西藏自治區(qū)灌木林碳儲量估算

付達(dá)夫

(國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，長沙 410014)

西藏自治區(qū)灌木林碳儲量估算

付達(dá)夫

(國家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，長沙 410014)

青藏高原獨(dú)特的地形地貌和高、旱、寒的自然特征促進(jìn)了灌木的生長和廣泛分布，作為森林資源不可或缺的組成部分，灌木林在林業(yè)生態(tài)建設(shè)和應(yīng)對氣候變化中發(fā)揮了重要作用。近年來西藏自治區(qū)加大了生態(tài)保護(hù)的力度，采取了封山育林等措施保護(hù)和促進(jìn)灌木林資源發(fā)展。估算灌木林碳庫及碳匯，對于充分認(rèn)識灌木林的重要地位，發(fā)揮灌木林在固碳增匯中的重要作用及評估西藏自治區(qū)生態(tài)建設(shè)成效都具有積極意義。

灌木林；碳庫；碳儲量；模型

前言

溫室氣體排放增加引起的全球氣候變化正在深刻影響著自然生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和功能的發(fā)揮，并間接影響人們的生產(chǎn)和生活，因此成為廣受社會關(guān)注的熱點之一。森林植被通過光合作用吸收二氧化碳并生產(chǎn)有機(jī)物質(zhì)的過程被認(rèn)為是溫室氣體的自然吸收器，各國積極通過植樹造林和森林經(jīng)營來增加森林面積和蓄積，從而發(fā)揮森林的“碳匯”功能。研究不同區(qū)域、不同森林類型植被的固碳現(xiàn)狀和潛力，為準(zhǔn)確獲知“碳匯”大小，并根據(jù)地區(qū)特點制定針對性的增匯策略提供了參考。過去的三十多年間，不同學(xué)者圍繞著森林碳儲量、碳匯潛力及影響因素等科學(xué)問題開展了大量的研究[1-6]，包括利用森林資源調(diào)查資料的國家或區(qū)域尺度上碳庫和碳匯研究以及利用定位試驗臺、站的定點觀測對碳匯變化狀況及其機(jī)理進(jìn)行探討。作為森林資源的重要組成部分，灌木林除了在維護(hù)區(qū)域生態(tài)安全、構(gòu)建生態(tài)安全屏障和抵御惡劣環(huán)境等方面作出重要貢獻(xiàn)外，在應(yīng)對全球氣候變化中也發(fā)揮了重要的作用，但由于碳儲量估算所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和估算模型的不完善，鮮有對灌木林植被碳儲量的研究報道[7]。當(dāng)前對灌木林碳儲量的研究多是通過查閱文獻(xiàn)和調(diào)研，收集不同地區(qū)樣地水平上的灌木林生物量數(shù)據(jù)，進(jìn)行匯總得出不同灌木林類型的生物量及碳儲量。

與喬木林相比，灌木林物質(zhì)與能量積累速度慢，第一性生產(chǎn)力低，因此經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益也相對較低。但在惡劣生境下，灌木林具有生長范圍廣、生存空間大、適應(yīng)性強(qiáng)等生物學(xué)特性，耐干旱、貧瘠、風(fēng)沙侵蝕、高寒等環(huán)境，是自然條件惡劣及立地條件差的地區(qū)造林的先鋒樹種?？梢哉f，灌木林是高、旱、寒地區(qū)儲存物質(zhì)和能量的優(yōu)勢植被，也是這些地區(qū)發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧功能的必然選擇，有著其特殊的存在價值。近年來，西藏自治區(qū)加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)，大力推進(jìn)封山育林，發(fā)展灌木林取得顯著成效，灌木林地面積由2001年的765.26萬hm2增加到2006年的855.24萬hm2[8]、2011年的856.44萬hm2[9]，灌木林面積增加顯著，灌木林資源增加從而產(chǎn)生大量碳匯。通過對西藏自治區(qū)灌木林碳庫的估算，可為西藏自治區(qū)發(fā)展灌木林資源所創(chuàng)造的碳匯價值提供評估依據(jù)，并為評估西藏自治區(qū)灌木林在應(yīng)對氣候變化中的貢獻(xiàn)提供參考。

1 發(fā)展灌木林的重要性與必要性

西藏自治區(qū)高寒、干旱、多風(fēng)的氣候條件決定了西藏生態(tài)系統(tǒng)非常脆弱，高原環(huán)境下的森林生物群落在組成、結(jié)構(gòu)和外貌等方面都具有其特殊性和脆弱性，植被生態(tài)系統(tǒng)具有生長期短和周期長的特點，生態(tài)安全閾值幅度窄，生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境容量低，森林生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞后很難恢復(fù)。受全球氣候變化影響，高原氣候更是處于頻繁的異常波動之中，這種氣候特征使高原生態(tài)環(huán)境更加脆弱、敏感，自然生態(tài)系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)和修復(fù)能力差。在此背景下，灌木林作為植被修復(fù)的先鋒樹種越來越受到當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)建設(shè)的重視。自然和氣候條件決定了發(fā)展灌木林是西藏自治區(qū)干旱、半干旱地區(qū)進(jìn)行生態(tài)建設(shè)的必然選擇。

