魏文俊 尤文忠 張慧東 顏廷武 霍常富 趙 剛 邢兆凱

(遼寧省林業(yè)科學研究院，沈陽，110032)

遼寧省落葉松人工林生物量碳庫特征1)

魏文俊 尤文忠 張慧東 顏廷武 霍常富 趙 剛 邢兆凱

(遼寧省林業(yè)科學研究院，沈陽，110032)

利用遼寧省東部山區(qū)落葉松人工林典型分布區(qū)樣地清查資料，構建了不同林齡落葉松生物量與蓄積量轉換模型，結合遼寧省2006年森林資源二類調查資料，估算全省落葉松林生物量碳密度和碳儲量。研究表明，干碳量比、根碳量比和根冠碳量比隨著林齡的增加而增大，葉碳量比、枝碳量比隨著林齡的增加而降低，方差結果顯示不同林齡落葉松單木碳分配模式存在顯著的差異。對不同林齡階段生物量與蓄積量進行曲線回歸得到，除中齡林生物量與蓄積量轉換模型為CVD模型擬合效果最好外(決定系數(shù)R2=0.925)，幼齡林、近熟林和成熟林均為線性模型擬合效果最好，而且決定系數(shù)R2分別達到了0.843、0.967和0.927。不同林齡落葉松林生物量碳密度隨著林齡的增加而增大。2006年遼寧省落葉松林生物量碳儲量為19.63Mt，其中喬木層占總生物量碳儲量的94.15％，灌木層占2.21％，草本層占0.37％，枯落物層占3.27％。不同林齡落葉松林生物量碳儲量呈現(xiàn)出中齡林＞幼齡林＞近熟林＞成熟林。

遼寧省;落葉松林;碳密度;碳儲量

由大氣中的CO2體積分數(shù)不斷升高而引起的全球性溫室效應、氣候變暖等生態(tài)問題已成為全世界共同關注的焦點問題[1]。據(jù)實測，當前地表和大氣溫度的上升，70％～80％是由于大氣中CO2的增加造成的[2]。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，維持著全球86％的植被碳庫[3]和73％的土壤碳庫[4]，森林生態(tài)系統(tǒng)在調節(jié)全球碳平衡，減緩大氣中CO2等溫室氣體體積分數(shù)上升以及調節(jié)全球氣候等方面有著不可替代的作用[5]。森林作為碳匯，為減緩溫室氣體提供低成本的機會，而不同的森林經(jīng)營管理措施(如對森林組成、林齡和結構的控制)常常影響其碳吸存的結果[6]。目前，人工造林作為一種新增碳匯的主要途徑，以木材收獲與碳吸存為雙重目標，已成為國際研究熱點[7]。因此，人工林生態(tài)系統(tǒng)固碳受到國內外學者的廣泛關注[2-19]。

落葉松林是遼寧省人工林的重要組成部分之一，并且現(xiàn)存落葉松林均為人工林。到目前為止，仍未見對全省落葉松林碳庫特征的詳盡報道。本研究以遼寧省落葉松人工林為研究對象，利用遼寧省2006年森林資源二類調查資料，并結合遼寧東部山區(qū)落葉松林的典型分布區(qū)解析木調查資料，建立了不同林齡階段落葉松林生物量與蓄積量轉化模型，分析了不同林齡落葉松林葉、枝、干、根和根冠碳量比的差異及碳密度的差異，并且估算了遼寧省落葉松林碳庫及其分布格局，旨在為探索落葉松林碳庫特征提供科學依據(jù)，為評估遼寧省人工造林對森林碳匯功能的影響提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

