粤北不同经营措施对人工林年均固碳量的影响

田惠玲, 周平 , 贾朋, 李树光



粤北不同经营措施对人工林年均固碳量的影响

田惠玲1,2, 周平1*, 贾朋2, 李树光3

1.广州地理研究所, 广州 510060 2.华南农业大学, 林学与风景园林学院, 广州 510642 3. 广东农工商职业技术学院, 广州 511365

基于粤北林农参与林业碳汇项目的人工林调查数据，分析了粤北不同经营措施对人工林年均固碳量的影响；并运用代表当地普遍经营水平所模拟的材积生长方程计算得出常规经营模式下的杉木碳储量，与参与林业碳汇项目情景所监测的杉木碳储量进行比较。结果表明，不同经营方式下的试验林的年均固碳量具体表现为VI（1.5667 t·hm-2）

粤北; 人工林; 经营措施; 配置模式; 林分密度; 年均固碳量

1 前言

近年来, 全球变暖问题日益加剧[1]。由于森林是陆地上最大的碳库, 在调节气候变化、降低大气中温室气体浓度、减缓温室效应方面起着重要和不可替代的作用[2-4], 因此, 全球各国将森林固碳作为减缓气候变化的重要手段[5]。我国已将森林碳汇作为应对气候变化的重要选择, 并提出了相应的行动方案与发展目标[6]。广东省被国务院批准为国家低碳试点省后, 大力发展林业碳汇, 并于2011年开展了基于CCER交易的广东长隆碳汇造林项目(中国林业温室气体自愿减排项目)。粤北地区是全国重点林区, 拥有丰富的自然资源和碳储量。然而, 随着集体林权制度的改革, 林农在拥有森林经营权和林地使用权的同时, 由于受技术、资金及政策等因素的影响, 在追逐短期经济效益并且完全粗放经营的过程中与长期的生态效益产生矛盾。而且, 在林权不再集中的情况下, 如果采用CCER项目, 将会在维护管理、协调林农之间关系及申报等方面会产生很大成本并且具有一定难度。因此, 在粤北开展基于林农的林业碳汇交易研究显得尤为必要[7]。

本文选取参与基于林农的林业碳汇项目中不同林农的林分为研究对象, 从不同经营措施、不同配置模式、不同密度的角度对人工林之间所存在的年均固碳量进行比较和分析, 旨在为于拥有较高年均固碳量的林农所采用的经营模式进行宣传供林农们学习效仿, 为年均固碳量较差的林农提供科学合理的经营方案, 对于指导人工林固碳增汇经营管理以及林业碳汇的提升有重要作用[8-11]。另外, 通过对参与林业碳汇项目实际监测的碳汇量与普遍经营模式下预估的碳汇量之间的差异进行对比, 为了解项目情景下森林经营状况的改变和其变化幅度提供科学依据。

2 材料与方法

2.1 研究区概况

试验区分别位于广东省韶关市始兴县城南镇、罗坝镇、马市镇、深渡水瑶族乡和太平镇。始兴县位于广东省北部, 韶关市东部, 地理位置东经113°55′—114°24′, 北纬24°31′—25°80′, 地处南岭山脉南麓, 地势四周高中间低, 呈盆地状, 依次为山地、丘陵、平原。土壤以黄壤和红壤为主, 水分充足, 土壤肥沃。项目研究所在地区属中亚热带气候, 年平均气温19.6 ℃; 年平均日照1582.7 h; 年降雨量1468 mm, 春末夏初雨量集中, 4—6月总雨量平均680 mm, 占全年总雨量的46.3%, 11—1月降雨量少, 为156.2 mm, 占全年降雨量的11%[11]。

试验区由7个试验林组成, 主要树种包括杉木(Lamb.), 湿加松(), 湿地松()以及枫香(Hance.), 木荷(. et Champ.)等一些硬质阔叶树种。森林植被类型主要包括针叶混交林、针叶纯林和针阔叶混交林。试验林I以杉木和湿加松为优势种; 试验林II、III、IV均以杉木为优势种; 试验林V以湿加松为优势种, 以枫香为伴生种; 试验林VI以杉木为优势种, 以木荷、枫香为亚优势种, 以南酸枣为伴生种; 试验林VII以湿地松为优势种。

