大兴安岭天然兴安落叶松白桦林碳层划分的研究

马珍玉，王树森，王春霞，赵 波，赵 婧，吴 菲

（内蒙古农业大学 生态环境学院，内蒙古 呼和浩特 010019）

大兴安岭天然兴安落叶松白桦林碳层划分的研究

马珍玉，王树森，王春霞，赵 波，赵 婧，吴 菲

（内蒙古农业大学 生态环境学院，内蒙古 呼和浩特 010019）

以大兴安岭地区天然兴安落叶松白桦林为研究对象，对不同林型、林龄及密度的天然兴安落叶松白桦林碳储量进行了比较研究。结果表明：混交林碳储量高于纯林，其排列顺序为白桦落叶松林（158.14 t/hm2）＞落叶松白桦林（137.62 t/hm2）＞白桦林（132.23 t/hm2）＞兴安落叶松林（110.62 t/hm2）；天然兴安落叶松白桦林碳储量随着林龄的增长而增加，30～34年、35～39年和40～45年林分碳储量依次为136.01、145.04和161.61 t/hm2；天然兴安落叶松白桦林碳储量随着林分密度的增加呈递减趋势，其碳储量从大到小的顺序是 2 000～ 2 499株 /hm2（179.42 t/hm2）、2 500～ 2 999 株 /hm2（135.95 t/hm2）、3 000～ 3 499 株 /hm2（133.09 t/hm2）、≥3 500 株/hm2（131.16 t/hm2）。基于组内方差分析所得结果差异均不显著，因此林龄介于30～45年之间、平均林分密度1 450～3 850株/hm2的大兴安岭地区天然兴安落叶松白桦林在进行碳汇计量时可以划分为同一碳层进行测定。

大兴安岭；天然兴安落叶松白桦林；碳层划分；碳储量

自工业革命以来，大量化石燃料燃烧和毁林，导致CO2浓度急速上升。这一现象引起的全球气候变化给人类自身生存和社会经济可持续发展带来了巨大的威胁，已经受到国际社会的广泛关注和各国政府的高度重视[1-2]。森林是陆地生态系统主体，对减缓和适应气候变化有着至关重要的作用，是生态系统中非常重要的碳汇和碳库[3-4]。为了应对气候变化，1992年联合国通过了《气候变化框架公约》。《京都议定书》也于2005年2月16日正式生效[5]。近年来国内对森林碳汇研究较多，如方精云等[6]对不同树种的碳生物量和碳储量间的换算方程进行了研究；刘国华等[7]基于此类模型拟合的回归方程，估算了中国20年的森林碳储量。周国模等[8]对毛竹林的碳储量进行了研究。支玲等[9]采用换算因子连续函数法评价了“三北”防护林的碳汇价值量。在森林经营碳汇研究方面，侯睿[10]对不同间伐方式对人工林生产力和碳汇进行了动态模拟。徐庆祥[11]的研究证明抚育间伐会使兴安落叶松天然乔木层碳储量显著增加。韩福利[12]通过研究得到了间伐林分的单木碳储量会明显高于未间伐林分的结果。为促进森林经营碳汇项目的发展，国家林业局于2014年1月发布了《森林经营项目碳汇计量监测指南》，对森林经营碳汇项目提供了研究方法[13]。在方法学中，碳汇分层是最重要的内容之一，合理的分层可以在降低调查成本的同时提供更可靠的计算结果。但是，关于森林经营项目碳层划分的研究尚未见报道。我国幼中龄林的面积是林分总面积的65%。大兴安岭以兴安落叶松、白桦为主要树种，其幼中龄林面积占全区幼中龄林面积的90%以上[14]。本研究以大兴安岭林区天然兴安落叶松白桦幼中龄林为研究对象，通过对不同树种比例、林龄及林分密度的林分碳储量的研究，确定碳层划分依据与数量，旨在为大兴安岭林区天然林碳汇计量工作提供科学依据。

1 研究区概况

本研究区位于我国黑龙江省大兴安岭林区（121°12′～ 127°00′E；50°10′～ 53°33′N），属于寒温带大陆性季风气候，年平均气温-2.8 ℃，无霜期为89 d，年降水量为450～500 mm，且多集中在7～8月份；全区山势较平缓，海拔为300 ～1 400 m，15°以内的缓坡占80%以上；土壤类型主要是棕色针叶林土与暗棕壤[15]；乔木树种以兴安落叶松Larix gmelinii、白桦Betula platyphylla为主，伴有樟子松Pinus sylvestrisvar.mongolica、山杨Populus davidiana、蒙古栎Quercus mongolica、黑桦Betula davurica等[16]。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

