內蒙古大青山華北落葉松人工林喬木層碳密度年增量與氣象因子的關系

王云霓,代海燕,曹恭祥,張 慧,梁海榮,桑 昊,楊溢文,劉紅梅

1 內蒙古自治區林業科學研究院,呼和浩特 010010 2 內蒙古自治區生態與農業氣象中心,呼和浩特 010051

氣候變化對森林生態系統的分布格局、結構組成、生理特性、物質循環等產生深刻影響[1—3],已有眾多研究發現氣候變化對森林造成極大影響。如：生長分異[4—5]、森林演替、林分衰退及死亡率增加[6—9]、固碳能力降低[10—11],甚至成為碳源[12—13]。生物量碳密度是用于評價森林生態系統的固碳增匯功能最常用指標[14—15],碳密度的年際變化可用于指示氣候變化對森林固碳能力的影響[16—18],已有相關研究主要集中在碳密度的靜態比較[19—20]、森林生態系統碳密度組成特征[21—22]、大尺度上基于遙感數據、資源數據和模型計算分析碳密度[15,23—24]等方向,也有少量生物量碳密度對氣候因子的響應研究。如：王云霓等[16]對寧夏六盤山不同氣候區華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林、于健等[17]對長白山紅松(Pinuskoraiensis)林、曹恭祥等[18]對紅花爾基沙地樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)人工林的研究中均利用年輪寬度推算碳密度及其增量的年際變化。但受樹種、群落結構、水熱條件、經營措施等影響,森林植被的固碳能力表現出明顯的種間差異和時空異質性[14—15]。在氣候變化背景下,基于森林碳匯功能進行森林經營或精細化管理時,就需要全面理解氣象因子對不同地區、不同樹種的碳匯能力的影響。

華北落葉松抗逆性強,是優質速生的用材樹種,也是涵養水源、固碳釋氧、調節氣候的主要造林樹種,在華北各地、陰山、賀蘭山、六盤山、祁連山、天山、秦嶺山、九江廬山等地區均有分布。處在半濕潤向半干旱、干旱過渡氣候區的內蒙古大青山,是黃河流域重要的水源涵養地,此地區的植被對穩定大黑河、小黑河、黃河的水量和減小水土流失、控制水質水患及呼和浩特、包頭、烏蘭察布等地區的固碳釋氧、降溫增濕具有重要的生態影響。華北落葉松自20世紀60年代開始引入內蒙古大青山,生長良好。

在全球氣候變化的背景下,內蒙古大青山華北落葉松人工林碳密度的時間變化格局及其與氣象因子的關系,這在我國陰山地區森林、灌叢-草原植被過渡帶上森林植被固碳特征的研究中還未見報道。因此,本文以陰山中段的內蒙古大青山華北落葉松人工林為研究對象,基于年輪寬度,結合解析木的方法,計算華北落葉松人工林碳密度及其年增量的動態變化,并分析碳密度年增量對氣象要素的響應特征,為探索全球氣候變化下陰山地區碳平衡特征及人工林固碳功能的深入研究提供基礎,同時對認識氣候變化對森林草原過渡帶的影響具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究的采樣點位于內蒙古大青山國家級自然保護區,介于40°34′—41°14′N,109°47′—112°17′E,處在半濕潤區向干旱半干旱區及森林、灌叢—草原植被的過渡地帶。冬季寒冷；春秋短暫,風大；夏季多雨、溫涼,相對濕潤。研究區1960—2019年氣候數據(圖1)顯示：在全球變暖的背景下,研究區年均氣溫呈明顯的上升趨勢,多年平均氣溫3.25 ℃,年均氣溫最高為5.80 ℃,出現在2007年；年均氣溫最低為1.55 ℃,出現在1967年；最冷出現在12月；極端最高氣溫33.6 ℃,最熱出現在7月；近60年的平均相對濕度為53.51%,年均大氣相對濕度最高為64.00%,出現在2003年；60年間年降水整體呈增加趨勢,最大值出現在1961年(553.10 mm),多年平均為351.09 mm,每年6—8月的降水量最大；年均風速為3.20 m/s,年日照時數平均為2947.10 h,年蒸發量為1846.8 mm。

