河北壩上沙地白榆林的生物量與碳儲量

趙國華，蓋凡丁，張 杰，王 超，尤海舟

（1.承德市灤平國有林場總場，河北 灤平 068250； 2.河北省林業和草原科學研究院，河北 石家莊 050061； 3.河北豐寧沙地生態系統國家定位觀測研究站，河北 豐寧 0683571）

0 引言

氣候變化是當今世界關注的熱點問題和面臨的巨大挑戰之一，世界各國正積極致力于減緩全球溫室氣體排放的增長速度，碳循環成為全球變化研究和宏觀生態學的核心研究內容之一[1]。森林生態系統作為陸地生態系統的主體，在維護全球氣候系統、調節全球碳平衡、減緩大氣溫室氣體濃度上升等方面具有不可替代的作用[2]。森林通過光合作用積累的同化產物以生物量的形式長期儲存于生態系統[3]，是陸地生態系統碳循環的重要過程，生物量和碳儲量及其變化是土地利用變化和林業溫室氣體排放清單編制的基礎，森林碳匯功能在應對氣候變化方面具有不可替代的作用。目前，森林碳匯研究多集中于落葉松、油松、杉木、楊樹、白樺等優勢樹種，尚有多個樹種存在研究區布局不合理或樣本數偏低等問題。白榆（Ulmus pumila），耐干旱，根系發達，適應性，是我國干旱半干旱地區的重要鄉土樹種，在渾善達克沙地、科爾沁沙地等地形成特有的疏林草原植被類型，在保持水土、防風固沙和維護生態平衡有著獨特的生態作用，是沙地最穩定和高生產力的植被類型[4]。河北壩上地處內蒙古高原的南緣，緊鄰渾善達克沙地，榆樹稀樹草原亦有較多分布，白榆是當地營造防風固沙林的重要樹種，約有白榆林2.5萬hm2。對該區沙地白榆林開展生物量與碳儲量的調查研究，有助于科學認識人工造林的生態功能，對于草原植被的生態恢復和增加區域碳匯量有著積極的促進作用。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于河北省豐寧滿族自治縣壩上地區，41°21’～42°00’N，115°54’～116°38’E，海拔約1400～1800m。該區屬大陸季風型半濕潤、半干旱高原山地氣候，氣候寒冷干燥，年平均氣溫 6.7 ℃，≥10 ℃積溫1600～1798 ℃。多年平均降水量350～500 mm，降雨主要集中于7～9月，約占全年降水量的79%。地帶性土壤以草原栗鈣土和風沙土為主，土壤砂粒含量高、質地松、內聚力差，易于沙蝕風化。該區屬森林向草原的過渡地區，以干旱草原植被為主，但植物種類組成和植被類型較豐富，具有明顯的過渡性特征[5]。由于該區草原植被破壞嚴重，人工營造了大面積的防護林，主要喬木樹種有華北落葉松（Larix principis-rupprechtii Mayr）、樟子松（Pinus sylvestris var.mongholica Litv.）、北京楊（Populus beijingensis W.Y.Hsu）、白榆等。沙地白榆林在本區造林植苗密度較高，隨林齡增加受放牧、干旱等因素的影響，樹木保存率和林分密度較低，郁閉度0.4～0.7，林下常見少量更新幼樹；林下草本植被生長較好，蓋度通常50%～90%，灌木層多缺失，凋落物積存量通常很少。

1.2 調查與研究方法

野外生物量調查采用標準地法。選擇典型林分設置3塊調查樣地，面積30×30m2，樣地基本情況詳見表1。通過每木檢尺與樹高測量、繪制樹高曲線后選取平均標準木1株，挖倒后測定各器官（干、枝、葉、根）的生物量鮮質量并取樣；其中樹干按1m區分段實測生物量鮮質量和樹干材積，枝和葉分為上、中、下3層測定鮮質量，根分為粗、中、細3級測定鮮質量。野外所取鮮樣品室內85℃烘干至絕對干質量，計算出全株和不同器官的生物量總質量，再按胸高斷面積推算出喬木層生物量總質量。草本層、凋落物層生物量按對角線設5個1×1m2樣方測定鮮質量，灌木層生物量按對角線設5個2×2m2樣方測定鮮質量，取鮮樣品室內烘干測定質量，再推算出單位面積生物量的總質量。

表1 沙地白榆林生物量樣地基本情況

生物量計量參數主要參考IPCC指南（2006）[6]、《林業碳匯計量監測術語》（LY/T3253-2021）[7]等推薦的計算方法，公式如下：

其中：BEF，樹木生物量擴展因子（無量綱）；AB，樹木地上部分生物量（t/hm2）；SB，樹干生物量（t/hm2）。

其中：B C E F，樹木生物量轉化與擴展因子 （t/m3）；V，林分蓄積量（m3/hm2）。

其中：R，根莖比（無量綱）；UB，樹木地下部分生物量（t/hm2）。

其中：WD，木材基本密度（t/m3）。

由以上公式可知，理論上BCEF=BEF×WD。

2 結果與分析

2.1 沙地白榆林的林分組分生物量分配狀況

碳以生物質或有機質的形式儲存于森林植被和土壤中，可以將森林碳庫按林分組分構成劃分為喬木層碳庫、草本植物碳庫、灌木碳庫、凋落物碳庫和粗木質殘體碳庫、土壤碳庫等。表2為各樣地生物量密度的測定結果，表明沙地白榆林不同林分組分間生物量（生物現存量）的分配比例為喬木層平均值94.43%、草本層平均值5.54%、凋落物層1.03%，生物量分配次序為喬木＞草本＞凋落物，而灌木和粗木質殘體所積累的生物量很少，可以忽略不計。可見喬木層樹木所積累的生物量遠高于其他林分組分，也是其最重要的碳庫。

