文章信息
- 王云霓, 曹恭祥, 王彦辉, 熊伟, 于澎涛, 徐丽宏
- Wang Yunni, Cao Gongxiang, Wang Yanhui, Xiong Wei, Yu Pengtao, Xu Lihong
- 宁夏六盘山华北落叶松人工林植被碳密度特征
- Characteristics of Biomass Carbon Density of Larix principis- rupprechtii Plantation in Liupan Mountains of Ningxia
- 林业科学, 2015, 51(10): 10-16
- Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(10): 10-16.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20151002
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文章历史
- 收稿日期:2014-09-30
- 修回日期:2015-09-10
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作者相关文章
为治理黄土高原等干旱地区的严重水土流失,我国先后启动了“三北防护林建设”、“退耕还林”等生态工程,努力恢复森林覆盖;同时随着对森林碳汇作用认识不断提高,开始把碳汇作为林业发展的重要目标,并将这些地区作为未来扩大我国森林覆盖率的关键造林区域(代军等,2003),其碳汇贡献会越来越大(张景群等,2009)。但是,在水分条件空间差异很大、经营利用等人为干扰很强的北方干旱地区,人工林碳密度明显受到立地条件(Lal,2005;张国斌等,2008;Hui et al., 2012)、林分结构(Hui et al., 2012)、经营措施(成向荣等,2012;漆良华等,2009; Bradford,2011)、火灾(Hurteau et al., 2011; Ivanova et al., 2011)、气候条件(Lal,2005)等众多因素的影响,其中气候和立地条件难以改变和调控,而合理经营改变林分结构是可行的森林碳汇调控措施。为实现包括碳汇功能的森林多功能经营,很有必要研究和理解林分结构等因素对碳汇功能的影响。
碳密度是常用的森林碳汇功能评价指标,国内已有较多的森林碳密度的林龄变化(马炜等,2010;刘迎春等,2011)和空间分布的研究,如西藏林芝(葛立雯等,2013)和吉林省(王新闯等,2011)的主要森林、湖南的杉木(Cunninghamia lanceolata)林(李斌等,2013)、菏泽的杨树(Populus)人工林(刘诗琦等,2013)等。这些研究涉及的空间尺度较大,且多为静态,还难以区分林分结构指标等不同因素的影响。
宁夏六盘山自然保护区是泾河等多条河流的发源地,也是西北森林的主要分布区,其森林覆盖率高达72.8%,人工林占森林总面积的31.3%,其中90%为华北落叶松(Larix principis-rupprechtii)林,发挥着重要的木材生产、涵养水源和水土保持等功能。目前六盘山华北落叶松林的碳汇研究还局限在土壤有机碳含量(刘延惠等,2012;吴建国等,2002)和碳密度器官分配上(刘延惠,2011),尚未综合分析碳密度变化特征。因此,本研究利用六盘山区华北落叶松林的调查数据,分析植被碳密度特征及其与林分结构等影响因素的关系,以期为通过合理经营森林来增强森林的碳汇等服务功能提供科技支撑。