圖1 近60年間(1960—2019年)降水和溫度的年際變化

保護區華北落葉松多為人工純林,在陰坡凹地或者坡下伴有白樺(Betulaplatyphylla)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、山楊(Populusdavidiana)等樹種,華北落葉松林人為干擾較少。灌叢以三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)、山刺玫(Rosadavurica)、蒙古莢迷(Viburnummongolicum)、虎榛子(Ostyopsisdavidiana)、達烏里胡枝子(Lespedezadavurica)為主；草本有羊草(Leymuschinensis)、翠菊(Callistephuschinensis)、百蕊草(Thesiumchinense)、翻白繁縷(Stellariadiscolor)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)、蕨(Pteridiumaquilinum)、克氏針茅(Stipakrylovii)、小紅菊(Dendranthemachanetii)、西伯利亞烏頭(Aconitumbarbatumvar.hispidum)、百里香(Thymusmongolicus)、東方草莓(Fragariaorientalis)、米口袋(Gueldenstaedtiamultiflora)等。土壤呈微酸性,質地以棕壤、褐土等為主。

1.2 樣地設置

本研究中華北落葉松林5個30 m×30 m調查樣地(P1、P2、P3、P4、P5,表1)分布在北坡,林齡均為43 a,是研究區保存最好、林齡相對較大的華北落葉松純林。對喬木進行每木編號、調查,林下灌木每叢調查；在每個樣地對角線機械設置5個草本樣方,并記錄海拔、坡度等立地因子,樣地的基本特征見表1。

表1 華北落葉松人工林樣地基本特征

P1與P5對應海拔差24.0 m,海拔差相對較小,可以忽略海拔導致的立地條件微差異。5個樣地的土壤均為山地灰褐土,土壤厚度大于100 cm,樣地林分密度為1056—1366 株/hm2；樣地平均胸徑和平均樹高的最大值分別為17.70 cm和13.64 m,最小值分別為16.57 cm和12.97 m；郁閉度相近,變化范圍為0.70—0.80。受林分郁閉度的影響,林下灌木零星分布或無,P1、P2樣地林下均沒有灌木,P3樣地林下灌木有8叢多花胡枝子(Lespedezafloribunda)、2叢土莊繡線菊(Spiraeapubescens),P4樣地林下灌木有3叢胡枝子、2叢土莊繡線菊、1叢水栒子(Cotoneastermultiflorus),P5樣地林下灌木有2叢水栒子、1叢土莊繡線菊。草本層蓋度為58%—70%,樣地間的草本種類基本相同,主要有：地榆、東方草莓、歪頭菜(Viciaunijuga)、蒲公英和老鸛草(Geraniumwilfordii)。

1.3 樹芯取樣和年輪寬度測定

每個樣地按徑級分布比例選擇標準木20株,在胸高處垂直交叉鉆取2根樹芯,風干后固定、打磨、掃描,使用WinDENDRO分析系統進行交叉定年和測量,利用COFECHA程序[25]對測量結果和定年準確性進行質量控制,合格后獲得年輪寬度(精度為0.01 mm)數據。

1.4 生物量估算

首先,基于標準木胸徑(D2016,cm)、垂直交叉方向的年輪寬度(dn,cm),通過公式(1)計算得出歷年胸徑Dn(0≤n<2016)。其次,基于樣地外華北落葉松16株解析木數據建立單株的干、枝、葉、皮等不同器官生物量(W,kg)與胸徑(D,cm)的函數關系,計算不同器官歷年的生物量,具體見公式(2)—(5)；根據單株根系生物量(W根,kg)與胸徑、樹高(H,m)的數量關系計算歷年的根系生物量[26],見公式(6)。

Dn=D2016-dn

(1)

式中,dn=d2016+d2015+……+dn+1+dn+2

W干= 3.2966D0.1587(R2=0.8732)

(2)

W枝= 2.4363D0.1473(R2=0.9235)

(3)

W葉= 1.0121D0.1161(R2=0.8370)

(4)

W皮= 0.9136D0.1422(R2=0.8495)

(5)

W根=0.8247Ln(D2H)-4.2346 (R2=0.972)

(6)

1.5 碳含量測定

每個徑級選擇4株標準木,在樹冠的上部、中部、下部位置的東、西、南、北4個方向分別取干、枝、葉、皮等不同器官的植物樣；選擇與平均胸徑接近的1株樣樹,對根系進行全挖,分別對≤0.2 cm的細根、0.2—2 cm的中根和>2 cm的粗根進行取樣；相同器官樣品等量混合后烘干、粉碎、過篩。含碳率采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測定。

