齡而變化。人工林成熟過程中，喬木碳分配逐漸向樹干集中，不同林齡樹干碳庫占喬木碳庫的比率差異顯著；其他器官碳庫比率隨林齡增加而降低，除林齡13年和19年時樹皮、枝、葉和根的碳庫比率差異不顯著外，其余時段差異均顯著。

3 討論

目前，對森林植被碳匯的估算主要采用先測定植被生物量，再乘以生物量中碳元素含量的方法，因此生物量成為測定森林植被碳匯的關(guān)鍵因子。普遍使用的生物量估算方法主要有平均生物量法和生物量擴(kuò)展因子法，由于實際調(diào)查時樣方設(shè)置多選用優(yōu)等林地，平均生物量法測算的結(jié)果則普遍偏大，而生物量擴(kuò)展因子法的結(jié)果則普遍偏小[8]。本研究使用的調(diào)查樣方按照每木胸徑計算每木生物量，再累加得到樣方生物量，因此，該方法相比平均生物量法和生物量擴(kuò)展因子法更能反應(yīng)樣地的實際情況。

以往的研究表明，幼中齡林喬木各器官生物量隨林齡增加而增加，這與本研究興安落葉松13～23年器官生物量變化特征相一致。我國人工林多處于幼中齡階段，缺乏幼中齡林與成、過熟林器官生物量時間變化特征的對比研究[9]。本研究中，10～23年幼中齡林與54年成熟林器官生物量時間變化特征可以為這方面的研究提供借鑒。落葉松為喜陽樹種，生長過程中將大部分生物量分配給樹干，以促進(jìn)高生長，從而獲得更多光照。

森林碳匯研究尤其是人工林碳匯研究已經(jīng)成為研究全球氣候變化的重要內(nèi)容，人工林碳匯問題也已經(jīng)上升到了政治高度。興安落葉松為內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)的主要建群種和造林樹種，其具備重要的碳匯作用，而且在該區(qū)域興安落葉松人工林碳儲量的時空變化特征也需要進(jìn)行系統(tǒng)的研究。興安落葉松作為對全球氣候變化反應(yīng)敏感的樹種之一，興安落葉松人工林的固碳潛力和碳增匯途徑的研究具有重要的理論和實踐意義，亟需通過系統(tǒng)研究來彌補(bǔ)這方面的空白。以內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)興安落葉松人工林為切入點，揭示其碳庫的時空分布特征，估算其固碳潛力，提出兼顧其經(jīng)濟(jì)和固碳效益的科學(xué)管理措施，將有助于充分發(fā)揮該地區(qū)興安落葉松人工林的固碳潛力，達(dá)到經(jīng)濟(jì)與固碳雙贏的目的。同時，本研究也可為其他類型人工林碳庫和固碳潛力的研究提供方法論上的借鑒。

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（責(zé)任編輯：劉昀）