程麗芬

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院，太原030012)

山西霍山森林群落生物量與碳密度研究

程麗芬

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院，太原030012)

以山西霍山森林植被為研究對(duì)象，在野外樣方調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法對(duì)霍山主要森林類(lèi)型的生物量和碳密度進(jìn)行了估算，并分析了影響生物量和碳密度分布的主要影響因素。山西霍山森林群落的平均單位面積生物量和碳密度分別為58.00t/hm2和29.46t/hm2。其中，遼東櫟林具有較高的生物量 (62.35 t/hm2)和碳密度 (31.17 t/hm2)，其次為油松林 (生物量58.44 t/hm2，碳密度30.10 t/hm2)，白皮松林、側(cè)柏林和刺槐林的生物量和碳密度較低。海拔與生物量、海拔與碳密度之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.65和0.68，均表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān) (P＜0.01);坡度、坡向和坡位與生物量和碳密度的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。海拔是影響山西霍山森林生物量和碳密度的最主要環(huán)境因子。

山西霍山;森林群落;環(huán)境因子;生物量;碳密度

溫室效應(yīng)對(duì)人類(lèi)的影響已引起國(guó)際社會(huì)的高度關(guān)注［1－4］。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫(kù)，利用森林生態(tài)系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)全球碳平衡、維護(hù)全球氣候已成為廣大學(xué)者研究的熱點(diǎn)［5］。通過(guò)研究森林生物量和碳儲(chǔ)量的關(guān)系，建立碳密度估算模型可以科學(xué)估算碳密度和碳儲(chǔ)量［6］。計(jì)算森林生物量是估算森林碳儲(chǔ)量的基礎(chǔ)［7］。

森林植被生物量的估算方法有很多，包括IPCC法、BEF為常數(shù)的生物量轉(zhuǎn)換因子法、生物量經(jīng)驗(yàn)(回歸)模型估計(jì)法、生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法等［8］。本研究采用生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法對(duì)山西霍山主要森林類(lèi)型的生物量和碳密度進(jìn)行估算，并探討生物量和碳密度與環(huán)境因子(海拔、坡度、坡向和坡位等)的關(guān)系，進(jìn)而為森林資源管理和保護(hù)提出建議。

1 研究區(qū)概況

山西霍山位于太岳山脈南端，地理坐標(biāo):36°21'～36°45'N，111°40'～112°20'E，位于洪洞、霍縣、古縣、沁源交界處。整個(gè)山體呈南北走向，最高的老爺頂海拔2 354 m，多為石灰?guī)r覆蓋?；羯綄倥瘻貛Т箨懶詺夂?。年平均氣溫10.3℃，7月均溫25.5℃，1月均溫－4℃，≥10℃的年積溫3 500℃。年降水量為500mm，無(wú)霜期170 d。

霍山物種多樣，植被類(lèi)型具有明顯的垂直分布梯度，從山底到山頂依次為:灌叢及農(nóng)田帶、低中山針葉林帶、針闊混交林帶、落葉闊葉林帶和草甸帶。森林群落主要包括側(cè)柏林(Platycladus orientalis)、白皮松林(Pinus bungeana)、遼東櫟林(Quercus wutaishanica)、油松(Pinus tabulaeformis)、山楊林(Populus davidiana)、樺木林(Betula spp.)、云杉林(Picea spp.)、華北落葉松林(Larix principis-rupprechtii)。灌叢群落主要包括野皂莢灌叢(Gleditsia microphylla)、荊條灌叢(Vitex negundo var.heterophylla)、酸棗灌叢(Ziziphus jujuba var.spinosa)、黃刺玫灌叢(Rosa xanthina)、虎榛子灌叢(Ostryopsis davidiana)、三裂繡線菊灌叢(Spiraea trilobata)。

