基于森林调查数据估算凉水保护区立木碳储量

2016-04-17孙美欧

西南林业大学学报 2016年2期

关键词：立木凉水实验区

孙美欧孙虎顾伟

（1.黑龙江省带岭林业科学研究所，黑龙江伊春153106；2.东北林业大学凉水自然保护区，黑龙江伊春153106）

基于森林调查数据估算凉水保护区立木碳储量

孙美欧1孙虎2顾伟2

（1.黑龙江省带岭林业科学研究所，黑龙江伊春153106；2.东北林业大学凉水自然保护区，黑龙江伊春153106）

收集整理凉水保护区1989、1999、2009年3期森林调查数据，结合蓄积量-生物量转化方程和各优势树种平均含碳率，估算了凉水保护区林分立木碳储量，按照各区域、林龄组分析碳储量和碳密度动态。结果表明：经过20 a的有效保护，凉水保护区森林面积和立木碳储量稳步增长，在2009年时保护区森林面积达到了6330.9 hm2，森林覆盖率超过了98%，立木碳储量为434054 t，平均立木碳密度为68.6 t/hm2，其中天然林碳立木密度为70.1 t/hm2，人工林立木碳密度为53.8 t/hm2；20 a间，凉水保护区各区域林分立木碳储量稳步增长，增长率大小为原始林实验区（100.2%）＞人工林实验区（58.2%）＞次生林实验区（55.6%）＞核心区（32.9%），分类保护效果明显；凉水保护区森林以成、过熟林为主，林分立木碳密度与林分年龄成正比，分别为幼龄林（50.7 t/hm2）＜中龄林（54.4 t/hm2）＜近熟林（61.7 t/hm2）＜成熟林（70.5 t/hm2）＜过熟林（76.8 t/hm2）。

凉水保护区；碳储量；碳密度；动态变化

Key words：Liangshui national nature reserve；carbon storage；carbon density；dynamic change

《联合国气候变化框架公约》将气候变化定义为：除在类似时期内所观测的气候的自然变异之外，由直接或间接的人类活动改变了地球大气组成所造成的气候改变［1］。研究表明，森林生态系统是陆地生态系统的主体，因此森林生态系统中植被和土壤固碳量的减少被认为是造成大气CO2浓度升高的主要原因之一［2］。森林生态系统中植被碳储量的估计，常通过测定森林植被的生物量再乘以含碳率推算得到，因此林分生物量及其组成树种的含碳率就成为了估算森林碳储量的关键。近30 a来，诸多学者就森林生态系统碳储量、碳密度特征及其动态变化进行了大量研究，从不同尺度对森林碳储量进行了估算［3-6］。但是由于森林类型、研究尺度和生物量测定方法的差异较大，因此碳储量估算的结果不尽相同。森林资源调查具有很强的连续性，因此基于森林资源调查数据估算大尺度森林碳储量是比较可行的方法之一，并且随着调查规程和技术进一步规范化，调查数据具有较高的可比性。

为了保护典型森林类型及其丰富的物种多样性，我国在1956年建立了全国第一个具有科学要领的鼎山湖自然保护区［7］。经过近60 a的发展，截止到2014年底，我国共建立各类自然保护区2 729个，其中森林生态系统类型自然保护区数量最多，达1 410个，保护了我国绝大多数濒危动植物和典型森林生态系统，发挥了保护区的主体功能。随着保护区事业的发展，保护区教学、科研、宣教和旅游等功能都得到了较好的开发和利用，但是关于自然保护区森林“碳汇”的研究还较少，为了保护区的可持续发展和发挥森林生态系统的其他功能，需要对保护区森林“碳汇”功能进行研究。凉水国家级自然保护区保留了成片的原始阔叶红松（Pinus koraiensis）林，为小兴安岭阔叶红松林生态系统提供了原始的本底资料，科学价值巨大，经过50多年的发展，保护区进行了大量相关科学研究，但是关于保护区森林碳储量的研究较少。本研究基于保护区3期森林经理调查数据，对保护区森林碳储量进行估算，分析林分立木碳储量及碳密度动态变化情况，以期为保护区森林资源保护和可持续发展提供基础依据。

1 研究区域概况

黑龙江凉水国家级自然保护区位于伊春市带岭区中心，保护区总面积为12133 hm2，其中有林权面积为6 394 hm2，四周与带岭区林场交界，地处北纬47°7′15″～47°14′38″，东经128°48′8″～128°55′46″，距离哈尔滨市320 km，是东北林业大学教学实习和科学研究的重要基地之一［8］。凉水保护区自1952年由带岭林业实验局开发，建立森铁支线，1953—1957年间主要以皆伐方式采伐近千hm2原始红松林，采伐后在皆伐迹地上进行了各种不同树种、不同密度、不同整地方式的植苗、直播等人工更新造林试验；1958年3年开始建立东北林学院凉水实验林场，之后停止大面积采伐；1979年9月经当时林业部批准改为凉水自然保护区；1997年9月加入中国人与生物圈自然保护区网络，同年12月经国务院批准晋升为国家级自然保护区［9］。

