馮源，朱建華*，肖文發(fā)，皇寶林，畢艷玲，溫慶忠，鄧喜慶

干擾及林齡影響下迪慶州云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量動態(tài)

馮源1,2，朱建華1,2*，肖文發(fā)1,2，皇寶林3，畢艷玲3，溫慶忠3，鄧喜慶3

1. 中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所//國家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100091；
2. 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 2100373；3. 云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，云南 昆明 650051

老齡林是重要的森林碳庫，研究老齡林碳儲量長期變化對評價老齡林碳源和碳匯功能和量化區(qū)域尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)具有重要的意義?；谠颇鲜〉蠎c自治州森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)、樣地?cái)?shù)據(jù)和迪慶州造林、采伐、災(zāi)害等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，運(yùn)用林業(yè)碳收支模型（CBM-CFS3）模擬并預(yù)測了2005—2020年云南省迪慶州區(qū)域尺度云杉（Picea likiangensis）老齡林（過熟林）的生物量、死亡有機(jī)質(zhì)（包括枯落物、枯死木和土壤有機(jī)碳）以及生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其動態(tài)變化。結(jié)果表明，干擾情景下，2005—2020年迪慶州云杉老齡林的生物量、死亡有機(jī)質(zhì)和生態(tài)系統(tǒng)碳儲量范圍分別為3.98～4.73 Tg、5.41～7.28 Tg和9.44～12.01 Tg，且均呈逐漸增長趨勢。模擬期間，云杉老齡林的生物量碳密度和生態(tài)系統(tǒng)碳密度均呈減少趨勢，其中生物量碳密度平均值為106.40 Mg?hm-2，生態(tài)系統(tǒng)碳密度平均值為255.56 Mg?hm-2；死亡有機(jī)質(zhì)碳庫碳密度呈增加趨勢，平均值為149.16 Mg?hm-2。研究結(jié)果顯示，迪慶州云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量動態(tài)受林分生長、成熟林為過熟林和干擾三方面影響；其中自然生長導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)碳儲量增加0.51 Tg，成熟林進(jìn)階導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)碳儲量增加2.75 Tg，而采伐干擾造成生態(tài)系統(tǒng)碳儲量損失1.14 Tg。建議未來森林經(jīng)營中將老齡林每年采伐總面積控制在1.9×103hm2?a-1以內(nèi)，以保證老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量趨于穩(wěn)定，避免老齡林轉(zhuǎn)變?yōu)樘荚础?/p>

林齡；人為干擾；固碳；森林經(jīng)營

老齡林地上生物量與地下生物量碳儲量極高（Suchanek et al.，2004），是森林生態(tài)系統(tǒng)重要的碳庫組分，也是木材產(chǎn)品的主要來源（Carey et al.，2001）。近期研究表明，老齡林是全球生態(tài)系統(tǒng)中重要的碳匯（Luyssaert et al.，2008），其生物量和土壤有機(jī)質(zhì)碳儲量都可能增加（Tan et al.，2011；Wharton et al.，2016；Zhou et al.，2006），而另外一些研究則表明老齡林固碳能力下降（Taylor et al.，2014）。因此，老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量動態(tài)仍然具有不確定性，研究老齡林生態(tài)系統(tǒng)長期碳儲量動態(tài)對于估算區(qū)域尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳收支、評價森林清除溫室氣體和減緩氣候變化的作用具有極重要的意義（Dai et al.，2013；Ford et al.，2017）。

目前在區(qū)域尺度開展老齡林長期碳儲量變化研究存在兩個難點(diǎn)：第一，已有研究通常將老齡林視為靜止對象，并未考慮中長期研究過程中老齡林的位置和面積均可能發(fā)生變化；第二，由于區(qū)域尺度上森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量動態(tài)受到干擾影響的情況非常普遍（Pregitzer et al.，2004；Seedre et al.，2015），因此研究長期老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)時，不僅需要考慮老齡林位置和面積的變化，還需要考慮干擾對老齡林碳儲量的影響。已有研究中通量觀測技術(shù)多用于評價老齡林一年或多年間生態(tài)系統(tǒng)凈碳交換量，卻不能將干擾和林分生長對老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)的影響區(qū)分開來，更不能預(yù)測未來老齡林碳儲量變化趨勢。本文以云南省迪慶州云杉林（Picea likiangensis）老齡林作為研究對象，基于森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)、森林干擾數(shù)據(jù)和加拿大林業(yè)碳收支模型（CBM-CFS3）模擬和預(yù)估2005—2020年老齡林碳動態(tài)。研究目的在于探索老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量長期變化規(guī)律以及區(qū)分生長和干擾兩個因素分別對老齡林碳儲量的影響，對評價老齡林碳源和碳匯功能和區(qū)域尺度森林碳循環(huán)具有重要意義，有助于提出合理的生態(tài)系統(tǒng)碳管理決策并為森林可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

