張晨悅爾

摘要：本研究采用生物量相對(duì)方程與樣地調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，以10個(gè)樣地為基礎(chǔ)，研究了湖南省青羊湖林場(chǎng)內(nèi)馬尾松純林喬木層不同年齡段和不同器官的碳儲(chǔ)量。發(fā)現(xiàn)研究樣地馬尾松人工林樹(shù)干、樹(shù)枝、樹(shù)葉和樹(shù)根的碳密度分別為16.34.2.59、1.98和3.14t/hm²，總計(jì)24.04t/hm²。不同年齡階段馬尾松的碳儲(chǔ)量表現(xiàn)出很大的差異，1～10a馬尾松碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化波動(dòng)較小，10a之后隨年齡增長(zhǎng)呈快速增大趨勢(shì)。在幼齡階段，其各器官之間的碳儲(chǔ)量順序?yàn)闃?shù)干>樹(shù)葉>樹(shù)枝>樹(shù)根，而在中齡階段和近熟階段則為樹(shù)干>樹(shù)根>樹(shù)枝>樹(shù)葉。

關(guān)鍵詞：馬尾松；碳密度；不同年齡段；不同器官

自18世紀(jì)工業(yè)革命到現(xiàn)在，人類(lèi)對(duì)化石燃料的需求已達(dá)到供不應(yīng)求的地步。雖然全球經(jīng)濟(jì)得到了快速發(fā)展，但同時(shí)也帶來(lái)了一系列被國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的生態(tài)問(wèn)題，例如，燃燒化石燃料導(dǎo)致大氣中C02濃度的增加，引起嚴(yán)重的全球變暖。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，簡(jiǎn)稱IPCC）在第五次評(píng)估報(bào)告中明確指出1983～2012年是近1400年來(lái)北半球最熱的30年，由于人類(lèi)活動(dòng)的影響，在這30年間全球陸地和海洋表面平均溫度上升了0.85（0.65～1.06）°C。全球變暖嚴(yán)重威脅到了人類(lèi)的可持續(xù)發(fā)展，而森林作為全球碳循環(huán)中重要的“源”和“匯”，在碳平衡中起著巨大的貢獻(xiàn)。喬木層、灌草層、枯落物層和土壤層共同支持著森林生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)存CO₂、緩解全球氣候變化的重要作用，其中喬木層的固碳能力尤為重要。研究森林植被碳“源”、“匯”變化，已成為應(yīng)對(duì)全球氣候變化的一個(gè)手段，也是森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)研究中的重要部分。估算森林喬木層碳儲(chǔ)量的收支，不僅有助于進(jìn)一步了解森林碳“源”和“匯”功能在當(dāng)下全球氣候問(wèn)題中的意義和作用，也有利于相關(guān)部門(mén)制訂和優(yōu)化森林經(jīng)營(yíng)政策。

馬尾松（Pinus massoniana）是我國(guó)南方低山丘陵區(qū)中主要鄉(xiāng)土造林樹(shù)種和群落演替的先鋒樹(shù)種，具有木材性質(zhì)優(yōu)良、速生、高產(chǎn)等特點(diǎn)，是恢復(fù)退化土地的首選樹(shù)種，也是良好的用材和產(chǎn)脂樹(shù)種，不僅具有經(jīng)濟(jì)意義，而且對(duì)于維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡亦具有明顯作用，在我國(guó)林業(yè)生產(chǎn)及森林生態(tài)系統(tǒng)中占有極其重要的地位。目前有關(guān)馬尾松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的研究較多。本研究利用生物量相對(duì)生長(zhǎng)方程與樣地調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，對(duì)湖南省青羊湖林場(chǎng)內(nèi)，馬尾松純林喬木層不同器官和不同年齡階段的固碳能力進(jìn)行了定量評(píng)價(jià)和分析，旨在為準(zhǔn)確估算研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)碳平衡提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為當(dāng)?shù)厣忠?guī)劃布局和生態(tài)工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1.研究地概況

研究地點(diǎn)位于湖南省寧鄉(xiāng)縣西部的青羊湖國(guó)有林場(chǎng)，為雪峰山余脈自中低山向丘陵過(guò)渡地帶，地理位置在東經(jīng)111°58～112°05、北緯28°08～28°10之內(nèi)。氣候類(lèi)型屬于中亞熱帶向北亞熱帶過(guò)渡的大陸性季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，氣溫適中，雨量充沛，年平均氣溫16.2℃，年均降水量1438.8mm，年均無(wú)霜期為273。境內(nèi)母巖主要為板頁(yè)巖和少量分散的石灰?guī)r、砂礫巖、花崗巖。青羊湖國(guó)有林場(chǎng)又稱黃材水庫(kù)，是全國(guó)三大大堤工程之一，該林場(chǎng)于2011年12月由省編委批準(zhǔn)成立，森林覆蓋率98.7%，活立木總蓄積量7.7萬(wàn)m³，植被種類(lèi)多，其中主要喬木樹(shù)種為馬尾松（Pinusmassoniana，）、青岡（Cyelobalanopsisglauca）、杉木（Gun-ninghamialanceolata）、南酸棗（Choerospondiasaxillaris）等；非喬木有狗脊蕨（Woodwardia函ponica）、芒萁（Di-cranopterisdichotoma）、六月雪（Serissa iaponica）、菝葜（SmilaxchinaL）、淡竹葉（Lophathemmgracile）等。

