喀喇沁旗旺业甸实验林场不同森林类型碳储量评估

于洪波,惠建平,白玉茹,李仕新,孟庆丽,张春泽

(1. 喀喇沁旗旺业甸实验林场,内蒙古 赤峰 024400; 2. 赤峰市林业科学研究所,内蒙古 赤峰 024005; 3. 敖汉旗国营双井林场,内蒙古 赤峰 024399)

2020年,中国政府向国际社会承诺,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和[1]。森林作为最重要的陆地生态系统,在实现碳达峰和碳中和目标中发挥着重要作用。森林植被碳库占陆地植被碳库的 73%,森林土壤碳库占陆地土壤碳库的 49%。通过森林可持续经营决策,能够很大程度上提高森林碳储量和碳汇能力,贡献碳中和战略目标[2]。不同树种的碳汇能力不同,并且同一树种的不同器官固碳能力也存在差异[3],定量评价森林碳储量及其碳汇价值,有助于科学评估森林减缓气候变化的潜在贡献[4]。本研究以内蒙古赤峰市喀喇沁旗旺业甸实验林场天然次生乔、灌木林和华北落叶松(Larixgmeliniivar.principis-rupprechtii)、油松(Pinustabuliformis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)等人工林为研究对象,对研究区不同森林类型进行碳储量评估,对完善区域森林碳汇数据、提升碳汇计量与监测能力具有一定意义。

1 研究区概况

研究区位于赤峰市喀喇沁旗旺业甸实验林场。林场位于喀喇沁旗西南部,地处燕山山脉北麓七老图山支脉,地理位置41°21′—41°39′ N,118°09′—118°30′ E。地形地貌为中山山地,海拔 800～1 890 m;处于温带半干旱区域,具有明显的大陆性季风气候,冬季漫长;年均降水量400 mm左右,年蒸发量2 000 mm左右,降水多集中在 7—8月;无霜期117 d;土壤为棕壤。林场有林地面积为 2.33×104hm2,人工林 1.16×104hm2,人工乔木树种主要有华北落叶松、油松和樟子松。天然乔木树种主要有白桦(Betulaplatyphylla)、蒙古栎(Quercusmongolica)、黑桦(Betuladahurica)、山杨(Populusdavidiana)、油松、元宝枫(Acertruncatum)、蒙椴(Tiliamongolica)、白杄(Piceameyeri)等。天然灌木树种主要有山杏(Prunussibirica)、榛(Corylusheterophylla)等[5]。

2 研究方法

2.1 样地设置

2022年在喀喇沁旗旺业甸实验林场,选择不同林龄、不同立地条件的华北落叶松、油松、白桦、黑桦、蒙古栎、山杨、山杏、榛等林分,设置乔木样地大小为20.0 m × 30.0 m,灌木样地大小为5.0 m × 5.0 m,对样地内树木进行每木调查,记录样地内株(丛)数、株高、胸径(基径)及冠幅等因子。

2.1.1样地确定

首先确定林场各主要森林类型,再根据龄组,采用分层抽样方法[6],确定各森林类型的样地数量,共计186块,根据公式(1),考虑 20% 的保险系数,且保证每层至少有3个样地。其中油松林36块;华北落叶松林36块;樟子松林6块;阔叶混交林27块;针阔混交林27块;白桦林18块;黑桦林6块;蒙古栎林9块;针叶混交林12块;灌木林9块,灌木林中有少量榆树(Ulmuspumila)、油松分布。

(1)

(2)

式中:n为估算碳储量所需的监测样地数量;tVAL为可靠性指标,95%的可靠性下取值为 1.962;E为项目生物质碳储量估计值允许的误差范围(即置信区间的一半);wi为林场第i碳层的面积权重;si为第i项目碳层碳储量估计值的标准差;ni为分配到各层的监测样地数量,采用最优分配法[6]。

2.1.2碳参数调查

采用标准地调查法[7]。在每个600 m2样地,除开展每木检尺外,还通过设置灌木、草本、枯落物样地取样,获取生物量鲜重;同时采用环刀和土钻取样,测定土壤容重和有机碳含量。最后得到各类型单元单位面积灌木层、草本层、枯落物层和土壤层的碳储量。按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 4个土壤层次来计算土壤有机碳含量。将取回的土样在实验室进行风干,测定含水量后再均匀混合,采用四分法取少量样品,再利用2 mm 筛去除植物根系及石砾,再经研磨后过筛,用于土壤有机碳含量测定。

按公式(3)计算土壤有机碳储量(TOC) :

(3)

式中:Ai为土壤面积;n为土壤层数;i为土层代号;Ci为i层土壤有机碳含量;Di为第i层的土壤容重;Ei为i层土壤的厚度;Gi为第i层中>2 mm石砾的体积比含量。

