大興安嶺天然興安落葉松白樺林碳層劃分的研究

馬珍玉，王樹森，王春霞，趙 波，趙 婧，吳 菲

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 生態(tài)環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019）

大興安嶺天然興安落葉松白樺林碳層劃分的研究

馬珍玉，王樹森，王春霞，趙 波，趙 婧，吳 菲

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 生態(tài)環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019）

以大興安嶺地區(qū)天然興安落葉松白樺林為研究對象，對不同林型、林齡及密度的天然興安落葉松白樺林碳儲量進行了比較研究。結(jié)果表明：混交林碳儲量高于純林，其排列順序為白樺落葉松林（158.14 t/hm2）＞落葉松白樺林（137.62 t/hm2）＞白樺林（132.23 t/hm2）＞興安落葉松林（110.62 t/hm2）；天然興安落葉松白樺林碳儲量隨著林齡的增長而增加，30～34年、35～39年和40～45年林分碳儲量依次為136.01、145.04和161.61 t/hm2；天然興安落葉松白樺林碳儲量隨著林分密度的增加呈遞減趨勢，其碳儲量從大到小的順序是 2 000～ 2 499株 /hm2（179.42 t/hm2）、2 500～ 2 999 株 /hm2（135.95 t/hm2）、3 000～ 3 499 株 /hm2（133.09 t/hm2）、≥3 500 株/hm2（131.16 t/hm2）?；诮M內(nèi)方差分析所得結(jié)果差異均不顯著，因此林齡介于30～45年之間、平均林分密度1 450～3 850株/hm2的大興安嶺地區(qū)天然興安落葉松白樺林在進行碳匯計量時可以劃分為同一碳層進行測定。

大興安嶺；天然興安落葉松白樺林；碳層劃分；碳儲量

自工業(yè)革命以來，大量化石燃料燃燒和毀林，導致CO2濃度急速上升。這一現(xiàn)象引起的全球氣候變化給人類自身生存和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的威脅，已經(jīng)受到國際社會的廣泛關(guān)注和各國政府的高度重視[1-2]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)主體，對減緩和適應(yīng)氣候變化有著至關(guān)重要的作用，是生態(tài)系統(tǒng)中非常重要的碳匯和碳庫[3-4]。為了應(yīng)對氣候變化，1992年聯(lián)合國通過了《氣候變化框架公約》?！毒┒甲h定書》也于2005年2月16日正式生效[5]。近年來國內(nèi)對森林碳匯研究較多，如方精云等[6]對不同樹種的碳生物量和碳儲量間的換算方程進行了研究；劉國華等[7]基于此類模型擬合的回歸方程，估算了中國20年的森林碳儲量。周國模等[8]對毛竹林的碳儲量進行了研究。支玲等[9]采用換算因子連續(xù)函數(shù)法評價了“三北”防護林的碳匯價值量。在森林經(jīng)營碳匯研究方面，侯睿[10]對不同間伐方式對人工林生產(chǎn)力和碳匯進行了動態(tài)模擬。徐慶祥[11]的研究證明撫育間伐會使興安落葉松天然喬木層碳儲量顯著增加。韓福利[12]通過研究得到了間伐林分的單木碳儲量會明顯高于未間伐林分的結(jié)果。為促進森林經(jīng)營碳匯項目的發(fā)展，國家林業(yè)局于2014年1月發(fā)布了《森林經(jīng)營項目碳匯計量監(jiān)測指南》，對森林經(jīng)營碳匯項目提供了研究方法[13]。在方法學中，碳匯分層是最重要的內(nèi)容之一，合理的分層可以在降低調(diào)查成本的同時提供更可靠的計算結(jié)果。但是，關(guān)于森林經(jīng)營項目碳層劃分的研究尚未見報道。我國幼中齡林的面積是林分總面積的65%。大興安嶺以興安落葉松、白樺為主要樹種，其幼中齡林面積占全區(qū)幼中齡林面積的90%以上[14]。本研究以大興安嶺林區(qū)天然興安落葉松白樺幼中齡林為研究對象，通過對不同樹種比例、林齡及林分密度的林分碳儲量的研究，確定碳層劃分依據(jù)與數(shù)量，旨在為大興安嶺林區(qū)天然林碳匯計量工作提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于我國黑龍江省大興安嶺林區(qū)（121°12′～ 127°00′E；50°10′～ 53°33′N），屬于寒溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫-2.8 ℃，無霜期為89 d，年降水量為450～500 mm，且多集中在7～8月份；全區(qū)山勢較平緩，海拔為300 ～1 400 m，15°以內(nèi)的緩坡占80%以上；土壤類型主要是棕色針葉林土與暗棕壤[15]；喬木樹種以興安落葉松Larix gmelinii、白樺Betula platyphylla為主，伴有樟子松Pinus sylvestrisvar.mongolica、山楊Populus davidiana、蒙古櫟Quercus mongolica、黑樺Betula davurica等[16]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