2.研究方法

2.1樣地設(shè)置

于2013年6月，在青羊湖國(guó)有林場(chǎng)林選擇馬尾松人工林，依據(jù)代表性和可達(dá)性原則，設(shè)置10塊20m×20m的馬尾松調(diào)查樣地，對(duì)每塊樣地內(nèi)的馬尾松進(jìn)行每木檢尺，記錄樹(shù)高（Height）、胸徑（Diameter at breastheight，DBH）、平均冠幅（Mean crown）、枝下高（un-der-branch height），以及樣地海拔、坡向、坐標(biāo)等信息，共計(jì)428株馬尾松樣本。每塊樣地信息（表1）和每株馬尾松胸徑一樹(shù)高數(shù)據(jù)（圖1）如下：

2.2生物量轉(zhuǎn)換因子法

生物量轉(zhuǎn)換因子法（Biomass Expansion Factor，BEF）又叫作材積源生物量法（volume derivedbiomass），是利用林分生物量與木材材積比值的平均值乘以該森林類(lèi)型的總蓄積量或利用木材密度（一定鮮材積的烘干量）乘以總蓄積量和總生物量與地上生物量的轉(zhuǎn)換系數(shù)得到該類(lèi)型森林總生物量的方法。續(xù)珊珊和姚順波利用生物量轉(zhuǎn)換因子法對(duì)我國(guó)森林碳儲(chǔ)量區(qū)域差異進(jìn)行了研究分析；沈楚楚研究了浙江省主要樹(shù)種的生物量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.3數(shù)據(jù)分析

目前針對(duì)區(qū)域或全球尺度的森林植被碳儲(chǔ)量方法歸結(jié)為三大類(lèi)型：樣地實(shí)測(cè)估算、模型估算和基于遙感技術(shù)的估算?？紤]到本研究為小區(qū)域內(nèi)碳儲(chǔ)量的計(jì)算，較容易獲取樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，故選用屬于第一、二類(lèi)的生物量相對(duì)生長(zhǎng)方程與樣地調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，同時(shí)依據(jù)植被生物量乘以含碳率求得植被碳儲(chǔ)量。在估算森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲(chǔ)量的研究中，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員通常采用0.50或0.45的含碳系數(shù)（生物量與碳含量的轉(zhuǎn)換系數(shù)），該值在不同樹(shù)種間以及同一樹(shù)種不同器官之間不盡相同，本研究依據(jù)郭文清對(duì)湖南省馬尾松純林全林整體生物量模型及碳儲(chǔ)量的研究結(jié)果，選擇馬尾松樹(shù)干、樹(shù)枝、樹(shù)葉和樹(shù)根的含碳系數(shù)分別為0.5029、0.4828、0.5959和0.4919（表2）。endprint

3.結(jié)果與分析

3.1馬尾松林喬木層結(jié)構(gòu)特征及碳儲(chǔ)量

林分直徑直接影響著林木的材積、干形、樹(shù)高等林分因子的變化，從而進(jìn)一步影響到生物量，是最重要和最基本的林分結(jié)構(gòu)，林分直徑分布是測(cè)樹(shù)制表技術(shù)理論及森林經(jīng)營(yíng)技術(shù)的重要依據(jù)，根據(jù)林分直徑分布還可以從經(jīng)營(yíng)效果和生態(tài)利用價(jià)值等方面分析林分的經(jīng)營(yíng)管理情況。圖2為所馬尾松樣本的徑階分布圖，428株樣本的胸徑主要分布在12-16cm之間，大徑階和小徑階所占比例小，呈現(xiàn)出正態(tài)形的分布，結(jié)構(gòu)合理，符合自然規(guī)律的分布。依據(jù)黔南馬尾松人工林的胸徑生長(zhǎng)方程，進(jìn)一步得出本研究所選擇的馬尾松年齡分布在7～38a，多數(shù)正處于中齡階段。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與馬尾松生物量生長(zhǎng)方程將研究地馬尾松人工林的林分特征匯總見(jiàn)表3，其林分平均密度為1071株/hm²，平均胸徑和樹(shù)高分別是1 1.9cm和14.6m。林分各器官生物量所占大小順序?yàn)闃?shù)干>樹(shù)根>樹(shù)枝>樹(shù)葉。結(jié)合含碳系數(shù)得到研究地馬尾松人工林樹(shù)干、樹(shù)枝、樹(shù)葉和樹(shù)根的碳密度分別為16.34、2.59、1.98和3.14t/hm²?？傆?jì)24.04 t/hm²。

