文章信息
- 胡海清, 孙龙, 国庆喜, 吕新双.
- Hu Haiqing, Sun Long, Guo Qingxi, Lü Xinshuang.
- 大兴安岭1980-1999年乔木燃烧释放碳量研究
- Carbon Emissions from Forest Fires on Main Arbor Species in Daxing'an Mountains in Heilongjiang Province
- 林业科学, 2007, 43(11): 82-88.
- Scientia Silvae Sinicae, 2007, 43(11): 82-88.
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文章历史
- 收稿日期:2007-03-12
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作者相关文章
大气碳平衡研究一直是各国科学研究的重点。影响大气碳平衡的因子既有人为的, 又有自然的。近年来, 由于人类活动和与全球变化相关的极端气候事件的影响, 森林火灾日益加剧, 森林火灾释放的含碳温室气体对全球气候变化的影响越来越引起人们的关注(姜乃准, 1995; Conard et al., 1997; French et al., 2000; Kasischke et al., 2000, Wong, 1979)。中高强度的火灾将导致其森林生态系统中碳的大量释放, 进一步加强全球暖化的程度。黑龙江省大兴安岭林区由于受季风的影响, 一直是我国森林火灾的高发区(胡海清, 1995), 在1980—1999年共20 a的时间内共发生森林火灾496次, 高频率的林火烧毁了大量的森林, 而林火燃烧所释放的大量的含碳温室气体还没有被有效的定量化, 对区域以及全球碳平衡影响的研究一直没有开展。本研究通过对黑龙江省大兴安岭森林火灾时空格局研究的基础上, 测定了大兴安岭主要乔木树种不同部位含碳率数据, 结合样地资料获得了主要乔木树种在20 a间因森林火灾所消耗的生物量, 进而估算了不同乔木树种20 a间因森林火灾释放的碳量, 为开展大兴安岭森林火灾碳平衡研究提供基础数据, 为进一步认识森林火灾在大气碳平衡中的地位提供科学依据。
1 区域概况和方法 1.1 试验地概述黑龙江省大兴安岭林区位于我国最北部(121°12′—127°00′ N; 50°10′—53°33′ E), 面积835万hm2。该区属寒温带季风区, 冬季长达9个月, 夏季最长不超过1个月, 年平均温度为-2~-4 ℃, 年温差较大。年降水量350~500 mm, 集中于暖季7—8月, 可达全年降水最的85%~90%, 相对湿度70%~75%, 积雪期达5个月。土壤主要有棕色针叶林土、暗棕壤、灰色森林土、草甸土、沼泽土和冲积土等。全区山势比较平缓, 海拔300~1 400 m, 河谷宽阔。
大兴安岭林区属于寒带针叶林区, 是横贯欧亚大陆北部的“欧亚针叶林区" 的东西伯利亚明亮针叶林向南延伸的部分。以兴安落叶松(Larix gmelinii)为优势建群种的寒温带针叶林约占该地区森林面积的55%, 是本区域典型的植被类型。除了兴安落叶松以外, 其他乔木树种以樟子松(Pinus sylvestris var.mongolica)、白桦(Betula platyphylla)、黑桦(B. davurica)、蒙古栎(Quercus mongolica)、山杨(Populus davidiana)、偃松(P. pumila)、鱼鳞云杉(Picea jezoensis)、红皮云杉(P. koraiensis)和钻天柳(Chosenia arbutifolia)等为主。
大兴安岭林区是我国森林火灾的高发区, 年均森林过火面积居全国之首, 是火灾危害最严重的地区。
1.2 研究方法 1.2.1 选点及野外采样选择火灾典型分布区塔河林业局为试验地, 分别于2005年5月和10月分2次进行野外调查和样品采集工作。选择主要乔木树种兴安落叶松、白桦、樟子松、山杨、蒙古栎等5个树种作为研究对象, 利用机械布点方法设置20 m×20 m样方20个, 记录样方内树种组成、树高和胸径等指标, 样方具体情况见表 1。根据研究需要在野外采样时, 对每个树种取林分标准木进行采样, 每个采样取3次重复。主要采集枝、叶、皮、干样本, 其中干和皮分别从树干基部、胸径和梢头3个部位分段取样, 枝(带皮)分不同层次从粗枝到细枝分别取样, 叶分不同层次取样, 采集样品野外称取鲜质量, 标记好带回室内分析。
