泰山森林生态系统碳储量及碳密度研究

刘成杰 李建华 曹 宁 申卫星 崔传洋 肖 宇 周才平

(1.山东农业大学林学院，山东 泰安 271018；2.泰安市泰山林场，山东 泰安 271000； 3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

泰山森林生态系统碳储量及碳密度研究

刘成杰1李建华1曹 宁1申卫星2崔传洋1肖 宇1周才平3

(1.山东农业大学林学院，山东 泰安 271018；2.泰安市泰山林场，山东 泰安 271000； 3.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

按照植被组成差异将泰山森林划分为油松林、赤松林、黑松林、华山松林、侧柏林、栎林、刺槐林、混交林、经济林和草甸共10种植被类型，分类型设置典型样地,并结合生物量经验(回归)模型估计法测算了泰山森林生态系统乔木、灌木、草本、枯落物及土壤各层的碳储量和碳密度。结果表明：泰山森林生态系统总碳储量为240.54×104t，不同植被类型森林碳储量由高到低依次为油松林(85.63×104t)>混交林(57.29×104t)>刺槐林(28.11×104t)>栎林(22.50×104t)>侧柏林(16.75×104t)>赤松林(14.90×104t)>经济林(6.12×104t)>黑松林(3.93×104t)>华山松林(2.75×104t)>草甸(2.55×104t)；不同空间层次碳储量所占比率由高到低分别为土壤层(77.52%)、乔木层(20.60%)、枯落物层(1.49%)、草本层(0.22%)、灌木层(0.17%)，其中土壤层和乔木层占总碳储量的98.12%，土壤层碳储量约是植被层的3.69倍。泰山森林生态系统总碳密度为202.17 t/hm2，各植被类型中碳密度最大的为刺槐林(310.88 t/hm2)，从森林的碳汇功能来讲，刺槐林不仅不能减少面积，而且应成为今后强化经营管理的对象。

碳储量；碳密度；分配特征；生态系统；泰山

森林生态系统是地球上除海洋之外最大的碳库，约占全球陆地总碳库的46%，在全球碳循环和碳平衡以及减缓温室效应和调节全球气候变化等方面起着不可替代的作用[1-2]。随着国际社会对全球气候变化问题关注度的不断提高，增加森林碳储量和增强森林碳汇功能已成为各国林业建设的重点。本研究以泰山林场为例，利用典型样地结合生物量经验(回归)模型估计法测算泰山森林的碳储量，并分析其碳密度及分配特征，不仅可以为评价区域森林在全球碳循环中的重要作用提供依据，而且也为泰山森林的科学经营管理提供基础数据。

1 研究区概况

研究地点设在泰山林场。泰山林场地处东经116°58′～117°10′，北纬36°12′～36°22′，始建于1948年，位于山东省中部，地跨泰安市的泰山区、岱岳区及济南市的长清区、历城区。泰山属暖温带大陆性季风气候区，为亚高山型湿润气候，山顶年均气温5.3 ℃，山下年均气温12.8 ℃，垂直变化明显。山顶年均降水量为 1 124.6 mm，比山基部多409 mm，7—8月份降水量为全年降水量的50%，雨量充沛，具有雨热同季的特点。泰山云雾多，日照少，气压低，湿度大，年平均湿度达63%。泰山地质母岩以片麻岩、花岗岩和过渡性岩石为主[3]，土类主要有棕壤、褐土和山顶草甸土3种，并以棕壤为主。

泰山林场总面积 11 897.87 hm2，总蓄积量 863 153 m3，森林覆盖率高达95.8%，是山东省面积最大的国有林场。主要树种有油松(Pinustabuliformis)、赤松(Pinusdensiflora)、黑松(Pinusthunbergii)、华山松(Pinusarmandii)、侧柏(Platycladusorientalis)、麻栎(Quercusacutissima)、栓皮栎(Quercusvariabilis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、五角枫(Acermono)、板栗(Castaneamollissima)和核桃(Juglansregia)等。

2 研究方法

依据《山东省第八次森林资源清查成果》和《山东省泰安市泰山林场森林经营方案(2011—2020年)》等相关资料，将泰山植被划分为油松林、赤松林、黑松林、华山松林、侧柏林、栎林、刺槐林、混交林、经济林和草甸共10种植被类型。在此基础上，对每种植被类型各抽取6块具有代表性的样地，按照《IPCC土地利用、土地利用变化和林业优良做法指南》的建议，同时结合实地调查结果和泰山林场的特殊地理位置，对每块样地分乔木层、灌木层、草本层、枯落物层和土壤层有机质5个层次测定碳储量，最后计算得出各植被类型和各层次的碳储量。

