小兴安岭天然更新针阔混交林碳汇结构特征的研究

崔崧，刘滨凡，王明强

(1.黑龙江省林业科学研究所，哈尔滨150081；2.黑龙江省林业科学院，哈尔滨150081)

小兴安岭是黑龙江省重要的具有典型地域性植被特征的森林分布区，其生态结构功能的完整性是黑龙江省生态安全的重要保证。随着全面禁伐的实施，碳汇林营造将是未来林区的生态甚至是经济功能的重要组成部分。该地区采伐区域多形成以白桦和山杨为主的阔叶林或混交林，在不经过经营措施的干预下无法在短时间内恢复成以红松为顶级群落的针阔混交林，而目前造林工作又都是以用材林营造标准为依据，与自然化的林业差别较大。因此，本文选取未经过人为扰动的更新状态较好自然更新林分为研究对象，通过生物量模型、碳含量模型推算出建群种碳汇量，结合群落学分析得到小兴安岭天然更新混交林碳汇结构特征。

1 研究方法及样地概况

1.1 研究方法

选取小兴安岭丰林自然保护区为实验地点，选取天然更新状况较好的混交林为研究对象，在实验区内建立20m×30m实验样地，在样地内设置5m×5m样方共计24个，对样地内所有乔木树种进行调查，测定树高、胸径、冠幅等指标，通过生物量模型拟合计算出各乔木树种的生物量，同时结合碳含量方程计算出各个建群种的含碳量。

表1 生物量模型的选择[1]

有关森林碳储量的研究大多采用固定的数值作为森林的平均含碳率。例如，方精云等[2]采用 0.5 的含碳率，也有采用0.45作为平均含碳率估算碳储量[3]。

本文采用不同树种不同部位的碳含量[4]的研究结果作为计算依据：

表2 不同树种含碳率(%)

重要值(IV)的计算公式[5]：

IV=RDE+RCO+RFE

RDE：相对密度，样方内某种植物的密度与群落所有植物群落密度总和之比；

RCO：相对盖度，样方内某种植物的盖度与所有植物盖度总和之比，盖度采用冠层投影面积进行计算；

RFE：相对频度，样方内某种植物的频度与所有植物种的频度总和之比。

1.2 样地概况

实验选取的混交林为1967年采伐地自然更新，经过近50年的自然生长形成，未经过人为扰动，坡度3°，坡位：上，坡向：南,年平均气温-1℃左右,年降水量700～800mm。样地内主要乔木为白桦(Betulaplatyphylla)、毛赤杨(Alnussibirica)、红松(Larixgmelinii)、大黄柳(Salixraddeana)、冷杉(Abiesfabri)、山杨(Populusdavidiana)、山桃稠李(Padusmaackii)、春榆(Ulmuspumila)、枫桦(Betulacostata)、花楷槭(Acerukurunduense)、黄菠萝(Phellodendronamurense)、青楷槭(Acertegmentosum)、山槐(Albiziakalkora)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、色木槭(Acermono)、云杉(Piceaasperata)、紫椴(Tiliaamurensis)。灌木为暴马丁香(Syringareticulata)、鼠李(Rhamnusdavurica)、刺五加(Acanthopanaxsenticosus)、狗枣猕猴桃(Actinidiakolomikta)、金花忍冬(Lonicerachrysantha)、接骨木(Sambucuswilliamsii)、瘤枝卫矛(Euonymusverrucosus)、毛榛(Corylusmandshurica)、暖木条荚蒾(Viburnumburejaeticum)、三棵针(Berberissoulieana)、山刺玫(Rosadavurica)、乌苏里绣线菊(Spiraeaussuriensis)、珍珠梅(Sorbariasorbifolia)。

2 结果与分析

2.1 主要乔木树种种群特征及重要值

种群的群落学特征反映了种群在该群落中的数量、组成、比例、生长、对资源的占有状况等。表3看出，主要乔木树种中更新状态最好的树种是(≥10株)：白桦、水曲柳、色木槭、云杉、紫椴。从垂直空间来看，整体处于结构上层的树种(H≥10m)主要有：山杨、毛赤杨、黄菠萝，但3个物种的个体数量都很小；整体处于结构中层的树种(10m≤H≥5m)主要有：紫椴、大黄柳、色木槭、水曲柳、白桦、春榆、红松、冷杉、青楷槭、山槐、山桃稠李；整体处于结构下层的树种(5m≤H)主要有：云杉、花楷槭。从水平空间来看，整体对于水平空间占有较大树种(D≥10cm)有：黄菠萝、冷杉、毛赤杨、山桃稠李、山杨。整体资源占有较大的树种(C≥10m2)有：红松、冷杉、毛赤杨，但这3个树种的数量都较小。

