祁连山青海云杉林生物量与碳储量及其影响因素分析

刘建泉+李进军+郝虎

摘要 在样地调查的基础上，利用青海云杉胸径—材积的一元模型、青海云杉林蓄积—生物量模型、相关分析和主成分分析法，对甘肃祁连山青海云杉林的蓄积量、生物量、碳储量以及影响青海云杉林碳储量的主要因子进行了研究。结果表明，青海云杉林单位面积的蓄积量、生物量和碳储量平均值分别为223.445 4 m3/hm2、136.075 5 t/hm2和96.186 4 t/hm2；总生物量和碳储量分别达到2.59×107 t和1.52×107 t，其中中龄林和近熟林的生物量和碳储量分别占总量的42.581 8%和41.134 8%，而幼龄林仅占1.080 9%；影响森林植被碳储量的主要因子为环境水热状况，温度是影响祁连山森林植被碳储量最关键的因子。

关键词 青海云杉林；蓄积量；生物量；碳储量；影响因素；祁连山

中图分类号 S718.5 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）12-0140-04

Abstract Based on sample survey，using a meta model of DBH-volume of Picea crassifolia，stand volume-biomass model of Picea crassifolia forest，correlation analysis and principal component analysis，the stand volume，biomass，carbon storage and the main factors affecting the carbon storage of Picea crassifolia forest in Gansu Qilian Mountains were studied.The results showed that the stand volume，biomass and carbon storage of per unit area averages was 223.445 4 m3/hm2，136.075 5 t/hm2 and 96.186 4 t/hm2.The total biomass and total carbon storage reached 2.59×107 t and 1.52×107 t，biomass and carbon storage of mid-age forest and near-mature forest accounted for 42.581 8% and 41.134 8% of the total，respectively，and young forest accounted for only 1.080 9%.The main factors that affectd the forest vegetation carbon storage was hydrothermal condition of the environment，the temperature was the most critical factor affecting forest vegetation carbon storage in Qilian mountains.

Key words Picea crassifolia forest；stand volume；biomass；carbon storage；influence factor；Qilian Mountains

碳源（carbon source）是指向大氣中释放碳的过程、活动或机制。碳汇（carbon sink）是指通过植树造林、森林管理、植被恢复等措施，利用植物光合作用吸收大气中的CO2，并将其固定在植被或土壤中，从而减少温室气体在大气中浓度的过程、活动或机制[1]。当生态系统固定碳量大于排放的碳量，该系统就称为大气CO2的汇，反之，则为碳源[2]。森林生态系统是陆地生态系统的主体，它贮存了陆地生态系统76%～98%的有机碳；森林是陆地上最大的碳汇，森林碳汇（forest carbon sinks）是指森林植物吸收大气中CO2并将其固定在植被或土壤中，从而减少该气体在大气中的浓度的过程、活动或机制[3]。森林植被所固定的碳量约占陆地植被总固碳量的82.5%，是森林固碳能力的重要标志和植被碳汇的主要载体[3-4]。中国森林碳汇占总碳汇的52.85%[1]，其在应对气候变化和增加大气碳吸收中具有重要作用。

青海云杉（Picea crassifolia）林主要分布于祁连山和贺兰山两大山系，其中祁连山分布面积占总面积的94.6%[3]，是祁连山森林生态系统的主要组成成分，对发挥森林生态系统服务功能、维护山地—绿洲—荒漠生态系统的平衡、促进西部经济社会的稳定发展都具有重要意义。目前，对青海云杉林的研究主要集中在森林生态、森林水文、森林土壤等领域[5-10]，在生物量方面也有研究[11-14]，对其碳储量和碳汇功能的研究相对较少[3-4，15-16]。本文对祁连山青海云杉林不同林组的生物量和碳储量进行估算，从减缓气候变化方面论证青海云杉林的碳汇功能；对影响青海云杉林碳储量的因素进行分析，探讨青海云杉林对气候变化的响应，为青海云杉林的保护、恢复、发展和森林碳汇功能的经营管理提供参考。