2.1 生物量测定

根据李海奎等的研究结果，充分考虑各方法的优缺点，同时鉴于泰山林场的实际情况，本研究中对乔木层生物量的测定采用生物量经验(回归)模型估计法[4]。

生物量经验(回归)模型估计法是利用某一树种野外生物量的实测数据，建立生物量与树高、胸径等统计回归关系模型的方法，通过建立树干、树枝、树叶和树根与生物量相容性的模型进行分量估算。该方法具有无偏、稳定、相容等特点，其基本公式为：

B总= ∑V总·BEF=

式中：B总为某一森林类型的总生物量；V总为某一森林类型的总蓄积量；BEF为样地模型树干材积与乔木总生物量转换系数[5]，无量纲；V样为样地调查材积；B模为样地模型生物量；V模为样地模型材积；m为某一样地内的径阶数；n为计算生物量的优势树种样地个数。

目前，发表的单木生物量经验(回归)模型众多，根据各树种特性和地域分布特点，经过筛选和验证，选择出适合本地域的单木生物量经验(回归)模型[4,6-9]。灌木层、草本层和枯落物层生物量的测定是在乔木样地内分别设置3个具有代表性的典型样方(灌木2m×2m、草本1m×1m、枯落物1m×1m)，采用直接收获法获取样方生物量，并换算成样地生物量和总生物量。

2.2 含碳率测定

采集乔木各树种的根、干、枝、叶等样品，测定其含碳率；在乔木样地内采集灌木、草本及枯落物样品，并取样测定各部分的含碳率。在样地内挖取土壤剖面，取样并测定土壤的厚度、容重和有机碳含碳率等。植物样品的含碳率采用元素分析仪测定，土壤样品的含碳率采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定。

2.3 碳储量计算

样地碳储量由乔木层碳储量、灌木层碳储量、草本层碳储量、枯落物层碳储量和土壤层碳储量5个部分组成。除土壤层外，各层的碳储量通过生物量与含碳率的乘积计算。土壤层碳储量则是通过各森林类型各样地土层的土壤容重和含碳量，乘以面积、土层厚度和转换系数计算得到的，即土壤碳储量=土壤面积×土壤平均厚度×土壤平均容重×转换系数[10-11]。

本研究数据用SAS9.1及MicrosoftExcel2010进行整理分析。

3 结果与分析

3.1 乔木层碳密度和碳储量分析

泰山森林乔木层的平均碳密度为43.47t/hm2，由表1可知，不同植被类型乔木层碳密度依次表现为：栎林(84.34t/hm2)>赤松林(60.50t/hm2)>油松林(46.16t/hm2)>华山松林(31.78t/hm2)>刺槐林(31.04t/hm2)>混交林(28.30t/hm2)>黑松林(22.66t/hm2)>侧柏林(16.98t/hm2)，地上部分平均碳密度为34.14t/hm2，地下部分平均碳密度为9.33t/hm2。泰山森林生态系统乔木层碳储量为49.56×104t，其中地上部分碳储量为38.92×104t，地下部分碳储量为10.64×104t。乔木层地下部分碳储量与地上部分碳储量的比约为0.27，小于IPCC的一般范围0.29～0.46。分析原因，主要由于泰山地势陡峭，岩石坚硬阻碍了乔木根部的生长所致，因此根部碳储量所占比例偏小。

由于森林资源清查数据中没有统计经济林的蓄积，所以本研究在计算经济林的碳储量时采用单位面积的碳储量与总面积相乘而得，由于采用的计算方法不同，所以在乔木层碳储量和碳密度的比较分析中不涉及经济林。

表1 不同植被类型乔木层碳密度和碳储量

3.2 灌木层、草本层、枯落物层、土壤层碳密度和碳储量分析

泰山森林生态系统灌木层碳储量为0.41×104t，平均碳密度为0.35 t/hm2。灌木层碳密度最大为黑松林(1.83 t/hm2)，这与泰山黑松林遭受冻害，林分郁闭度较小、灌木生长旺盛有关；最小为经济林(0.13 t/hm2)，主要原因是经济林以获取果实为主，因此林下植被人为清除较为严重，导致灌木层碳密度较小。草本层碳储量为0.53×104t，草本层碳密度为0.08～0.69 t/hm2，平均碳密度为0.44 t/hm2。灌木层与草本层总碳密度为0.79 t/hm2，大于瓦屋山林场的灌草层碳密度(0.30 t/hm2)[12]。

枯落物层碳储量为3.58×104t，枯落物层碳密度为1.17～9.32 t/hm2，平均碳密度为3.01 t/hm2，碳密度较高的有栎林(9.32 t/hm2)、黑松林(5.42 t/hm2)、侧柏林(5.21 t/hm2)，而华山松林(1.17 t/hm2)、经济林(1.20 t/hm2)碳密度较小。华山松林枯落物层相对较少，可能是由于林分坡度较大，致使枯落物滑入山谷造成的，而经济林枯落物层相对较少，主要是人为清除造成的。