保护区主要保护对象是以红松为主的阔叶红松林及其森林生态系统，区内自然资源丰富、植被群落类型复杂多样，分布有大片原始红松针阔混交林，是我国目前保存下来的最为典型和完整的原始红松针阔叶混交林分布区之一，也是中国和亚洲东部具有代表性的温带原始红松针阔叶混交林区［10］。保护区处于欧亚大陆的东缘，境内全为山地，坡度为10°～15°，属于小兴安岭南坡达里带岭东坡，北高南低，海拔280～707m。保护区具有明显的温带大陆性季风气候特征，极端最低气温达-43.9℃，极端最高气温达38.7℃；夏季高温多雨，冬季严寒干燥，年均气温在-0.3℃左右；无霜期100～120 d，积雪期130～150 d；多年平均降水量676mm，多集中在7月；保护区地带性土壤为暗棕壤。依据国家对自然保护区区划原则和本区域森林植被的分布状况及经营目的，将凉水保护区划分为2个区域，即核心区和实验区，其中实验区包括原始林实验区（1 109.9 hm2）、次生林实验区（685.3 hm2）和人工林实验区（849.4 hm2）。核心保护区（3 685.4hm2）为集中连片的原始阔叶红松林、谷地云冷杉林、兴安落叶松（Larix gmelinii）林和少部分的红松、落叶松人工林，核心区保存了具有原始面貌的典型的小兴安岭地带性顶级植被类型，禁止一切人为干扰和破坏；实验区可针对不同目的采取适当的森林经营措施以及开展适当的教学实习和科学研究活动。

2 研究方法

凉水保护区森林资源调查工作最早始于1951年11月。到目前为止，凉水保护区已进行过5次森林资源调查，早期的森林资源调查内容较少，调查手段相对落后，技术相对粗放，随着后期资源调查技术规程的逐渐规范化，凉水保护区在第3次（1989年）森林经理复查时建立了完整的森林资源清查体系，在第4次（1999年）和第5次（2009年）经理复查时修正了前期调查时存在的不足，使保护区森林资源数据更加完整，具有连续性。本研究收集整理了凉水保护区第3次、第4次和第5次森林资源调查数据，建立数据库，统计了各调查时期保护区森林面积、各优势树种面积蓄积和各龄级蓄积量等指标，以便进行碳储量估算。本研究估算的林分碳储量仅指林分乔木层碳储量（DBH≥5 cm的乔灌木），林下层、灌木层、凋落物层和土壤层碳储量不包括在内，林分类型以及各龄级划分标准主要参考2011年国家林业局颁布的《森林资源规划设计调查技术规程》和黑龙江省林业厅2004年颁布的《黑龙江省市县林区森林资源规划设计调查操作细则》。

大尺度森林生物量的估算一直是林学科学家和生态学家关注的焦点，自20世纪70年代开始很多学者就对大范围内的生物量进行了估测［11-12］。通过参考比较诸多学者的研究成果［13-15］，用材积源-生物量法进行大尺度林分生物量估算比较合理，因为森林蓄积量是森林生长的立地条件、气候条件和森林年龄及其他各因素的综合反映，并且大量试验证明森林蓄积量和生物量之间存在非常显著的回归关系。本研究选取合适的蓄积量-生物量转化公式将林分蓄积量转化为生物量，同时参考贾炜玮等［16］、彭娓等［17］研究成果，选取各优势树种含碳率数据，将生物量乘以含碳率估算林分立木碳储量，而林分立木碳储量除以林分面积则为立木碳密度。各优势树种蓄积量-生物量转换公式及各优势树种平均含碳率见表1。

表1 蓄积量-生物量转换公式及各优势树种含碳率Tab.1 Volume-Biomass conversion formula and carbon content rate of each dominate tree species

