新疆天山山區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.新疆林業科學院 現代林業研究所, 新疆 烏魯木齊 830000; 2.國家林業和草原局西北調查規劃設計院, 陜西 西安 710048)

森林是陸地生態系統重要組成部分，其碳儲量約占陸地生態系統碳儲量的2/3[1-2]，對維護全球碳平衡和應對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系統固碳能力的重要指標[5]，研究其變化特征可以為準確估算森林碳儲量及未來發展趨勢提供數據支撐，對減緩氣候變化的碳管理有重要意義。近些年不少學者對森林生態系統的碳儲量進行了大量研究，李海奎[2]根據全國第七次森林資源連續清查數據，運用回歸模型估計法估算了全國森林植被喬木林的碳儲量；戴前石[3]、黃從德[4]、王璟睿[6]、楊加猛[7]、昭日格[8]、王開德等[9]基于連清數據運用生物量轉換因子法分別研究了湖南、四川、廣東、江蘇、內蒙古、福建等地森林碳儲量變化，分析了不同林齡、森林類型等的碳密度變化特征；范春楠[10]、關晉宏[11]、王建[12]利用樣地調查數據結合連清數據估算了吉林、甘肅、青藏高原區域森林植被的碳儲量、碳密度及固碳速率的變化。現有關于碳儲量研究大都集中在林齡、起源和不同森林類型方面碳密度的變化，但結合地形因子分析碳密度變化的研究較少，地形因素影響區域的溫度和濕度，了解不同海拔、坡度和坡向條件下碳密度的變化特征對森林科學管理具有參考價值；在碳儲量變化方面大都采用固碳速率來反映，但針對碳密度基數相差大的林地用這一指標反映森林碳密度變化快慢可能導致分析結果不準確，因此采用可以科學反映固碳變化快慢的參數對評定森林固碳潛力具有重要意義。

新疆天山天然林是該區森林資源的重要組成部分，擔負著調節氣候、保護冰川和涵養水源的重要生態功能，對維護區域生態平衡有極其重要的生態意義[13]。有學者[13,16-26]對該區域森林空間分布、資源動態變化、云杉生物量、含碳系數等方面進行研究，但對新疆天山山區天然林資源的碳密度動態變化的研究卻鮮見報道。本文以新疆天山山區天然喬木林為研究對象，以2001—2016年的森林連續清查的喬木林樣地調查為數據基礎，運用該區域樹種的生物量模型和對應的含碳系數計算碳儲量及相關指標，利用統計學原理分析其碳密度隨林齡、地形和時間的動態變化特征，為該區域森林碳潛力的評估提供數據支撐，同時為森林經營管理和應對氣候變化評價提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

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，在我國境內東西長達約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型的分布。新疆山區天然林是全疆森林資源的重點，但其分布是不均勻的，其中天山山區是天然喬木林資源的主要分布之一。天山山區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]。現有森林多呈片、塊狀分布或與草地交錯分布，樹種單純，針葉林占絕大比重，主要樹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，因此本文研究區域集中在天山北坡。根據自然地理條件和森林分布情況，本文將天山北坡山區可劃分為天山西部、天山中部和天山東部3個區域[26]進行碳儲量研究，具體劃分為天山西部區域包括伊犁州、博樂市、精河縣的山區國有林場，天山中部區域自烏蘇向東、沙灣縣、瑪納斯縣、呼圖壁縣、烏魯木齊和昌吉地區的山區林場，天山東部區域包括哈密、巴里坤、伊吾縣的山區林場。

1.2 數據收集

喬木林樣地數據來源新疆2001—2016年森林資源連續清查的4期調查數據，調查樣地設置是在研究區范圍內以6 km×4 km網格交叉點進行設置，在從中選出地類為喬木林的樣地，其規格是0.08 hm2，調查因子包括樣地號、地理坐標、樣地類型、平均胸徑、郁閉度、平均年齡、齡組、海拔、坡度、坡向等；樣地樹木進行每木檢尺，運用專業工具測量樹木的胸徑和樹高并進行編號。 ①林齡劃分依據森林資源2類調查細則中齡級的劃分原則對樣地的平均林齡進行各齡級劃分。 ②地形因子按照海拔劃分以每300 m為1級，共劃分為7級：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個等級：平坡(<5°)、緩坡(5°～15°)、斜坡(15°～25°)、陡坡(25°～35°)、急坡(35°～45°)、險坡(>45°)。

氣象數據來源于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/site/index.html)的中國地面氣候資料，收集了日最高氣溫、日最低氣溫、年降水量、太陽輻射等數據。

1.3 數據處理與計算

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

表1 新疆山區喬木林各優勢樹種生物量模型

(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間和單位面積上都增加或減少相同碳儲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用碳密度變化率指標判定。

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

(1)

式中：a表示碳密度變化率；C1，C2表示兩個不同時期林分碳密度。

(3) 運用SPSS統計軟件分析碳密度和碳密度變化率。

2 結果與分析

2.1 研究區2001-2016年碳密度動態變化

整體上天山山區喬木林碳密度在2001—2016年呈增長趨勢，平均碳密度從2001年的66.72 t/hm2增長到2016年的74.68 t/hm2，增長了7.96 t/hm2，說明自天然林資源保護工程實施以來天山山區森林碳匯能力不斷增強(圖1)，在不同調查期天山不同區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，土壤多為灰褐色森林土，厚度較厚，該區域的云杉是新疆的精華。

