大兴安岭地区南北部幼中龄林碳储量研究

孟晓清，刘琪璟，陶立超，邓留宝，李卫军，温志勇

（北京林业大学 林学院省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083）

大兴安岭地区南北部幼中龄林碳储量研究

孟晓清，刘琪璟，陶立超，邓留宝，李卫军，温志勇

（北京林业大学 林学院省部共建森林培育与保护教育部重点实验室，北京 100083）

为了解大兴安岭林区南部和北部落叶松与白桦幼中龄林碳密度差异，准确估算该地区碳储量，本文结合南北部两个典型林业局抚育伐样地调查及森林资源统计资料，分析了南北部落叶松和白桦幼中龄林林分特征及生物量差异，利用生物量转换因子连续函数法建立了生物量（B）与蓄积量（V）的线性关系。结果显示，南部落叶松和南北部白桦直径分布均为右偏山状曲线，北部落叶松为左偏山状。样地生物量密度分布近似于正态曲线，南部各样地之间分布相对均匀，北部各样地分布相差较大。落叶松和白桦生物量与蓄积量线性关系分别为B=0.6726*V+0.5592和B=0.7317*V-0.2932。南部地区落叶松和白桦幼中龄林碳密度分别为30.54 t·hm-2和30.06 t·hm-2，北部地区分别为24.19 t·hm-2和26.77 t·hm-2。整个内蒙古大兴安岭地区落叶松和白桦幼中龄林碳储量分别为8 546.4万t和2 798.9万t，碳密度分别为26.08 t·hm-2和25.01 t·hm-2。由于幼中龄林具有较高的碳增长潜力，合理地经营大兴安岭地区落叶松和白桦幼中龄林，将有利于提高该区森林碳汇潜力。

落叶松；白桦；抚育伐；直径分布；生物量密度

位于我国东北的内蒙古大兴安岭地区，是国家重要林区之一，具有较为完整的寒温带天然林生态系统，在维持气候变化和水土保持等方面具有重要价值。随着近些年国家造林力度的加大，大兴安岭地区幼中龄林面积显著增加，探索该区域幼中龄林林分特征，准确估算碳储量，对研究全球CO2浓度及环境变化具有重要意义。

当前内蒙古大兴安岭地区的碳储量研究多由标准地生物量[1-2]推算区域碳储量[3]，但人为选择标准地存在较大主观性。有研究者利用生物量转换系数估算了该区域不同森林类型的碳储量[4-5]，但所用转换系数多根据全国范围数据建立[6-7]，并未考虑树种生长的地域性差异，推算某一区域生物量时可能存在较大偏差。近些年有学者重新分析了北半球森林植被碳储量，发现以往估计结果比实际值大1～1.5倍[8]。因此，建立内蒙古大兴安岭地区主要树种生物量与蓄积量对应的转换关系，重新估算该区幼中龄林碳储量，对了解区域碳动态特征具有重要意义。落叶松（Larix gmelinii）和白桦（Betula platyphylla）作为该区域主要树种，幼中龄林面积占全区幼中龄林面积的90%以上，构成了区域幼中龄林森林碳储量的主体。

本文以内蒙古大兴安岭地区落叶松和白桦幼中龄林为研究对象，依据该地区森林资源统计资料及林业局抚育伐调查数据，分析了大兴安岭南北部落叶松和白桦林幼中龄林直径分布及样地生物量密度。利用生物量转换因子连续函数法，结合样地生物量与蓄积量实测值，建立了该区落叶松和白桦生物量与蓄积量线性关系，推算了南北两个林业局及整个林区落叶松和白桦幼中龄林碳储量与碳密度。

1 研究区概况及方法

1.1 研究区概况

内 蒙 古 大 兴 安 岭 地 区（119°36′20″～125°19′50″E，47°03′40″～ 52°40′35″N）位于我国东北部，东西宽384 km，南北长696 km，总面积1 065.75万hm2。该区兴安落叶松占有绝对优势，构成我国唯一的寒温带泰加林森林类型。除兴安落叶松外，该地区还存在较大面积的白桦、樟子松Pinus sylvestris、山杨Populus davidiana、蒙古栎Quercus mongolica、黑桦Betula dahurica等有少量分布。林下植被主要有兴安杜鹃Rhododendron dauricum、细叶杜香Ledum palustre、笃斯越桔Vaccinium uliginosum、薹草Carex spp等。