泰山植被生长茂盛，土壤碳的输入量较大，土壤层碳密度为46.96～276.29 t/hm2，平均碳密度为156.72 t/hm2。不同植被类型土壤层碳密度依次表现为：刺槐林(276.29 t/hm2)>华山松林(189.09 t/hm2)>混交林(160.37 t/hm2)>侧柏林(159.04 t/hm2)>油松林(158.42 t/hm2)>黑松林(155.29 t/hm2)>赤松林(153.73 t/hm2)>栎林(120.31 t/hm2)>经济林(59.69 t/hm2)>草甸(46.96 t/hm2)，刺槐林碳密度最大，这与刺槐根系发达、生长迅速、抗逆保土、固氮增碳的实际情况是相一致的。土壤总碳储量为186.47×104t，不同植被类型土壤层碳储量依次表现为：油松林(65.55×104t)>混交林(48.01×104t)>刺槐林(24.98×104t)>侧柏林(14.63×104t)>栎林(12.63×104t)>赤松林(10.43×104t)>黑松林(3.29×104t)>草甸(2.34×104t)>华山松林(2.33×104t)>经济林(2.27×104t)。

表2 不同植被类型灌木层、草本层、枯落物层、土壤层碳密度和碳储量

注：华山松林和经济林灌木层总的碳储量不足0.01×104t，所以表格中显示为0.00。

3.3 泰山森林生态系统碳储量及碳密度分配特征分析

泰山森林生态系统的总碳储量为240.54×104t，不同植被类型森林碳储量由高到低依次表现为：油松林(85.63×104t)>混交林(57.29×104t)>刺槐林(28.11×104t)>栎林(22.50×104t)>侧柏林(16.75×104t)>赤松林(14.90×104t)>经济林(6.12×104t)>黑松林(3.93×104t)>华山松林(2.75×104t)>草甸(2.55×104t)。

不同空间层次碳储量所占比例由大到小依次为：土壤层(77.52%)>乔木层(20.60%)>枯落物层(1.49%)>草本层(0.22%)>灌木层(0.17%)。由此可见，森林土壤为泰山森林生态系统中碳储量最大的组分，其土壤层碳储量约是植被(乔木层、灌木层和草本层)的3.69倍，高于全国的平均水平(3.4倍)[13]。另外土壤层和乔木层碳储量之和约占总碳储量的97.12%，其他组分碳储量仅占2.88%。

泰山森林生态系统平均碳密度为202.17 t/hm2，不同植被类型的碳密度在51.32～310.88 t/hm2，其中刺槐林碳密度最大，为310.88 t/hm2；草甸碳密度最小，为51.32 t/hm2。刺槐林是草地的6.06倍，可见乔木林的经营管理对于森林碳储量的增加具有重要作用[14]。

4 结 论

1) 泰山森林生态系统的总碳储量为240.54×104t。不同植被类型森林碳储量由高到低依次表现为：油松林>混交林>刺槐林>栎林>侧柏林>赤松林>经济林>黑松林>华山松林>草甸。

2) 泰山森林生态系统平均碳密度为202.17 t/hm2。不同植被类型碳密度表现为：刺槐林>华山松林>赤松林>栎林>油松林>混交林>黑松林>侧柏林>经济林>草甸，其中刺槐林碳密度最大，草甸碳密度最小，前者为后者的6.06倍。

3) 泰山森林生态系统不同空间层次碳储量依次为：土壤层>乔木层>枯落物层>草本层>灌木层。

4) 森林土壤是泰山森林生态系统中碳储量最大的组分，其土壤碳储量所占比例是植被碳储量的3.69倍，高于全国的平均水平(3.4倍)。另外，土壤层和乔木层的碳储量共占泰山森林总碳储量的97.12%，其他组分的碳储量仅占2.88%，说明土壤和乔木是泰山森林生态系统碳储量的主体。

[1] Watson R T, Noble I R, Bolin B, et al. IPCC special report on land use[R]. Land-Use Change and Forestry,2000.

[2] Canadell J G, Mooney H A, Baldocchi D D, et al. Commentary: carbon metabolism of the terrestrial biosphere: a multitechnique approach for improved understanding[J]. Ecosystems, 2000, 3(2): 115-130.