3 结果与分析

3.1 凉水保护区不同起源林分面积、蓄积、立木碳储量和碳密度

根据凉水保护区1989、1999、2009年3期森林经理调查数据，按照林分起源统计林分面积、蓄积量、碳储量以及碳密度，结果见图1。自1989年以来，凉水保护区逐步停止了木材生产，采取了“封山育林”措施，只是结合科学研究进行了少量的抚育伐，并且增大了人工造林促进森林恢复更新的力度，使得保护区森林面积逐年增长，到2009年调查时森林总面积已达到6 330.9 hm2，森林覆盖率超过了98%。天然林面积在1989—1999年和1999—2009年间分别以4.5%和7.7%的速率增长，在2009年调查时超过了森林面积的90%；人工林面积在1989—1999年间增加了227.8 hm2，但是在2009年调查时人工林面积仅为603.8 hm2，并且林分类型和优势树种均发生了明显变化，估计是经过长期封山育林，保护区人工林已经达到或者已经接近了天然林的生长状态，在森林调查时就将一部分林龄较长的人工林归为了天然林。20 a间，保护区林分立木蓄积量增长较多，增长率超过了22%，2009年时为1 590 084 m3，天然林立木蓄积量超过了总蓄积量的93%；立木碳储量增长速率接近50%，经过估算，2009年时立木碳储量为434 054 t，其中天然林立木碳储量所占比例达到了92.5%；保护区林分立木碳密度逐年增大，从1989年的49.9 t/hm2增大到2009年的68.6 t/hm2，其中人工林立木碳密度出现了先增后降的趋势。1999年调查时人工林立木碳密度大于天然林，达到了64.6 t/hm2，到2009年时下降到53.8 t/hm2，天然林立木碳密度一直呈现上升趋势，到2009年时达到70.1 t/hm2。

3.2 凉水保护区各区域林分立木碳储量和碳密度动态

为了更好的管理森林资源，提高森林生态服务功能，凉水保护区将森林分为了核心保护区和实验区，又将实验区分为了原始林实验区、次生林实验区和人工林实验区，通过统计各区域所属林班森林类型、林分立木蓄积量等指标，估算出各区域20 a间立木碳储量和碳密度情况，见图2。通过实施分类保护举措，各区域立木碳储量增长率不同，1989—2009年间，各区域立木碳储量增长率大小为原始林实验区（100.2%）＞人工林实验区（58.2%）＞次生林实验区（55.6%）＞核心区（32.9%）。截止到2009年，核心区立木碳储量为230 044.6 t，占保护区立木碳储量的53.0%，然后依次是原始林实验区（21.3%）＞人工林实验区（14.5%）＞次生林实验区（11.2%）。可以看出，核心区虽然立木碳储量增速缓慢，但是仍然是保护区立木碳储量的主体。在20 a间，4个区域立木碳密度总体呈现出增长的趋势，但是不同区域增长速率不同，碳密度增速最快的是原始林实验区，从1989年的44.9 t/hm2到2009年的83.2 t/ hm2，增长速率超过了85%，说明该区域森林生长速度较快，积累了大量碳素；其他区域碳密度（碳密度增速）大小排序依次是：人工林实验区74.1 t/ hm2（48.6%）＞次生林实验区71.2 t/hm2（39.6%）＞核心区62.4 t/hm2（22.0%）。

3.3 凉水保护区各龄级林分立木碳储量和碳密度动态

林分年龄和林分立木碳储量、碳密度关系密切。在3次森林经理调查中，凉水保护区各龄组立木碳储量随着林分生长、树种组成和林型变化以及各龄级林分面积增减产生了较大差异，没有呈现出显著的随林龄变化的规律，但是总体上均是成、过熟林立木碳储量较大，所占整体林分立木碳储量比重也最大，真实反映了凉水保护区林分年龄结构，也符合森林更新演替的自然过程（图3）。截止到2009年，凉水保护区各龄级林分立木碳储量大小（所占比例）依次为过熟林238 085.2 t（54.8%）＞成熟林77 865.8 t（17.9%）＞中龄林57 607.9 t（13.3%）＞近熟林35 868.9 t（8.3%）＞幼龄林24 714.5 t（5.7%）。3次经理调查结果显示，各龄级林分立木碳密度都和林分年龄呈显著正相关关系（R2＞90%），尤其是近熟林到成、过熟林阶段碳密度增速快。截止到2009年，凉水保护区各龄级林分立木碳密度依次为过熟林（76.8 t/hm2）＞成熟林（70.5 t/hm2）＞近熟林（61.7 t/hm2）＞中龄林（54.4 t/hm2）＞幼龄林（50.7 t/hm2）。

