霍達，羅揚，崔迎春，張喜，張佐玉

(貴州省林業(yè)科學研究院，貴陽 550011)

基于森林資源連續(xù)清查體系的貴州省杉木林分結構及有機碳儲量動態(tài)變化

霍達，羅揚，崔迎春，張喜*，張佐玉

(貴州省林業(yè)科學研究院，貴陽 550011)

基于森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)，研究了2000～2010年間貴州省杉木林分生物量及有機碳儲量的動態(tài)變化。結果發(fā)現(xiàn)2000、2005和2010年杉木林生物量及有機碳儲量分別為24.6334×106t、35.7368×106t和46.9948×106t，以及 13.0481×106t、18.9401×106t和24.7912×106t。生物量及有機碳儲量呈持續(xù)增長趨勢。杉木林樣地數(shù)量持續(xù)10年保持444個，沒有增加也沒有減少，表明杉木林得到有效保護。0～10 cm、10～22 cm和≥22 cm徑級的樣地數(shù)量分別增加-19.59%、20.72%和-1.13%，絕對純林、相對純林和混交林樣地數(shù)量分別增加-8.54%、15.38%和7.50%，杉木林分質(zhì)量逐步提高。

貴州省; 杉木林分; 生物量; 有機碳儲量

工業(yè)革命以來的CO2和其它溫室氣體向大氣的排放量逐年增加，已經(jīng)引起過去100余年間全球平均氣溫升高、海平面上升和降水方式等改變，導致生物地帶性分布重新分配和其它一系列全球變化的發(fā)生。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，森林碳儲量占全球陸地生態(tài)系統(tǒng)的90%左右[1]，森林的碳匯問題逐漸成為各國研究與討論的焦點。近年來，大尺度森林碳儲量有大量研究[2-6]，國內(nèi)部分省級[7-10]或重點區(qū)域[11-15]森林碳貯量也有報道。以連續(xù)清查樣地數(shù)據(jù)研究森林碳儲量動態(tài)及時空分布的報道較少[7]。

杉木[Cunninghamialanceolata(Lamb) Hook]在我國長江以南廣泛種植，長江以北也有引種栽培。貴州省除西部高寒山區(qū)和南部干旱河谷外、省內(nèi)各地均有栽培，其中黔東南杉木素有“苗杉”之稱、遠銷江浙等沿海地區(qū)。省內(nèi)華山松[16]和云南松[17]林分結構與碳儲量動態(tài)已有研究，區(qū)域性杉木林結構[18-19]、有機碳儲量[18,20-21]及凋落物[19,22]已有部分研究，省際水平杉木林的碳儲量動態(tài)及時空分布還末見報道。本文以貴州省2000～2010年間3次連續(xù)清查樣地數(shù)據(jù)庫中杉木林為對象，對林分結構、生物量及有機碳儲量進行研究，以揭示杉木林的碳匯能力及動態(tài)變化，為各級政府制定森林發(fā)展規(guī)劃和環(huán)境保護政策提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

貴州省[23]地處云貴高原東部，界于103°36′～109°35′ E、24°37′～29°13′ N，東靠湖南，南鄰廣西，西毗云南，北連四川和重慶，東西長約595km，南北相距約509km。全省國土總面積176167km2，占全國總面積的1.8%。全省轄2個自治州、7個地級市共88個縣(市、區(qū)、特區(qū))。境內(nèi)地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，平均海拔在1100 m左右。巖溶地貌發(fā)育非常典型，喀斯特出露面積109084km2，占全省國土總面積的61.9%。屬亞熱帶氣候，大部分地區(qū)年均溫度14～17℃、Σ≥10℃積溫4500℃以上，無霜期250～300天，年輻射量3600～4000 MJ/m2，年降雨量1100 mm以上。地帶性森林為亞熱帶常綠闊葉林，喀斯特地貌為常綠落葉闊葉混交林。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

貴州省森林資源連續(xù)清查樣地數(shù)據(jù)庫(2000，2005和2010年)通過省林業(yè)廳相關部門獲取。其中杉木林連清樣地選擇指標：①郁閉度≥0.20；②人工造林到成林年限后郁閉度達不到0.20，但生長穩(wěn)定、保存率達到造林設計株數(shù)的80%以上。全區(qū)共布設固定樣地5500個、杉木林樣地444個，樣地面積為1/15 hm2。劃分為3個類型：①絕對純林，杉木株數(shù)或材積≥90%；②相對純林，杉木株數(shù)或材積65%～90%；③混交林，包含杉木，但杉木或其它種組株數(shù)或材積<65%。