内蒙古大兴安岭地区林管局下辖27个林业局及2个自然保护区，北部和南部分别选取满归和绰源林业局作为研究区域。其中满归林业局（ 121°05′47″～ 122°47′05″E，51°51′02″～52°31′52″N）地处大兴安岭北部，位于根河市和额尔古纳市境内，东西长120 km，南北宽20 km，林业局施业区面积390 295 hm2。年平均气温-5.8℃，最高气温31℃，最低气温-52℃，无霜期80 d，年均降水量437.4 mm。落叶松和白桦分别占该局森林面积的70.3%和25.0%。绰源林业 局（120°17′52″～ 121°40′19″E，47°35′21″～48°37′50″N）地处大兴安岭南部，位于牙克石市和鄂温克族自治旗境内，与满归林业局直线距离420 km。东西长85 km，南北宽70 km，林业局施业区面积313 168 hm2。年平均气温-2.1℃，1月份平均气温为-22℃，7月份平均气温为19.8℃。无霜期87 d，年均降水量461.9 mm。落叶松林和白桦林面积分别占该局森林面积的56.6%和40.6%。

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源

样地数据来源于满归和绰源林业局抚育伐调查资料。调查对象为幼中龄林，调查内容包括林分起源，树种组成，树高，年龄，胸径，蓄积量等。调查面积不小于作业小班实际面积的3%，样地面积一般在0.03～1.00 hm2之间样地蓄积量以每木检尺资料为基础，结合当地材积表计算所得。满归林业局共有样地464块，绰源林业局共有1 002块。

森林资源统计数据取自内蒙古大兴安岭地区林管局森林资源统计资料。该资料是大兴安岭林管局依据国家《森林资源规划设计调查主要技术规定》，结合全局森林资源连续清查结果，每年对森林资源消长更新汇总而成。

以上数据均取自2012年。

1.2.2 树种组成及直径分布

根据样地调查，分析南北两个林业局落叶松和白桦幼中龄林树种组成。单一树种超过林分蓄积量65%的划为纯林，不足10%的树种为伴生树种，分别计算各树种林分蓄积量及株数密度。

以2 cm为径阶，利用两参数Weibull分布密度函数，从林业局范围分析南北部落叶松和白桦幼中龄林直径分布。函数形式如下：

其中f(x)为径阶分布概率，x为径阶，b为尺度参数，c为形状参数[9]。

1.2.3 样地生物量

样地生物量根据单木生物量实测值结合样地数据计算得到。单木生物量根据伐倒木实测，按照各径阶平均树高挑选各径阶平均标准木，每个径阶1～2株，共计27株落叶松和26株白桦。实测树干、树皮、枝条和叶片鲜重，分别取样带回实验室烘干至恒重，根据含水率推算各部分干重，各部分干重累加得到单木生物量。

样地生物量密度为样地生物量与样地面积之比。以生物量密度为随机变量，利用SPSS18.0软件进行描述性数理统计分析，做出生物量密度分布直方图及正态曲线，并计算南北两局落叶松和白桦生物量密度分布的偏度系数SSK和峰度系数K，数学表达式如下：

其中n为样本量，Xi为样地生物量密度，为生物量密度平均值，S为生物量密度标准差。偏度值SSK显示了样地生物量密度的偏向程度，大于0时表示低于平均值样地较多，小于0时表示高于平均值样地较多。峰度值K显示出生物量密度样地分布的均匀程度，K值越大，样地间生物量密度变化越明显。

1.2.4 碳储量及碳密度

根据样地生物量密度值，由高到低分层抽样，南北两个林业局分树种各抽取15个块标准地（共60块），利用生物量转换因子连续函数法[10]建立落叶松和白桦幼中龄林生物量与蓄积量关系。基于林分生物量与蓄积量关系式，结合森林资源统计数据求算碳储量。

