紅松人工林生物量碳密度

丁壯 崔若光

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

紅松人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量碳密度,其生物量是NPP減去當(dāng)年的凋落物，即形成年生產(chǎn)量，用此數(shù)據(jù)計(jì)算生物量碳密度。生物量碳密度是生物量碳庫的基本指標(biāo)，生物量的貯碳器官由葉、枝、樹干、果、根構(gòu)成，具有吸碳、貯碳和轉(zhuǎn)移碳的功能，與土壤碳密度、凋落物碳密度相比，屬基礎(chǔ)碳密度[1]。只有把生物量碳密度經(jīng)營好，才能不斷增加生物量碳密度,從而提高紅松人工林碳匯水平。

現(xiàn)在很多學(xué)者對生物量碳密度及其碳匯研究十分重視，而且不斷深入開展起來，但都偏重不同氣候帶，不同區(qū)域的研究，而對東北紅松人工林及其天然闊葉樹種混交林分的研究并不普遍。本文以東北林業(yè)大學(xué)老山人工林實(shí)驗(yàn)站營造紅松人工純林和白樺紅松混交林,蒙古櫟紅松混交林生物量碳密度的研究作為重點(diǎn),探索生物量碳密度的特點(diǎn)和規(guī)律,為提高紅松人工林及其混交林生物量碳匯創(chuàng)造條件。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于黑龍江省尚志市帽兒山鎮(zhèn)東北林業(yè)大學(xué)老山人工林實(shí)驗(yàn)站,地理坐標(biāo)為45°14′～45°20′N，127°29′～127°44′E。屬長白山系北部張廣才嶺西坡，地貌為低山丘陵區(qū)，平均海拔300 m，平均坡度為12°，平均氣溫為2.8 ℃，平均濕度70%，年蒸發(fā)量為1 093 mm，地帶性土壤為暗棕壤，非地帶性土壤為白漿土等土種，約占土壤面積三分之一，原始植被為闊葉紅松林，在歷史上曾遭受嚴(yán)重破壞，現(xiàn)已基本恢復(fù)人工林和天然次生林的植被[2]。

2 研究方法

樣地設(shè)置：在20年生和42年生紅松人工純林中各選3塊樣地，在同樣林齡中，白樺紅松混交林各選3塊，蒙古櫟紅松混交林中各選3塊，共計(jì)18塊樣地，其中6塊固定樣地，面積均為40 m×25 m。

喬木層生物量碳密度：在樣地每木調(diào)查的基礎(chǔ)上，按著徑級大小排序分為5個(gè)數(shù)量相等的組合，并計(jì)算各組合的平均胸徑、樹高及活枝下高，按著這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的理論值，在樣地中選擇徑級不等的樣木，并使理論值與實(shí)際值的精度不超過5%,共選擇5株樣木，按此方法，兩種林齡型3種類型樣地，共選擇30株樣木。確定樣木后逐一伐倒，量測全高，胸徑及枝下高，并將樹冠分為上層、中層和下層，在每層中測定葉、枝和果的生物量，樹干是按1 m區(qū)分段測定生物量。

將每株樣木生物量分別乘以所代表的組合株數(shù)，即得每組合生物量，再把樣地5株樣木組合生物量合計(jì)，即得樣地生物量，減去含水量，即得樣地生物量干質(zhì)量。把樣地生物量(干質(zhì)量)乘以碳量，即得樣地碳密度，再乘以公頃倍數(shù)，即得公頃碳密度。

喬木層根生物量碳密度測定：以每塊樣地5株樣木的伐根為中心，挖掘1.0 m×1.0 m×1.0 m的方坑和0.5 m×2.0 m×1.0 m的長坑，分層取根量，分為粗根和細(xì)根，去掉含水量即根量干質(zhì)量，將每5株的方坑和長坑根量分別乘以樣木組合株樹，即得樣木組合生物量，再把5株樣木的組合生物量，即得樣地生物量。再乘以碳量，即得碳密度。再乘以公頃倍數(shù)，即得根生物量公頃碳密度。

