河北太行山区典型水土保持林乔木层生物量及碳储量研究

唐志明,刘炳响,2,屈 宇

(1.河北农业大学 林学院,河北 保定 071000；2.河北省林木种质资源和森林保护重点实验室,河北 保定 071000)

森林是陆地生态系统的主体部分,拥有最高的生物量和生产量,是陆地生态系统的最大碳库。在森林生态系统中大约储存着80%的地上碳储量和40%的地下碳储量,在改善生态环境和缓解全球气候变化等方面发挥着不可替代的作用[1-3]。

森林碳储量是反映森林生态环境的重要指标[4]。森林碳储量可通过估算森林生物量来推算[5]。生物量是指在特定时间每单位面积上所有生物的干重或单位面积上累积的有机物的总质量,也称为现存量。目前,比较常用的估算森林生物量的方法包括:生物量模型(包括相对生长关系法和生物量—蓄积量法)[6]、生物量估算参数法[7]、3S技术[8]等。但是,由于研究对象存在地域差异,使用的数据来源和估算方法的不同等问题,导致森林碳储量的估算结果通常存在较大的不确定性。当前,一般采用国际上通用的估算森林含碳率的比例系数(0.5)[9]和生物量来估算植被碳储量。然而,不同树种的含碳率和同一树种的不同器官的含碳率可能不完全相同,这样就会对估算森林碳储量的结果产生不同程度的影响。

本文以河北太行山具有典型代表性的栓皮栎—侧柏混交林、油松、栓皮栎、刺槐为研究对象,通过样地调查,植被类型含碳率的实测数据和生物量模型来估算不同林分类型的生物量和碳储量,分析生物量、含碳率以及碳储量的分配格局,以期为像太行山这种极度干旱的区域选择合适的树种进行植被重建,为造林固碳提供数据基础和理论依据。

1 研究区概况

研究区位于河北省中南部的邢台市内丘县侯家庄乡岗底村,它位于太行山东麓,地理坐标在北纬37°10′11″～37°24′39″,东经113°56′43″～114°38′16″之间,海拔为510～1 200 m。该地区属于暖温带半湿润大陆性季风气候,四季分明,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥并常年多雪；年平均降水量约为520 mm,7—8月的平均降水量在280 mm左右,7—9月份的降雨量占全年降水量的70%左右。全年平均气温为12.3 ℃,寒暑变化显著。年平均日照总时数为2 336h,无霜期在180～200d之间。研究区为片麻岩山区,以山地丘陵为主,土层稀薄,土壤种类主要以褐土和褐土性土为主,土壤类型为壤土或砂壤土。乔木树种以栓皮栎(Quercusvariabilis)、油松(Pinustabulaeformis)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、侧柏(Platycladusorientalis)为主,灌木主要有酸枣(Ziziphusjujubavar.spinosa)、荆条(Vitexnegundovar.heterophylla)、胡枝子(Lespedezabicolor)、雀儿舌头(Leptopuschinensisvar.chinesis)为主,草本主要有三裂绣线菊(Spiraeatrilobata)、白羊草(Bothriochloaischaemum(L.)Keng)、中华卷柏(Selaginellasinensis)、白莲蒿(Artemisiasacrorumvar.sacrorum)等。

2 研究方法

2.1 标准地设置

于2019年7月实地考察研究区植被特征,选择了该区典型的栓皮栎-侧柏混交林、油松、栓皮栎、刺槐作为研究对象。经调查,4种林分在同一树龄阶段。在各林分中分别设置20m×20m的标准样地各3个,记录样地海拔、坡度、坡向以及土层厚度,并进行每木检尺,测量胸径、树高等因子,郁闭度采用样点法目测确定。样地基本特征如表1所示。

表1 样地概况Tab.1 Basic situation of experiment plot

2.2 植被生物量的计算

当前,各国普遍采用的一种简单而可靠的估算林分总生物量的方法,就是利用数学模型来估测森林生态系统中乔木层各器官的干重[10-11],这种方法通常也被称作维量分析法[12],其中应用最多的是利用相对生长率作为基本依据。本文选择研究区立地条件与该研究区相近的相应树种,运用相对生长方程来估算乔木层不同器官(树干、树枝、树叶、树皮和树根)的生物量[13-16]。乔木层树种相对成长方程如表2所示。

