孫美歐 孫 虎 顧 偉

（1.黑龍江省帶嶺林業(yè)科學研究所，黑龍江伊春153106；2.東北林業(yè)大學涼水自然保護區(qū)，黑龍江伊春153106）

基于森林調查數(shù)據(jù)估算涼水保護區(qū)立木碳儲量

孫美歐1孫 虎2顧 偉2

（1.黑龍江省帶嶺林業(yè)科學研究所，黑龍江伊春153106；2.東北林業(yè)大學涼水自然保護區(qū)，黑龍江伊春153106）

收集整理涼水保護區(qū)1989、1999、2009年3期森林調查數(shù)據(jù)，結合蓄積量-生物量轉化方程和各優(yōu)勢樹種平均含碳率，估算了涼水保護區(qū)林分立木碳儲量，按照各區(qū)域、林齡組分析碳儲量和碳密度動態(tài)。結果表明：經過20 a的有效保護，涼水保護區(qū)森林面積和立木碳儲量穩(wěn)步增長，在2009年時保護區(qū)森林面積達到了6330.9 hm2，森林覆蓋率超過了98%，立木碳儲量為434054 t，平均立木碳密度為68.6 t/hm2，其中天然林碳立木密度為70.1 t/hm2，人工林立木碳密度為53.8 t/hm2；20 a間，涼水保護區(qū)各區(qū)域林分立木碳儲量穩(wěn)步增長，增長率大小為原始林實驗區(qū)（100.2%）＞人工林實驗區(qū)（58.2%）＞次生林實驗區(qū)（55.6%）＞核心區(qū)（32.9%），分類保護效果明顯；涼水保護區(qū)森林以成、過熟林為主，林分立木碳密度與林分年齡成正比，分別為幼齡林（50.7 t/hm2）＜中齡林（54.4 t/hm2）＜近熟林（61.7 t/hm2）＜成熟林（70.5 t/hm2）＜過熟林（76.8 t/hm2）。

涼水保護區(qū)；碳儲量；碳密度；動態(tài)變化

Key words：Liangshui national nature reserve；carbon storage；carbon density；dynamic change

《聯(lián)合國氣候變化框架公約》將氣候變化定義為：除在類似時期內所觀測的氣候的自然變異之外，由直接或間接的人類活動改變了地球大氣組成所造成的氣候改變［1］。研究表明，森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，因此森林生態(tài)系統(tǒng)中植被和土壤固碳量的減少被認為是造成大氣CO2濃度升高的主要原因之一［2］。森林生態(tài)系統(tǒng)中植被碳儲量的估計，常通過測定森林植被的生物量再乘以含碳率推算得到，因此林分生物量及其組成樹種的含碳率就成為了估算森林碳儲量的關鍵。近30 a來，諸多學者就森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量、碳密度特征及其動態(tài)變化進行了大量研究，從不同尺度對森林碳儲量進行了估算［3-6］。但是由于森林類型、研究尺度和生物量測定方法的差異較大，因此碳儲量估算的結果不盡相同。森林資源調查具有很強的連續(xù)性，因此基于森林資源調查數(shù)據(jù)估算大尺度森林碳儲量是比較可行的方法之一，并且隨著調查規(guī)程和技術進一步規(guī)范化，調查數(shù)據(jù)具有較高的可比性。

為了保護典型森林類型及其豐富的物種多樣性，我國在1956年建立了全國第一個具有科學要領的鼎山湖自然保護區(qū)［7］。經過近60 a的發(fā)展，截止到2014年底，我國共建立各類自然保護區(qū)2 729個，其中森林生態(tài)系統(tǒng)類型自然保護區(qū)數(shù)量最多，達1 410個，保護了我國絕大多數(shù)瀕危動植物和典型森林生態(tài)系統(tǒng)，發(fā)揮了保護區(qū)的主體功能。隨著保護區(qū)事業(yè)的發(fā)展，保護區(qū)教學、科研、宣教和旅游等功能都得到了較好的開發(fā)和利用，但是關于自然保護區(qū)森林“碳匯”的研究還較少，為了保護區(qū)的可持續(xù)發(fā)展和發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)的其他功能，需要對保護區(qū)森林“碳匯”功能進行研究。涼水國家級自然保護區(qū)保留了成片的原始闊葉紅松（Pinus koraiensis）林，為小興安嶺闊葉紅松林生態(tài)系統(tǒng)提供了原始的本底資料，科學價值巨大，經過50多年的發(fā)展，保護區(qū)進行了大量相關科學研究，但是關于保護區(qū)森林碳儲量的研究較少。本研究基于保護區(qū)3期森林經理調查數(shù)據(jù)，對保護區(qū)森林碳儲量進行估算，分析林分立木碳儲量及碳密度動態(tài)變化情況，以期為保護區(qū)森林資源保護和可持續(xù)發(fā)展提供基礎依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