1 研究区域与研究方法

1.1 研究区概况

研究区域位于甘肃省祁连山北坡寺大隆林区，99°31′～100°53′ E，38°14′～38°44′ N，海拔2 600～4 200 m，属大陆性高寒半湿润山地气候，年平均气温0.6 ℃，1 月平均气温 -13.1 ℃，7 月平均气温12.1 ℃；年平均降水量437.2 mm，主要集中在5—9月；年蒸发量1 066.2 mm，年相对湿度60%，年日照时数1 892.6 h，林木生长期90～120 d；土壤和植被随山地地形和气候的差异形成明显的垂直带谱，分布有寒漠土、高山和亚高山草甸土、灌丛草甸土、山地栗钙土、森林灰褐土以及沼泽土等土壤，发育有高山流石滩植被、高山和亚高山灌丛、温性和寒温性针叶林、山地草原等地带性植被和沼泽等非地带性植被，主要优势种有青海云杉、祁连圆柏（Sabina przewalskii）、金露梅（Potentilla fruticosa）、鬼箭锦鸡儿（Caragana jubata）、吉拉柳（Salix gilashanica）、高山绣线菊（Spiraea alpina）、珠芽蓼（Polygonum viviparum）、针茅（Stipa spp.）、苔草（Carex spp.）、嵩草（Kobresia spp.）、委陵菜（Poten-tilla spp.）以及苔藓等，生物多样性十分丰富。寺大隆林区的青海云杉林主要分布在海拔2 500～3 300 m的阴坡和半阴坡，多为中龄林和近熟林，面积13 968.3 hm2。

1.2 研究方法

1.2.1 样地调查。利用卫星影像和林相图，在研究区域沿海拔梯度每間隔100 m设置1块调查样地，共设6块样地，记录样地所在位置的地理坐标；根据地理坐标，选择受干扰小、接近自然状态的地块设置样地，样地面积为20 m×20 m；进行环境因子和样地调查，并对树高≥1.5 m的林木测量胸径和株数，记录树高<1.5 m的幼树株数，调查样地均为中龄林。

1.2.2 蓄积量计算。林木材积与胸径有密切的关系，国内外林学家相继提出了几十个不同类型的一元材积模型[17]，根据文献[6]资料，利用Microsoft Excel 2007提供的数据分析工具，对青海云杉胸径与材积的一元模型进行拟合，筛选出最佳单株材积回归模型：

1.2.5 影响青海云杉林碳储量的主要因素分析。祁连山区气候垂直分带非常明显，海拔每升高100 m，降水量增加18.6 mm，平均气温降低0.58 ℃，由此可以推算出样地的平均温度和平均降水量，将此组数据补充到表1中，并将表1中的坡向、坡位进行数字化（西北坡=1，北坡=2；上坡位=1，中坡位=2，下坡位=3），构成17×6的数据矩阵，用相关分析（correlation analysis）和主成分分析（principal components an-alysis，PCA）法分析影响青海云杉林蓄积量的主要因素。全部计算用SPSS 19软件在计算机上完成。

2 结果与分析

2.1 样地调查结果

根据调查结果，样地的基本情况见表1。

2.2 青海云杉林蓄积量与生物量的垂直分布

祁连山区的温度和降水量随着海拔的变化而发生明显的规律性变化，深刻影响青海云杉林的分布及其蓄积量与生物量。根据公式（2）（5）（10）的计算结果（表2）表明，随着海拔升高、降水增加、气温降低，青海云杉林内树高小于1.5 m的幼树呈减少趋势，林分的天然更新能力降低；林分的蓄积量和生物量随着海拔的升高和气温的降低呈减少趋势，海拔2 770 m的蓄积量、生物量和碳密度都达到最大，分别为309.197 5 m3/hm2、177.931 1 t/hm2和122.940 6 t/hm2，海拔 2 770～3 250 m的青海云杉林单位面积的蓄积量、生物量和碳储量（碳密度）平均值分别为223.445 4 m3/hm2、136.075 5 t/hm2和96.186 4 t/hm2。

用海拔作为自变量，与青海云杉林蓄积量、生物量和碳储量进行回归分析，拟合得到最佳的回归方程（表3）；回归方程符合多项式方程，相关系数的平方（复测定系数R2）为0.798 9～0.802 8；回归方程揭示了青海云杉林蓄积量、生物量和碳储量随着海拔升高而逐渐降低的趋势。

2.3 祁连山林区青海云杉林碳储量估算

祁连山林区是我国重要的水源涵养林区和生态功能区，对应对气候变化有着举足轻重的作用；青海云杉林是祁连山森林生态系统的主体，主要分布于甘肃和青海二省，甘肃省是青海云杉林的分布中心，分布面积13.42万hm2。利用式（5）和式（10）对甘肃祁连山林区青海云杉林的生物量和碳储量进行估算，结果（表4）表明，青海云杉林的生物量和碳储量分别达到2.59×107 t和1.52×107 t。其中，中龄林和近熟林的生物量和碳储量分别占总量的42.581 8%和41.134 8%，而幼龄林只占1.080 9%。

2.4 青海云杉林碳储量与样地因子的相关性

相关分析结果（表5）表明，在选取的17个因子中，仅有郁闭度（x7）、草本高度（x11）与林分碳储量有不显著的负相关，幼树株数（x13）与碳储量有不显著的正相关，其余14个因子与青海云杉林碳储量均成显著或极显著的正相关或负相关，其中极显著相关因子12个、显著相关因子2个。因此，这14个因子是研究林分碳储量的重要因子。

