山西太岳山森林生物量與碳密度研究

伊鋒，韓有志，賀自書(shū)，楊秀清

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷030801；2.山西省太岳山國(guó)有林管理局，山西介休032000）

山西太岳山森林生物量與碳密度研究

伊鋒1，韓有志1，賀自書(shū)2，楊秀清1

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西太谷030801；2.山西省太岳山國(guó)有林管理局，山西介休032000）

基于2010，2015年2期森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)，采用雙向指示種分析（TWINSPAN）方法對(duì)山西太岳山森林植被進(jìn)行群系分類(lèi)，運(yùn)用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法（variable BEFF）對(duì)太岳山森林生物量和碳密度進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。結(jié)果表明，太岳山共分為9個(gè)群系，其森林植被以油松群系、遼東櫟+油松群系和遼東櫟群系為主，占太岳山森林植被的75%；太岳山2010，2015年的森林總生物量分別為601.7萬(wàn)、713.4萬(wàn)t，平均生物量分別為74.43，88.26 t/hm2，森林碳儲(chǔ)量分別為300.8萬(wàn)、356.7萬(wàn)t，碳密度分別為37.22，44.13 t/hm2，2010—2015年碳密度增加了6.91 t/hm2，以1.38 t/（hm2·a）的速率增加。

太岳山；生物量；碳儲(chǔ)量；碳密度；生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法

森林植被是陸地生物圈的主體，森林生物量約占全球陸地植被生物量的90%，而森林植物中的碳含量約占生物量干質(zhì)量的50%[1-3]。因此，森林生物量、碳儲(chǔ)量和碳密度的研究對(duì)森林經(jīng)營(yíng)管理措施以及森林的評(píng)價(jià)與決策都具有重要的理論和實(shí)踐意義[4]。國(guó)外關(guān)于森林生物量、碳儲(chǔ)量和碳密度的研究比較早，主要集中在全球或國(guó)家大尺度上[5-6]。國(guó)內(nèi)研究多結(jié)合森林資源連續(xù)清查資料，對(duì)國(guó)內(nèi)或省級(jí)尺度的生物量和碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算[7-9]，也有許多學(xué)者利用森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)研究不同區(qū)域不同層次森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量、碳儲(chǔ)量和碳密度[10-12]。這些研究為探索我國(guó)森林生物量的變化與森林碳匯及全球氣候的變化奠定了十分重要的基礎(chǔ)。

本研究以2010，2015年2期森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用雙向指示種分析方法，劃分山西省太岳山的森林植被類(lèi)型；運(yùn)用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法，對(duì)太岳山森林植被生物量和碳密度的變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析[13]，不包括灌木層、草本層、土壤層等[14-16]，旨在為太岳山森林的更新改造和結(jié)構(gòu)調(diào)整提供參考依據(jù)，也為山西省的森林可持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論參考。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于太岳林區(qū)，地理坐標(biāo)為北緯36°20′～37°15′，東經(jīng)111°40′～112°40′，南北長(zhǎng)約150 km，東西寬60余km[17]，最高海拔2 566.6 m。山西省太岳山國(guó)有林管理局地處山西省中南部，涉及長(zhǎng)治、晉中、臨汾、呂梁4個(gè)市共14個(gè)縣（市）[18]，全局經(jīng)營(yíng)總面積14.7萬(wàn)hm2，森林覆蓋率為79.8%[19-20]。該區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫為4～8℃，年均降水量為550～670mm，年均日照時(shí)數(shù)為2500～2 700 h，7—9月份的總降水量占全年的65%以上，相對(duì)濕度為60%～65%，無(wú)霜期為120～200 d[19]。林區(qū)基巖以花崗巖、石灰?guī)r、頁(yè)巖、沙頁(yè)巖為主，研究區(qū)的地帶性土壤為褐土[21-23]。

太岳山森林植被的主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種有油松、遼東櫟、白樺、白皮松、側(cè)柏、椴樹(shù)和山楊等，灌木主要有黃刺玫、胡枝子、連翹和沙棘等，草本主要有苔草、羊胡子等[24]。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及樣地分布

本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于山西省太岳山國(guó)有林管理局2010年（第八期）和2015年（第九期）2期森林資源連續(xù)清查。山西省森林資源連續(xù)清查每隔4 km隨機(jī)選取正方形樣地，面積為0.066 7 hm2，喬木的起測(cè)徑階為5 cm，檢尺高度為1.3 m處[25]。2期森林資源連續(xù)清查共包括246個(gè)樣地，其中，2期共有的固定有林樣地135個(gè)。