4 结论与讨论

有研究表明，森林生态系统立木碳储量与树种组成、林龄结构等均有关系，且受不同区域的气候、土壤以及人为经营管理措施等影响［18］。根据凉水自然保护区3期森林调查数据，结合蓄积量-生物量转化方程估算得到林分立木碳储量和碳密度。结果显示在1989—2009年，随着凉水保护区森林面积逐年增大，林分立木碳储量也在增大，起到了“碳汇”作用［15］；同时林分立木碳密度逐年增大，由1989年的49.9 t/hm2增大到2009年的68.6 t/hm2，大于同时期焦燕等［19］研究得出黑龙江省森林植被碳储量得到的结果（30.92 t/hm2）、王新闯等［20］研究吉林省森林生态系统得到的碳密度（54.35t/hm2），也同样要比王雪军等［21］研究辽宁省得到森林碳密度（21.80 t/hm2）高3倍左右。尤其是保护区天然林立木碳储量密度在2009年时达到了70.1 t/hm2，这个数值大于很多其他林分类型的碳密度。同时，凉水保护区根据本地区森林实际情况，结合森林不同功能，将森林划分为不同的保护区域进行管理，最大程度发挥森林的不同功能，分类管理效果显著。20 a来，各区域林分立木碳储量稳步增长，立木碳储量密度逐年提高，说明凉水保护区很好的发挥了自然保护区的主体功能，有效的保护了东北小兴安岭林区典型森林类型，使森林生产力始终处于较高水平，在保护生物多样性的同时保持了较高的“碳汇”能力，同时也为小兴安岭森林更新恢复、提高森林碳汇提供了样本。

林分年龄对立木碳储量、碳密度影响较大［23］。按照林龄组将凉水保护区3期森林资源调查数据进行统计，估算得到各调查期各林龄组林分立木碳储量和碳密度。结果表明，凉水保护区森林以成、过熟林为主，随着各龄级森林面积的变化，林分立木碳储量随之变化，碳储量主体仍然是成熟林和过熟林，所占比例超过70%。马炜等［24］研究长白落叶松（Larix olgensis）人工林得到相同的结果，并且乔木层碳储量所占比例超过了80%；各龄级林分立木碳密度都随着林龄增大而增大，与魏亚伟等［24］研究兴安落叶松天然林碳储量得到的结果类似；邢玮等［25］研究不同林龄杨树（Populus spp.）人工林碳储量得到了相同的结果，无论是杨树各器官还是整株碳密度都随着林龄增大而增大；黄国胜等［24］研究东北地区落叶松林碳储量发现落叶松林立木碳储量同样随着林分年龄增大而增大，并且成、过熟林碳储量和碳密度都要远远大于幼、中龄林。

本研究表明，凉水自然保护区20 a来森林资源保护效果明显，森林“碳汇”作用显著。从林分年龄看，凉水保护区森林大多都处在“老年期”，多数森林已处于“碳汇”成熟龄［26］。大面积森林长期未受较大干扰，林相完整，生态系统结构和组成保持了原始状态，林地生产力较高，林内积累了大量枯立木、腐朽木和凋落物［27］。本研究仅仅估算了林分立木碳储量，不包括凋落物层、林下植被层和林内枯立木、腐朽木碳储量以及土壤碳库，在后续研究中应重点估算森林生态系统其他碳库碳储量，提高凉水保护区森林整体“碳汇”能力评估可靠性。

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（责任编辑曹龙）

Calculate Tree Layer Carbon Storage of Liangshui National Nature Reserve based on Forest Survey Data

Sun Meiou1，Sun Hu2，Gu Wei2
（1.Dailing Forestry Science Institute，Yichun Heilongjiang 153106，China；2.LiangshuiNational Nature Reserve，Northeast Forestry University，Yichun Heilongjiang 153106，China）

The study collected three periods of forest survey data which is 1989，1999 and 2009 in Liangshui national nature reserve，combined with volume-biomass conversion equation and average carbon content rate of dominate species，calculated carbon storage of tree layer，analyzed dynamic change of carbon storage and carbon density based on area groups and age groups.The results showed that：Forest area and carbon storage of tree layer at Liangshui national nature reserve has increased steadily over 20 years′effective protection.The forest area reached at 6 330.9 hm2in 2009，forest coverage rate is over 98%，carbon storage of tree layer is434 054 t，average carbon density of tree layer is68.6 t/hm2.The carbon density of tree layer of natural forest is70.1 t/hm2and 53.8 t/hm2for plantation.The carbon storage of tree layer in eachfield grown steadily during the past20 years，the growth rate range as natural forest experimentarea（100.2%）＞plantation experiment area（58.2%）＞secondary forest experiment area（55.6%）＞core area（32.9%），the classification protection effect is obvious；Themain body of forest at this region ismature forest and over-mature forest，carbon density of tree layer is proportional to the forest age，each forestage groups′carbon density are as flowing：young-age forest（50.7 t/hm2）＜middle-age forest（54.4 t/hm2）＜near-mature forest（61.7 t/hm2）＜mature forest（70.5 t/hm2）＜over-mature forest（76.8 t/hm2）.