2.2 研究方法

2.2.1 样地设置及数据调查

分别在韶关市始兴县城南镇、罗坝镇、马市镇、深渡水瑶族乡和太平镇选择7个不同林农经营模式下的人工林进行样地设置和调查。在7个试验林选择具有代表性的地块分别设置3个20 m × 20 m的重复标准地, 且标准地的立地条件相似。用GPS对每个标准地西南角的坐标进行定位。利用罗盘仪按水平距离将每一个标准地划分为4个10 m × 10 m小样方进行调查。采用相邻格子样方法对样方内胸径(DBH)≥5.0 cm的乔木立木进行每木检尺, 记录树种、株数、胸径和树高。利用胸径尺测量林木胸径, 水准仪塔尺测量林木树高。研究地概况见表1。

2.2.2 立木蓄积量的计算

蓄积量, 是指一定森林面积上存在着的林木树干部分的总材积[12-13], 是反映一个区域森林资源总规模和水平的基本指标之一, 也是反映森林资源的固碳能力、衡量森林生态环境优劣的重要依据[14-18]。

表1 粤北7个试验林概况

本文中林木蓄积量的计算分为两种情况, 一种是项目情景监测材积的计算, 另一种是预估材积即采用当地以往普遍经营水平的材积生长方程的计算。

(1)监测材积的计算

将样方内每木调查所得立木胸径()和树高()代入适用于广东省树种的二元立木材积方程[19-20], 计算单株立木的蓄积量。样方蓄积量为样方内所有单株立木材积之和, 每个试验林最后结果取3样方蓄积的平均值。不同树种二元立木材积方程如下。

杉木:

=6.97483 * 10-5*1.81583*0.99610(1)

湿加松/湿地松:

=7.81515 * 10-5*1.79967*0.98178(2)

硬阔类(木荷、枫香):

=6.01228 * 10-5*1.87550*0.98496(3)

式中,为单株立木材积(m3);为胸径(cm);为树高(m)。

(2)预估材积的计算

将所调查树种的林龄带入对应树种的材积生长方程即可得出单株材积, 再根据样方调查的林木株数即可得出每个样方的蓄积量, 进而求出每个试验林样方蓄积量的平均值。各树种所采用的单株材积生长方程以及来源和说明如下。

杉木[21-22]:

V=0.1877 *(1-е-0.1254A)5.0485(4)

采用说明:

研究采用文献林分平均木解析拟合出的材积生长模型进行事前预估。该文献地区的年平均气温为17—19℃, 年降水量为1800 mm, 与项目研究区域即韶关市始兴县的水热条件大体一致。广东粤北地区属中亚热带气候, 水热条件优于文献研究区浙江, 采用的文献模型通过当地始兴县森林资源清查小班的数据进行检验, R2=0.975, 平均精度为95.5%, 经验证该模型计算结果符合精度及保守性原则。

2.2.3 生物量的计算

本研究的生物量指活立木整株生物量, 不包含灌木、草本等其他植被生物量。采用生物量扩展因子法计算样地内各树种的林木生物量。将样地内各树种的林木生物量累加, 得到样地生物量, 最后结果取3个样地生物量的平均值。该计算过程所涉及各树种的基本木材密度、生物量扩展因子及地下生物量与地上生物量之比等相关参数选用政府间气候变化专门委员会(IPCC)[23-24]提供的参考值(见表2)。林分生物量()计算公式如下:

=*WD*BEF* (1＋R) (5)

式中,表示单株木的监测材积或预估生长材积(m3);表示树种的基本木材密度(t·d·m·m-3);表示树种的生物量扩展因子, 用于将树干生物量转换为地上生物量;表示树种的地下生物量与地上生物量之比。

