青羊湖林场马尾松入工林乔木层固碳能力研究

张晨悦尔

摘要：本研究采用生物量相对方程与样地调查数据相结合的方法，以10个样地为基础，研究了湖南省青羊湖林场内马尾松纯林乔木层不同年龄段和不同器官的碳储量。发现研究样地马尾松人工林树干、树枝、树叶和树根的碳密度分别为16.34.2.59、1.98和3.14t/hm²，总计24.04t/hm²。不同年龄阶段马尾松的碳储量表现出很大的差异，1～10a马尾松碳储量动态变化波动较小，10a之后随年龄增长呈快速增大趋势。在幼龄阶段，其各器官之间的碳储量顺序为树干>树叶>树枝>树根，而在中龄阶段和近熟阶段则为树干>树根>树枝>树叶。

关键词：马尾松；碳密度；不同年龄段；不同器官

自18世纪工业革命到现在，人类对化石燃料的需求已达到供不应求的地步。虽然全球经济得到了快速发展，但同时也带来了一系列被国际社会普遍关注的生态问题，例如，燃烧化石燃料导致大气中C02浓度的增加，引起严重的全球变暖。联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，简称IPCC）在第五次评估报告中明确指出1983～2012年是近1400年来北半球最热的30年，由于人类活动的影响，在这30年间全球陆地和海洋表面平均温度上升了0.85（0.65～1.06）°C。全球变暖严重威胁到了人类的可持续发展，而森林作为全球碳循环中重要的“源”和“汇”，在碳平衡中起着巨大的贡献。乔木层、灌草层、枯落物层和土壤层共同支持着森林生态系统储存CO₂、缓解全球气候变化的重要作用，其中乔木层的固碳能力尤为重要。研究森林植被碳“源”、“汇”变化，已成为应对全球气候变化的一个手段，也是森林生态系统碳循环研究中的重要部分。估算森林乔木层碳储量的收支，不仅有助于进一步了解森林碳“源”和“汇”功能在当下全球气候问题中的意义和作用，也有利于相关部门制订和优化森林经营政策。

马尾松（Pinus massoniana）是我国南方低山丘陵区中主要乡土造林树种和群落演替的先锋树种，具有木材性质优良、速生、高产等特点，是恢复退化土地的首选树种，也是良好的用材和产脂树种，不仅具有经济意义，而且对于维护生态系统平衡亦具有明显作用，在我国林业生产及森林生态系统中占有极其重要的地位。目前有关马尾松人工林生态系统碳储量的研究较多。本研究利用生物量相对生长方程与样地调查数据相结合的方法，对湖南省青羊湖林场内，马尾松纯林乔木层不同器官和不同年龄阶段的固碳能力进行了定量评价和分析，旨在为准确估算研究区森林生态系统碳平衡提供基础数据，为当地森林规划布局和生态工程建设提供科学依据。

1.研究地概况

研究地点位于湖南省宁乡县西部的青羊湖国有林场，为雪峰山余脉自中低山向丘陵过渡地带，地理位置在东经111°58～112°05、北纬28°08～28°10之内。气候类型属于中亚热带向北亚热带过渡的大陆性季风湿润气候，气温适中，雨量充沛，年平均气温16.2℃，年均降水量1438.8mm，年均无霜期为273。境内母岩主要为板页岩和少量分散的石灰岩、砂砾岩、花岗岩。青羊湖国有林场又称黄材水库，是全国三大大堤工程之一，该林场于2011年12月由省编委批准成立，森林覆盖率98.7%，活立木总蓄积量7.7万m³，植被种类多，其中主要乔木树种为马尾松（Pinusmassoniana，）、青冈（Cyelobalanopsisglauca）、杉木（Gun-ninghamialanceolata）、南酸枣（Choerospondiasaxillaris）等；非乔木有狗脊蕨（Woodwardia函ponica）、芒萁（Di-cranopterisdichotoma）、六月雪（Serissa iaponica）、菝葜（SmilaxchinaL）、淡竹叶（Lophathemmgracile）等。

2.研究方法

2.1样地设置

于2013年6月，在青羊湖国有林场林选择马尾松人工林，依据代表性和可达性原则，设置10块20m×20m的马尾松调查样地，对每块样地内的马尾松进行每木检尺，记录树高（Height）、胸径（Diameter at breastheight，DBH）、平均冠幅（Mean crown）、枝下高（un-der-branch height），以及样地海拔、坡向、坐标等信息，共计428株马尾松样本。每块样地信息（表1）和每株马尾松胸径一树高数据（图1）如下：

2.2生物量转换因子法

生物量转换因子法（Biomass Expansion Factor，BEF）又叫作材积源生物量法（volume derivedbiomass），是利用林分生物量与木材材积比值的平均值乘以该森林类型的总蓄积量或利用木材密度（一定鲜材积的烘干量）乘以总蓄积量和总生物量与地上生物量的转换系数得到该类型森林总生物量的方法。续珊珊和姚顺波利用生物量转换因子法对我国森林碳储量区域差异进行了研究分析；沈楚楚研究了浙江省主要树种的生物量转换系数。