2.5 影响青海云杉林碳储量的主要因素

主成分分析结果（表6）表明，①特征值≥1的主成分有3个，因而可以提取3个主成分；②前3个主成分的累计贡献率已经达到96.012 7%，可以基本反映影响林分碳储量的全部指标信息；③第一主成分上载荷较高的有平均气温、平均降水量、海拔、草本盖度、坡度、坡位，基本反映了林地的水热状况；第二主成分上载荷较高的有草本高度、苔藓盖度、幼树株数、大树株数、平均胸径，基本反映了林分结构特点；第三主成分则是对第一、第二主成分的补充。综上分析，林分环境的水热状况是影响青海云杉林碳储量的主要因子，而且海拔、平均气温、平均降水量的载荷量分别达到0.9802、-0.985 0和0.980 2，是影响青海云杉林碳储量的关键因子，特别是平均气温的影响最大。

3 结论与讨论

甘肃祁连山林区青海云杉林的总生物量为2.59×107 t，平均生物量为193.2055 t/hm2，接近王金叶等[16]203.08 t/hm2、常学向等[12]242.98 t/hm2和彭守璋等[3]134.3～250.1 t/hm2的研究结果，大于张 雷等[11]128.61 t/hm2的研究结果；总碳储量为1.52×107 t，平均碳储量（碳密度）为96.186 4 t/hm2，平均碳储量（碳密度）高于宁夏贺兰山保护区青海云杉林64.51 t/hm2 [15]和青海大通县林区青海云杉林65.68 t/hm2 [4]，接近祁连山青海云杉林70.4～131.1 t/hm2 [3]的研究结果。甘肃祁连山林区青海云杉林中龄林和近熟林的生物量和碳储量分别占总量的42.581 8%和41.134 8%，至少能够维持3个林组80～120年生物量和碳储量的持续增长，80～120年后也可以保持一定时期的稳定，但幼龄林仅占1.080 9%，后备资源匮乏。因此，从可持续发展和持续应对气候变化角度出发，必须持续扩大造林和封山育林面积，加强幼龄林抚育管理，有效地培育森林资源，以保证碳汇功能的持续发挥。

林分碳储量是林木通过光合作用将CO2转换为有机物储存在林分中的产物，是林分生物量非常重要的表现形式。對影响甘肃祁连山青海云杉林碳储量关键因子的分析证明，在祁连山林区，坡位和坡向的改变会影响林地的水热条件；特别是随着海拔升高，林地的水热条件逐步发生变化：水分条件会显著改善，而平均气温明显下降，造成林木光合速率降低，吸收和固定CO2的能力减弱。因此，温度成为影响祁连山森林植被碳储量最关键的因子。

林分生物量的测定是估算林分碳储量的基础。标准木分段切割法是常用的生物量测定方法，具有测定结果相对准确、人力物力消耗较大的特点，而且天然林资源保护工程和林地管理相关法规的实施对林木采伐有了严格的规定。因此，研究者把目光逐渐转移到利用青海云杉林生物量—蓄积量模型研究林分的生物量[3，4，17-18]，具有良好的效果。

4 参考文献

[1] 鲁丰先，张艳，秦耀辰，等.中国省级区域碳源汇空间格局研究[J].地理科学进展，2013，32（12）：1751-1759.

LU F X，ZHANG Y，QIN Y C，et al.Spatial patterns of provincial carbon source and sink in China[J].Progress in Geography，2013，32（12）：1751-1759.

[2] 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.

FANG J Y，GUO Z D，PIAO S L，et al.Estimation of carbon sink in China land from 1981 to 2000[J].Science in China Series D，2007，37（6）：804-812.

[3] 彭守璋，赵传燕，郑祥霖，等.祁连山青海云杉林生物量和碳储量空间分布特征[J].应用生态学报，2011，22（7）：1689-1694.

PENG S Z，ZHAO C Y，ZHENG X L，et al.Spatial distribution characte-ristics of the biomass and carbon storage of Qinghai spruce（Picea crassi-folia） forests in Qilian Mountains[J].Chinese Journal of Ap-plied Ecology，2011，22（7）：1689-1694.

[4] 郭倩倩，贺康宁，刘硕，等.青海省大通县青海云杉林碳储量初步估算[J].西北林学院学报，2011，26（6）：51-55.

GUO Q Q，HE K N，LIU S，et al.Preliminary estimate of vegetation carbon storage of Picea crassifolia in Datong Country of Qinghai Province[J].Journal of Northwest Forestry Un-iversity，2011，26（6）：51-55.

[5] 赵维俊，刘贤德，徐丽恒，等.祁连山青海云杉林动态监测样地土壤pH和养分的空间异质性[J].干旱区地理，2015，38（6）：1179-1189.