2.2.4 碳储量的计算

不同植物的含碳率不同, 但含碳率与生态特征(木材密度、树高)或统计特征(相对生长速率、死亡率)无显著相关性[25]。采用各树种的含碳率, 将各树种的生物量换算为生物质碳储量, 累加得到样地水平的林木生物质碳储量。本研究所涉及树种的含碳率选用IPCC提供的参考值(见表2)。林分碳储量()计算公式[26-27]如下:

=*WD*BEF* (1＋R) *CF(6)

式中,CF表示树种的生物量含碳率, 用于将生物量转换成含碳量。

2.2.5 数据统计与分析

使用Microsoft Excel 2013软件处理原始数据的合成、统计计算以及图表制作; 采用SPSS19.0软件整理数据和统计分析不同研究区域年均固碳量的差异显著性处理(Duncan法多重比较)。

3 结果与分析

3.1 不同经营方式年均固碳量分析

由图1可以看出, 不同经营方式下的试验林的年均固碳量具体表现为VI(1.5667 t·hm-2)0.05); 试验林VI0.05), 但它们与试验林I、II、IV、V之间并无显著性差异(>0.05); 试验林III的年均固碳量为4.3403 t·hm-2, 在所有试验林中显示为最高值, 是试验林II的2倍, 且与其他试验林之间均呈现显著差异(<0.05)试验林VI的年均固碳量为最低值。

表2 不同树种的相关参数[23]

在相同立地条件下, 相似林龄的试验林之间的年均固碳量表现不同。据调查结果, 试验林III具备了很好的科学管理经营模式, 这也是其年均固碳量最高的缘故。试验林III的经营者选择了优良苗木和土壤肥力较强的造林区域, 并且结合其坡度的实际情况进行合理整地, 在栽植过程中充分考虑经营目的、立地条件和经营条件等各方面因素, 确定合适的造林密度。在经营管理过程中, 对于幼林抚育, 前3年均会进行2—3次松土、割灌除草措施, 第4—5年会进行适当的抚育施肥措施; 然而, 试验林VI的林分质量状况表现较差, 该试验林的经营者基本采取粗放经营模式, 造林没有充分考虑立地条件, 造林密度较高, 造林后, 基本采取粗放经营, 也不会进行林下割灌除草等措施, 在林分生长开始郁闭进行群体生长阶段也没有进行抚育间伐, 导致林木不仅成丛生长而且均是小径材的情况; 试验林I、II、IV、V的经营模式大体一致, 采用了较为合理的经营模式, 前三年均会进行割灌除草, 但是之后便采取粗放经营, 基本不会采取施肥措施且抚育周期较长; 试验林VII与I、II、IV、V相比较, 在种苗选择和造林技术方面表现较为优势, 因此体现了相对较高的年均固碳量。

注: 含有相同字母表示之间差异性不显著, 字母不相同表示差异性显著, 以下相同。

3.2 影响年均固碳量的因素分析

3.2.1 不同配置模式的影响

选取同等立地条件、经营方式大致相同的试验林I、II、IV、V、VII进行比较, 分析不同树种所组成的配置模式(见表3)对年均固碳量的影响。由图2可知, 不同配置模式的年均固碳量具体表现为(1.7663 t·hm-2)<(2.3226 t·hm-2)<(2.4101 t·hm-2)<(2.9424 t·hm-2)。其中, 配置模式的林分类型为杉木-湿加松人工混交林, 其年均固碳量表现为最低, 它与杉木人工纯林、湿加松人工纯林没有显著性差异(>0.05); 配置模式的林分类型为湿地松人工纯林, 其年均固碳量最高, 与杉木人工纯林、湿加松人工纯林同样没有显著性差异(>0.05); 然而杉木-湿加松人工混交林与湿地松人工纯林之间的年均固碳量有显著差异(< 0.05)。

3.2.2 不同密度的影响

试验林II、III和IV均为4—5年生的杉木人工纯林, 具有相同的立地条件。从表4可以看出, 林分III的年均固碳量最大, 为4.3403 t·hm-2, 林分密度最小, 其蓄积量与年均固碳量与试验林II、IV呈现显著差异(P<0.05), 大约是试验林II、IV的2倍; 试验林II与IV的蓄积量和年均固碳量之间没有显著差异(P>0.05); 从整体来看, 试验林II、III和IV的年均固碳量总体呈III(4.3403 t·hm-2)>IV(2.5776 t·hm-2)>II(2.0676 t·hm-2)的趋势, 而它们的林分密度总体呈III< IV

