大兴安岭天然落叶松林碳密度空间分布研究
2016-01-12孙云霞,刘兆刚,董灵波
大兴安岭天然落叶松林碳密度空间分布研究
孙云霞,刘兆刚*,董灵波
(东北林业大学 林学院,哈尔滨 150040)
摘要:采用大兴安岭地区盘古林场2011及2012年天然落叶松林实测碳储量数据,分析林木各器官(树干、树枝、树叶、树根)及全树的碳密度与海拔、郁闭度、坡位及林分密度的关系。基于空间克里格插值原理,利用ArcGIS空间分析软件分别绘制该地区各器官及全树的碳密度空间分布图。结果表明:天然落叶松林各器官及全树的碳密度与海拔、郁闭度和坡位都有密切的关系。各器官及全树均在633~683m的海拔范围内达到最大值;在0.4~0.5的郁闭度范围内达到最大值;不同坡位上各器官及全树碳密度按下坡、山谷、平地、上坡的顺序而逐渐降低;在林分密度为3022~3521株/hm`2的范围内,各器官及总量的碳密度达到最大值。利用空间克里格插值能够很好的进行空间林木各器官碳密度分布的估算,树干的碳密度变化范围是5.99~46.33 t/hm`2,树枝的碳密度变化范围是0.31~2..92 t/hm`2,树叶的碳密度变化范围是0.27~0.78 t/hm`2,树根的碳密度变化范围是2.25~20.39 t/hm`2,全树的碳密度变化范围为6.43~60.40 t/hm`2。综上所述,大兴安岭地区天然落叶松不同器官的碳密度变化范围是不同的,而且其变化规律与林分因子之间的关系也不同。因此,应该分器官研究其碳密度变化规律。
关键词:大兴安岭;天然落叶松林;碳密度;克里格插值;空间分布
中图分类号:S 791.22
文献标识码:A
文章编号:1001-005X(2015)02-0019-08
Abstract:Using the measured data for carbon storage of natural Larch forest in 2011 and 2012,the research analyzed the relationships between the carbon density of individual tree components(stems,branches,foliage and roots)and total tree and altitude,canopy density,slope position,and forest stand density.The spatial analysis software of ArcGIS was used to draw the carbon density distribution map for the stem,branch,foliage,root and the total tree in this area based on the Kriging theory.The results showed that the carbon density for the tree components and total tree was closely related to the altitude,canopy density,and slope position.The carbon density of the components and the total amount reached the maximum value at the elevation of 633-683m and at the canopy density of 0.4-0.5,respectively.Meanwhile,the carbon density for the individual tree components and total decreased with the sequence of downslope,valley,plain,and upslope.The carbon density for the components and total amount got the maximum value at the density of 3022-3521 trees per hectare.The Kriging method performed well in the computation of spatial carbon density distribution for the natural Larch forest.The variation range for the carbon density of the stem was 5.99-46.33 t/hm`2.The variation range for the carbon density of the branch was 0.31-2.92 t/hm`2.The variation range for the carbon density of the foliage was 0.27-0.78 t/hm`2.The variation range for the carbon density of the root was 2.25-20.39 t/hm`2 and the variation range for the carbon density of the total tree was 6.43-60.40 t/hm`2.To sum up,the variation regularity of carbon density for the components of the natural Larch was not the same,and the relationship between carbon density of differnet organs and forest stand factors was not the same.As a result,the carbon density of the organs should be studied seperately.
Keywords:Great Xing’an mountain;natural Larch forest;carbon density;Kriging;spatial distribution
收稿日期:2014-12-26
基金项目:“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD22B0202;2011BAD37B02)
作者简介:第一孙云霞,硕士研究生。研究方向:森林经理。
通讯作者:*刘兆刚,博士,教授。研究方向:森林经理。
Study on the Spatial Distribution of Carbon Density forNaturalLarchForest in Great Xing’an Mountain
Sun Yunxia,Liu Zhaogang*,Dong Lingbo
(School of Forestry,Northeast Forestry University,Harbin 150040)
E-mail:lzg19700602@ 163.com
引文格式:孙云霞,刘兆刚,董灵波.大兴安岭天然落叶松林碳密度空间分布研究[J].森林工程,2015,31(2):19-26.
