山西霍山森林群落生物量与碳密度研究

程丽芬

(山西省林业科学研究院，太原030012)

山西霍山森林群落生物量与碳密度研究

程丽芬

(山西省林业科学研究院，太原030012)

以山西霍山森林植被为研究对象，在野外样方调查的基础上，运用生物量换算因子连续函数法对霍山主要森林类型的生物量和碳密度进行了估算，并分析了影响生物量和碳密度分布的主要影响因素。山西霍山森林群落的平均单位面积生物量和碳密度分别为58.00t/hm2和29.46t/hm2。其中，辽东栎林具有较高的生物量 (62.35 t/hm2)和碳密度 (31.17 t/hm2)，其次为油松林 (生物量58.44 t/hm2，碳密度30.10 t/hm2)，白皮松林、侧柏林和刺槐林的生物量和碳密度较低。海拔与生物量、海拔与碳密度之间的相关系数分别为0.65和0.68，均表现出极显著的正相关 (P＜0.01);坡度、坡向和坡位与生物量和碳密度的相关性均未达到显著水平。海拔是影响山西霍山森林生物量和碳密度的最主要环境因子。

山西霍山;森林群落;环境因子;生物量;碳密度

温室效应对人类的影响已引起国际社会的高度关注［1－4］。森林生态系统是陆地生态系统最大的碳库，利用森林生态系统来调节全球碳平衡、维护全球气候已成为广大学者研究的热点［5］。通过研究森林生物量和碳储量的关系，建立碳密度估算模型可以科学估算碳密度和碳储量［6］。计算森林生物量是估算森林碳储量的基础［7］。

森林植被生物量的估算方法有很多，包括IPCC法、BEF为常数的生物量转换因子法、生物量经验(回归)模型估计法、生物量换算因子连续函数法等［8］。本研究采用生物量换算因子连续函数法对山西霍山主要森林类型的生物量和碳密度进行估算，并探讨生物量和碳密度与环境因子(海拔、坡度、坡向和坡位等)的关系，进而为森林资源管理和保护提出建议。

1 研究区概况

山西霍山位于太岳山脉南端，地理坐标:36°21'～36°45'N，111°40'～112°20'E，位于洪洞、霍县、古县、沁源交界处。整个山体呈南北走向，最高的老爷顶海拔2 354 m，多为石灰岩覆盖。霍山属暖温带大陆性气候。年平均气温10.3℃，7月均温25.5℃，1月均温－4℃，≥10℃的年积温3 500℃。年降水量为500mm，无霜期170 d。

霍山物种多样，植被类型具有明显的垂直分布梯度，从山底到山顶依次为:灌丛及农田带、低中山针叶林带、针阔混交林带、落叶阔叶林带和草甸带。森林群落主要包括侧柏林(Platycladus orientalis)、白皮松林(Pinus bungeana)、辽东栎林(Quercus wutaishanica)、油松(Pinus tabulaeformis)、山杨林(Populus davidiana)、桦木林(Betula spp.)、云杉林(Picea spp.)、华北落叶松林(Larix principis-rupprechtii)。灌丛群落主要包括野皂荚灌丛(Gleditsia microphylla)、荆条灌丛(Vitex negundo var.heterophylla)、酸枣灌丛(Ziziphus jujuba var.spinosa)、黄刺玫灌丛(Rosa xanthina)、虎榛子灌丛(Ostryopsis davidiana)、三裂绣线菊灌丛(Spiraea trilobata)。

2 材料与方法

2.1 野外取样

2014年5至8月在山西霍山进行森林植物群落调查。山西霍山主要的森林植物群落类型有白皮松林、侧柏林、刺槐林、辽东栎林、油松林5个，根据每种森林植物群落的大小和实际分布情况不同，分别选取4，4，2，7和8个具有代表性的样地进行调查，共计25个样地。每个样地的面积为20m× 30m，在样地内进行森林群落调查，并将样地内的乔木编号，进行每木调查;之后将样地划分为6个10m ×10m的样方，随机选取其中的2个10m×10m的样方进行灌木层调查;再在6个10m×10m的样方内各设1个1m×1m的样方，进行草本层调查。野外记录的调查指标、坡向的等级制表示方法、坡位的等级制表示方法分别见表1，表2，表3。

表1 森林植物群落调查指标Tab.1 Survey index of forest plant community

表2 坡向的等级制表示方法Tab.2 Grade representation method of aspect

表3 坡位的等级制表示方法Tab.3 Grade representation method of slope position

2.2 参照树种

本研究中的一元材积数据主要是从《山西省主要树种立木一元材积表》中得来的，由于书中所给出的树种有限，所以将书中没有给出一元材积树种的材积数据参照与其具有相似性树种的一元材积表进行计算，具体参照树种如表4。