黑龍江涼水國家級自然保護區(qū)位于伊春市帶嶺區(qū)中心，保護區(qū)總面積為12133 hm2，其中有林權面積為6 394 hm2，四周與帶嶺區(qū)林場交界，地處北緯47°7′15″～47°14′38″，東經128°48′8″～128°55′46″，距離哈爾濱市320 km，是東北林業(yè)大學教學實習和科學研究的重要基地之一［8］。涼水保護區(qū)自1952年由帶嶺林業(yè)實驗局開發(fā)，建立森鐵支線，1953—1957年間主要以皆伐方式采伐近千hm2原始紅松林，采伐后在皆伐跡地上進行了各種不同樹種、不同密度、不同整地方式的植苗、直播等人工更新造林試驗；1958年3年開始建立東北林學院涼水實驗林場，之后停止大面積采伐；1979年9月經當時林業(yè)部批準改為涼水自然保護區(qū)；1997年9月加入中國人與生物圈自然保護區(qū)網(wǎng)絡，同年12月經國務院批準晉升為國家級自然保護區(qū)［9］。

保護區(qū)主要保護對象是以紅松為主的闊葉紅松林及其森林生態(tài)系統(tǒng)，區(qū)內自然資源豐富、植被群落類型復雜多樣，分布有大片原始紅松針闊混交林，是我國目前保存下來的最為典型和完整的原始紅松針闊葉混交林分布區(qū)之一，也是中國和亞洲東部具有代表性的溫帶原始紅松針闊葉混交林區(qū)［10］。保護區(qū)處于歐亞大陸的東緣，境內全為山地，坡度為10°～15°，屬于小興安嶺南坡達里帶嶺東坡，北高南低，海拔280～707m。保護區(qū)具有明顯的溫帶大陸性季風氣候特征，極端最低氣溫達-43.9℃，極端最高氣溫達38.7℃；夏季高溫多雨，冬季嚴寒干燥，年均氣溫在-0.3℃左右；無霜期100～120 d，積雪期130～150 d；多年平均降水量676mm，多集中在7月；保護區(qū)地帶性土壤為暗棕壤。依據(jù)國家對自然保護區(qū)區(qū)劃原則和本區(qū)域森林植被的分布狀況及經營目的，將涼水保護區(qū)劃分為2個區(qū)域，即核心區(qū)和實驗區(qū)，其中實驗區(qū)包括原始林實驗區(qū)（1 109.9 hm2）、次生林實驗區(qū)（685.3 hm2）和人工林實驗區(qū)（849.4 hm2）。核心保護區(qū)（3 685.4hm2）為集中連片的原始闊葉紅松林、谷地云冷杉林、興安落葉松（Larix gmelinii）林和少部分的紅松、落葉松人工林，核心區(qū)保存了具有原始面貌的典型的小興安嶺地帶性頂級植被類型，禁止一切人為干擾和破壞；實驗區(qū)可針對不同目的采取適當?shù)纳纸洜I措施以及開展適當?shù)慕虒W實習和科學研究活動。

2 研究方法

涼水保護區(qū)森林資源調查工作最早始于1951年11月。到目前為止，涼水保護區(qū)已進行過5次森林資源調查，早期的森林資源調查內容較少，調查手段相對落后，技術相對粗放，隨著后期資源調查技術規(guī)程的逐漸規(guī)范化，涼水保護區(qū)在第3次（1989年）森林經理復查時建立了完整的森林資源清查體系，在第4次（1999年）和第5次（2009年）經理復查時修正了前期調查時存在的不足，使保護區(qū)森林資源數(shù)據(jù)更加完整，具有連續(xù)性。本研究收集整理了涼水保護區(qū)第3次、第4次和第5次森林資源調查數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫，統(tǒng)計了各調查時期保護區(qū)森林面積、各優(yōu)勢樹種面積蓄積和各齡級蓄積量等指標，以便進行碳儲量估算。本研究估算的林分碳儲量僅指林分喬木層碳儲量（DBH≥5 cm的喬灌木），林下層、灌木層、凋落物層和土壤層碳儲量不包括在內，林分類型以及各齡級劃分標準主要參考2011年國家林業(yè)局頒布的《森林資源規(guī)劃設計調查技術規(guī)程》和黑龍江省林業(yè)廳2004年頒布的《黑龍江省市縣林區(qū)森林資源規(guī)劃設計調查操作細則》。

