冀北山地4种典型林分固碳释氧效益估算

郑 淼

(山西林业职业技术学院, 太原 030009)

全球的温度变化是目前生态环境科学界研究的重点与前沿，而其中的重要的一项是大气中CO2浓度的变化，研究发现大气中的CO2比工业革命前高出35%，而森林是整个生态系统的碳库，尤其是北半球的森林生态系统尤其重要，在全球碳平衡中发挥着重要的碳吸收汇功能，如何对森林生态系统固碳释氧能力进行研究是评估森林在减缓大气CO2含量上升，针对气候变化能够提出有效的治理措施。近年来，国内有关森林生态系统碳密度与碳储量的研究也开始增加，国内学者对我国森林植被的碳密度和碳储量进行了研究。由于森林生态系统的复杂性，影响因子比较多，因此对森林的固碳释氧量一般都是采取大尺度的测定方法来进行估算，木兰围场是华北地区重要的生态功能区，对京津冀地区的防风固沙具有重要的作用，该地区主要是以森林经营、水土保持、森林空间的合理配置和林分结构等方面的研究较多，而针对林分的固碳释氧方面的研究报道较少[1-2]。

因此本文以木兰林管局的4种典型林分作为研究对象，以林分的生物量作为基础来对林分的固碳释氧功能进行研究，与此同时对4种林分类型的不同林龄(幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林)固碳释氧的效益进行分析研究，旨在对该地区的典型林分固碳释氧量进行对比分析，从而为该地区的森林固碳释氧功能评价提供参考依据，以期为冀北山地生态交错带森林健康经营提供理论依据和技术支撑[3-4]。

1 研究区概况与方法

本次调查是在承德木兰围场进行，木兰围场坐落于河北省东北部，地处冀北山地，地理坐标为116°32′—118°14′E，41°35′—42°40′N，海拔在820～1 850 m，木兰林管局林区无霜期67～125 d，年平均气温-1.4℃～4.7，极端最低气温-42.9℃，极端最高气温38.9℃。林管局林区内土壤主要包括棕壤、褐土、风砂土、草甸土、沼泽土、灰色森林土、黑土等7个土类，共15个亚类，66个土属，143 个土种。该地区针叶树种主要为华北落叶松林(Larixprincipisrupprechtii)、云杉(Piceaasperata)、油松林(Pinustabulaef)，阔叶树种主要为山杨林(Populusdavidiana)、白桦林(BetulaplatyphyllaSuk.)、榆树(Ilhvuspuneila)等[5-7]。

2 研究内容和方法

2.1 样地设置

本文设置的样地为冀北山地最常见的林分，选取云杉纯林(人工林)、落叶松纯林(人工林)、白桦林(天然林)、山杨林(天然林)4种具有代表性的林分，设置16块大样地为100 m×100 m，4个龄期的4种林分，对样地的一些基本情况进行了解，主要要：海拔、地形、地理位置、样地的坡位以及林分郁闭度等，在适当的位置设置样地的原点，然后辅助设备(罗盘仪、全站仪)划定样地边界，并用玻璃绳连接，逐次编号，最后将边界用铁丝网、水泥桩固定，其中郁闭度的测定是通过在样地内机械的设置200个样点，在各样点位置上进行抬头垂直昂视，判断该样点是否被树冠覆盖，统计被覆盖的样点数，该点数与样点数的比值则是林分的郁闭度，最后定量分析不同类型林分固碳释氧功能，系统研究不同林型固碳释氧效益的高低，为试验区落叶松的健康经营提供了一定的理论依据[8-10]。

2.2 试验方法

2.2.1 固碳释氧服务功能物质量

G固碳=1.63R碳AB年

G释氧=1.19AB年

式中：G固碳，G释氧分别为林分年固碳，释氧物质量(t/a)；A为林分面积(hm2)；B年为林分净生产力[t/(a·hm2)]；R碳为二氧化碳中碳元素含量。在光合作用下树木每形成1 g干物质，需固定1.63 g CO2，释放1.2 g O2。由此可计算释放氧气量[11-12]。

2.2.2 固碳释氧服务功能价值量

U固碳=1.63C碳R碳AB年

U释氧=1.19C氧AB年

式中：U固碳，U释氧分别是林分年固碳，释氧价值量(元/a)；C碳、C氧分别为固碳、氧气价格。采纳欧洲国家温室气体排放税收制度，确定固碳价格，本文采用瑞丹的碳税率150美元/t，折算人民币的价格为1 200元/t。而氧气的价格则采用2007年卫生部公布的春季氧气平均价格1 000元/t。

