基于FORECAST模型的塞罕壩機械林場森林碳儲量動態變化

胡靖宇，沈廣林，劉靜波，王麗娟，田 曉

(1.河北石油職業技術大學，河北 承德 067000；2. 河北旅游職業學院，河北 承德 067000)

1 引言

“十四五”時期，中國生態文明建設進入了以降碳為重點戰略方向、推動減污降碳協同增效、促進經濟社會發展全面綠色轉型、實現生態環境質量改善由量變到質變的關鍵時期。森林碳儲量約占陸地生態系統碳儲量的2/3,對提升碳匯能力意義重大[1]，目前不少學者對碳匯能力從不同角度開展研究，但數據精確度不夠，因此精確估算森林生態系統碳儲量和價值量，預測森林生態系統碳儲量及碳匯潛力，為國家林業碳匯減排及碳達峰碳中和目標實現提供參考。塞罕壩經過三代人不懈的努力，曾經寸草不生的荒漠發展成為“綠色地圖”，精確的估算塞罕壩機械林場森林生態系統碳儲量意義深遠。

華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)是塞罕壩地區最常見的速生針葉樹種，具有喜光、喜陽、耐寒性強等生態特性，蓄積量最大，在華北山地分布較廣[2]。白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)是塞罕壩地區比較常見的闊葉樹種，生態習性和華北落葉松相似，喜光、喜陽、耐嚴寒，對土壤適應性強，東北和華北地區比較常見，為次生林先鋒樹種。本文以塞罕壩機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年內碳儲量和年均固碳量變化趨勢，篩選出落樺混交林可持續性經營策略，增強碳匯能力，推動綠色發展。

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械林場陰河林場的前曼甸營林區，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7個月，蒸發量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，腐殖質含量為20%。研究區域林分為華北落葉松和白樺混交林。

2.2 樣地設置與調查

在試驗地內設置5塊20 m×20 m 的固定樣地，對華北落葉松和白樺分別進行每木檢尺，分別確定華北落葉松和白樺標準木，分別測定其生物量，每個試驗內設置4 個灌木樣方(5 m×5 m)、4 個草本樣方(1 m×1 m)、4 個枯落物樣方(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。選取每個試驗地四角和中心5個位置，分層取土樣。測定土壤容重、全氮和土壤有機質。

2.3 FORECAST模型簡介

如圖1所示，將土壤數據、喬木數據、林下植被數據、苔蘚數據輸入到模型中，模式會輸出相應變化趨勢，該模型最大的優點是隨著外界環境因素的變化模型可以進行動態的模擬，然后進行相應反饋，例如季節變化、土壤肥力、病蟲害，甚至火災等外界因素都可以動態反饋。FORECAST模型的驅動機制是葉氮同化率(FNE)。由于下層樹葉被上層樹葉遮擋，在實際應用過程中對FNE進行修正，修正為遮蔭葉氮同化率(SCFNE)。SCFNE的計算方法首先將林冠層沿垂直方向分為若干亞層，分別計算每個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(好、中、差)分別設置為25、19、15。將華北落葉松和白樺混交林混交比例分別設置為2∶1，1∶1，1∶2，1∶3，1∶4五種模式，每個輪伐期50年，共6個輪伐期，每個輪伐期第10年間伐20%。

2.5 模型的精度檢驗

將FORECAST模型模擬數據和文獻中實測數據進行比較，模型校驗精度如圖2所示，好中差3種立地條件下生物量變化趨勢與實測數據趨勢一致。

圖2 模型精度檢驗

3 結果與分析

3.1 喬木層碳儲量變化趨勢

模擬結果如圖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個輪伐期內均有不同程度的下降，說明以上兩種混交方式經過連載，會導致土壤肥力下降，由此可見，混交林中華北落葉松占比過高不利于可持續經營。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個輪伐期內土壤有機碳儲量呈現上升趨勢，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 生態系統碳儲量變化趨勢

模擬結果如圖5所示：好中差3種立地條件下生態系統的碳儲量表現為較好立地>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個輪伐期內生態系統碳儲量呈現上升趨勢，而混交比例為1∶1和2∶1兩種林分呈現下降趨勢，由此可見這兩種方式不利于混交林的可持續發展。

圖5 不同立地類型華北落葉松和白樺混交林生態系統碳儲量

3.4 年均固碳量差異分析

模擬結果如表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，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代連栽所呈現出來的喬木層碳儲量、土壤碳儲量、生態系統碳儲量和年均固碳量有差異，較好立地優于中等立地優于較差立地，其中混交林中白樺的占比高于華北落葉松的林分，隨著連栽次數的增加，生態系統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，隨著連栽次數的增加土壤碳儲量、生態系統碳儲量趨于平緩，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力，較差立地條件下混交比例對年均固碳量和凈生產力不明顯。

5 討論

5.1 FORECAST模型對落樺混交林凈生產力估測

凈初級生產力(NPP)直接反映森林生態系統的質量狀況、生產能力和固碳能力，對于碳中和、碳平衡的研究有重要的意義，不同學者針對于華北落葉松和白樺凈生產力和固碳量有一定的研究，如張慧東等運用參數率定模型模擬了落葉松人工林生態系統碳通量的動態變化，測算生態系統的年平均總初級生產力為 13.234 t/hm2[9]。呂振剛等利用CASA模型計算華北落葉松當前及未來潛在NPP,結果河北省華北落葉松當前潛在NPP均值為342.7 gC·m2a[10]。趙匡記等以塞罕壩地區華北落葉松為研究對象，結果26～30年生林分的生產力最大，為5.72 m3/(hm2·a)，11～15年生產力最小，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力模擬結果為4.36～9.58 t/(hm2·a)之間，與前人估算結果相近，由此可見FORECAST混合模型對于落樺混交林模擬結果相對準確。

5.2 不同混交比例華北落葉松白樺混交林的凈生產力及碳儲差異

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力最差，較差立地條件下混交比例對年均固碳量和凈生產力不明顯，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用問題

FORECAST模型在全球已廣泛應用，但在針葉純林上應用居多，對于闊葉樹和針闊混交林還處于嘗試階段，FORECAST模型最大優勢在于其動態管理，反饋機制，打破傳統模型預測的局限性，J. P. (Hamish)Kimmins 團隊正在將該模型與水分模型(FORWADY)進行耦合，未來在森林生態系統碳儲量預測會更精準、更客觀。