碳密度为生物量密度与含碳系数之积。其中，样地碳密度是由抚育伐调查数据实测所得，区域碳密度是基于森林资源统计数据推算。含碳系数采用文献中的测定值，兴安落叶松和白桦分别为0.4948 和 0.5018[3]。

2 结 果

2.1 树种组成及直径分布

2.1.1 树种组成

北部满归林业局，落叶松纯林409块，占样地总比例的88.15%；白桦纯林7块，占样地总比例的1.51%；其余均为落叶松白桦混交林。落叶松林中伴生树种为白桦、樟子松或山杨，白桦纯林中伴生树种均为落叶松。

南部绰源林业局，落叶松纯林577块，占样地总比例的57.58%；白桦纯林145块，占样地总比例的17.47%，山杨纯林1块，其余279块多为落叶松白桦混交林，少有落叶松白桦山杨混交林。落叶松林中伴生树种多为白桦或山杨，白桦林中伴生树种为落叶松。

2.1.2 蓄积组成

北部满归林业局落叶松纯林蓄积量最高为118.00 m3·hm-2， 平 均 蓄 积 量 为 41.40 m3·hm-2， 白桦纯林蓄积量最高为72.22 m3·hm-2，平均蓄积量为46.22 m3·hm-2。混交林中，落叶松平均蓄积量为28.50 m3·hm-2，白桦平均蓄积量为 9.41 m3·hm-2。

南部绰源林业局落叶松纯林蓄积量最高为188.76 m3·hm-2，平均蓄积为 102.92 m3·hm-2，白桦纯林蓄积量最高为120.19 m3·hm-2，平均蓄积量为60.19 m3·hm-2。混交林中，落叶松平均蓄积量为46.64 m3·hm-2，白桦平均蓄积量为 31.65 m3·hm-2。

2.1.3 株数密度及直径分布

北部满归林业局落叶松株数密度为890～3 711 株·hm-2，平均 1719 株·hm-2，白桦多为伴生树种，平均株数密度261株·hm-2；南部绰源林业局落叶松株数密度为280～1 356株·hm-2，平均455株·hm-2，白桦株数密度为 393～ 1 529株·hm-2，平均499株·hm-2。根据各径阶株数绘制南北两局白桦和落叶松株数-直径分布图（图1）。

Weibull分布密度函数拟合结果显示（表1），南部和北部白桦、南部落叶松形状参数c均介于1～3.6之间，表示为右偏的山状曲线函数，北部落叶松形状参数c大于3.6，表示为左偏山状分布曲线函数。决定系数R2显示，北部落叶松拟合效果最好，决定系数为0.76。

表1 Weibull分布拟合参数值Table 1 The fitting parameters of Weibull distribution

结合株数-直径分布图，北部满归林业局抚育伐倾向于幼龄林，南部绰源林业局更倾向于中龄林，这是导致Weibull曲线偏向不同的主要原因。北部落叶松幼龄林直径较小，径阶多不足10 cm，但株数密度较大；南部落叶松直径相对较大，均为6 cm以上，株数密度小于北部。北部白桦由于多为伴生树种，径阶多为16 cm以下，最大为22 cm径阶；南部白桦林纯林居多，公顷株数和直径均大于北部，最大径阶为34 cm。

2.2 生物量密度

2.2.1 样地生物量密度

根据样地生物量结果，北部地区落叶松幼中龄林生物量密度范围为7.73～82.59 t·hm-2，白桦纯林为9.19～49.89 t·hm-2；南部地区落叶松幼中龄林生物量密度范围为21.58～130.94 t·hm-2，白桦林为27.58～86.36 t·hm-2。由于北部白桦纯林样本量较少（仅有7个），不纳入分析，故只绘制南部落叶松林和白桦林及北部落叶松林生物量密度与样地数量关系图（图2）。

图1 白桦和落叶松株数-直径分布Fig.1 Frequecy distribution in relation to diameter class for Larix and Betula

