不同林龄兴安落叶松人工林碳贮量及其分布特征

宋希明　王嘉夫　廉培勇

摘 要 通过样地调查，研究了内蒙古大兴安岭林区10年、13年、19年、23年、35年和54年兴安落叶松人工林中乔木及其各器官的碳贮量，探讨落叶松人工林生长过程中乔木及其各器官的碳库贮量变化。结果表明：随林龄的增加，兴安落叶松人工林乔木碳库贮量逐渐增加，54年时达89.27 t·hm-2，碳汇作用显著；13～35年兴安落叶松人工林的碳汇能力最强。其中，树干碳库贮量占乔木碳库总贮量的54.3%～73.9%，且随林龄增加，其碳库比率和碳密度增加；其余器官碳库比率随林龄增加而减小，碳密度则逐渐增加，直至趋于平衡或末期略有减少。

关键词 兴安落叶松；生物量；碳密度；人工林经营；大兴安岭

中图分类号：S718.5 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2018.05.028

工业革命以后，人类活动、煤（油）的广泛使用及大气污染等使大气CO2的浓度逐渐增加，到20世纪90年代增至650～700 μmol·mol-1，地球表面气温相应的增加了

2 ℃；避免地球温室效应的关键是将大气中的CO2固持在陆地碳库中[1]。森林是地球上最大的陆地碳库，约占陆地总碳库的46%，对全球碳循环和碳平衡的作用至关重要[2]。

在近几十年来，我国人工林的面积迅速增加，人工林在植被生物量及二氧化碳吸收和固定等方面的作用越来越受到重视[3]。大兴安岭林区地处北半球高纬度区域，有力地维护了呼伦贝尔大草原和东北平原的生态平衡，在建设祖国北疆生态安全屏障中发挥了重要作用，同时该地区也是对全球气温变化反应最敏感的地区之一[4]。在大兴安岭林区广泛分布的兴安落叶松人工林是对全球温度变化最敏感的植被类型之一[5]。

本研究以内蒙古大兴安岭林区兴安落叶松人工林为研究对象，根据解析木及样地调查数据，建立基于胸径的兴安落叶松各器官生物量的相对生长方程，同时结合器官含碳率来估算兴安落叶松人工林的生物量和碳储量，从而了解落叶松人工林生长过程中乔木及其各器官的碳库贮量变化及其分布的规律。

1 研究地区与方法

1.1 研究区概况

研究区位于内蒙古大兴安岭主脉西侧的乌尔旗汉林场，隶属于牙克石市，地处东经 121°12′～122°28′，北纬49°15′～ 49°58′。乌尔旗汉四周为大兴安岭东侧主脉和支脉构成的起伏不平的丘陵地带，山坡外貌较平缓，海拔700～1 300 m，平均坡度为15°左右，属于中低山类型。该区属寒温带大陆性季风半湿润森林气候，无霜期短，昼夜温差及季节温差变化较大，年均气温2.6 ℃，最高气温34.5 ℃，最低气温-47.6 ℃，冬季寒冷漫长，夏季温和短促，霜冻为该地区的主要自然灾害。土壤属暗棕色森林土，土质多为砂壤土。乌尔旗汉的森林资源十分丰富，森林总面积达456 436 hm2，主要是以兴安落叶松为建群种的森林植物群落，占全部有林地面积的70%，乔木主要有白桦（Betula platyphylla Suk.）、山杨（Populus davidiana）、黑桦（Betula davurica）、樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）、钻天柳（Chosenia arbutifolia ）等。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置

于2013年8月进行样地调查，根据土地利用变化、树种选择、采伐方式、抚育方式、林龄、郁闭度、地势和坡向等影响因子选择样地，所选样地均为草类落叶松人工林，坡度13°～19°。结合当地植树造林记录确定样地林龄，造林后无抚育管护，成活率80%以上，林龄分别为10年、13年、19年、23年、35年和54年。设置3个20 m

×20 m乔木样方研究样地，测定每木胸径（DBH），调查共设置 18个乔木样方，样地概况见表1。

1.2.2 分析方法

标准地及生物量解析依据文献方法[6]，根据文献中单木各器官相对生长方程（表2），该生长方程是根据大兴安岭地区兴安落叶松28株解析木数据拟合而成的，R2为0.956～0.983，拟合效果良好，测量指标的预测值和实测值采用均方根误差（RMSE）和相对均方根误差（RMSEr）2个指标进行比较，验证所得方程的拟合效果，RMSE值介于0.000 12（叶）～0.002 36（干），方程的拟合效果较好[7]。

将拟合所得的兴安落叶松各器官生物量-胸径相对生长方程，代入本研究18个调查样地（表1）每木胸径，得到兴安落叶松各调查样地器官生物量。在18个调查样地生物量基础上，通过大兴安岭北部地区兴安落叶松器官含碳率（干、皮、枝、叶和根的含碳率分别为0.525、0.525、0.532、0.520和0.517）和乔木样方面积求得各器官及乔木碳密度。

1.3 数据处理

采集數据采用Excel、SPSS软件进行统计分析，运用单因素方差分析和 Duncan 法分析不同数据组间的差异，显著性水平设定为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同林龄兴安落叶松人工林乔木生物量

