辽东山区蒙古栎天然林固碳特征研究

魏文俊，尤文忠，柴兵，张慧东，颜廷武

(1.辽宁省林业科学研究院，辽宁沈阳 110032;2.辽宁省三北防护林工作总站，辽宁沈阳 110036)

以大气CO2浓度增加和全球变暖为主要特征的全球气候变化正在改变着陆地生态系统的结构和功能，威胁着人类的生存与健康，成为世界社会经济可持续发展和国际社会所面临的最为严峻的挑战，因而如何减缓与适应全球气候变化成为世界各国政府和科学家们最为关注的全球性生态与环境科学问题［1］。森林生态系统植被所固定的碳量约占陆地植被总固碳量的82.5%［2］。随着《京都议定书》的签定和生效，寻找控制或减轻碳释放的途径已成为当前和今后世界各国迫切需要解决的重大问题;而通过造林、再造林和森林管理等活动来增加陆地生态系统中的碳固定量，减缓CO2在大气中的积累速度，无疑是一条极其重要的途径［3－8］。准确估算我国森林生态系统的碳储量不仅可以减少全球或区域碳平衡估算中的不确定性，而且对研究全球碳循环有重要的理论和现实意义［9，10］。目前大多数研究是关于森林植被碳储量的估算［7－10］，还缺乏对森林植被碳密度及固碳速率动态变化的研究。不同生长阶段森林所固定CO2的量也不相同，因此有必要深入研究森林植被固碳速率的动态变化，以更好地了解其固碳能力和潜力。本文以蒙古栎(Quercus mongolica)天然林为研究对象，在单木和林分2 种尺度上探讨不同林龄阶段蒙古栎天然林的碳素分配规律，为揭示蒙古栎天然林储碳功能和固碳规律提供科学依据。

1 试验地概况

研究地位于辽宁省西丰县境内(124°45'—125°15' E，42°20'—42°40' N)的冰砬山森林生态站。冰砬山属吉林哈达岭的西南延续地带，低山丘陵地貌，平均海拔为500 ～600 m，最高峰海拔达870 m。属温带季风气候，春季气温回温迅速，夏季雨量集中，秋霜较早，冬季寒冷。7月气温最高，平均温度为23.2 ℃，极端高温 35.2 ℃;1月气温最低，平均为－17.2 ℃，极端低温 －41.1 ℃;具有典型的山区气候特征，年均气温 5.2 ℃，年均降水量684.8 mm，年均蒸发量1 379.8 mm，无霜期达133 d。土壤以暗棕色森林土为主，其次为棕色森林土，土壤多为粉沙壤土和壤土质地，土层深厚，有机质含量高，pH 值为6 ～7。现存森林植被为以蒙古栎等为主的天然次生林和以长白落叶松(Larix olgensis)、日本落叶松(L.kaempferi)、红松(Pinus koraiensis)、油松(P.tabulaeformis )、樟子松(P.sylvestris var.mongolica)为主的人工林。

2 试验方法

2.1 标准地调查

本文调查蒙古栎天然林幼龄林(1 ～30 a)标准地4 块、中龄林(31 ～50 a)2 块、近熟林(51 ～60 a)2块和成熟林(61 ～80 a)3 块，综合每木检尺胸径资料，采用平均木法对林分生物量进行估测。标准地面积均为600 m2(20 m×30 m)，在每块标准地中分别选取1 株平均木作为标准木，标准木及其所在标准地的基本情况见表1。

表1 蒙古栎标准木及其标准地的基本概况

2.2 生物量和净生产力测定

将标准木从地径处伐倒，分别在树干的0 m、1.3 m、3.6 m、5.6 m……处截取圆盘进行树干解析，区分树干、树枝、树叶并且称其鲜质量，带回实验室在85 ℃烘干至恒质量，测定各器官的含水率，推算各器官的干质量。采用全挖法挖出所有根系，测定树根生物量，同样取样带回实验室在85 ℃烘干至恒质量，推算根系的干质量。采用树干、树枝、树叶年平均生物量作为各器官的净生产力［11］。由于蒙古栎是落叶乔木树种，叶生物量是当年新萌发出来的，因此树叶净生产力就是当年的生物量。

2.3 碳素含量测定

取烘干的树干、树枝、树叶和树根混合样品粉碎来测定其碳素含量。采用3 次粉碎制样，即初次粉碎时取样量较大，在初粉碎的基础上按四分法取其中的1/4 进行第2 次粉碎，然后依法进行第3 次粉碎，经粉碎的样品过0.02 mm 筛后装瓶备用。所有粉碎后的样品在分析前，再次放入85 ℃的恒温箱中烘干至恒质量。采用经典的浓H2SO4－K2CrO4水合热法测定树干、树枝、树叶、树根的碳素含量。