云南省迪慶藏族自治州（98°35′～100°19′E，26°52′～29°16′N）位于滇、川、藏三省區(qū)交匯處的橫斷山脈腹地，總面積為2.39×104km2。境內(nèi)地勢北高南低，垂直氣候和立體生態(tài)環(huán)境特征明顯。年平均氣溫4.7～16.5 ℃，年極端最高氣溫25.1 ℃，最低氣溫-27.4 ℃；年日照平均時數(shù)為 1740～2190 h；年降雨量600～1000 mm。境內(nèi)水熱差異顯著，根據(jù)熱量的水平分布，迪慶州大部分地區(qū)位于溫帶—寒溫帶氣候區(qū)，少部區(qū)域處于北亞熱帶氣候區(qū)。云南省森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，2005年迪慶州林業(yè)用地面積為1.62×106hm2，森林覆蓋率高達(dá)73.9%，是云南省森林植被類型最豐富的區(qū)域之一；其中云杉林面積為1.55×105hm2，占迪慶州森林總面積10.4%，是迪慶州主要森林類型之一（圖1）。迪慶州云杉林的特點(diǎn)是以成、過熟林為主，且二者起源均為天然林。其中過熟林面積為3.66×104hm2，占云杉林總面積的 23.6%，它對云杉林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)甚至是區(qū)域植被生態(tài)系統(tǒng)碳收支都有重要影響。本研究將迪慶州云杉過熟林（林齡＞120 a）視為老齡林（Seedre et al.，2015；Soloway et al.，2017），林分特征如表1所示。

圖1 2005年迪慶州云杉及其老齡林分布圖Fig. 1 Distribution of spruce forests and its old-growth forest of Diqing in 2005

表1 迪慶州云杉老齡林特征Table 1 Description of old-growth spruce forest in Diqing

1.2 CBM-CFS3模型介紹

加拿大林務(wù)局開發(fā)的碳收支模型（Operationalscale carbon budget model of the Canadian Forest Sector，CBM-CFS3）是加拿大國家森林碳監(jiān)測、計(jì)量和報(bào)告系統(tǒng)（NFCMARS）的核心模塊（Kurz et al.，2009；Kull et al.，20142-3）。CBM-CFS3 模型采用“清單+變化法”估算森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量動態(tài)，在考慮自然和人為干擾影響下評估林分尺度到國家尺度的森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量變化。該模型是政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）推薦使用的碳計(jì)量模型，已被意大利（Pilli et al.，2013）、韓國（Kim et al.，2016）和墨西哥（Mascorro et al.，2016）等多個國家廣泛應(yīng)用于森林碳儲量動態(tài)研究和森林管理決策，同時在中國云南（馮源，2014）、遼寧（甄偉等，2014）和河北（張濱等，2016）等地區(qū)也得到了初步應(yīng)用。

CBM-CFS3模型的輸入數(shù)據(jù)包括森林面積、優(yōu)勢樹種、林齡、土壤類型、蓄積生長曲線以及干擾數(shù)據(jù)等；輸出數(shù)據(jù)包含各碳庫儲量年變化、生態(tài)系統(tǒng)總體碳儲量動態(tài)等結(jié)果。CBM-CFS3把生態(tài)系統(tǒng)分為生物量碳庫及死亡有機(jī)質(zhì)（DOM）碳庫兩大系統(tǒng)，生物量碳庫包含地上生物量和地下生物量碳庫；DOM 碳庫包含枯落物、死木和土壤有機(jī)質(zhì) 3個碳庫（Kull et al.，2014）2-3。

1.3 輸入數(shù)據(jù)及參數(shù)本地化

森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查（簡稱“二類調(diào)查”）是驅(qū)動 CBM-CFS3運(yùn)行的主要數(shù)據(jù)源。云南省每10年開展1次二類調(diào)查，最近一次于2017年初結(jié)束，因目前未能獲得最新成果，故仍以 2005年二類調(diào)查數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)源。