表4 一元材积数据参照树种Tab.4 Reference tree species to one way volume table

2.3 森林群落生物量和碳密度的估算

采用方精云等［9－11］提出的生物量换算因子(Biomass Expansion Factor，BEF)连续函数法，以林分蓄积量为基础，对霍山主要的森林群落的生物量和碳密度进行估算。

林分蓄积量(V)与BEF具有如下函数关系:

式中:a，b均为随树种不同而变化的常数，V为某一树种单位面积蓄积量。

单株树木的材积依据其胸径值通过立木一元材积表查得，总蓄积量为所有个体材积之和。按照生物量换算因子的定义，某一树种单位面积生物量(B)计算公式为:

式中:V为某一树种单位面积蓄积量，B为某一树种单位面积生物量，BEF为对应的换算因子。

由方程(1)和方程(2)可得生物量和蓄积量的简单线性关系:

式中:a，b均为随树种不同而变化的常数，B为某一树种单位面积生物量，V为某一树种单位面积蓄积量。

森林碳密度是单位面积的碳储量，森林碳密度(t/hm2)计算公式为:

式中:CD为某一树种的碳密度，B—为某一树种单位面积生物量，CC为干物质平均碳含量。

国际上常用的树木碳含量为0.45～0.55，参考周志勇等［12］2012年关于百花山自然保护区森林群落碳储量的研究结果，各优势树种生物量和碳密度的计算参数见表5。本研究中森林的碳密度只包括林木的活生物量，并没有包括森林生态系统中的其它碳库，如枯枝落叶层、森林土壤层等。

表5 各优势树种生物量和碳密度计算参数Tab.5 Parameters of biomass and carbon density for dominant trees

3 结果与分析

3.1 主要森林群落的生物量与碳密度

用罗马字母Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ分别代表所调查的白皮松林、侧柏林、刺槐林、辽东栎林、油松林5个森林群落类型，根据生物量换算因子连续函数法得到每个森林群落类型的生物量与碳密度，结果见表6。

从表6可以看出，5种森林群落类型单位面积平均生物量和碳密度由大到小顺序依次Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ。山西霍山森林群落的平均单位面积生物量和碳密度分别为58.00t/hm2和29.46t/hm2。其中最大生物量和碳密度分别为80.29t/hm2和39.70t/hm2。最小生物量和碳密度分别为40.27t/hm2和20.56 t/hm2，其中，白皮松林间的生物量和碳密度差异较大，油松林间的生物量和碳密度差异较大。

3.2 森林生物量的空间分布特征

森林生物量与环境因子的关系见图1。

表6 各森林群落类型的单位面积生物量和碳密度Tab.6 Unit area biomass and carbon density of each forest community types

图1 生物量与环境因子的关系Fig.1 The relationship between biomass and environmental factors

随着海拔的上升，生物量基本上呈增加的趋势，但在海拔1 400m左右的地方有所下降。这主要是因为该区域主要是白皮松和侧柏的分布区，该区域大多为陡峭的岩石地带，土壤较为贫瘠，土层较薄，水土流失较为严重。另外该区域海拔相对较低，人为活动等对森林的生物量有很大影响。随着海拔的升高，森林生物量的整体趋势是在增大，在海拔1 700～1 800m区域，生物量达到最大。其原因可能是在此海拔主要为辽东栎林分布区域，坡度相对较为平缓，人为活动相对较弱;且随着海拔梯度的升高，山地降水量有增加趋势，故此海拔的森林生物量较高［13］。

在坡度适中的半阴坡，森林生物量最大。坡度较缓的下破位地区，由于人为活动较多，对森林的结构和组成有很大影响，该区域分布的乔木种主要以幼林阶段的树木为主。而在坡度较大的上坡位，由于地势较陡，不利于水源涵养和养分保持，土壤有机质含量往往较低，且土层较薄，不利于大乔木的生长。在坡度适中的半阴坡，由于阴面蒸发较少，水分条件充足，且适中的坡度有利于水土的保持，土壤有机质含量高，土层厚等条件为森林的生长提供了良好的生境，故森林生物量高［14－15］。

3.3 森林生物量和碳密度与环境因子的相关性分析

生物量和碳密度与环境因子的相关性分析见表7。

表7 生物量和碳密度与环境因子的相关性Tab.7 Correlations between biomass and carbon density with environmental factors

生物量和碳密度与环境因子的相关性结果表明，海拔是影响山西霍山森林生物量和碳密度最主要的环境因子。海拔与生物量和碳密度之间均表现出极显著的正相关(P＜0.01)，即随着海拔的升高，生物量和碳密度也随之增加。坡度、坡向和坡位与生物量和碳密度的相关性均未达到显著水平。其中，坡向和坡位与生物量和碳密度均呈负相关，即森林生物量和碳密度随着坡向和坡位的增大而减小。

