基于森林资源连续清查体系的贵州省杉木林分结构及有机碳储量动态变化

霍达，罗扬，崔迎春，张喜，张佐玉

(贵州省林业科学研究院，贵阳 550011)

基于森林资源连续清查体系的贵州省杉木林分结构及有机碳储量动态变化

霍达，罗扬，崔迎春，张喜*，张佐玉

(贵州省林业科学研究院，贵阳 550011)

基于森林资源连续清查数据，研究了2000～2010年间贵州省杉木林分生物量及有机碳储量的动态变化。结果发现2000、2005和2010年杉木林生物量及有机碳储量分别为24.6334×106t、35.7368×106t和46.9948×106t，以及 13.0481×106t、18.9401×106t和24.7912×106t。生物量及有机碳储量呈持续增长趋势。杉木林样地数量持续10年保持444个，没有增加也没有减少，表明杉木林得到有效保护。0～10 cm、10～22 cm和≥22 cm径级的样地数量分别增加-19.59%、20.72%和-1.13%，绝对纯林、相对纯林和混交林样地数量分别增加-8.54%、15.38%和7.50%，杉木林分质量逐步提高。

贵州省; 杉木林分; 生物量; 有机碳储量

工业革命以来的CO2和其它温室气体向大气的排放量逐年增加，已经引起过去100余年间全球平均气温升高、海平面上升和降水方式等改变，导致生物地带性分布重新分配和其它一系列全球变化的发生。森林是陆地生态系统的主体，森林碳储量占全球陆地生态系统的90%左右[1]，森林的碳汇问题逐渐成为各国研究与讨论的焦点。近年来，大尺度森林碳储量有大量研究[2-6]，国内部分省级[7-10]或重点区域[11-15]森林碳贮量也有报道。以连续清查样地数据研究森林碳储量动态及时空分布的报道较少[7]。

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb) Hook]在我国长江以南广泛种植，长江以北也有引种栽培。贵州省除西部高寒山区和南部干旱河谷外、省内各地均有栽培，其中黔东南杉木素有“苗杉”之称、远销江浙等沿海地区。省内华山松[16]和云南松[17]林分结构与碳储量动态已有研究，区域性杉木林结构[18-19]、有机碳储量[18,20-21]及凋落物[19,22]已有部分研究，省际水平杉木林的碳储量动态及时空分布还末见报道。本文以贵州省2000～2010年间3次连续清查样地数据库中杉木林为对象，对林分结构、生物量及有机碳储量进行研究，以揭示杉木林的碳汇能力及动态变化，为各级政府制定森林发展规划和环境保护政策提供科学依据。

1 研究区概况

贵州省[23]地处云贵高原东部，界于103°36′～109°35′ E、24°37′～29°13′ N，东靠湖南，南邻广西，西毗云南，北连四川和重庆，东西长约595km，南北相距约509km。全省国土总面积176167km2，占全国总面积的1.8%。全省辖2个自治州、7个地级市共88个县(市、区、特区)。境内地势西高东低，自中部向北、东、南三面倾斜，平均海拔在1100 m左右。岩溶地貌发育非常典型，喀斯特出露面积109084km2，占全省国土总面积的61.9%。属亚热带气候，大部分地区年均温度14～17℃、Σ≥10℃积温4500℃以上，无霜期250～300天，年辐射量3600～4000 MJ/m2，年降雨量1100 mm以上。地带性森林为亚热带常绿阔叶林，喀斯特地貌为常绿落叶阔叶混交林。

2 研究方法

2.1 数据来源

贵州省森林资源连续清查样地数据库(2000，2005和2010年)通过省林业厅相关部门获取。其中杉木林连清样地选择指标：①郁闭度≥0.20；②人工造林到成林年限后郁闭度达不到0.20，但生长稳定、保存率达到造林设计株数的80%以上。全区共布设固定样地5500个、杉木林样地444个，样地面积为1/15 hm2。划分为3个类型：①绝对纯林，杉木株数或材积≥90%；②相对纯林，杉木株数或材积65%～90%；③混交林，包含杉木，但杉木或其它种组株数或材积<65%。