表2 乔木树种相对生长方程Tab.2 Relative growth equation of arbor species

注:表中W为单株木各组分的生物量(kg/株)；D为胸径(cm)；H为树高(m)。由于栓皮栎的树皮较厚,所以栓皮栎树干与树皮分开研究,同下表。

2.3 植被含碳率及碳储量的计算

采集每个林分内各器官样品,杀青后装进牛皮纸袋带回实验室,烘干至恒重后粉碎并过100目筛,采用重铬酸钾—稀释热法[17]测定样品的含碳率。本文中的植被碳储量仅指生态系统中乔木层的活生物量,林下灌木层、草本层、枯落物层的碳储量并未包含其中。用计算出的乔木层各器官生物量与其对应的含碳率的乘积即得到各器官的碳储量,各器官碳储量之和即得到乔木层植被碳储量。

3 结果与分析

3.1 不同林分类型乔木层生物量及其分配

由表3可知,不同林分类型生物量因树种的不同而表现出较大差异。表3中,栓皮栎林的生物量最高,为90.19t/hm2,其次是油松林,为86.40t/hm2,混交林为51.94t/hm2,生物量最小的是刺槐林,为18.08 t/hm2。栓皮栎林和油松林生物量高于4种人工水土保持林生物量的均值(61.65t/hm2)。而混交林和刺槐林生物量分别占生物量均值的84.25%,29.33%。不同林分各器官生物量在乔木层中的分配均以树干最高(56.30%～56.80%),树干生物量在4种林分中的分配顺序为油松(56.80%)>混交林(56.73%)>栓皮栎(56.54%)>刺槐(56.30%)。总体上看,不同林分乔木层各器官生物量的分配顺序均表现为树干>树根>树枝>树叶。不同林分类型各器官均值总体上也表现为树干(34.93t/hm2)>树根(12.94t/hm2)>树枝(10.05t/hm2)>树叶(3.73t/hm2),树干生物量均值分别为树枝、树叶和树根的3.48,9.36,2.70倍。混交林、油松林、栓皮栎林和刺槐林地上部分生物量分别占各自总生物量的75.03%,82.92%,78.32%,75.22%；树干生物量分别为地上部分总生物量的75.62%,68.51%,72.20%,74.85%,说明树干极易限制地上部分生物量。不同林分的根系生物量占总生物量的17.10%～24.99%,说明地下部分生物量同样不能忽略。

表3 主要林分类型乔木层不同器官生物量及其分配Tab.3 Distribution of biomass in different organs of arborous layer in main forest types

3.2 不同林分类型乔木层含碳率

由表4可知,不同林分类型混交林(栓皮栎-侧柏)、油松林、栓皮栎林和刺槐林各器官含碳率分别为45.16%～58.93%,58.48%～64.61%,51.16%～58.37%,52.35%～62.30%。方差分析表明,不同植被相同器官的含碳率有所不同,各器官高低顺序也有差异,其中,油松和刺槐各器官含碳率的顺序相同,为树枝>树干>树叶>树根；而混交林的侧柏各器官含碳率的顺序表现为树干>树叶>树枝>树根；栓皮栎各器官的含碳率顺序表现为树枝>树干>树叶>树皮>树根。相同植被类型的不同器官之间的含碳率也不相同,混交林的侧柏各器官含碳率之间表现出显著差异(P<0.05),不同林分类型植被的同一器官含碳率也存在显著差异,4种林分类型中根的含碳率表现出显著差异(P<0.05)。整体而言,油松各器官平均含碳率高于其他植被类型。

表4 不同林分类型各器官含碳量Tab.4 Carbon content of various organs of different forest types %

注:同列不同小写字母表示不同森林类型同一器官间含碳率差异显著(P<0.05),同行不同大写字母表示相同森林类型不同器官间含碳率差异显著(P<0.05)。

3.3 不同林分类型乔木层碳储量

由表5可知,4种典型林分碳储量为10.10～53.85t/hm2。不同林分类型各器官碳储量与生物量呈正比关系,与生物量趋势基本相同,碳储量大小表现为油松林>栓皮栎林>混交林>刺槐林。地上部分,树干与其他器官相比碳储量最高,为重要的碳库资源,混交林、油松林、栓皮栎林和刺槐林的树干碳储量分别占总碳储量的57.12%,57.23%,57.17%,56.24%;其次碳储量较高的为枝和根,两者相加占总碳储量的37.54%,32.19%,39.97%,39.90%。不同林分类型树叶碳储量在0.39～5.70t/hm2,虽然占总的碳储量只有2.86%～10.58%,但其是大气二氧化碳吸入的场所,对碳沉降起到至关重要的作用,所以也不可忽视。