实验样品采用3次粉碎法制样, 样品全碳含量测定采用干烧方法, 应用MultiC/N3000分析仪测定全碳含量, 每次测3个平行样, 测定结果取平均值, 精度为0.01%, 误差为±0.3%。样品含碳率采用全碳量的测定结果与样品绝干状态下质量的比值进行计算。
1.2.3 单位面积生物估算使用相对生长法测定乔木层生物量, 每一林型设置20 m×20 m标准地3个, 在样地内以2 cm为一个径阶进行每木检尺, 计算各树种的胸径和树高分布, 根据已有的寒温带兴安落叶松、白桦、樟子松、山杨、蒙古栎、黑桦等树种的生物量回归方程测定各树种各部位的生物量(周振宝, 2006), 根据调查样地的面积上推至林分水平。
1.2.4 过火林分面积估算应用Arcview3.3软件建立大兴安岭20 a间森林火灾的时空分布图, 并与研究区域植被分布图进行叠加。通过火点分布图与植被图叠加, 建立火灾植被分布图。基于研究区域植被类型的异质性差异, 对于面积小于1×104 hm2的森林火灾假设其火点所在区域即为本次森林火灾燃烧的植被类型; 对过火面积大于1×104 hm2的特大森林火灾, 以每次火灾的起火点为中心做缓冲区(buffer), 使其面积与该火灾发生的面积相等, 数字化缓冲区内各森林类型图层, 在Arc-info中进行拓扑, 计算每次森林火灾燃烧不同森林类型的近似面积(金森, 2002)。
1.2.5 火烧强度的界定关于林火强度的计算, 国外主要以火线强度、火焰长度、火焰高度、可燃物质量以及火蔓延速度等指标进行估算(王岳, 1996), 国内关于森林火灾强度的估计中较为科学合理并且具有实际意义的均来自于火烧迹地的实际调查, 以森林生态系统不同层次在火灾中受到伤害程度的差异判断火烧强度, 这种方法较为准确, 但也仅限于对火后短时间内开展研究。上述估算方法对历史火灾研究显得无能为力, 即使通过大规模林火试验模拟也与现实情况相距甚远。因此本文采用火烧面积的方法确定火烧强度(Frank et al., 1995), 即高强度火灾(大于1 000 hm2)、中强度火灾(100~1 000 hm2)、低强度火灾(1~100 hm2)和森林火警(小于1 hm2), 结合对不同火烧强度的燃烧效率判断, 推算火灾中生物量消耗。
1.2.6 燃烧效率燃烧效率指生物质燃烧掉的部分占总质量的比例, 是估计森林火灾释放含碳气体量的关键, 同时也是一个争议比较大的参数(王效科, 1998)。研究表明大兴安岭林区火灾绝大多数都是地表火, 较少林冠火, 几乎没有地下火(徐化成, 2004), 由于缺少历次火灾的火行为资料, 因此, 本文燃烧效率的估算假设所有林火都是地表火。由于室内和野外的燃烧效率试验的难度大、费用高, 因此, 对于燃烧效率的国内外研究十分有限, 仅有个别报道(Levine et al., 2000; Conard et al., 1997; French et al., 2000; Kasischke et al., 2000; Fearnside, 1990)。本文燃烧效率的确定来自国内关于大兴安岭地区火烧迹地的调查研究(郑焕能, 1994; 徐化成, 2004; 张景忠等, 2001; 洪清林等, 1994; 陈伯贤等, 1987; 詹鸿振等, 1987), 不同强度火烧的乔木各部位燃烧效率:1)重度火烧:叶燃烧效率95.5%~100%, 枝燃烧效率53.7%~100%, 树皮燃烧效率61.2%~100%。2)中度火烧:叶燃烧效率89.5%~95.5%, 枝燃烧效率37.3%~85%, 树皮燃烧效率54.8%~85%。3)轻度火烧:叶燃烧效率64%~89.5%, 枝燃烧效率29.8%~65%, 树皮燃烧效率39.8%~65%。4)森林火警:叶燃烧效率22.5%~32.5%, 枝燃烧效率14.1%~25%, 树皮燃烧效率21.6%~25%。