2.3数据分析

目前针对区域或全球尺度的森林植被碳储量方法归结为三大类型：样地实测估算、模型估算和基于遥感技术的估算。考虑到本研究为小区域内碳储量的计算，较容易获取样地调查数据，故选用属于第一、二类的生物量相对生长方程与样地调查数据相结合的方法，同时依据植被生物量乘以含碳率求得植被碳储量。在估算森林生态系统植被碳储量的研究中，国内外相关研究人员通常采用0.50或0.45的含碳系数（生物量与碳含量的转换系数），该值在不同树种间以及同一树种不同器官之间不尽相同，本研究依據郭文清对湖南省马尾松纯林全林整体生物量模型及碳储量的研究结果，选择马尾松树干、树枝、树叶和树根的含碳系数分别为0.5029、0.4828、0.5959和0.4919（表2）。endprint

3.结果与分析

3.1马尾松林乔木层结构特征及碳储量

林分直径直接影响着林木的材积、干形、树高等林分因子的变化，从而进一步影响到生物量，是最重要和最基本的林分结构，林分直径分布是测树制表技术理论及森林经营技术的重要依据，根据林分直径分布还可以从经营效果和生态利用价值等方面分析林分的经营管理情况。图2为所马尾松样本的径阶分布图，428株样本的胸径主要分布在12-16cm之间，大径阶和小径阶所占比例小，呈现出正态形的分布，结构合理，符合自然规律的分布。依据黔南马尾松人工林的胸径生长方程，进一步得出本研究所选择的马尾松年龄分布在7～38a，多数正处于中齡阶段。

根据实测数据与马尾松生物量生长方程将研究地马尾松人工林的林分特征汇总见表3，其林分平均密度为1071株/hm²，平均胸径和树高分别是1 1.9cm和14.6m。林分各器官生物量所占大小顺序为树干>树根>树枝>树叶。结合含碳系数得到研究地马尾松人工林树干、树枝、树叶和树根的碳密度分别为16.34、2.59、1.98和3.14t/hm²。总计24.04 t/hm²。

3.2不同年龄段马尾松林乔木层碳储量

根据以上的林分结构数据，将0～30a的马尾松（425株）生长过程划分为3个年龄阶段：幼龄阶段（0～10a）9株，中龄阶段（10～20a）346株，近熟阶段（20～30a）70株。不同年龄阶段马尾松的碳储量表现出很大的差异（表4），随着年龄的增长，马尾松单木碳储量逐渐增大，其幼龄阶段，中龄阶段和近熟阶段的平均单木碳储量依次为5.91kg/株·a、28.10kg，株·a和104.21kg株·a。根据实际取样，马尾松幼龄阶段的碳储量变异范围为2.65～9.44kg株·a，中龄阶段碳储量变异范围为9.44～56.04kg株·a，近熟阶段变异范围为56.04-162.33 kg株·a。可见马尾松林乔木层的碳储量在幼林阶段变化较小，随年龄增长碳储量增量越来越大。同时不同年龄段各器官之间的碳储量顺序不尽相同，在幼龄阶段，其各器官之间的碳储量顺序为树干>树叶>树枝>树根，而在中龄阶段和近熟阶段则为树干>树根>树枝>树叶。

4.讨论与结论

本研究采用生物量相对方程与样地调查数据相结合的方法，以10个样地、428株样本为基础，研究了湖南省青羊湖国有林场内马尾松人工林乔木层不同年龄段，不同器官的固碳能力，发现研究地马尾松人工林树干、树枝、树叶和树根的碳密度分别为16.34、2.59、1.98和3.14t/hm²，总计24.04 t/hm²。低于湖北省马尾松天然林乔木层的碳密度（44.82t/hm²），接近全国马尾松林的平均碳密度（26.67t/hm²），高于湖南省马尾松林的平均碳密度（15.81t/hm2）。林分密度与林分生物产量之间有极大联系，Yarie在研究阿拉斯加地区加拿大云杉林的生物量与生产力时发现，林分生物量83%的变动与林分密度有关，其它17%与年龄和立地条件相关。因此不同地区马尾松林的碳密度由于林分密度的不同而不尽相同，这也是由于林分密度决定竞争强度，影响到枝叶的生长、叶面积大小和光合作用等，进而影响到干材的生长和积累。

不同年龄阶段马尾松的生物量碳储量表现出很大的差异（表3），1-10a马尾松碳储量动态变化波动较小，10a之后随年龄增长呈快速增大趋势。张丽云等在研究不同生长阶段马尾松生产力与气候因子的关系时也发现，随着年龄的增长，马尾松单木生产力逐渐增大。同时不同年龄段各器官之间的碳储量顺序不尽相同，在幼龄阶段，其各器官之间的碳储量顺序为树干>树叶>树枝>树根，而在中龄阶段和近熟阶段则为树干>树根>树枝>树叶，这种不同可能是由于随着年龄增长，树根得到充分发育而造成的。在中林和近熟阶段马尾松碳储量大小顺序与方晰等对广西中部丘陵地带马尾松林生产力与碳素动态研究时的发现一致。

准确测定马尾松的碳储量是研究马尾松林分碳汇的基础，马尾松作为我国南方的主要乡土造林树种，在森林碳汇方面具有巨大的潜力和价值。针对研究地湖南省青羊湖国有林场的马尾松人工林，可通过科学的经营管理措施，调整林分密度和林分结构，以提高林分的总体生产力。endprint