碳循环是生物圈中重要的物质转化方式,准确掌握生物圈中CO2的含量极其重要[1-2]。作为陆地生态系统的主体,森林生态系统在调节全球碳平衡及全球气候具有不可替代的作用[3-5]。作为森林与大气之间碳交换的基本参数,准确的估计森林生态系统的碳储量,并且掌握其空间分布特征有助于更好的理解碳循环的整个过程和在不同区域间“碳源”和“碳汇”的形式[6-7]。因此,研究森林碳储量具有重要意义,而探索森林碳密度的空间分布则是基础。
王效科于2001年利用我国38个优势树种的森林蓄积量数据[8],对我国森林生态系统的植被总碳储量进行了估计,同时计算了总碳储量在各个林分类型中的分配比例,得出中国森林生态系统植被总碳储量是3 724.50 Tg。张亮等基于广东省2007年森林资源清查数据[9],采用材积源生物量法研究了广东省森林植被碳储量空间分布格局,广东省森林植被碳储量为246.35 Tg,碳密度为22.96 mg/hm2。N.Thevs等于2012年研究了东亚沙漠地区植被的碳储量分布情况[10],其中地上部分和地下部分的碳储量分别为2.94×108、5.21×108t,截止目前为止,只剩余28%的碳储量剩余。此外还有一些学者的研究都直接或间接的探索了森林生态系统的碳储量空间分布格局,对于了解整个陆地生态系统的碳分布具有重要意义[11-13]。随着电子计算机技术的高速发展,ArcGIS已经被广泛应用于森林碳储量的调查之中,而空间插值技术也被广泛的应用。黄从德等利用我国森林资源清查资料的数据[14-15],同时结合ArcGIS技术对我国四川地区森林植被碳储量进行了深入探索。但存在的问题是,目前还没有关于林木各个器官(树干、树枝、树叶、树根)及总量的碳密度的空间分布的相关研究出现,而对林木各个器官的碳密度与立地因子之间的关系及碳密度空间分布进行研究能够为更加精确的掌握林木器官的碳密度的分布特征奠定基础。
本文利用大兴安岭盘古林场东北部地区天然落叶松林样地调查数据,结合盘古林场海拔、林分郁闭度、坡位及林分密度等立地因子,分别分析了天然落叶松林树干、树枝、树叶、树根及总量的碳密度的变化规律;基于ArcGIS平台,采用空间克里格插值,绘制了该地区落叶松林各器官及总量的碳密度空间分布图。对各器官碳密度的空间分布的差异进行分析,旨在为盘古林场的“碳汇”经营提供依据。
1数据收集与研究方法
1.1 研究地区概况
研究地区位于大兴安岭盘古林场东北部(如图1的示),林场位于北纬52°41′57.1″,东经123°51′56.5″。盘古地区的森林覆盖率达到了88.86%,作业区面积为152.127 hm2。该地区为大陆性季风气候,冬季寒冷,夏季温暖干燥,降雨量较小。该地区年平均气温为-3℃,最高气温为36℃,最低气温为-53℃,相对湿度70%~75%。积雪期达5个月,林内雪深达30~50 cm。年均光照总时数为2 600 h。盘古林场的主要树种有落叶松Larixgmelinii、樟子松Pinussylvestrisvar.mongolica、白桦Betulaplatyphylla、山杨Populusdavidiana、红皮云杉Piceakoraiensis、鱼鳞云杉Piceajezoensis等;灌木树种有兴安杜鹃Rhodendrondauricum、胡枝子Lespedezabicolor、红瑞木Cornusalba和杜香Ledumpalustre等。
图1 研究区域地形图 Fig.1 Map of the study area
1.2 数据收集与整理
本研究所设置的天然落叶松林标准地分布在大兴安岭盘古林场东北部,设置标准地共30块,其中2011年12块,2012年18块。每块样地均进行每木检尺,测定树高、胸径及冠幅等林木因子。采用等断面积径级标准木法将样地中的全部林木划分成5个等级,每一个等级分别选取1株标准木作为解析木,总体上能够代表该样地的平均水平,本文共选取45株样木进行树干解析。对于每株解析木将从基部到树梢按照1m段区分成若干段,不足1m的部分为梢头。在每个1m段的下端截取圆盘,并从胸径部位截取圆盘,对于所有圆盘都进行取样;树冠部分平均分成3层,从上层开始进行枝条解析,每一层分别选取1个枝条作为标准枝,同时进行枝叶分离,对于每一层的树枝和树叶都分别进行取样;对于树根部分,采用“全挖法”将树根全部挖出,将树根分成粗根(>5 cm)、中根(2~5 cm)和细根(<2 cm),分3个部分进行取样。所有样品都记录鲜重,并将所有样品带回实验室,在105℃的条件下进行烘干并记录干重。通过计算干重/鲜重进而推算树干、树枝、树叶及树根的生物量。所有样品都利用C/N分析仪进行含碳率的测定。将所有解析木按照3∶1的比例分成建模数据和检验数据,建模和检验数据的因子统计情况详见表1,盘古林场东北部天然落叶松林各项调查因子统计情况见表2。
