内蒙古大兴安岭兴安落叶松人工林生物量碳计量参数研究

郭娇宇,周 梅,2,舒 洋,2,赵鹏武,2,乌艺恒,田金龙,杨 磊,管立娟,肖 雷

(1.内蒙古农业大学 林学院,呼和浩特 010019；2.内蒙古赛罕乌拉森林生态系统国家定位观测研究站,内蒙古 赤峰 025150；3.内蒙古天合林业碳汇研究院,呼和浩特 010000)

森林生态系统是巨大的碳库,对大气中的CO2起到源或汇的作用[1]。森林被称为陆地生态系统的主体[2],森林生物量碳在全球碳储量中占有重要地位,森林生物碳储量占陆地生物碳储量的82.5%左右[3],是估计森林生态系统中碳通量的重要数据源。联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)(2003)第三次评估报告表明,全球变化已经对地球生态系统和社会经济系统产生了显著的影响[4]。《2006年IPCC国家温室气体清单指南》报告中,将生物量因子分别修订为生物量转化与扩展因子(Biomass conversion and expansion factor,BCEF)、生物量扩展因子(Biomass expansion factor,BEF)、根茎比(Root shoot ratio,R)、木材基本密度(Basic wood density,WD)等[5]。《马拉喀什协定》中有关土地利用、土地利用变化和林业(Land Use Land-use Change and Forestry,LULUCF)的第11/CP.7号决议确定了5个需要计量的碳库,即土壤有机碳、枯落物、粗木质残体、地下生物量、地上生物量[6]。

方精云等[7]通过全国各地林分蓄积量与生物量关系的研究,探讨了林分生物量和蓄积量的相关函数关系,并采用材积法对我国森林植被的林分生物量及生产力进行了估算；李海奎等[8]研究表明,方精云所采用的材积推算生物量的方法虽可以反映不同林龄生物量的变化,但是这种方法并不适宜在较小的范围(例如省级)内使用。为了使林木生物量估算的方法更加规范和简化,IPCC指南中重点推荐使用碳计量参数的生物量因子法[5]。目前,我国基于IPCC指南中计算碳计量参数的研究主要应用于落叶松(Larix)[6]、思茅松(Pinuskhasya)[9]、山杨(PopulusdavidianaDode)[10]毛竹林(Phyllostachysedulis)[11]杉木(CunninghamiaLanceolata)[12]等树种上,利用树高、胸径等容易测定的指标,结合碳计量参数估算林分生物量等,实现林分生物量测定工作的简化目的。碳计量参数的精度直接影响林分生物量碳储量的估算结果,所以确定碳计量参数的精度是至关重要的。

大兴安岭是我国纬度最高、生态地位最重要的国家森林生态功能区[13]。内蒙古大兴安岭林区的森林面积为8.17万hm2,占内蒙古大兴安岭林区林业主体生态功能区总面积的80%左右[14],是我国惟一的寒温带针叶林区。该区分布的兴安落叶松(Larixgmelini)是大兴安岭的主要树种[15],林分面积约占大兴安岭林区总面积的57%,蓄积量约占林区总蓄积量的72%,在我国森林生态系统碳循环中占有重要的地位[16]。因此,本试验以内蒙古大兴安岭林区不同人工造林的兴安落叶松为研究对象,以IPCC指南中生物量因子法为基础,通过野外试验,获得实测生物量数据并计算碳计量参数,对比IPCC指南给定的缺省值,提高IPCC指南中碳计量参数的精度,更好地为国家温室气体清单编制和森林生物量碳储量估算服务。

1 研究区概况

研究区位于内蒙古大兴安岭林区的根河林业局、库都尔林业局、乌尔旗汗林业局、绰尔林业局、阿里河林业局境内,其中:根河林业局位于内蒙古自治区根河市境内,地理坐标为北纬50°20′～52°30′,东经120°12′～122°55′,年均气温为-5.3℃,平均海拔为1 241m；库都尔林业局位于内蒙古自治区牙克石市境内,地理坐标为北纬49°36′～50°16′,东经120°53′～121°59′,年均气温为-5.0℃,平均海拔为1 058m；乌尔旗汗林业局位于内蒙古自治区牙克石市境内,地理坐标为北纬49°15′～49°52′,东经121°12′～122°50′,年均气温为-2.6℃,平均海拔为709m；绰尔林业局地处内蒙古自治区牙克石市境内,地理坐标为北纬47°35′～48°10′,东经120°18′～121°37′,年均气温为-3.2℃,平均海拔为900m；阿里河林业局位于内蒙古自治区呼伦贝尔市境内,地理坐标为北纬50°34′～50°36′,东经123°43′～123°45′,年均气温为-2.7℃,平均海拔为750m[17]。