结果显示，南部地区落叶松林和白桦林及北部落叶松林生物量密度分布近似于正态分布曲线，峰度及偏度值如下（表2）：

图2 样地生物量密度与数量关系Fig.2 Frequency distribution of aboveground biomass density

表2 样地生物量密度峰系数及偏度系数Table 2 Skewness and kurtosis of sample plot biomass density

偏度系数显示，南北部地区落叶松林和南部白桦林生物量密度分布均为右偏。偏度值北部落叶松林高于南部，南部地区白桦林偏度值最大，为1.366，低生物量密度样地较多，高生物量密度样地数量随着生物量密度的增加逐步减少。峰度系数显示，落叶松林和白桦林均为尖峰分布，由高到低依次为南部白桦林、北部落叶松林和南部落叶松林。其中南部白桦林峰度值最高，达2.932，样地生物量密度分布变化最大。综合分析，南部地区落叶松林生物量分布较为均匀，南部白桦林和北部落叶松林生物量密度分布较为分散。

根据统计分析均值，南部地区落叶松林和白桦林样地生物量密度分别为 67.57 t·hm-2和 43.20 t·hm-2，北部地区落叶松林为31.12 t·hm-2。北部地区白桦7 个纯林平均值为 31.63 t·hm-2。

2.2.2 生物量与蓄积量关系

综合南北地区落叶松和白桦各30块标准地蓄积量与生物量实测数据，拟合二者关系。结果显示，回归方程决定系数R2均为0.99，说明生物量与蓄积量线性关系明显（图3），方程如下：

落叶松：B=0.6726*V+0.5592，R2=0.99，n=30

图3 白桦和落叶松生物量与蓄积量关系Fig. 3 Relationship between biomass and volume for Larix and Betula forests

白桦：B=0.7317*V-0.2932，R2=0.99，n=30

2.3 碳储量及碳密度

利用落叶松和白桦生物量与蓄积量关系，结合森林资源统计数据，估算南北两个林业局及整个内蒙古大兴安岭地区落叶松和白桦碳储量和碳密度（表3）。

由表3可知，整个大兴安岭地区白桦和落叶松幼龄林碳密度分别为 8.87 t·hm-2和 12.74 t·hm-2，高于南北两个林业局碳密度；白桦中龄林碳密度为27.45 t·hm-2，低于南北两个林业局碳密度，落叶松中龄林碳密度为27.95 t·hm-2，介于南北两局碳密度之间。

表3 落叶松和白桦幼中龄林碳储量及碳密度Table 3 Carbon storage and density for young and middle Larix and Betula forests

南部幼中龄林总碳储量高于北部，是由于南部地区中龄林面积较大，中龄林碳储量能力高于幼龄林所导致。南部地区幼龄林碳储量低于北部，原因为北部白桦和落叶松幼龄林面积均多于南部，各林业局森林面积显示，北部满归林业局落叶松和白桦幼龄林面积分别为26 032 hm2和3 576 hm2，南部绰源林业局落叶松和白桦幼龄林面积分别为19 648 hm2和1 272 hm2。根据大兴安岭林区森林资源统计数据，整个林区落叶松幼中龄林碳储量为 8 546.5 万 t，碳密度为 26.08 t·hm-2，白桦幼中龄林为2 798.9万t，碳密度为25.01 t·hm-2。

为了解南北两个林业局与全区碳储量关系，采用面积百分比与碳储量百分比两个值进行对比。其中面积百分比为林业局不同树种幼中龄林面积占全区幼中龄林面积比例，碳储量百分比为林业局不同树种幼中龄林碳储量占全区碳储量比例。结果显示，北部满归林业局落叶松幼中龄林碳储量占全区落叶松幼中龄林碳储量比例为4.57%，低于其面积比例（4.93%），白桦碳储量比例为3.14%，高于其面积比例（2.93%）；南部绰源林业局落叶松和白桦碳储量比例分别为4.83%和3.78%，均高于面积比例（分别为4.13%和3.14%）。即满归林业局落叶松幼中龄林碳储量略低于全区平均水平，满归白桦、绰源落叶松和绰源白桦幼中龄林碳储量均高于全区平均水平。