样地设在松岭、韩家园、十八站和西林吉4个林业局，对不同树种比例、林龄和林分密度的天然兴安落叶松白桦林进行了调查，选择立地条件相似的小班设置标准样地。根据兴安落叶松、白桦株数占标准样地总株数的比例分为4种林分类型，分别为白桦林（90%≤白桦＜100%）、白桦兴安落叶松林(50%≤白桦＜90%）、兴安落叶松白桦林(50%≤兴安落叶松＜90%）、兴安落叶松林（90%≤兴安落叶松＜100%），其中每种类型设6块样地；将林龄划为30～34、35～39和40～45 a 3组，每组设6块样地；将林分密度划分为2 000～2 499、2 500～2 999、3 000～3 499和≥3 500株/hm24组，每组设5块样地。通过随机布设，共设62块样地，样地大小是20 m×20 m。对每块样地进行每木检尺，调查树种类型、胸径、树高等因子，用生长锥测定法测定标准木年龄以确定平均林分年龄[17]。

2.2 碳储量的计算

本研究查阅《大兴安岭地区森林采伐更新调查设计细则》中各林业局树种一元材积表，拟合了不同林业局兴安落叶和白桦的一元材积方程，通过相关性分析，方程相关性显著见表1。

根据《森林经营项目碳汇计量监测指南》[13]所提供的计算公式分别计算乔木单株生物量、乔木层生物量和乔木层碳储量，计算公式如下：

式中：BAB，j为树种j的林分平均单位面积地上生物量，t/hm2；Vj为 树种j的蓄积量，m3，用材积方程计算得来；a，b为参数，t d.m·hm-2；BTREE，j为 树种j的生物量，t/hm2；fAB，j(VTREE，j) 为 树种j的林分平均单位面积地上生物量（BAB，j）与林分平均单位面积蓄积量(Vj)之间的相关方程；Rj为 树种j的地下与地上生物量之比，无量纲；CTREE，j为 树种j的碳储量， t/hm2；CFj为 树种j的生物量含碳率，无量纲；为 CO2与C的分子量比，无量纲。

本文中计量参数a和b使用《森林经营项目碳汇计量监测指南》提供的中国森林生物量数据库数据值[13]，Rj使用的是《中华人民共和国气候变化第二次国家信息通报》“土地利用变化和林业温室气体清单”中的数值[18]，含碳率采用相近研究区域文献[19]的测定值（见表2）。

表2 计量参数Table 2 Measurement parameters

2.3 数据处理

本研究中所有数据的处理及统计分析均基于Excel 2010及SAS 9.0进行。以每块标准地为基本单位，所有数据在分析之前先剔除异常值并进行正态分布检验（Kolmogiriv-Smimov检验）和方差齐性检验（Levene检验）。如果通过检验，就采用单因素方差分析；不能通过检验，要先将数据进行对数转换后再进行分析，显著性水平设定为α=0.05。

3 结果与分析

3.1 不同树种比例、林龄和林分密度的天然兴安落叶松白桦幼中龄林林分特征

由表3、4、5可知，白桦林、白桦兴安落叶松林、兴安落叶松白桦林和兴安落叶松林4种林分类型平均林龄在35～36 a之间，平均胸径在9.1～9.7 cm之间，平均林分密度在2 500～2 842株/hm2之间；林龄在30～34 a、35～39 a和40～45 a的3组林分，平均林龄分别为32 a、37 a和43 a，平均树种比例在3.0～3.3之间，平均林分密度在2 800～3 075株/hm2之间；林分密度2 000～ 2 499株 /hm2、2 500～ 2 999株 /hm2、3 000～3 499株/hm2和≥3 500株/hm2的4组林分，平均林龄在37～38 a之间，平均胸径在7～10 cm之间，平均树种比例在3.4～4.4之间，平均林分密度在2 200～3 850株/hm2之间。

3.2 不同树种比例天然兴安落叶松白桦林乔木层的碳储量

由图1可知，4种林分类型乔木层平均碳储量为134.65 t/hm2，且乔木层碳储量由大到小的排列顺序依次为白桦兴安落叶松林（158.14 t/hm2）＞兴安落叶松白桦林（137.62 t/hm2）＞白桦林（132.23 t/hm2）＞兴安落叶松林（110.62 t/hm2），可以看出混交林乔木层碳储量要高于单一树种。

表3 不同树种比例天然兴安落叶松白桦林的林分特征†Table 3 Characteristics of different trees species proportion of the natural Larix gmelinii and Betula platyphylla forest

表4 不同林龄天然兴安落叶松白桦林的林分特征Table 4 Characteristics of different age of stand of the natural Larix gmelinii and Betula platyphylla forest

表5 不同林分密度天然兴安落叶松白桦林的林分特征Table 5 Characteristics of different density of the natural Larix gmelinii and Betula platyphylla forest