2.2 生物量估算

2.2.1 生物量模型筛选

杉木生物量模型通过CNKI收录杂志论文、硕博论文和国内出版社出版的相关专著收集。模型确认遵守的原则：①以贵州省为中心选择模型，包括邻近省份的天然林或人工林；②不同构件生物量模型完整者优先，包括树杆(杆+皮)、树枝、枝叶、根系，其生物量随胸径、树高变化特点可用生物学解释； ③以模型相似性最多、出版物权威性较优高者优先选择；④承认单一树种生物量变化在不同地区和不同年龄间模拟的同一性，以忽略气候、立地和经营水平等对生物量模型的影响。在已收集的杉木生物量模型中[9，11-15]，以冯宗炜等的模型最优(表1)。杉木林样地中其它种组生物量(W)模型筛选依此类推。

表1 贵州省杉木单株生物量优选模型[14]

注：DBH∈10.20～24.50 cm，H∈6.75～12.90 m。

2.2.2 生物量与有机碳储量计算

大量学者使用0.5作为森林生物量和有机碳储量间的转换系数，但林木生长有数量和质量之分，如不同年龄、气候带和立地等因素对木材质量有明显影响[24]，有学者通过不同树种木材的纤维素、木质素等含量推算其碳含量[7]，也有学者直接测定树种不同构件的碳含量[25]，本文采用后者的杉木碳含量测定值作为生物量和有机碳储量的转换依据。

据此，杉木林连清样地生物量(W,t/hm2)及有机碳储量(C,t/hm2)密度和碳转换系数(Cm1)：

其中：a为年龄，s为立地因子，c为气候因素。n1为该样地杉木株数，n2n3…为样地其它种组株数。mi、cmi为样地种组构件数或C含量(%)，包括杆、枝、叶、根；Dn、Hn为种组单株胸径(cm)、高度(m)；am(Dn2Hn)bm为种组构件生物量。

2.3 生物量与碳储量计算

连清样地采用公里网点、机械布点，生物量(W,t)和有机碳储量(C,t)：

其中：S为省、州(市)级国土面积，N为省、州(市)级机械布点数，n为该省、州(市)级杉木林样地数，Wi、Ci为杉木林连清样地的生物量或碳储量。

3 结果分析

3.1 杉木林类型

贵州省现有杉木林多属人工纯林,林中常见植物种类很多，如樟科、山茶科、壳斗科、蔷薇科、忍冬科、禾本科、蕨类等。杉木主要混交林类型有：①杉木-落叶常绿阔叶混交林，主要伴生树种有白栎(Quercusfabri)、长蕊杜鹃(Rhododendronstamineum)、雷公鹅耳枥(Carpinusviminea)、硬斗石栎(Lithocarpushancei)等。层次复杂、原生性较强，林下多上层乔木的幼树、更新层密，其中杉木占80%以上。②杉木-常绿落叶阔叶混交林，主要伴生树种有银杉(Cathayaargyrophylla)、短柄抱(Quercusglanduliferavar.brevipetiolata)、硬斗石栎(Lithocarpushancei)、巴东栎(Quercusengleriana)等，下层银杉更新良好、杉木幼树较少，林分原生性强。③杉木-落叶阔叶混交林，主要伴生树种有响叶杨(Populusadenopoda)、光皮桦(Betulaluminifera)、栎(Quercussp.)、木姜子(Litseasp.)、白蜡树(Fraxinuschinensis)、杜鹃(Rhododendronsp.)等，更新层中杉木幼苗多、次生性强。④杉木-常绿阔叶混交林，这类型混交林中主要伴生树种有木荷(Schimasuperba)、油茶(Camelliaoleifera)、锥栗(Castaneahenryi)等，更新层中杉木多萌芽苗、次生性强。⑤杉木-毛竹混交林，主要伴生树种为毛竹(Phyllostachyspubescens)、少量栲属(Castanopsissp.)和山茶属(Camelliasp.)物种，毛竹侵入性强、比重大。