ZHAO W J，LIU X D，XU L H，et al.Spatial heterogeneity of soil pH and nutrients of a dyn-amical monitoring plot of Picea crassifolia forest in Qilian Mountains[J].Arid Land Geography，2015，38（6）：1179-1189.

[6] 刘兴聪.青海云杉[M].兰州：兰州大学出版社，1992：389-391.

[7] 刘建泉.影响东大河林区青海云杉林物种多样性的因素[J].草业科学，2015，32（1）：28-35.

LIU J Q.Influence factors of species diversity of Picea crassifolia forest in Dongdahe forest area[J].Pratacultural Science，2015，32（1）：28-35.

[8] 彭焕华，赵传燕，许仲林，等.祁连山青海云杉林冠层持水能力[J].应用生态学报，2011，22（9）：2233-2239.

PENG H H，ZHAO C Y，XU Z L，et al.Water storage capacity of Qinghai spruce（Picea crassifolia） forest canopy in Qilian Mountains[J].Chinese Journal of Applied Ecology，2011，22（9）：2233-2239.

[9] 齐鹏，刘贤德，赵维俊，等.祁连山中段青海云杉林土壤养分特征[J].山地学报，2015，33（5）：538-545.

QI P，LIU X D，ZHAO W J，et al.Soil nutrient cha-racteristics of Picea crassifolia forest in the middle segment of Qilian Mo-untains[J].Journal of Mountain Science，2015，33（5）：538-545.

[10] 赵维俊，刘贤德，张学龙，等.祁连山青海云杉（Picea crassifolia）林土壤有机碳与化学性质的相互关系[J].冰川冻土，2014，36（6）：1565-1571.

ZHAO W J，LIU X D，ZHANG X L，et al.Relationship between soil organic carbon content and chemical properties of Picea crassifolia for-est in the Qilian Mountains[J].Journal of Glaciology and Geocryology，2014，36（6）：1565-1571.

[11] 张雷，于澎涛，王彦辉，等.祁连山北坡青海云杉中龄林生物量随海拔的变化[J].林业科学，2015，51（8）：1-7.

ZHANG L，YU P T，WANG Y H，et al.Biomass change of middle aged forest of Qinghai spruce along an altitudinal gradient on the north slope of Qilian Mountains[J].Scientia Silvae Sinicae，2015，51（8）：1-7.

[12] 常学向，车克钧，宋彩福.祁连山林区青海云杉林群落生物量的初步研究[J].西北林学院学报，1995，11（1）：19-23.

CHANG X X，CHE K J，SONG C F.Preliminary studies on biomass of Picea crassifolia forest community in Qilian Mountains[J].Journal of Northwest Forestry University，1995，11（1）：19-23.

[13] 敬文茂，刘贤德，赵维俊，等.祁连山典型林分生物量与净生产力研究[J].甘肃农业大学学报，2011，46（6）：81-85.

JING W M，LIU X D，ZHAO W J，et al.Study on biomass and net productivity of typical forest stand in the Qilian Mountains[J].Journal of Gansu Agricultural University，2011，46（6）：81-85.

[14] 王金叶，车克钧，傅辉恩，等.祁连山水源涵养林生物量的研究[J].福建林学院学报，1998，18（4）：319-323.

WANG J Y，CHE K J，FU H E，et al.Study on Biomass of Water Conservation Forest on North Slope of Qilian Mou-ntains[J].Journal of Fujian College Forestry，1998，18（4）：319-323.

[15] 季波，王继飞，何建龙，等.宁夏贺兰山自然保护区青海云杉林的有机碳储量[J].草业科学，2014，31（8）：1445-1449.

JI B，WANG J F，HE J L，et al.Carbon storage of Qinghai spruce forest in Ningxia Helan Nature Reserve[J].Pratacultural Science，2014，31（8）：1445-1449.

[16] 王金葉，车克钧，蒋志荣.祁连山青海云杉林碳平衡研究[J].西北林学院学报，2000，15（1）：9-14.

WANG J Y，CHE K J，JIANG Z R.A study on carbon balance of Picea crassifolia in Qilian Mountains[J].Journal of Northwest Forestry Unive-rsity，2000，15（1）：9-14.

[17] 张连翔，林阳.林木胸径与材积的关系：Logistic衍生模型[J].东北林业大学学报，2001，29（2）：99-101.

ZHANG L X，LIN Y.Relationship between diameter at breast height and volume of forest-tree： Logistic derivation model[J].Journal of Northeast Forestry University，2001，29（2）：99-101.

[18] 王斌，刘某承，张彪.基于森林资源清查资料的森林植被净生产量及其动态变化研究[J].林业资源管理，2009（1）：35-43.

WANG B，LIU M C，ZHANG B.Dynamics of Net Production of Chinese Forest Vegetation Based on Forest Inventory Data[J].Forest Resources Management，2009（1）：35-43.