將云杉老齡林的小班面積、林齡、蓄積、林木株數(shù)、起源、所處氣候帶以及云杉蓄積生長方程作為CBM-CFS3模型輸入數(shù)據(jù)。CBM-CFS3模型提供約200個樹種（或森林類型）的生物量估算參數(shù)，同時允許用戶結(jié)合研究區(qū)域修改默認(rèn)參數(shù)。本研究根據(jù)迪慶地區(qū)云杉老齡林特征對模型參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，其中蓄積生長方程來自馮源（2014）對云南省云杉長期林分蓄積生長的擬合結(jié)果；云杉生物量參數(shù)主要來源于中華人民共和國林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“立木生物量模型及碳計(jì)量參數(shù)——云杉（LY/T 2655—2016）”（國家林業(yè)局，2017）。根據(jù)模型的內(nèi)置算法估算出模擬中使用的參數(shù)，其過程參照Boudewyn et al.（2007）2-37算法，估算出樹干和地上生物量，再通過樹枝、樹葉等組分所占比例估算出各組分生物量參數(shù)（表2）。根據(jù) Li et al.（2003）和 Smyth et al.（2010）3-7所提供的算法結(jié)合周濤等（2010）、黃錦學(xué)等（2010）對中國針葉林的評估（表 3），分別估算出地下生物量碳儲量以及生物量周轉(zhuǎn)比例，模型估算土壤碳庫深度為1 m。由于云杉天然林灌木層及草木層（或下木層）生物量之和僅占云杉天然林生態(tài)系統(tǒng)的0.77%～2.5%（王金葉等，2000；馬明東等，2007），因此不考慮灌木和草本碳儲量動態(tài)。

1.4 干擾情景設(shè)置及研究對象的動態(tài)性

CBM-CFS3的優(yōu)點(diǎn)在于可清楚地模擬干擾影響下森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的年際動態(tài)。此處干擾指自然及人為干預(yù)對森林固碳能力的擾動，包括火災(zāi)、病蟲害等自然干擾，以及造林、采伐和毀林等經(jīng)營措施。CBM-CFS3模型采用轉(zhuǎn)移矩陣描述不同干擾類型影響下森林生態(tài)系統(tǒng)各碳庫碳儲量的轉(zhuǎn)移方向及轉(zhuǎn)移量（Kull et al.，2014）154。

森林干擾信息通過收集林地征占用項(xiàng)目、人工造林、森林火災(zāi)、病蟲害與森林采伐等統(tǒng)計(jì)資料獲得。由于森林干擾統(tǒng)計(jì)資料收集難度較大，本文通過迪慶州林業(yè)局僅得到 2005—2010年間森林干擾數(shù)據(jù)。通過提取云杉老齡林所受干擾面積、強(qiáng)度、發(fā)生位置及持續(xù)時間等信息可知，迪慶州云杉老齡林僅受到采伐干擾，主要為采伐強(qiáng)度為30%以下的疏伐，沒有受到火災(zāi)、病蟲害、毀林及其他人為干擾影響。2005年迪慶云杉老齡林的采伐面積最大（1.27×104hm2），隨后采伐面積逐漸下降，2005—2010年累積采伐面積為3.62×104hm2（圖2）。

表3 CBM-CFS3模型生物量周轉(zhuǎn)及分解參數(shù)Table 3 Parameters of biomass turnover and decomposition of CBM-CFS3 model

1.4.1 干擾情景設(shè)置

為量化 2005—2020年林齡效應(yīng)及干擾對迪慶州云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響，設(shè)置兩種情景：（1）完全無干擾情景（ND），即假設(shè)2005—2020年迪慶州云杉林未受到任何干擾；（2）未來干擾情景（BS），假設(shè)2011—2020年間迪慶州云杉林所受干擾類型和強(qiáng)度是 2005—2010年歷史干擾水平的循環(huán)。本文將BS情景視為未來迪慶州云杉林最可能實(shí)現(xiàn)的情景，ND情景則代表云杉老齡林的理想狀態(tài)。根據(jù)兩種情景對迪慶州云杉林進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，并假設(shè)干擾后森林類型不變。

表2 CBM-CFS3模型生物量估算參數(shù)修改Table 2 Modified biomass estimating parameters in CBM-CFS3 model