表3 主要乔木树种种群特征

表4 主要乔木树种种群重要值

表4看出，重要值较大的乔木树种(≥10%)有白桦、水曲柳、云杉、色木槭、紫椴、春榆和黄菠萝，由于春榆无法形成高大乔木，在群落未来演替中不会占据主要位置，因此不予考虑，所以，本文对白桦、水曲柳、云杉、色木槭、紫椴、黄菠萝的生物量及碳汇特征进行了研究。

2.2 种群生物量及碳汇特征

2.2.1 种群生物量特征

表5可以看出，乔木树种整体生物量中最大的是白桦(1686.78kg)和水曲柳(992.98kg)，单株最大平均生物量是黄菠萝(58.91kg/株)和水曲柳(22.07kg/株)，树干生物量与此情况一致。树干生物量比率最大的是白桦(81.32%)和云杉(73.21%)。

2.2.2 种群碳汇特征

表5 种群生物量特征

表6 种群碳汇特征

乔木树种碳汇特征与生物量特征类似，整体碳汇量中最大的是白桦(758.87kg)和水曲柳(430.56kg)，单株最大平均碳汇量是黄菠萝(26.1kg)和白桦(11kg)，树干碳汇量及碳密度与此情况一致。树干碳汇量比率最大的是白桦(70.2%)和紫椴(67.82%)。

3.3 种群碳汇结构特征

3.3.1 不同径级优势种固碳总量的特征

图1 不同径级优势种固碳总量

图1看出，不同优势种表现出随着径级的升高，总固碳量均呈现上升的趋势，其中白桦在8～10cm径级中积累了最多的碳汇量，水曲柳在10～12cm径级中达到最大，色木槭在8～10cm径级中达到最大，随后三个树种均呈现下降的趋势。云杉、紫椴和黄菠萝在样地内随径级的增大，呈现上升的状态，且在目前的径级范围内未出现下降的趋势。

3.3.2 不同树高级优势种固碳总量的特征

图2 不同树高级优势种固碳总量

图2看出，不同优势种表现出随着树高级的升高，总固碳量均呈现上升的趋势，除白桦外其余树种均未出现下降的趋势，白桦在14～16m树高级中积累了最多的碳汇量，随后出现下降的趋势。

3.3.2 不同冠层投影面积分级下优势种固碳总量的特征

图3 不同冠层投影面积分级下优势种固碳总量

图3可以看到，在0～12m2之前的分级中，阔叶树种均在2～4和4～6m2达到碳汇积累量的最大值，随后开始下降，但云杉却表现出随投影盖度分级的增加，碳汇积累出现下降的趋势。在投影盖度分级达到8～10m2之后，个别冠幅非常大的个体表现出一定的积累量，但这种积累呈现无规律的状态。

4 结果与分析

4.1 通过对所有乔木群落学重要性进行分析，明确白桦、水曲柳、云杉、色木槭、紫椴、黄菠萝为该群落主要建群种，经过50年无人为扰动的自然更新演替，混交林的结构状态还是以阔叶为主，针叶树种比例低、重要性差。

4.2 对于整个群落碳汇作用贡献最大的仍然为先锋树种白桦(12693.88 kg/hm2)，但排在第二位的是水曲柳(7175.95kg/hm2)，说明群落在向着结构有利于针阔混交的方向发展，但针叶树种的自然更新状态并不太好，这可能在未来很长一段时间影响群落的整体结构功能，从而影响碳汇能力。

4.3 从结构分级来看，水平结构上白桦和色木槭在8～10cm，水曲柳在10～12cm径级下碳累积量达到最大，之后呈现一定的下降趋势，其余树种呈现持续的上升趋势；垂直结构上，优势种总固碳量随着树高级的升高均呈现上升的趋势，除白桦外其余树种均未出现下降的趋势，白桦在14～16m树高级达到最大随后出现下降的趋势；由于乔木树种的形态特征及林分内各树种间的相互作用，冠层投影面积分级下碳汇积累量规律不明显，特别是达到8～10m2之后，树种的碳积累呈现出不规律的状态。