1 研究区概况宁夏六盘山(106°09′— 106°30′ E,35°15′—35°41′ N)处在我国西北地区东部、黄土高原西部的东亚季风气候区边缘,年均气温5.8 ℃,年日照时间2 100~2 400 h;年降水量676 mm,其中72.2%分布在6—9月份。土壤以灰褐土为主,植被具有半干旱区和半湿润区植被过渡带的特征。区内森林以天然次生林为主,主要树种有华山松(Pinus arm and ii)、辽东栎(Quercus liaotungensis)、少脉椴(Tilia paucicostata)和白桦(Betula platyphylla)等;人工林树种主要有华北落叶松、油松(Pinus tabulaeformis)和少量云杉(Picea asperata),分别占当地人工林面积的90%,7.5%和2.5%。在六盘山区内年降水500 mm的较湿润地区华北落叶松能正常生长在海拔1 800~2 800 m、土壤厚度大于 40 cm、坡度0~35°的立地;但在年降水低于 500 mm的外围半干旱区,则局限在水分条件较好的阴坡和半阴坡。
2 材料与方法 2.1 样地设置依据六盘山区植被分布特征,在半湿润区的香水河小流域和半干旱区的叠叠沟小流域,选择12个典型坡面,根据坡面植被分布情况,按坡位(如坡顶、坡上、坡中上、坡中、坡中下、坡下、坡脚)设置 20 m×20 m的样地。每块样地内视各层植被覆盖情况选择2个代表性灌木样方(5 m×5 m)和3个草本层样方(1 m×1 m)。调查样地的地理位置、海拔、坡向、坡度、坡位、树种组成、密度、胸径、高度、郁闭度、灌木层和草本层物种组成及覆盖度等特征。还有部分样地资料来自宁夏六盘山森林生态站的多年调查资料积累,共计有85个样地。
所有华北落叶松人工林样地的乔木层均为纯林(表 1),多为中幼龄林,林龄平均22.3年,以28年生为主;胸径为5.0~21.8 cm,平均胸径11.9 cm;树高3.7~18.0 m,平均树高10.4 m。林分整体比较稀疏,平均郁闭度为0.6;平均密度为1 122.2株·hm-2,多分布在1 150株·hm-2附近。林下灌木发育不很明显,灌木高集中在0.5~2.0 m,平均覆盖度约28%,主要种有甘肃山楂(Crataegus kansuensis)、箭竹(Fargesia nitida)、蒙古荚迷(Viburnum mongolicum)和刺蔷薇(Rosa acicularis)等。林下草本层高为5.0~36.3 cm,平均覆盖度约65%,种类主要有铁杆蒿(Artemisa vestita)、蕨(Pteridium aquilum)、东方草莓(Fragaria orientalis)、苔草(Carex hancockiana)、艾蒿(Artemisa argyi)和糙苏(Phlomis umbrosa)等。
在样地每木调查的基础上,每个样地中选取长势良好的5~7株标准木,用生长锥在胸高处垂直交叉钻取2个树芯,密封在塑料管中,带回实验室后固定、风干、打磨,用Lintab5年轮分析仪(RINHTECH,Heidelberg,Germany)测量年轮宽度(精确到0.01 mm),然后利用COFECHA程序对交叉定年和测量结果进行合理性检验,剔除部分与主序列相关系数小、奇异点多的样芯。
用2009年测定的标准木胸径(D2009,cm)依次减去历年2个树芯年轮的宽度之和(dn,cm),得到标准木的历年胸径(Dn,cm),公式如下:
$ {D_n} = {D_{2009}} - \sum\limits_{i = n + 1}^{2009} {{d_i}} $ | (1) |
其中:n为年份,n<2009。
2.3 样地植被碳密度计算本研究定义的林分植被碳密度(C,t·hm-2)包括乔木层、灌木层和草本层的碳密度,由各层植被生物量与碳含量的乘积求和得到:
$ C = {W_T} \times {R_T} + {W_S} \times {R_S} + {W_G} \times {R_G} $ | (2) |
其中:RT,RS和RG分别为乔木层、灌木层和草本层植物的碳含量(分别为0.536,0.478和0.369)(刘延惠,2011);WT,WS和WG分别为各层的生物量(t·hm-2)。
2.4 乔木层生物量计算采用2006年莫菲调查的20棵不同胸径(9.9~22.6cm)的解析木数据建立的关系(式3)计算单株地上生物量(W1),根生物量(W2)用罗云建等(2009)建立的关系(式4)计算,将地上和根生物量相加得到单株总生物量(式5),然后对样地各乔木的单株总生物量(Wj)求和后计算单位面积的乔木层生物量(WT,t·hm-2):