2.2 植被分類(lèi)

本研究基于森林資源連續(xù)清查資料，在太岳山135個(gè)固定有林樣地中，共記錄了36個(gè)樹(shù)種。利用公式（1）計(jì)算各樣地內(nèi)樹(shù)種的重要值，從而得到太岳山36×135（物種×樣地）的重要值矩陣，參考《中國(guó)植被》的分類(lèi)系統(tǒng)[26]，采用TWINSPAN方法對(duì)太岳山135個(gè)有林樣地的森林植被進(jìn)行群系分類(lèi)。

重要值＝（相對(duì)多度＋相對(duì)頻度＋相對(duì)顯著度）/3；相對(duì)多度＝該樹(shù)種個(gè)數(shù)/全部樹(shù)種數(shù)× 100%；相對(duì)頻度＝某樹(shù)種頻度/全部樹(shù)種頻度× 100%；相對(duì)顯著度＝某樹(shù)種胸徑總面積/全部樹(shù)種胸徑總面積×100%[13]。

2.3 森林生物量的測(cè)定

山西太岳山森林生物量的估算采用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法[27-28]，其森林生物量估計(jì)回歸方程如下。

式中，B為單位面積生物量（t/hm2）；V為單位面積蓄積量（m3/hm2），其值為各樣地單株材積之和，單株樹(shù)木的材積依據(jù)其胸徑值通過(guò)《山西省林業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編》中的立木一元材積表查得。a，b為常數(shù)，本研究所需要的樹(shù)種或樹(shù)種組參數(shù)直接參照方靜云等[2，27]和劉國(guó)華等[29]的標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

表1 森林生物量與蓄積量轉(zhuǎn)換模型參數(shù)

各群系生物量=各群系平均生物量×總面積×各群系樣地個(gè)數(shù)/總樣地個(gè)數(shù)。式中，各群系生物量單位為t，各群系平均生物量單位為t/hm2，總面積為山西省太岳山國(guó)有林管理局經(jīng)營(yíng)的整體面積，單位為hm2，總樣地?cái)?shù)為246個(gè)。

2.4 森林碳儲(chǔ)量和碳密度的測(cè)定

森林植被碳儲(chǔ)量可以根據(jù)植物有機(jī)物中的碳含量進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下。

式中，C為森林植被碳儲(chǔ)量（t），W為森林植被生物量（t），Wc為森林植被生物中碳的轉(zhuǎn)化率[30]。

國(guó)際上根據(jù)不同植被類(lèi)型采用的含碳率大多為0.44～0.53，本研究采用國(guó)際上常用的喬木含碳率轉(zhuǎn)換系數(shù)0.5[2，27]。碳密度的單位為t/hm2。

3 結(jié)果與分析

3.1 TWINSPAN分類(lèi)結(jié)果

太岳山森林植被共分為9個(gè)群系：①白皮松＋側(cè)柏群系；②油松群系；③遼東櫟＋油松群系；④遼東櫟群系；⑤遼東櫟＋鵝耳櫪群系；⑥遼東櫟＋楓樹(shù)群系；⑦白樺＋遼東櫟＋山楊群系；⑧白樺＋華北落葉松群系；⑨刺槐群系。太岳山森林植被以群系②（油松）、群系③（遼東櫟＋油松混交）和群系④（遼東櫟）為主，占太岳山森林植被的75%（圖1）。

3.2 森林生物量分析

根據(jù)森林生物量估計(jì)回歸方程（公式（1））和各樹(shù)種的計(jì)算參數(shù)，計(jì)算出2010，2015年9個(gè)群系各群系的平均生物量，利用公式求得太岳山各群系的生物量，總和為太岳山森林植被總生物量，分別為601.7萬(wàn)、713.4萬(wàn)t。結(jié)合圖1和表2，再利用公式可得，2010，2015年太岳山森林植被平均生物量分別為74.43，88.26 t/hm2，5 a間平均生物量增加了13.83 t/hm2，以2.77 t/（hm2·a）的速率增加。

表2 太岳山森林生物量及碳儲(chǔ)量分析

3.3 森林碳儲(chǔ)量和碳密度分析

利用公式（2）可得2010，2015年太岳山森林植被的碳儲(chǔ)量分別為300.8萬(wàn)、356.7萬(wàn)t，碳密度分別為37.22，44.13 t/hm2。2015年森林植被的碳密度（44.13 t/hm2）高于2010年（37.22 t/hm2），5 a間碳密度增加了6.91 t/hm2，以1.38 t/（hm2·a）的速率增加。