一方面西藏氣候適宜發(fā)展灌木林。部分地區(qū)高、寒、旱，熱量不足使得喬木難以度過漫長而寒冷的冬季；降水量少不足以滿足喬木生長對水分的需要；蒸降比大使得土壤鹽堿化，易造成喬木生理性缺水。這些因素的作用在很大程度上制約了喬木林的生長。而鄉(xiāng)土灌木樹種具有根系發(fā)達(dá)、天然更新快、萌發(fā)能力強(qiáng)等特點，能耐干旱、耐高寒、耐鹽堿、耐瘠薄、耐風(fēng)蝕、抗風(fēng)沙，可以適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂?。西藏灌叢生態(tài)系統(tǒng)包括4種類型，即河谷熱性灌叢、河谷干暖灌叢、高原干冷灌叢、高山冷濕灌叢生態(tài)系統(tǒng)，從中可以看出西藏灌木可以適應(yīng)干、冷環(huán)境的單一或協(xié)同影響。

另一方面灌木林可以發(fā)揮防風(fēng)固沙、保持水土、涵養(yǎng)水源、生物多樣性保護(hù)、固碳釋氧和物質(zhì)生產(chǎn)功能等作用，具有很高的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價值，為人類提供飼料、藥材、肥料和工業(yè)原料，并是農(nóng)牧區(qū)重要的生活燃料。

2 灌木植被碳儲量估算方法

目前對灌木林碳儲量的研究是通過植被平均生物量法估算各種類型的灌木林碳儲量?？紤]到工作量及破壞性取樣對植被的破壞，當(dāng)前的研究多數(shù)僅測量了灌木地上部分的生物量，缺乏地下生物量數(shù)據(jù)。胡會峰等[10]在計算中國主要灌木林植被碳儲量時，通過收集文獻(xiàn)中某一種灌木類型地上和地下生物量資料，對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合或計算兩者的比值，利用建立的地上和地下生物量關(guān)系進(jìn)而推算該類型其它樣方的地下生物量。對有限個樣方的生物量進(jìn)行平均即為樣方平均生物量，乘以相應(yīng)類型的灌木林面積即為總生物量。羅天祥等[11]基于有限樣點的資料，統(tǒng)計得出青藏高原主要灌木林的生物量為20～40 t/hm2，平均為35.166 t/hm2。然而以上方法與結(jié)果都是粗略的估計，建模樣本數(shù)量和估算樣本數(shù)量均較小，影響了估計的精度。為了科學(xué)的了解西藏灌木林碳庫及碳匯潛力，通過對西藏灌木林進(jìn)行代表性和全面性的灌木林群落因子調(diào)查，并使用灌木林分樣木法和樣方法的建模方程將群落因子調(diào)查結(jié)果轉(zhuǎn)換為生物量和碳儲量，從而估算樣地尺度和地區(qū)尺度灌木林碳儲量。

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查

在西藏自治區(qū)主要灌木林縣開展灌木林主要因子調(diào)查，并采集樣品以建立灌木林生物量模型。根據(jù)西藏自治區(qū)森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查資料所提供的灌木林各類型面積，綜合考慮交通情況，確定調(diào)查線路及各縣樣地數(shù)量。樣地采用隨機(jī)設(shè)置法，全區(qū)共布設(shè)樣地740個。樣地設(shè)置為5個正方形樣方，呈“米”字形布局，每個樣方大小為5 m×5 m，如圖1。

調(diào)查因子包括樣地基本因子調(diào)查(地理坐標(biāo)、海拔、坡度、坡向、坡位、土壤類型、土層厚度、蓋度等)及生物因子調(diào)查(優(yōu)勢樹種、平均年齡、株數(shù)或分枝數(shù)、地徑、高度、冠幅等)。

圖1 樣地形狀

2.2 生物量模型樣本調(diào)查

灌木生物量建模按森林植被群落的建群種確定建模單元，生物量模型樣本原則上按蓋度、高度等因子從小到大排列并按照正態(tài)分布的規(guī)律選取一系列的樣地開展調(diào)查。按照生物量估算的“保守性”原則，調(diào)查在4—5月份開展。生物量調(diào)查及采樣方法分樣木法和樣方法[12]。樣地內(nèi)選擇一叢代表性灌叢，分別測量灌叢高度、東西冠幅、南北冠幅、平均地徑，挖取灌叢進(jìn)行破壞性采樣，分別稱取根、干、枝、葉的鮮重，并分別采集各部位樣品帶回實驗室，將烘箱溫度調(diào)到105℃進(jìn)行30min的殺青處理，然后將溫度調(diào)節(jié)至80℃，使樣品烘干至恒重，計算各部位含水率，并結(jié)合鮮質(zhì)量測定值換算成干質(zhì)量。

