河北坝上沙地白榆林的生物量与碳储量

赵国华，盖凡丁，张 杰，王 超，尤海舟

（1.承德市滦平国有林场总场，河北 滦平 068250； 2.河北省林业和草原科学研究院，河北 石家庄 050061； 3.河北丰宁沙地生态系统国家定位观测研究站，河北 丰宁 0683571）

0 引言

气候变化是当今世界关注的热点问题和面临的巨大挑战之一，世界各国正积极致力于减缓全球温室气体排放的增长速度，碳循环成为全球变化研究和宏观生态学的核心研究内容之一[1]。森林生态系统作为陆地生态系统的主体，在维护全球气候系统、调节全球碳平衡、减缓大气温室气体浓度上升等方面具有不可替代的作用[2]。森林通过光合作用积累的同化产物以生物量的形式长期储存于生态系统[3]，是陆地生态系统碳循环的重要过程，生物量和碳储量及其变化是土地利用变化和林业温室气体排放清单编制的基础，森林碳汇功能在应对气候变化方面具有不可替代的作用。目前，森林碳汇研究多集中于落叶松、油松、杉木、杨树、白桦等优势树种，尚有多个树种存在研究区布局不合理或样本数偏低等问题。白榆（Ulmus pumila），耐干旱，根系发达，适应性，是我国干旱半干旱地区的重要乡土树种，在浑善达克沙地、科尔沁沙地等地形成特有的疏林草原植被类型，在保持水土、防风固沙和维护生态平衡有着独特的生态作用，是沙地最稳定和高生产力的植被类型[4]。河北坝上地处内蒙古高原的南缘，紧邻浑善达克沙地，榆树稀树草原亦有较多分布，白榆是当地营造防风固沙林的重要树种，约有白榆林2.5万hm2。对该区沙地白榆林开展生物量与碳储量的调查研究，有助于科学认识人工造林的生态功能，对于草原植被的生态恢复和增加区域碳汇量有着积极的促进作用。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于河北省丰宁满族自治县坝上地区，41°21’～42°00’N，115°54’～116°38’E，海拔约1400～1800m。该区属大陆季风型半湿润、半干旱高原山地气候，气候寒冷干燥，年平均气温 6.7 ℃，≥10 ℃积温1600～1798 ℃。多年平均降水量350～500 mm，降雨主要集中于7～9月，约占全年降水量的79%。地带性土壤以草原栗钙土和风沙土为主，土壤砂粒含量高、质地松、内聚力差，易于沙蚀风化。该区属森林向草原的过渡地区，以干旱草原植被为主，但植物种类组成和植被类型较丰富，具有明显的过渡性特征[5]。由于该区草原植被破坏严重，人工营造了大面积的防护林，主要乔木树种有华北落叶松（Larix principis-rupprechtii Mayr）、樟子松（Pinus sylvestris var.mongholica Litv.）、北京杨（Populus beijingensis W.Y.Hsu）、白榆等。沙地白榆林在本区造林植苗密度较高，随林龄增加受放牧、干旱等因素的影响，树木保存率和林分密度较低，郁闭度0.4～0.7，林下常见少量更新幼树；林下草本植被生长较好，盖度通常50%～90%，灌木层多缺失，凋落物积存量通常很少。

1.2 调查与研究方法

野外生物量调查采用标准地法。选择典型林分设置3块调查样地，面积30×30m2，样地基本情况详见表1。通过每木检尺与树高测量、绘制树高曲线后选取平均标准木1株，挖倒后测定各器官（干、枝、叶、根）的生物量鲜质量并取样；其中树干按1m区分段实测生物量鲜质量和树干材积，枝和叶分为上、中、下3层测定鲜质量，根分为粗、中、细3级测定鲜质量。野外所取鲜样品室内85℃烘干至绝对干质量，计算出全株和不同器官的生物量总质量，再按胸高断面积推算出乔木层生物量总质量。草本层、凋落物层生物量按对角线设5个1×1m2样方测定鲜质量，灌木层生物量按对角线设5个2×2m2样方测定鲜质量，取鲜样品室内烘干测定质量，再推算出单位面积生物量的总质量。

表1 沙地白榆林生物量样地基本情况

生物量计量参数主要参考IPCC指南（2006）[6]、《林业碳汇计量监测术语》（LY/T3253-2021）[7]等推荐的计算方法，公式如下：

其中：BEF，树木生物量扩展因子（无量纲）；AB，树木地上部分生物量（t/hm2）；SB，树干生物量（t/hm2）。

其中：B C E F，树木生物量转化与扩展因子 （t/m3）；V，林分蓄积量（m3/hm2）。

其中：R，根茎比（无量纲）；UB，树木地下部分生物量（t/hm2）。

其中：WD，木材基本密度（t/m3）。

由以上公式可知，理论上BCEF=BEF×WD。

2 结果与分析

2.1 沙地白榆林的林分组分生物量分配状况

碳以生物质或有机质的形式储存于森林植被和土壤中，可以将森林碳库按林分组分构成划分为乔木层碳库、草本植物碳库、灌木碳库、凋落物碳库和粗木质残体碳库、土壤碳库等。表2为各样地生物量密度的测定结果，表明沙地白榆林不同林分组分间生物量（生物现存量）的分配比例为乔木层平均值94.43%、草本层平均值5.54%、凋落物层1.03%，生物量分配次序为乔木＞草本＞凋落物，而灌木和粗木质残体所积累的生物量很少，可以忽略不计。可见乔木层树木所积累的生物量远高于其他林分组分，也是其最重要的碳库。

