辽东山区森林生态系统碳密度及碳储量

辽东山区森林生态系统碳密度及碳储量

全球和区域碳循环已成为全球变化研究和宏观生态学的中心内容之一（方景云等，2007）。区域性森林生态系统碳库的储量和变化对全球碳平衡产生巨大的影响(Phillipsetal.,1998;IPCC,2001),多数研究者认为碳“失汇”是由于陆地生态系统中的森林生态系统缺乏足够的精确了解所致(刘国华等,2000;王效科等,2002;李玉强等,2005)。因此,明确森林生态系统的固碳现状,分析不同地区、不同森林类型的碳平衡特征也就显得十分迫切(肖复明等,2010)。辽宁省森林以人工林为主,幼、中龄林居多,近年来近成熟林比重逐年增大,面积和蓄积占整个林分的比重由1985年的8.21%和14.96%增至2005年的22.12%和43.34%,森林质量不断好转,但幼中龄林比重依然较大,森林整体固碳能力还不强,森林碳密度偏低。但从另一方面也说明辽宁省的森林还有很大的固碳潜力(王雪军等,2008)。目前,一些学者已经发表文章利用清查资料或遥感数据估算辽宁省生物量碳储量。王雪军等(2008)、李海奎等(2011)用生物量经验(回归)模型估算辽宁省生物量碳储量由1984年的51.82TgC增加到2005年的124.54TgC。吴庆标等(2008)、Li等(2011)利用平均比率法(MRM,即不变的生物量蓄积量转换因子法)结合温度带系数估算辽宁省生物量碳储量由1990年的56.03TgC增加到2005年的97.51TgC,而续珊珊和姚顺波(2009)也利用MRM法结合蓄积量扩展系数估算辽宁省生态系统碳储量由1980年的125.75TgC增加到2000年的171.66TgC。董方晓(2010)利用换算因子连续函数法(CBM)分林型估算辽宁省森林生物量碳储量由1984年的42.99TgC增加到2005年的80.9TgC。王雪军和孙玉军(2011)利用遥感地学模型估算2005年碳储量为127.88TgC。以上研究表明,即使利用同样的清查资料,不同方法的估算结果相差2.37~3.15倍。这说明利用国家尺度上的森林碳储量估算方法来研究省级尺度上的森林碳储量是不准确的。不同的树种及同一树种在不同的气候区及不同林龄条件下,组织器官的碳分配状况及碳元素含量有显著差别,因此利用异速生长方程,通过对森林各组分生物量及不同器官碳含量的实测,是估算小尺度上森林生物量碳的有效途径。另外,土壤碳库是森林生态系统的最大的碳库(汪业勖等,1999),而辽宁省的碳汇有关这方面的研究还较少。辽东山区森林类型复杂多样,森林资源丰富,森林面积约占全省的60%以上,森林蓄积量占全省的70%以上,是辽宁省主要的用材林生产基地。本研究通过深入和系统的样地调查,结合森林的立地条件、林龄,建立土壤、灌木、草本和凋落物碳库与森林类型和林龄、立地条件之间的关系,研究辽东山区森林生态系统不同组分器官碳含量和土壤碳含量,旨在为准确评估辽宁省森林生态系统的碳汇功能提供数据支撑,为我国森林生态系统碳储量和碳循环的研究提供数据支持。1研究领域和方法1.1流贯于东部山区森林、植被条件研究区域位于辽宁省东部山区,属低山丘陵区,地势由北向南逐渐升高。水系主要属辽河流域,主要支流浑河、太子河均流贯于东部山区,属温带湿润季风气候,年降水量750~1200mm,年均气温5~8℃,土壤多为棕色森林土和暗棕色森林土,也有少部分黑土和灰化土。全区属长白植物区系,森林资源丰富,植物种类2000多种。地带性植物群落为以红松为主的针阔混交林,目前绝大部分已演变为天然次生柞树林和杂木林。人工林以落叶松林、油松林、红松林为主。1.2森林生态系统调查本研究基于自设样地调查数据,结合辽宁省2009年森林资源二类调查数据,探讨辽东山区森林生态系统(包括乔木、灌木、草本、凋落物和土壤)碳密度及碳储量状况。1.2.1样地设置与样品采集2011年,在辽宁东部山区按照典型选样的方法,分别在红松、落叶松、油松、柞树和阔叶混交林中设置0.1hm2(20m×50m)的标准地,每个龄组设3个重复,共设置39块样地(表1)。乔木样方内,进行每木检尺,对样地内优势树种组分别叶、枝、干和根取样。在每个乔木样方中设置3个2m×2m灌木样方,分别采集叶、茎和根。在每个灌木样方中设置1个1m×1m草本样方,按地上部分和地下部分收集草本。在每个灌木样方中设置1个1m×1m凋落物样方,全部收获。