表1 建模与检验数据统计表 Tab.1 Statistics of the data for fitting and validation
表2 盘古林场东北部落叶松林各调查因子统计表 Tab.2 Investigation of the factor of natural Larch forest in Northeast part of Pangu farm
1.3 研究方法
1.3.1盘古东北部落叶松不同器官碳密度推算
对于相容性模型及基础模型[16-18]的研究,目前已经有很多成果[19-21],这些研究解决了林木各器官含碳量与总量不相容的问题,对于准确掌握森林生态系统中林木不同器官的含碳量具有重要意义。依据相容性模型构建原理[22],本文建立了大兴安岭盘古林场东北部天然落叶松树干、树枝、树叶和树根的一元相容性含碳量模型,模型以胸径为自变量,利用模型推算林分的碳密度。
1.3.2各器官及全树碳密度与立地因子的关系及空间分布
为进一步分析天然落叶松林各个器官及总量的碳密度与海拔、郁闭度、坡位和林分密度的关系,分别对海拔、郁闭度和林分密度进行分组处理,计算每一个组别的各个器官及总量的碳密度平均值,进而探索其变化规律。
依据各样地天然落叶松林各器官及全树碳密度的计算结果,基于ArcGIS软件平台,采用空间克里格(Kriging)插值,对天然落叶松各器官及全树的碳密度在有限区域内对区域化变量进行无偏最优估计。空间克里格(Kriging)插值的基本原理可以概括为:根据将要进行插值点与相邻实测高程点的空间位置关系,对将要进行插值点的高程值进行线性无偏最有效的估计[23]。克里格插值总的公式表示为:
式中:Z(x0)为未知样点的值;Z(xi)为未知样点周围的已知样本点的值;N为已知样本点的个数;λi为第i个样本点的权重。
该方法有效的利用了空间位置关系的相关信息,进一步考虑了所有样点与周围点的关系,对各器官及全树的碳密度的空间分布进行了估计。
2结果与分析
2.1 天然落叶松林各器官碳密度与立地因子的关系
2.1.1各器官碳密度与海拔的关系
在研究区域内,通过将海拔范围进行等距离划分,得到了落叶松林各器官及总量的碳密度与海拔的关系。树枝、树叶的碳密度与海拔的关系如图2(a)所示,树枝和树叶的碳密度在433~533 m是下降的,在533~683 m都是上升的,而两器官的碳密度都是在483~533 m达到最小值,分别为0.91、0.35 t/hm2。在433~533 m,相对于树叶来说,树枝的降幅较大;在533~633 m,树枝、树叶的碳密度都有小幅上升,而在633~683 m,上升的幅度较大,树枝的上升幅度同样大于树叶,分别达到最大值2.14、0.61 t/hm2。
(a)
(b) 图2 各器官碳密度与海拔的关系 Fig.2 Relationship between the carbon density of the organs and elevation
相对于树枝、树叶而言,树干、树根及总量的碳密度变化与海拔的关系较复杂如图2(b)所示。总体上,在海拔范围为433~583 m,树干、树根及总量先下降后上升,在483~533 m达到最小值;而在583~633 m,三者的碳密度基本保持在平稳的状态;在633~683 m出现了明显的上升趋势,而上升的幅度较大,其中树干的上升幅度要明显大于树根。树干、树根及总量在整个海拔范围的碳密度最小值为20.68、7.33、29.27 t/hm2,最大值为47.37、20.05、70.18 t/hm2。总体上看,各器官及总量的碳密度在483~533 m达到最小值,而在633~683 m达到最大值。
2.1.2各器官碳密度与郁闭度的关系
如图3(a)所示,在郁闭度为0.3~0.4,树枝、树叶的碳密度处于上升阶段,而在郁闭度为0.4时达到最大值,分别为1.81、0.52 t/hm2,其中树枝的上升幅度大于树叶;在0.4~0.6,树枝、树叶的碳密度明显处于下降趋势,在郁闭度为0.6时达到最小值,其中树枝达到最小值0.91 t/hm2,树叶达到最小值0.42 t/hm2;在0.6~0.8,二者又出现小幅的上升趋势。
(a)