圖2 2005—2020年BS情景的干擾面積Fig. 2 Disturbance area of BS scenario from 2005 to 2020

1.4.2 研究對象的動態(tài)性

由于模擬時間（共 16年）長于云杉齡級期限（本文設(shè)置為5年），隨著林齡不斷增大，成熟林將不斷轉(zhuǎn)化為老齡林，即云杉老齡林的面積和范圍隨時間動態(tài)可變。因此，需要考慮研究期間進(jìn)階為老齡林的成熟林。本文將模擬開始時（2005年）齡級在 25及其以上的過熟林視為老齡林（命名為“25齡級”），而在2010年、2015年以及2020年時，齡級為24、23和22的成熟林逐個進(jìn)階為老齡林；即2005—2020年間共有3個齡級的成熟林轉(zhuǎn)化為老齡林，分別命名為“24齡級”、“23齡級”和“22齡級”。由于采伐強(qiáng)度小，假設(shè)采伐后的林分仍為老齡林（Burton et al.，1999），即模擬期間老齡林面積由于成熟林進(jìn)階而持續(xù)增加，并且不受干擾影響而減少。迪慶州云杉老齡林面積在 2005年、2010年、2015 年和 2020 年分別為 3.66×104、4.31×104、4.33×104和 4.84×104hm2（圖 3）。

圖3 2005—2020年迪慶州云杉老齡林面積Fig. 3 Area of old-growth spruce forest in Diqiang from 2005 to 2020

2 結(jié)果與分析

2.1 迪慶州云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量動態(tài)

圖4 2005—2020年BS情景下迪慶州云杉老齡林碳動態(tài)Fig. 4 Carbon dynamics of old-growth spruce forest in Diqing under BS scenario from 2005 to 2020（a）地上生物量 Above-ground biomass；（b）地下生物量 Below-ground biomass；（c）死亡有機(jī)質(zhì)DOM；（d）生態(tài)系統(tǒng) Ecosystem

BS情景下迪慶州云杉老齡林生物量及所有子碳庫的碳儲量變化趨勢相同。連續(xù)采伐使得生物量碳儲量在2005—2009年下降，2009年降到最低。24齡級在2010年進(jìn)階，引起碳儲量顯著增加并在2015年前保持穩(wěn)定。而在干擾影響下，生物量碳儲量在2016—2019年再次下降，最后在2020年由于22齡級進(jìn)階而達(dá)到最大值（圖 4）。云杉老齡林生物量碳儲量（以C計(jì)）變化范圍為3.98～4.73 Tg，其中樹干碳庫碳儲量最大，其次為樹枝碳庫，而樹葉最小，三者碳儲量范圍分別為 2.52～2.97、0.63～0.76和0.11～0.14 Tg；地上生物量碳儲量范圍為 3.26～3.87 Tg；地下生物量碳儲量范圍為0.72～0.86 Tg。粗根碳儲量遠(yuǎn)大于細(xì)根，二者碳儲量范圍分別為0.65～0.76 Tg和0.08～0.10 Tg。模擬期間，樹干和粗根的碳儲量波動最大，其他碳庫變化相對較小。DOM碳儲量范圍為5.41～7.28 Tg，其中土壤有機(jī)質(zhì)碳庫的碳儲量最大，其次為枯落物，而死木碳儲量最小，三者碳儲量范圍分別為3.10～4.16、1.44～1.93 和 0.87～1.19 Tg。模擬期間，DOM及3個子碳庫的碳儲量均呈逐漸增加趨勢，即2005年碳儲量最小，2010年顯著增加并在2020年達(dá)到最大值（圖 4）。生態(tài)系統(tǒng)由生物量碳庫及DOM碳庫組成，生態(tài)系統(tǒng)碳儲量范圍為9.44～12.01 Tg，其變化趨勢與生物量相同（圖5）。ND情景下云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量在模擬期間逐漸增加，范圍為9.62～13.15 Tg，并始終大于BS情景下云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量（圖6）。

圖5 BS情景下云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量Fig. 5 Carbon stock of old-growth spruce forest ecosystem under BS scenario

2.2 生長及采伐干擾對迪慶州云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響

圖6 ND及BS情景下云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量Fig. 6 Carbon stock of old-growth spruce forest ecosystem of ND and BS scenarios