在各乔木样方中设置1个土壤剖面,按0~10cm、10~20cm、20~30cm、30~50cm和50~100cm机械分层取样,不足100cm的土壤,取至母质层,2个重复,环刀法测定土壤容重。另外,用土钻在每个灌木样方内随机取3个点,分别5个层次取样,最后将每块地9个点的土样分层次混合样品。土壤样品用自封袋密封,带回实验室供碳含量测定。1.2.2乔木生物量异速生长方程本研究乔木生物量的计算采用陈传国和朱俊风(1989)、马钦彦(1989)基于大量解析木数据拟合而得的东北地区主要树种生物量异速生长方程(表2)。乔木生物量具体计算公式如下:式中,WP为20m×50m样方内所有乔木的生物量;i为某树种,j为样方内乔木株数;Ws为单木生物量;WD、WL、Wsi和WR分别为单木树干、树枝、树叶和树根的生物量。(2)样品的采集和烘干本研究林下植被层包括凋落物、灌木和草本碳库3部分。将样地调查取回的灌木(叶、茎和根)、草本(地上部分、地下部分)和凋落物样品放入80℃的烘箱烘干至恒重。利用样品烘干重、样品鲜重及样方内总鲜重换算样方内总生物量。1.2.3碳含量的测定将植物和土壤样品研磨后,过100目筛,采用重铬酸钾-硫酸氧化法,测定植物样品各器官以及土壤不同层次有机碳含量。1.2.4森林碳储量的计算(1)单木或林分生物量所占的权重同一树种不同组分的含碳率值是有一定差别的,以每个树种各组分含碳率的算术平均值,来作为该树种或由该树种所组成的林分的平均含碳率值,并不能真实地反映实际情况,因为单木或林分各组分的生物量在总生物量中所占的权重不同。因此,本研究分别用各组分不同器官生物量乘以实验测定的该器官碳含量,得到单株碳储量及样方内总碳储量,再根据调查样方面积得到碳密度。(2)土壤有机碳密度将各层土壤样品充分风干后称重,根据环刀容积求取各层土壤容重,结合该层土壤碳含量,进一步求算土壤有机碳密度Ci。式中:Ci为第i森林类型土壤有机碳密度,ρj为第j土层的土壤容重,Pj为第j土层的土壤平均有机碳含量;Dj为第j土层的厚度。(3)植被类型对森林碳密度的影响灌木层、草本层、凋落物层和土壤层碳储量利用植被类型法进行外推(周玉荣,2000)。植被类型法即假定灌木层、草本层、凋落物层和土壤层碳储量与植被类型相关,根据各植被类型下的灌木层、草本层、凋落物层和土壤层平均碳密度,累加得到森林生态系统碳密度。结合2009年森林资源清查资料中辽东山区该森林类型的分布面积,得到碳储量。2结果与分析2.1生态系统总碳储量辽东山区森林生态系统碳密度为300.050Mg·hm-2,各层碳密度大小顺序为土壤层(232.452Mg·hm-2)>乔木层(63.237Mg·hm-2)>凋落物层(3.529Mg·hm-2)>灌木层(0.558Mg·hm-2)>草本层(0.274Mg·hm-2)(表3)。不同森林类型生态系统碳密度为175.475~422.552Mg·hm-2。森林生态系统总碳储量达到917.709TgC,其中,乔木层、灌木层、草本层、凋落物层和土壤层碳储量分别占总碳储量的21.1%、0.2%、0.1%、1.2%和77.4%,各层碳储量大小排序为:土壤层(710.959TgC)>乔木层(193.410TgC)>凋落物层(10.794TgC)>灌木层(1.707TgC)>草本层(0.839TgC)。不同森林类型生态系统碳储量为13.312~334.968TgC,森林面积越大,碳储量越高。2.2林分乔木层碳储量红松、落叶松、油松、柞树和阔叶混交林乔木层碳密度分别为49.513、30.528、66.517、75.182和64.355Mg·hm-2(表3)。不同林型乔木层碳密度随林龄的增加而增大,但柞树中龄林碳密度较幼龄林有所下降(图1)。不同林型乔木层碳储量在2.814~110.786TgC,其中以柞树最大,红松最小。乔木层碳储量的变化与森林面积相一致,林分面积越大,乔木层碳储量越多。红松、落叶松和柞树幼龄林碳储量最高,中、近、成、过熟林逐渐降低,而油松和阔叶混交林幼龄林稍低于中龄林,随后也呈下降的趋势。2.3地下植被层的碳密度和碳储量2.3.1研究方法红松、落叶松、油松、柞树和阔叶混交林灌木层碳密度分别为0.840、0.352、0.842、0.416和0.888Mg·hm-2(表3)。落叶松和柞树灌木层碳密度较低,其他林型间差异不大。