山西太岳山森林生物量与碳密度研究

伊锋，韩有志，贺自书，杨秀清

（1.山西农业大学林学院，山西太谷030801；2.山西省太岳山国有林管理局，山西介休032000）

山西太岳山森林生物量与碳密度研究

伊锋1，韩有志1，贺自书2，杨秀清1

（1.山西农业大学林学院，山西太谷030801；2.山西省太岳山国有林管理局，山西介休032000）

基于2010，2015年2期森林资源连续清查数据，采用双向指示种分析（TWINSPAN）方法对山西太岳山森林植被进行群系分类，运用生物量转换因子连续函数法（variable BEFF）对太岳山森林生物量和碳密度进行动态分析。结果表明，太岳山共分为9个群系，其森林植被以油松群系、辽东栎+油松群系和辽东栎群系为主，占太岳山森林植被的75%；太岳山2010，2015年的森林总生物量分别为601.7万、713.4万t，平均生物量分别为74.43，88.26 t/hm2，森林碳储量分别为300.8万、356.7万t，碳密度分别为37.22，44.13 t/hm2，2010—2015年碳密度增加了6.91 t/hm2，以1.38 t/（hm2·a）的速率增加。

太岳山；生物量；碳储量；碳密度；生物量转换因子连续函数法

森林植被是陆地生物圈的主体，森林生物量约占全球陆地植被生物量的90%，而森林植物中的碳含量约占生物量干质量的50%[1-3]。因此，森林生物量、碳储量和碳密度的研究对森林经营管理措施以及森林的评价与决策都具有重要的理论和实践意义[4]。国外关于森林生物量、碳储量和碳密度的研究比较早，主要集中在全球或国家大尺度上[5-6]。国内研究多结合森林资源连续清查资料，对国内或省级尺度的生物量和碳储量进行估算[7-9]，也有许多学者利用森林资源连续清查数据研究不同区域不同层次森林生态系统的生物量、碳储量和碳密度[10-12]。这些研究为探索我国森林生物量的变化与森林碳汇及全球气候的变化奠定了十分重要的基础。

本研究以2010，2015年2期森林资源连续清查数据为基础，采用双向指示种分析方法，划分山西省太岳山的森林植被类型；运用生物量转换因子连续函数法，对太岳山森林植被生物量和碳密度的变化进行动态分析[13]，不包括灌木层、草本层、土壤层等[14-16]，旨在为太岳山森林的更新改造和结构调整提供参考依据，也为山西省的森林可持续发展提供基础数据和理论参考。

1 研究区域概况

研究区位于太岳林区，地理坐标为北纬36°20′～37°15′，东经111°40′～112°40′，南北长约150 km，东西宽60余km[17]，最高海拔2 566.6 m。山西省太岳山国有林管理局地处山西省中南部，涉及长治、晋中、临汾、吕梁4个市共14个县（市）[18]，全局经营总面积14.7万hm2，森林覆盖率为79.8%[19-20]。该区属于暖温带大陆性季风气候，年均气温为4～8℃，年均降水量为550～670mm，年均日照时数为2500～2 700 h，7—9月份的总降水量占全年的65%以上，相对湿度为60%～65%，无霜期为120～200 d[19]。林区基岩以花岗岩、石灰岩、页岩、沙页岩为主，研究区的地带性土壤为褐土[21-23]。

太岳山森林植被的主要优势树种有油松、辽东栎、白桦、白皮松、侧柏、椴树和山杨等，灌木主要有黄刺玫、胡枝子、连翘和沙棘等，草本主要有苔草、羊胡子等[24]。

2 研究方法

2.1 数据来源及样地分布

本研究的基础数据来源于山西省太岳山国有林管理局2010年（第八期）和2015年（第九期）2期森林资源连续清查。山西省森林资源连续清查每隔4 km随机选取正方形样地，面积为0.066 7 hm2，乔木的起测径阶为5 cm，检尺高度为1.3 m处[25]。2期森林资源连续清查共包括246个样地，其中，2期共有的固定有林样地135个。