3.2不同年齡段馬尾松林喬木層碳儲(chǔ)量

根據(jù)以上的林分結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，將0～30a的馬尾松（425株）生長(zhǎng)過(guò)程劃分為3個(gè)年齡階段：幼齡階段（0～10a）9株，中齡階段（10～20a）346株，近熟階段（20～30a）70株。不同年齡階段馬尾松的碳儲(chǔ)量表現(xiàn)出很大的差異（表4），隨著年齡的增長(zhǎng)，馬尾松單木碳儲(chǔ)量逐漸增大，其幼齡階段，中齡階段和近熟階段的平均單木碳儲(chǔ)量依次為5.91kg/株·a、28.10kg，株·a和104.21kg株·a。根據(jù)實(shí)際取樣，馬尾松幼齡階段的碳儲(chǔ)量變異范圍為2.65～9.44kg株·a，中齡階段碳儲(chǔ)量變異范圍為9.44～56.04kg株·a，近熟階段變異范圍為56.04-162.33 kg株·a?？梢?jiàn)馬尾松林喬木層的碳儲(chǔ)量在幼林階段變化較小，隨年齡增長(zhǎng)碳儲(chǔ)量增量越來(lái)越大。同時(shí)不同年齡段各器官之間的碳儲(chǔ)量順序不盡相同，在幼齡階段，其各器官之間的碳儲(chǔ)量順序?yàn)闃?shù)干>樹(shù)葉>樹(shù)枝>樹(shù)根，而在中齡階段和近熟階段則為樹(shù)干>樹(shù)根>樹(shù)枝>樹(shù)葉。

4.討論與結(jié)論

本研究采用生物量相對(duì)方程與樣地調(diào)查數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，以10個(gè)樣地、428株樣本為基礎(chǔ)，研究了湖南省青羊湖國(guó)有林場(chǎng)內(nèi)馬尾松人工林喬木層不同年齡段，不同器官的固碳能力，發(fā)現(xiàn)研究地馬尾松人工林樹(shù)干、樹(shù)枝、樹(shù)葉和樹(shù)根的碳密度分別為16.34、2.59、1.98和3.14t/hm²，總計(jì)24.04 t/hm²。低于湖北省馬尾松天然林喬木層的碳密度（44.82t/hm²），接近全國(guó)馬尾松林的平均碳密度（26.67t/hm²），高于湖南省馬尾松林的平均碳密度（15.81t/hm2）。林分密度與林分生物產(chǎn)量之間有極大聯(lián)系，Yarie在研究阿拉斯加地區(qū)加拿大云杉林的生物量與生產(chǎn)力時(shí)發(fā)現(xiàn)，林分生物量83%的變動(dòng)與林分密度有關(guān)，其它17%與年齡和立地條件相關(guān)。因此不同地區(qū)馬尾松林的碳密度由于林分密度的不同而不盡相同，這也是由于林分密度決定競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度，影響到枝葉的生長(zhǎng)、葉面積大小和光合作用等，進(jìn)而影響到干材的生長(zhǎng)和積累。

不同年齡階段馬尾松的生物量碳儲(chǔ)量表現(xiàn)出很大的差異（表3），1-10a馬尾松碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)變化波動(dòng)較小，10a之后隨年齡增長(zhǎng)呈快速增大趨勢(shì)。張麗云等在研究不同生長(zhǎng)階段馬尾松生產(chǎn)力與氣候因子的關(guān)系時(shí)也發(fā)現(xiàn)，隨著年齡的增長(zhǎng)，馬尾松單木生產(chǎn)力逐漸增大。同時(shí)不同年齡段各器官之間的碳儲(chǔ)量順序不盡相同，在幼齡階段，其各器官之間的碳儲(chǔ)量順序?yàn)闃?shù)干>樹(shù)葉>樹(shù)枝>樹(shù)根，而在中齡階段和近熟階段則為樹(shù)干>樹(shù)根>樹(shù)枝>樹(shù)葉，這種不同可能是由于隨著年齡增長(zhǎng)，樹(shù)根得到充分發(fā)育而造成的。在中林和近熟階段馬尾松碳儲(chǔ)量大小順序與方晰等對(duì)廣西中部丘陵地帶馬尾松林生產(chǎn)力與碳素動(dòng)態(tài)研究時(shí)的發(fā)現(xiàn)一致。

準(zhǔn)確測(cè)定馬尾松的碳儲(chǔ)量是研究馬尾松林分碳匯的基礎(chǔ)，馬尾松作為我國(guó)南方的主要鄉(xiāng)土造林樹(shù)種，在森林碳匯方面具有巨大的潛力和價(jià)值。針對(duì)研究地湖南省青羊湖國(guó)有林場(chǎng)的馬尾松人工林，可通過(guò)科學(xué)的經(jīng)營(yíng)管理措施，調(diào)整林分密度和林分結(jié)構(gòu)，以提高林分的總體生產(chǎn)力。endprint