2.2 含碳率测定

乔木采用平均标准木法[7],每个树种选择1株平均标准木伐倒,分别测定树干、枝条、叶片鲜重,挖 2.0 m×2.0 m×1.5 m范围内的根系,称全部鲜重。分别选取标准木各器官(枝条、叶片、树皮、根系)的样品各3份,每份约200 g,植物样在75～80 ℃ 的烘箱中烘干,土样在105 ℃的烘箱中烘干测定其干重。

灌木生物量是将样地内所有植物全部收获称鲜重,挖 2.0 m×2.0 m×1.5 m范围内的根系,称全部鲜重。选取枝、叶、根样本各3份,每份约200 g左右称鲜重后,烘干测定其干重。

草本样品在1.0 m×1.0 m草本样地内,收割样地内所有的草本地上部分,记录样地内草本的鲜重;另取样品500 g以上带回室内烘干后,测定其干重。

枯落物样品在1.0 m×1.0 m草本样地内,收取未分解的枯落物部分,称鲜重,另取样品500 g以上带回室内烘干后,测定其干重。

乔、灌、草和枯落物样品粉碎后,采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定植物含碳率。

土壤有机碳的测定采用重铬酸钾氧化-分光光度法[8]。

2.3 数据处理

生物量、碳储量具体估算公式如下:

W单=W实×(1+30%)

(4)

pa=p×wa1×c

(5)

wa=pa×va

(6)

ps=ws1×cs

(7)

ws=ps×vs

(8)

式中:W单为单株根系生物量;W实为单株根系实测生物量;pa为乔木层碳密度;p为植株密度;wa1为乔木单株生物量;c为平均含碳率;wa为乔木林碳汇量;va为乔木林面积;ps为灌木层碳密度;ws1为灌木单株生物量;cs为平均含碳率;ws为灌木林碳汇量;vs为灌木林面积。

2.4 碳储量计量方法

利用旺业甸实验林场2021年森林资源二类调查数据,统计各小班树种、林龄、面积。

首先基于森林资源二类调查中的各小班样地数据,通过单木生物量方程[9-11],得到各样地的生物量和碳储量,转化为公顷碳储量,再乘以小班面积,得到小班乔木层生物量和碳储量[10]。

C乔=C样地×A

(9)

式中:C乔为小班乔木层碳储量;C样地为小班内样地的平均碳储量;A为小班面积。

3 结果与分析

3.1 树种碳含量差异

如表1所示,山杨、桦树、蒙古栎、油松、华北落叶松、樟子松、山杏、榛等树种各器官的碳含量为 393.14～553.96 g·kg-1,碳含量在不同树种间存在一定的差异性。

表1 主要树种不同器官碳含量统计表Tab.1 Statistics of carbon content in different organs of main tree species

3.2 乔灌林地碳密度差异

经测算(表2),旺业甸实验林场乔木林平均碳储量为 196.01 t·hm-2,其中乔木层为 78.49 t·hm-2,占 40.04%;灌木层为 0.16 t·hm-2,占 0.08%;草本层为 0.34 t·hm-2,占 0.17%;枯落物层为 2.75 t·hm-2,占 1.40%;土壤层为 114.27 t·hm-2,占 58.31%。

表2 旺业甸实验林场平均碳储量统计表Tab.2 Average carbon storage in Wangyedian Experimental Forest Farm

灌木林平均碳储量为 170.24 t·hm-2,其中乔木层为 10.43 t·hm-2,占 6.13%;灌木层为 0.46 t·hm-2,占 0.27%;草本层为 1.64 t·hm-2,占 0.96%;枯落物层为 0.98 t·hm-2,占 0.58%;土壤层为 156.73 t·hm-2,占 92.06%。

森林平均碳储量为 195.30 t·hm-2,其中乔木层为 76.59 t·hm-2,占 39.22%;灌木层为 0.17 t·hm-2,占 0.09%;草本层为 0.38 t·hm-2,占 0.19%;枯落物层为 2.70 t·hm-2,占 1.38%;土壤层为 115.46 t·hm-2,占 59.12%。

森林碳储量按森林类型统计(表3),研究区共有8种纯林(白桦、黑桦、华北落叶松、山杨、油松、白杄、蒙古栎、樟子松),3种混交林(阔叶混交林、针叶混交林、针阔混交林)和灌木林。其中阔叶混交林碳储量最大,占 29.86%,其次为油松林(20.58%)、华北落叶松林 (14.46%)、白桦林 (13.85%),其他森林类型均小于 10.00%。就碳密度而言,山杨最高,为 247.59 t·hm-2,针叶混交林(均为幼龄林)最低,为 148.24 t·hm-2,天然林乔木树种排序为山杨>白桦>黑桦>蒙古栎。混交林中,阔叶混交林>针阔混交林>针叶混交林,阔叶混交林最高,为 217.81 t·hm-2,针叶混交林为 148.24 t·hm-2。