3 结果与讨论

3.1 蒙古栎单木碳储量动态

蒙古栎单木碳储量与林龄、胸径密切正相关，与树高的相关性较差(图1)。蒙古栎单木碳储量随着林木年龄的增加而增加，该区内长白落叶松单木碳储量亦与林龄密切正相关［12］。蒙古栎枝、根和干碳储量也随着年龄的增加而增加，叶碳储量近熟林最大，中龄林次之，幼龄林最小(表2)，其叶量的增加主要为了满足树木速生期的需要［12］。蒙古栎单木碳储量幼林龄在 9.69 ～39.89 kg 之间，中龄林在115.48 ～174.45 kg 之间，近熟林在210.61 ～277.84 kg 之间，成熟林在 244.57 ～ 374.8 kg 之间(表 2)。总碳储量由 9.69 kg 增加到 374.8 kg，树干、枝和叶碳储量占单木碳储量的比例随着林龄增加均在增加，其中树干增加最为明显，树干碳储量占单木碳储量的百分比从中龄时的49.56%增加到成熟时的59.68%。地上部分的碳储量占单木碳贮量的64.86% ～ 88.56%，根冠碳储量比在 12.92% ～ 54.19%之间且随着林龄增加变小，表明在幼龄时地上部分的固碳贡献与地下部分相当，而当成熟时地上部分的固碳贡献远大于地下部分。

图1 蒙古栎次生林单木碳储量随林龄(a)、树高(b)和胸径(c)的变化

表2 不同林龄蒙古栎单木器官碳储量

3.2 不同林龄蒙古栎天然林林分碳密度差异

蒙古栎林分碳密度随着林龄的增加而增大(表3)。其中，林分碳密度为成熟林＞近熟林＞中龄林＞幼龄林，这与处于我国不同气候区的其他树种的林分碳密度随林龄的变化规律一致［13－14］。蒙古栎林分碳密度成熟林是幼龄林的3.28 倍，是中龄林的1.63 倍，是近熟林的1.33 倍，可以看出随着林龄的增加林分碳密度增加呈现先快后慢趋势，其中叶、枝、根和干碳密度随着林龄的增加在增大，总体来看碳密度是干＞根＞枝＞叶［12－15］。蒙古栎非木材的枝、叶、根碳储量占 45.01% ～ 47.49%，因此，采伐剩余物的不合理处理对碳贮量将产生很大的影响，如采伐后大量枝、叶等作薪材，土壤表层有机质也迅速分解，将导致大量的CO2排放。

表3 不同林龄蒙古栎天然林林分碳密度 t·hm －2

3.3 蒙古栎天然林乔木层年净固碳量估算

根据乔木层各组成部分年净生产力及相应的碳素密度计算出年净固碳量，同时可以确定林分同化CO2的能力。蒙古栎幼龄林年净固碳量为3.83 t·hm－2·a－1，折合 CO2量为 14.05 t·hm－2·a－1，中龄林年净固碳量为 5.48 t·hm－2·a－1，折合 CO2量为20.1 t·hm－2·a－1，近熟林年净固碳量为 4.76 t·hm－2·a－1，折合 CO2量为 17.47 t·hm－2·a－1，成熟林年净固碳量为 4.32 t·hm－2·a－1，折合 CO2量为 15.84 t·hm－2·a－1。乔木层叶年净固碳量占25.95% ～ 54.16%，枝 5.25% ～ 15.86%，根13.11% ～ 23.31%，干 24.56% ～ 43.94%(表 4)。蒙古栎天然林乔木层年净固碳量随着林龄增加先增加后降低，由近熟时的峰值 5.48 t·hm－2·a－1减少到4.32 t·hm－2·a－1，折合 CO2量由 20.1 t·hm－2·a－1减少到 15.84 t·hm－2·a－1。不同器官的年净固碳量以叶、干最大，其年净固碳量占乔木层年净固碳量的25.95% ～54.16%、30.07% ～43.94%，其次是根和枝，分别占乔木层年净固碳量13.11% ～23.31%和5.25% ～15.86%，何斌等的研究结果为干最大，叶次之、枝其次、根最小［16］，二者的差别主要与树种自身生长密切相关，还有待于今后进行深入的研究。

表4 蒙古栎天然林乔木层年净固碳量t·hm －2·a －1

4 结论与讨论

4.1 蒙古栎单木碳储量与林龄、胸径密切正相关，与前两者相比，与树高的相关性较差。蒙古栎单木碳储量随着林龄的增长而增加。枝、根和干碳储量随着年龄的增加而增加，而叶碳储量在树木速生期(中龄和近熟时)最大。

4.2 蒙古栎林分碳密度随着林龄的增加而增大，成熟林是幼龄林的3.28 倍，是中龄林的1.63 倍，是近熟林的1.33 倍，随着林龄的增加林分碳密度增加呈现先快后慢趋势。

4.3 蒙古栎天然林乔木年净固碳量在3.83 ～5.48 t·hm－2·a－1之间，折合 CO2量为 14.05 ～ 20.1 t·hm－2·a－1，在中龄时达到峰值，固碳能力最强，而后随着林龄增加而降低。

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