3 灌木林生物量模型

通過對采集樣本的烘干及測定，使用origin 8.0軟件和Excel對生物量與相應(yīng)生物學(xué)因子進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計與曲線擬合，采用直線、指數(shù)、對數(shù)、二項式及乘冪等多種回歸模型模擬總生物量與各生物因子之間的回歸方程，根據(jù)決定系數(shù)R2的大小來評價方程的優(yōu)劣，選出擬合度好且具有生物學(xué)意義的數(shù)學(xué)模型來建立因變量(灌叢生物量)與自變量之間的相關(guān)性方程。其中，建立單木模型的灌木有：梭梭、柳灌、杜鵑、櫟灌、柏灌等；建立樣方模型的灌木有：砂生槐、白刺、小檗、水柏枝、三顆針等。選取的方程如下。

3.1 灌木林樣方法生物量模型

1) 植冠面積作為自變量因子建立的“生物量—植冠面積”一元或二元方程：

(1)

n=37，R2=0.6699；

或y=1176.4Ac+478.58，

(2)

n=37，R2=0.5933

式中Ac為植冠面積(m2)，y為灌叢生物量(g)。

植冠面積的計算公式為Ac=πC1C2/4[13]，式中C1和C2分別為南北和東西方向的冠幅長度(m)。

2) 植冠投影體積作為自變量因子建立的“生物量—植冠投影體積”一元或二元方程：

(3)

n=37，R2=0.6331；

或y=698.65Vc+908.25，

(4)

n=37，R2=0.6151

式中Vc為植冠投影體積(m3)，y為灌叢生物量(g)。

植冠投影體積的計算公式為Vc=Ac×h[13]，式中h為株高(m)。

由以上擬合方程可以看出，使用植冠面積或植冠投影體積均獲得較好的擬合結(jié)果，利用其它生物學(xué)因子的擬合相關(guān)性相對較差，此處略。由于生物量與森林資源的“蓄積”“材積”等類似，是一個三維意義上的度量，因此最終選擇方程(4)作為樣方法生物量模型。

3.2 灌木林樣木法生物量模型

y= 53.251d2h+90.105，

(5)

n=39，R2=0.9414

式中d為樣木地徑(cm)，h為樣木高(m)，y為灌叢生物量(g)。

4 灌木林碳儲量

通過模型將740個樣地的生物學(xué)因子轉(zhuǎn)換為樣地單位面積生物量，即生物量密度。計算方法為： 生物量密度=樣地生物量/樣地面積=灌叢生物量/灌叢面積×蓋度。對全區(qū)740個樣地的調(diào)查因子進(jìn)行轉(zhuǎn)換、統(tǒng)計，得出全區(qū)灌木林平均生物量密度為17.06 t/hm2。由于灌木一般是木本植物，因此其生物量和碳儲量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)按喬木植被的0.5進(jìn)行換算[3]。按此比例計算西藏灌木林平均碳密度為8.53 t/hm2。各主要樹種平均碳密度見圖2。其中，碳密度>20t/hm2的樹種有柳灌和沙棘，水柏枝碳密度介于10 ～20t/hm2之間，其它樹種碳密度<10 t/hm2。

圖2 各主要樹種平均碳密度

西藏自治區(qū)森林資源連續(xù)清查結(jié)果(2011年)表明，西藏灌木林地面積為856.44萬hm2。按照全區(qū)灌木林平均碳密度8.53t/hm2計算，灌木林總碳儲量為0.73億t。

5 研究展望

西藏自治區(qū)2012 —2013年開展的全區(qū)森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查對灌木林縣設(shè)置了樣方調(diào)查，在灌木林小班內(nèi)選擇有代表性的地段，設(shè)置10m×10m的樣方1～2個，詳細(xì)調(diào)查各灌木樹種名稱、株(叢)數(shù)、平均高度和覆蓋度。調(diào)查獲取的第一手資料將為精確估算全區(qū)灌木林碳儲量及碳庫地理分布規(guī)律、不同樹種碳密度分布的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為估算灌木林碳匯在應(yīng)對氣候變化方面的貢獻(xiàn)服務(wù)。

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ShrubwoodCarbonReserveEstimationinTibetAutonomousRegion

FU Dafu

(Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration, Changsha 410014, Hunan，China)

The unique landform and the natural features of high, drought and cold in Tibet Plateau facilitate the growth and wide distribution of shrubwood.The shrubwood, as the indispensable constituent part of forest resources, has played an important role in forestry ecology construction and tackling climate change.In recent years, the ecological protection in Tibet Autonomous Region has been intensified. By adopting such measures as closing hillsides for afforestation, the shrubwood resources have been protected and increased. The estimation of shrubwood carbon pool and carbon sequestration has a positive meaning to fully understand the important status of the shrubwood, to make shrubwood play an important role of carbon sequestration and increase carbon sink, and to evaluate the ecological construction achievements in Tibet Autonomous Region.

shrubwood；carbon pool；carbon reserve；model

2014-07-30

付達(dá)夫(1971-)，男，湖南岳陽人，高級工程師，主要從事森林資源監(jiān)測工作。

S 718.55

B

1003-6075(2014)04-0004-04