模拟杉木杉木混交林净生产力和碳储量的时空变化

模拟杉木杉木混交林净生产力和碳储量的时空变化

森林是生态系统的主要植被，碳储量占生态系统的2.3%，在世界碳循环中发挥着重要作用和作用。净生产力(NPP)不仅直接反映了植被群落在自然环境条件下的生产能力,表征陆地生态系统的质量状况,而且是判定生态系统碳源/汇和调节生态过程的主要因子,在全球变化及碳平衡中扮演着重要的作用,近20年来NPP建模及其应用得到迅速发展,一系列适用于区域和全球尺度的NPP估算模型相继而出,中国学者先后从国外引进和改良了CEVSA、CASA、GLO-PEM、BEPS等多个陆地生态系统碳循环模型,同时也自主开发了适用于中国陆地生态系统的AVIM2、Agro-C、FORCCHN、DCTEM等模型,对当前气候状态下中国自然陆地生态系统的净初级生产力和碳储量、未来气候变化和土地利用变化对中国陆地生态系统碳循环的影响等问题进行了模拟分析。FORECAST模型是加拿大Kimmins开发的基于森林生态系统林分水平及林地养分循环为基础的模型杉木(Cunninghamialanceolata)是我国南方重要的造林树种,但众多研究表明杉木连栽能够导致林分地力衰退、生产力下降以及生态环境恶化。阔叶树种楠木(Phoebebournei)枝叶较浓密,林冠层较厚,林下凋落物量大且易分解,养分归还大,能够提高土壤的肥力,因此,营造楠木杉木混交林是改善杉木人工林地力衰退的有效途径,自20世纪90年代许多学者开始楠木与杉木混交的试验研究,试验的混交比例为2∶1、1∶1,结果表明混交林的平均胸径、平均单株材积和林分总蓄积量、净生产力、生物量优于纯林,表现出明显的混交效应1学习方法1.1野外试验设计研究区为福建、四川和江西,属亚热带湿润气候区,年平均温度18.3℃,年平均降水量1741mm,无霜期270d,年平均日照时数1860h。土壤主要是红壤和黄红壤,pH4.7~5.2,福建、四川的数据来源于文献[14,20-22],模型模拟所需其它数据来源于文献[15,23-25]。江西省境内的野外试验点设立于吉安青原区樟州村、遂川县大坑乡长荣村、遂川县茶盘洲乡溪口村,分别设立3个20m×30m的样地,对样地的楠木进行每木检尺,每个样地内设置5个5m×5m的灌木样方、5个1m×1m的草本样方和5个0.5m×0.5m枯落物样方。灌草生物量采用全部收获法,分别取样,称重,带回实验室烘干,测定含水率。在每个标准地内挖取5个土壤剖面,并按0~20cm,20~40cm分层取样。土壤容重采用环刀法测定。全氮测定采用开氏消煮法,土壤有机质的测定采用重铬酸钾容量法-外加热法。1.2forecast模型简介FORECAST模型(ForestryandEnvironmentalChangeAssessment)是加拿大著名森林生态学家J.P.(Hamish)Kimmins教授主持开发的应用模型,该模型是基于森林生态系统林分水平过程上的混合性模型,它将传统的经典产量表与复杂的过程模型相结合。FORECAST模型是系统研究了森林生物产量与林分密度与结构,演替阶段、生物地球化学循环以及各种经营管理措施之间的相互规律,在森林经营生态学原理基础上开发的。模型的驱动机制是叶氮同化率(foliagenitrogenefficiency)。所谓叶氮同化率(FNE)是指叶片中单位质量的氮素在单位时间内所同化产生的干物质量在实际林分中,由于林冠下部的叶层受到上部叶层的遮荫,所以光合效率会有所下降。因此,在具体应用时需要对FNE进行修正,修正后的FNE为遮荫叶氮同化率SCFNE(shade-correctedfoliagenitro-genefficiency)。其计算方法是先将整个林冠层模拟为一个“不透光的叶毯(opaqueblanket)”,然后再将“不透光叶毯”沿垂直方向按25cm一层划分为若干亚叶层,各亚层分别计算的叶氮量(massoffoliagenitrogen)、相对光合效率(relativephotosntheticrate),最后汇总求和。即:1.3林分立地条件为了评估不同立地条件下混交林碳储量变化趋势,将林分的立地条件划分为好、中、差3种立地,立地指数分别为27,21,17。初值密度设定为2500株/hm1.4实测值与模拟值的比较虽然研究楠木杉木混交林的记载比较多,但是描述混交林生态系统的不同管理措施对长期立地C储量、生物量的数据还是比较少,笔者尽可能收集所有文献中实测值与模拟值进行比较。