1.2.7 碳释放估算方法对森林火灾碳释放的估算依据Seiler等(1980)提出的火灾损失生物量估算模型:M = A × B × a, 式中, M为火灾损失生物量(Mg), A为火灾发生面积(hm2), B为某特定生态系统单位面积的地上部分生物量(Mg·hm-2), a为燃烧效率。根据植物的含碳率(Cc), 假设所有被烧掉的生物质中的C都变成气体, 可以计算火灾燃烧造成的碳损失(Mc) :Mc = Cc × M。
2 结果与分析 2.1 各森林类型燃烧面积大兴安岭林区20 a总过火面积为1 705.2×103 hm2, 其中林地过火面积为976.7×103 hm2。各林型面积分别为:兴安落叶松林437 947.34 hm2, 樟子松林20 938.70 hm2, 针阔混交林142 526.95 hm2, 白桦林168 531.57 hm2, 蒙古栎林1 374.97 hm2 (表 2)。
各林型单位面积生物量地上部分最大的为兴安落叶松林, 其次为樟子松林和白桦林, 最小为蒙古栎林。各器官所占比例中, 各树种比例基本一致, 即树干所占比例最大, 树叶比例最小。
根据MultiC/N3000的测定结果, 主要乔木树种各器官含碳率数据如表 4。
从总体上看, 各树种的不同器官的碳素含量表现为干、皮、叶的含量较高, 枝的含量较低。除了樟子松树干含碳率为45.15%, 高于目前国际通用的45%外, 其他各部位含碳率测定值均低于45%。含碳率最低为蒙古栎树皮部分, 仅为38.34%。各树种地上部分含碳率平均数值从大到小依次为兴安落叶松、白桦、樟子松、蒙古栎和山杨。落叶松的抗火能力远远低于山杨, 可能与松树含有较多松脂, 体内碳含量较高有一定关系。种内各器官之间的含碳率变化以白桦最小, 其变动系数为3.14%;以山杨最大, 变动系数为8.01%。不同树种各器官含碳率的高低分布呈现出随机性, 并不依某种规律变化, 完全由各树种自身的特性决定, 但根据树种的形态学特性比较看, 除树枝以外针叶树种各器官的含碳率普遍高于阔叶树种, 树种的平均含碳率的种间比较也是针叶树种高于阔叶树种。
2.4 森林火灾消耗生物量估算根据1、2、7中的公式, 计算黑龙江省大兴安岭各林型乔木不同器官在不同程度的森林火灾中消耗生物量。结果见表 5。
从表 5可以得出大兴安岭林区20 a各类型森林火灾乔木损失生物量为7.31~11.57 Tg。其中, 落叶松林乔木损失4.56~7.15 Tg, 占总损失生物量的62.38%~61.80%;樟子松林乔木损失0.13~0.19 Tg, 占总损失生物量的1.78%~1.64%;针阔混交林中乔木损失0.66~1.14 Tg, 占总损失生物量的9.03%~9.85%;白桦林乔木损失1.96~3.07 Tg, 占总损失生物量的26.81%~26.53%;蒙古栎林乔木损失0.012~0.019 Tg, 占总损失生物量的0.16%~0.16%。重度森林火灾造成的生物量损失为7.25~11.47 Tg, 占总损失生物量的99.18%~99.14%;而中度火灾、轻度火灾和森林火警造成的生物量损失总和为0.06~0.1 Tg, 仅占总损失生物量的0.82%~0.86%。
2.5 森林火灾释放碳量估算根据1、2、7中的公式, 计算黑龙江大兴安岭林区20 a各类型森林火灾乔木释放碳量, 见表 6。
从表 6可以得出大兴安岭林区20 a森林火灾乔木释放碳量为3.04~4.78 Tg。其中落叶松林乔木释放碳量为1.9~2.96 Tg, 占总释放碳量的62.5%~61.92%;樟子松林乔木释放碳量0.051~0.077 Tg, 占总释放碳量的1.68%~1.61%;针阔混交林乔木释放碳量0.27~0.47 Tg, 占总释放碳量的7.94%~9.83%;白桦林乔木释放碳量0.8~1.27 Tg, 占总释放碳量的26.32%~26.57%;蒙古栎林乔木释放碳量0.004 9~0.008 Tg, 占总释放碳量的0.16%~0.17%。由研究结果可见, 各乔木树种中落叶松火灾中释放碳的比例是最高的, 约占总释放的2/3左右, 其他树种共占1/3左右。
3 结论与讨论大兴安岭林区20 a间各林型过火面积分别为:兴安落叶松林437 947.34 hm2, 樟子松林20 938.70 hm2, 针阔混交林142 526.95 hm2, 白桦林168 531.57 hm2, 蒙古栎林1 374.97 hm2。