以落葉松人工林典型分布區(qū)為研究對象進行試驗地布設與調查。試驗地設置在冰砬山森林生態(tài)站，位于遼寧省東部山區(qū)冰砬山林場(東經(jīng) 124°45′～125°15′，北緯 42°20′～42°40′)，在西豐縣境內，屬吉林哈達嶺的西南延續(xù)地帶，為低山丘陵地貌，海拔一般在500～600m，最高峰海拔達870m。屬溫帶大陸性氣候，春季氣溫回溫迅速，夏季雨量集中，秋霜較早，冬季寒冷。7月份氣溫最高，平均溫度為23.2℃，極端高溫35.2℃;1月份氣溫最低，平均為-17.2℃，極端低溫-41.1℃;具有典型的山區(qū)氣候特征，年均氣溫5.2℃，年均降水量684.8mm，年均蒸發(fā)量1 379.8mm，無霜期133d。土壤以暗棕色森林土為主，其次為棕色森林土，土壤質地多為粉沙壤土和壤土，土層深厚，有機質質量分數(shù)高，pH值為6～7。林區(qū)現(xiàn)存森林主要以天然次生林和落葉松人工林為主，落葉松人工林主要有長白落葉松(Larix olgensis)和日本落葉松(Larix kaempferi)。

2 研究方法

2.1 標準地調查

20世紀50年代中期，冰砬山林場開始大規(guī)模栽植落葉松人工林，到目前為止人工栽植的落葉松林中還沒有60年生以上的樹木，因此林分尚沒有達到過熟階段?？紤]到同齡林標準地內各徑階分化不明顯，因此，本研究采用平均木法對林分生物量進行估測。樣本采自冰砬山林場內，標準地面積均為600m2(20m×30m)，進行每木檢尺和群落調查。每塊標準地內選取1株樣木作為標準木，標準木及其所在標準地的基本情況見表1。

表1 落葉松標準木及其所在標準地的基本概況

2.2 生物量測定與材積估算

將標準木從地徑處伐倒，分別在樹干的 0、1.3、3.6、5.6、7.6m等處截得3cm厚的圓盤進行樹干解析，收獲樹干、樹枝、樹葉，并且現(xiàn)場稱取其鮮質量，然后取樣測定含水率，推算各部分的干質量。樹枝、樹葉在冠層的上、中、下3個層次取樣，并且在同一層次內區(qū)分樹枝基部、中部和梢端3個部位進行取樣，然后帶回實驗室等比例混合樹枝和樹葉的3個樣品。標準木樹干分為4個部分(按照樹干高度等分4段)，在各段基部進行取樣，帶回實驗室等量混合4個樣品。樹干、樹枝、樹葉的混合樣在85℃烘干至恒質量，混合樣的含水率作為各器官的平均含水率，推算其各自的干質量。樹根生物量測定則以干基為中心，取營養(yǎng)面積大小(大于標準木冠幅范圍即可)作為其調查范圍，采用全挖法挖出所有根系(落葉松屬于淺根樹種，挖掘深度達到1m即可)，按須根(直徑(d)≤2.0cm為細根、d＞2.0cm為粗根)和主根來區(qū)分根系，再用水仔細漂洗，用篩子在水中篩后撿出所有的根，風干表面水后稱其鮮質量;然后將各組分取樣后帶回實驗室，置于恒溫箱中在85℃烘干至恒質量，推算根系的干質量。

查定圓盤年輪數(shù)，以2 a為一個齡階，用直尺準確測量每個圓盤各齡階東西、南北兩條直徑線上的直徑，計算出兩個方向上同一齡階的直徑平均數(shù)，得到該齡階的直徑值。將各齡階直徑數(shù)據(jù)編輯成直徑矩陣，運用Forstat2.0軟件求得單木材積。

2.3 碳素質量分數(shù)測定

取烘干的樹干、樹枝、樹葉和樹根混合樣品粉碎后測定其碳素質量分數(shù)?？紤]到在分析時樣品的實際用量較少，為了保證取樣均勻，采用3次粉碎法制樣，即初次粉碎時取樣量較大，在初粉碎的基礎上按四分法取其中的1/4進行第2次粉碎，然后依照此法進行第3次粉碎，經(jīng)粉碎的樣品過0.02mm篩后裝瓶備用。所有粉碎后的樣品在分析前再次放入恒溫箱中85℃烘干至恒質量。采用經(jīng)典的濃H2SO4-K2CrO4水合熱法測定樹干、樹枝、樹葉、樹根的碳素質量分數(shù)。兩種樹種的器官碳素質量分數(shù)及其生物量權重值見表2。