表2 沙地白榆林不同林分组分的生物量

2.2 沙地白榆林乔木层生物量分配状况

乔木层树木是植被群落中生产力最主要和最活跃的群体，多年的同化作用将碳以生物质的形式储存于树干、树枝、树叶和树根等器官中，并通过枯损过程向凋落物层、土壤层等转移，是植被群落实现固碳功能最主要的部分。树木生物量一般随树龄增长呈增加趋势，但由于树种特性、立地条件和经营措施的差别，其各器官生物量分配状况多有不同。本次研究表明，白榆各器官生物量分配比例为树干平均值37.68%、树枝平均值24.92%、树叶平均值5.07%、树根平均值32.33%，即总体上为干＞根＞枝＞叶。白榆生长于干旱沙地环境，树高较矮，林木稀疏，侧枝和根系发达，相较本区华北落叶松、樟子松等主要造林树种的树干和树叶生物量所占比例较低，而树枝和树根所占比例较高[8]。

2.3 沙地白榆林的生物量计量参数

生物量计量参数是森林碳汇评估的重要参数，不同区域和树种及发育阶段的生物量计量有较大差异，本次研究沙地白榆林生物量计量参数计算结果详见表3。由表3可知，白榆林的生物量计量参数中BEF值、BCEF值和R值变化差异较大，而WD值相对稳定。

表3 沙地白榆林的生物量计量参数

2.4 沙地白榆林的碳储量

森林碳储量可由不同碳库的生物量与含碳率计算而来，不同林分组分、树种和器官的含碳率均有差异，乔木层植被含碳率采用《碳汇造林项目方法学》（AR-CM-001-V01）的推荐值0.497[9]；根据程仁堂等对林下草本植物、凋落物的测定结果含碳率多低于0.45而接近于0.4，故本次研究取0.4[10、11]。表4为3块白榆林样地碳储量（碳密度）的计算结果，可见沙地白榆林虽然林分稀疏，生长较缓慢，但碳储量仍较高，其中以乔木层树木的碳储量最高。3块样地的年均固碳量以2号样地最高，可达2.1537 t·hm-2·a-1；而1号样地最有代表性，年固碳量为1.1824 t·hm-2·a-1，代表了本区白榆林较高生产力水平下较长期的年均固碳速率，表明白榆林在固碳潜力较高。

表4 沙地白榆林的碳储量

3 结论与讨论

3.1 结论

本次研究表明，河北坝上沙地白榆林的生物量主要积累于乔木层树木中，其中以树干和树根所积累量较高，这同浑善达克沙地稀树草原生物量的研究结果相似[3]。白榆林的生物量计量参数分别为BEF=1.836±0.378、BCEF=0.827±0.221t·m-3、R=0.499±0.184、WD=0.445±0.044t·m-3，相较其他树种R值较高，这反映了其地下生物量碳库较高；同时3块样地生物量计量参数变化较大，可能由于其林分密度变化较大所导致，因此获取精度较高的生物量计量参数需要加大样本测定数量。

白榆林调查样地碳密度变化为22.4～33.9 t·hm-2，年均固碳量0.74～1.18 t·hm-2·a-1，以上2项指标均表明沙地白榆林具有较高的碳汇功能，远高于我国草地平均碳密度2.36～11.48 t·hm-2的研究结果[12]，是干旱半干旱草原区非常重要的汇；也表明人工造林对提升草原碳汇的重要性，是改善草原“弱碳汇”[13]状况的可行措施。此外，不同样地间碳密度和固碳速率均有较大差异，表明通过适合的森林经营措施有可能大幅提升森林碳储量，具有较高的固碳潜力。

3.2 讨论

白榆是河北坝上地区沙地优良的生态防护树种，且能够形成稳定的森林群落，但生长速度相对较慢，但同本区樟子松、华北落叶松主要造林树种相比，在生产力和固碳方面尚有差距；同属坝上地区的塞罕坝林场华北落叶松林18a生和38a生碳储量分别为 65.82 t·hm-2、150.66 t·hm-2[14]，科尔沁沙地樟子松林18a生和30a生时碳储量分别为32.476 t·hm-2、73.214·hm-2，毛乌素沙地30a生樟子松林碳储量可达57.08t·hm-2，以上树种速生性强，且林分密度较高，可见在河北坝上地区营造碳汇林若立地条件较好时宜选择华北落叶松、樟子松等树种。