2.2 生物量估算

2.2.1 生物量模型篩選

杉木生物量模型通過CNKI收錄雜志論文、碩博論文和國內(nèi)出版社出版的相關專著收集。模型確認遵守的原則：①以貴州省為中心選擇模型，包括鄰近省份的天然林或人工林；②不同構件生物量模型完整者優(yōu)先，包括樹桿(桿+皮)、樹枝、枝葉、根系，其生物量隨胸徑、樹高變化特點可用生物學解釋； ③以模型相似性最多、出版物權威性較優(yōu)高者優(yōu)先選擇；④承認單一樹種生物量變化在不同地區(qū)和不同年齡間模擬的同一性，以忽略氣候、立地和經(jīng)營水平等對生物量模型的影響。在已收集的杉木生物量模型中[9，11-15]，以馮宗煒等的模型最優(yōu)(表1)。杉木林樣地中其它種組生物量(W)模型篩選依此類推。

表1 貴州省杉木單株生物量優(yōu)選模型[14]

注：DBH∈10.20～24.50 cm，H∈6.75～12.90 m。

2.2.2 生物量與有機碳儲量計算

大量學者使用0.5作為森林生物量和有機碳儲量間的轉換系數(shù)，但林木生長有數(shù)量和質(zhì)量之分，如不同年齡、氣候帶和立地等因素對木材質(zhì)量有明顯影響[24]，有學者通過不同樹種木材的纖維素、木質(zhì)素等含量推算其碳含量[7]，也有學者直接測定樹種不同構件的碳含量[25]，本文采用后者的杉木碳含量測定值作為生物量和有機碳儲量的轉換依據(jù)。

據(jù)此，杉木林連清樣地生物量(W,t/hm2)及有機碳儲量(C,t/hm2)密度和碳轉換系數(shù)(Cm1)：

其中：a為年齡，s為立地因子，c為氣候因素。n1為該樣地杉木株數(shù)，n2n3…為樣地其它種組株數(shù)。mi、cmi為樣地種組構件數(shù)或C含量(%)，包括桿、枝、葉、根；Dn、Hn為種組單株胸徑(cm)、高度(m)；am(Dn2Hn)bm為種組構件生物量。

2.3 生物量與碳儲量計算

連清樣地采用公里網(wǎng)點、機械布點，生物量(W,t)和有機碳儲量(C,t)：

其中：S為省、州(市)級國土面積，N為省、州(市)級機械布點數(shù)，n為該省、州(市)級杉木林樣地數(shù)，Wi、Ci為杉木林連清樣地的生物量或碳儲量。

3 結果分析

3.1 杉木林類型

貴州省現(xiàn)有杉木林多屬人工純林,林中常見植物種類很多，如樟科、山茶科、殼斗科、薔薇科、忍冬科、禾本科、蕨類等。杉木主要混交林類型有：①杉木-落葉常綠闊葉混交林，主要伴生樹種有白櫟(Quercusfabri)、長蕊杜鵑(Rhododendronstamineum)、雷公鵝耳櫪(Carpinusviminea)、硬斗石櫟(Lithocarpushancei)等。層次復雜、原生性較強，林下多上層喬木的幼樹、更新層密，其中杉木占80%以上。②杉木-常綠落葉闊葉混交林，主要伴生樹種有銀杉(Cathayaargyrophylla)、短柄抱(Quercusglanduliferavar.brevipetiolata)、硬斗石櫟(Lithocarpushancei)、巴東櫟(Quercusengleriana)等，下層銀杉更新良好、杉木幼樹較少，林分原生性強。③杉木-落葉闊葉混交林，主要伴生樹種有響葉楊(Populusadenopoda)、光皮樺(Betulaluminifera)、櫟(Quercussp.)、木姜子(Litseasp.)、白蠟樹(Fraxinuschinensis)、杜鵑(Rhododendronsp.)等，更新層中杉木幼苗多、次生性強。④杉木-常綠闊葉混交林，這類型混交林中主要伴生樹種有木荷(Schimasuperba)、油茶(Camelliaoleifera)、錐栗(Castaneahenryi)等，更新層中杉木多萌芽苗、次生性強。⑤杉木-毛竹混交林，主要伴生樹種為毛竹(Phyllostachyspubescens)、少量栲屬(Castanopsissp.)和山茶屬(Camelliasp.)物種，毛竹侵入性強、比重大。

3.2 杉木林分動態(tài)

