不同方法估算马尾松天然林植被固碳潜力的比较1)

2015-06-28潘鹏欧阳勋志

东北林业大学学报 2015年1期

关键词：马尾松潜力生产力

潘鹏欧阳勋志

(江西农业大学，南昌，330045)

甘文峰

(安福县明月山林场)

森林是陆地生态系统的主体，森林固碳量占陆地固碳量的70%～80%［1－2］，对维护区域生态环境和全球碳平衡起着重要作用。研究森林生态系统固碳潜力对深入理解陆地生态系统的碳循环过程和缓解气候变化具有重要意义［3－4］。

区域尺度森林生态系统固碳潜力的研究方法主要有连续清查法［5－6］、限制因子法［7］和时空替代法［8］等;林分尺度上森林植被固碳潜力估算方法还没有形成统一的方法，国内常见的主要有最大值法［9］、光能利用率法［10］和生产力回归模型法［11］等。基于林分尺度的森林碳汇研究是准确评估区域和全球尺度森林碳汇的基础［12］。目前已有的森林固碳潜力研究多集中在大区域尺度，缺乏大量直观数据的支持，使得估算结果存在较大的不确定性。因此，对森林生态系统固碳潜力更精准的估算，应建立在林分尺度的基础上。对林分尺度森林植被固碳潜力方法展开比较研究，既可为建立林分尺度森林植被固碳潜力估算体系提供参考，同时可为区域尺度森林植被固碳潜力的准确估算提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于江西中部的吉安市，地理坐标为113°46'～115°56'E，25°58'～27°57'N，属于亚热带季风气候区，为湿润气候。年平均气温为17.7℃，年均降水量1 553 mm，无霜期为279 d左右。境内主要植被类型有针叶林、针阔混交林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、竹林，其中针叶林以马尾松(Pinus massoniana)林和杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)林为主。马尾松天然林林下灌木以檵木(Loropetalum chinense)、金樱子(Rosa laevigata)、栀子(Gardenia jasminoides)为主，草本以铁芒萁(Dicranopteris linearis)、露籽草(Ottochloa nodosa)、莎草(Cyperus iria)为主。土壤主要为红壤，其他还有黄壤、黄棕壤等。

2 研究方法

2.1 数据获取

标准地设置与调查:根据国家林业局《森林资源规划设计调查主要技术规定》(2003)龄组划分标准，分别5个龄组选择立地条件相近的马尾松天然林，每个龄组设置3个标准地，共设置标准地15个，标准地大小为 28.28 m×28.28 m。在标准地内，对胸径≥5 cm(幼龄林为胸径≥2 cm)的树木进行每木检尺，调查内容包括胸径、树高、林分密度等。标准地内，分别设置3个2 m×2 m的灌木样方、3个1 m×1 m的草本样方、3个1 m×1 m的凋落物样方，调查记录灌、草的种类、株(丛)数、平均高度和盖度等。标准地基本概况见表1。

表1 标准地基本概况

含碳率的测定:含碳率测定时，取样乔木分干、枝、叶、皮、根，灌木分叶、枝、根，草本分地上部分和地下部分，凋落物分未分解和半分解;采用重铬酸钾—加热法对样品的含碳率进行测定。

碳密度估算:乔木层根据每木检尺结果，采用植物相对生长模型。公式为:

式中:W为生物量;D为胸径;a、b为参数。本文采用张仕光等［13］模拟结果计算生物量。林下植被层(灌木、草本)和凋落物层均采用“收获法”直接测定;灌木分根、枝、叶，草本分地上、地下部分称取鲜质量，凋落物按分解程度不同划分为未分解和半分解收集并称取鲜质量。样品用烘箱在105℃下烘干至恒定质量，取样的鲜质量与烘干后的恒定质量之差即为含水量，进而算出干物质质量即生物量。各器官生物量及相应的含碳率乘积即为碳密度。

2.2 估算方法

最大值法:计算公式［10］为:

