滇中高原华山松人工林碳储量及固碳释氧效益
2015-12-26李元玖陈奇伯熊好琴舒蛟靖赵吉霞
李元玖,陈奇伯,熊好琴,舒蛟靖,赵吉霞
(西南林业大学 环境科学与工程学院,云南 昆明 650224)
滇中高原华山松人工林碳储量及固碳释氧效益
李元玖,陈奇伯,熊好琴,舒蛟靖,赵吉霞
(西南林业大学 环境科学与工程学院,云南 昆明 650224)
采用样方法和收获法,根据光合作用方程式、碳税法和人工制氧法,对云南玉溪磨盘山华山松人工林(16 a中龄林、26 a近成熟林、43 a成熟林)生物量、碳储量及其空间分布特征和固碳释氧进行了研究。结果如下:三种林龄华山松人工林的生物量分别为181.515 t·hm-2、284.679 t·hm-2、295.311 t·hm-2,碳储量分别为85.751 3 tC·hm-2、139.934 4 tC·hm-2、132.508 6 tC·hm-2,净碳储量分别为:5.365 3 tC·hm-2·a-1、5.383 6 tC·hm-2·a-1和 3.082 7 tC·hm-2·a-1;三种林龄群落各层碳储量均为乔木层>枯落物层>灌木层>草本层,三种林龄乔木层的碳储量分别占:91.37%、94.99%、93.70%;不同林龄相同器官(根、皮、叶、干、枝)之间变异系数在2.10%~7.33%之间,而同一林龄不同器官的变异系数在2.12%~5.82%之间;方差分析结果显示除成熟林乔木外,另两种林龄乔木各营养器官之间均存在显著差异;华山松中龄林、近成熟林、成熟林同化大气中CO2和释放出O2价值量分别是 355 044.221 3 yuan·hm-2,216 003.386 1 yuan·hm-2,556 831.529 6 yuan·hm-2和 338 767.648 4 yuan·hm-2、577 627.367 6 yuan·hm-2和 351 419.513 0 yuan·hm-2。
华山松人工林; 生物量; 碳储量; 固碳释氧;滇中高原
全球变暖的加剧,《京都协议》的签订已将全世界防止全球变暖,减少温室气体的排放提升到了法律层面[1],对生态价值服务功能的研究越来越受到国内外学者的重视。近年来,生态文明的建设也已成为我国发展的基本政策,在经济的建设同时发展本国林业碳汇项目,既获得经济的价值,又达到生态的价值。森林作为陆地碳库的主要源和汇,其碳储量占整个陆地植被碳储量76%~98%[2],由植被和土壤两大碳库组成,共同承载着对人类生存环境净化的责任。植被通过光合作用吸收大气中的CO2,将碳储存在植物体内,同时释放出O2返还大气中,因此,对森林植被固碳释氧的研究,可以量化森林潜在的生态服务价值[3-4]。
在我国,随着三北防护林工程建设的开展,退耕还林政策的广泛实施,使得我国人工林为森林碳汇做出了重大贡献。加强人工林固碳释氧生态功能的量化和价值核算,将为建设森林的碳汇生态效益和建立健全的碳汇市场打下基础[5-7]。华山松Pinus armandii人工林具有保持水土、涵养水源和净化环境等生态功能,对其碳储量与固碳释氧的生态价值研究,将进一步完善华山松人工林的生态价值。本文对滇中高原不同林龄的华山松人工林进行了研究,通过量化其潜在的碳储量,评价二氧化碳的固定量和氧气的释放量,旨在为滇中高原华山松人工林的经营管理提供科学依据,有助于在寻求碳汇与碳源贸易时,提供最佳的树龄段,进而较快达到改善生态环境的目的。
1 研究区概括
磨盘山国家森林公园位于云南省玉溪市新平县城东南部,地处云贵高原、横断山地和青藏高原南缘的地理结合部。地理位置为北纬23º46′18″~23º54′34″,东经 101º16′06″~ 101º16′12″,海拔1 260 m~2 614 m,是云南亚热带北部与亚热带南部的气候过渡地区,有着典型的山地气候特点,年平均气温15 ℃,年平均降雨量为1 050 mm,极端最高气温33.0 ℃,极端最低气温-2.2 ℃,全年日照时数2 380 h。磨盘山土壤以第三纪古红土发育的山地红壤和玄武岩红壤为主,高海拔地区有黄棕壤分布,土壤厚度以中厚土壤层为主局部为薄土层。
样地基本情况见表1,华山松人工林系飞播养护而成,群落乔木层以华山松为优势种。灌木层主要以杨梅Myrica rubra、菝葜Smilax china、粗叶悬钩子Rubus alceaefolius、紫茎泽兰Ageratina adenophora等组成。草本层主要以沿阶草Ophiopogon japanicus、边果鳞毛蕨Dryopteri daceae、大叶悬钩子Rubus corchorifolius、光叶泡花树Meliosma cuneifolia、矛叶荩草Arthraxon lanceolatus、云南崖爬藤Tetrastigma yunnanense等组成。
表1 磨盘山华山松人工林样地基本情况Table 1 Plots basic situations of P. armandii plantations in Mopanshan Mountain
2 研究方法
2.1 生物量的计算