表2 落葉松各器官碳素質量分數(shù)及其生物量權重值

2.4 計算方法

2.4.1 生物量與蓄積量轉換模型的構建

我國已進行了七次(1973—1976，1977—1981，1984—1988，1989—1993，1994—1998，1999—2003，2004—2008年)全國范圍的森林資源清查，結合已有的森林生物量研究結果，提出更準確的評估森林生物量的方法，將為區(qū)域尺度碳庫的估算奠定科學基礎。Brown等[20]首先提出了基于森林蓄積量(t·hm-2)的熱帶森林生物量(m3·hm-2)估算方法，稱作材積源生物量法，但其將生物量與蓄積量之比作為常數(shù)處理是不恰當?shù)摹榭朔瞬蛔悖骄频萚21]假設森林蓄積量與其生物量之間存在線性關系，即B=a+bV，式中系數(shù)b可用以反映同一林分不同生長期的影響，即B/V并非常數(shù)，而是隨著蓄積量的增加而減小;然而這一方法是否適用于所有樹種仍有待于進一步驗證;基于此，王玉輝等[22]以落葉松林為研究對象，給出了落葉松人工林生物量與蓄積量的關系為B=V/(a′+b′V)。隨后，王仲峰等提出了單木材積與其生物量的關系模型以及區(qū)域蓄積量與生物量的關系模型，即CVD模型:B=cVd[23]。本研究基于后3種模型，利用SPSS13.0 構建了不同林齡落葉松林生物量與蓄積量轉換模型。

2.4.2 碳密度與碳儲量估算

利用擬合效果最好的各個林齡落葉松林生物量與蓄積量模型，結合遼寧省2006年森林資源二類調查資料，根據(jù)由不同林齡落葉松林蓄積量和相應面積計算出的單位面積蓄積量[24]，推算出不同林齡落葉松林單位面積的生物量。葉、枝、根和干質量比由其各自生物量占喬木層生物量比重計算得到，指的是林分水平上的;葉、枝、根和干碳量比由其各自碳量占整株碳量比重計算得到，指的是單木水平上的。本研究使用平均木法估算林分生物量，因此得到的葉、枝、根和干質量比與其碳量比成正比例關系。由不同林齡的干、枝、葉、根質量比，推算出其喬木層不同器官單位面積生物量，單位面積器官生物量與其對應的碳素質量分數(shù)的乘積即為器官碳密度。不同林齡落葉松林生物量碳儲量由相應的碳密度乘以其面積得到。不同林齡林下灌木、草本及枯落物生物量碳密度由其各自生物量與碳素質量分數(shù)計算得到，其生物量碳儲量由相應碳密度與不同林齡面積計算得到。不同林齡落葉松林生物量碳密度由喬木、林下灌木、草本和枯落物四者之和得到，生物量碳儲量同理得到。

落葉松林生物量碳密度和碳儲量計算公式:

(1)～(4)式中:i取1～4整數(shù)，1代表幼齡林，2代表中齡林，3代表近熟林，4代表成熟林;S為落葉松林喬木碳儲量;Di為不同林齡落葉松碳密度(t·hm-2);DS、DB、DL、DR分別為干、枝、葉、根各器官碳密度(t·hm-2);Bi為不同林齡落葉松喬木生物量(t·hm-2);RS、RB、RL、RR分別為干、枝、葉、根質量比(％);CS、CB、CL、CR分別為干、枝、葉、根有機碳質量分數(shù)(g·kg-1);Si為不同林齡落葉松碳儲量(t);Ai為不同林齡落葉松面積(hm2);Ssi、Shi、Sli分別為不同林齡落葉松林林下灌木、草本和枯落物生物量碳密度;C為遼寧省落葉松林生物量碳儲量。

3 結果與分析

3.1 不同林齡落葉松單木碳分配模式

根據(jù)落葉松單木碳分配模式(表3)可以看出，不同林齡落葉松單木碳分配模式存在顯著的差異，干碳量比、根碳量比和根冠碳量比隨著林齡的增加而增大，而葉碳量比、枝碳量比隨著林齡的增加而降低。不同林齡落葉松單木碳分配方差分析結果見表4。

