基于FORECAST模型的塞罕坝机械林场森林碳储量动态变化

胡靖宇，沈广林，刘静波，王丽娟，田 晓

(1.河北石油职业技术大学，河北 承德 067000；2. 河北旅游职业学院，河北 承德 067000)

1 引言

“十四五”时期，中国生态文明建设进入了以降碳为重点战略方向、推动减污降碳协同增效、促进经济社会发展全面绿色转型、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期。森林碳储量约占陆地生态系统碳储量的2/3,对提升碳汇能力意义重大[1]，目前不少学者对碳汇能力从不同角度开展研究，但数据精确度不够，因此精确估算森林生态系统碳储量和价值量，预测森林生态系统碳储量及碳汇潜力，为国家林业碳汇减排及碳达峰碳中和目标实现提供参考。塞罕坝经过三代人不懈的努力，曾经寸草不生的荒漠发展成为“绿色地图”，精确的估算塞罕坝机械林场森林生态系统碳储量意义深远。

华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr)是塞罕坝地区最常见的速生针叶树种，具有喜光、喜阳、耐寒性强等生态特性，蓄积量最大，在华北山地分布较广[2]。白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)是塞罕坝地区比较常见的阔叶树种，生态习性和华北落叶松相似，喜光、喜阳、耐严寒，对土壤适应性强，东北和华北地区比较常见，为次生林先锋树种。本文以塞罕坝机械林场最常见的针阔两种代表性树种为研究对象，研究了不同立地条件和不同混交比例落桦混交林在未来300年内碳储量和年均固碳量变化趋势，筛选出落桦混交林可持续性经营策略，增强碳汇能力，推动绿色发展。

2 研究地概况与研究方法

2.1 研究地概况

研究地位于河北省承德市围场县最北端塞罕坝机械林场阴河林场的前曼甸营林区，地处116°51′～117°39′E， 42°02′～42°36′N，海拔1650～1830 m，年均气温-1.3 ℃，昼夜温差大，极端最高气温33.4 ℃，极端最低气温-43.3 ℃。年均降水量460.3 mm，年均积雪达7个月，蒸发量1230 mm，年均无霜期64 d。土壤类型以山地棕壤、灰色森林土为主，腐殖质含量为20%。研究区域林分为华北落叶松和白桦混交林。

2.2 样地设置与调查

在试验地内设置5块20 m×20 m 的固定样地，对华北落叶松和白桦分别进行每木检尺，分别确定华北落叶松和白桦标准木，分别测定其生物量，每个试验内设置4 个灌木样方(5 m×5 m)、4 个草本样方(1 m×1 m)、4 个枯落物样方(0.5 m×0.5 m)，灌木树种有绣线菊 (Spiraeasalicifolia)、 沙棘 (Hippophaerhamnoides)、胡枝子 (Lespedezabicolor)、山刺玫(Rosadaverica)、华北忍冬(Loniceratatarinowii) 等，草本植物有蒲公英 (Herbataraxaci)、野蔷薇(Rosamultiflora)、曼陀罗(Daturastramonium)等，全部收获法测定生物量。选取每个试验地四角和中心5个位置，分层取土样。测定土壤容重、全氮和土壤有机质。

2.3 FORECAST模型简介

如图1所示，将土壤数据、乔木数据、林下植被数据、苔藓数据输入到模型中，模式会输出相应变化趋势，该模型最大的优点是随着外界环境因素的变化模型可以进行动态的模拟，然后进行相应反馈，例如季节变化、土壤肥力、病虫害，甚至火灾等外界因素都可以动态反馈。FORECAST模型的驱动机制是叶氮同化率(FNE)。由于下层树叶被上层树叶遮挡，在实际应用过程中对FNE进行修正，修正为遮荫叶氮同化率(SCFNE)。SCFNE的计算方法首先将林冠层沿垂直方向分为若干亚层，分别计算每个亚层的光合效率和叶氮量，最后求和[3～9]。

图1 FORECAST模型流程

2.4 情景模拟

将混交林立地指数(好、中、差)分别设置为25、19、15。将华北落叶松和白桦混交林混交比例分别设置为2∶1，1∶1，1∶2，1∶3，1∶4五种模式，每个轮伐期50年，共6个轮伐期，每个轮伐期第10年间伐20%。

2.5 模型的精度检验

将FORECAST模型模拟数据和文献中实测数据进行比较，模型校验精度如图2所示，好中差3种立地条件下生物量变化趋势与实测数据趋势一致。

图2 模型精度检验

3 结果与分析

3.1 乔木层碳储量变化趋势

模拟结果如图3所示：好中差3种立地条件下华北落叶松和白桦全树总碳储量累积和树干碳储量表现为较好立地>中等立地>较差立地。华北落叶松和白桦混交比例为1∶2的混交林平均每个轮伐期全树碳储量和茎干碳储量积累多，其次为混交比例为1∶3的混交林，混交比例1∶4次之，华北落叶松和白桦混交比例为2∶1和1∶1表现较差，由此可见，华北落叶松和白桦混交林中白桦占比大于华北落叶松情况下有利于碳储量的积累。