2 材料與方法

2.1 野外取樣

2014年5至8月在山西霍山進(jìn)行森林植物群落調(diào)查。山西霍山主要的森林植物群落類(lèi)型有白皮松林、側(cè)柏林、刺槐林、遼東櫟林、油松林5個(gè)，根據(jù)每種森林植物群落的大小和實(shí)際分布情況不同，分別選取4，4，2，7和8個(gè)具有代表性的樣地進(jìn)行調(diào)查，共計(jì)25個(gè)樣地。每個(gè)樣地的面積為20m× 30m，在樣地內(nèi)進(jìn)行森林群落調(diào)查，并將樣地內(nèi)的喬木編號(hào)，進(jìn)行每木調(diào)查;之后將樣地劃分為6個(gè)10m ×10m的樣方，隨機(jī)選取其中的2個(gè)10m×10m的樣方進(jìn)行灌木層調(diào)查;再在6個(gè)10m×10m的樣方內(nèi)各設(shè)1個(gè)1m×1m的樣方，進(jìn)行草本層調(diào)查。野外記錄的調(diào)查指標(biāo)、坡向的等級(jí)制表示方法、坡位的等級(jí)制表示方法分別見(jiàn)表1，表2，表3。

表1 森林植物群落調(diào)查指標(biāo)Tab.1 Survey index of forest plant community

表2 坡向的等級(jí)制表示方法Tab.2 Grade representation method of aspect

表3 坡位的等級(jí)制表示方法Tab.3 Grade representation method of slope position

2.2 參照樹(shù)種

本研究中的一元材積數(shù)據(jù)主要是從《山西省主要樹(shù)種立木一元材積表》中得來(lái)的，由于書(shū)中所給出的樹(shù)種有限，所以將書(shū)中沒(méi)有給出一元材積樹(shù)種的材積數(shù)據(jù)參照與其具有相似性樹(shù)種的一元材積表進(jìn)行計(jì)算，具體參照樹(shù)種如表4。

表4 一元材積數(shù)據(jù)參照樹(shù)種Tab.4 Reference tree species to one way volume table

2.3 森林群落生物量和碳密度的估算

采用方精云等［9－11］提出的生物量換算因子(Biomass Expansion Factor，BEF)連續(xù)函數(shù)法，以林分蓄積量為基礎(chǔ)，對(duì)霍山主要的森林群落的生物量和碳密度進(jìn)行估算。

林分蓄積量(V)與BEF具有如下函數(shù)關(guān)系:

式中:a，b均為隨樹(shù)種不同而變化的常數(shù)，V為某一樹(shù)種單位面積蓄積量。

單株樹(shù)木的材積依據(jù)其胸徑值通過(guò)立木一元材積表查得，總蓄積量為所有個(gè)體材積之和。按照生物量換算因子的定義，某一樹(shù)種單位面積生物量(B)計(jì)算公式為:

式中:V為某一樹(shù)種單位面積蓄積量，B為某一樹(shù)種單位面積生物量，BEF為對(duì)應(yīng)的換算因子。

由方程(1)和方程(2)可得生物量和蓄積量的簡(jiǎn)單線性關(guān)系:

式中:a，b均為隨樹(shù)種不同而變化的常數(shù)，B為某一樹(shù)種單位面積生物量，V為某一樹(shù)種單位面積蓄積量。

森林碳密度是單位面積的碳儲(chǔ)量，森林碳密度(t/hm2)計(jì)算公式為:

式中:CD為某一樹(shù)種的碳密度，B—為某一樹(shù)種單位面積生物量，CC為干物質(zhì)平均碳含量。

國(guó)際上常用的樹(shù)木碳含量為0.45～0.55，參考周志勇等［12］2012年關(guān)于百花山自然保護(hù)區(qū)森林群落碳儲(chǔ)量的研究結(jié)果，各優(yōu)勢(shì)樹(shù)種生物量和碳密度的計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表5。本研究中森林的碳密度只包括林木的活生物量，并沒(méi)有包括森林生態(tài)系統(tǒng)中的其它碳庫(kù)，如枯枝落葉層、森林土壤層等。

表5 各優(yōu)勢(shì)樹(shù)種生物量和碳密度計(jì)算參數(shù)Tab.5 Parameters of biomass and carbon density for dominant trees

3 結(jié)果與分析

3.1 主要森林群落的生物量與碳密度

用羅馬字母Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ分別代表所調(diào)查的白皮松林、側(cè)柏林、刺槐林、遼東櫟林、油松林5個(gè)森林群落類(lèi)型，根據(jù)生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法得到每個(gè)森林群落類(lèi)型的生物量與碳密度，結(jié)果見(jiàn)表6。