式中:CSP为植被固碳潜力;CSr为植被参考碳密度;CS为植被初始碳密度。由于植被参考碳密度难以获得，一般假设参考植被各组成碳密度(乔木层、林下植被层和凋落物层)均达到最大值，因而将各组成碳密度－林龄序列中的最大碳密度之和(最大乔木层碳密度+最大林下植被层碳密度+最大凋落物层碳密度)即为植被参考碳密度;以标准地数据计算碳密度为植被初始碳密度。碳密度反映了固碳能力的大小，为便于对各种方法估算的结果进行比较，以年均固碳能力代替相应的碳密度。

光能利用率法:光能利用效率，也称为光能利用率，表示的是植物光合作用中固定太阳能的效率大小［14］。计算公式［15］为:

式中:P为光能利用率;M为单位面积上净初级生产力(现存生物量);q为单位干物质含能量，一般碳水化合物为 17.38 kJ·g－1［16］;∑Qd为太阳总辐射，1961—2000年江西省吉安地区年平均太阳辐射总量为 3.90 GJ·m－2［17］。

生产力回归模型法:生产力代表的是森林固定CO2的能力，固碳潜力值为净生产力与含碳率的乘积，净生产力采用下式计算［12］:

式中:NPP为净生产力;B为生物量;a、b为参数，a=5.565，b=0.157［18］。

生长过程法:根据标准地测定的林分年龄、树高和胸径数据，结合树种生长过程表，确定标准地的地位级，并以不同地位级下达到过熟林后两个龄级时有最大碳密度，此时林分平均固碳能力作为参考值，与初始固碳能力的差值估算森林植被的固碳潜力。

数据分析、统计处理用 Excel 2007、SPSS17.0。

3 结果与分析

3.1 生物量及碳密度

根据各组成生物量与测定的相应含碳率乘积计算其碳密度。生物量及碳密度见表2。

表2 各层生物量及碳密度 t·hm－2

3.2 固碳潜力估算

3.2.1 最大值法

现有森林植被固碳能力为初始值，以标准地内森林植被各组成碳库的最大固碳能力之和组成森林植被的参考固碳能力，根据公式(2)估算了森林植被固碳潜力(见表3)。可知，在当前气候条件下，幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林，植被固碳潜力分别为 0.83、0.81、1.07、1.22、0.97 t·hm－2·a－1。

3.2.2 光能利用率法

根据植被(不包括凋落物层)总生物量以及各龄组平均年龄，计算不同龄组净初级生产力，再根据光合作用方程式推算可知，产生1 g干物质(生物量)需1.62 g CO2，由此可依据净初级生产力估算出森林的固碳能力，结合公式(3)求出各龄组光能利用率(见表4)。由表4可知，森林植被初始光能利用率范围仅为 0.10%～0.14%。根据赵育民等［15］研究结果，我国自然植被太阳总辐射的光能利用率为0.22%，以此值计算森林植被固碳能力(2.17 t·hm－2·a－1)为参考值，与初始固碳能力之间的差值，估算不同龄组固碳潜力(见表4)。

表3 最大值法估算马尾松天然林植被固碳潜力t·hm－2·a－1

表4 光能利用率法估算马尾松天然林植被净初级生产力及固碳潜力

3.2.3 生产力回归模型法

净生产力是指森林植被净生产量，不包括凋落物层的生物量。按公式(4)估算森林植被净生产力。由森林植被净生产力转换为固碳潜力(含碳率取当前各组分含碳率加权平均值)(见表5)。

表5 生产力回归模型法估算马尾松天然林净生产力和固碳潜力

3.2.4 生长过程法

根据江西省林业勘察设计院编制的《林业调查常用表》中的马尾松生长过程表，查出不同地位级的平均直径、林分密度等数据，按公式(1)估算成过熟林两个龄级马尾松林乔木生物量，按乔木层各器官含碳率保持不变的条件下，计算林分不同地位级下固碳能力，并以各龄组3次重复的地位级平均值作为参考固碳能力，估算出不同龄组乔木固碳潜力(见表6)。

表6 马尾松天然林固碳潜力 t·hm－2·a－1

3.3 固碳潜力分析

对4种方法估算的森林植被固碳潜力进行方差分析(表7)，结果表明，各龄组间最大值法和光能利用率法估算结果相近，生长过程法略高于最大值法和光能利用率法，但三者间估算结果均无显著性差异(P＞0.05)，生产力回归模型法显著高于其他3种方法估算结果(P＜0.05)。