在中龄林、近成熟林、成熟林华山松人工林中选择邻近分布,母岩一致,海拔、坡度、坡向等立地条件相似,整地、抚育、施肥、干扰度等营林和管理措施相同,长势良好且一致的群落,分别设置3个20 m×20 m 的样方,对样方内的乔木进行每木检尺,记录胸径和树高。根据霍达等[8]对华山松生物量模型筛选原则,对比已报道的华山松生物量模型,本文采用陈存根等[9]的模型计算华山松生物量。通过生物量换算群落的碳储量,再根据光合作用原理算出其吸收的CO2和释放的O2的含量,进而估算其产生的生态服务价值[10-11]。
林下灌木、草本和凋落物生物量采用收获法直接测定,在每个样方的对角线上设置3个3 m ×3 m的灌木小样方,3个1 m×1 m草本小样方,将小样方内的灌木和草本全部收集,烘干称重(灌木区分根、茎、叶;草本区分地上部分和地下部分)。在林下层样方内设置3个25 cm×25 cm的样方收集凋落物,每个月收集一次,烘干称重。
2.2 碳储量的测定
植物样品中的有机碳含量用重铬酸钾-浓硫酸容量法测定。碳储量是按照植物体生物量转化为纯碳量时,植物干物质中碳所占比例进行换算,二者存在以下关系:
式中:Mc为碳储量值;Bi为生物量值;Ci为碳密度;i表示群落不同组分。
经测定:华山松中林、近成熟林、成熟林的树根、树干、树叶、树枝、树皮的平均碳密度分别为:0.497 9、0.467 1、0.454 7、0.491 3、0.497 4;0.479 5、0.500 0、0.497 2、0.477 5、0.476 2、0.476 2;0.418 1、0.440 6、0.460 7、0.453 1、0.498 5 gC·g-1,碳密度在40%~50%之间,大量学者使用0.5作为森林生物量和碳储量的转换系数,但是相同群落之间生长有数量和质量区别,如:不同年龄、气候带和立地条件等内在和外在的因素对森林的生物量有着明显影响[12],因此采用样地取样实测法,能更准确的对研究区域的碳储量进行计算。
2.3 固碳释氧物理量和价值量的计算
根据光合作用方程式,按照国家林业行业标准[13]中提供的植被固碳和释氧公式:
①植被固碳公式G植被固碳=1.63AB年
②林分释氧公式G氧气=1.19AB年
式中:G植被固碳为植被年固CO2量,单位:t·a-1;A为林分面积,单位hm2;B年为林分单位净生产力,单位:t·hm-2·a-1;G氧气为林分年释氧量,单位:t·a-1。
从上述净初级生长量可推算出滇中高原华山松人工林内各类植物固定CO2和释放O2的物质量,根据物理量,计算价值量:
(1)固碳效益的价值量:固碳价值计量方法较多,本文采用目前较为通用的碳税法进行评估,碳税率采用瑞典的碳税率折合人民币为1200元·t-1[13]。
(2)释氧效益的价值量:制造氧气价格可根据造林成本、氧气的商品价格和人工生产氧气的成本等方法进行估算。本文采用氧气商品价格确定人工林单位面积年释氧效益的价值量,氧气商品价格 1000 元·t-1[13]。
2.4 数据处理
利用SPSS for Windows 17.0软件对数据进行平均值、标准偏差、变异系数以及方差分析,植物有机碳测定的结果是3次重复的平均值。乔木层、灌木层、草本层、枯落物层的平均含碳量均为加权平均值,其碳储量用生物量与其相应的碳密度的乘积。
3 结果与分析
3.1 不同林龄华山松人工林生物量
从表2可以看出,磨盘山华山松人工中龄林、近成熟林、成熟林群落的生物量分别是181.515 t·hm-2、284.679 t·hm-2、295.311 t·hm-2。 华 山 松 中 林 龄、近成熟林、成熟林的乔木层生物量分别占群落的91.594%、94.760%、93.838%,相同林龄群落中生物量比例依次乔木层>枯落物层>灌木层>草本层。
表2 不同林龄华山松人工林生物量分配格局Table 2 Biomass allocation patterns of different tree-ages of P. armandii plantations (t·hm-2)
3.2 不同林龄华山松乔木层各营养器官碳密度
三种林龄华山松乔木层碳密度测定结果如表3所示。
3.2.1 同一林龄华山松不同器官中碳密度的比较
华山松中龄林:树根>树皮>树叶>树干>树枝;近成熟林:树干>树枝>树根>树叶>树皮;成熟林:树皮>树枝>树叶>树干>树根。其中,中龄林:树根、树枝、树皮之间存在显著差异;近成熟林:树干和树枝存在显著差异。各树种器官的平均值碳密度最高的是近成熟林0.486 1 gC·g-1,最低的是成熟林 0.454 2 gC·g-1。
3.2.2 不同林龄华山松相同器官碳密度的比较
树根含碳量最高的是中龄林0.4979 gC·g-1,最低的是成熟林0.418 1 gC·g-1;树干含碳量最高的是近成熟林 0.500 0 gC·g-1,最低的是成熟林 0.440 6 gC·g-1;树枝含碳量最高的是近成熟林0.497 2 gC·g-1,最低的是中龄林0.454 7 gC·g-1;树叶含碳量最高的是中龄林 0.491 3 gC·g-1,最低的是成熟林 0.453 1 gC·g-1;树皮碳密度最高的是成熟林0.498 5 gC·g-1,最低的是近成熟林 0.4762 gC·g-1。
3.2.3 不同器官碳密度之间的变异系数
