河北壩上沙地白榆林的生物量與碳儲(chǔ)量

趙國(guó)華，蓋凡丁，張 杰，王 超，尤海舟

（1.承德市灤平國(guó)有林場(chǎng)總場(chǎng)，河北 灤平 068250； 2.河北省林業(yè)和草原科學(xué)研究院，河北 石家莊 050061； 3.河北豐寧沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，河北 豐寧 0683571）

0 引言

氣候變化是當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題和面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，世界各國(guó)正積極致力于減緩全球溫室氣體排放的增長(zhǎng)速度，碳循環(huán)成為全球變化研究和宏觀生態(tài)學(xué)的核心研究?jī)?nèi)容之一[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在維護(hù)全球氣候系統(tǒng)、調(diào)節(jié)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(guò)光合作用積累的同化產(chǎn)物以生物量的形式長(zhǎng)期儲(chǔ)存于生態(tài)系統(tǒng)[3]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要過(guò)程，生物量和碳儲(chǔ)量及其變化是土地利用變化和林業(yè)溫室氣體排放清單編制的基礎(chǔ)，森林碳匯功能在應(yīng)對(duì)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(shù)、白樺等優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，尚有多個(gè)樹(shù)種存在研究區(qū)布局不合理或樣本數(shù)偏低等問(wèn)題。白榆（Ulmus pumila），耐干旱，根系發(fā)達(dá)，適應(yīng)性，是我國(guó)干旱半干旱地區(qū)的重要鄉(xiāng)土樹(shù)種，在渾善達(dá)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(fēng)固沙和維護(hù)生態(tài)平衡有著獨(dú)特的生態(tài)作用，是沙地最穩(wěn)定和高生產(chǎn)力的植被類型[4]。河北壩上地處內(nèi)蒙古高原的南緣，緊鄰渾善達(dá)克沙地，榆樹(shù)稀樹(shù)草原亦有較多分布，白榆是當(dāng)?shù)貭I(yíng)造防風(fēng)固沙林的重要樹(shù)種，約有白榆林2.5萬(wàn)hm2。對(duì)該區(qū)沙地白榆林開(kāi)展生物量與碳儲(chǔ)量的調(diào)查研究，有助于科學(xué)認(rèn)識(shí)人工造林的生態(tài)功能，對(duì)于草原植被的生態(tài)恢復(fù)和增加區(qū)域碳匯量有著積極的促進(jìn)作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省豐寧滿族自治縣壩上地區(qū)，41°21’～42°00’N，115°54’～116°38’E，海拔約1400～1800m。該區(qū)屬大陸季風(fēng)型半濕潤(rùn)、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(fēng)沙土為主，土壤砂粒含量高、質(zhì)地松、內(nèi)聚力差，易于沙蝕風(fēng)化。該區(qū)屬森林向草原的過(guò)渡地區(qū)，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(guò)渡性特征[5]。由于該區(qū)草原植被破壞嚴(yán)重，人工營(yíng)造了大面積的防護(hù)林，主要喬木樹(shù)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(qū)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(shù)木保存率和林分密度較低，郁閉度0.4～0.7，林下常見(jiàn)少量更新幼樹(shù)；林下草本植被生長(zhǎng)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(diào)查與研究方法

野外生物量調(diào)查采用標(biāo)準(zhǔn)地法。選擇典型林分設(shè)置3塊調(diào)查樣地，面積30×30m2，樣地基本情況詳見(jiàn)表1。通過(guò)每木檢尺與樹(shù)高測(cè)量、繪制樹(shù)高曲線后選取平均標(biāo)準(zhǔn)木1株，挖倒后測(cè)定各器官（干、枝、葉、根）的生物量鮮質(zhì)量并取樣；其中樹(shù)干按1m區(qū)分段實(shí)測(cè)生物量鮮質(zhì)量和樹(shù)干材積，枝和葉分為上、中、下3層測(cè)定鮮質(zhì)量，根分為粗、中、細(xì)3級(jí)測(cè)定鮮質(zhì)量。野外所取鮮樣品室內(nèi)85℃烘干至絕對(duì)干質(zhì)量，計(jì)算出全株和不同器官的生物量總質(zhì)量，再按胸高斷面積推算出喬木層生物量總質(zhì)量。草本層、凋落物層生物量按對(duì)角線設(shè)5個(gè)1×1m2樣方測(cè)定鮮質(zhì)量，灌木層生物量按對(duì)角線設(shè)5個(gè)2×2m2樣方測(cè)定鮮質(zhì)量，取鮮樣品室內(nèi)烘干測(cè)定質(zhì)量，再推算出單位面積生物量的總質(zhì)量。

表1 沙地白榆林生物量樣地基本情況

生物量計(jì)量參數(shù)主要參考IPCC指南（2006）[6]、《林業(yè)碳匯計(jì)量監(jiān)測(cè)術(shù)語(yǔ)》（LY/T3253-2021）[7]等推薦的計(jì)算方法，公式如下：

其中：BEF，樹(shù)木生物量擴(kuò)展因子（無(wú)量綱）；AB，樹(shù)木地上部分生物量（t/hm2）；SB，樹(shù)干生物量（t/hm2）。

