鄭 淼

(山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 太原 030009)

全球的溫度變化是目前生態(tài)環(huán)境科學(xué)界研究的重點與前沿，而其中的重要的一項是大氣中CO2濃度的變化，研究發(fā)現(xiàn)大氣中的CO2比工業(yè)革命前高出35%，而森林是整個生態(tài)系統(tǒng)的碳庫，尤其是北半球的森林生態(tài)系統(tǒng)尤其重要，在全球碳平衡中發(fā)揮著重要的碳吸收匯功能，如何對森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧能力進行研究是評估森林在減緩大氣CO2含量上升，針對氣候變化能夠提出有效的治理措施。近年來，國內(nèi)有關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度與碳儲量的研究也開始增加，國內(nèi)學(xué)者對我國森林植被的碳密度和碳儲量進行了研究。由于森林生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，影響因子比較多，因此對森林的固碳釋氧量一般都是采取大尺度的測定方法來進行估算，木蘭圍場是華北地區(qū)重要的生態(tài)功能區(qū)，對京津冀地區(qū)的防風固沙具有重要的作用，該地區(qū)主要是以森林經(jīng)營、水土保持、森林空間的合理配置和林分結(jié)構(gòu)等方面的研究較多，而針對林分的固碳釋氧方面的研究報道較少[1-2]。

因此本文以木蘭林管局的4種典型林分作為研究對象，以林分的生物量作為基礎(chǔ)來對林分的固碳釋氧功能進行研究，與此同時對4種林分類型的不同林齡(幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林)固碳釋氧的效益進行分析研究，旨在對該地區(qū)的典型林分固碳釋氧量進行對比分析，從而為該地區(qū)的森林固碳釋氧功能評價提供參考依據(jù)，以期為冀北山地生態(tài)交錯帶森林健康經(jīng)營提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐[3-4]。

1 研究區(qū)概況與方法

本次調(diào)查是在承德木蘭圍場進行，木蘭圍場坐落于河北省東北部，地處冀北山地，地理坐標為116°32′—118°14′E，41°35′—42°40′N，海拔在820～1 850 m，木蘭林管局林區(qū)無霜期67～125 d，年平均氣溫-1.4℃～4.7，極端最低氣溫-42.9℃，極端最高氣溫38.9℃。林管局林區(qū)內(nèi)土壤主要包括棕壤、褐土、風砂土、草甸土、沼澤土、灰色森林土、黑土等7個土類，共15個亞類，66個土屬，143 個土種。該地區(qū)針葉樹種主要為華北落葉松林(Larixprincipisrupprechtii)、云杉(Piceaasperata)、油松林(Pinustabulaef)，闊葉樹種主要為山楊林(Populusdavidiana)、白樺林(BetulaplatyphyllaSuk.)、榆樹(Ilhvuspuneila)等[5-7]。

2 研究內(nèi)容和方法

2.1 樣地設(shè)置

本文設(shè)置的樣地為冀北山地最常見的林分，選取云杉純林(人工林)、落葉松純林(人工林)、白樺林(天然林)、山楊林(天然林)4種具有代表性的林分，設(shè)置16塊大樣地為100 m×100 m，4個齡期的4種林分，對樣地的一些基本情況進行了解，主要要：海拔、地形、地理位置、樣地的坡位以及林分郁閉度等，在適當?shù)奈恢迷O(shè)置樣地的原點，然后輔助設(shè)備(羅盤儀、全站儀)劃定樣地邊界，并用玻璃繩連接，逐次編號，最后將邊界用鐵絲網(wǎng)、水泥樁固定，其中郁閉度的測定是通過在樣地內(nèi)機械的設(shè)置200個樣點，在各樣點位置上進行抬頭垂直昂視，判斷該樣點是否被樹冠覆蓋，統(tǒng)計被覆蓋的樣點數(shù)，該點數(shù)與樣點數(shù)的比值則是林分的郁閉度，最后定量分析不同類型林分固碳釋氧功能，系統(tǒng)研究不同林型固碳釋氧效益的高低，為試驗區(qū)落葉松的健康經(jīng)營提供了一定的理論依據(jù)[8-10]。

2.2 試驗方法

2.2.1 固碳釋氧服務(wù)功能物質(zhì)量

G固碳=1.63R碳AB年

G釋氧=1.19AB年

式中：G固碳，G釋氧分別為林分年固碳，釋氧物質(zhì)量(t/a)；A為林分面積(hm2)；B年為林分凈生產(chǎn)力[t/(a·hm2)]；R碳為二氧化碳中碳元素含量。在光合作用下樹木每形成1 g干物質(zhì)，需固定1.63 g CO2，釋放1.2 g O2。由此可計算釋放氧氣量[11-12]。

2.2.2 固碳釋氧服務(wù)功能價值量

U固碳=1.63C碳R碳AB年

U釋氧=1.19C氧AB年

式中：U固碳，U釋氧分別是林分年固碳，釋氧價值量(元/a)；C碳、C氧分別為固碳、氧氣價格。采納歐洲國家溫室氣體排放稅收制度，確定固碳價格，本文采用瑞丹的碳稅率150美元/t，折算人民幣的價格為1 200元/t。而氧氣的價格則采用2007年衛(wèi)生部公布的春季氧氣平均價格1 000元/t。