下木層生物量碳密度：下木層包括林下灌木和更新幼樹，在樣地中以對角線的分布，設(shè)置2.0 m×2.0 m的樣方5塊，采取全收割的方法測定地上部葉和枝的生物量及地下根量，去掉含水量，即得生物量各干質(zhì)量，計(jì)算樣方平均生物量，再乘以樣地面積，即得樣地生物量，再乘公頃倍數(shù)，即得公頃生物量，把公頃生物量乘以碳量，即得碳密度。

草本層生物量碳密度：在樣地內(nèi)以對角線的分布設(shè)置1.0 m×1.0 m的樣方5個(gè)，采取全收割的方法，測定地上地下生物量，去掉含水量，計(jì)算樣方生物量平均值，再乘以各組分碳量，即得碳密度。采用樣地、樣方法測定紅松人工林生物量，計(jì)算碳密度，效果比用平均樣木法和數(shù)學(xué)模型法更近實(shí)際[3]。

數(shù)據(jù)分析：對不同林齡型，不同組分生物量的樣品，按著德國耶拿公司生產(chǎn)的碳氮儀3 000分析碳含量及生物量樣品含水量，以便計(jì)算干質(zhì)量。對不同林齡型樣木的組合生物量進(jìn)行多重比較，對不同生物量各組分生物量進(jìn)行方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 紅松人工林群落層生物量碳密度比較

由表1說明，20年生3種林分類型喬木層生物量碳密度屬柞紅林最大，為31.70 t·hm-2，超過紅純林41.96%，與樺紅林持平，42年生3種林分類型喬木層生物量碳密度屬柞紅林最大，超過紅純林10.11%，與樺紅林持平，由上述分析，喬木層碳密度占生物量碳密度的90.23%～96.10%，占生物量碳密度的主體部分。

白樺紅松林20年生林分下木層碳貯量為1.92 t·hm-2，柞紅林下木層碳貯量為1.70 t·hm-2；42年生樺紅林林分下木層碳貯量為2.681 t·hm-2，柞紅林下木層碳貯量為2.304 t·hm-2。在紅松純林中，由于林內(nèi)透光系數(shù)小，沒有下木層分布，而在混交林中，下木層均有分布，構(gòu)成群落層的組成部分。20和42 d群落下木層分別占總碳貯量5.58%～5.76%。20年生林分草本層生物量碳密度屬樺紅林草本層碳密度最多，為1.43 t·hm-2，超過柞紅林70.23%，42年生林分屬柞紅林草本層碳密度最多，為1.42 t·hm-2，超過樺紅林20.34%。由上述分析看出，紅純林林分沒有草本層發(fā)生，因?yàn)榱址钟糸]度大，光環(huán)境弱，再加林內(nèi)凋落層厚，而沒有發(fā)生草本層，20年生樺紅林草本層生物量碳密度等，因?yàn)榱謨?nèi)光環(huán)境好，促進(jìn)了草本層增加[4]，相反，柞紅林由于葉量繁茂，影響光照條件，抑制了草本層增加。在42年生柞紅林，由于樹體增加，林內(nèi)稀疏，增加了光照條件，促進(jìn)了草本層的生長，從而增加碳密度[5]。

表1 不同紅松人工林群落層生物量碳密度比較

注：表中數(shù)據(jù)是由每塊樣地樣木的平均值計(jì)算的；進(jìn)行均方差和不同林齡碳密度的方差分析，差異顯著(P<0.05)。紅松純林簡稱紅純林，白樺紅松混交林簡稱樺紅林，蒙古櫟紅松混交林簡稱柞紅林。

3.2 不同林分類型對紅松人工林生物量碳密度的影響

由表2看出，3種林分類型同一林齡的生物量碳密度，經(jīng)方差分析，20年生紅純林、樺紅林和柞紅林的碳密度相差顯著，F(xiàn)值為4.762，臨界值為4.26，(P<0.05)，以百分?jǐn)?shù)比較，樺紅林比紅純林大53.52%，柞紅林比紅純林大53.29%，兩種混交類型生物量碳密度相比，差異甚小，僅差0.15%，42年生樺紅林生物量碳密度和紅純林生物量碳密度相比，大10.12%。柞紅林大13.10%，2種混交類型碳密度相比，相差2.66%。