從表6可以看出，5種森林群落類(lèi)型單位面積平均生物量和碳密度由大到小順序依次Ⅳ＞Ⅴ＞Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ。山西霍山森林群落的平均單位面積生物量和碳密度分別為58.00t/hm2和29.46t/hm2。其中最大生物量和碳密度分別為80.29t/hm2和39.70t/hm2。最小生物量和碳密度分別為40.27t/hm2和20.56 t/hm2，其中，白皮松林間的生物量和碳密度差異較大，油松林間的生物量和碳密度差異較大。

3.2 森林生物量的空間分布特征

森林生物量與環(huán)境因子的關(guān)系見(jiàn)圖1。

表6 各森林群落類(lèi)型的單位面積生物量和碳密度Tab.6 Unit area biomass and carbon density of each forest community types

圖1 生物量與環(huán)境因子的關(guān)系Fig.1 The relationship between biomass and environmental factors

隨著海拔的上升，生物量基本上呈增加的趨勢(shì)，但在海拔1 400m左右的地方有所下降。這主要是因?yàn)樵搮^(qū)域主要是白皮松和側(cè)柏的分布區(qū)，該區(qū)域大多為陡峭的巖石地帶，土壤較為貧瘠，土層較薄，水土流失較為嚴(yán)重。另外該區(qū)域海拔相對(duì)較低，人為活動(dòng)等對(duì)森林的生物量有很大影響。隨著海拔的升高，森林生物量的整體趨勢(shì)是在增大，在海拔1 700～1 800m區(qū)域，生物量達(dá)到最大。其原因可能是在此海拔主要為遼東櫟林分布區(qū)域，坡度相對(duì)較為平緩，人為活動(dòng)相對(duì)較弱;且隨著海拔梯度的升高，山地降水量有增加趨勢(shì)，故此海拔的森林生物量較高［13］。

在坡度適中的半陰坡，森林生物量最大。坡度較緩的下破位地區(qū)，由于人為活動(dòng)較多，對(duì)森林的結(jié)構(gòu)和組成有很大影響，該區(qū)域分布的喬木種主要以幼林階段的樹(shù)木為主。而在坡度較大的上坡位，由于地勢(shì)較陡，不利于水源涵養(yǎng)和養(yǎng)分保持，土壤有機(jī)質(zhì)含量往往較低，且土層較薄，不利于大喬木的生長(zhǎng)。在坡度適中的半陰坡，由于陰面蒸發(fā)較少，水分條件充足，且適中的坡度有利于水土的保持，土壤有機(jī)質(zhì)含量高，土層厚等條件為森林的生長(zhǎng)提供了良好的生境，故森林生物量高［14－15］。

3.3 森林生物量和碳密度與環(huán)境因子的相關(guān)性分析

生物量和碳密度與環(huán)境因子的相關(guān)性分析見(jiàn)表7。

表7 生物量和碳密度與環(huán)境因子的相關(guān)性Tab.7 Correlations between biomass and carbon density with environmental factors

生物量和碳密度與環(huán)境因子的相關(guān)性結(jié)果表明，海拔是影響山西霍山森林生物量和碳密度最主要的環(huán)境因子。海拔與生物量和碳密度之間均表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)(P＜0.01)，即隨著海拔的升高，生物量和碳密度也隨之增加。坡度、坡向和坡位與生物量和碳密度的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平。其中，坡向和坡位與生物量和碳密度均呈負(fù)相關(guān)，即森林生物量和碳密度隨著坡向和坡位的增大而減小。

4 結(jié)論與討論

生物量和碳密度一方面受到群落結(jié)構(gòu)自身的限制，如森林結(jié)構(gòu)、林齡組成、種間競(jìng)爭(zhēng)等，另一方面受到環(huán)境因子的影響，如水熱條件、土壤理化性質(zhì)、經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向等，這些因素相互制約、相互聯(lián)系，共同作用于生物量和碳密度［16－17］。另外，人為干擾也是影響森林生物量和碳密度的重要因素，人為干擾主要是影響了群落的結(jié)構(gòu)和組成［18－20］。山西霍山森林群落的平均生物量和碳密度分別為58.00t/hm2和29.46t/hm2。遼東櫟林具有較高的生物量(62.35 t/hm2)和碳密度(31.17 t/hm2)，其次為油松林(生物量58.44 t/hm2;碳密度30.10t/hm2)，白皮松林、側(cè)柏林和刺槐林的生物量和碳密度較低。主要是因?yàn)檫|東櫟林位于中高海拔區(qū)域，水熱條件適中，人為活動(dòng)相對(duì)較少，地形地勢(shì)有利于水土涵養(yǎng)和保持，為遼東櫟林的生長(zhǎng)和繁殖提供了相對(duì)穩(wěn)定、良好的環(huán)境。而白皮松林和側(cè)柏林主要分布于低山巖石區(qū)域，且地勢(shì)相對(duì)陡峭，不利于水源涵養(yǎng)，土壤理化性質(zhì)貧瘠，土層厚度較薄，不利于喬木的生長(zhǎng)［21］。油松林不同樣地間的生物量和碳密度差異較大，這主要與油松的適應(yīng)性較強(qiáng)有關(guān)。雖然，在不同的海拔梯度和各種地形地勢(shì)下油松都能生長(zhǎng)，但往往在水熱充沛，地勢(shì)相對(duì)平緩，人為干擾相對(duì)較少的情況下，油松的長(zhǎng)勢(shì)較好［22］。相反，在較差的環(huán)境下，由于水熱的缺失，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的流失等，油松林往往呈現(xiàn)出緩慢的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)［23］。