3.2.1 徑級-樣地量及株數(shù)動態(tài)變化

連清樣地杉木林平均胸徑的徑級分布呈偏左型正態(tài)分布(圖1)，樣地量主要分布在6～10 cm和10～14 cm徑級，分別為24.32%～31.08%、31.53%～39.86%。2000～2005～2010年間，<6 cm和6～10 cm徑級樣地量降低，10～14 cm、14～18 cm和18～22 cm徑級樣地量增加，22～26 cm和≥26 cm徑級樣地量減少，分別為-19.59%、20.72%和-1.13%，杉木林平均胸徑呈升高趨勢。徑級的株數(shù)分布呈正態(tài)分布，集中在6～10 cm和10～14 cm徑級，分別為27.10%～44.45%、45.27%～49.89%。2000～2005～2010年間，<6 cm和6～10 cm徑級株數(shù)降低，10～14 cm、14～18 cm、18～22 cm和22～26 cm徑級株數(shù)升高，≥26 cm徑級株數(shù)降低，分別為-17.51%、17.61%和-0.09%，高徑級杉木株數(shù)呈升高趨勢。杉木林徑級-樣地量和株數(shù)分布有相似性,也有差異性，樣地量和株數(shù)隨徑級升高而增大，呈單峰型。

圖1 貴州省杉木林徑級-樣地量(左)及株數(shù)(右)結構動態(tài)

3.2.2 林分類型動態(tài)變化

杉木(表2)混交林、相對純林、絕對純林樣地的株數(shù)在2000、2005和2010年分別為13846株、18084株和21335株，隨時間推移而逐漸增多。2000～2005年和2005～2010年間的株數(shù)增長率在絕對純林分別為-14.76%、-4.89%，相對純林分別為-3.29%、4.17%，混交林分別為18.05%、0.72%。所占樣地比例在相對純林和混交林有所增加，絕對純林則有所減少。表明杉木林正向混交類型發(fā)展，物種多樣性逐步提高。

表2 杉木林分類型動態(tài) 株,個

3.3 杉木林生物量及有機碳儲量動態(tài)

3.3.1 構件生物量密度分配動態(tài)

杉木林(表3)各構件生物量變化趨勢為樹桿>樹根>樹枝>樹葉。構件生物量隨定位觀測時間的延長而逐漸增大，從2000年到2010年，樹桿生物量比例先增大后減小，樹枝和樹根生物量比例先減小后增大，樹葉生物量比例逐年降低。

表3 杉木林構件生物量(×106t)

3.3.2 生物量及有機碳儲量動態(tài)

表4 杉木林生物量和碳儲量

全省杉木林生物量和有機碳儲量密度從2000～2005～2010年呈逐年上升趨勢(表4)，其中生物量密度在2000～2005年的增長率(7.82%)小于在2005～2010年的增長率(7.92%)，有機碳密度的地上與地下部分比值為4.93～5.17。全省杉木林生物量和有機碳儲量呈增長趨勢，2000～2005年和2005～2010年間增長率的相應值分別為45.07%、31.50%，45.16%、30.89%。

3.3.3 生物量和有機碳儲量空間動態(tài)

杉木林在全省9個州(市)級行政單元中都有分布(圖2)，可見杉木在貴州省的分布范圍很廣泛，適應性較強。自2000～2005～2010年的生物量密度變化中，遵義市、銅仁市、畢節(jié)市、貴陽市、安順市和黔東南州呈逐年上升趨勢，黔南州、黔西南州和六盤水市呈先降后升的趨勢。有機碳密度、生物量及有機碳儲量的變化趨勢相似于生物量密度。

圖2 貴州省杉木林生物量 (上左) 及有機碳 (上右)密度和生物量(下左)及有機碳儲量(下右)時空分布圖

杉木林平均生物量密度和有機碳密度最高的是安順市，分別為40.0746 t/hm2、18.0368 t/hm2；最低的是銅仁市，相應值為12.3367 t/hm2、6.5057 t/hm2。平均生物量密度和有機碳密度值排序為安順市>黔東南州>黔西南州>遵義市>貴陽市>畢節(jié)市>六盤水市>黔南州>銅仁市。平均生物量與有機碳儲量最大的是黔東南州，分別為22.1427×106t、11.7757×106t；最小的是貴陽市，相應值為0.5539×106t、0.2927×106t，黔東南州平均生物量和有機碳儲量是遵義市的7.7倍左右、是貴陽市的40倍左右。平均生物量與有機碳儲量排序為黔東南州>遵義市>黔西南州>安順市>銅仁市>六盤水市>畢節(jié)市>黔南州>貴陽市。