3 讨 论

3.1 生物量与蓄积量关系

利用生物量转换因子倒数方程[11]能够提高生物量预测精度。本研究利用内蒙古大兴安岭地区南北两个林业局样地实测数据，建立了白桦和落叶松幼中龄林生物量与蓄积量线性关系式，关系式参数值与在同区进行的相关研究较为一致[12]。但与部分学者在全国尺度范围所建立的回归方程参数值相差较大[6，13]，这可能是由方程拟合时样本量的不同以及样本选择的地域性差异所导致。后者在建立方程时，落叶松和白桦样本量均少于本研究，回归关系参数值也多为依据全国范围数据建立。由于不同地域同一树种木材特性及物理结构存在差异[14]，落叶松和白桦均广泛分布于我国东北、内蒙、华北及西南地区，相同种属间不同树种在不同地域参数值也可能不一致。

利用线性关系所得区域碳密度值与样地平均碳密度值较为接近。以南部地区落叶松为例，样地碳密度均值为34.78 t·hm-2，南部区域尺度碳密度值30.06 t·hm-2，二者相差不大，其余区域碳密度值也均介于样地碳密度最大值和最小值之间。说明该线性关系可以用来推测区域碳储量，实现样地尺度与区域尺度的碳储量转换。

3.2 碳密度差异

基于抚育伐调查数据所得样地碳密度仅能反映幼中龄林碳密度分布范围。根据南北两局落叶松和白桦直径株数分布（图1），南北两局抚育对象存在一定差别。北部满归林业局抚育伐对象多倾向于幼龄林，调查个体多为小径级木，南部绰源林业局抚育对象多倾向于中龄林，调查个体多为中等径级木，故所得样地碳密度并不能反映南北各局幼中龄林区域平均碳密度。

森林资源统计数据较抚育伐调查数据系统、全面，能完整反映各局森林碳密度状况，利用该部分数据所得碳密度值也能够代表区域实际水平。与样地碳密度结果相比，区域碳密度值与部分样地密度值存在一致性，说明区域碳密度值结论较为可靠。

南部落叶松和白桦幼中龄林碳密度普遍高于北部，这可能与南北部地区不同的气候与土壤条件有关。南北两林业局纬度相差约4°，气象资料显示，北部满归年平均气温-5.8℃，年＞10℃积温1 300～1 700℃，南部绰源年平均气温-2.1℃，年＞10℃积温1 800～2 500℃，温度能够加快对落叶松的生长速度[15]，导致南部落叶松生长较快，同等年龄直径生长量大于北部。此外，南北两地土壤分布也有差异，整个林区多为棕色针叶林土，但北部地区土壤常草甸化和沼泽化，南部地区多有暗棕壤。有研究显示[16]，暗棕壤土壤有机质含量26.05%，沼泽土有机质含量为18.20%，草甸土有机质含量为4.84%，三种类型土壤碳氮比分别为40.28、104.52和28.22。南部土壤肥力明显高于北部，更有利于树木生长，导致南部森林碳密度高于北部。

森林类型的不同也影响碳密度的高低，北部地区的落叶松林多为杜鹃落叶松林和杜香落叶松林，少有草类落叶松林；而南部地区落叶松林多为草类落叶松林。有研究表明，草类落叶松林乔木层生物量及生产力要高于杜香落叶松林[17]，这在一定程度上也造成了南北部的碳密度差异。

受抚育采伐影响，南北两个林业局幼龄林碳密度均低于大兴安岭地区幼龄林碳密度。抚育调查显示，绰源林业局落叶松林最大株数密度为1 356 株·hm-2，多低于 1 000 株·hm-2；满归林业局落叶松最大株数密度为3 711 株·hm-2，以2 000～3 000 株·hm-2居多，远低于大兴安岭地区早期落叶松天然林（6 000 ～ 7 000 株·hm-2）[2，18]。株数密度减少的主要原因是抚育采伐。抚育采伐短期内会导致森林固碳能力降低，但从林木培育的角度，抚育伐能够显著改善森林质量[19]。

