大兴安岭过火区不同森林生态系统碳储量的变化1)

屈红军 孙晓新

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

森林生态系统作为陆地生态系统的重要碳库，在调节气候变化、减缓温室效应方面具有不可替代的作用[1-2]。全球森林占陆地表面的31%[3]，森林生态系统在植被层、凋落物层、土壤层储存着大量的碳，生态系统碳储量达638 Gt，其中，森林植被碳库约占全球植被碳库的80%，森林土壤碳库约占全球土壤碳库的40%[4]。北半球中、高纬度地区的森林生态系统，由于其巨大的土壤碳库，在全球碳平衡中发挥着重要作用[5]。森林生态系统碳储量是一个不断积累的过程，同时也受到很多自然因素和人为因素的干扰[6-7]。而火干扰在森林生态系统诸多干扰因素中是最重要的一个，尤其是在高纬度地区。近年来，在许多国家开展了关于森林火干扰与森林生态系统碳储量和碳吸收关系的研究，例如在美国对于温带松林[8]、俄罗斯对于北方落叶松林[9]、加拿大的北方黑云杉林等[10]都做过深入的调查。火干扰是通过燃烧生物量，减少植被盖度和生态系统碳储量，而火烧后森林生态系统通过植被生长和有机质在土壤内的沉积，不断增加生态系统的碳储量[8]。

大兴安岭是我国分布最北而且面积最大的林区，也是我国仅有的原始林区之一，不仅是我国重要的木材生产基地，而且对区域气候水文条件也有重要的影响。大兴安岭林区为森林火灾发生的高频区域，不同火干扰强度、大小和频次等因素相互作用，影响森林生态系统的变化[11]。大兴安岭严重的森林火灾对森林资源的更新恢复以及对生态环境的影响一直倍受关注[12]。1987年该区发生的一场特大森林火灾，过火面积达133万hm2，这次森林大火不但改变了局部区域物种的组成，更导致了景观尺度上森林结构、功能及动态的变化。火灾后，大兴安岭的森林覆盖率从76%下降到61.5%[13]。为了加快恢复森林资源，维护自然生态平衡，在过火区主要采取了依靠天然更新和人工造林的办法进行生态系统功能的恢复。目前有部分学者对大兴安岭林区进行了火干扰与森林生态系统结构及功能关系的研究[13-15]，但是关于火烧后不同恢复方式对森林碳储量影响的研究较少。因此，本研究通过对1987年过火区6种不同森林生态系统在火干扰27 a后的植被碳储量的分析，进一步定量评估森林生态系统以不同恢复方式的生态系统植被碳储量的差异，以期为森林生态系统碳储量的估算及火烧迹地森林恢复方式的选择提供参考。

1 研究区概况

研究区位于大兴安岭北麓的图强林业局，东临阿木尔林业局，南靠内蒙古满归林业局，西接西林吉林业局，北隔黑龙江与俄罗斯相望。该区属于寒温带大陆季风性气候，主要特点是冬季漫长寒冷干燥，夏季温润而短暂，春、秋两季气候多变，年平均气温-3.9 ℃，夏季极端高温可达35.2 ℃，冬季极端低温可达-52.3 ℃，无霜期80～90 d。年降水量400 mm，主要集中在夏季。该区主要植被类型包括：兴安落叶松(Larixgmelinii)、樟子松(Pinussylvestris)、白桦(Betulaplatyphylla)等。该区土壤主要为棕色针叶林土，土层一般较薄，表层土腐殖质含量较高，全量养分和有效养分较高。

2 研究方法

本研究选择重度火烧迹地(烧死木蓄积占林分总蓄积的60%以上[13])，按照不同森林群落类型，主要有白桦次生林(沟谷和坡中)、樟子松林(次生林和人工林)、兴安落叶松林(次生林和人工林)共6个类型(见表1)。

乔木层生物量测定：分别在每个森林类型内设置3个调查样方，样方大小为20 m×20 m，共设置样方18个。在设定的样方内，通过对胸径大于或等于2 cm的树木进行每木检尺，然后用已有模型计算乔木生物量[16-19]。

表1 样地的基本特征

灌木层和草本层生物量测定：采用收获法调查生物量，在每个样方(20 m×20 m)内选取3个灌木样方(5 m×5 m)和3个草本样方(1 m×1 m)。收获每个样方内全部灌木和草本，称量其鲜质量，并在每个样方内取灌木1 000 g和草本100 g样品带回实验室，用烘箱烘干至恒质量，计算含水率。根据鲜质量和含水率计算灌木和草本植物的生物量。