表3 不同配置模式基本情况

图2 不同配置模式的年均固碳量

3.3 杉木监测碳汇量与预估碳汇量比较分析

本研究中预估碳汇量是根据当地林农以往普遍的经营水平模拟且经过验证的生长公式计算求得的。由表5可知, 对于杉木纯林所监测求得的碳汇量均大于根据以往的经验公式计算得出的碳汇量。试验林的增长率在22%—53%之间, 试验林II的增长幅度为4.64, 增长率为22%; 试验林III的增长幅度是32.13, 增长率为39%; 试验林IV的增长幅度是9.05, 增长率为53%。由此可见, 参与林业碳汇项目的林分固碳量高于当地普遍做法的平均水平。

4 结论与讨论

试验林III的经营者在整地、栽植以及抚育过程中, 均采取了科学合理的经营模式, 其年均固碳量为最高值; 试验林VI的经营者基本采取粗放经营模式, 其年均固碳量为最低值; 其他试验林之间的经营模式大体一致, 采取了较为科学合理的经营模式, 其年均固碳量大致相当。因此, 不同的经营模式会对人工林的年均固碳量产生不同程度的影响。这与吴建强等[28]的研究结果一致, 在对人工林的经营管理过程中, 要采取适当的幼林抚育和抚育间伐技术措施。同时, 施肥处理可以提高土壤肥力, 为林木生长提高养分和养料。通过大量研究[29]均表明施肥会增加林木的材积, 尤其对于杉木中幼龄林的生长具有显著效果。试验林II、III和IV的年均固碳量总体呈III> IV> II的趋势, 而它们的林分密度总体呈III> IV> II的趋势, 幼林林分密度高于3075株·hm-2后, 其年均固碳量反而随密度的增加而减少。这与李肇锋[29]以及武晓玉等[30]的研究结果一致, 因而, 林农在栽植过程中, 应合理设计株行距和密度, 林分密度对杉木人工林单株及林分蓄积量都有较大影响, 从而影响了林分尺度上的碳储量。同时, 还要进行适当的密度管理, 在一定密度范围内, 密度产生的竞争效应会显著影响林分的碳储量[31], 密度管理是人工林固碳能力的关键措施。林农在经营森林的过程中, 应该将林分密度控制在当下林龄所能适应的最适林分密度范围。不同配置模式下的年均固碳量分析结果表明, 整体上当地林农所采用的人工林树种(杉木、湿加松、湿地松)均适合当地的生长。但对于研究区域的这些针叶树种而言, 纯林与混交林相比有更高的固碳能力。因此建议林农选用生长状况和固碳能力较为优势的湿地松纯林树种进行经营。

表4 不同密度林分年均固碳量

注: 表格内数据为Mean ± SE。同列不同字母表示差异显著(<0.05)。

表5 杉木纯林监测与预估的碳汇量

试验林的监测碳储量与预估碳储量相比均有一定程度的提升, 增长率在22%—53%之间, 一方面说明参与林业碳汇项目的林农采用了比以往更为科学合理的经营模式, 森林质量和碳储量由此得到了明显的提高和改善。本文采用相关学者近年来对于不同地区杉木林的研究与之进行了对比, 已知研究区杉木纯林年均固碳量监测的平均值为4.66 t·hm-2, 陶玉华等[32]对柳州市林龄为14年生的杉木人工纯林样地进行调查分析, 计算得出其碳储量为58.38 t·hm-2, 年均固碳量为4.17 t·hm-2, 与本研究数值大致相当; 林雯等[33]通过对广州林龄为9年生的杉木人工纯林调查分析得出其碳储量为20.67 t·hm-2, 年均固碳量为2.30 t·hm-2。柳州与广州的水热条件优于研究区, 但其碳储量分别与研究区数值大致相当或处于较低水平, 这与研究结果一致, 由此更加证实了林业碳汇项目科学合理的经营模式为林木带来了更高的固碳能力。另一方面, 可能因为现今监测采用了更为新的技术和措施从而提高了数据的精准性。通过将研究地试验林的碳储量及年均固碳量监测平均值与其他同类地区不同研究时间的杉木纯林[34-35]进行分析比较, 得出它们之间的数值随研究年份的推移呈逐渐少量增加趋势。同时, 也可能因为现今林农采用了比以往更为科学合理的经营模式从而使碳储量呈现逐年上升趋势, 邸富宏[36]在对中国南方杉木人工林碳动态模拟研究中指出了我国南方杉木人工林碳储量呈逐年少量增加趋势。