總之，兩種混交林類型生物量碳密度均大于同齡的純林，因?yàn)榧兞值蚵湮餅獒樔~，分解慢，生物自肥力弱，影響紅松純林生長，生物量較少，相反，混交林結(jié)構(gòu)多層，生物多樣性高[6]，生物自肥能力強(qiáng)，促進(jìn)林分生長，生物量比針葉純林大，所以混交林生物量碳密度大。

表2 3種林分類型各組分碳密度比較(含下木、草本層)

注：表中數(shù)據(jù)是由不同林分類型樣地樣木實(shí)測值的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；進(jìn)行均方差和各組分之間的方差分析，差異顯著(P<0.05)。

3.3 不同林齡林分生物量碳密度比較

由表2看出，紅純林生物量碳密度42年生林分比20年生林分大276.71%，樺紅林生物量碳密度42年生林分比20年生林分大169.66%，柞紅林生物量碳密度42年生林分比20年生林分大177.91%，同時(shí)對上述不同林齡型的生物量碳密度均做了方差分析，結(jié)果F值為5.516，臨界值F為5.32(P<0.05)，差異顯著。因?yàn)樯锪刻济芏仁怯缮锪恳蜃雍吞己康某朔e構(gòu)成，在碳含量一般差異不大的條件下，生物量因子在乘積中起主導(dǎo)作用，即生物量越大，則碳密度也隨著增加。林木生物量的大小受林齡和經(jīng)營水平制約，林齡越大生長量亦大，這是林木生長的規(guī)律，故林齡大的林分生物量碳密度自然增大，當(dāng)然在同一林齡的林分，由于立地條件好，經(jīng)營水平高，也會(huì)有差異的[7]。由此說明，在培育碳匯林應(yīng)考慮成熟林，以使碳匯生產(chǎn)穩(wěn)定增長[8]。

3.4 不同林分類型生物量組分碳密度比較

由表2看出，兩種林齡，3種林分類型生物量組分碳密度由葉量、枝量、樹干量、果量和根量構(gòu)成，由于組分所處位置和功能不同，其碳密度相差顯著，經(jīng)方差分析，各組織器官貯碳量，即組分碳密度相差顯著，F(xiàn)值為4.321，臨界值為3.86(P<0.05)。同時(shí)，又做了各組織器官貯碳量占總貯碳量百分?jǐn)?shù)的比較，結(jié)果說明，20年生紅松純林碳量百分?jǐn)?shù)由大到小樹干量、葉量、枝量、根量、果量，42年生紅純林碳量百分?jǐn)?shù)由大到小為樹干量、枝量、葉量、根量、果量，20年生樺紅林碳量百分?jǐn)?shù)由大到小為樹干量、根量、葉量、枝量、果量；42年生樺紅林碳量百分?jǐn)?shù)由大到小為樹干量、根量、葉量、枝量、果量；20年生柞紅林碳量百分?jǐn)?shù)由大到小為樹干量、根量、葉量、枝量、果量；42年生柞紅林碳量百分?jǐn)?shù)由大到小為樹干量、根量、葉量、枝量、果量。

由上述分析看出，樹干生物量碳密度占最多比例，其百分比為48.76%～62.34%，無論哪種林齡和林型均占最多，因?yàn)闃涓傻纳锪空紭淠靖鹘M織器官生物量中最多，是林木的主體部分，而碳密度也隨著增多，即生物量越大，則貯碳密度也不斷增加，幾乎是成正比的趨勢發(fā)展。

其次，根量貯碳量也比較多，僅次于樹干部分，根量靠著導(dǎo)管和管胞，具有從森林土壤中吸收水分和無機(jī)鹽的功能，混交林根系發(fā)達(dá)，功能強(qiáng)，生物量較大，因此根碳密度占較多比例，除20年生紅松根量碳密度偏少外，其余均占11.81%～21.78%，是貯碳的較多器官。