凋落物层生物量测定：在每个样方内(20 m×20 m)随机选取3处地点，收集面积20 cm×20 cm地表凋落物，并带回实验室，60 ℃烘干至恒质量，得到凋落物储量。将凋落物磨碎以便分析有机碳含量。

碳储量计算：植被生物量向碳储量转换，乘以转换系数0.5[20-21]；凋落物碳储量为凋落物储量与碳含量之积；总碳储量为植被生物量碳储量与凋落物碳储量之和。

植被生物量、碳储量均为3次重复的平均值；不同林型乔木、灌木、草本、凋落物碳储量，以及不同生态系统碳储量的差异采用SPSS统计分析软件(SPSS,Inc.version 18.0)中的一元方差分析检验方法进行检验，当P<0.05时差异显著。

3 结果与分析

3.1 不同森林植被类型生物量

由表2可知，各林型植被生物量包括乔木层生物量、灌木层生物量、草本层生物量和凋落物层生物量。各林型单位面积植被生物量总体上由大到小的排列顺序为：兴安落叶松人工林、樟子松次生林、兴安落叶松次生林、樟子松人工林、白桦次生林(沟谷)、白桦次生林(坡中)，单位面积植被生物量分别为108.81、91.17、76.50、59.89、54.95和46.15 t/hm2；单位面积植被生物量排列顺序与乔木层生物量的排列顺序不同，兴安落叶松人工林不论植被生物量还是乔木生物量都是最大的；而白桦次生林不论植被生物量还是乔木生物量都较小，其中植被生物量最小的是白桦次生林(坡中)，仅为46.15 t/hm2。在被调查的火烧后恢复的林型中，乔木和凋落物的占比明显大于灌木和草本，说明乔木和凋落物是森林生物量的主要贡献者。

表2 6种林型不同组分生物量 t·hm-2

3.2 不同森林植被类型碳储量

各林型植被碳储量包括乔木层碳储量、灌木层碳储量、草本层碳储量和凋落物层碳储量。由表3可知，各林型单位面积植被碳储量由大到小的排列顺序为：兴安落叶松人工林、樟子松次生林、兴安落叶松次生林、樟子松人工林、白桦次生林(沟谷)、白桦次生林(坡中)，单位面积植被碳储量分别为54.06、38.33、37.97、29.21、27.75和23.17 t/hm2；兴安落叶松人工林植被碳储量与其他林型均有显著性差异(P<0.05)，而其余各林型之间无显著性差异。从各组分来看，灌木和草本层对生物量的贡献量较小，最小的樟子松次生林的草本，仅为其碳储量的0.18%。

乔木和凋落物是森林碳储量的主要贡献者，并且可以明确植被碳储量与植被生物量呈现相似的变化规律，说明生态系统内的碳储量分布与森林生态系统内生物量分布息息相关。

表3 6种林型不同组分的森林植被碳储量 t·hm-2

3.3 植被碳储量恢复效果

通过将本研究得到的调查结果与本研究区相同森林生态系统类型的成熟林的结果[22]进行比较，得到不同林型植被碳储量恢复效果(见表4)。

表4 不同林型植被碳储量恢复效果 %

由表4可知，恢复最好的兴安落叶松人工林，植被碳储量约达到未干扰成熟林的50%；最差的樟子松人工林，恢复不到同林型成熟林的25%。各林型植被碳储量恢复度从大到小的顺序依次为：兴安落叶松人工林、白桦次生林(沟谷)、白桦次生林(坡中)、兴安落叶松次生林、樟子松次生林、樟子松人工林，分别恢复到同林型成熟林分的49.45%、43.12%、36.00%、34.73%、32.75%和24.95%。各组分恢复情况差别也很大，乔木层恢复最好的为兴安落叶松人工林，灌木层恢复最好为兴安落叶松天然林，草本层最好为白桦次生林(沟谷)，凋落物层为樟子松次生林。凋落物层恢复度最高的是樟子松次生林，高达约317.90%，恢复度最差的为樟子松次生林中的草本层，仅为4.57%。