大尺度森林生物量的估算一直是林學科學家和生態(tài)學家關注的焦點，自20世紀70年代開始很多學者就對大范圍內的生物量進行了估測［11-12］。通過參考比較諸多學者的研究成果［13-15］，用材積源-生物量法進行大尺度林分生物量估算比較合理，因為森林蓄積量是森林生長的立地條件、氣候條件和森林年齡及其他各因素的綜合反映，并且大量試驗證明森林蓄積量和生物量之間存在非常顯著的回歸關系。本研究選取合適的蓄積量-生物量轉化公式將林分蓄積量轉化為生物量，同時參考賈煒瑋等［16］、彭娓等［17］研究成果，選取各優(yōu)勢樹種含碳率數(shù)據(jù)，將生物量乘以含碳率估算林分立木碳儲量，而林分立木碳儲量除以林分面積則為立木碳密度。各優(yōu)勢樹種蓄積量-生物量轉換公式及各優(yōu)勢樹種平均含碳率見表1。

表1 蓄積量-生物量轉換公式及各優(yōu)勢樹種含碳率Tab.1 Volume-Biomass conversion formula and carbon content rate of each dominate tree species

3 結果與分析

3.1 涼水保護區(qū)不同起源林分面積、蓄積、立木碳儲量和碳密度

根據(jù)涼水保護區(qū)1989、1999、2009年3期森林經理調查數(shù)據(jù)，按照林分起源統(tǒng)計林分面積、蓄積量、碳儲量以及碳密度，結果見圖1。自1989年以來，涼水保護區(qū)逐步停止了木材生產，采取了“封山育林”措施，只是結合科學研究進行了少量的撫育伐，并且增大了人工造林促進森林恢復更新的力度，使得保護區(qū)森林面積逐年增長，到2009年調查時森林總面積已達到6 330.9 hm2，森林覆蓋率超過了98%。天然林面積在1989—1999年和1999—2009年間分別以4.5%和7.7%的速率增長，在2009年調查時超過了森林面積的90%；人工林面積在1989—1999年間增加了227.8 hm2，但是在2009年調查時人工林面積僅為603.8 hm2，并且林分類型和優(yōu)勢樹種均發(fā)生了明顯變化，估計是經過長期封山育林，保護區(qū)人工林已經達到或者已經接近了天然林的生長狀態(tài)，在森林調查時就將一部分林齡較長的人工林歸為了天然林。20 a間，保護區(qū)林分立木蓄積量增長較多，增長率超過了22%，2009年時為1 590 084 m3，天然林立木蓄積量超過了總蓄積量的93%；立木碳儲量增長速率接近50%，經過估算，2009年時立木碳儲量為434 054 t，其中天然林立木碳儲量所占比例達到了92.5%；保護區(qū)林分立木碳密度逐年增大，從1989年的49.9 t/hm2增大到2009年的68.6 t/hm2，其中人工林立木碳密度出現(xiàn)了先增后降的趨勢。1999年調查時人工林立木碳密度大于天然林，達到了64.6 t/hm2，到2009年時下降到53.8 t/hm2，天然林立木碳密度一直呈現(xiàn)上升趨勢，到2009年時達到70.1 t/hm2。

3.2 涼水保護區(qū)各區(qū)域林分立木碳儲量和碳密度動態(tài)