4 結論與討論

4.1 貴州省杉木林生物量及有機碳儲量的時空分布格局明顯

根據(jù)森林資源連續(xù)清查樣地數(shù)據(jù)庫中杉木林樣地的計算，2000、2005和2010年的貴州省杉木林生物量及有機碳儲量分別為24.6334×106t、35.7368×106t和46.9948×106t，以及 13.0481×106t、18.9401×106t和24.7912×106t。生物量及有機碳儲量呈持續(xù)增長趨勢，已成為貴州省森林有機碳儲量的主要組成部分[8,16-17]。生物量密度和有機碳密度最高的是安順市、最低的是銅仁市，同杉木產(chǎn)區(qū)[23]劃分有差異性，這與連續(xù)清查樣地布點的機械性有關。生物量與有機碳儲量最大的是黔東南州、最小的是貴陽市，同杉木產(chǎn)區(qū)[23]劃分有相似性，也受杉木林分布面積大小的影響。

4.2 貴州省杉木林生物量及有機碳儲量形成機理

形成杉木林生物量及有機碳儲量持續(xù)增長的因素除產(chǎn)區(qū)差異和分布面積大小外，杉木連續(xù)清查樣地量持續(xù)10年保持444個，沒有增加也沒有減少，表明杉木林得到有效保護。從2000年到2010年，0～10 cm、10～22 cm和≥22 cm徑級的樣地數(shù)量分別增加-19.59%、20.72%和-1.13%，絕對純林、相對純林和混交林樣地數(shù)量分別增加-8.54%、15.38%和7.50%，杉木林分質(zhì)量逐步提高。有別于省內(nèi)其它樹種[16-17]。杉木林構件生物量變化趨勢為樹桿>樹根>樹枝>樹葉，同已有研究結論相似[16-17]。

4.3 喬木層是杉木林生物量及有機碳儲量的重要組成部分

黔東南杉木中心產(chǎn)區(qū)的研究[18-19,22]表明，純林中灌木層、草本層和凋落物層生物量是喬木層的0.76%、0.65%和7.21%，混交林的相應值為0.37%、0.49%和6.13%，還受杉木林的齡級和密度影響。土壤是杉木林有機碳儲量的重要組部分，本文也沒有計算在內(nèi)。因此，貴州省杉木林有機碳儲量應遠高于文中計算值。有必要進一步開展此方面的研究。

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DynamicsofStandStructureandOrganicCarbonStorageofCunninghamialanceolataforestinGuizhouProvinceBasedontheForestResourceContinuousInvestigationSystem

Huo Da,Luo Yang,Cui Yingchun,Zhang Xi*,Zhang Zuoyu

(Guizhou Provincial Academy of Forestry,Guiyang 550011)

Based on forest resource continuous investigation data,this paper has studied the dynamic changes of stand biomass and organic carbon storage ofCunninghamialanceolataforest in Guizhou province from 2000a to 2010a. The results showed biomasses of Chinese fir forest from 2000a to 2005a and 2010a were 24.6334×106t,35.7368×106t and 46.9948×106t,respectively; and relative values of organic carbon storage were 13.0481×106t,18.9401×106t and 24.7912×106t,respectively. The biomass and organic carbon storage showed a trend of sustained growth. Four hundred and forty four located plots of Chinese fir forest was status in no increase or decrease for 10 years,it indicates that Chinese fir forest got effective protection. Numbers of located plots from 0-10 cm,10-22 cm and ≥22 cm of diameter at breath height were increased -19.59%,20.72% and -1.13%,respectively; relative values of absolute pure forest,relatively pure forest and mixed forest were increased -8.54%,15.38% and 7.50%,respectively. Forest quality of Chinese fir was gradually improving in past 10 years.

Guizhou province; Forest ofCunninghamialanceolata; Biomass; Organic carbon storage

2017-08-05

貴州省科技廳攻關項目(黔科合SY字[2012]3010)；國家重點研發(fā)計劃(2016YFD0600301)；貴州省科技廳項目(黔科合院士站項目[2014]4006)

霍達(1986-)，女，工程師，主要從事森林培育和森林生態(tài)方面的研究，E-mail:383285138@qq.com；*通訊作者：張喜(1964-)，男，研究員，主要從事森林生態(tài)和竹林經(jīng)營方面的研究， E-mail:zhangxigzfa@tom.com。

DOI.:10.13268/j.cnki.fbsic.2017.06.001

S791.27

A