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

其中：R，根莖比（無(wú)量綱）；UB，樹(shù)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(jié)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(zhì)或有機(jī)質(zhì)的形式儲(chǔ)存于森林植被和土壤中，可以將森林碳庫(kù)按林分組分構(gòu)成劃分為喬木層碳庫(kù)、草本植物碳庫(kù)、灌木碳庫(kù)、凋落物碳庫(kù)和粗木質(zhì)殘?bào)w碳庫(kù)、土壤碳庫(kù)等。表2為各樣地生物量密度的測(cè)定結(jié)果，表明沙地白榆林不同林分組分間生物量（生物現(xiàn)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?yàn)閱棠荆静荼荆镜蚵湮?，而灌木和粗木質(zhì)殘?bào)w所積累的生物量很少，可以忽略不計(jì)?？梢?jiàn)喬木層樹(shù)木所積累的生物量遠(yuǎn)高于其他林分組分，也是其最重要的碳庫(kù)。

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(shù)木是植被群落中生產(chǎn)力最主要和最活躍的群體，多年的同化作用將碳以生物質(zhì)的形式儲(chǔ)存于樹(shù)干、樹(shù)枝、樹(shù)葉和樹(shù)根等器官中，并通過(guò)枯損過(guò)程向凋落物層、土壤層等轉(zhuǎn)移，是植被群落實(shí)現(xiàn)固碳功能最主要的部分。樹(shù)木生物量一般隨樹(shù)齡增長(zhǎng)呈增加趨勢(shì)，但由于樹(shù)種特性、立地條件和經(jīng)營(yíng)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(shù)干平均值37.68%、樹(shù)枝平均值24.92%、樹(shù)葉平均值5.07%、樹(shù)根平均值32.33%，即總體上為干＞根＞枝＞葉。白榆生長(zhǎng)于干旱沙地環(huán)境，樹(shù)高較矮，林木稀疏，側(cè)枝和根系發(fā)達(dá)，相較本區(qū)華北落葉松、樟子松等主要造林樹(shù)種的樹(shù)干和樹(shù)葉生物量所占比例較低，而樹(shù)枝和樹(shù)根所占比例較高[8]。

2.3 沙地白榆林的生物量計(jì)量參數(shù)

生物量計(jì)量參數(shù)是森林碳匯評(píng)估的重要參數(shù)，不同區(qū)域和樹(shù)種及發(fā)育階段的生物量計(jì)量有較大差異，本次研究沙地白榆林生物量計(jì)量參數(shù)計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3。由表3可知，白榆林的生物量計(jì)量參數(shù)中BEF值、BCEF值和R值變化差異較大，而WD值相對(duì)穩(wěn)定。

表3 沙地白榆林的生物量計(jì)量參數(shù)

2.4 沙地白榆林的碳儲(chǔ)量

森林碳儲(chǔ)量可由不同碳庫(kù)的生物量與含碳率計(jì)算而來(lái)，不同林分組分、樹(shù)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(xiàng)目方法學(xué)》（AR-CM-001-V01）的推薦值0.497[9]；根據(jù)程仁堂等對(duì)林下草本植物、凋落物的測(cè)定結(jié)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(chǔ)量（碳密度）的計(jì)算結(jié)果，可見(jiàn)沙地白榆林雖然林分稀疏，生長(zhǎng)較緩慢，但碳儲(chǔ)量仍較高，其中以喬木層樹(shù)木的碳儲(chǔ)量最高。3塊樣地的年均固碳量以2號(hào)樣地最高，可達(dá)2.1537 t·hm-2·a-1；而1號(hào)樣地最有代表性，年固碳量為1.1824 t·hm-2·a-1，代表了本區(qū)白榆林較高生產(chǎn)力水平下較長(zhǎng)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(chǔ)量

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)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(shù)木中，其中以樹(shù)干和樹(shù)根所積累量較高，這同渾善達(dá)克沙地稀樹(shù)草原生物量的研究結(jié)果相似[3]。白榆林的生物量計(jì)量參數(shù)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(shù)種R值較高，這反映了其地下生物量碳庫(kù)較高；同時(shí)3塊樣地生物量計(jì)量參數(shù)變化較大，可能由于其林分密度變化較大所導(dǎo)致，因此獲取精度較高的生物量計(jì)量參數(shù)需要加大樣本測(cè)定數(shù)量。

白榆林調(diào)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(xiàng)指標(biāo)均表明沙地白榆林具有較高的碳匯功能，遠(yuǎn)高于我國(guó)草地平均碳密度2.36～11.48 t·hm-2的研究結(jié)果[12]，是干旱半干旱草原區(qū)非常重要的匯；也表明人工造林對(duì)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(guò)適合的森林經(jīng)營(yíng)措施有可能大幅提升森林碳儲(chǔ)量，具有較高的固碳潛力。

3.2 討論

白榆是河北壩上地區(qū)沙地優(yōu)良的生態(tài)防護(hù)樹(shù)種，且能夠形成穩(wěn)定的森林群落，但生長(zhǎng)速度相對(duì)較慢，但同本區(qū)樟子松、華北落葉松主要造林樹(shù)種相比，在生產(chǎn)力和固碳方面尚有差距；同屬壩上地區(qū)的塞罕壩林場(chǎng)華北落葉松林18a生和38a生碳儲(chǔ)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(shí)碳儲(chǔ)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(chǔ)量可達(dá)57.08t·hm-2，以上樹(shù)種速生性強(qiáng)，且林分密度較高，可見(jiàn)在河北壩上地區(qū)營(yíng)造碳匯林若立地條件較好時(shí)宜選擇華北落葉松、樟子松等樹(shù)種。