為了更好的管理森林資源，提高森林生態(tài)服務功能，涼水保護區(qū)將森林分為了核心保護區(qū)和實驗區(qū)，又將實驗區(qū)分為了原始林實驗區(qū)、次生林實驗區(qū)和人工林實驗區(qū)，通過統(tǒng)計各區(qū)域所屬林班森林類型、林分立木蓄積量等指標，估算出各區(qū)域20 a間立木碳儲量和碳密度情況，見圖2。通過實施分類保護舉措，各區(qū)域立木碳儲量增長率不同，1989—2009年間，各區(qū)域立木碳儲量增長率大小為原始林實驗區(qū)（100.2%）＞人工林實驗區(qū)（58.2%）＞次生林實驗區(qū)（55.6%）＞核心區(qū)（32.9%）。截止到2009年，核心區(qū)立木碳儲量為230 044.6 t，占保護區(qū)立木碳儲量的53.0%，然后依次是原始林實驗區(qū)（21.3%）＞人工林實驗區(qū)（14.5%）＞次生林實驗區(qū)（11.2%）?？梢钥闯?，核心區(qū)雖然立木碳儲量增速緩慢，但是仍然是保護區(qū)立木碳儲量的主體。在20 a間，4個區(qū)域立木碳密度總體呈現(xiàn)出增長的趨勢，但是不同區(qū)域增長速率不同，碳密度增速最快的是原始林實驗區(qū)，從1989年的44.9 t/hm2到2009年的83.2 t/ hm2，增長速率超過了85%，說明該區(qū)域森林生長速度較快，積累了大量碳素；其他區(qū)域碳密度（碳密度增速）大小排序依次是：人工林實驗區(qū)74.1 t/ hm2（48.6%）＞次生林實驗區(qū)71.2 t/hm2（39.6%）＞核心區(qū)62.4 t/hm2（22.0%）。

3.3 涼水保護區(qū)各齡級林分立木碳儲量和碳密度動態(tài)

林分年齡和林分立木碳儲量、碳密度關系密切。在3次森林經理調查中，涼水保護區(qū)各齡組立木碳儲量隨著林分生長、樹種組成和林型變化以及各齡級林分面積增減產生了較大差異，沒有呈現(xiàn)出顯著的隨林齡變化的規(guī)律，但是總體上均是成、過熟林立木碳儲量較大，所占整體林分立木碳儲量比重也最大，真實反映了涼水保護區(qū)林分年齡結構，也符合森林更新演替的自然過程（圖3）。截止到2009年，涼水保護區(qū)各齡級林分立木碳儲量大?。ㄋ急壤┮来螢檫^熟林238 085.2 t（54.8%）＞成熟林77 865.8 t（17.9%）＞中齡林57 607.9 t（13.3%）＞近熟林35 868.9 t（8.3%）＞幼齡林24 714.5 t（5.7%）。3次經理調查結果顯示，各齡級林分立木碳密度都和林分年齡呈顯著正相關關系（R2＞90%），尤其是近熟林到成、過熟林階段碳密度增速快。截止到2009年，涼水保護區(qū)各齡級林分立木碳密度依次為過熟林（76.8 t/hm2）＞成熟林（70.5 t/hm2）＞近熟林（61.7 t/hm2）＞中齡林（54.4 t/hm2）＞幼齡林（50.7 t/hm2）。

4 結論與討論

有研究表明，森林生態(tài)系統(tǒng)立木碳儲量與樹種組成、林齡結構等均有關系，且受不同區(qū)域的氣候、土壤以及人為經營管理措施等影響［18］。根據(jù)涼水自然保護區(qū)3期森林調查數(shù)據(jù)，結合蓄積量-生物量轉化方程估算得到林分立木碳儲量和碳密度。結果顯示在1989—2009年，隨著涼水保護區(qū)森林面積逐年增大，林分立木碳儲量也在增大，起到了“碳匯”作用［15］；同時林分立木碳密度逐年增大，由1989年的49.9 t/hm2增大到2009年的68.6 t/hm2，大于同時期焦燕等［19］研究得出黑龍江省森林植被碳儲量得到的結果（30.92 t/hm2）、王新闖等［20］研究吉林省森林生態(tài)系統(tǒng)得到的碳密度（54.35t/hm2），也同樣要比王雪軍等［21］研究遼寧省得到森林碳密度（21.80 t/hm2）高3倍左右。尤其是保護區(qū)天然林立木碳儲量密度在2009年時達到了70.1 t/hm2，這個數(shù)值大于很多其他林分類型的碳密度。同時，涼水保護區(qū)根據(jù)本地區(qū)森林實際情況，結合森林不同功能，將森林劃分為不同的保護區(qū)域進行管理，最大程度發(fā)揮森林的不同功能，分類管理效果顯著。20 a來，各區(qū)域林分立木碳儲量穩(wěn)步增長，立木碳儲量密度逐年提高，說明涼水保護區(qū)很好的發(fā)揮了自然保護區(qū)的主體功能，有效的保護了東北小興安嶺林區(qū)典型森林類型，使森林生產力始終處于較高水平，在保護生物多樣性的同時保持了較高的“碳匯”能力，同時也為小興安嶺森林更新恢復、提高森林碳匯提供了樣本。