迪慶州云杉老齡林的生長包含兩方面：（1）成熟林不斷進(jìn)階引起老齡林碳儲量增加；（2）各齡級老齡林自然生長而增加的碳儲量。前者由模擬結(jié)束時進(jìn)階成熟林的碳儲量來表示。在2020年，BS情景由于24齡級、23齡級和22齡級進(jìn)階共造成老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量凈增2.75 Tg，在ND情景中為3.09 Tg（表4）。而老齡林自然生長則體現(xiàn)于模擬期間 ND情景下各齡級的碳儲量逐漸增加，其中 25齡級和24齡級的碳儲量增加最為明顯，分別從9.62 Tg和1.64 Tg增加到10.07 Tg和1.70 Tg，說明在沒有干擾影響下，25～23齡級由于生長而增加的碳儲量共計(jì)0.51 Tg，而22齡級在2020年才進(jìn)階，還未有生長。

干擾效應(yīng)表現(xiàn)為采伐使各齡級碳儲量減少。模擬期間，BS情景下所有齡級碳儲量均減小，其中25齡級和24齡級的碳儲量分別從9.56 Tg和1.60 Tg減小到9.26 Tg和1.57 Tg，說明干擾造成的各齡級碳損失大于生長引起的碳增長量。與ND情景相比，干擾造成BS情景下云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量減少1.14 Tg（表4）。

2.3 迪慶州云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳密度動態(tài)

BS情景下2005—2020年迪慶州云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳密度平均值為255.56 Mg?hm-2（表5），生物量平均碳密度為106.40 Mg?hm-2，DOM平均碳密度為149.16 Mg?hm-2；其中土壤有機(jī)質(zhì)碳密度最大（85.03 Mg?hm-2），其次為樹干碳庫（67.26 Mg?hm-2）。模擬期間，云杉老齡林生物量所有碳庫的碳密度呈減小趨勢，其中樹干、樹枝和粗根碳密度降低幅度較大，而樹葉和細(xì)根碳密度降低幅度較??；相比之下，DOM 碳庫中枯落物和土壤碳密度均逐漸增大；而死木碳密度先增加，隨后在 2011—2015年稍有下降，但在整個模擬期呈增大趨勢。由于DOM碳密度增加量小于生物量碳密度的減少量，因此老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳密度逐漸減小。ND情景下，2005—2020年云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)平均碳密度為267.46 Mg?hm-2，所有碳庫的碳密度均逐漸增加，并且生物量所有碳庫的碳密度均大于BS情景，而所有DOM碳庫的碳密度則略小于BS情景。

表4 生長及干擾對云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的影響Table 4 Impacts of forest growth and disturbance on old-growth spruce forest ecosystem Tg (by C)

表5 2005—2020年云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳密度*Table 5 Carbon density of old-growth spruce forest ecosystem from 2005 to 2020 Mg?hm-2

3 討論

由于缺乏迪慶地區(qū)云杉老齡林碳儲量數(shù)據(jù)，本研究結(jié)果只能與周邊地區(qū)云杉老齡林（過熟林）研究結(jié)果進(jìn)行對比（表 6）。2005年迪慶州云杉老齡林生物量碳密度（106.40 Mg?hm-2）大于李虎等（2008）、任德智等（2016）和王金葉等（2000）報(bào)道的云杉過熟林生物量碳密度（83.93～97.13 Mg?hm-2，），而小于彭守璋等（2011）和葛立雯（2013）等估算的祁連山北坡和西藏林芝地區(qū)過熟林生物量碳密度（117.10～144.52 Mg?hm-2）。碳密度差異與數(shù)據(jù)來源、研究方法、生物量估算參數(shù)、林分特征、立地環(huán)境（如土壤類型）和研究尺度等因素具有密切關(guān)系。前人研究多采用樣地調(diào)查與異速生長方程或生物量轉(zhuǎn)換因子相結(jié)合的方法（葛立雯等，2013；任德智等，2016），研究范圍為景觀尺度，而本文則采用碳收支模型研究行政區(qū)內(nèi)的云杉老齡林總體變化；在生物量估算參數(shù)方面，葛立雯等（2013）和任智德等（2016）分別以0.521、0.507作為云杉含碳率，而CBM-CFS3模型則以0.5作為含碳率參數(shù)。另外，不同地區(qū)對于云杉林齡劃分標(biāo)準(zhǔn)不同，如彭守璋（2011）將祁連山地區(qū)青海云杉（Picea crassifolia Kom.）過熟林定義為林齡大于181 a的林分，而迪慶州云杉過熟林林齡主要在121～130 a之間，平均林齡遠(yuǎn)小于180 a。研究對象和研究方法的不同是造成結(jié)果差異的主要原因。