樣地設(shè)在松嶺、韓家園、十八站和西林吉4個林業(yè)局，對不同樹種比例、林齡和林分密度的天然興安落葉松白樺林進行了調(diào)查，選擇立地條件相似的小班設(shè)置標準樣地。根據(jù)興安落葉松、白樺株數(shù)占標準樣地總株數(shù)的比例分為4種林分類型，分別為白樺林（90%≤白樺＜100%）、白樺興安落葉松林(50%≤白樺＜90%）、興安落葉松白樺林(50%≤興安落葉松＜90%）、興安落葉松林（90%≤興安落葉松＜100%），其中每種類型設(shè)6塊樣地；將林齡劃為30～34、35～39和40～45 a 3組，每組設(shè)6塊樣地；將林分密度劃分為2 000～2 499、2 500～2 999、3 000～3 499和≥3 500株/hm24組，每組設(shè)5塊樣地。通過隨機布設(shè)，共設(shè)62塊樣地，樣地大小是20 m×20 m。對每塊樣地進行每木檢尺，調(diào)查樹種類型、胸徑、樹高等因子，用生長錐測定法測定標準木年齡以確定平均林分年齡[17]。

2.2 碳儲量的計算

本研究查閱《大興安嶺地區(qū)森林采伐更新調(diào)查設(shè)計細則》中各林業(yè)局樹種一元材積表，擬合了不同林業(yè)局興安落葉和白樺的一元材積方程，通過相關(guān)性分析，方程相關(guān)性顯著見表1。

根據(jù)《森林經(jīng)營項目碳匯計量監(jiān)測指南》[13]所提供的計算公式分別計算喬木單株生物量、喬木層生物量和喬木層碳儲量，計算公式如下：

式中：BAB，j為樹種j的林分平均單位面積地上生物量，t/hm2；Vj為 樹種j的蓄積量，m3，用材積方程計算得來；a，b為參數(shù)，t d.m·hm-2；BTREE，j為 樹種j的生物量，t/hm2；fAB，j(VTREE，j) 為 樹種j的林分平均單位面積地上生物量（BAB，j）與林分平均單位面積蓄積量(Vj)之間的相關(guān)方程；Rj為 樹種j的地下與地上生物量之比，無量綱；CTREE，j為 樹種j的碳儲量， t/hm2；CFj為 樹種j的生物量含碳率，無量綱；為 CO2與C的分子量比，無量綱。

本文中計量參數(shù)a和b使用《森林經(jīng)營項目碳匯計量監(jiān)測指南》提供的中國森林生物量數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)值[13]，Rj使用的是《中華人民共和國氣候變化第二次國家信息通報》“土地利用變化和林業(yè)溫室氣體清單”中的數(shù)值[18]，含碳率采用相近研究區(qū)域文獻[19]的測定值（見表2）。

表2 計量參數(shù)Table 2 Measurement parameters

2.3 數(shù)據(jù)處理

本研究中所有數(shù)據(jù)的處理及統(tǒng)計分析均基于Excel 2010及SAS 9.0進行。以每塊標準地為基本單位，所有數(shù)據(jù)在分析之前先剔除異常值并進行正態(tài)分布檢驗（Kolmogiriv-Smimov檢驗）和方差齊性檢驗（Levene檢驗）。如果通過檢驗，就采用單因素方差分析；不能通過檢驗，要先將數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉(zhuǎn)換后再進行分析，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同樹種比例、林齡和林分密度的天然興安落葉松白樺幼中齡林林分特征