2.2 植被分类

本研究基于森林资源连续清查资料，在太岳山135个固定有林样地中，共记录了36个树种。利用公式（1）计算各样地内树种的重要值，从而得到太岳山36×135（物种×样地）的重要值矩阵，参考《中国植被》的分类系统[26]，采用TWINSPAN方法对太岳山135个有林样地的森林植被进行群系分类。

重要值＝（相对多度＋相对频度＋相对显著度）/3；相对多度＝该树种个数/全部树种数× 100%；相对频度＝某树种频度/全部树种频度× 100%；相对显著度＝某树种胸径总面积/全部树种胸径总面积×100%[13]。

2.3 森林生物量的测定

山西太岳山森林生物量的估算采用生物量转换因子连续函数法[27-28]，其森林生物量估计回归方程如下。

式中，B为单位面积生物量（t/hm2）；V为单位面积蓄积量（m3/hm2），其值为各样地单株材积之和，单株树木的材积依据其胸径值通过《山西省林业标准汇编》中的立木一元材积表查得。a，b为常数，本研究所需要的树种或树种组参数直接参照方静云等[2，27]和刘国华等[29]的标准（表1）。

表1 森林生物量与蓄积量转换模型参数

各群系生物量=各群系平均生物量×总面积×各群系样地个数/总样地个数。式中，各群系生物量单位为t，各群系平均生物量单位为t/hm2，总面积为山西省太岳山国有林管理局经营的整体面积，单位为hm2，总样地数为246个。

2.4 森林碳储量和碳密度的测定

森林植被碳储量可以根据植物有机物中的碳含量进行计算，其计算公式如下。

式中，C为森林植被碳储量（t），W为森林植被生物量（t），Wc为森林植被生物中碳的转化率[30]。

国际上根据不同植被类型采用的含碳率大多为0.44～0.53，本研究采用国际上常用的乔木含碳率转换系数0.5[2，27]。碳密度的单位为t/hm2。

3 结果与分析

3.1 TWINSPAN分类结果

太岳山森林植被共分为9个群系：①白皮松＋侧柏群系；②油松群系；③辽东栎＋油松群系；④辽东栎群系；⑤辽东栎＋鹅耳枥群系；⑥辽东栎＋枫树群系；⑦白桦＋辽东栎＋山杨群系；⑧白桦＋华北落叶松群系；⑨刺槐群系。太岳山森林植被以群系②（油松）、群系③（辽东栎＋油松混交）和群系④（辽东栎）为主，占太岳山森林植被的75%（图1）。

3.2 森林生物量分析

根据森林生物量估计回归方程（公式（1））和各树种的计算参数，计算出2010，2015年9个群系各群系的平均生物量，利用公式求得太岳山各群系的生物量，总和为太岳山森林植被总生物量，分别为601.7万、713.4万t。结合图1和表2，再利用公式可得，2010，2015年太岳山森林植被平均生物量分别为74.43，88.26 t/hm2，5 a间平均生物量增加了13.83 t/hm2，以2.77 t/（hm2·a）的速率增加。

表2 太岳山森林生物量及碳储量分析

3.3 森林碳储量和碳密度分析

利用公式（2）可得2010，2015年太岳山森林植被的碳储量分别为300.8万、356.7万t，碳密度分别为37.22，44.13 t/hm2。2015年森林植被的碳密度（44.13 t/hm2）高于2010年（37.22 t/hm2），5 a间碳密度增加了6.91 t/hm2，以1.38 t/（hm2·a）的速率增加。

比较2015年各群系碳密度可知，9个群系的碳密度存在差距，其中，群系⑤的碳密度最高，而群系⑨的碳密度最低。各群系间的碳密度介于2.60～71.33 t/hm2（表3）。