中龄林碳密度最高的是树根0.497 9 gC·g-1,最低的是树枝0.454 7 gC·g-1,变异系数为3.64%;近成熟林中碳密度最高的是树干0.500 0 gC·g-1,最低的是树皮0.476 2 gC·g-1,变异系数为2.12%;成熟林中碳密度最高的是树皮0.498 5 gC·g-1,最低的是树根0.418 1 gC·g-1,变异系数为5.82%。相同器官不同林龄之间的变异系数在2.10%~7.33%之间,其中树根之间的变异系数最大为7.33%,树皮之间的变异系数最小为2.10%。
3.3 不同林龄华山松乔木层各器官碳密度
由表4可以看出,乔木层的碳储量分别为:中龄林 78.438 9 tC·hm-2;近成熟林 132.969 9 tC·hm-2;成熟林124.208 1 tC·hm-2。其中中龄林各器官的碳储量大小顺序为:树干>树枝>树根>树叶>树皮;近成熟林:树干>树枝>树根>树叶>树皮;成熟林:树干>树枝>树根>树叶>树皮。
表3 不同林龄华山松各营养器官的碳密度†Table 3 Carbon density of different organs in different tree-ages of P. armandii (g·g-1)
表4 不同林龄华山松人工林乔木层各营养器官碳储量Table 4 Carbon storages of different organs in different tree-ages of P. armandii plantations (t·hm-2)
3.4 不同林龄华山松人工林群落碳密度
由表5可以看出,华山松群落不同层次碳密度大小:中龄林:枯落物层>乔木层>灌木层>草本层;近成熟林:乔木层>枯落物层>草本层>灌木层;成熟林树种中:枯落物层>乔木层>灌木层>草本层。三种林龄群落的碳密度分别是:0.472 4、0.491 6、0.448 7 gC·g-1。
表5 华山松人工林不同林龄群落碳密度Table 5 Carbon density of different tree ages of P. armandii plantations (g·g-1)
3.5 不同林龄华山松人工林群落碳储量分布格局
由表6可以得出,三个华山松人工林群落的碳储量分别为:85.751、139.934 4、132.508 6 tC·hm-2,净固碳量分别为:5.365 3、5.383 6和3.082 7 tC·hm-2a-1。中龄林乔木层、灌木层、草本层、枯落物层碳储量分别为78.438 9、0.728 4、0.253 7、6.424 3 tC·hm-2;近成熟群落别为 132.9699 tC·hm-2、1.201 4、0.369 1、5.434 2 tC·hm-2;成熟群落别为 124.208 1、3.241 3、0.054 8、5.051 5 tC·hm-2。其中在三个群落中乔木层碳储量所占比例最大,分别占群落的:91.37%、94.99%、93.70%,表明在华山松人工林中,植被层的碳储量主要取决于乔木层碳储量。
表6 华山松人工林不同林龄群落碳储量空间分布Table 6 Spatial distribution of carbon storages in different tree-ages of P. armandii plantations
3.6 不同林龄华山松人工林群落固碳释氧量
由表7可以得出,华山松中龄林、近成熟林、成熟林固定大气中CO2的量和释放出O2量分别 为 295.870 2 和 216.003 4 t·hm-2、464.026 3 和338.767 6 t·hm-2、481.356 1 和 351.419 5 t·hm-2;使用碳税法和人工制氧法算出固碳释氧的价值分别是 355 044.221 3 和 216 003.386 1 yuan·hm-2、556 831.529 6 和 338 767.648 4 yuan·hm-2、577 627.367 6 和 351 419.513 0 yuan·hm-2,其中成熟林单位面积固定CO2量和释放O2量最大。
表7 不同林龄华山松人工林固碳释氧生态价值Table 7 Economic values of carbon fixation and oxygen release in different tree-ages of P. armandii plantations
3.7 不同林龄华山松人工林群落净固碳释氧量
由表8可以得出,华山松人工林群落净固定CO2量、净释放O2量和净固碳释氧生态价值的大小顺序都分别为:中龄林>近成熟林>成熟林。
表8 不同林龄华山松人工林净固碳释氧生态价值Table 8 Net ecological values of carbon fixation and oxygen release in different ages of P. armandii plantations
4 讨论与结论
4.1 乔木层各营养器官之间碳密度存在显著差异