通过对粤北不同经营措施对人工林年均固碳量影响的研究可知, 粤北森林资源丰富, 但集体林权改革后, 很多林农由于受自身文化程度、技术推广状况、资金状况、激励机制或政策等因素的影响在经营森林的过程中遇到许多障碍和威胁, 导致林木不能很好的生长, 未能发挥到最大的生长潜力, 从而使林分碳储量、年均固碳能力还存在很大的提升空间和潜力, 这些问题均有效推动了林业碳汇项目的开展。同时, 杉木是我国南方的重要用材林[37], 也是我国速生丰产林的主要树种, 因此, 开展林业碳汇项目来提高森林的蓄积量和碳储量进而提高其生产量和总产量显得尤为必要[38]。通过林业碳汇项目为林农提供资金、技术、政策、以及激励机制等方面的支持, 从而改善林分结构和提高森林质量, 维持林农对森林的可持续经营和管理, 既能让林农增收、收益, 又能提高森林碳储量和年均固碳量, 改善生态环境, 促进林业碳汇的发展。

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Effect of different management measures on the average amount of carbon sequestration of plantations in Northern Guangdong

TIAN Huiling1, 2, ZHOU Ping1*, JIA Peng2, LI Shuguang3

1. Guangzhou Institute of Geography, Guangzhou 510060, China 2. College of Forestry and Landscape Architecture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China 3. Guangdong Aib Polytechnic College, Guangzhou 511365, China

Based on the inventory of the artificial forest which participated in the forest carbon sink project in Northern Guangdong, the effect of different management measures on the annual average carbon sequestration of plantation was analyzed. With the simulation of the local common management level, the volume equation was applied to calculate the carbon sink ofunder conventional management, which was compared with that of the situation monitored by forest carbon sink project. It was indicated that the annual average of carbon sink with different types of managements wasVI（1.5667 t·hm-2）IV>II, generally, while, the total density of plantations was III>IV>II. In the area, the forest with higher forest density was adopted, and the annual average of carbon sink was lower. The carbon sink of monitored was higher than that of predicted one, from 22% to 53%, and the annual average of carbon sink of project was also higher than that of common management level. The research would make for the understanding of carbon sequestration of plantation under different management measures, and promote the development of the forestry carbon sink.

Northern Guangdong; plantation; management measures; patterns of planting; density of forest; the average amount of carbon sequestration

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.026

S750

A

1008-8873(2018)04-211-07

2017-07-13;

2017-10-08

广东省科学院创新驱动专项“南岭森林碳汇和水资源生态安全格局研究”(2017GDASCX-0701)

田惠玲(1992—), 女, 山西忻州人, 硕士, 主要研究方向为森林生态学, E-mail：597932833@qq.com

周平(1977—), 女, 湖北荆州人, 博士, 研究员, 主要从事森林生态与地理信息系统研究工作; E-mail: pzhou@gdas.ac.cn

田惠玲, 周平, 贾朋, 等. 粤北不同经营措施对人工林年均固碳量的影响[J]. 生态科学, 2018, 37(4): 211-217.

TIAN Huiling, ZHOU Ping, JIA Peng, et al. Effect of different management measures on the average amount of carbon sequestration of plantations in Northern Guangdong[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 211-217.