表7 4种方法估算的马尾松不同龄组固碳潜力

4 结论与讨论

研究分析了最大值法、光能利用率法、生产力回归模型法和生长过程法用于估算林分尺度上森林植被固碳潜力的优劣。固碳潜力估算结果，最大值法估算为 0.81～1.22 t·hm－2·a－1，光能利用率法为0.77～1.21 t·hm－2·a－1，生产力回归模型法为 4.15～4.93 t·hm－2·a－1，生长过程法为 1.25 ～ 1.60 t·hm－2·a－1;生产力回归模型法估算结果最高，且与其他3种方法估算结果存在显著性差异(P＜0.05)，最大值法、光能利用率法和生长过程法三者间估算结果无显著性差异(P＞0.05)。生长过程法简单、方便，在编制了相关树种不同地位级表或地位指数表的地区，适合采用生长过程法估算林分尺度上森林植被固碳潜力。

最大值法是根据乔、灌、草等各组成部分的固碳能力最大值，重新组合为森林植被参考固碳能力，与植被初始固碳能力的差值作为固碳潜力的一种方法。本研究中植被参考固碳能力的选定，以所选标准地中各组成部分的固碳能力最大值组合而成，故仅适用于固碳能力在乔木层、林下植被层和凋落物层三者间呈正相关的林分类型。由于所选标准地是代表当地的平均生长水平，所以用标准地中各组成部分固碳最大值的组合，代表其区域的最大值具有一定的局限性。光能利用率法是一种比较复杂的方法，主要是光合作用的过程较为复杂。从研究结果可以看出，森林植被参考光能利用率的选定对其固碳潜力有决定性影响。理论上推算出植物的最大光能利用率为5%～6%［19］，由式公式(3)可知光能利用率提高一个百分点，固碳潜力成倍增加。而实际应用中，很难确定具体树种光能利用率的大小，且太阳辐射总量并非全部用于光合作用产生干物质量(生物量)，算出的光合效率因植物在利用光能各阶段能量上均有不同程度的损失［15］，所以该方法估算结果存在一定的偏差。

生产力回归模型法是利用不同森林类型的生物量－净生产力回归模型，结合现有林分生物量估算其净生产力，进而求得固碳潜力的一种方法。生产力表征了森林固定CO2的潜在能力，利用树种生物量推算净生产力成为一个快捷的估算固碳能力的方法［19］。一般正常生长的林分中，林木材积连年生长量随林龄的增大呈先增大后减小的趋势［20］，成、过熟林时林木生长缓慢，其固碳能力基本达到饱和，固碳潜力相应减弱。但从研究结果中可以看出，各龄组固碳潜力分别为:4.15、4.24、4.42、4.52、4.93 t·hm－2·a－1，随林龄的增大而增加，固碳潜力在过熟林时达到最大，且生产力回归模型法估算固碳潜力结果与最大值法、光能利用率法及生长过程法存在显著性差异，这是由于本研究采用的模型参数为方精云等［19］早期建立的模型，故而估算结果的准确性有待研究。固碳潜力精准的估算，应根据不同区域建立各森林类型生物量－生产力回归模型，这需收集大量文献数据，以大样本数值反映区域林分树种生物量与净生产力之间的回归关系，建立生物量－净生产力回归模型。此方法不仅耗时，且由于森林生产力方面的资料少，对一些区域、一些森林类型来说，建立生物量与净生产力之间的关系不具备足够的样本数。

生长过程表是反映林分在一定立地条件下、疏密度为1.0时的生长变化过程表，是林业生产中常用的基础数表之一。采用生长过程表估算固碳潜力，关键是估算区域编制了相关树种地位级表或地位指数表。本研究中估算结果与最大值法和光能利用率法无显著性差异，较为准确地估算区域不同立地条件下林分乔木实际固碳潜力。我国从70年代起，各地就开始编制松、杉等主要树种地位指数表、地位级表和生长过程表［21］，该方法简单、方便，适用于编制了不同地位级或地位指数下树种生长过程表的地区。