霍山森林群落的生物量和碳密度受各種環(huán)境因子的影響，其中，海拔是影響山西霍山森林生物量和碳密度最主要的環(huán)境因子［24］。海拔與生物量和碳密度的相關(guān)系數(shù)分別為0.65和0.68，均表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)(P＜0.01)，生物量和碳密度在海拔1 700～1 800m范圍內(nèi)達(dá)到最大值。本次研究調(diào)查的植被是位于海拔低于2 000m的低山區(qū)域，在該區(qū)域，隨著海拔的升高，降水量是逐漸增加的，所以生物量和碳密度是隨著海拔梯度的升高而增加的。但生物量和碳密度在海拔1 400m左右有所下降，這主要是因?yàn)橛绊懮锪亢吞济芏鹊沫h(huán)境因子不光只有海拔，還有坡度、坡向、破位以及人為活動(dòng)等［25］。在海拔1 400m的低山地帶，分布的森林類(lèi)型主要是白皮松林和側(cè)柏林，該區(qū)域往往多為陡峭的巖石地帶，土層較薄，不利于水分的存儲(chǔ)，土壤理化性質(zhì)貧瘠;另外，該區(qū)域人為活動(dòng)較為頻繁，不利于喬木的快速生長(zhǎng)。

［1］李?？诇Y才．中國(guó)森林植被生物量和碳儲(chǔ)量評(píng)估［M］．北京:中國(guó)林業(yè)出版社，2010:28．

［2］李?？?，雷淵才，曾偉生．基于森林清查資料的中國(guó)森林植被碳儲(chǔ)量［J］．林業(yè)科學(xué)，2011，47(7):7－12．

［3］徐新良，曹明奎，李克讓?zhuān)袊?guó)森林生態(tài)系統(tǒng)植被碳儲(chǔ)量時(shí)空動(dòng)態(tài)變化研究［J］．地理科學(xué)進(jìn)展，2007，26(6):1－10．

［4］楊洪曉，吳波，張金屯，等．森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳功能和碳儲(chǔ)量研究進(jìn)展［J］．北京師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，41(2):172．

［5］Brown S，Lugo A E．Biomass of tropical forests:a new estimate based on forest volumes［J］．Science，1984，223:1290－1293．

［6］Fang J Y，Liu G H，Xu S L．Forest biomass of China:an estimation based on the biomass volume relationship［J］．Ecological Applications，1998，8:1084－1091．

［7］王仲鋒，馮仲科．樣地林木生物量精度評(píng)定的研究［J］．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(S2):173－176．

［8］鄧?yán)?，上官周平．基于森林資源清查資料的森林碳儲(chǔ)量計(jì)量方法［J］．水土保持通報(bào)，2011，31(6):143－147．

［9］方精云，郭兆笛，樸世龍，等．1981－2000年中國(guó)陸地植被碳匯的估算［J］．中國(guó)科學(xué):D輯，2007，37(6):804－812．

［10］Fang J Y，Liu G H，Xu S L．Biomass and net production of forest vegetation in China［J］．Acta．Ecol．Sin．，1996，16:497－508．

［11］方精云，陳安平，趙淑清，等．中國(guó)森林生物量的估算，對(duì)Fang等Science一文(Science，2001，292，2320－2322)的若干說(shuō)明［J］．植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，26(2):243－249．