3.2 杉木林分动态

3.2.1 径级-样地量及株数动态变化

连清样地杉木林平均胸径的径级分布呈偏左型正态分布(图1)，样地量主要分布在6～10 cm和10～14 cm径级，分别为24.32%～31.08%、31.53%～39.86%。2000～2005～2010年间，<6 cm和6～10 cm径级样地量降低，10～14 cm、14～18 cm和18～22 cm径级样地量增加，22～26 cm和≥26 cm径级样地量减少，分别为-19.59%、20.72%和-1.13%，杉木林平均胸径呈升高趋势。径级的株数分布呈正态分布，集中在6～10 cm和10～14 cm径级，分别为27.10%～44.45%、45.27%～49.89%。2000～2005～2010年间，<6 cm和6～10 cm径级株数降低，10～14 cm、14～18 cm、18～22 cm和22～26 cm径级株数升高，≥26 cm径级株数降低，分别为-17.51%、17.61%和-0.09%，高径级杉木株数呈升高趋势。杉木林径级-样地量和株数分布有相似性,也有差异性，样地量和株数随径级升高而增大，呈单峰型。

图1 贵州省杉木林径级-样地量(左)及株数(右)结构动态

3.2.2 林分类型动态变化

杉木(表2)混交林、相对纯林、绝对纯林样地的株数在2000、2005和2010年分别为13846株、18084株和21335株，随时间推移而逐渐增多。2000～2005年和2005～2010年间的株数增长率在绝对纯林分别为-14.76%、-4.89%，相对纯林分别为-3.29%、4.17%，混交林分别为18.05%、0.72%。所占样地比例在相对纯林和混交林有所增加，绝对纯林则有所减少。表明杉木林正向混交类型发展，物种多样性逐步提高。

表2 杉木林分类型动态 株,个

3.3 杉木林生物量及有机碳储量动态

3.3.1 构件生物量密度分配动态

杉木林(表3)各构件生物量变化趋势为树杆>树根>树枝>树叶。构件生物量随定位观测时间的延长而逐渐增大，从2000年到2010年，树杆生物量比例先增大后减小，树枝和树根生物量比例先减小后增大，树叶生物量比例逐年降低。

表3 杉木林构件生物量(×106t)

3.3.2 生物量及有机碳储量动态

表4 杉木林生物量和碳储量

全省杉木林生物量和有机碳储量密度从2000～2005～2010年呈逐年上升趋势(表4)，其中生物量密度在2000～2005年的增长率(7.82%)小于在2005～2010年的增长率(7.92%)，有机碳密度的地上与地下部分比值为4.93～5.17。全省杉木林生物量和有机碳储量呈增长趋势，2000～2005年和2005～2010年间增长率的相应值分别为45.07%、31.50%，45.16%、30.89%。

3.3.3 生物量和有机碳储量空间动态

杉木林在全省9个州(市)级行政单元中都有分布(图2)，可见杉木在贵州省的分布范围很广泛，适应性较强。自2000～2005～2010年的生物量密度变化中，遵义市、铜仁市、毕节市、贵阳市、安顺市和黔东南州呈逐年上升趋势，黔南州、黔西南州和六盘水市呈先降后升的趋势。有机碳密度、生物量及有机碳储量的变化趋势相似于生物量密度。

图2 贵州省杉木林生物量 (上左) 及有机碳 (上右)密度和生物量(下左)及有机碳储量(下右)时空分布图

杉木林平均生物量密度和有机碳密度最高的是安顺市，分别为40.0746 t/hm2、18.0368 t/hm2；最低的是铜仁市，相应值为12.3367 t/hm2、6.5057 t/hm2。平均生物量密度和有机碳密度值排序为安顺市>黔东南州>黔西南州>遵义市>贵阳市>毕节市>六盘水市>黔南州>铜仁市。平均生物量与有机碳储量最大的是黔东南州，分别为22.1427×106t、11.7757×106t；最小的是贵阳市，相应值为0.5539×106t、0.2927×106t，黔东南州平均生物量和有机碳储量是遵义市的7.7倍左右、是贵阳市的40倍左右。平均生物量与有机碳储量排序为黔东南州>遵义市>黔西南州>安顺市>铜仁市>六盘水市>毕节市>黔南州>贵阳市。