图1 不同树种比例天然兴安落叶松白桦林乔木层的碳储量Fig. 1 Carbon storage of different trees species proportion of the natural Larix gmelinii and Betula platyphylla forest

方差分析结果（如表6所示）显示，4组林分类型乔木层碳储量不能通过正态分布检验及方差齐性检验，故采用非参检验，输出结果如下：显著水平a=0.05时，4组林分类型乔木层碳储量在统计学理论上无明显差异（P= 0.100 8 ＞ 0.05）。

表6 不同树种比例林分乔木层碳储量的方差分析Table 6 Variance analysis of different tree speciesproportion of forest carbon storage

3.3 不同林龄天然兴安落叶松白桦林乔木层的碳储量

如图2所示，不同林龄天然兴安落叶松白桦林乔木层平均碳储量为147.55 t/hm2，碳储量从大到小排列的顺序是：40～45 a（161.61 t/hm2）＞35～ 39 a（145.04 t/hm2）＞ 30～ 34 a（136.01 t/hm2），而且35～39年林龄区间乔木层碳储量是30～34 a的1.07倍，40～45 a林龄区间的乔木层碳储量是35～39 a的1.13倍。因此，在30～45 a的林龄范围内，随着林龄的增加，乔木层碳储量呈递增趋势，同时林龄越大递增的速率越快。

图2 不同林龄天然兴安落叶松白桦林乔木层的碳储量Fig. 2 Carbon storage of different age of stand of the natural Larix gmelinii and Betula platyphylla forest

对不同林龄乔木层碳储量进行组内方差分析，其均通过正态分布检验及方差齐性检验，故采用单因素方差分析，输出结果如表7所示，即在α=0.05的显著性水平下，不同林龄的3组乔木层碳储量无统计学上的明显差异（P= 0.121 6 ＞ 0.05）。

表7 不同林龄乔木层碳储量的方差分析Table 7 Variance analysis of different ages of forest carbon storage

3.4 不同林分密度天然兴安落叶松白桦林乔木层的碳储量

如图3所示，4组不同林分密度乔木层平均碳储量为144.91 t/hm2，其中碳储量从大到小的排列顺序为：2 000～2 499株/hm2（179.42 t/hm2）、2 500～ 2 999 株 /hm2（135.95 t/hm2）、3 000 ～3 499株 /hm2（133.09 t/hm2）、≥ 3 500株 /hm2（131.16 t/hm2），且相差量依次为43.47、2.86和1.93 t/hm2。可知，随着林分密度的增加，乔木层碳储量呈递减趋势，且变化幅度逐渐减小，说明密度越大的林分，林木生长受到的抑制作用越强，导致林木碳储量随着林分密度的增加而减小。

图3 不同林分密度天然兴安落叶松白桦林乔木层的碳储量Fig. 3 Carbon storage of different density of the naturalLarix gmelinii and Betula platyphylla forest

对不同林分密度的乔木层碳储量进行组内方差分析，其能通过正态分布检验及方差齐性检验，故采用单因素方差分析，输出结果如表8所示，在显著水平a=0.05下，4组林分密度乔木层碳储量间无统计学上的明显差异（P= 0.668 2 ＞0.05）。

表8 不同林分密度林分乔木层碳储量的方差分析Table 8 Variance analysis of different densities of forest carbon storage

4 讨 论

森林生物量估算方法主要有直接测量和间接估算两种[20]。直接测量指的是收获法，间接估算法主要以相对生长模型、生物量-蓄积量模型和生物量估算参数方法为主。直接测量法与间接估算法相比，虽然精度高，但对生态系统破坏较大且工作量繁重，耗时费力。相对生长模型通常采用标准木法或径级标准木法，需要先采伐一定数量的标准木，建立全部或部分生物量与植株形态学变量间数学关系模型，也会对生态系统造成一定程度上的破坏；对于生物量-蓄积量模型，学者们通过对生物量和蓄积量之间关系的不断探索与研究，最终构建出准确性较高的双曲线模型[21]、指数模型[22]以及幂指数模型[23]。然而，生物量估算参数法虽然适用于不同尺度森林生物的估算，但其所用到的大多数参数仍存在很高的不确定性，不能满足相关生物量计算的精度[20]。因此，在碳汇计量过程中，遇到缺少现有的、当地的或相似生态条件下的树种或树种组数据的情况时，会采用学者黄从德[23]利用生物量和蓄积量实测数据拟合，并通过多目标函数比较后得到的最优幂指数模型估算森林生物量，这样不仅能减少对植被及生态系统的破坏，还一定程度上保证了计算结果的准确性。本研究采用幂指数模型对天然兴安落叶松白桦幼中龄林生物量进行估算。