华山松乔木层各器官的碳密度大小排序为中龄林:树根>树皮>树叶>树干>树枝;近成熟林:树干>树枝>树根>树叶>树皮;成熟林:树皮>树枝>树叶>树干>树根,不同器官之间的碳密度存在显著差异,其分配规律与霍达等[8]对贵州华山松的研究略有不同,这是因为不同器官之间碳密度的大小与器官生长分化程度有关,与细胞新陈代谢是否旺盛有关。本研究中的乔木层各器官的碳密度含量与杉木、马尾松、秃杉等[14-17]常见人工林树种各器官碳密度排序有所不同。乔木层各器官的平均碳密度为0.454 2~0.486 1 gC·g-1,碳密度在0.450 0至0.500 0 gC·g-1之间,与国内外估算森林乔木层碳密度的平均值基本一致[18],中龄林、近成熟林和成熟林器官的平均碳密度分别为:0.481 7、0.486 1和0.454 2 gC·g-1,其中成熟林器官的平均碳密度最小,均低于四川华山松[19]器官平均碳密度0.5391 gC·g-1,与广西清钩栲人工林[20]各器官的平均值相近在0.459 6~0.491 9 gC·g-1之间,三种林龄群落碳密度分别为:0.472 4、0.491 6和0.448 7 gC·g-1,也以成熟林群落碳密度最小,同样低于四川华山松[19]群落平均碳密度0.542 4 gC·g-1。
4.2 乔木层各营养器官碳密度变异幅度较小
不同林龄相同器官之间的碳密度变异系数在2.10%~7.33%之间,其中树根的变化幅度最大,中龄树种树根碳密度最大,成熟林树种的树根碳密度最低,究其原因可能是与成熟树种主根根尖扎入土壤的深度有关。因为土壤的有机物质主要来源于枯枝落叶和微生物的作用,一定程度上,土壤越深有机质含量越低,间接的限制了树从土壤汲取有机碳,进而限定了树的生长;而同一林龄不同器官的变异系数在2.12%~5.82%之间,与中国热带雨林6.5%~15%的变异系数相比变动幅度相对较小[21]。这可能和华山松人工林群落结构比较单一有关,因为针叶林群落及各个器官的生长状况比较一致;而热带雨林中群落层次较多,群落结构相对复杂,使得生长位于不同层次的植被生长环境受到光能、热量和水分的制约,种间和种内竞争比较激烈,致使生长状况存在较大差异所致。
4.3 林龄与碳储量和净碳储量的关系
三种林龄群落碳密度大小是枯落物层>乔木层>灌木层>草本层,这是由于枯落物层是有机碳很重要的归还途径,枯落物中汇聚了大量的剩余有机碳;三个群落的碳储量与群落的生物量成正相关,其中乔木层碳储量所占比例最大,分别占各自群落总碳储量的91.37%、94.99%、93.70%,其次是枯落物层、灌木层和草本层,这说明滇中高原华山松人工林碳储量90%以上的贡献来源于乔木层。三个群落总的碳储量分别为中龄林85.751 3 tC·hm-2,近成熟林 139.934 4 tC·hm-2,成熟林132.508 6 tC·hm-2,净碳储量分别为5.365 3、5.383 6和3.082 7 tC·hm-2a-1,虽然成熟林单位面积的碳储量大于中龄林,但是它的净碳储量最少,这是由于中龄林处于快速生长期,生长较成熟林旺盛,因此维持中龄林这一快速生长阶段,是林分管理的关键时段;近成熟林无论是在单位面积固碳量还是净固碳量都是最大,当生长到成熟林时,这两个指标都有所下降,因此对此生长阶段可以进行更细致的研究,将对华山松人工林的伐育提供指导;对成熟林进行合理的经营,保障林木及群落碳储量的增长速率大于因林木衰老和死亡引起的损耗速率[22]。其次,外在的环境因子直接影响营养物质的归还,加快枯落物的分解可以提高营养物质的循环速率。再次,群落生物量直接影响碳储量的大小,群落密度对碳储量积累起到直接作用,权衡自然稀疏和人工抚育管理,有利于华山松人工林生产力的维持与提高。
4.4 林龄与群落固碳释氧效益的关系
《京都协议》的签订,宗旨在于防止全球变暖,让减少温室气体排放正式的上升到法律约束的层面。通过对滇中高原华山松人工林中龄林、近成熟林、成熟林固碳释氧的量化,得出三种林龄总固碳释氧量大小排序都是:成熟林>近成熟林>中龄林,而净固碳释氧能力从中龄林到成熟林逐渐下降,并且下降幅度逐渐增大,因此在寻求碳汇与碳源贸易时,如需较快达到改善生态环境的目的,保留中龄和近成熟年龄段的华山松较成熟林更为合适。
另外,本文主要计算的是单位面积群落的碳储量和固碳释氧,而森林中土壤的固碳能力、根系的呼吸作用和土壤释放CO2等作用[23-24]还应该进一步分析,以完善整个华山松人工林生态系统的固碳释氧功能。
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Carbon storage and fi xation, oxygen release of Pinus armandii plantations in middle Yunnan plateau, China
10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.02.015
http: //qks.csuft.edu.cn
LI Yuan-jiu, CHEN Qi-bo, XIONG Hao-qin, SHU Jiao-jing, ZHAO Ji-xia
(School of Environmental Science and Engineering, Southwest Forestry University, Kunming 650224, Yunnan, China)