2 研究方法

2.2 样地调查及样品采集与处理

在研究区的施业区随机选取32块30m×30m的标准样地,林龄为6～47a。在标准地内进行每木检尺,测定树高、胸径,并根据平均胸径和平均树高,按林分生物量测量的要求,选择无病虫害、不断梢的生长正常的平均木1株作为标准木,共选取32株标准木,记载立地条件、林分状况、标准木的东西、南北冠幅、胸径等基本信息。根据国家林业行业标准中的龄组划分[18],将所选标准木划分幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林,进行树木解析,采用实测法测量并计算标准木各器官的生物量,通过计算获得各个龄组的林分生物量(表1)。

表1 不同龄组兴安落叶松人工林实测生物量Tabl.1 Measured biomass of Larix gmelini of different age groups

2.2 林分生物量计算

根据IPCC指南(2003,2006)林分生物量的计算公式如下:

B=V×BCEF×(1+R)

B=V×WD×BEF×(1+R)

式中:B为林分生物量(t/hm2)；BCEF为生物量转化与扩展因子(t/m3)；V为蓄积量(m3/hm2)；BEF为生物量扩展因子,无量纲；R为根茎比,无量纲；WD为木材基本密度(t/m3)；根据以上定义,生物量因子法中的计量参数包括BCEF,BEF,R,WD。因此采用IPCC指南中的方法计算林分生物量需计算V,BCEF,BEF,R和WD[19]。

2.2.1林分蓄积量计算

根据树干解析的原则[13]将基干分段,截取3.0～5.0cm厚的圆盘,测量每个圆盘的直径,采用区分求积公式计算各个圆盘的体积进而计算标准木的单株材积,利用如下公式计算:

林分蓄积量:V=Vt×D

式中:Vt为单株总材积(m3/株)；D为林分密度(株/hm2)。

2.2.2林分生物量碳计量参数计算

依据国家温室气体清单,基于IPCC指南下的生物量估算方法中所涉及到的相关林分生物量、碳计量参数的种类和定义,归类总结如表2所示的计算公式。

根据兴安落叶松人工林的树干生物量、地上生物量、地下生物量实测数据如表1所示,按照表2所给的碳计量参数的相关计算公式,计算得出不同龄组间的碳计量参数的平均值,计算结果如表3所示。

表3 碳计量参数平均值Tab.3 Average values of carbon measurement parameters

表2 参数计算公式Tab.2 Calculation formula of parameters

2.2 数据处理与分析

采用Excel进行林分生物量基础数据的整理,并计算林分蓄积量、林分生物量碳计量参数。采用SPSS 25.0进行落叶松人工林不同器官生物量相关性分析,将碳计量参数BCEF,BEF,R,WD与A,DBH和D分别进行回归分析。

3 结果与分析

3.3 林分生物量因子分析

由表3可知,根据实测数据计算得出内蒙古大兴安岭兴安落叶松人工林的BCEF平均值为0.92t/m3(n=32,SD=0.478),其中幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林的平均值分别为1.783,0.639,0.621,0.638 t/m3；BEF平均值为1.39(n=32,SD=0.334),其中幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林的平均值分别1.879,1.250,1.241,1.198。t检验表明:不同龄组之间的BCEF与BEF均有明显的差异(P<0.05)。

回归分析发现兴安落叶松人工林的BCEF和BEF与A,DBH有显著相关性(P<0.05),如图1所示,BCEF随着A和DBH的增加呈降低并趋于稳定的趋势；如图2所示,BEF也呈现相同趋势,BCEF和BEF与D的相关性较小,没有显著变化趋势。

图1 生物量转化和扩展因子(BCEF)与林龄(A)、平均胸径(DBH)的关系Fig.1 Relationship between biomass conversion and extension factor(BCEF) and forest age(A) and average DBH

图2 生物量扩展因子(BEF)与林龄(A)、平均胸径(DBH)关系Fig.2 Relationship between biomass expansion factor(BEF) and forest age(A) and average DBH