生物量和蓄积量的关系方程：

B=aV+b

式中：B为森林生物量(t)；V为森林蓄积量(m3)；a，b为参数(表1)。

碳储量与生物量的关系方程：

C=B·Cc

式中：C为碳储量(t)；B为森林生物量(t)；Cc为含碳率，森林含碳率采用平均值0.5。

表1 不同林分类型生物量与蓄积量回归方程

表2 不同林分类型林龄组划分

3 结果与分析

3.1 4种林分生物量分析

同一林分不同龄期(表2)的生长状况比较可以看出(图1)：落叶松纯林蓄积量在中幼龄期增长速度比较慢，而近熟期增长速度最快；白桦林蓄积量中幼龄期增长速度比较快，近熟期与成熟期增长速度较慢；山杨林蓄积量中幼龄期增长速度比较快，近熟期与成熟期增长速度较慢；云杉林蓄积量在中幼龄期增长速度比较慢，而近熟期增长速度最快。不同林分同一龄期生长状况的比较，处于幼龄级时不同林分的蓄积量由大到小排序为：云杉林>白桦林>山杨林>落叶松纯林；中龄期不同林分的蓄积量由大到小排序为：云杉林>白桦林>山杨林>落叶松纯林；近熟期不同林分的蓄积量由大到小排序为：云杉林>白桦林>山杨林>落叶松纯林；成熟期不同林分的蓄积量由大到小排序为：云杉林>白桦林>落叶松纯林>山杨林。

图1 4种林分不同龄期蓄积量

不同林分蓄积出现这样的蓄积顺序可能是因为阔叶林在中幼龄期生长速度比较快，近熟期开始速度减慢，而针叶树种则相反。云杉林的蓄积量无论在哪个龄期其蓄积量都要高于其他3种林分。根据生物量与蓄积量的关系测定出各林分不同龄期年均生长量，即年均生物量，从而对4种林分是生态功能进行分析(图2)。

图2 4种林分不同龄期生物量估算

由图2可以看出，幼龄期4种林分依次排序为：云杉林>白桦林>山杨林>落叶松纯林，落叶松纯林的生物量明显低于阔叶树种，是因为在生长初期生长速度低于其他两种树种；中龄期4种林分依次排序为：白桦林>山杨林>云杉林>落叶松纯林，在中龄期阔叶林的生长速度达到了最高，针叶林增长速度开始加快；近熟林4种林分依次排序为：云杉林>落叶松纯林>山杨林>白桦林，针叶林在近熟期树种在近熟期生长速度达到最大，超过阔叶树种生长速度。成熟林云杉林>山杨林>落叶松纯林>白桦林，4种林分在成熟期蓄积量积累达到了最大值，但是林分蓄积量生长速度都比较慢。

3.2 4种林分不同龄级的固碳释氧量价值估算

3.2.1 不同龄期不同林分的碳密度估算 固碳物质量与林木的生长速度呈正相关，生长越快，固碳物质量增加越多。4种林分固碳规律比较相似，从幼龄期到成熟林固碳的质量呈现出增加的趋势，中幼龄期落叶松纯林固碳量低于其他3种林分，近熟龄到成熟龄中针叶林的生长速度明显增快，固碳量高于山杨林，与其他两种林分缩小了差距(图3)。

图3 4种林分不同龄期碳密度估算

从图3可以看出，幼龄期4种林分C密度由大到小排序为：云杉林>白桦林>山杨林>落叶松纯林；中龄期C密度由大到小排序为：白桦林>山杨林>云杉林>落叶松纯林；4种林分近熟林C密度由大到小排序为：云杉林>白桦林>落叶松纯林>山杨林；4种林分成熟林C密度由大到小排序为：云杉林>山杨林>落叶松纯林>白桦林；云杉林除了中龄期其C密度都是最大的。

3.2.2 不同龄期不同林分的氧气释放量估算 释放氧气物质量与林木的生长速度呈正相关，生长越快，释氧物质量增加越多。4种林分中阔叶林从幼龄林到中龄林期间，释氧物质量呈增加趋势，此后开始减少，到近熟期以后释氧物质量明变化不大；针叶林从幼龄林到近熟林期间，释氧物质量呈增加趋势，此后开始减少。