将拟合所得的兴安落叶松各器官相对生长方程（表2）代入本研究18个调查样地，得到不同林龄兴安落叶松人工林乔木生物量，见表3。由表3可知，调查区域乔木生物量的主体为树干，其次是根、枝和树皮，而叶生物量较小。当林龄<35年时，兴安落叶松人工林各器官的生物量均随林龄增加而增加，以13～35年时段的增幅最大；林龄为35～54年时，干、根生物量仍有所增加，但是增幅较前一阶段减小；枝和叶生物量趋于稳定，而树皮的生物量略有降低。

2.2 不同林龄兴安落叶松人工林乔木碳库贮量

从表4可以得出，兴安落叶松不同器官碳库量的时间变化特征与生物量变化相似。由于各器官的含碳率为0.517～0.532，器官间变动不大，器官的生物量决定各器官碳库的大小。树干是最大生物量载体，同时也是最大碳存储器官。

林龄<35年时，随着林龄的增加，各器官及乔木碳密度也同时增加，增幅最大时段为13～35年，与器官生物量增幅最大时期相符，说明中、近龄阶段的碳汇功能最大。林龄35～54年时，树干碳密度仍有显著增加，枝、根碳密度趋于稳定，叶和树皮的碳密度略有减少。

以18个调查样方生物量为基础，通过各器官含碳率得到兴安落叶松器官生物量碳分配比率，见表5。由表5可以看出，兴安落叶松各器官碳库占乔木总体碳库的比率随林龄而变化。人工林成熟过程中，乔木碳分配逐渐向树干集中，不同林龄树干碳库占乔木碳库的比率差异显著；其他器官碳库比率随林龄增加而降低，除林龄13年和19年时树皮、枝、叶和根的碳库比率差异不显著外，其余时段差异均显著。

3 讨论

目前，对森林植被碳汇的估算主要采用先测定植被生物量，再乘以生物量中碳元素含量的方法，因此生物量成为测定森林植被碳汇的关键因子。普遍使用的生物量估算方法主要有平均生物量法和生物量扩展因子法，由于实际调查时样方设置多选用优等林地，平均生物量法测算的结果则普遍偏大，而生物量扩展因子法的结果则普遍偏小[8]。本研究使用的调查样方按照每木胸径计算每木生物量，再累加得到样方生物量，因此，该方法相比平均生物量法和生物量扩展因子法更能反应样地的实际情况。

以往的研究表明，幼中龄林乔木各器官生物量随林龄增加而增加，这与本研究兴安落叶松13～23年器官生物量变化特征相一致。我国人工林多处于幼中龄阶段，缺乏幼中龄林与成、过熟林器官生物量时间变化特征的对比研究[9]。本研究中，10～23年幼中龄林与54年成熟林器官生物量时间变化特征可以为这方面的研究提供借鉴。落叶松为喜阳树种，生长过程中将大部分生物量分配给树干，以促进高生长，从而获得更多光照。

森林碳汇研究尤其是人工林碳汇研究已经成为研究全球气候变化的重要内容，人工林碳汇问题也已经上升到了政治高度。兴安落叶松为内蒙古大兴安岭林区的主要建群种和造林树种，其具备重要的碳汇作用，而且在该区域兴安落叶松人工林碳储量的时空变化特征也需要进行系统的研究。兴安落叶松作为对全球气候变化反应敏感的树种之一，兴安落叶松人工林的固碳潜力和碳增汇途径的研究具有重要的理论和实践意义，亟需通过系统研究来弥补这方面的空白。以内蒙古大兴安岭林区兴安落叶松人工林为切入点，揭示其碳库的时空分布特征，估算其固碳潜力，提出兼顾其经济和固碳效益的科学管理措施，将有助于充分发挥该地区兴安落叶松人工林的固碳潜力，达到经济与固碳双赢的目的。同时，本研究也可为其他类型人工林碳库和固碳潜力的研究提供方法论上的借鉴。

参考文献：

[1] 刘国华，傅伯杰，方精云.中国森林碳动态及其对全球碳平衡的贡献[J].生态学报，2000，20（5）：733-740.

[2] 王效科，冯宗炜，欧阳志云.中国森林生态系统植物碳储量和碳密度研究[J].应用生态学报，2001，12（1）：13-16.

[3] 康惠宁，马钦彦，袁嘉祖.中国森林碳汇功能基本估计[J].应用生态学报，1996，7（3）：230-234.

[4] 徐新良，曹明奎，李克让.中国森林生态系统植被碳储量时空动态变化研究[J].地理科学进展，2007，26（6）：1-10.

[5] 焦燕，胡海清.黑龙江省森林植被碳储量及其動态变化[J].应用生态学报，2005，16（12）：2248-2252.

[6] 李亮.云南省森林碳汇能力及经济价值分析[J].中国集体经济，2011（24）：24-25.

[7] 蒋延玲，周广胜.兴安落叶松林碳平衡和全球变化影响研究[J].应用生态学报，2001，12（4）：481-484.

[8] 韩铭哲，徐健.杜鹃-兴安落叶松林群落结构与生物产量关系的探讨[J].内蒙古林学院学报，1993，15（1）：1-8.

[9] 刘志刚，马钦彦，潘向丽.兴安落叶松天然林生物量及生产力的研究[J].植物生态学报，1994，18（4）：328-337.

（责任编辑：刘昀）