4 结论与讨论

4.1 贵州省杉木林生物量及有机碳储量的时空分布格局明显

根据森林资源连续清查样地数据库中杉木林样地的计算，2000、2005和2010年的贵州省杉木林生物量及有机碳储量分别为24.6334×106t、35.7368×106t和46.9948×106t，以及 13.0481×106t、18.9401×106t和24.7912×106t。生物量及有机碳储量呈持续增长趋势，已成为贵州省森林有机碳储量的主要组成部分[8,16-17]。生物量密度和有机碳密度最高的是安顺市、最低的是铜仁市，同杉木产区[23]划分有差异性，这与连续清查样地布点的机械性有关。生物量与有机碳储量最大的是黔东南州、最小的是贵阳市，同杉木产区[23]划分有相似性，也受杉木林分布面积大小的影响。

4.2 贵州省杉木林生物量及有机碳储量形成机理

形成杉木林生物量及有机碳储量持续增长的因素除产区差异和分布面积大小外，杉木连续清查样地量持续10年保持444个，没有增加也没有减少，表明杉木林得到有效保护。从2000年到2010年，0～10 cm、10～22 cm和≥22 cm径级的样地数量分别增加-19.59%、20.72%和-1.13%，绝对纯林、相对纯林和混交林样地数量分别增加-8.54%、15.38%和7.50%，杉木林分质量逐步提高。有别于省内其它树种[16-17]。杉木林构件生物量变化趋势为树杆>树根>树枝>树叶，同已有研究结论相似[16-17]。

4.3 乔木层是杉木林生物量及有机碳储量的重要组成部分

黔东南杉木中心产区的研究[18-19,22]表明，纯林中灌木层、草本层和凋落物层生物量是乔木层的0.76%、0.65%和7.21%，混交林的相应值为0.37%、0.49%和6.13%，还受杉木林的龄级和密度影响。土壤是杉木林有机碳储量的重要组部分，本文也没有计算在内。因此，贵州省杉木林有机碳储量应远高于文中计算值。有必要进一步开展此方面的研究。

[1]魏殿生. 造林绿化与气候变化—碳汇问题研究[M]. 北京:中国林业出版社,2003.

[2]Litton C M,Raich J W,Ryan M G. Carbon allocation in forest ecosystems[J]. Glob Change Biology,2007,13: 2089-2109.

[3]周玉荣,于振良,赵士洞. 我国主要森林生态系统碳贮量和碳平衡[J]. 植物生态学报,2000,24 (5) : 518- 522.

[4]Fang J Y,Chen A P,Peng C H,et a1. Changes in forest biomass carbon storage in China between 1949 and 1998[J]. Science,2001，292: 2320-2322.

[5]Piao S L,Fang J Y,Ciais P,et a1. The carbon balance of terrestrial ecosystems in China[J]. Nature,2009,458: 1009-1013.

[6]李海奎，雷渊才，曾伟生. 基于森林清查资料的中国森林植被碳储量[J]. 林业科学，2011，47(7):7-13.

[7]王雪军,黄国胜,孙玉军，等. 近20年辽宁省森林碳储量及其动态变化[J]. 生态学报,2008，28(10):4757-4765.

[8]田秀玲，夏婧，夏焕柏，等. 贵州省森林生物量及其空间格局[J]. 应用生态学报,2011,22(2):287 -294.

[9]温远光，梁宏温，蒋海平. 广西杉木人工林生物量及分配规律的研究[J]. 广西农业大学学报,1995,14(1):55-64.

[10]黄从德,张健,杨万勤,等. 四川森林植被碳储量的时空变化[J]. 应用生态学报,2007,18(12): 2687-2692.

[11]马泽清，刘琪景，徐雯佳，李轩然，刘迎春. 江西千烟洲人工林生态系统的碳蓄积特征[J]. 林业科学,2007,43(11):1-7.

[12]安和平，金小麒，杨成华. 板桥河小流域治理前期主要植被类型生物量生长规律及森林生物量变化变化研究[J]. 贵州林业科技,1991,19(4):20-34.