比較2015年各群系碳密度可知，9個(gè)群系的碳密度存在差距，其中，群系⑤的碳密度最高，而群系⑨的碳密度最低。各群系間的碳密度介于2.60～71.33 t/hm2（表3）。

表3 2010，2015年各群系碳密度分析t/hm2

由表4可知，各群系碳密度2010—2015年均有所增加，其中，群系⑧的增加率最高，為2.56 t/（hm2·a）；群系①最低，為0.44 t/（hm2·a）。

表4 2010—2015年各群系碳密度變化

4 結(jié)論與討論

本研究采用TWINSPAN方法將太岳山135個(gè)有林樣地分為白皮松＋側(cè)柏、油松、遼東櫟＋油松、遼東櫟、遼東櫟＋鵝耳櫪、遼東櫟＋楓樹(shù)、白樺＋遼東櫟＋山楊、白樺＋華北落葉松和刺槐9個(gè)群系。2010—2015年各群系碳密度均有所增加，2015年各群系的碳密度介于2.60～71.33 t/hm2，其中，遼東櫟+鵝耳櫪群系的碳密度最高，為71.33 t/hm2，刺槐群系最低，為2.60 t/hm2。將太岳山森林植被進(jìn)行群系分類(lèi)，也為下一步研究各群系碳密度的空間分布格局奠定了基礎(chǔ)。

太岳山2010，2015年的森林生物量分別為601.7萬(wàn)、713.4萬(wàn)t，平均生物量分別為74.43，88.26t/hm2，森林碳儲(chǔ)量分別為300.8萬(wàn)、356.7萬(wàn)t，碳密度分別為37.22，44.13 t/hm2，2010—2015年碳密度增加了6.91 t/hm2，以1.38 t/（hm2·a）的速率增加。山西太岳山森林植被生物量和碳密度的估算為太岳山的森林更新改造和結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了科學(xué)依據(jù)，也為山西省乃至全國(guó)的森林生物量和碳密度研究提供了參考依據(jù)。

［1］方精云，陳安平，趙淑清，等.中國(guó)森林生物量的估算：對(duì)Fang等Science一文（Science，2001，291:2320-2322）的若干說(shuō)明[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，26（2）：243-249.

［2］方精云，劉國(guó)華，徐嵩齡.我國(guó)森林植被的生物量和凈生產(chǎn)量[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，1996，16（5）：497-508.

［3］楊昆，管東生.珠江三角洲森林的生物量和生產(chǎn)力研究[J].生態(tài)環(huán)境，2006，15（1）：84-88.

［4］劉萍，鄧鑒峰，魏安世，等.廣州市森林生物量及碳儲(chǔ)量的評(píng)估[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35（4）：62-65．

［5］BIRDSEY R，PREGITZER K，LUCIER A.Forest carbon management in the United States:1600-2100[J].Journal of Environmental Quality，2006，35：1461-1469.

［6］RENNIE P J.The uptake of nutrients by mature forest growth[J]. Plant and Soil，1955，7：49-95.

［7］方精云，郭兆迪，樸世龍，等.1981—2000年中國(guó)陸地植被碳匯的估算[J].中國(guó)科學(xué)（D輯：地球科學(xué)），2007，37（6）：804-812.

［8］ZHAO M，ZHOU G S.Carbon storage of forest vegetation in China and its relationship with climatic factors[J].Climatic Change，2006，74：175-189.

［9］李海奎，雷淵才.中國(guó)森林植被生物量和碳儲(chǔ)量評(píng)估[M].北京：中國(guó)林業(yè)出版社，2010.

［10］王紹強(qiáng)，周成虎，羅承發(fā).中國(guó)陸地自然植被碳量空間分布特征探討[J].地球科學(xué)進(jìn)展，1999，18（3）：238-244.

［11］張茂震，王廣興.浙江省森林生物量動(dòng)態(tài)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28（11）：5665-5674.

［12］劉延男，聶永雄，周梓富，等.土貢優(yōu)良種源馬尾松生物量及生產(chǎn)力研究[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，43（10）：1247-1251.

［13］王琰，俞艷霞，張先平，等.呂梁山南端森林碳密度及其空間分布格局研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2013，22（10）：1658-1664.

［14］阿不都賽買(mǎi)提·乃合買(mǎi)提，艾克拜爾·伊拉洪，賽牙熱木·哈力甫.伊犁昭蘇草原黑鈣土不同海拔高度土壤有機(jī)碳的垂直分布特征[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017（1）：156-164.