1.6 碳密度及其年增量的估算

基于華北落葉松的干、枝、葉、皮、根等不同器官的生物量(W,t/hm2)與有機碳含量(R)計算得到碳密度(CD,t/hm2),見公式(7)：

(7)

式中,CD是碳密度(t/hm2),m表示樣地內樹的株數,n表示單株的干、枝、葉、皮、根等不同器官。

根據公式(8)計算碳密度年增量(CDI,t hm-2a-1)[18]。

CDIk=CDk-CDk-1

(8)

式中,CDk是第k年的碳密度(t/hm2),k表示年份。

1.7 氣象數據獲取與數據處理

在內蒙古自治區生態與農業氣象中心獲得研究區多年的氣象數據,包括氣溫、最低溫、最高溫、降水量和相對濕度等氣象因子的月值；考慮到前一年氣象因素對次年碳密度年增量的影響[18],在SPSS 18利用Pearson相關分析氣象因子對華北落葉松人工林碳密度年增量的影響時,選擇氣象指標的時長為1979年6月到2016年12月。

數據處理是在Excel 2010和SPSS 18統計軟件里完成的,選擇單因素方差分析(one-way ANOVA)比較參數間的差異,取P<0.05為差異顯著,P<0.01為差異極顯著。

2 結果與分析

2.1 碳密度的年際變化

華北落葉松不同器官的含碳率存在差異(圖2),葉與干、枝、皮之間是極顯著差異(P<0.01),根與葉、干、枝、皮之間呈顯著性差異(P<0.05),而干、枝、皮之間差異不顯著。皮和干的平均含碳率最高,分別為55.22%和55.13%；枝的平均含碳率次之(54.36%),根的平均含碳率低于枝的,為52.47%,葉的平均含碳率(51.22%)最低。

圖2 華北落葉松干、枝、葉、根、皮的含碳率

華北落葉松人工林碳密度的年際變化如圖3所示。碳密度隨著林齡的增加先緩慢增加后快速增加,兩者之間的關系可以用Logistic方程描述,1979—2016年間華北落葉松人工林碳密度從1.05 t/hm2增加到76.83 t/hm2,近38年間增長超過了73倍,說明華北落葉松生長較快,固碳量速率較快,增匯功能強。從生物量固碳和提供木材角度來看,在內蒙古大青山人工造林時,可以選擇華北落葉松。

圖3 不同年份華北落葉松林的碳密度和碳密度年增量

2.2 碳密度年增量的年際變化

華北落葉松林碳密度增長速度上總體表現出“慢-快-慢”的波動趨勢,但年際間波動存在差異,見圖3。在1980—1997年期間,碳密度年增量快速上升,但在上升中又有波動；1997年碳密度年增量達到3.72 t hm-2a-1；1997—2001年間碳密度年增量保持較高的水平,之后碳密度年增量呈波動性降低趨勢,降低到2009年的1.55 t hm-2a-1；2009—2013年碳密度年增量基本維持不變,變化范圍1.54—1.73 t hm-2a-1；在2013年之后呈現波動上升的趨勢。38年碳密度年增量平均值為2.05 t hm-2a-1,變異系數為0.42。

2.3 碳密度年增量對氣象因子的響應

華北落葉松林碳密度年增量與氣象因子的相關性見圖4。碳密度年增量與上年6月及當年6—8月的降水保持顯著(P<0.05)正相關的關系,說明生長季降水對華北落葉松林固碳功能的影響較大；與上年11月的降水保持顯著(P<0.05)負相關,與當年冬季(11—12月)的降水也呈負相關,雖然相關系數沒有達到顯著性,但相關系數較大,說明冬季降水對當年及次年的林分碳密度年增量的影響較大。碳密度年增量與上年及當年生長季(5—9月)的大氣相對濕度保持正相關,但與上年10月到次年4月、當年10—12月的大氣相對濕度保持負相關,尤其上年11—12月、當年2月和12月的大氣相對濕度顯著影響著碳密度年增量。碳密度與上年11—12月、當年12月的月均溫和月均最高溫均呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)的相關關系,與上年7月、9月及當年2月、8—9月的月均溫呈顯著或極顯著正相關,相關系數均大于0.33。