表6 云杉老齡林生物量碳密度對比Table 6 Comparison of biomass carbon density of old-growth spruce Mg?hm-2

迪慶州云杉老齡林土壤碳密度在BS和ND兩種情景下基本相同，而且模擬期間兩種情景下土壤碳密度增加幅度相同（0.51 Mg?hm-2）。據(jù)此推斷，BS情景下土壤碳密度略高于ND情景是由于歷史干擾不同而造成初始化結(jié)果稍有差異。研究期內(nèi)，兩種情景的土壤碳密度增加均來源于進(jìn)階成熟林，而采伐對老齡林土壤碳密度沒有顯著影響。這與Nave et al.（2010）得出的土壤總碳儲量的變化與采伐沒有顯著關(guān)系的結(jié)論相吻合，而與短期內(nèi)疏伐可增加土壤有機(jī)質(zhì)碳儲量（李云紅等，2009；Christophel et al.，2013）或采伐后土壤碳儲量降低（Kaarakka et al.，2016；Mushinski et al.，2017）的結(jié)論不同。采伐對森林土壤碳儲量的影響與采伐方式、剩余物處理、立地特征及土壤類型有關(guān)，目前仍是研究熱點(diǎn)之一，未來仍需對該方面開展深入研究。

2005—2020年云杉老齡林通過自然生長，生態(tài)系統(tǒng)碳儲量增加0.51 Tg，而且所有碳庫的碳儲量均逐漸增加。這與 Seedre et al.（2015）和任德智等（2016）結(jié)論吻合：即使云杉林齡已經(jīng)達(dá)到過熟林，其碳密度仍隨著林齡增大而增大，彭守璋等（2011）進(jìn)一步指出云杉生物量在 183年時達(dá)到最大值，因此，迪慶州云杉老齡林仍具有良好的固碳潛力。迪慶州云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)受林分生長、老齡林面積變化以及采伐干擾三方面影響。盡管林分生長量小于采伐干擾的碳損失（1.14 Tg），但模擬期間成熟林進(jìn)階引起的碳儲量增加（2.75 Tg）彌補(bǔ)了干擾損失量，使得區(qū)域尺度老齡林碳儲量有所增加。

如果不考慮模擬期間研究對象的動態(tài)性，那么25齡級的碳儲量變化即為迪慶州云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲量動態(tài)。在2005—2020年云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量將從9.56 Tg減小到9.26 Tg（圖4），即歷史干擾水平將導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)碳儲量持續(xù)減少，增加云杉老齡林成為碳源的風(fēng)險。因此，未來對森林經(jīng)營進(jìn)行合理規(guī)劃、實(shí)施科學(xué)的碳管理策略是十分必要的。假設(shè)采伐僅影響干擾當(dāng)年的生態(tài)系統(tǒng)碳儲量，參考2007—2016年25齡級老齡林碳儲量近于穩(wěn)定的情況，在未來干擾類型和干擾強(qiáng)度不變情況下，將老齡林每年采伐面積控制在 1.9×103hm2?a-1以內(nèi)，可保證云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量趨于穩(wěn)定。

隨著模擬時間的增長，老齡林分布和面積始終是動態(tài)變化的，這是中長期老齡林碳動態(tài)模擬的一項(xiàng)挑戰(zhàn)。區(qū)分林齡生長和采伐干擾對老齡林碳儲量動態(tài)的影響是本研究的重要創(chuàng)新點(diǎn)。本文通過假設(shè)未來迪慶州云杉林整體干擾強(qiáng)度不變，預(yù)測出2012—2020年迪慶州云杉老齡林碳儲量動態(tài)，但該情景假設(shè)具有兩處不確定性：（1）BS情景是建立在采伐后土地利用類型不變的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此可能高估了采伐后的林齡，繼而高估了老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量；（2）近些年來隨著天然林保護(hù)力度加大，嚴(yán)格的采伐限額和禁伐措施使得云杉老齡林更少受到采伐影響，因此模擬結(jié)果可能高估了采伐對未來云杉老齡林碳儲量的影響。