林分年齡對立木碳儲量、碳密度影響較大［23］。按照林齡組將涼水保護區(qū)3期森林資源調查數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，估算得到各調查期各林齡組林分立木碳儲量和碳密度。結果表明，涼水保護區(qū)森林以成、過熟林為主，隨著各齡級森林面積的變化，林分立木碳儲量隨之變化，碳儲量主體仍然是成熟林和過熟林，所占比例超過70%。馬煒等［24］研究長白落葉松（Larix olgensis）人工林得到相同的結果，并且喬木層碳儲量所占比例超過了80%；各齡級林分立木碳密度都隨著林齡增大而增大，與魏亞偉等［24］研究興安落葉松天然林碳儲量得到的結果類似；邢瑋等［25］研究不同林齡楊樹（Populus spp.）人工林碳儲量得到了相同的結果，無論是楊樹各器官還是整株碳密度都隨著林齡增大而增大；黃國勝等［24］研究東北地區(qū)落葉松林碳儲量發(fā)現(xiàn)落葉松林立木碳儲量同樣隨著林分年齡增大而增大，并且成、過熟林碳儲量和碳密度都要遠遠大于幼、中齡林。

本研究表明，涼水自然保護區(qū)20 a來森林資源保護效果明顯，森林“碳匯”作用顯著。從林分年齡看，涼水保護區(qū)森林大多都處在“老年期”，多數(shù)森林已處于“碳匯”成熟齡［26］。大面積森林長期未受較大干擾，林相完整，生態(tài)系統(tǒng)結構和組成保持了原始狀態(tài)，林地生產力較高，林內積累了大量枯立木、腐朽木和凋落物［27］。本研究僅僅估算了林分立木碳儲量，不包括凋落物層、林下植被層和林內枯立木、腐朽木碳儲量以及土壤碳庫，在后續(xù)研究中應重點估算森林生態(tài)系統(tǒng)其他碳庫碳儲量，提高涼水保護區(qū)森林整體“碳匯”能力評估可靠性。

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（責任編輯 曹 龍）

Calculate Tree Layer Carbon Storage of Liangshui National Nature Reserve based on Forest Survey Data

Sun Meiou1，Sun Hu2，Gu Wei2
（1.Dailing Forestry Science Institute，Yichun Heilongjiang 153106，China；2.LiangshuiNational Nature Reserve，Northeast Forestry University，Yichun Heilongjiang 153106，China）

The study collected three periods of forest survey data which is 1989，1999 and 2009 in Liangshui national nature reserve，combined with volume-biomass conversion equation and average carbon content rate of dominate species，calculated carbon storage of tree layer，analyzed dynamic change of carbon storage and carbon density based on area groups and age groups.The results showed that：Forest area and carbon storage of tree layer at Liangshui national nature reserve has increased steadily over 20 years′effective protection.The forest area reached at 6 330.9 hm2in 2009，forest coverage rate is over 98%，carbon storage of tree layer is434 054 t，average carbon density of tree layer is68.6 t/hm2.The carbon density of tree layer of natural forest is70.1 t/hm2and 53.8 t/hm2for plantation.The carbon storage of tree layer in eachfield grown steadily during the past20 years，the growth rate range as natural forest experimentarea（100.2%）＞plantation experiment area（58.2%）＞secondary forest experiment area（55.6%）＞core area（32.9%），the classification protection effect is obvious；Themain body of forest at this region ismature forest and over-mature forest，carbon density of tree layer is proportional to the forest age，each forestage groups′carbon density are as flowing：young-age forest（50.7 t/hm2）＜middle-age forest（54.4 t/hm2）＜near-mature forest（61.7 t/hm2）＜mature forest（70.5 t/hm2）＜over-mature forest（76.8 t/hm2）.

S718.55

A

2095-1914（2016）02-0089-07

10.11929/j.issn.2095-1914.2016.02.015

2015-12-01

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目（2572014BA07）資助；黑龍江省森林工業(yè)總局青年基金項目（sgzjQ2015003）資助。

第1作者：孫美歐（1988—），女，碩士，助理工程師。研究方向：森林經營。Email：2523115624@qq.com。

孫虎（1987—），男，碩士，助理工程師。研究方向：森林經理、林業(yè)碳匯。Email：hu＿S2012@163.com。