葉量和枝量的貯碳功能，具有相互依存的作用。葉多，吸碳潛力大，支持枝的生長，而枝的生長又能促進(jìn)葉的展開和分布，使葉量增多，概括認(rèn)為葉量貯碳量占總量12.78%～18.63%，枝量貯碳量占總量10.35%～14.71%，葉量和枝量貯碳量雖然沒樹干和根量貯碳量多,但其功能是很重要的，是不可缺少的貯碳器官，應(yīng)予培育，調(diào)整最佳狀態(tài)，從而提高碳匯產(chǎn)量[9]。果量貯碳量最少，但碳含量高，隨著林齡增大，結(jié)果還會(huì)逐漸增加，也是貯碳的有效器官。

3.5 不同生物量組分碳密度在樹體中的空間變化

葉碳密度的空問變化：由表3看出不同林齡、不同林分類型一年生葉多分布在樹冠中層，少量分布在下層和上層，由表3說明，多年生葉碳密度，42年生紅純林、柞紅林均分布在林冠下層，少量分布上層和中層，20年生紅純林分布在下層、樺紅林、柞紅林分布在中層，少量分布上層和下層。因?yàn)橐荒晟~中層冠幅大，生物量、碳密度自然增大。與此相反，多年生葉碳密度分布在下層。而20年生的一年生葉多分布在中層，多年葉分布在中層。枝碳密度的空間變化：由表4看出，42年一年生枝碳密度主要分布在中層部位，其次為上層和下層，多年生枝碳密度分布隨樹種而異，紅松純林主要在下層和中層，白樺紅松混交林分布在中層，紅松柞樹混交林分布在下層，總的說，一年和多年生枝的碳密度主要分布在中層和下層，上層較少，其變化隨枝生物量的分布而分布。因?yàn)樯锪渴翘济芏鹊闹鲗?dǎo)因子，是物質(zhì)基礎(chǔ)，在碳含量相差不大的前提下，生物量大則碳密度亦大[10]。反映碳密度的組成因素特點(diǎn)。

由表4分析出，20年生枝碳密度主要分布于中下層部位，而上層較小，與42年生枝碳密度分布相似，但幼齡林自然稀疏比中齡林較弱，中下層活枝分布多，生物量大，所以碳密度較大。反映了枝的自然特點(diǎn)。

表3 3種林分類型不同樹種的林齡葉碳密度

表4 3種林分類型不同林齡林各層分枝碳密度

樹干碳密度空間的變化：由表5看出，42年和20年的紅松人工林樹干1 m區(qū)分段的碳密度隨樹干高度增加而降低，不同的類型和樹種碳密度分布有所不同，紅松樹種在純林或混交林中碳密度均比白樺和蒙古柞較高，但42年生從第6段，20年生從第5段以后，各樹種碳密度分布接近一致，因?yàn)樵缴喜繕涓蓮郊壖?xì)，碳密度接近一致。

根碳密度空間的變化：由42年生細(xì)根、20年生細(xì)根及42年生粗根、20年生粗根(見表6)，看出42年生和20年生不同紅松人工林類型根的碳密度隨土層深度加深而減少的規(guī)律，呈遞減的趨勢。這種變化規(guī)律是隨根的生物量分布而分布的，生物量越多，則碳密度越大，由此可以說明，根的碳密度主要分布在0～20 cm土層中，而以下的土層根系碳密度是很小的，紅松純林0～20 cm的碳密度比60～80 cm的碳密度大96.258%，紅松柞樹混交林大79.564%，差異是顯著的，由此說明，根系的儲(chǔ)碳能力主要分布在表層，而較深土層是很小的。0～20 cm的碳密度比60～80 cm的碳密度大79.56%，差異是顯著的，由此說明，根系的貯碳量主要分布在土壤的表層，而較深的土層是很少的。