表3 不同林齡落葉松單木碳分配

表4 不同林齡落葉松單木碳分配方差分析結果

3.2 不同林齡落葉松林喬木層生物量與蓄積量轉換模型構建

通過曲線回歸得到不同林齡落葉松林生物量與蓄積量轉換模型(表5)。不同林齡階段落葉松林生物量與蓄積量轉換模型擬合效果最優(yōu)的模型并不相同。中齡林生物量與蓄積量轉換模型擬合效果最好的為CVD模型，決定系數(shù)R2為0.925;幼齡林、近熟林和成熟林均為線性模型擬合效果最好，決定系數(shù) R2分別達到了0.843、0.967 和0.927。

表5 不同林齡落葉松林生物量與蓄積量的轉換模型

3.3 不同林齡落葉松林生物量碳密度差異

不同林齡落葉松林生物量碳密度隨著林齡的增加而增大(表6)。落葉松林喬木層生物量碳密度由高到低依次為成熟林、近熟林、中齡林和幼齡林，成熟林分別是幼齡林、中齡林及近熟林的3.9、1.9和1.2倍，可見隨著林齡的增加，落葉松林喬木層生物量碳密度的增加呈現(xiàn)出先快后慢的趨勢，其中干和根碳密度隨著林齡的增加在增大，葉和枝碳密度則未呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢，總體來看，碳密度表現(xiàn)為干＞根＞枝＞葉。落葉松林灌木、草本和枯落物生物量碳密度亦隨著林齡的增加而增大。

表6 不同林齡落葉松林生物量碳密度 t·hm-2

3.4 遼寧省落葉松林生物量碳庫分布格局

遼寧省不同林齡落葉松林生物量碳儲量中，中齡林生物量碳儲量最大，幼齡林次之、近熟林其次，而成熟林最少。幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的碳儲量分別為6.76、7.48、3.38和20.02Mt，其中幼、中齡落葉松林生物量碳儲量達到總碳儲量的72.52％，而近熟、成熟林僅占27.48％。由此可見，遼寧省落葉松林固碳潛力巨大，未來科學的經(jīng)營管理將有效地促進其固碳功能的發(fā)揮。

遼寧省落葉松林生物量碳儲量為19.63Mt，其中喬木層為18.48Mt，占總生物量碳儲量的 94.15％;灌木層為0.43Mt，占2.21％;草本層為0.07Mt，占0.37％;枯落物層為0.64Mt，占3.27％。

4 結論與討論

落葉松是我國東北地區(qū)重要的造林樹種，主要樹種包括長白落葉松和日本落葉松。馬煒[25]等對東北地區(qū)落葉松生物量及碳儲量的研究表明，7～41年生長白落葉松干質量比為0.31～0.73，根質量比為0.11～0.18，本研究結果(干質量比0.54～0.76，根質量比 0.14～0.29)與之相比偏大。各器官質量比與各器官碳量比成正比例關系。長白落葉松不同發(fā)育階段器官碳儲量存在顯著的差異，幼苗期干、葉、枝、根碳儲量均相當，而其它生長階段的落葉松則呈現(xiàn)出干＞根＞枝＞葉。與興安落葉松(葉質量比0.138～0.287，根質量比 0.149～0.255，干質量比0.223～0.407)相比[26]，興安落葉松葉質量比較小，而干質量比較大，其中差異與二者在不同氣候條件下的生長密切相關;與華北落葉松(干質量比0.43～0.66，根質量比0.14～0.27，枝質量比0.06～0.20，葉質量比0.02～0.120，干＞根＞枝＞葉)相比[27]，各器官質量比與本研究結果相當。