$ Ln{W_1} = 2.223\;5Ln{D_n} - 1.963\;4\left({{R^2} = 0.92} \right) $ | (3) |
$ Ln{W_2} = 2.088\;5Ln{D_n} - 3.478\;2\left({{R^2} = 0.97} \right) $ | (4) |
$ {W_{Ti}} = {W_{1i}} + {W_{2i}} $ | (5) |
$ {W_T} = \left({\sum\limits_{i = 1}^n {{W_{Ti}}} } \right)/\left({S \times 1000} \right) $ | (6) |
式中:D为胸径(cm);WTi为样地第i株树木包括地上和根系的总生物量(kg); W1i为第i林树木地上部分生物量; W2i为第i林树木根系生物量; n为样地内树木总株数;S为样地面积(hm2)。
2.5 灌木层生物量计算对样地内主要灌木种各选3株(丛)以上的标准样株。测量株高、地径、冠幅,伐倒后称量枝干、叶和根的鲜质量。取样后带回烘干(85 ℃),测定干质量并计算含水率,求出单株干质量平均值。然后根据样地内各种灌木的株数计算样地的灌木层生物量。
在非本次调查的定位站积累样地资料中,部分样地无灌木层生物量 WS(WS,t·hm-2),则根据样地的灌木层覆盖度(XSC,%)按公式(7)计算(刘延惠,2011):
$ {W_S} = 0.216 \times {X_{SC}} - 0.754 $ | (7) |
草本层生物量采用收获法测定,即收割调查样方内全部草本,按地上和地下部分称鲜质量,取样后带回烘干获得草本含水率,然后计算草本样方的干生物量,3个草本样方的生物量平均值为样地草本层生长量。
在非本次调查的定位站积累样地资料中,部分样地无草本层生物量(WG,t·hm-2),则根据样地的坡向(AP,°,以正北方向为0°,顺时针分析旋转)和海拔(H,m)及草本层覆盖度(XGC,%)用公式(8)计算(刘延惠,2011):
$ {W_G} = 0.015{X_{GC}} + 0.002H + 0.626\sin \left({{A_P}/2} \right)- 4.424 $ | (8) |
应用Excel和SPSS18统计软件进行数据处理,对不同气候区森林碳密度的年增量进行方差分析(one-way ANOVA),采用最小显著差数法(LSD)进行差异显著性检验(α=0.05)。
3 结果与分析 3.1 林分植被碳密度本研究调查的华北落叶松林样地植被碳密度为0.70~74.10 t·hm-2,变幅较大,平均碳密度为30.96 t·hm-2。乔木层是固碳主体,其碳密度为0.04~71.39 t·hm-2,平均为27.95 t·hm-2;灌木层和草本层碳密度平均为2.47和0.54 t·hm-2,分别占林分植被碳密度的18%和5%(表 1)。
3.2 林分植被碳密度与林分结构的关系在进行植被碳密度的单因素影响分析时,为了排除其他因素的干扰,利用样地调查资料绘出碳密度随各林分结构指标变化的外包线(图 1)。碳密度在一定范围内表现为随各结构指标增加而均升高,但达到一定阈值后就变成缓慢增加(密度、树高、胸径、林龄)或趋于稳定(郁闭度)。林分密度阈值为 1 300株·hm-2,高于此值时碳密度趋近极值72.00 t·hm-2。而郁闭度、胸径和树高的阈值分别为0.7 cm、14 cm和12 m;林龄小于18年,碳密度随林龄增加缓慢,林龄19~27年时快速增大,达到27年生后增加缓慢。
六盘山半湿润区和半干旱区的华北落叶松林植被碳密度及其年增量变化见图 2。近10年来华北落叶松林植被碳密度一直在波动状增加,但半湿润区的增速显著大于半干旱区(P<0.05),前者从2003年41.25 t·hm-2增到2009年的74.10 t·hm-2,平均增加速率为5.57 t·hm-2a-1;后者从2003年的11.08 t·hm-2增到2012年的34.45 t·hm-2,平均增加速率为2.58 t·hm-2a-1。