表2 沙地白榆林不同林分組分的生物量

2.2 沙地白榆林喬木層生物量分配狀況

喬木層樹木是植被群落中生產力最主要和最活躍的群體，多年的同化作用將碳以生物質的形式儲存于樹干、樹枝、樹葉和樹根等器官中，并通過枯損過程向凋落物層、土壤層等轉移，是植被群落實現固碳功能最主要的部分。樹木生物量一般隨樹齡增長呈增加趨勢，但由于樹種特性、立地條件和經營措施的差別，其各器官生物量分配狀況多有不同。本次研究表明，白榆各器官生物量分配比例為樹干平均值37.68%、樹枝平均值24.92%、樹葉平均值5.07%、樹根平均值32.33%，即總體上為干＞根＞枝＞葉。白榆生長于干旱沙地環境，樹高較矮，林木稀疏，側枝和根系發達，相較本區華北落葉松、樟子松等主要造林樹種的樹干和樹葉生物量所占比例較低，而樹枝和樹根所占比例較高[8]。

2.3 沙地白榆林的生物量計量參數

生物量計量參數是森林碳匯評估的重要參數，不同區域和樹種及發育階段的生物量計量有較大差異，本次研究沙地白榆林生物量計量參數計算結果詳見表3。由表3可知，白榆林的生物量計量參數中BEF值、BCEF值和R值變化差異較大，而WD值相對穩定。

表3 沙地白榆林的生物量計量參數

2.4 沙地白榆林的碳儲量

森林碳儲量可由不同碳庫的生物量與含碳率計算而來，不同林分組分、樹種和器官的含碳率均有差異，喬木層植被含碳率采用《碳匯造林項目方法學》（AR-CM-001-V01）的推薦值0.497[9]；根據程仁堂等對林下草本植物、凋落物的測定結果含碳率多低于0.45而接近于0.4，故本次研究取0.4[10、11]。表4為3塊白榆林樣地碳儲量（碳密度）的計算結果，可見沙地白榆林雖然林分稀疏，生長較緩慢，但碳儲量仍較高，其中以喬木層樹木的碳儲量最高。3塊樣地的年均固碳量以2號樣地最高，可達2.1537 t·hm-2·a-1；而1號樣地最有代表性，年固碳量為1.1824 t·hm-2·a-1，代表了本區白榆林較高生產力水平下較長期的年均固碳速率，表明白榆林在固碳潛力較高。

表4 沙地白榆林的碳儲量

3 結論與討論

3.1 結論

本次研究表明，河北壩上沙地白榆林的生物量主要積累于喬木層樹木中，其中以樹干和樹根所積累量較高，這同渾善達克沙地稀樹草原生物量的研究結果相似[3]。白榆林的生物量計量參數分別為BEF=1.836±0.378、BCEF=0.827±0.221t·m-3、R=0.499±0.184、WD=0.445±0.044t·m-3，相較其他樹種R值較高，這反映了其地下生物量碳庫較高；同時3塊樣地生物量計量參數變化較大，可能由于其林分密度變化較大所導致，因此獲取精度較高的生物量計量參數需要加大樣本測定數量。

白榆林調查樣地碳密度變化為22.4～33.9 t·hm-2，年均固碳量0.74～1.18 t·hm-2·a-1，以上2項指標均表明沙地白榆林具有較高的碳匯功能，遠高于我國草地平均碳密度2.36～11.48 t·hm-2的研究結果[12]，是干旱半干旱草原區非常重要的匯；也表明人工造林對提升草原碳匯的重要性，是改善草原“弱碳匯”[13]狀況的可行措施。此外，不同樣地間碳密度和固碳速率均有較大差異，表明通過適合的森林經營措施有可能大幅提升森林碳儲量，具有較高的固碳潛力。

3.2 討論

白榆是河北壩上地區沙地優良的生態防護樹種，且能夠形成穩定的森林群落，但生長速度相對較慢，但同本區樟子松、華北落葉松主要造林樹種相比，在生產力和固碳方面尚有差距；同屬壩上地區的塞罕壩林場華北落葉松林18a生和38a生碳儲量分別為 65.82 t·hm-2、150.66 t·hm-2[14]，科爾沁沙地樟子松林18a生和30a生時碳儲量分別為32.476 t·hm-2、73.214·hm-2，毛烏素沙地30a生樟子松林碳儲量可達57.08t·hm-2，以上樹種速生性強，且林分密度較高，可見在河北壩上地區營造碳匯林若立地條件較好時宜選擇華北落葉松、樟子松等樹種。