落葉松林碳密度隨著林齡增加而增大，與許多學者的研究結果一致[9，15-16，25]，而不同林齡落葉松林喬木層生物量碳密度研究結果卻不盡相同。本研究結果稍大于巨文珍(2010)的研究結果(7～26年生長白落葉松喬木層碳密度為2.51～116.57t·hm-2)[28]，尤其是幼齡林相差較大，主要是由于本研究幼齡落葉松選擇的是10～14年生林分，而巨文珍選擇7～19年生林分進行估算，這種差異是由于7年生落葉松碳密度太小所致。不同林齡落葉松生物量碳密度研究結果也不盡相同，本研究結果略小于馬煒對不同林齡長白落葉松人工林碳儲量的研究結果(幼齡林66.93t·hm-2，中齡林90.02t·hm-2，近熟林 125.1t·hm-2，成熟林 162.68t·hm-2)[25]，稍大于王春梅對東北地區(qū)兩種主要造林樹種生態(tài)系統(tǒng)固碳潛力的研究結果(11～36年生碳密度為31.53～74.11t·hm-2)[8]。由于本研究估算的碳密度是包括喬木、林下灌草和枯落物在內的生物量碳密度;而馬煒進行碳密度估算還包含了倒落木質物[25]，倒落木質殘體造成了研究結果的差異;王春梅只研究了喬木和林下灌草的碳密度[8]，故其結果比本研究結果小。總體來看，對落葉松林生物量碳密度還有待于進行更細致的研究。

幼、中齡落葉松林生物量碳儲量達到總碳儲量的72.52％，而近熟、成熟林僅占27.48％，應采取更科學合理的撫育營林措施管理落葉松幼、中齡林，從而更有效地促進其固碳功能的發(fā)揮。

王雪軍等對近20 a遼寧省森林碳儲量進行了研究，結果表明:1999—2003期間落葉松喬木層碳儲量為8.27Mt，占遼寧省森林喬木層總碳儲量的11.76％[29]。本研究估算得到遼寧省落葉松生物量碳儲量(包括喬木層、林下植被和枯落物在內)為19.63Mt，較王雪軍等的研究結果偏大[29]，主要原因是本研究運用實測生物量與蓄積量擬合，構建了最優(yōu)的不同林齡段落葉松生物量與蓄積量轉換模型，而王雪軍等沒有區(qū)分林齡進行估算，而且其只包含喬木層碳儲量。

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Biomass Carbon Pool of Larch Forests in Liaoning Province

/Wei Wenjun，You Wenzhong，Zhang Huidong，Yan Tingwu，Huo Changfu，Zhao Gang，Xing Zhaokai(Liaoning Academy of Forestry，Shenyang 110032，P.R.China)//Journal of Northeast Forestry University.-2011，39(6).-26～29

Liaoning province;Larch forests;Carbon density;Carbon storage

S718.55+6;S791.22

1)國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(200804006/rhh-03和200704005/wb05);國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2011CB403201)資助項目。

魏文俊，女，1982年3月生，遼寧省林業(yè)科學研究院，工程師。

2010年12月27日。

責任編輯:李金榮。

Volume-to-biomass conversion models of larch of different ages were established by means of plot-level inventory data from a typical distribution area of larch plantations in eastern Liaoning Province.Then the optimal volume-to-biomass model and the forest inventory data of Liaoning Province for 2006 were used to evaluate biomass carbon density and carbon storage of larch forests in Liaoning Province.Results show that ratios of carbon density in stem，root and A/B(aboveground/belowground)increase with increasing forest age;however，ratios of carbon density in leave and branch decrease.The variance analysis results reveal that carbon allocation patterns of individual larch trees have significant differences.The regression curve of biomass and volume of larch trees of different ages shows that the CVD model is the best model to fit the middle-aged forest，and the coefficient of determination R2is 0.925.Linear model is the best-fit model for the young forest，near-mature forest and mature forest，and the coefficients of determination R2are 0.843，0.967 and 0.927，respectively.Biomass carbon density of the larch forests of different ages increases with increasing forest age.Total biomass carbon storage of larch forests in Liaoning Province was 19.63Mt in 2006，among which tree layer，shrub layer，herb layer and litter layer accounted for 94.15 percent，2.21 percent，0.37 percent and 3.27 percent of the total，respectively.The biomass carbon storage of the middle-aged larch forests is the largest，followed by the young forest，near-mature forest and mature forest.