图3 不同立地类型华北落叶松和白桦混交林全树和茎干碳储量300年间的累积量

3.2 土壤碳储量变化趋势

土壤碳储量变化趋势如图4所示，华北落叶松和白桦混交林混交比例2∶1和1∶1两种林分在6个轮伐期内均有不同程度的下降，说明以上两种混交方式经过连载，会导致土壤肥力下降，由此可见，混交林中华北落叶松占比过高不利于可持续经营。而华北落叶松和白桦混交林混交比例为1∶2、1∶3和1∶4三种混交林在6个轮伐期内土壤有机碳储量呈现上升趋势，可见，混交林中白桦占比大于华北落叶松有利于土壤碳储量的积累。

图4 不同立地类型华北落叶松和白桦混交林土壤碳储量

3.3 生态系统碳储量变化趋势

模拟结果如图5所示：好中差3种立地条件下生态系统的碳储量表现为较好立地>中等立地>较差立地。其中华北落叶松和白桦混交比例为1∶2、1∶3和1∶4三种林分在6个轮伐期内生态系统碳储量呈现上升趋势，而混交比例为1∶1和2∶1两种林分呈现下降趋势，由此可见这两种方式不利于混交林的可持续发展。

图5 不同立地类型华北落叶松和白桦混交林生态系统碳储量

3.4 年均固碳量差异分析

模拟结果如表1所示：华北落叶松和白桦混交林在中等立地条件下不同混交比例(1∶4、1∶3、1∶2、1∶1、2∶1)年均净生产力分别为7.58 t/(hm2·a)、7.58 t/(hm2·a)、8.35 t/(hm2·a)、6.88 t/(hm2·a)、4.88 t/(hm2·a)，落桦混交比例为1∶2年均净生产力高于其他种类林分。年均固碳量如图6所示：较好立地和中等立地落桦混交比例为1∶2均可获得最大年均固碳量，且不同混交比例年均固碳量趋势相同。较差立地条件下，混交林中华北落叶松比例高于白桦比例时，年均固碳量较少，其它4种混交方式年均固碳量差距较小。

图6 不同立地类型华北落叶松和白桦混交林年均固碳量

4 结论

好、中、差三种立地条件下，不同混交比例华北落叶松和白桦混交林6代连栽所呈现出来的乔木层碳储量、土壤碳储量、生态系统碳储量和年均固碳量有差异，较好立地优于中等立地优于较差立地，其中混交林中白桦的占比高于华北落叶松的林分，随着连栽次数的增加，生态系统碳储量都有上升的趋势，混交林中华北落叶松占比过高的林分，随着连栽次数的增加土壤碳储量、生态系统碳储量趋于平缓，较好立地有下降的趋势。在较好和中等立地条件下华北落叶松和白桦混交林混交比例为1∶2均可获得最大年均固碳量和年均净生产力，较差立地条件下混交比例对年均固碳量和净生产力不明显。

5 讨论

5.1 FORECAST模型对落桦混交林净生产力估测

净初级生产力(NPP)直接反映森林生态系统的质量状况、生产能力和固碳能力，对于碳中和、碳平衡的研究有重要的意义，不同学者针对于华北落叶松和白桦净生产力和固碳量有一定的研究，如张慧东等运用参数率定模型模拟了落叶松人工林生态系统碳通量的动态变化，测算生态系统的年平均总初级生产力为 13.234 t/hm2[9]。吕振刚等利用CASA模型计算华北落叶松当前及未来潜在NPP,结果河北省华北落叶松当前潜在NPP均值为342.7 gC·m2a[10]。赵匡记等以塞罕坝地区华北落叶松为研究对象，结果26～30年生林分的生产力最大，为5.72 m3/(hm2·a)，11～15年生产力最小，为3.22 m3/(hm2·a)，45年以上林分为3.92 m3/(hm2·a)[11]。姚丹阳以塞罕坝机械林场华北落叶松人工林为研究对象，初植密度为3330株/hm2的林分5～10 a总生物量为7.10～14.35 t/hm2之间，初植密度为4995株/hm2的林分总生物量为5.66～12.37 t/hm2之间[12]。本研究落叶松白桦混交林净生产力模拟结果为4.36～9.58 t/(hm2·a)之间，与前人估算结果相近，由此可见FORECAST混合模型对于落桦混交林模拟结果相对准确。

5.2 不同混交比例华北落叶松白桦混交林的净生产力及碳储差异

在较好和中等立地条件下华北落叶松和白桦混交林混交比例为1∶2均可获得最大年均固碳量和年均净生产力，落桦混交比1∶3和1∶4的混交林次之，落桦混交比2∶1年均固碳量和年均净生产力最差，较差立地条件下混交比例对年均固碳量和净生产力不明显，由此可见，较好和中等立地条件下落桦混交比例为1∶2为最佳混交比例，在较差立地条件下，混交比例对年均固碳量和年均净生产力影响不大，主要影响因素取决于林分密度。

5.3 FORECAST模型在针阔混交林模拟中的应用问题

FORECAST模型在全球已广泛应用，但在针叶纯林上应用居多，对于阔叶树和针阔混交林还处于尝试阶段，FORECAST模型最大优势在于其动态管理，反馈机制，打破传统模型预测的局限性，J. P. (Hamish)Kimmins 团队正在将该模型与水分模型(FORWADY)进行耦合，未来在森林生态系统碳储量预测会更精准、更客观。