由表3、4、5可知，白樺林、白樺興安落葉松林、興安落葉松白樺林和興安落葉松林4種林分類型平均林齡在35～36 a之間，平均胸徑在9.1～9.7 cm之間，平均林分密度在2 500～2 842株/hm2之間；林齡在30～34 a、35～39 a和40～45 a的3組林分，平均林齡分別為32 a、37 a和43 a，平均樹種比例在3.0～3.3之間，平均林分密度在2 800～3 075株/hm2之間；林分密度2 000～ 2 499株 /hm2、2 500～ 2 999株 /hm2、3 000～3 499株/hm2和≥3 500株/hm2的4組林分，平均林齡在37～38 a之間，平均胸徑在7～10 cm之間，平均樹種比例在3.4～4.4之間，平均林分密度在2 200～3 850株/hm2之間。

3.2 不同樹種比例天然興安落葉松白樺林喬木層的碳儲量

由圖1可知，4種林分類型喬木層平均碳儲量為134.65 t/hm2，且喬木層碳儲量由大到小的排列順序依次為白樺興安落葉松林（158.14 t/hm2）＞興安落葉松白樺林（137.62 t/hm2）＞白樺林（132.23 t/hm2）＞興安落葉松林（110.62 t/hm2），可以看出混交林喬木層碳儲量要高于單一樹種。

表3 不同樹種比例天然興安落葉松白樺林的林分特征?Table 3 Characteristics of different trees species proportion of the natural Larix gmelinii and Betula platyphylla forest

表4 不同林齡天然興安落葉松白樺林的林分特征Table 4 Characteristics of different age of stand of the natural Larix gmelinii and Betula platyphylla forest

表5 不同林分密度天然興安落葉松白樺林的林分特征Table 5 Characteristics of different density of the natural Larix gmelinii and Betula platyphylla forest

圖1 不同樹種比例天然興安落葉松白樺林喬木層的碳儲量Fig. 1 Carbon storage of different trees species proportion of the natural Larix gmelinii and Betula platyphylla forest

方差分析結(jié)果（如表6所示）顯示，4組林分類型喬木層碳儲量不能通過正態(tài)分布檢驗及方差齊性檢驗，故采用非參檢驗，輸出結(jié)果如下：顯著水平a=0.05時，4組林分類型喬木層碳儲量在統(tǒng)計學理論上無明顯差異（P= 0.100 8 ＞ 0.05）。

表6 不同樹種比例林分喬木層碳儲量的方差分析Table 6 Variance analysis of different tree speciesproportion of forest carbon storage

3.3 不同林齡天然興安落葉松白樺林喬木層的碳儲量

如圖2所示，不同林齡天然興安落葉松白樺林喬木層平均碳儲量為147.55 t/hm2，碳儲量從大到小排列的順序是：40～45 a（161.61 t/hm2）＞35～ 39 a（145.04 t/hm2）＞ 30～ 34 a（136.01 t/hm2），而且35～39年林齡區(qū)間喬木層碳儲量是30～34 a的1.07倍，40～45 a林齡區(qū)間的喬木層碳儲量是35～39 a的1.13倍。因此，在30～45 a的林齡范圍內(nèi)，隨著林齡的增加，喬木層碳儲量呈遞增趨勢，同時林齡越大遞增的速率越快。

圖2 不同林齡天然興安落葉松白樺林喬木層的碳儲量Fig. 2 Carbon storage of different age of stand of the natural Larix gmelinii and Betula platyphylla forest

對不同林齡喬木層碳儲量進行組內(nèi)方差分析，其均通過正態(tài)分布檢驗及方差齊性檢驗，故采用單因素方差分析，輸出結(jié)果如表7所示，即在α=0.05的顯著性水平下，不同林齡的3組喬木層碳儲量無統(tǒng)計學上的明顯差異（P= 0.121 6 ＞ 0.05）。

表7 不同林齡喬木層碳儲量的方差分析Table 7 Variance analysis of different ages of forest carbon storage