(b) 图3 各器官碳密度与郁闭度的关系 Fig.3 Relationship between the carbon density of the organs and canopy density
由图3(b)可知:树干、树根、总量的碳密度变化趋势与树枝、树叶是相同的,即在0.3~0.4处于上升阶段,在0.4~0.6处于下降阶段,而在0.6~0.8处于上升阶段。总体上,树干、树根及总量的碳密度的最大值为40.10、16.92、59.36 t/hm2,最小值为20.98、7.02、29.29 t/hm2。
2.1.3各器官碳密度与坡位的关系
由图4(a)可知,在山谷树叶的碳密度为0.41 t/hm2,从山谷到下坡的过程中,树叶的碳密度处于上升趋势,达到整个坡位范围的最大值约为0.63 t/hm2;从下坡到上坡的过程中,碳密度处于下降趋势,在上坡达到最小值为0.27 t/hm2左右。对于树枝,其碳密度变化趋势与树叶是相同的,即在上坡达到最小值0.57 t/hm2,在下坡达到最大值0.80 t/hm2。
(a)
(b) 图4 各器官碳密度与坡位的关系 Fig.4 Relationship between the carbon density of the organs and slope position
树干、树根及总量的碳密度变化与坡位的关系如图4(b)所示,由山谷到上坡的范围内,碳密度值出现先上升后下降的趋势。树干、树根及总量均在上坡处达到最小值,分别为13.35、3.78、17.98 t/hm2,在下坡达到最小值,分别为36.32、13.82、52.57 t/hm2。
2.1.4各器官碳密度与林分密度的关系
各器官及总量的碳密度与林分密度的关系如图5所示,在林分密度为522~3 022株/hm2,林分密度对树枝、树叶没有明显的影响,而在2 522~3 521株/hm2,树枝、树叶的碳密度大幅度上升,并在3 022~3 521株/hm2达到最大值,分别为2.62、1.06 t/hm2,如图5(a)所示。对于树干、树根及总量如图5(b)所示,其碳密度的变化规律与树枝、树叶相同。
(a)
(b) 图5 各器官碳密度与林分密度的关系 Fig.5 Relationship between the carbon density of the organs and forest density
2.2 天然落叶松各器官及总量碳密度空间分布规律
基于空间克里格插值原理,利用ArcGIS软件绘制了大兴安岭盘古林场东部地区天然落叶松林树干、树枝、树叶、树根及总量碳密度的空间分布图,如图6~图10所示。
由图6可知,研究区域内树干碳密度值主要集中在22.28~34.46 t/hm2,分布于中部及北部地区;最大碳密度值分布区域较小,在整个研究区域内呈现斑块分布,位于北部和东部区域;碳密度的最小值主要分布在北部和南部的部分区域,也呈现斑块分布。整体上看,对于树干而言西部地区的碳密度平均水平要略高于东部地区。
图6 树干碳密度分布图 Fig.6 Distribution of carbon density of stems
树枝的碳密度值主要集中在0.93~1.66 t/hm2,分布在中部及北部的大部分区域;最大碳密度值在研究区域内分布比较零散,主要集中在北部、南部及东部的小部分斑块区域内,最小碳密度值主要分布在北部和东南小部分区域。与树干碳密度分布类似,树枝的碳密度值总体上呈现西高东低的趋势(如图7所示)。
图7 树枝碳密度分布图 Fig.7 Distribution of carbon density of branches
由图8可知,树叶碳密度分布有明显的层次,分布区域最广的碳密度值范围是0.37~0.43 t/hm2,主要集中在中部地区;碳密度最大值主要集中在南部,最小值主要集中在北部和南部的块状区域内。总体上看,在整个研究区域内树叶碳密度从东北到西南地区有比较明显的递增趋势。
图8 树叶碳密度分布图 Fig.8 Distribution of carbon density of foliages
由图9可知,树根的碳密度值在整个区域内分布的比较零散,没有一定的规律。分布区域较广的碳密度值为8.94~11.92 t/hm2;碳密度最大值出现在东部、中部和北部地区,呈现斑块分布,最小值出现在南部和北部地区,也呈现斑块分布,但最大碳密度值和最小碳密度值的分布区域都比较小。
图9 树根碳密度分布图 Fig.9 Distribution of carbon density of roots