表5 不同林齡樹干碳密度

表6 不同林齡根碳密度

4 結(jié)論與討論

本文研究地區(qū)原始植被為闊葉紅松林，在歷史上曾遭嚴(yán)重破壞，建國后經(jīng)過封山育林，荒山造林，天然次生林經(jīng)營等多種措施，已逐漸演替成紅松人工林和天然次生林混交的地帶性植被，研究該植被生態(tài)系統(tǒng)生物量碳密度具有代表性，為培育碳匯林提供參考。

紅松人工林及其混交林生物量碳密度是生物量碳庫的主要指標(biāo)，由樹體貯碳器官葉、枝、樹干、果和根的構(gòu)成，具有吸碳、貯碳和轉(zhuǎn)移碳的功能，與土壤、凋落物碳庫比較，屬基礎(chǔ)碳庫。生物量碳密度由生物量與碳含量兩項(xiàng)因素乘積構(gòu)成，在碳含量一定幅度內(nèi)生物量起主導(dǎo)作用，即生物量越大，則乘積越大，碳密度隨著增大，因此培育森林應(yīng)以增加生物量為主要目標(biāo)，促進(jìn)碳匯生產(chǎn)。同時(shí)，在研究生物量碳密度的過程中，較深入認(rèn)識到，紅松人工林及其混交林的碳密度和碳匯生產(chǎn)，是構(gòu)成有機(jī)體的基本成分，并且與有機(jī)體形成互為依存，互為條件，不可分割的統(tǒng)一體，這個(gè)統(tǒng)一體是再生資源，是有序的，有結(jié)構(gòu)有功能的有機(jī)體，而通過自組織過程，達(dá)到新的平衡，進(jìn)入穩(wěn)定階段，如果碳匯離開了有機(jī)體，就成為大氣中的碳源，只有貯存于有機(jī)體中才能起到溫室減排的作用，達(dá)到減緩氣候變暖的目的?；谏鲜龇治?，只有經(jīng)營好森林，實(shí)質(zhì)就是經(jīng)營好碳匯，才會(huì)增加森林碳匯。

兩種林齡，3種林分類型，其碳密度相差顯著，42年生紅松純林碳密度比20年生紅松純林碳密度大277.16%，42年生白樺紅松混交林比20年生白樺紅松混交林碳密度大169.69%，42年生蒙古櫟紅松混交林比20年生蒙古櫟紅松混交林大177.91%，因?yàn)榱铸g大的林分生物量亦大，碳密度隨著增大。在同一林齡，3種林分類型碳密度比較，20年生白樺紅松混交林碳密度比20年生紅松純林碳密度大53.52%，20年生蒙古櫟紅松混交林碳密度比20年生紅松純林碳密度大53.39%。42年生白樺紅松混交林比42年生紅松純林大11.59%，42年生蒙古櫟紅松混交林比42年生紅松純林大12.95%。因?yàn)榛旖唤Y(jié)構(gòu)合理，養(yǎng)分豐富，能充分利用空間環(huán)境，生長量大，故混交林生物量比純林大，碳密度自然增加。

經(jīng)過計(jì)量，紅松人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量碳密度20年生為22.33～34.28 t·hm-2，42年生為84.12～95.13 t·hm-2；其中20年生葉量碳密度占總量12.52%～18.63%，枝量占10.35%～14.13%，樹干量占48.76%～62.34%，果量占0.04%～0.06%，根量占6.14%～21.78%，以百分比多少排序?yàn)椋瑯涓闪?、根量、葉量、枝量、果量。其中樹干量碳密度占一半以上是最多的，最少量為果量碳密度，因?yàn)闃涓闪渴橇帜镜闹黧w，生物量大，故碳密度增大，建議培育生態(tài)碳匯林。應(yīng)著重樹干量培育，從而增加生物量碳密度和碳匯生產(chǎn)。果量碳密度很小，只占總量1.51%，因?yàn)榧t松純林和混交林，尚未達(dá)到成熟期，結(jié)實(shí)量有限，但碳含量高，隨著林齡增大，結(jié)實(shí)會(huì)逐漸增加。

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