3.4 不同林分密度天然興安落葉松白樺林喬木層的碳儲量

如圖3所示，4組不同林分密度喬木層平均碳儲量為144.91 t/hm2，其中碳儲量從大到小的排列順序為：2 000～2 499株/hm2（179.42 t/hm2）、2 500～ 2 999 株 /hm2（135.95 t/hm2）、3 000 ～3 499株 /hm2（133.09 t/hm2）、≥ 3 500株 /hm2（131.16 t/hm2），且相差量依次為43.47、2.86和1.93 t/hm2。可知，隨著林分密度的增加，喬木層碳儲量呈遞減趨勢，且變化幅度逐漸減小，說明密度越大的林分，林木生長受到的抑制作用越強，導致林木碳儲量隨著林分密度的增加而減小。

圖3 不同林分密度天然興安落葉松白樺林喬木層的碳儲量Fig. 3 Carbon storage of different density of the naturalLarix gmelinii and Betula platyphylla forest

對不同林分密度的喬木層碳儲量進行組內(nèi)方差分析，其能通過正態(tài)分布檢驗及方差齊性檢驗，故采用單因素方差分析，輸出結(jié)果如表8所示，在顯著水平a=0.05下，4組林分密度喬木層碳儲量間無統(tǒng)計學上的明顯差異（P= 0.668 2 ＞0.05）。

表8 不同林分密度林分喬木層碳儲量的方差分析Table 8 Variance analysis of different densities of forest carbon storage

4 討 論

森林生物量估算方法主要有直接測量和間接估算兩種[20]。直接測量指的是收獲法，間接估算法主要以相對生長模型、生物量-蓄積量模型和生物量估算參數(shù)方法為主。直接測量法與間接估算法相比，雖然精度高，但對生態(tài)系統(tǒng)破壞較大且工作量繁重，耗時費力。相對生長模型通常采用標準木法或徑級標準木法，需要先采伐一定數(shù)量的標準木，建立全部或部分生物量與植株形態(tài)學變量間數(shù)學關(guān)系模型，也會對生態(tài)系統(tǒng)造成一定程度上的破壞；對于生物量-蓄積量模型，學者們通過對生物量和蓄積量之間關(guān)系的不斷探索與研究，最終構(gòu)建出準確性較高的雙曲線模型[21]、指數(shù)模型[22]以及冪指數(shù)模型[23]。然而，生物量估算參數(shù)法雖然適用于不同尺度森林生物的估算，但其所用到的大多數(shù)參數(shù)仍存在很高的不確定性，不能滿足相關(guān)生物量計算的精度[20]。因此，在碳匯計量過程中，遇到缺少現(xiàn)有的、當?shù)氐幕蛳嗨粕鷳B(tài)條件下的樹種或樹種組數(shù)據(jù)的情況時，會采用學者黃從德[23]利用生物量和蓄積量實測數(shù)據(jù)擬合，并通過多目標函數(shù)比較后得到的最優(yōu)冪指數(shù)模型估算森林生物量，這樣不僅能減少對植被及生態(tài)系統(tǒng)的破壞，還一定程度上保證了計算結(jié)果的準確性。本研究采用冪指數(shù)模型對天然興安落葉松白樺幼中齡林生物量進行估算。

孫玉軍等[24]計算的興安落葉松中幼齡人工林生物量值為38.49 t/hm2，碳密度為19.62 t/hm2，與本文研究結(jié)果（60.96 t/hm2，36.06 t/hm2）差異較大，說明天然林在固定二氧化碳方面明顯高于人工林。另外，在樹種混交方面研究證明混交林的生物量要高于純林[25-27]。如夏成財?shù)萚28]研究發(fā)現(xiàn)，興安落葉松白樺的混交林生物量較落葉松純林和白樺純林有明顯的增加，本研究也得到了相似的結(jié)論。同時，張令峰[29]和田曉等[30]研究結(jié)果也表明樹種比例對碳儲量也有著明顯的影響作用，選擇最優(yōu)的樹種比例對維持森林生產(chǎn)力和獲得最大干材量有著重要的意義。