3.2 根茎比分析

兴安落叶松人工林的R平均值为0.14(n=32,SD=0.034)其中幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林的平均值分别为0.174,0.142,0.155,0.111。t检验表明:不同龄林间的R没有明显差异(P>0.05)。回归分析发现R与A,DBH和D均没有显著相关性(P>0.05)。

3.3 木材基本密度分析

兴安落叶松人工林的WD作为生物量扩展因子法计算生物量的配套因子,根据实际生物量数据利用表2公式计算得到:WD的平均值为0.61t/m3(n=32,SD=0.293)其中幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林的平均值分别为0.876,0.519,0.502,0.533 t/m3；t检验表明:不同龄林间WD均有相关性(P<0.05)。

回归分析发现WD与A,DBH显著相关(P<0.05),如图3所示,随着A,DBH的增加,WD呈递减趋势,WD与D没有显著相关性。

图3 木材基本密度(WD)与林龄(A)、平均胸径(DBH)关系Fig.3 Relationship between wood base density(WD) and forest age(A) and average DBH

3.3 实测值与IPCC缺省值对比分析

如表4所示,通过实测值与IPCC指南所给缺省值对比发现:BCEF,R的实测值均小于IPCC中缺省值；BEF,WD的实测值均大于IPCC缺省值。分析发现:BCEF,BEF的实测值与IPCC给定缺省值没有显著差异,而R,WD的实测值与IPCC给定缺省值差异显著(P<0.05)。

表4 实测值与IPCC指南给定缺省值比较Tab.4 Comparison of measured values with the default values given in IPCC guidelines

如表5所示,用IPCC指南给定缺省值估算林分生物量并与实测生物量对比发现:IPCC缺省值计算的理论生物量与实测生物量存在显著差异(P<0.01)。IPCC给定缺省值估算生物量比实测生物量高40.64%～47.06%,而本文所计算碳计量参数估算的林分生物量比实测生物量低6.50%～15.24%。所以,用本文计算的碳计量参数估算内蒙古大兴安岭兴安落叶松生物量误差更小。

表5 实测生物量与缺省值、实测值计算生物量比较Tab.5 Comparison between measured biomass,default value and measured biomass calculation t/hm2

4 讨论与结论

4.4 兴安落叶松碳计量参数实测值

根据实测数据计算兴安落叶松人工林BCEF平均值为0.92t/m3,BEF平均值为1.39,R平均值为0.14,WD平均值为0.61t/m3。本文所得R的实测值(0.14)与IPCC(2003)缺省值(0.336 7)相差较多,这样的结果与华北落叶松人工林[21]、日本落叶松、兴安落叶松和长白落叶松的研究结果相似。 本文认为引起以上R的实测值与缺省值差异大的主要原因是,由于本研究区域属于内蒙古大兴安岭区域,土壤土层较薄,土壤中石头较多,导致华北落叶松根系的径向生长受阻,最终导致地下生物量偏低,使得R的实测值偏小。

4.4 兴安落叶松碳计量参数与林分因子的回归分析

BCEF,BEF,WD,R与A,DBH,D进行相关性回归分析结果为:BCEF,BEF,WD这3者均随A,DBH呈负相关,即随着A或DBH的增加递减。3者均与D没有明显变化趋势,没有显著相关性,此结果与罗云建等[6]的落叶松人工林研究结果相近,R与A,DBH,D都没有显著相关性,可以表示R是一个相对稳定的数值。WD与林分因子A,DBH,D回归分析发现,WD与A,DBH显著相关(P<0.05)。李泰君等[22]研究表明思茅松的WD与A存在正相关关系(R=0.556,P<0.05),WD与D没有显著相关性。此结果与罗云建[21]的研究结果有差异,他在华北落叶松的研究中指出WD与D呈显著负相关。除本文提及的林分因子外,为了更准确地分析碳计量参数与林分因子的相关性,还需进一步跟踪研究碳计量参数与树高(H)、蓄积量(V)等其它林分因子变化的相关关系。

4.4 兴安落叶松实测碳计量参数与IPCC缺省值对比

本研究测算的内蒙古大兴安岭兴安落叶松人工林的BCEF,R的实测值均小于IPCC中缺省值；BEF,WD的实测值均大于IPCC缺省值。用IPCC给定缺省值估算林分生物量比实测生物量高40.64%～47.06%,而用实测碳计量参数估算的林分生物量比实测生物量低6.50%～15.24%。因此，为了提高生物量计算精度,在进行大兴安岭兴安落叶松人工林生物量碳计量的估算时,建议采用本研究实测得出的碳计量参数。