图4 4种林分不同龄期氧气释放量

从图4可以看出，幼龄期4种林分O2释放量由大到小排序为：云杉林>白桦林>山杨林>落叶松纯林；中龄期O2释放量由大到小排序为：白桦林>山杨林>云杉林>落叶松纯林；4种林分近熟林O2释放量由大到小排序为：云杉林>落叶松纯林>山杨林>白桦林；4种林分成熟林O2释放量由大到小排序为：云杉林>山杨林>落叶松纯林>白桦林。

3.3 固碳释氧经济价值估算

采纳欧洲国家温室气体排放税收制度，确定固碳价格，本文采用瑞丹的碳税率150美元/t，折算人民币的价格为1 200元/t。而氧气的价格则采用2007年卫生部公布的春季氧气平均价格1 000元/t。

表3 4种林分不同龄级单位面积各龄期固碳释氧价值量 元/(hm2·a)

由表3可知，落叶松纯林固碳释氧总价值随龄林的增加呈单峰曲线，在近熟林时达到最大价值量，为16 516元/(hm2·a)，成熟林期间固碳释氧总价值最低，仅为3 680元/(hm2·a)，是近熟林时的22%；白桦林固碳释氧总价值随龄林的增加呈单峰曲线，在中龄林时达到最大价值量，为18 767元/(hm2·a)，成熟林期间固碳释氧总价值最低，仅为2 408元/(hm2·a)，是中龄林时的13%；山杨林固碳释氧总价值随龄林的增加呈单峰曲线，在中龄林时达到最大价值量，为16 697元/(hm2·a)，成熟林期间固碳释氧总价值最低，仅为4 489元/(hm2·a)，是中龄林时的27%。云杉林固碳释氧总价值随龄林的增加呈单峰曲线，在近熟林时达到最大价值量，为18 544元/(hm2·a)，成熟林期间固碳释氧总价值最低，仅为5 040元/(hm2·a)，是近熟林时的27%。

幼龄林时固碳释氧平均总价值为5 340元/(hm2·a)，不同林分价值量大小排序为：云杉林>白桦林>山杨林>落叶松纯林；中龄林时平均总价值为12 939元/(hm2·a)，不同林分价值量大小排序为：白桦林>山杨林>云杉林>落叶松纯林；近熟林时平均总价值为11 525元/(hm2·a)，不同林分价值量大小排序为：云杉林>白桦林>山杨林>落叶松纯林；成熟林期平均总价值为3 805元/(hm2·a)，不同林分价值量大小排序为：云杉林>白桦林>山杨林>落叶松纯林。整个生命周期平均固碳释氧总价值排序为：云杉林>山杨林>落叶松纯林>白桦林，说明云杉林固碳释氧的总价值是最高的，而白桦林的固碳释氧总价值最低。

4 结 论

(1) 针叶林蓄积量在中幼龄期增长速度比较慢，而近熟期增长速度最快，阔叶林蓄积量中幼龄期增长速度比较快，近熟期与成熟期增长速度较慢；不同林分的不同龄期生物量是有差异的，其中幼龄期由大到小为：云杉林>白桦林>山杨林>落叶松纯林，中龄期为：白桦林>山杨林>云杉林>落叶松纯林，近熟林为：云杉林>落叶松纯林>山杨林>白桦林，成熟林为：云杉林>山杨林>落叶松纯林>白桦林，4种林分在成熟期蓄积量积累达到了最大值，但是林分蓄积量生长速度都比较慢。

(2) C密度由大到小排序，幼龄林：云杉林>白桦林>山杨林>落叶松纯林，中龄林：白桦林>山杨林>云杉林>落叶松纯林，近熟林：云杉林>白桦林>落叶松纯林>山杨林，成熟林：云杉林>山杨林>落叶松纯林>白桦林，云杉林除了中龄期其C密度都是最大的；O2释放量由大到小排序，幼龄林：云杉林>白桦林>山杨林>落叶松纯林，中龄林：白桦林>山杨林>云杉林>落叶松纯林，近熟林：云杉林>落叶松纯林>山杨林>白桦林，成熟林：云杉林>山杨林>落叶松纯林>白桦林。

(3) 4种林分固碳释氧总价值随龄林的增加呈单峰曲线，但是达到最大值的时期不同，落叶松纯林与云杉林近熟林价值量最大，成熟林价值量最低；白桦林与山杨林中龄林价值量最大，成熟林期间固碳释氧总价值最低；整个生命周期平均固碳释氧总价值排序为：云杉林>山杨林>落叶松纯林>白桦林，说明云杉林固碳释氧的总价值是最高的，而白桦林的固碳释氧总价值最低。