CBM-CFS3模型不能反映短期內(nèi)氣候因子變化對森林生產(chǎn)力的影響，因此該模型尚不能有效反映2010年和2015年迪慶州氣象干旱對云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)的影響。氣候因子變化可影響森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力（石兆勇等，2017），因此未來需要改進(jìn)該模型對氣候變化影響的估算，并且需圍繞不同采伐類型、氣候變化或自然災(zāi)害等干擾，假設(shè)更為合理的情景對老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)進(jìn)行深入研究。

4 結(jié)論

考慮了林齡和干擾對老齡林的影響，利用二類調(diào)查數(shù)據(jù)和 CBM-CFS3模型預(yù)估未來迪慶州云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)。結(jié)果表明，2005—2020年迪慶州云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)與生物量碳庫的碳儲量變化趨勢相同，表現(xiàn)為先降低后增加再降低，而二者碳密度均表現(xiàn)為減小趨勢；DOM 碳儲量及碳密度均為增加趨勢。模擬期間樹木生長導(dǎo)致云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量（以C計(jì)）增加0.51 Tg，同時成熟林進(jìn)階導(dǎo)致碳儲量增加2.75 Tg，大于干擾引起的碳儲量降低量（1.14 Tg），表明迪慶州云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳動態(tài)受林分生長、老齡林面積變化以及采伐干擾三方面影響。未來將老齡林每年采伐面積控制在1.9×103hm2?a-1以內(nèi)，可保證云杉老齡林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量趨于穩(wěn)定。

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Abstract: Old-growth forest is an essential carbon pool in forest ecosystem. To understand the function of old forest as a carbon sink or source, it is necessary to quantify the long-term carbon dynamics in old-growth forest ecosystem on regional scale. Supported by local forest inventory data, field measurement data, statistics data on afforestation, reforestation, harvesting and disturbances (forest fire and other damages) from Diqing Tibetan Autonomous Prefecture, we used a forest carbon budget model (CBM-CFS3) to simulate and project the carbon dynamics affected by disturbance scenarios in the old-growth spruce (Picea likiangensis) forest in Diqing from 2005 to 2020. The results showed that the carbon stocks increased from 3.98 to 4.73 Tg(by C) in biomass, from 5.41 to 7.28 Tg in dead organic matter (DOM, which include litter, dead wood and soil organic carbon), and from 9.44 to 12.01 Tg in total ecosystem from 2005 to 2020. The average carbon density in biomass and total ecosystem tended to decrease, which averaging as 106.40 Mg?hm-2and 255.56 Mg?hm-2during the period, respectively. But the carbon density in DOM, averaged as 149.16 Mg?hm-2,tended to increase during the simulation period. Our simulation result also showed that carbon dynamics of old-growth spruce forest was obviously influenced by three factors: stand growth, mature-forest moved forward and harvesting disturbance. Positive effects including mature-forest moving forward (totally 2.75 Tg) and forest ageing (totally 0.51 Tg) increased the carbon stock of old-growth forest ecosystem. Harvesting, in contrast, had a negative effect and reduced carbon stock by 1.14 Tg during the period. If the disturbed area could be controlled as smaller than 1.9×103hm2?a-1in the future forest management practices, it would effectively prevent the old-growth spruce forest ecosystem in Diqing from being a net carbon source.

Key words: forest age; anthropogenic disturbance; carbon sequestration; forest management

Disturbances and Ageing Affected Carbon Dynamics in Old-growth Spruce Forest in Diqing Prefecture

FENG Yuan1,2, ZHU Jianhua1,2*, XIAO Wenfa1,2, HUANG Baolin3, BI Yanling3,WEN Qingzhong3, DENG Xiqing3

1. Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry//State Forestry Administration Key Laboratory of Forest Ecology and Environment, Beijing 100091, China;2. Co-innovation Center for sustainable Forestry in Southern China, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China;3. Yunnan Forest Inventory and Planning Institute, Kunming 65051, China

10.16258/j.cnki.1674-5906.2017.09.002

S718.5; X173

A

1674-5906（2017）09-1465-08

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國家林業(yè)局948項(xiàng)目（2012-4-78）；中國清潔發(fā)展機(jī)制基金贈款項(xiàng)目（20130105）

馮源（1990年生），女，博士研究生，研究方向?yàn)樯鷳B(tài)系統(tǒng)管理及其服務(wù)功能變化。E-mail: flyh0901@163.com*通信作者：朱建華（1975年生），男，副研究員，博士，研究方向?yàn)闅夂蜃兓c森林生態(tài)系統(tǒng)管理。E-mail: zhucool@caf.ac.cn

2017-07-20