秦皇岛市海滨林场森林碳密度与碳储量研究

吴伯军，赵忠宝

(1.秦皇岛市海滨林场，河北 秦皇岛 066100；2.河北环境工程学院，河北 秦皇岛 066102)

森林生态系统是陆地生态系统的主体，是陆地上最大的储碳库和最经济的吸碳器，其碳储量的任何增减变化，都会影响到大气中CO2浓度的变化[1-4]。森林生态系统中，生物量约占陆地生态系统生物量的90%，植被碳库约占全球植被碳库的86%，土壤碳库约占全球土壤碳库的73%[5，6]。森林还具有较高的生产力，每年固定的碳约占整个陆地生态系统的2/3[5]，在减缓大气中CO2浓度的升高以及维护全球气候变化中发挥着十分独特的作用，因此研究森林碳储量及固碳能力是评价全球大气碳收支的重要参数[7]。

森林生态系统碳储量的估算方法主要包括样地清查法(生物量法、蓄积量法、生物量与蓄积量转换法)、通量观测法、模型法和遥感法[8]，以上方法适合于不同的研究尺度，同一尺度下，利用不同的研究方法其结果会产生较大差异。在林场级尺度上样地清查法是一种比较常用的方法，虽然消耗劳动力，但估算结果的精度相对较高。样地清查法即利用森林生物量的野外样地调查数据、室内含碳率测定和森林统计面积进行估算碳储量。目前森林碳储量的研究主要集中森林地上部分，而对森林地下部分和土壤碳储量的研究相对不足。本研究以样地清查法中的生物量法来估算秦皇岛市海滨林场森林生态系统地上、地下和土壤碳储量，以期为林场的森林碳汇经营提供科学依据。

1.材料与方法

1.1 研究区概况与样地选择

海滨林场位于北戴河风景旅游区，南临渤海湾海水高潮线，南北跨度7.10 km，东西平均宽度1.4 km，隶属于秦皇岛市林业局。地理坐标为119°29′08″—32′16″ E，39°50′03″—53′50″ N。海滨林场属于暖温带半湿润季风型大陆性气候，海滨林场年均气温10.1 ℃，年平均降水量为687.60 mm，无霜期188 d。土壤为风沙质土，质地松软，有机质含量较低，pH值呈酸性，土壤相对贫瘠。海滨林场总经营面积1 053 hm2，林业用地796 hm2，其中有林地767 hm2，森林覆盖率74.28%，活立木总蓄积量10.85万m3，国家级公益林面积740 hm2。树种构成主要有毛白杨(Populustomentosa)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、山海关杨(Populuscanadensiscv.shanhaiguanensis)、加拿大杨(Populus×canadensis)等组成，具体见表1。

本研究共调查了20个乔木样方，包含了海滨林场所有林分类型。样方大小为20 m×20 m，在乔木样方内沿对角线布设3个2 m×2 m的灌木样方，灌木样地内再取1 m×1 m 的草本植物样方和 0.5 m ×0.5 m 枯落物样方。其他研究资料来源于海滨林场 2005年、2018 年两期森林资源二类调查数据。

表1 林分类型基本特征

1.2 研究方法

表2 主要研究树种单株生物量模型方程

1.2.1 乔木层生物量 通过文献对比，筛选出适合本区域的乔木生物量模型公式(见表1)，用于计算样方内各种乔木树种的生物量。

1.2.2 灌木、草本层、枯枝落叶层生物量 灌木、草本层、枯枝落叶层生物量参照文献[13]中的方法进行估算。

1.2.3 土壤层和枯枝落叶层碳储量 在每个样方对角线上挖3个土壤剖面，去除地面枯枝落叶后，按0～10、10～20、20～30和30～50 cm分4层取样。同时用环刀法取各层的原状土，带回实验室测土壤容重。各层取鲜土若干带回实验室进行风干、磨碎、过筛后用于测定土壤有机质测定。土壤各层有机碳含量按照林业行业标准[14]进行测定，土壤层有机碳储量参照文献[13]中的方法估算。同样枯枝落叶要进行风干、粉碎、过筛后按文献[15]中方法进行含碳量测定。

1.2.4 乔木、灌木、草本含碳量 乔木、灌木、草本含碳率均采用国内外常用的0.5系数。

2 结果与分析

2.1 海滨林场乔木层碳密度与碳储量

海滨林林场乔木层总碳储量为87 094.40 t(表3)，林分平均碳密度为113.55 thm-2，林场平均碳密度为82.70 thm-2，二者均明显高于我国乔木林平均碳密度37.28 thm-2[16]。不同林分平均碳密度在23.00～197.10 thm-2之间，差异比较大，其碳密度大小顺序为落叶阔叶混交林>山海关杨>加杨>毛白杨>刺槐>油松。造成这种差异的原因是落叶阔叶混交林、山海关杨、加杨、毛白杨、刺槐大多为成熟林分，胸径相对较大，单位面积碳储量较大，而油松为幼龄林，胸径相对较小，单位面积碳储量较小。落叶阔叶混交林碳密度最大，林地单位面积生产力最高，在今后的造林、更新改造应提升混交林种植面积，提升林地的碳汇功能。