本研究落叶松林碳密度与同地区早期开展的相关研究结果基本一致[2，20]。所得白桦幼中龄林碳密度高于内蒙古中部大青山地区白桦林[21]，也高于大兴安岭区域16年生白桦人工林平均碳密度[22]。原因可能是该区域气候适合白桦生长，白桦作为天然更新树种，在大兴安岭地区具有较强的竞争能力，由于其生长迅速，早于落叶松成熟，显示出较强的固碳能力。

整个大兴安岭地区所得幼中龄林碳密度值低于全国森林植被碳密度[23]，符合我国森林植被碳密度从寒温带，温带，亚热带到热带的递增趋势[24]。

3.3 碳储量

利用本研究生物量与蓄积量关系得到内蒙古大兴安岭地区落叶松林幼中龄林碳储量为8 546.4万t，白桦幼中龄林为2798.9万t。为了对比本研究结果与早期研究差异，本文利用早期回归方程[6]再次计算了该区域落叶松与白桦幼中龄林碳储量，得到落叶松和白桦碳储量分别为12 125.8万吨和3 694.4万吨，分别高出本研究结论0.4和0.3倍。相关学者近年对北半球森林植被碳储量的重新分析也显示，以往估计结果[6]比实际值大1～1.5倍[8]，这与本研究结果一致，说明本研究结果更接近大兴安岭地区落叶松与白桦碳储量实际值。由于幼中龄林在碳储存方面具有较强的增长潜力[12]，合理经营该区域落叶松及白桦幼中龄林能够明显提高该区域碳储量，为我国碳汇事业做出更大贡献。

受抚育伐调查对象影响，本文并未得到北部地区白桦纯林样地生物量分布图，不能完全反映南北部白桦生物量样地分布状况。此外，本文样地资料不包括中部区域，无法对比南北部与中部碳密度差异。可在以后的研究中选择多个林业局多年样地数据，合理筛选，从整个区域南部、北部和中部进行完整的分析和对比。

本研究所得碳储量未包括乔木根系部分、林下植被、枯落物及土壤的碳储存量，该部分的碳储量合计远远高于乔木层，特别是土壤部分。有研究表明，土壤部分碳储量最高达乔木层数倍以上[25]。在以后的研究中可增加地下部分、林下植被生物量以及土壤碳储量的研究，实现对森林生态系统碳储量的整体估算。

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Carbon storage of young and middle age forest in south and north Daxing’anling mountains

MENG Xiao-qing, LIU Qi-jing, TAO Li-chao, DENG Liu-bao, LI Wei-jun, WEN Zhi-yong
(Key Laboratory for Silviculture and Conservation of Ministry of Education, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

∶ In order to estimate carbon storage and density variation of Larix and Betula young and middle forests in south and north Daxing’ anling mountains, stand structure and biomass of Larix and Betula forests in the two districts were analyzed based on forest resource inventory in addition to the survey data for tending felling. The diameter distribution of Larix stands in the north was leftskewed, and the other right-skewed. The biomass densities of both forest types presented a near-to-normal distribution, even in the south and heterogeneous in the north. A linear relation between stand biomass and volume was identif i ed by correlation analysis, with B=0.6726V+0.5592 for Larix and B=0.7317V-0.2932 for Betula. Carbon densities of Larix and Betula were respectively 30.54 t•hm-2and 30.06 t•hm-2in the south, and 24.19 t•hm-2and 26.77 t•hm-2in the north. Carbon storages of Larix and Betula of the entire region were 85.464 million ton and 27.989 million tonnes, and carbon densities 26.08 and 25.01 t•hm-2, respectively. Since carbon storage is far below its potential capacity, increase of carbon sequestration is expected by proper management of the forest ecosystems.

∶ Larix gmelinii; Betula platyphylla; tending felling; diameter distribution; biomass density

S718.5

A

1673-923X(2014)06-0037-07

2014-01-03

国家高技术研究发展计划（2013AA122003）

孟晓清（1988-），男，硕士研究生，研究方向：森林资源监测与评价

刘琪璟（1960-），男，教授，博导，主要研究方向：森林生态学，森林群落生态学，植被遥感等；

E-mail：liuqijing@gmail.com

[本文编校：吴 彬]