4 讨论

在本研究的6种森林生态系统中，樟子松次生林、落叶松次生林和落叶松人工林接近或高于我国森林生态系统平均碳储量(38.40～49.45 t/hm2)[23-25]，樟子松次生林和白桦次生林明显低于我国森林生态系统平均碳储量，说明不同树种和不同恢复方式都会对森林生态系统植被碳储量的恢复产生较大影响。兴安落叶松人工恢复比天然恢复更加促进火烧迹地的植被碳储量恢复，两种恢复方式生物碳储量差异显著(P<0.05)，与邹梦玲[26]研究结果一致；樟子松林人工更新和天然更新更的植被碳储量并无显著性的差异(P>0.05)，由于所调查的樟子松人工林经营不佳或因经营时间较短，导致人工更新作用不显著，辛颖等[27]对阿木尔林业局火烧迹地樟子松人工林研究结果非常接近。

6种森林生态系统类型中，两种白桦次生林的植被碳储量要低于落叶松和樟子松的次生林或人工林碳储量。虽然白桦为先锋树种，在火烧干扰后会优先恢复，但其碳储量不比落叶松林和樟子松林高。一方面，由于白桦类先锋物种的恢复只在受干扰的早期(如火烧后几年)占优势，而随着恢复时间的增加，针叶树生长逐渐加快，所以在恢复27 a后，白桦树种的早期生长优势不再明显，与Dzwonko et al.[28]对欧洲中部重度火烧区植被更新的研究结果相似。另一方面，白桦为耐水湿树种，次生白桦林往往分布在平坦而积水较重的沟谷，即使生长在坡中，也往往分布在坡度有起伏而排水不畅的斑块中，积水导致土壤中氧和温度都降低，从而限制了树木的生长，与加拿大北方黑云杉林在火烧后的植被恢复研究结果一致[10]。因此，白桦次生林的碳储量低于落叶松林和樟子松林。

不同林型植被碳储量恢复效果最好的为兴安落叶松人工林，植被碳储量达到未干扰成熟林的一半，最差的樟子松人工林，恢复不到同林型成熟林的四分之一；两种白桦次生林的植被碳储量明显低于两种樟子松林和两种落叶松林，但高于樟子松次生林和人工林的恢复效果。这主要是由于树木本身的生活史特征决定的，白桦的寿命仅为樟子松和落叶松的一半[29]，因此相同的恢复时间(27 a)，白桦比樟子松和落叶松更接近于中龄林或成熟林。同时，在大兴安岭的成熟林中，白桦成熟林的植被碳储量远低于樟子松和落叶松成熟林的植被碳储量[22]。因此，经过相同的恢复时间，尽管白桦次生林的植被碳储量的绝对值低于樟子松林和落叶松林，但是其恢复效果却高于樟子松次生林和人工林，也高于落叶松次生林，仅低于落叶松人工林。

6种恢复森林生态系统类型中，火干扰后，经过27 a人工恢复，兴安落叶松林植被碳储量为54.06 t/hm2，接近于邹梦玲[26]研究的人工更新恢复23 a的兴安落叶松人工林森林植被碳储量(57.712 92 t/hm2)，但高于我国森林生态系统平均碳储量[23-25]。由此可见，虽然所调查的森林生态系统类型只恢复了27 a，但选择恰当的树种，并辅以人工恢复方法，森林生态系统的植被碳储量可以达到相对较高水平。科学合理地进行森林经营，可以使重度火烧迹地恢复的森林发挥更大的碳汇功能和生态效应。

5 结论

不同森林生态系统类型的植被碳储量存在差异，相同森林群落类型中不同组分的植被碳储量差异也较大，其中乔木层和凋落物层是森林植被碳储量的主要贡献者。虽然所调查的森林生态系统只恢复了27 a，但森林生态系统的植被碳储量却相对较高，说明植被碳储量恢复较好。

不同森林群落类型中，恢复最好的兴安落叶松人工林，最差的为樟子松人工林；兴安落叶松林经过27 a的恢复，人工更新方式的林分植被碳储量更高，人工更新方式比天然更新方式对林分生长的作用显著。因此，人工恢复兴安落叶松林可作为大兴安岭火烧迹地恢复的推荐恢复方式。此外，在火干扰后的27 a间，各森林群落类型不同组分的碳储量恢复情况差别也很大，其中灌木层和凋落物层的恢复效果明显高于乔木层和草本层，说明灌木层和凋落物层在森林碳储量恢复过程中发挥着重要的作用。