本文所收集的研究结果2结果与分析2.1中等立地+较差立地模拟结果如下图2所示,好、中、差3种立地条件下净生产力有明显的差异,表现为较好立地>中等立地>较差立地。其中楠木纯林和楠木×杉木混交比为5∶1、4∶1和3∶1的4种林分净生产力随着时间的增加呈现上升的趋势,表明这种混交方式是可持续的,而杉木纯林、楠木×杉木混交比1∶3和1∶1的3种林分呈现下降趋势,且第2个轮伐期下降更为显著。2.2净生产率差异分析如表1模拟结果所示:较好立地、中等立地条件下都楠木纯林的净生产力最高,分别为16.26t/(hm2.3混交比例差异模拟结果显示,3种立地条件下楠木×杉木混交林300年的乔木总碳储量、树干碳储量累积的变化趋势是相同的。即混交林每一个轮伐期内的平均碳储量要高于相同立地条件下杉木纯林的碳储量(图3),在较好立地和中等立地下不同混交比例间的差异大于较差立地,而且混交林中楠木×杉木混交比例为3∶1、4∶1、5∶1的全树和树干的碳储量高于其它混交比例。但杉木纯林在300年内总碳储量要高于混交林碳储量(图4),这是由于杉木在300年内经历了10个轮伐期,而楠木纯林及其混交林只经历6个轮伐期。在楠木×杉木混交林中,楠木比例大于杉木的林分总碳储量,一个轮伐期的平均碳储量大于楠木比例小于等于杉木的林分,且楠木×杉木混交比例为3∶1平均每个轮伐期碳储量最大,4∶1、5∶1、1∶1依次减小,而楠木杉木比例为1∶3平均每个轮伐期碳储量最小,从经济价值的角度来讲楠木×杉木比例为3∶1能够获得更多的干材量,经济效益最高。2.4土壤退化程度的变化如图5所示,杉木纯林、楠木×杉木混交比1∶3和楠木×杉木混交比1∶1这3种林分的土壤碳储量在300年的模拟时间内均有不同程度的下降,并且随着楠木比例的增加土壤的退化程度呈现减少的趋势,表明这3种连栽方式会导致土壤地力的退化,是不可持续的。而楠木纯林和楠木杉木混交比5∶1,4∶1和3∶1这4种林分的土壤有机碳储量在300年的模拟中均呈现上升趋势,说明营造楠木杉木混交林时楠木的比例大于杉木会有利于土壤碳库的积累,有利于楠木杉木混交林的可持续发展。2.5生态系统碳储量变化趋势从图6模拟结果可以看出:较好立地的地上碳储量、地下碳储量及生态系统的碳储量均高于较差立地的。无论是纯林还是混交林,较差立地条件下地上、地下、生态系统碳储量在300年的模拟时间内均呈现上升趋势,较好立地和中等立地条件下的杉木纯林、楠木杉木比1∶3这2种林分则呈现递减的趋势,但楠木纯林和楠木杉木比5∶1,4∶1和3∶1这4种林分呈现上升趋势(图5),说明楠木纯林及楠木比例大于杉木的混交林生态系统具有可持续的碳储能力。2.6单位面积固碳量差异如图7所示:较好和中等立地条件下的年均固碳量趋势相同,混交林中楠木杉木种植比例为3∶1年均可以获得最大的固碳量。在较差立地条件下,混交林中楠木比例大于杉木的林分年均碳储量比楠木比例小于杉木的混交林要大。并且随着楠木数量的减少,年均固碳能力逐渐下降。综上所述:楠木杉木混交比例为3∶1的情况下年均固碳量最大。3杉木杉木混交林的净生产力和碳储量变化趋势从模拟300年时间内多代经营的净生产力、生态系统及土壤碳储量结果看,楠木纯林和楠木×杉木混交比为5∶1、4∶1和3∶1的4种林分净生产力、乔木层碳储量、土壤层及生态系统碳储量都随着时间的增加呈现上升的趋势,而楠木×杉木混交比1∶3和1∶1的3种林分呈现下降趋势,而楠木比例大于杉木的林分总碳储量和一个轮伐期的平均碳储量大于楠木比例小于等于杉木的林分,而且楠木×杉木混交比例为3∶1平均每个轮伐期净生产力和碳储量最大,表明是可持续性最好的混交比例。4讨论4.1森林生态系统固碳能力与全球变化森林生态系统净初级生产力(NPP)作为地表碳循环的重要组成部分,不仅直接反映了森林生态系统在自然环境条件下的生产能力,表征其质量状况和森林生态系统的固碳能力,在全球变化和碳平衡研究中有重要意义。对于楠木有不同学者开展了基于样地调查和树干解析的生物量和净生产力研究,如彭龙福4.2杉木提高土壤碳储量、改善林分环境,增加杉木生长阮传成模拟结果表明,当混交林中杉木数量大于楠木的情况下树干的碳储量和全树的碳储量都随着楠木数量的减少有所下降;当楠木∶杉木比小于3∶1时,乔木层树干的碳储量和全树的碳储量随着楠木数量的增加略有下降,故楠木杉木比为3∶1的情况下能够获得最大的乔木层及生态系统碳储量、年均固碳量。这主要是因为杉木是浅根性,侧须根发达,无明显主根,主要吸收土壤上层