表3 不同林分碳密度和碳储量

不同林分碳储量在117.10～31 572.20 t之间，差异也比较大，其碳储量大小顺序为毛白杨(36.25%)>加杨(28.40%)>刺槐(23.28%)>山海关杨(9.18%)>落叶阔叶混交林(2.76%)>油松(0.13%)。林分碳储量与其面积、碳密度密切相关。毛白杨、加杨和刺槐林分是海滨林场碳储量的主体，三者之和占林场总碳储量的87.93%。

2.2 海滨林场不同林龄乔木层碳密度与碳储量

海滨林场不同林龄碳储量大小顺序为成熟林>过熟林>近熟林>中龄林>幼龄林(图1)。碳储量主要集中在成熟林、过熟林、近熟林，三者之和占海滨林场总碳储量的89.46%，其中成熟林占55.96%、过熟林占22.11%、近熟林占11.39%。不同林龄碳密度的大小顺序为近熟林>成熟林>过熟林>中龄林>幼龄林，海滨林场以近熟林碳密度最大为175.34 thm-2，幼龄林最小为10.91 thm-2。近熟林、成熟林和过熟林三者的碳密度相对较高，但三者中部分林分已经表现出退化趋势，为了提高林分的固碳能力和林分生产力，对林分的抚育更新十分必要。

2.3 海滨林场灌草层碳密度与碳储量

2.4 海滨林场枯枝落叶层碳密度与碳储量

枯枝落叶层总碳储量为674.9 t，碳密度在0.32～1.16 thm-2之间，平均碳密度为0.82 thm-2。碳密度大小顺序为毛白杨(1.16 thm-2)>加杨(1.11 thm-2)>山海关杨(1.03 thm-2)>落叶阔叶混交林(0.88 thm-2)>刺槐(0.43 thm-2)>油松林(0.32 thm-2)。毛白杨、加杨、山海关杨由于林龄和单位密度株数相近，碳密度差别不明显，而刺槐林为成熟林，长势呈现出衰退趋势，枝叶数量不足，碳密度相对较低，而油松林为幼林，枯枝落叶相对较少，碳密度较低。林下枯枝落叶碳储量的大小顺序为毛白杨(328.16 t)>加杨(170.16 t)>刺槐(113.74 t)>山海关杨(50.47 t)>落叶阔叶混交林(10.74 t)>油松林(1.63t)。

2.5 海滨林场土壤层碳密度与碳储量

海滨林场不同林分类型的土壤有机碳密度在15.12～27.36 thm-2之间，平均碳密度为22.12 thm-2。不同林分0～10 cm碳密度最大，并随土壤深度的增加而呈现下降趋势。不同林分土壤层平均碳密度大小顺序为：落叶阔叶混交林(27.36 thm-2)>加杨(26.82 thm-2)>山海关杨(23.45 thm-2)>毛白杨(21.40 thm-2)>刺槐(18.55 thm-2)>油松林(15.12 thm-2)。落叶阔叶混交林、加杨林、山海关杨林、毛白杨林碳密度相对较高，其原因是以上林分枯枝落叶层相对较厚，易于分解，表层土壤有机含量较高。0～60 cm土壤层总的碳储量为16 632.0 t，低于乔木层碳储量总和。各林分土壤层碳储量所占土壤层总碳储量百分比大小顺序为毛白杨林(36.40%)>刺槐林(29.50%)>加杨(24.72%)>山海关杨(6.91%)>落叶阔叶混交林(2.01%)>油松林(0.46%)。

2.6 海滨林场生态系统碳储量分配特征分析

表4 海滨林场森林生态系统碳密度与碳储量

3 结论与讨论

3.1 海滨林场生态系统总碳储量为105 224 t，碳密度为137.19 thm-2，其碳密度低于中国森林生态系统碳密度(155 thm-2)[17]。由此可见，海滨林场不同林分生产力还有较大的提升空间，在今后应加强林分的抚育更新，选择合适的造林树种和营林措施，提高林地生产力，发挥森林的固碳释氧和沿海防护功能。

3.2 乔木层碳储量大于土壤层碳储量，与前人研究的森林土壤是最大的有机碳库不相同[18]，其主要原因是海滨林场为沙质土壤，有机质含量相对较低；另外本次研究取土深度为60 cm，而其他文献中一般为1 m，这是造成海滨林场土壤层碳储量相对较低的主要原因。

3.3 就各林分而言，毛白杨林、刺槐林、加杨林、山海关杨林、落叶阔叶混交林中成熟林所占比重较大，其碳储量所占比重也较大。有关成熟林固碳能力存在争议，有学者认为，成熟林固碳量达到最大后，其继续固碳能力几乎为零，这时可以考虑林分的更新改造，实现森林固碳的良性循环[19]；但也有学者认为老龄林仍然表现为碳汇功能[20]。而笔者从海滨林场实地调查情况来看，刺槐成熟林生长表现出衰退现象，甚至死亡，其固碳能力几乎为龄，而毛白杨、加杨、山海关杨中成熟林长势较旺，表现为碳汇功能。