最大值法估算了森林植被固碳潜力，包括乔木层、林下植被层和凋落物层;光能利用率法和生产力回归模型法估算了森林植被乔木层和林下植被层固碳潜力，不包括凋落物层;生长过程表中仅有林分乔木参数，缺少林下植被和凋落物数据，故生长过程法仅对林分乔木层固碳潜力进行了估算。本文研究显示乔木层碳密度占森林植被总碳密度的80.92%，凋落物层仅占2.28%，这4种固碳潜力估算方法对分析结果影响不大。

［1］Houghton R A.Balancing the global carbon budget［J］.Annual Review of Earth and Planetary Sciences，2007，35(1):313－347.

［2］潘鹏，吕丹，欧阳勋志，等.赣中马尾松天然林不同生长阶段生物量及碳储量研究［J］.江西农业大学学报，2014，36(1):131－136.

［3］Thangata P H，Hildebrand P E.Carbon stock and sequestration potential of agroforestry systems in smallholder agroecosystems of sub-Saharan Africa:mechanisms for‘reducing emissions from deforestation and forest degradation’(REDD+)［J］.Agriculture，E-cosystems ＆ Environment，2012，158:172－183.

［4］平晓燕，王铁梅，卢欣石.农林复合生态系统固碳潜力研究进展［J］.植物生态学报，2013，37(1):80－92.

［5］Fang J Y，Chen A P，Peng C H，et al.Changes in forest biomass carbon storage in China between 1949 and 1998［J］.Science，2001，292:2320－2322.

［6］Pan Y D，Luo T X，Richard B，et al.New estimates of carbon storage and sequestration in China’s forests:effects of age-class and method on inventory-based carbon estimation［J］.Climatic Change，2004，67(2/3):211－236.

［7］Zhou G S，Wang Y H，Jiang Y L，et al.Estimating biomass and net primary production from forest inventory data:a case study of China’s Larix forests［J］.Forest Ecology and Management，2002，169(1/2):149－157.

［8］Shi X Z，Wang H J，Yu D S，et al.Potential for soil carbon sequestration of eroded areas in subtropical China［J］.Soil and Tillage Research，2009，105(2):322－327.

［9］刘迎春，王秋凤，于贵端，等.黄土丘陵区两种主要退耕还林树种生态系统碳储量和固碳潜力［J］.生态学报，2011，31(15):4277－4286.

［10］梅雪英，张修峰.长江口湿地海三棱藨草(Scirpus mariqueter)的储碳、固碳功能研究:以崇明东滩为例［J］.农业环境科学学报，2007，6(1):360－363.

［11］张林，王礼茂，王睿博.长江中上游防护林体系森林植被碳贮量及固碳潜力估算［J］.长江流域资源与环境，2009，18(2):111－115.

［12］毕君，王超.木兰围场森林固碳能力及其特征［J］.东北林业大学学报，2011，39(2):45～46，85.

［13］张仕光，刘建，黄开勇，等.桂西北马尾松人工林生物量生长规律及其分配模式［J］.广西林业科学，2010，39(4):189－192.

［14］赵育民，牛树奎，王军邦，等.植被光能利用率进展［J］.生态学杂志，2007，26(9):1471－1477.

［15］侯光良，李继由，张谊光，等.中国农业气候资源［M］.北京:中国人民大学出版社，1993:30－46.

［16］李博，刘存歧，王军霞，等.白洋淀湿地典型植被芦苇储碳固碳功能研究［J］.农业环境科学学报，2009，28(12):2603－2607.

［17］孙善磊，周锁铨，宋洁，等.应用Penman公式对江西省太阳总辐射变化特征的探讨［J］.气候与环境研究，2011，16(5):629－640.

［18］方精云，刘国华，徐崇龄.我国森林植被的生物量和净生产量［J］.生态学报，1996，16(5):497－508.

［19］Loomis R S，Williams W A.Maximum crop productivity:an estimate［J］.Crop Science，1963，3(1):67－72.

［20］吴鹏，丁访军，许丰伟，等.黔南马尾松人工林生长规律研究［J］.中南林业科技大学学报，2011，31(8):51－55.