森林經(jīng)營碳匯分層目的是為了降低每一層內(nèi)的變異性，增加層與層之間的變異性，同時也可以降低監(jiān)測的成本[5]。通過本研究對林齡在30～45 a范圍內(nèi)、平均林分密度1 450～3 850株/hm2的天然興安落葉松白樺林在碳匯計量過程中可劃分為同一碳層的研究結(jié)果，可以為在大興安嶺開展相似的森林經(jīng)營碳匯項目提供很好的理論依據(jù)。同時，在長期監(jiān)測過程中，可能會因地理空間對象的空間相關(guān)性變化[31]、無法預(yù)計的干擾（如林火、病蟲害）和森林經(jīng)營活動（如間伐、主伐、萌芽或人工更新）等多種因素[32]而引起層內(nèi)變異性增加。因此，在后期監(jiān)測中的碳層劃分還需要開展進一步的研究。

雖然不同林分類型之間碳儲量平均值的變化規(guī)律明顯，但是由于組內(nèi)各樣地之間差異明顯，故在本研究中無法得到各林分差異顯著的結(jié)論。因此，是否在大興安嶺地區(qū)相似的林分類型中都是如此，還需更多的研究進一步驗證。

5 結(jié) 論

（1）天然興安落葉松白樺混交林碳儲量較純林大；林齡在30～45 a范圍內(nèi)時，天然興安落葉松白樺林碳儲量隨林齡增加而增加；平均林分密度1 450～3 850株/hm2的天然興安落葉松白樺林碳儲量隨著林分密度的增加呈遞減趨勢，且變化的幅度越來越小。

（2）在對不同林型、不同林齡和不同密度的天然興安落葉松白樺林分別進行組內(nèi)方差分析，所得結(jié)果差異均不顯著。因此，當對大興安嶺林區(qū)內(nèi)林齡介于30～45 a之間、平均林分密度1 450～3 850株/hm2的天然興安落葉松白樺林進行碳匯計量時可以劃分為同一碳層進行測定。

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[本文編校：謝榮秀]

Research on carbon sequestration stratification of natural Larix gmelinii and Betula platyphylla forest in Daxing’an mountain

MA Zhenyu, WANG Shusen, WANG Chunxia, ZHAO Bo, ZHAO Jing, WU Fei
(College of Ecology and Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, Inner Mongolia, China)

Since the complication of natural forest, in the process of carbon measure methods of forest management carbon project,carbon sequestration stratification is one of the most important and basic works, which decides the complication of the work and the accuracy of the result. This paper focus on the research of the biomass and carbon storage of the naturalLarix gmeliniiandBetula platyphyllaforest in Daxing’an mountain.The result shows that :1) carbon storage content of the mixed forest were bigger than those of the pure forest. Their descending order wasLarix gmeliniiandBetula platyphyllaforest (158.14 t/hm2),Betula platyphyllaandLarix gmeliniiforest (137.62 t/hm2),Betula platyphyllaforest (132.23 t/hm2),Larix gmeliniiforest (110.62 t/hm2) respectively; 2)The carbon storage of naturalLarix gmeliniiandBetula platyphyllaforest increased with forest growth.Their ascending order was 136.01 t/hm2(30-34 a), 145.04 hm2(35-39 a)and 161.61 hm2(40-45 a) respectively; 3)The carbon storage of naturalLarix gmeliniiandBetula platyphyllaforest decreased with forest density increase, its carbon storage in descending order was: 179.42 t/hm2(2 000-2 499),135.95 t/hm2(2 500-2 999), 133.09 t/hm2(3 000-3 499) and 131.16 t/hm2(≥3 500). However, the results of the variance analysis within group in three categories have not significant difference. Therefore, the naturalLarix gmeliniiandBetula platyphyllaforest, which is 30-45 a,2 200-3 850 trees/hm2, could be divided into one carbon sequestration layer in Daxing’an mountain.

Daxing’an mountain; naturalLarix gmeliniiandBetula platyphyllaforest; carbon sequestration stratification; carbon storage

S718.5

A

1673-923X(2017)09-0112-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.05.019

2016-03-15

國家自然科學基金項目（30960076）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金項目（2009BS0602）

馬珍玉，碩士研究生；E-mail：177012285@qq.com

王樹森，副教授

馬珍玉，王樹森，王春霞，等.大興安嶺天然興安落葉松白樺林碳層劃分的研究[J].中南林業(yè)科技大學學報，2017, 37(9):112-117.