圖4 華北落葉松林碳密度年增量與月份氣象因子的相關系數

3 討論

3.1 華北落葉松林的碳密度特征

研究區43 a華北落葉松林的碳密度是76.83 t/hm2,遠高于我國森林植被生物量碳密度(55.7 t/hm2)[21]和全國落葉松林(60.2 t/hm2)[27],說明大青山華北落葉松人工林是碳匯的庫；也高于六盤山北側半干旱氣候區31 a的(34.45 t/hm2)[16]、山西省太岳山好地方林場31 a的(54.06 t/hm2)[28]、大興安嶺南段賽罕烏拉32 a的(26.46 t/hm2)[29]、河北省木蘭林管局新豐林場32 a的(42.37 t/hm2)[30]華北落葉松人工林喬木層生物量碳密度；但低于河北陰河林場38 a華北落葉松人工林的生物量碳密度(112.90 t/hm2)[31],與六盤山南側半濕潤33 a華北落葉松林碳密度(74.10 t/hm2)相近[16]。以上研究中計算方法均是基于生物量與胸徑的數量關系及含碳率估算喬木層生物量碳密度,造成差異的原因可能與林分結構、立地條件、氣候等有關。如：Ahmad等[22]、舒洋等[29]、馬長明等[30]和張田田等[31]研究均認為：華北落葉松林生物量碳密度隨著林齡的增加而增大；王云霓等[16]認為華北落葉松人工林喬木層生物量碳密度隨林齡、林分密度、樹高、胸徑、郁閉度等林分結構的增加而增加,且不同氣候區華北落葉松林生物量碳密度及年增量存在顯著差異；Guo等[32]發現森林植被類型、林齡及研究區氣候、土壤等因素的組合是造成林分尺度森林碳密度差異的主要原因；王建等[33]對青藏高原高寒區闊葉林、沈彪等[34]對秦嶺中段南坡油松林的研究均認為固碳速率受坡度、海拔等地形因子的影響。

受水熱條件的影響,不同地區華北落葉松林固碳能力存在差異,已有研究中平均碳密度年增量/年固碳速率為：六盤山南側香水河小流域(5.57 t hm-2a-1)[16]、河北陰河林場(2.97 t hm-2a-1)[31]、六盤山北側疊疊溝小流域(2.58 t hm-2a-1)[16]、山西省太岳山好地方林場(1.74 t hm-2a-1)[28]、河北省木蘭林管局新豐林場(1.32 t hm-2a-1)[30]、大興安嶺南段賽罕烏拉(0.83 t hm-2a-1)[29]。本研究中,近38年間華北落葉松人工林生物量碳密度年增量最高達到3.72 t hm-2a-1,多年平均碳密度年增量為2.05 t hm-2a-1?？傮w看,內蒙古大青山華北落葉松人工林的碳密度年增量相對較低,可能因為研究區處在半干旱半濕潤氣候區的交錯帶,年降水量僅343.64 mm,不能滿足生長需求,土壤層儲水能力差,樹木在生長季受水分脅迫,生長季溫度相對較低,生長期相對較短,導致華北落葉松生長相對較慢,碳密度年增量相對較小。

3.2 氣象因素對碳密度年增量的影響

前人關于碳密度年增量與降水關系的研究結論并不一致。如：曹恭祥等[18]對紅花爾基樟子松人工林的研究發現年固碳速率與前一年12月和當年3月的月降水量達到顯著相關,與生長季降水的關系不密切；而牛春梅等[35]研究則認為：降水量是限制黃土高原刺槐人工林碳密度的主要因子；Tang等[21]對我國陸地生態系統碳庫的研究發現,水分的可利用性是影響干旱地區生態系統碳儲量的主要原因。本研究中,華北落葉松林碳密度年增量與上年6月和當年6—8月的降水量顯著正相關,與上年11月的降水顯著負相關。這主要因為研究區年降水量較少,且主要分布在6—8月,而6月平均氣溫達到17 ℃以上,最高氣溫回升到23 ℃以上,水熱同期使樹木形成層細胞分裂迅速,此時較多的降水和適宜的溫度,可以滿足樹木生長需求,有利于增大其固碳潛力。本研究中華北落葉松林碳密度年增量與6—8月溫度和降水的相關性均較高就是例證,所以生長季降水量和溫度是影響研究區華北落葉松林碳密度年增量的主要因素。11月降水常以固、液態混合形式,如果此時降水天氣較多,濕度增大,而此時溫度低于0 ℃,極易結冰,形成凍害；12月至次年2月的降水以固體形式為主,降雪對樹木造成物理影響小于其為次年提供水分的影響,但降雪天氣增加大氣濕度,降低溫度,不利于樹木過冬,故冬季大氣相對濕度與碳密度年增量呈顯著負相關關系。