Biomass, carbon storage and spatial distribution characteristics, carbon fixation and oxygen release of the 16-year-old,26-year-old and 43-year-old Pinus armandii plantations in Mopanshan Mountain in Yuxi, middle Yunnan plateau, southwest China were studied by adopting quadrat method and harvest method, and synthetically using photosynthesis equation, carbon tax and artif i cial oxygen method. The results are as follows: the biomass values of the three kinds of P. armandii plantations were 181.515 t·hm-2, 284.679 t·hm-2and 295.311 t·hm-2, their total of carbon storage were 85.7513 t·hm-2,139.9344 t·hm-2,and 132.5086 t·hm-2, their net carbon storages were: 5.3653 t·hm-2·a-1, 5.3836 t·hm-2·a-1and 3.0827 t·hm-2·a-1; The carbon storage values in three kinds of forest age communities about various forest stories ranked from large to small order as this: carbon storage in arborous layer > litter layer > shrub layer >herb layer, Carbon storages in arborous layer of three kinds of forest age accounted for 91.594%, 94.760% and 93.838% respectively;the variation coeff i cients of different forest age in the same organs (root, bark, leaf, stem, branch) were in the interval of 2.10%~7.33%,while those of same forest age in different organs were in the interval of 2.12% ~ 5.82%; The variance analysis showed that apart from the arborous trees of the mature forest, and two other forest’s arborous trees showed signif i cant differences between nutritive organs;The middle-aged forest, near mature forest, mature forest of P. armandii plantations assimilated CO2in the atmosphere, and desorbed O2, the value quantity of the assimilation CO2and emancipation O2were 355 044.221 3 yuan·hm-2, 216 003.386 1 yuan·hm-2and 556 831.529 6 yuan·hm-2, and 338 767.648 4 yuan·hm-2、577 627.367 6 yuan·hm-2和 351 419.513 0 yuan·hm-2, respectively.
Pinus armandi plantation; biomass; carbon storage; carbon fi xation and oxygen release; Central Yunnan Plateau
S718.5;S791.241
A
1673-923X(2015)02-0079-06
2014-04-01
国家林业局林业公益性行业科研专项(201204101-10);云南省教育厅科学研究基金项目(2010Y297);西南林业大学校重点项目(111033)
李元玖,硕士研究生 通讯作者:熊好琴,博士,副教授;E-mail:xionghaoqin@163.com
李元玖,陈奇伯,熊好琴,等. 滇中高原华山松人工林碳储量及固碳释氧效益[J].中南林业科技大学学报, 2015,35(2):79-84.
[本文编校:吴 彬]