表3 2010，2015年各群系碳密度分析t/hm2

由表4可知，各群系碳密度2010—2015年均有所增加，其中，群系⑧的增加率最高，为2.56 t/（hm2·a）；群系①最低，为0.44 t/（hm2·a）。

表4 2010—2015年各群系碳密度变化

4 结论与讨论

本研究采用TWINSPAN方法将太岳山135个有林样地分为白皮松＋侧柏、油松、辽东栎＋油松、辽东栎、辽东栎＋鹅耳枥、辽东栎＋枫树、白桦＋辽东栎＋山杨、白桦＋华北落叶松和刺槐9个群系。2010—2015年各群系碳密度均有所增加，2015年各群系的碳密度介于2.60～71.33 t/hm2，其中，辽东栎+鹅耳枥群系的碳密度最高，为71.33 t/hm2，刺槐群系最低，为2.60 t/hm2。将太岳山森林植被进行群系分类，也为下一步研究各群系碳密度的空间分布格局奠定了基础。

太岳山2010，2015年的森林生物量分别为601.7万、713.4万t，平均生物量分别为74.43，88.26t/hm2，森林碳储量分别为300.8万、356.7万t，碳密度分别为37.22，44.13 t/hm2，2010—2015年碳密度增加了6.91 t/hm2，以1.38 t/（hm2·a）的速率增加。山西太岳山森林植被生物量和碳密度的估算为太岳山的森林更新改造和结构调整提供了科学依据，也为山西省乃至全国的森林生物量和碳密度研究提供了参考依据。

［1］方精云，陈安平，赵淑清，等.中国森林生物量的估算：对Fang等Science一文（Science，2001，291:2320-2322）的若干说明[J].植物生态学报，2002，26（2）：243-249.

［2］方精云，刘国华，徐嵩龄.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.

［3］杨昆，管东生.珠江三角洲森林的生物量和生产力研究[J].生态环境，2006，15（1）：84-88.

［4］刘萍，邓鉴峰，魏安世，等.广州市森林生物量及碳储量的评估[J].西南林业大学学报，2015，35（4）：62-65．

［5］BIRDSEY R，PREGITZER K，LUCIER A.Forest carbon management in the United States:1600-2100[J].Journal of Environmental Quality，2006，35：1461-1469.

［6］RENNIE P J.The uptake of nutrients by mature forest growth[J]. Plant and Soil，1955，7：49-95.

［7］方精云，郭兆迪，朴世龙，等.1981—2000年中国陆地植被碳汇的估算[J].中国科学（D辑：地球科学），2007，37（6）：804-812.

［8］ZHAO M，ZHOU G S.Carbon storage of forest vegetation in China and its relationship with climatic factors[J].Climatic Change，2006，74：175-189.

［9］李海奎，雷渊才.中国森林植被生物量和碳储量评估[M].北京：中国林业出版社，2010.

［10］王绍强，周成虎，罗承发.中国陆地自然植被碳量空间分布特征探讨[J].地球科学进展，1999，18（3）：238-244.

［11］张茂震，王广兴.浙江省森林生物量动态[J].生态学报，2008，28（11）：5665-5674.

［12］刘延男，聂永雄，周梓富，等.土贡优良种源马尾松生物量及生产力研究[J].山西农业科学，2015，43（10）：1247-1251.

［13］王琰，俞艳霞，张先平，等.吕梁山南端森林碳密度及其空间分布格局研究[J].生态环境学报，2013，22（10）：1658-1664.

［14］阿不都赛买提·乃合买提，艾克拜尔·伊拉洪，赛牙热木·哈力甫.伊犁昭苏草原黑钙土不同海拔高度土壤有机碳的垂直分布特征[J].新疆农业科学，2017（1）：156-164.

［15］蔡兆炜，孙玉军，刘凤娇.长白落叶松林下灌木生物量模型研究[J].河南农业科学，2013，42（6）：126-129.