与树干、树枝、树叶、树根及总量的碳密度分布不同,总量碳密度的最大值。在整个研究区域内出现的范围比较广,且分布最广的碳密度范围在31.87~43.22 t/hm2,主要集中在西南和东北地区(如图10所示)。总体上,从西南到东北地区,全树的碳密度呈现从大到小的分布趋势。由于树干和树根占全树的比例较大,所以其碳密度的分布规律决定了全树碳密度的分布。
图10 全树碳密度分布图 Fig.10 Distribution of carbon density of individual trees
3结论与讨论
本文分别分析了大兴安岭地区盘古林场天然落叶松林树干、树枝、树叶、树根及总量的碳密度与海拔、林分郁闭度、坡位及林分密度的关系。由于本次研究中所有样地的坡度均小于5°,因此没有探讨坡度对各器官及总量碳密度的影响。
总体上看,各器官及总量的碳密度在高海拔地区是比较大的,而在低海拔地区则比较小。对于树干、树枝和总量而言,高海拔地区的碳密度值要明显高于低海拔地区,而树叶和树根则差异性没有树干和树枝显著。主要的可能原因是海拔直接影响空气中二氧化碳的浓度、温度和光照强度,这3个因素是决定是决定树木进行光合作用的主要因素,而影响树木光合作用是这3个因素的综合作用的结果。在本研究中,海拔主要集中在433~683 m,随着海拔的升高温度会有所降低,但由于空气稀薄,光照强度却有所增强,最终导致其对树木的光合作用产生增强的效果,抵消了二氧化碳浓度和温度降低的效果。
对于郁闭度而言,天然落叶松林各个器官及总量的碳密度在0.4时达到最大值,而在其它郁闭度范围内则没有明显的差异性(同上)。原因可能是,在郁闭度较大的落叶松林中,由于树冠的相互遮掩导致树木的光合作用效率较低,从而影响了树木对碳的吸收;而在郁闭度较低的林分中,由于林地没有有效的利用而导致碳密度比较低。因此,郁闭度能够在一定程度上反应树木对林地的利用程度,进而影响林木对碳的吸收能力。
相对于海拔、郁闭度及坡度而言,林分密度在522~3 022株/hm2对各个器官及全树的碳密度影响不是很显著。因为林分密度是各种立地条件下综合作用的结果,因此可能差异性不是很显著。
不同坡位上碳密度的变化从大到小为下坡、山谷、平地、上坡。这一点与赵文洁[24]的研究结果不完全一致,原因可能是由于研究区域的差别,本研究的范围主要集中在盘古林场。由于不同经纬度的差别,导致光照强度及温度的交互作用,使得研究结果出现差异。
天然落叶松林各个器官及总量的碳密度空间分布特征,各个器官及总量的变化规律是不同的。对于树叶而言,其碳密度的变化在整个研究区域内有明显的层次感,而其它器官及总量则呈现斑块状分布。总体上,各个器官及总量的碳密度从西南到东北呈现降低的趋势,原因可能是由于立地质量造成的。
利用大兴安岭地区盘古林场2011年和2012年30块天然落叶松标准地数据,分析了树干、树枝、树叶、树根及总量的碳密度与海拔、林分郁闭度和坡位之间的关系。利用ArcGIS软件,基于空间克里格插值原理,对各器官及总量的碳密度空间分布进行了系统的研究,以期为该林场的森林经营规划及碳汇的研究提供依据,为林场的营林方案提供基础和条件。
树干、树枝、树叶、树根及总量的碳密度在海拔为633~683 m达到最大值,最大值分别为47.37、2.14、0.61、20.05、70.18 t/hm2;在郁闭度为0.4~0.5达到最大值,分别为40.10、1.81、0.52、16.92、59.36 t/hm2;不同坡位上碳密度的变化从到小为下坡、山谷、平地、上坡。各器官及全树的碳密度在3 022~3 521株/hm2达到最大值。
基于空间克里格插值原理,利用ArcGIS绘制了树干、树枝、树叶、树根和全树的碳密度空间分布图。结果显示,不同的器官及全树之间的碳密度值在整个研究区域内的分布规律存在明显差异。在该地区树干的碳密度变化范围是5.99~46.33 t/hm2,树枝的碳密度变化范围是0.31~2.92 t/hm2,树叶的碳密度变化范围是0.27~0.78 t/hm2,树根的碳密度变化范围是2.25~20..39 t/hm2,全树的碳密度变化范围是6.43~60.40 t/hm2。
综上所述,对于单木碳密度的变化规律应该分器官进行研究。不同的器官碳密度的变化规律是不一致的,与林分因子之间的关系也不相同。这就为今后更加充分的掌握单木各个器官的碳密度变化规律提供了基础条件。
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[责任编辑:刘美爽]