本研究中華北落葉松林碳密度年增量與各月溫度指標大多表現為正相關,尤其生長季7—9月和冬季(11—12月、2月)的溫度顯著影響著華北落葉松林碳密度年增量。這與前人研究基本一致,如：羅磊等[36]研究認為：阿爾泰山落葉松林的碳密度與氣溫呈正相關；楊鳳萍等[37]對秦嶺油松和華山松、成澤虎等[38]對北京油松天然林的研究均發現：喬木層生物量增量與生長季溫度呈正相關。但也有研究發現碳密度年增量與生長季溫度呈負相關,如曹恭祥等[18]發現樟子松人工林碳密度年增量與5—10月的月均氣溫、月均最低溫和月均最高溫均呈負相關,特別上一年7月、9月及當年8—9月溫度顯著或極顯著影響碳密度年增量。以上不同結論可能與樹種特性、水熱條件、林分結構等因素有關。如：Tang等[21]研究發現,森林、灌叢和草地的碳庫的分布格局與降水、溫度的空間分布格局一致；Ahmad等[22]研究認為華北落葉松林生物量碳密度隨著林分密度、郁閉度的增大而增加；牛春梅等[35]認為林齡、降水量是影響黃土高原中西部刺槐人工林生態系統碳密度的主要因素。此外,本研究中華北落葉松林碳密度年增量與5月平均氣溫是負相關關系,這在曹恭祥等[18]、程瑞梅等[39]的研究中也有發現。生長季初期的5月,樹木形成層細胞分裂迅速期,樹木開始萌動生長,此時較高溫度造成林地蒸散耗水增大,但春季降水較少,土壤水分得不到補充,不利于樹木生長。相關研究也發現溫度升高引起的干旱脅迫進而影響樹木生長。如：Buermann等[40]對歐亞北方森林的、Schuster和Oberhuber[41]對奧地利中部地區針葉混交林的、Yu等[4]對長白山低海拔地區紅松(PinuskoraiensiSieb.et Zucc)、M?kinen等[42]對芬蘭南部地區的挪威云杉(Piceaabies(L.)Karst)及曹恭祥等[18]、張先亮等[43]、姜鳳岐等[44]對樟子松的研究均顯示：溫度升高引起的干旱脅迫或生理干旱是樹木生長受限的主要原因。6—8月是華北落葉松生長旺盛期,此時豐富的降水能夠滿足華北落葉松生長的需求,而此時溫度升高可以加快光合作用,有利于積累光合產物,增強碳匯功能,所以本研究中華北落葉松林凈初級生產力與6—8月的溫度、降水相關性均較高；9月是研究區樹木生長的結束月,較高的溫度、適量降水能延長生長季和增加光合產物的積累,也有利于樹木安全過冬；而研究區11—12月氣溫對華北落葉松林碳密度年增量的影響需要結合降水形成的雪害及凍害,冬季較高的溫度可以避免凍害,也利于提高土壤溫度,延長生長期,增加樹木增匯能力。

4 結論

本文利用解析木和年輪生態學的方法,研究了內蒙古大青山華北落葉松人工林喬木層碳密度、碳密度年增量及其與氣象因子的關系。結果表明：隨著林齡的增加,華北落葉松人工林碳密度增加,兩者變化關系可用邏輯斯諦方程描述；38年間(1979—2016年)華北落葉松人工林碳密度從1.05 t/hm2增加到76.83 t/hm2。華北落葉松人工林碳密度年增量年際差異較大,總體上呈波動的“慢—快—慢”趨勢,碳密度年增量的多年平均值為2.05 t hm-2a-1,最大值為3.72 t hm-2a-1。氣象因素是影響固碳速率年際變化的主要原因,主要受上年6月、11月及當年6—8月的降水、冬季(11—12月、2月)的溫濕度和上年及當年9月、上年7月、當年8月氣溫的影響,即生長季中后期的溫度決定的生長季長短、生長季的降水決定的土壤可利用水分、冬季溫濕度決定的凍害雪害是影響內蒙古大青山華北落葉松人工林碳密度年增量的主要因素。根據中國及研究區氣候變化的趨勢來看,研究區的大氣溫度將會升高,降水將增加,水熱條件將更加優越且生長季將延長可能會提高研究區華北落葉松的固碳功能,但年內尺度上氣候變暖變濕的時間變化格局及降水、干旱等異常氣候事件對華北落葉松人工林固碳速率的影響還需要繼續追蹤研究。