4 结论与讨论

生物量和碳密度一方面受到群落结构自身的限制，如森林结构、林龄组成、种间竞争等，另一方面受到环境因子的影响，如水热条件、土壤理化性质、经纬度、海拔、坡度、坡向等，这些因素相互制约、相互联系，共同作用于生物量和碳密度［16－17］。另外，人为干扰也是影响森林生物量和碳密度的重要因素，人为干扰主要是影响了群落的结构和组成［18－20］。山西霍山森林群落的平均生物量和碳密度分别为58.00t/hm2和29.46t/hm2。辽东栎林具有较高的生物量(62.35 t/hm2)和碳密度(31.17 t/hm2)，其次为油松林(生物量58.44 t/hm2;碳密度30.10t/hm2)，白皮松林、侧柏林和刺槐林的生物量和碳密度较低。主要是因为辽东栎林位于中高海拔区域，水热条件适中，人为活动相对较少，地形地势有利于水土涵养和保持，为辽东栎林的生长和繁殖提供了相对稳定、良好的环境。而白皮松林和侧柏林主要分布于低山岩石区域，且地势相对陡峭，不利于水源涵养，土壤理化性质贫瘠，土层厚度较薄，不利于乔木的生长［21］。油松林不同样地间的生物量和碳密度差异较大，这主要与油松的适应性较强有关。虽然，在不同的海拔梯度和各种地形地势下油松都能生长，但往往在水热充沛，地势相对平缓，人为干扰相对较少的情况下，油松的长势较好［22］。相反，在较差的环境下，由于水热的缺失，营养物质的流失等，油松林往往呈现出缓慢的生长态势［23］。

霍山森林群落的生物量和碳密度受各种环境因子的影响，其中，海拔是影响山西霍山森林生物量和碳密度最主要的环境因子［24］。海拔与生物量和碳密度的相关系数分别为0.65和0.68，均表现出极显著的正相关(P＜0.01)，生物量和碳密度在海拔1 700～1 800m范围内达到最大值。本次研究调查的植被是位于海拔低于2 000m的低山区域，在该区域，随着海拔的升高，降水量是逐渐增加的，所以生物量和碳密度是随着海拔梯度的升高而增加的。但生物量和碳密度在海拔1 400m左右有所下降，这主要是因为影响生物量和碳密度的环境因子不光只有海拔，还有坡度、坡向、破位以及人为活动等［25］。在海拔1 400m的低山地带，分布的森林类型主要是白皮松林和侧柏林，该区域往往多为陡峭的岩石地带，土层较薄，不利于水分的存储，土壤理化性质贫瘠;另外，该区域人为活动较为频繁，不利于乔木的快速生长。

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Biomass and Carbon Density of Forest Communities in Shanxi Huoshan Mountains

CHENG Lifen
(Shanxi Academy of Forest Sciences，Taiyuan 030012，China)

Based on field investigation，biomass and carbon density of forest communities in Shanxi Huoshan Mountains were estimated by using the biomass expansion factor(BEF)continuous function method and its distribution pattern and influence factors were analysed.Results showed that the average unit area biomass and carbon density of forest communities in Shanxi Huoshan Mountains were 58.00 t/hm2and 29.46 t/hm2.The average unit area biomass(62.35 t/hm2)and carbon density(31.17 t/hm2)of Quercus wutaishanica forest were highest in comparison with that of the Pinus tabulaeformis forest(58.44 t/hm2，30.10 t/hm2).Pinus bungeana forest(56.58 t/hm2，28.79 t/hm2)，Platycladus orientalis forest(54.86 t/hm2，27.91 t/hm2)and Robinia pseudoacacia forest(53.78 t/hm2，26.74 t/hm2).The correlation coefficient between altitude and biomass was 0.65 and the correlation coefficient between altitude and carbon density was 0.68，which all showed significant positive correlation(P＜0.01).The relationships between slope，slope aspect，slope position and biomass，carbon density were not significant.Altitude was the main influence factor on distribution pattern of forest biomass and carbon density in Shanxi Huoshan Mountains.

Shanxi Huoshan Mountains，forest community，environmental factors，biomass，carbon density

S718.556

A

1002－6622(2017)01－0070－05

10．13466/j．cnki．lyzygl．2017．01．013

2016－11－03;

2016－12－16

“十二五”农村领域国家科技计划(2015BAD07B0204)

程丽芬(1966－)，女，山西太原人，硕士，高工，主要从事森林培育及植物组织培养研究。Email:clf1125@sohu.com