圖1 天山山區不同時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為：天山中部>天山東部>天山西部，說明在喬木林碳密度變化快慢方面天山中部和東部增長較快，天山西部則最慢。天山中部的碳密度變化率在2011—2016年明顯高于前兩個調查間隔期，結合氣象數據該區域在2011—2016年年平均降水量280.37 mm，是前兩期的2倍多，該區域喬木林以云杉為主，張艷靜[31]研究表明云杉生長與降水呈顯著正相關，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年調查間隔期明顯低于其他兩個調查間隔期，結合氣象數據該調查間隔期的日平均溫度比其他調查期偏低4 ℃左右，天山東部喬木林以落葉松為主，羅磊[30]研究表明氣溫對落葉松碳密度的貢獻遠大于降水，因此該調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 不同調查期間天山山區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性分析 由表3統計分析可以看出，喬木林碳密度與林齡顯著正相關、與坡度呈顯著負相關，與海拔、坡向相關性不顯著；碳密度變化率與林齡呈顯著負相關，與海拔、坡度和坡向地形因子相關性均不顯著。說明林齡是影響天山山區喬木林碳密度變化的關鍵因素。

表3 不同因子與喬木林碳密度相關性分析

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。根據調查數據計算不同林齡天山3個區域的喬木林平均碳密度及碳密度變化率(圖2)，天山西部山區喬木林在不同林齡的平均碳密度呈隨著林齡增長而增長的趨勢，天山中部和東部山區喬木林平均碳密度從幼齡林到近熟林階段隨林齡增長而增長，在近熟林至過熟林階段呈先降后升趨勢，碳密度在近熟林最高。天山山區3個區域喬木林碳密度變化率均表現為隨著林齡的增加呈遞減趨勢，在幼齡林至近熟林遞減幅度較大，近熟林至過熟林遞減平緩，這是由于林木在幼中齡林階段處于樹木的快速生長期，碳儲量的積累較迅速，到近熟林后生長速度慢慢減緩；天山東部碳密度變化率除幼齡林缺失外在中、近、成、過熟林階段均表現為較高，說明天山東部喬木林生長過程中碳密度增長較天山西部和中部地區快，碳匯功能表現更強。

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，天山山區喬木林碳密度整體上在不同坡度呈先升后降趨勢，在緩坡、斜坡和陡坡上相對較高，急坡和險坡急劇下降。天山西部表現為先升后降，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，急坡開始下降，險坡很低，只有1.54 t/hm2；天山東部從平坡至緩坡碳密度快速增長達最高，在斜坡又明顯降低，斜坡至急坡變化平緩，險坡又急劇下降。由圖4所示，天山山區喬木林碳密度隨海拔升高呈現不同趨勢，天山西部碳密度隨海拔升高呈先升后降趨勢，在2 100～2 400 m出現峰值，該區域在1 500 m以下主要分布楊樹、野蘋果、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，長勢較好，但在1 800～2 100 m碳密度偏低，主要原因是該海拔段樣地數據幼中齡林占比較高；天山中部喬木林碳密度自1 500 m開始隨海拔升高呈先升后降趨勢，在1 800～2 100 m達峰值，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，其他坡向沒有明顯規律，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 天山山區不同海拔喬木林碳密度變化

圖5 天山山區不同坡向喬木林碳密度變化

3 討論與結論

3.1 討 論

在林分尺度上天山山區喬木林碳密度與林齡呈顯著相關，天山西部則表現為隨林齡增加而不斷增長的趨勢，天山中部和東部地區均表現隨林齡增長先升后降趨勢，在近熟林最高，碳密度的變化受氣溫、水分、太陽輻射和土壤等多種因素影響，西部伊犁地區溫暖濕潤，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，天山土壤養分含量由西向東呈遞減趨勢[26]，自然條件的差異導致樹木生長情況，從而影響碳密度。天山山區喬木林碳密度與坡度呈顯著性相關，與沈彪[28]研究秦嶺中段南坡油松林碳密度結論一致；在不同坡度上研究區碳密度呈先升后降趨勢，天山西部和中部地區在斜坡碳密度最高，說明該坡度最適宜云杉林生長，天山東部在緩坡碳密度最高，該區喬木林以落葉松為主，新疆落葉松喜光性強，對土壤水份要求較高，因此在土層深厚、濕潤、疏松的緩坡地帶生長旺盛；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，沒有充足的營養供給樹木生長導致碳儲量降低。

本文運用碳密度變化率來反映林木的固碳潛力，這一指標可以消除基數大小對碳密度變化的影響，研究區碳密度變化率與林齡顯著相關，表現為隨著林齡增加而遞減，說明幼、中齡喬木林是未來森林系統的固碳潛力所在，在不同調查期喬木林碳密度變化率表現為天山中部最高，主要因素是該區域幼中林齡占比較大，具有較大的碳匯發展空間。

3.2 結 論

(1) 本文闡明了天山西部、中部和東部3個區域的喬木林碳密度變化規律，并從林齡、立地因子方面分析了該區域喬木林碳密度在林分尺度上變化特征，為準確估算新疆山區森林碳儲量及未來可持續發展提供科學依據。

(2) 自天保工程實施以來新疆天山山區喬木林碳密度在2001—2016年呈增長趨勢，不同區域呈現：天山西部>天山東部>天山中部；天山山區喬木林碳密度隨著林齡增長天山西部呈增長趨勢，天山中部和東部呈先降后升趨勢，近熟林最高；在不同坡度上碳密度呈先升后降趨勢，天山西部和中部地區斜坡最高，天山東部緩坡最高，急坡和險坡均急劇下降，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，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，其他坡向無明顯規律。喬木林碳密度變化率表現為隨著林齡增加而遞減，不同區域呈：天山中部>天山東部>天山西部。

(3) 林齡對天山山區喬木林碳密度和碳密度變化率的影響均呈顯著相關，因此在森林管理方面應加強科學合理地進行幼林撫育和更新恢復，優化林齡結構，進一步提高天山天然林資源的碳匯功能，挖掘更大碳潛力，促進該區域森林資源健康可持續發展。