表3 旺业甸实验林场碳储量按森林类型统计表Tab.3 Carbon storage for different forest type in Wangyedian Experimental Forest Farm

3.3 碳储量研究

3.3.1各层碳储量分析

旺业甸实验林场森林总面积 23 606.86 hm2,森林总碳储量为 4 610 165.83 t,其中乔木层碳储量(含灌木林中零星榆树和油松等乔木层)为 1 807 942.71 t,占总碳储量的 39.22%;灌木层碳储量为 3 979.77 t,占总碳储量的 0.09%;草本层碳储量为 8 951.78 t,占总碳储量的 0.19%;枯落物层碳储量为 63 678.12 t,占总碳储量的 1.38%;土壤层碳储量为 2 725 613.45 t,占总碳储量的 59.12%。

3.3.2乔木林碳储量分析

旺业甸实验林场乔木林面积 22 945.93 hm2,乔木林碳储量为 4 497 646.08 t,平均碳储量为 196.01 t·hm-2,其中乔木层碳储量 1 801 049.55 t,占乔木林总碳储量的 40.04%;灌木层碳储量 3 677.48 t,占乔木林总碳储量的 0.08%;草本层碳储量 7 865.81 t,占乔木林总碳储量的 0.17%;枯落物层碳储量 63 030.68 t,占乔木林总碳储量的 1.40%;土壤层碳储量 2 622 022.56 t,占乔木林总碳储量的 58.31%。

3.3.3灌木林碳储量分析

旺业甸实验林场灌木林面积 660.93 hm2,灌木林碳储量为 112 519.75 t,平均碳储量为 170.24 t·hm-2,其中乔木层碳储量 6 893.16 t,占灌木林总碳储量的 6.13%;灌木层碳储量 302.29 t,占灌木林总碳储量的0.27%;草本层碳储量 1 085.97 t,占灌木林总碳储量的 0.96%;枯落物层碳储量 647.44 t,占灌木林总碳储量的 0.58%;土壤层碳储量 103 590.89 t,占灌木林总碳储量的 92.06%。

4 讨论与结论

4.1 讨论

森林碳储量是由林地单位面积生物量、林地面积、乔灌木碳密度高低来体现的。林地单位面积固碳量多少主要在于林分质量,通过对人工林不同的经营手段和对天然林保护的措施可提高林分质量,同时提高林分单位面积生物量和碳储量[10-11]。旺业甸实验林场森林碳储量主要由天然林和人工林组成,天然林主要由白桦、黑桦、山杨、蒙古栎、山杏、榛等树种构成,由于天然林自然形成,各个龄组树木混合在一起,就会影响单位面积生物量和碳密度的测算。人工林主要由华北落叶松、油松、白杄、樟子松等树种构成,林龄、密度较清晰,测算的单位面积生物量和碳密度相对较为准确。在外业调查时,受各种因素影响,选择标准地及测定生物量的样本数有限,同样会影响单位面积碳储量的准确性,本研究在旺业甸实验林场按森林类型确定的样地数量共计186块,统计可靠性达 90%以上,基本满足了森林碳汇计量与监测的相关要求。

旺业甸实验林场森林以乔木林为主,灌木林比例占总面积的 2.80%。在灌木林中,混生少量乔木树种导致乔木层碳储量大于灌木层、草本层、枯落物层。在乔木林中,乔木层和土壤层碳储量占乔木林平均碳储量的 98.35%,灌木林中,土壤层碳储量占灌木林平均碳储量的 92.06%。因此调查乔木层和土壤碳储量,就能够达到全部碳储量的 90%以上。

4.2 结论

(1)旺业甸实验林场以阔叶混交林类型最大,占比 29.86%,油松林为 20.58%、华北落叶松林为 14.46%、白桦林为 13.85%,其他类型均小于 10.00%。

(2)旺业甸实验林场天然林乔木树种碳密度排序为:山杨>白桦>黑桦>蒙古栎,山杨最高,为 247.59 t·hm-2;在混交林中,碳密度排序为:阔叶混交林>针阔混交林>针叶混交林,阔叶混交林最高,为 217.81 t·hm-2,以幼龄林为主的针叶混交林最低,仅为 148.24 t·hm-2。

(3)旺业甸实验林场森林总面积 23 606.86 hm2,总碳储量为 4 610 165.83 t,平均碳储量为 195.30 t·hm-2,其中乔木林面积 22 945.93 hm2,碳储量为 4 497 646.08 t,平均碳储量为 196.01 t·hm-2,灌木林面积 660.93 hm2,碳储量为 112 519.75 t,平均碳储量为 170.24 t·hm-2。