[3] 王贵霞，李传荣，齐清，等．泰山油松群落β多样性研究[J]．山东农业大学学报:自然科学版，2004，35(3)：347-351．

[4] 李海奎，雷渊才．中国森林植被生物量和碳储量评估[M]．北京：中国林业出版社，2010．

[5] 邓蕾，上官周平．基于森林资源清查资料的森林碳储量计量方法[J]．水土保持通报，2011，31(6)：143-147．

[6] 陈灵芝，陈清朗，鲍显诚，等．北京山区的侧柏林(Platycladusorientalis)及其生物量研究[J]．植物生态学与地植物学丛刊，1986(1)：17-25．

[7] 沈作奎，鲁胜平，艾训儒．日本落叶松人工林生物量及生产力的研究[J]．湖北民族学院学报:自然科学版，2005，23(3)：289-292．

[8] 许中旗，李文华，刘文忠，等．我国东北地区蒙古栎林生物量及生产力的研究[J]．中国生态农业学报，2006，14(3)：21-24．

[9] 黄则舟，毕君．太行山刺槐林分生物量研究[J]．河北林业科技，1992，02(2)：48-52．

[10] 王绍强，周成虎．中国陆地土壤有机碳库的估算[J]．地理研究，1999，18(4)：349-356．

[11] 丘清燕，梁国华，黄德卫．森林土壤可溶性有机碳研究进展[J]．西南林业大学学报，2013，33(1)：86-96．

[12] 路秋玲，郑阿宝，阮宏华．瓦屋山林场森林碳密度与碳储量研究[J]．南京林业大学学报：自然科学版，2010，34(5)：115-119．

[13] 周玉荣，于振良，赵士洞．我国主要森林生态系统碳贮量和碳平衡[J]．植物生态学报，2000，24(5)：518-522．

[14] 谢如松，陈昌雄，李晓伟，等．河南省林木林碳储量成熟问题研究[J]．西南林业大学学报，2014，34(2)：35-38．

(责任编辑 朝明跃)

Study on Carbon Storage and Carbon Density of Forest Ecosystems in Mount Tai

LIU Cheng-jie1, LI Jian-hua1, CAO Ning1, SHEN Wei-xing2, CUI Chuan-yang1,XIAO Yu1, ZHOU Cai-ping3

(1. College of Forestry , Shandong Agricultural University, Tai′an Shandong 271018, China; 2. Mount Tai Forest Farm of Taian Municipality, Tai′an Shandong 271000, China; 3. Institute of Geographic Science and Nature Resource Research, Chinese Academy of Science, Beijing 100101, China)

According to the vegetation composition, we divided the vegetation types of Mount Tai forest farm into ten types, includingPinustabuliformisforest,Pinusdensifloraforest,Pinusthunbergiiforest,Pinusarmandiiforest,Platycladusorientalisforest,Quercusforest,Robiniapseudoacaciaforest, mixed forest, economic forest and Meadow. By setting up typical sample plots of different types and combining with the biomass experience model method, we measured and calculated the forestry carbon storage and carbon density of Mount Tai forest ecological system. The results were as follows: The total carbon storage of Mount Tai forest ecological system was 240.54×104t. Forest carbon storage of vegetation types from high to low wasPinustabuliformisforest(85.63×104t), mixed forest(57.29×104t),Robiniapseudoacaciaforest(28.11×104t),Quercusforest(22.50×104t),Platycladusorientalisforest(16.75×104t),Pinusdensifloraforest(14.90×104t), economic forest(6.12×104t),Pinusthunbergiiforest(3.93×104t),Pinusarmandiiforest(2.75×104t) and Meadow(2.55×104 t). Forest carbon storage rate of spatial levels from high to low was soil layer (77.52%), tree layer (20.60%), litter layer (1.49%), herbaceous layer(0.22%), shrub layer(0.17%). Soil layer and tree layer accounted for 98.12% of total carbon storage. Carbon storage in soil layer was 3.69 times to those in vegetable layer. The total carbon density of Mount Tai forest ecological system was 202.17 t/hm2, and the biggest one wasRobiniapseudoacaciaforest (310.88 t/hm2). In terms of the forest carbon sinks function, we shouldn′t reduce the area ofRobiniapseudoacaciaforest, but should be strengthen the operation and management in the future.

carbon storage; carbon density; distribution characteristics; ecosystem; Mount Tai

2014-05-15

中国科学院战略性先导科技专项(XDA05050203-02)资助；泰安市大学生科技创新行动计划((2011D2021)资助。

李建华(1962—)，男，博士，副教授。研究方向：森林调查与森林资源管理。Email：ljhnk@163.com。

10.3969/j.issn.2095-1914.2014.06.007

S758.4

A

2095-1914(2014)06-0044-05

第1作者：刘成杰(1987—)，男，硕士生。研究方向：森林可持续经营理论与技术。Email：lchj1987@foxmail.com。