表5 不同林分类型各器官碳储量Tab.5 Carbon storage of various organs of different forest types

3.4 不同林分类型碳储量分配特征

由图1可知,4种林分类型各器官中,树干碳储量最高,其次是树枝和树根,最小的是树叶。在不同林分类型碳储量中树干占主导地位,在混交林、油松林、栓皮栎林和刺槐林中所占的比例分别为57.12%,57.23%,57.17%,56.24%,均高于50%。树枝和树根分别占总碳储量的14.23%～19.98%和16.03%～23.31%。树叶仅占2.86%～10.58%。4种林分中各器官碳储量平均分配比例表现为树干(56.94%)>树根(20.65%)>树枝(16.75%)>树叶(5.66%),各林分地上部分碳储量占4种林分总的碳储量的76.69%～83.97%,平均为79.35%。地上部分与地下部分碳分配之比达3.29～5.24倍。

图1 不同林分类型碳储量分配特征Fig.1 Allocation characteristics of carbon reserves in different forest types

4 结论与讨论

4.1 讨论

根据研究,河北省太行山区4种典型水土保持林乔木层单位面积生物量为246.61t/hm2,该数值远高于太岳山(2015年)森林植被平均生物量88.26t/hm2[18],全国乔木层平均单位面积生物量86.07t/hm2[19],这与河北省在太行山区森林绿化建设中进行有力的保护以及抚育管理措施有很大的关系。4种林分类型各器官生物量分配顺序均表现为树干>树根>树枝>树叶,这与王炳焱[20]、朱丽平等[21]对乔木层各器官生物量分配研究结果相同；宋娅丽等[22]在山西太岳山不同林龄油松林生物量及碳储量研究中表明,植被生物量随着林龄的增加逐渐增加；付梦瑶等[23]在不同立地条件(坡向、坡位和海拔)下栓皮栎人工林群落生物量结构特征研究中表明,植被生物量会随着坡向、坡位和海拔的不同表现出差异性。可见,森林生物量受到地区、树龄以及立地条件等的影响。

森林碳储量是由生物量和含碳率两个因素决定的,作为森林生态系统碳库的重要组成部分,森林碳储量在森林生态系统中发挥着重要作用[24]。河北省太行山区4种林分类型平均碳储量为35.52t/hm2,高于山西霍山森林碳储量29.46t/hm2[25],也高于河南省(2013年)乔木林碳储量24.31t/hm2[26],但是低于2008年全国平均水平41.3t/hm2,也低于山西太岳山(2015年)44.13t/hm2[18],低于山西中南部主要造林树种平均碳储量44.34t/hm2[27],低于河南伏牛山区栎类天然次生林乔木层40.451t/hm2[28]。这表明,不同地区、不同气候条件对碳储量的变化有影响。研究区各林分地上部分碳储量占4种林分总碳储量的79.35%,这与曹晓阳[27]对山西中南部主要造林树种固碳能力研究中的分配结果一致。

森林碳储量由地上部分、地下部分、枯落物和土壤有机质 4 个碳库组成,但本研究只是针对乔木层进行研究,并未计入土壤、林下灌木、草本和凋落物生物量和碳储量,实际的森林碳储量还应远远大于以上估算值,且本研究只是对乔木层生物量和碳储量进行了一年的测量,并没有进行长期取样观察,今后将进行多年取样,观测出长期变化,可为深入研究河北太行山森林固碳能力和其碳汇功能以及研究合理的经营模式提供参考依据。

4.2 结论

1)本研究4种林分类型单位面积总生物量为246.61t/hm2,其中栓皮栎林总生物量最高(90.19t/hm2),最小的是刺槐林(18.08t/hm2),栓皮栎林和油松林生物量高于4种林分类型生物量均值,混交林和刺槐林生物量低于4种林分生物量均值。4种林分各器官生物量的分配顺序均表现为树干>树根>树枝>树叶。

2)本研究4种林分类型各器官含碳率为45.16%～64.61%。油松和刺槐各器官含碳率的顺序表现为树枝>树干>树叶>树根；侧柏各器官含碳率的顺序为树干>树叶>树枝>树根；栓皮栎各器官的含碳率顺序为树枝>树干>树叶>树皮>树根。

3)本研究4种林分类型总的碳储量为142.06t/hm2,各林分的碳储量顺序表现为油松林>栓皮栎林>混交林>刺槐林,各器官碳储量与生物量趋势基本相同。树干在不同林分类型碳储量中所占的比例分别为57.12%,57.23%,57.17%,56.24%,均高于50%。4种林分中各器官碳储量平均分配比例表现为树干(56.94%)>树根(20.65%)>树枝(16.75%)>树叶(5.66%),各林分地上部分碳储量占4种林分总的碳储量的79.35%。地上部分与地下部分碳分配之比达3.29～5.24倍。