在碳贮量的估算中, 我国研究者大多采用0.5作为所有森林类型的平均含碳率(Fang et al., 2001; 方精云, 2000; 贺庆棠, 1993; 马钦彦等, 1996; 刘国华等, 2000), 也有采用0.45作为平均含碳率的(周玉荣等, 2000; 赵士洞等, 2000; 王效科, 2001), 而对森林群落组成树种的含碳率的直接测定仅见几例报道, 如阮宏华等(1997)对苏南丘陵主要森林类型碳循环中测定栎树(Q. mongolia)、杉木(Cunninghamia laceolata)和湿地松(P. elliottii)的碳含量分别为49.9%、51%和54.5%;马钦彦等(2002)研究表明华北主要森林类型建群种辽东栎(Q. liaotungensis)、白桦、山杨、华北落叶松(L. principis-rupprechtii)、油松(P. tabulaeformis)、红皮云杉、椴树(Tilia sp)的含碳率分别为47.5%、51.2%、48.8%、51.5%、51.1%、51.2%和47.3%。本文对大兴安岭主要乔木树种的不同部位进行含碳率的测定和研究, 有效地补充了我国北方树种含碳率的研究空白。结果表明; 虽然同为白桦树种, 但马钦彦等(2002)的研究结果(51.2%)明显高于本文研究结果(42.01%), 而且相差较大。说明同一树种随分布区域的差异含碳率空间变化明显, 直接利用以往的研究结果而不采取室内试验的方法将会在尺度上推过程中产生较大误差。本研究得出, 各器官中含碳率最高均为各树种树干部分, 最低除了蒙古栎为树皮外, 其它树种均为树枝部分, 含碳率最低为蒙古栎树皮部分, 仅为0.383 4。各树种地上部分含碳率平均数值从大到小依次为兴安落叶松、白桦、樟子松和蒙古栎, 均低于目前国际通用的0.45。
大兴安岭林区20 a各类型森林火灾乔木损失生物量为7.31~11.57 Tg。其中, 落叶松林乔木损失量占总损失生物量的61.80%~62.38%;其次为白桦林, 占总损失生物量的26.53%~26.81%;火灾生物量消耗最小的为蒙古栎林, 仅占总损失生物量的0.164 1%~0.164 2%。针阔混交林和樟子松林居中, 分别占总损失生物量的9.03%~9.85%和1.64%~1.78%。不同类型的森林火灾造成的生物量损失的差异明显。重度森林火灾造成的生物量损失为7.25~11.47 Tg, 占总损失生物量的99.18%~99.14%;而中度火灾、轻度火灾和森林火警造成的生物量损失总和为0.06~0.10 Tg, 仅占总损失生物量的0.82%~0.86%。
燃烧效率对于准确估算森林火灾的碳释放也有着重要的意义, 燃烧效率受火灾强度、火灾类型、植被类型以及气候条件等因素影响(Aulair et al., 1993)。目前比较可靠的燃烧效率的实际调查资料很少。不同的生态系统燃烧效率存在很大的差异(Levine et al., 2000), 热带(或亚热带)稀树大草原(savanna)的地上物质燃烧效率最高, 大约为0.8~1, 而赤道或北方针叶林的燃烧效率较低, 大约为0.2~0.3。Fearnside (1990)在巴西热带雨林的调查发现, 树干、枝、叶的燃烧效率分别为39%、92%和100%。本文根据以往火灾发生后实际的调查研究结果, 结合不同强度林火后林木损毁情况, 确定不同强度火灾的树木不同部位的燃烧效率数据, 与以往相关研究也比较接近。
大兴安岭林区20 a森林火灾乔木释放碳量为3.04~4.78 Tg, 平均每年释放碳量为1.52~2.39 Tg, 占全国森林火灾释放碳量(田晓瑞等, 2003)的7.51%~11.81%。各乔木树种中落叶松火灾中释放碳的比例是最高的, 约占总释放的2/3左右; 其次为白桦, 占总释放的1/4左右; 其他树种释放较少, 共占1/12左右。
本文仅研究了森林火灾中乔木生物量的碳释放, 对于灌木、草本和地被物生物量的碳释放没有涉及, 因为二者在研究过程中采样、分析以及燃烧效率的计算均存在不同, 需要进一步开展相关研究, 以获得生态系统水平的碳释放研究。另外, 为正确理解森林火灾对全球碳平衡影响的研究, 需要进一步开展火后生态系统固碳恢复的机理研究。
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