［15］蔡兆煒，孫玉軍，劉鳳嬌.長(zhǎng)白落葉松林下灌木生物量模型研究[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，42（6）：126-129.

［16］李春喜，陳惠婷，馬守臣，等.不同耕作措施對(duì)麥田土壤碳儲(chǔ)量和作物水氮利用效率的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2016，31（4）：220-226.

［17］烏吉斯古楞.太岳山森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能價(jià)值評(píng)價(jià)研究[D].北京：北京林業(yè)大學(xué)，2012.

［18］宋河山.太岳山林區(qū)危舊房改造工程成效與思考[J].山西林業(yè)，2014（1）：12-15.

［19］李卓玉，張峰，上官鐵梁，等.太岳山種子植物區(qū)系的初步分析[J].山西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1993，16（1）：101-106.

［20］王希群，王治明，王占勤，等.山西省太岳山森林的保護(hù)價(jià)值分析[J].林業(yè)資源管理，2012（4）：29-32.

［21］段曉梅，張欽弟，畢潤(rùn)成.山西太岳山森林演替過(guò)程中建群種的動(dòng)態(tài)特征和種間關(guān)系[J].西北植物學(xué)報(bào)，2014，34（8）：1658-1665.

［22］張金屯.山西太岳山植被地理[J].山西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1988，11（1）：83-90.

［23］畢潤(rùn)成，閻桂琴.霍山植被群落學(xué)特征的定量研究[J].山西師大學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1991，5（2）：48-52.

［24］許強(qiáng).霍山植物物種多樣性沿海拔梯度格局及環(huán)境解釋[D].臨汾：山西師范大學(xué)，2015.

［25］盧景龍，梁守倫，劉菊.山西省森林植被生物量和碳儲(chǔ)量估算研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2012，28（31）：51-56.

［26］中國(guó)植被編委會(huì).中國(guó)植被[M].北京：科學(xué)技術(shù)出版社，1980：452-862.

［27］FANG J Y，WANG G G，LIU G H，et al.Forest biomass of China: an estimate based on the biomass-volume relationship[J].Ecological Applications，1998，8（4）：1984-1091.

［28］王軍才，劉濟(jì)明，閆國(guó)華，等.喀斯特森林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種羅傘生物量研究[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2015，44（4）：125-130.

［29］劉國(guó)華，傅伯杰，方精云.中國(guó)森林碳動(dòng)態(tài)及其對(duì)全球碳平衡的貢獻(xiàn)[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2000，20（5）：733-740.

［30］付達(dá)夫，宋慶安，李典軍.西藏墨脫縣森林植被生物量與碳儲(chǔ)量分析[J].湖南林業(yè)科技，2015，42（4）：68-72.

Study on the Forest Biomass and Carbon Density in Taiyue Mountain of Shanxi Province，China

YI Feng1，HANYouzhi1，HE Zishu2，YANGXiuqing1
（1.College ofForestry，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.The State-owned Forest Administration in Taiyue Mountain ofShanxi Province，Jiexiu 032000，China）

Based on the data from the continues forest inventory in 2010 and 2015,the forest vegetation of Taiyue Mountain in Shanxi province were classified using TWINSPAN method.The forest biomass and carbon density of Taiyue Mountain were analysed by the variable biomass expansion factor function（BEFF）method.The results showed that Taiyue Mountain were divided into 9 formations, Pinus tabuliformis formation and Quercus wutaishanica+Pinus tabuliformis formation and Quercus wutaishanica formation were the main formations ofthe forest vegetation ofTaiyue Mountain,which accounted for 75%of the forest vegetation of Taiyue Mountain.In 2010 and 2015,the total forest biomass of Taiyue Mountain were 6.017 million tons and 7.134 million tons,respectively,the average biomass were 74.43,88.26 t/hm2,respectively,the carbon reserve were 3.008 million tons and 3.567 million tons，respectively,the carbon density were 37.22,44.13 t/hm2,respectively.The carbon density increased 6.91 t/hm2in five years,and the growth rate of carbon density was 1.38 t/（hm2·a）.

Taiyue Mountain；biomass;carbon reserve;carbon density;variable biomass expansion factor function

S718.5

A

1002-2481（2017）04-0599-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.04.27

2016-11-11

中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目（2013M530892）

伊鋒（1991-），男，山西臨汾人，在讀碩士，研究方向：森林培育。韓有志為通信作者。