［16］李春喜，陈惠婷，马守臣，等.不同耕作措施对麦田土壤碳储量和作物水氮利用效率的影响[J].华北农学报，2016，31（4）：220-226.

［17］乌吉斯古楞.太岳山森林生态系统服务功能价值评价研究[D].北京：北京林业大学，2012.

［18］宋河山.太岳山林区危旧房改造工程成效与思考[J].山西林业，2014（1）：12-15.

［19］李卓玉，张峰，上官铁梁，等.太岳山种子植物区系的初步分析[J].山西大学学报（自然科学版），1993，16（1）：101-106.

［20］王希群，王治明，王占勤，等.山西省太岳山森林的保护价值分析[J].林业资源管理，2012（4）：29-32.

［21］段晓梅，张钦弟，毕润成.山西太岳山森林演替过程中建群种的动态特征和种间关系[J].西北植物学报，2014，34（8）：1658-1665.

［22］张金屯.山西太岳山植被地理[J].山西大学学报（自然科学版），1988，11（1）：83-90.

［23］毕润成，阎桂琴.霍山植被群落学特征的定量研究[J].山西师大学报（自然科学版），1991，5（2）：48-52.

［24］许强.霍山植物物种多样性沿海拔梯度格局及环境解释[D].临汾：山西师范大学，2015.

［25］卢景龙，梁守伦，刘菊.山西省森林植被生物量和碳储量估算研究[J].中国农学通报，2012，28（31）：51-56.

［26］中国植被编委会.中国植被[M].北京：科学技术出版社，1980：452-862.

［27］FANG J Y，WANG G G，LIU G H，et al.Forest biomass of China: an estimate based on the biomass-volume relationship[J].Ecological Applications，1998，8（4）：1984-1091.

［28］王军才，刘济明，闫国华，等.喀斯特森林优势树种罗伞生物量研究[J].河南农业科学，2015，44（4）：125-130.

［29］刘国华，傅伯杰，方精云.中国森林碳动态及其对全球碳平衡的贡献[J].生态学报，2000，20（5）：733-740.

［30］付达夫，宋庆安，李典军.西藏墨脱县森林植被生物量与碳储量分析[J].湖南林业科技，2015，42（4）：68-72.

Study on the Forest Biomass and Carbon Density in Taiyue Mountain of Shanxi Province，China

YI Feng1，HANYouzhi1，HE Zishu2，YANGXiuqing1
（1.College ofForestry，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；2.The State-owned Forest Administration in Taiyue Mountain ofShanxi Province，Jiexiu 032000，China）

Based on the data from the continues forest inventory in 2010 and 2015,the forest vegetation of Taiyue Mountain in Shanxi province were classified using TWINSPAN method.The forest biomass and carbon density of Taiyue Mountain were analysed by the variable biomass expansion factor function（BEFF）method.The results showed that Taiyue Mountain were divided into 9 formations, Pinus tabuliformis formation and Quercus wutaishanica+Pinus tabuliformis formation and Quercus wutaishanica formation were the main formations ofthe forest vegetation ofTaiyue Mountain,which accounted for 75%of the forest vegetation of Taiyue Mountain.In 2010 and 2015,the total forest biomass of Taiyue Mountain were 6.017 million tons and 7.134 million tons,respectively,the average biomass were 74.43,88.26 t/hm2,respectively,the carbon reserve were 3.008 million tons and 3.567 million tons，respectively,the carbon density were 37.22,44.13 t/hm2,respectively.The carbon density increased 6.91 t/hm2in five years,and the growth rate of carbon density was 1.38 t/（hm2·a）.

Taiyue Mountain；biomass;carbon reserve;carbon density;variable biomass expansion factor function

S718.5

A

1002-2481（2017）04-0599-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2017.04.27

2016-11-11

中国博士后科学基金面上项目（2013M530892）

伊锋（1991-），男，山西临汾人，在读硕士，研究方向：森林培育。韩有志为通信作者。