但是,不同年份的碳密度增速的年际波动明显,如2006和2007年明显下降,其中半湿润区波动幅度更大,这是不同年份的气象条件和不同立地的生产力共同决定的。
4 结论与讨论六盘山区11~35年生华北落叶松林的植被碳密度平均为30.96 t·hm-2(0.70~74.10 t·hm-2),远低于全国落叶松林(60.2 t·hm-2)及温性针叶林(43.26 t·hm-2)(周玉荣,2000);也低于河北塞罕坝阴河林场前曼甸营林区18,22和38年生华北落叶松的48.6,56.97和136.97 t·hm-2(张田田等,2012),可能是因为六盘山地处半干旱半湿润区过渡带,树木在干旱年份或季节常受缺水胁迫,以及坡度大导致土层薄、海拔较高导致温度低和生长期短;华北落叶松在坡顶、山脊处生长较差,在坡下部及沟脚生长相对较好,加之林龄较小,导致植被碳密度较低和变幅较大。初植密度过大、缺少及时抚育、树冠重叠和分化严重,林下植被单一和多样性较低,也会导致碳密度较低。
本研究中,华北落叶松林碳密度随林龄、密度、树高、胸径和郁闭度的增加而升高,但达到一定阈值后升高趋缓或稳定不变,这是因养分、水分、光照等在低于阈值范围内的竞争较小;超过阈值后则竞争强烈,导致树木自疏和生长变慢,或灌草层植被碳密度减小而抵消了乔木层碳密度增加(郝佳,2012)。殷鸣放等(2008)认为长白落叶松(L. olgensis)和日本落叶松(L. kaempferi)连年碳密度最大值出现在第30和35年生;本研究中华北落叶松林的植被碳密度在27年生后增加显著放缓,林龄阈值稍早于湿润地区,这可能与六盘山区干旱胁迫有关。
本研究中,华北落叶松林的植被碳密度在郁闭度达到0.7后不再明显增加,而是趋于保持稳定。其实,郁闭度为0.5~0.8时利于形成乔灌草复层结构、促进森林自然更新、协调森林生态和经济功能(李金良等,2012);即使在南方杉木 (Cunninghamia lanceolata)人工林中,郁闭度只有在降至0.7以下时才有大量林下植被生长(姚茂和等,1991)。
本研究表明,仅考虑维持较高植被碳密度时,林分密度应在1 300株·hm-2以上。依据王晶等(2009)在六盘山半湿润区对3个密度(1 200,1 500和2 000株·hm-2)华北落叶松林的研究,认为密度过大时林分蓄积量会大幅减小,从木材生产功能的角度来看 1 200株·hm-2密度较合适。郝佳(2012)认为,为了提高抵抗雪压的能力,华北落叶松林需把密度控制在 1 200株·hm-2以内。干旱地区大面积造林和森林过密都会导致径流减少(张淑兰,2011;郝佳,2012),危及森林本身稳定和区域供水安全,非常需要林水协调管理,这需要适当降低森林密度。基于本研究及前人研究结果,在权衡多种服务功能的林分结构要求后,认为华北落叶松林的多功能理想林分结构应是郁闭度在0.7左右、密度不高于 1 300株·hm-2,这有利于同时实现固碳增加、产水较多、自然更新和结构稳定等多重要求。
土壤碳和枯落物碳均是生态系统碳库的重要组成(文仕知等,2010;周国模等,2004),但本研究只是分析了华北落叶松林植被碳密度,这对完整理解森林生态系统碳密度对林分结构的响应会造成一定限制。另外,六盘山区华北落叶松林面积较大,林地质量和气候条件的空间异质性较高,需要调查更多样地和按照立地类型及林分特征进行详细分析。此外,气候变化正越来越明显地影响着森林的碳汇功能,六盘山区呈现温度升高、降水增多、蒸发减少的变化趋势(张智等,2007),这种升温增湿的年度气候指标变化可能会提高华北落叶松林的碳密度年增长量;年内尺度的极端天气事件(干旱、高温、大风等)增多也可能危害树木和减少生长,需要在未来的森林生生长及碳汇研究中给予考虑。
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