红松、落叶松、油松和柞树灌木层碳密度在幼、中龄林间呈降低的趋势,但到近熟林有显著的增大,随着林分逐渐成熟又呈现下降趋势。而阔叶混交林灌木层碳密度幼龄林低于中龄林(图2)。不同林型灌木层碳储量在0.048~0.683TgC,以阔叶混交林最高,红松最低。2.3.3初至2红松、落叶松、油松、柞树和阔叶混交林凋落物层碳密度分别为4.404、4.194、4.620、1.546和6.497Mg·hm-2(表3)。阔叶混交林凋落物层碳密度最高,红松、落叶松和油松碳密度差异不大,柞树碳密度最低,各林型凋落物层碳密度在不同龄组间的变化没有明显的规律性(图4)。不同林型凋落物层碳储量为0.25~4.999TgC,以阔叶混交林最高,红松最低。幼龄林凋落物层碳储量最高,中、近、成、过熟林逐渐降低。2.4不同林分类型中土壤碳密度的变化红松、落叶松、油松、柞树和阔叶混交林土壤层碳密度分别为179.307、338.560、102.924、149.967和350.404Mg·hm-2(表3)。落叶松和阔叶混交林土壤层碳密度最高,其次为红松和柞树,油松土壤层碳密度最低。总体上,土壤碳密度在幼中龄林间呈现增加的趋势,但红松中龄林碳密度稍低于幼龄林。落叶松和柞树土壤碳密度在近、成熟林稍有下降(图5)。不同林型土壤层碳储量在10.190~269.625TgC,以阔叶混交林最高,红松最低。3森林植被碳密度与林分密度的关系本研究表明,辽宁东部山区森林生态系统的植被、凋落物和土壤碳密度分别占整个生态系统的21.3%、1.2%和77.5%,其中土壤层碳密度最大,约为植被碳密度的3.63倍,周玉荣等(2000)估算我国森林生态系统土壤碳密度约是植被碳密度的3.4倍,本研究结果与其基本一致。为了比较本研究结果与利用森林连续清查资料估算结果的差异,本文根据辽宁省2009年森林资源二类调查资料,采用吴庆标等(2008)、续珊珊和姚顺波(2009)、董方晓(2010)在全国尺度上估算辽宁省碳储量的方法,计算辽东山区乔木碳密度。结果表明,用吴庆标等(2008)、续珊珊和姚顺波(2009)和董方晓(2010)的方法估算辽东山区乔木碳密度分别为28.99、33.22和36.29Mg·hm-2,而本研究结果为63.24Mg·hm-2,高于以前的估算结果,且差异主要来源于对幼龄林的估算。本研究的幼龄林乔木碳密度是利用清查资料估算结果的2.9~4.2倍,而中龄林、近熟林和成过熟林的估算结果与前人研究结果相近,是其1.2~1.6倍。这说明利用森林清查资料,会低估幼龄林的碳密度,而由于幼龄林在辽宁省占有很大比重,因此,以前的研究可能低估了辽宁省的乔木碳储量。目前,辽东山区关于林下植被和土壤碳密度尚缺少实地调查研究。续珊珊和姚顺波(2009)、Lun等(2012)提出利用乔木碳密度乘以转换系数0.195估算林下植被碳密度,乔木碳密度乘以1.244估算土壤碳密度。根据本次调查得到的乔木碳密度采用此方法计算林下植被碳密度为12.33Mg·hm-2,土壤碳密度为78.67Mg·hm-2;而通过实地调查,林下植被层碳密度为4.36Mg·hm-2,土壤碳密度为232.452Mg·hm-2。因此,用简单的转换系数,高估了辽东山区林下植被碳密度,远远低估了土壤碳密度。孙维侠等(2004)估算了我国东北地区土壤有机碳密度,其中辽宁省土壤平均碳密度为63.26Mg·hm-2,低于本研究结果,主要原因在于,本研究选择调查区域为辽宁东部山区,而未考虑森林资源较少、土壤质量较差的辽西地区。分析辽东山区森林生态系统各组分碳密度在不同龄组间的变化情况,结果显示,乔木层碳密度随林龄增加而增大。其中,柞树中龄林的碳密度低于幼龄林,这是由于该地区天然次生的柞树幼龄林,林分密度过大,导致碳密度较高,而在中龄时对其进行了抚育,使林分密度显著降低,碳密度也随之下降。灌木层碳密度在幼中龄林呈现明显下降趋势,近熟林却突然增加。这是由于在实施中龄林抚育时进行了清灌,导致中龄林灌木量减少,待林分逐渐步入近熟林时,灌木重新萌发,因此碳密度显著增加。但随着林分郁闭度逐渐加大,又出现了减小的趋势。而阔叶混交林灌木层碳密度幼龄林低于中龄林,主要是由于该林分达到中龄时林下灌木层主要为乔木幼苗,导致灌木层碳密度高于幼龄林。落叶松草本层碳密度呈现先降后升的趋势,与马炜等(2010)的研究结果一致。不同林型凋落物层碳密度表现为阔叶混交林最高,3种针叶林凋落物层碳密度差异不大,且均显著高于柞树。