[13]叶镜中，姜志林. 苏南丘陵杉木人工林的生物量结构[J]. 生态学报,1983,3(1):7-14.

[14]冯宗炜，陈楚莹，张家武，等. 不同自然地带杉木林的生物生产力[J]. 植物生态学与地植物学丛刊,1984,8(2):93-100.

[15]Lili Zhou，Addo-Danso Daniel Shalom，Pengfei Wu，etc. Biomass production,nutrient cycling and distribution in age-sequence Chinese fir (Cunninghamialanceolate) plantations in subtropical China[J]. Journal Forestry Research,2016,27(2):357-368.

[16]霍达，张喜，罗扬，等. 贵州华山松林分结构与碳储量动态[J]. 林业科技开发,2013,27(3):57-61.

[17]霍达，张喜，王莉莉. 贵州省云南松林分结构与碳贮量动态研究[J]. 贵州林业科技,2013,41(2):12-20,35.

[18]闵启利，张喜，张佐玉，等. 龄级和密度变化对黔东南杉木人工纯林结构及有机碳密度的影响[J]. 中国林副特产,2016 (3):1-7.

[19]赵庆萍，张喜，张佐玉，等. 黔东南杉木林分生长与凋落物量的龄级和混交效应[J].林业科技通讯,2017,(5):17-22.

[20]贺红早，宋久祥，刘盈盈，等．黔东南州杉木林生物量及其分配研究[J]．广东农业科学，2013,28:58-60．

[21]李默然，丁贵杰． 贵州黔东南主要森林类型碳储量研究[J]．中南林业科技大学学报,2013,33(7):119-124.

[22]张佐玉，周凤娇，张喜，等. 黔东南杉木纯林及其混交林凋落物年产量与月动态变化[J]. 西部林业科学,2017,46(2):20-26.

[23]周政贤.贵州森林[M].贵阳:贵州科技出版社/中国林业出版社，1992.

[24]王佩卿.木材化学[M].北京:中国林业出版社,1983,51-88.

[25]唐宵，黄从德，张健，等. 四川主要针叶树种含碳率测定分析[J]. 四川林业科技，2007，28(2):20-23.

DynamicsofStandStructureandOrganicCarbonStorageofCunninghamialanceolataforestinGuizhouProvinceBasedontheForestResourceContinuousInvestigationSystem

Huo Da,Luo Yang,Cui Yingchun,Zhang Xi*,Zhang Zuoyu

(Guizhou Provincial Academy of Forestry,Guiyang 550011)

Based on forest resource continuous investigation data,this paper has studied the dynamic changes of stand biomass and organic carbon storage ofCunninghamialanceolataforest in Guizhou province from 2000a to 2010a. The results showed biomasses of Chinese fir forest from 2000a to 2005a and 2010a were 24.6334×106t,35.7368×106t and 46.9948×106t,respectively; and relative values of organic carbon storage were 13.0481×106t,18.9401×106t and 24.7912×106t,respectively. The biomass and organic carbon storage showed a trend of sustained growth. Four hundred and forty four located plots of Chinese fir forest was status in no increase or decrease for 10 years,it indicates that Chinese fir forest got effective protection. Numbers of located plots from 0-10 cm,10-22 cm and ≥22 cm of diameter at breath height were increased -19.59%,20.72% and -1.13%,respectively; relative values of absolute pure forest,relatively pure forest and mixed forest were increased -8.54%,15.38% and 7.50%,respectively. Forest quality of Chinese fir was gradually improving in past 10 years.

Guizhou province; Forest ofCunninghamialanceolata; Biomass; Organic carbon storage

2017-08-05

贵州省科技厅攻关项目(黔科合SY字[2012]3010)；国家重点研发计划(2016YFD0600301)；贵州省科技厅项目(黔科合院士站项目[2014]4006)

霍达(1986-)，女，工程师，主要从事森林培育和森林生态方面的研究，E-mail:383285138@qq.com；*通讯作者：张喜(1964-)，男，研究员，主要从事森林生态和竹林经营方面的研究， E-mail:zhangxigzfa@tom.com。

DOI.:10.13268/j.cnki.fbsic.2017.06.001

S791.27

A