［12］周志勇，王襄平，鄭景明，等．百花山自然保護(hù)區(qū)森林群落碳儲(chǔ)量計(jì)算方法的研究［J］．西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，40(11):139－146．

［13］劉海強(qiáng)．龐泉溝自然保護(hù)區(qū)植被數(shù)量生態(tài)研究［D］．太原:山西大學(xué)．2013．

［14］茹文明，張金屯，畢潤(rùn)成，等．山西霍山森林群落林下物種多樣性研究［J］．生態(tài)學(xué)雜志，2005，24(10):1139－1142．

［15］方精云，劉國(guó)華，徐嵩齡．我國(guó)森林植被的生物量和凈生產(chǎn)量［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，1996，16(5):497－508．

［16］盧景龍，梁守倫，劉菊．山西省森林植被生物量和碳儲(chǔ)量估算研究［J］．中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2012，28(31):51－56．

［17］馬琪，劉康，張慧．陜西省森林植被碳儲(chǔ)量及其空間分布［J］．資源科學(xué)，2012，34(9):1781－1789．

［18］黃從德，張健，楊萬(wàn)勤，等．四川省及重慶地區(qū)森林植被碳儲(chǔ)量動(dòng)態(tài)［J］．生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，28(3):966－975．

［19］王艷芳，劉領(lǐng)，李志超，等．豫西黃土丘陵區(qū)洛陽(yáng)市森林植被碳儲(chǔ)量和碳密度研究［J］．草業(yè)學(xué)報(bào)，2015，24(10):1－11．

［20］李?？?，趙鵬祥，雷淵才．基于森林清查資料的喬木林生物量估算方法的比較［J］．林業(yè)科學(xué)，2012，48(5):44－52．

［21］趙敏，周廣勝．基于森林資源清查資料的生物量估算模式及其發(fā)展趨勢(shì)［J］．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15(8):468－1472．

［22］王秀云，孫玉軍．森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量估測(cè)方法及其研究進(jìn)展［J］．世界林業(yè)研究，2008，21(5):24－29．

［23］Fang J Y，Chen A P，Peng C H，et al．Changes in forest biomass carbon storage in China between 1949 and 1998［J］．Science，2001，292:2320－2322．

［24］俞艷霞．呂梁山南段森林碳密度及其空間分布格局［D］．太原:山西大學(xué)，2010．

［25］路秋玲，王國(guó)兵，楊平，等．森林生態(tài)系統(tǒng)不同碳庫(kù)碳儲(chǔ)量估算方法的評(píng)價(jià)［J］．南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，36 (5):155－160．

Biomass and Carbon Density of Forest Communities in Shanxi Huoshan Mountains

CHENG Lifen
(Shanxi Academy of Forest Sciences，Taiyuan 030012，China)

Based on field investigation，biomass and carbon density of forest communities in Shanxi Huoshan Mountains were estimated by using the biomass expansion factor(BEF)continuous function method and its distribution pattern and influence factors were analysed.Results showed that the average unit area biomass and carbon density of forest communities in Shanxi Huoshan Mountains were 58.00 t/hm2and 29.46 t/hm2.The average unit area biomass(62.35 t/hm2)and carbon density(31.17 t/hm2)of Quercus wutaishanica forest were highest in comparison with that of the Pinus tabulaeformis forest(58.44 t/hm2，30.10 t/hm2).Pinus bungeana forest(56.58 t/hm2，28.79 t/hm2)，Platycladus orientalis forest(54.86 t/hm2，27.91 t/hm2)and Robinia pseudoacacia forest(53.78 t/hm2，26.74 t/hm2).The correlation coefficient between altitude and biomass was 0.65 and the correlation coefficient between altitude and carbon density was 0.68，which all showed significant positive correlation(P＜0.01).The relationships between slope，slope aspect，slope position and biomass，carbon density were not significant.Altitude was the main influence factor on distribution pattern of forest biomass and carbon density in Shanxi Huoshan Mountains.

Shanxi Huoshan Mountains，forest community，environmental factors，biomass，carbon density

S718.556

A

1002－6622(2017)01－0070－05

10．13466/j．cnki．lyzygl．2017．01．013

2016－11－03;

2016－12－16

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃(2015BAD07B0204)

程麗芬(1966－)，女，山西太原人，碩士，高工，主要從事森林培育及植物組織培養(yǎng)研究。Email:clf1125@sohu.com