孙玉军等[24]计算的兴安落叶松中幼龄人工林生物量值为38.49 t/hm2，碳密度为19.62 t/hm2，与本文研究结果（60.96 t/hm2，36.06 t/hm2）差异较大，说明天然林在固定二氧化碳方面明显高于人工林。另外，在树种混交方面研究证明混交林的生物量要高于纯林[25-27]。如夏成财等[28]研究发现，兴安落叶松白桦的混交林生物量较落叶松纯林和白桦纯林有明显的增加，本研究也得到了相似的结论。同时，张令峰[29]和田晓等[30]研究结果也表明树种比例对碳储量也有着明显的影响作用，选择最优的树种比例对维持森林生产力和获得最大干材量有着重要的意义。

森林经营碳汇分层目的是为了降低每一层内的变异性，增加层与层之间的变异性，同时也可以降低监测的成本[5]。通过本研究对林龄在30～45 a范围内、平均林分密度1 450～3 850株/hm2的天然兴安落叶松白桦林在碳汇计量过程中可划分为同一碳层的研究结果，可以为在大兴安岭开展相似的森林经营碳汇项目提供很好的理论依据。同时，在长期监测过程中，可能会因地理空间对象的空间相关性变化[31]、无法预计的干扰（如林火、病虫害）和森林经营活动（如间伐、主伐、萌芽或人工更新）等多种因素[32]而引起层内变异性增加。因此，在后期监测中的碳层划分还需要开展进一步的研究。

虽然不同林分类型之间碳储量平均值的变化规律明显，但是由于组内各样地之间差异明显，故在本研究中无法得到各林分差异显著的结论。因此，是否在大兴安岭地区相似的林分类型中都是如此，还需更多的研究进一步验证。

5 结 论

（1）天然兴安落叶松白桦混交林碳储量较纯林大；林龄在30～45 a范围内时，天然兴安落叶松白桦林碳储量随林龄增加而增加；平均林分密度1 450～3 850株/hm2的天然兴安落叶松白桦林碳储量随着林分密度的增加呈递减趋势，且变化的幅度越来越小。

（2）在对不同林型、不同林龄和不同密度的天然兴安落叶松白桦林分别进行组内方差分析，所得结果差异均不显著。因此，当对大兴安岭林区内林龄介于30～45 a之间、平均林分密度1 450～3 850株/hm2的天然兴安落叶松白桦林进行碳汇计量时可以划分为同一碳层进行测定。

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[本文编校：谢荣秀]

Research on carbon sequestration stratification of natural Larix gmelinii and Betula platyphylla forest in Daxing’an mountain

MA Zhenyu, WANG Shusen, WANG Chunxia, ZHAO Bo, ZHAO Jing, WU Fei
(College of Ecology and Environmental Science, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010019, Inner Mongolia, China)

Since the complication of natural forest, in the process of carbon measure methods of forest management carbon project,carbon sequestration stratification is one of the most important and basic works, which decides the complication of the work and the accuracy of the result. This paper focus on the research of the biomass and carbon storage of the naturalLarix gmeliniiandBetula platyphyllaforest in Daxing’an mountain.The result shows that :1) carbon storage content of the mixed forest were bigger than those of the pure forest. Their descending order wasLarix gmeliniiandBetula platyphyllaforest (158.14 t/hm2),Betula platyphyllaandLarix gmeliniiforest (137.62 t/hm2),Betula platyphyllaforest (132.23 t/hm2),Larix gmeliniiforest (110.62 t/hm2) respectively; 2)The carbon storage of naturalLarix gmeliniiandBetula platyphyllaforest increased with forest growth.Their ascending order was 136.01 t/hm2(30-34 a), 145.04 hm2(35-39 a)and 161.61 hm2(40-45 a) respectively; 3)The carbon storage of naturalLarix gmeliniiandBetula platyphyllaforest decreased with forest density increase, its carbon storage in descending order was: 179.42 t/hm2(2 000-2 499),135.95 t/hm2(2 500-2 999), 133.09 t/hm2(3 000-3 499) and 131.16 t/hm2(≥3 500). However, the results of the variance analysis within group in three categories have not significant difference. Therefore, the naturalLarix gmeliniiandBetula platyphyllaforest, which is 30-45 a,2 200-3 850 trees/hm2, could be divided into one carbon sequestration layer in Daxing’an mountain.

Daxing’an mountain; naturalLarix gmeliniiandBetula platyphyllaforest; carbon sequestration stratification; carbon storage

S718.5

A

1673-923X(2017)09-0112-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.05.019

2016-03-15

国家自然科学基金项目（30960076）；内蒙古自治区自然科学基金项目（2009BS0602）

马珍玉，硕士研究生；E-mail：177012285@qq.com

王树森，副教授

马珍玉，王树森，王春霞，等.大兴安岭天然兴安落叶松白桦林碳层划分的研究[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(9):112-117.