生物量和蓄積量的關(guān)系方程：

B=aV+b

式中：B為森林生物量(t)；V為森林蓄積量(m3)；a，b為參數(shù)(表1)。

碳儲量與生物量的關(guān)系方程：

C=B·Cc

式中：C為碳儲量(t)；B為森林生物量(t)；Cc為含碳率，森林含碳率采用平均值0.5。

表1 不同林分類型生物量與蓄積量回歸方程

表2 不同林分類型林齡組劃分

3 結(jié)果與分析

3.1 4種林分生物量分析

同一林分不同齡期(表2)的生長狀況比較可以看出(圖1)：落葉松純林蓄積量在中幼齡期增長速度比較慢，而近熟期增長速度最快；白樺林蓄積量中幼齡期增長速度比較快，近熟期與成熟期增長速度較慢；山楊林蓄積量中幼齡期增長速度比較快，近熟期與成熟期增長速度較慢；云杉林蓄積量在中幼齡期增長速度比較慢，而近熟期增長速度最快。不同林分同一齡期生長狀況的比較，處于幼齡級時不同林分的蓄積量由大到小排序為：云杉林>白樺林>山楊林>落葉松純林；中齡期不同林分的蓄積量由大到小排序為：云杉林>白樺林>山楊林>落葉松純林；近熟期不同林分的蓄積量由大到小排序為：云杉林>白樺林>山楊林>落葉松純林；成熟期不同林分的蓄積量由大到小排序為：云杉林>白樺林>落葉松純林>山楊林。

圖1 4種林分不同齡期蓄積量

不同林分蓄積出現(xiàn)這樣的蓄積順序可能是因為闊葉林在中幼齡期生長速度比較快，近熟期開始速度減慢，而針葉樹種則相反。云杉林的蓄積量無論在哪個齡期其蓄積量都要高于其他3種林分。根據(jù)生物量與蓄積量的關(guān)系測定出各林分不同齡期年均生長量，即年均生物量，從而對4種林分是生態(tài)功能進行分析(圖2)。

圖2 4種林分不同齡期生物量估算

由圖2可以看出，幼齡期4種林分依次排序為：云杉林>白樺林>山楊林>落葉松純林，落葉松純林的生物量明顯低于闊葉樹種，是因為在生長初期生長速度低于其他兩種樹種；中齡期4種林分依次排序為：白樺林>山楊林>云杉林>落葉松純林，在中齡期闊葉林的生長速度達到了最高，針葉林增長速度開始加快；近熟林4種林分依次排序為：云杉林>落葉松純林>山楊林>白樺林，針葉林在近熟期樹種在近熟期生長速度達到最大，超過闊葉樹種生長速度。成熟林云杉林>山楊林>落葉松純林>白樺林，4種林分在成熟期蓄積量積累達到了最大值，但是林分蓄積量生長速度都比較慢。

3.2 4種林分不同齡級的固碳釋氧量價值估算

3.2.1 不同齡期不同林分的碳密度估算 固碳物質(zhì)量與林木的生長速度呈正相關(guān)，生長越快，固碳物質(zhì)量增加越多。4種林分固碳規(guī)律比較相似，從幼齡期到成熟林固碳的質(zhì)量呈現(xiàn)出增加的趨勢，中幼齡期落葉松純林固碳量低于其他3種林分，近熟齡到成熟齡中針葉林的生長速度明顯增快，固碳量高于山楊林，與其他兩種林分縮小了差距(圖3)。

圖3 4種林分不同齡期碳密度估算

從圖3可以看出，幼齡期4種林分C密度由大到小排序為：云杉林>白樺林>山楊林>落葉松純林；中齡期C密度由大到小排序為：白樺林>山楊林>云杉林>落葉松純林；4種林分近熟林C密度由大到小排序為：云杉林>白樺林>落葉松純林>山楊林；4種林分成熟林C密度由大到小排序為：云杉林>山楊林>落葉松純林>白樺林；云杉林除了中齡期其C密度都是最大的。

3.2.2 不同齡期不同林分的氧氣釋放量估算 釋放氧氣物質(zhì)量與林木的生長速度呈正相關(guān)，生長越快，釋氧物質(zhì)量增加越多。4種林分中闊葉林從幼齡林到中齡林期間，釋氧物質(zhì)量呈增加趨勢，此后開始減少，到近熟期以后釋氧物質(zhì)量明變化不大；針葉林從幼齡林到近熟林期間，釋氧物質(zhì)量呈增加趨勢，此后開始減少。

圖4 4種林分不同齡期氧氣釋放量

從圖4可以看出，幼齡期4種林分O2釋放量由大到小排序為：云杉林>白樺林>山楊林>落葉松純林；中齡期O2釋放量由大到小排序為：白樺林>山楊林>云杉林>落葉松純林；4種林分近熟林O2釋放量由大到小排序為：云杉林>落葉松純林>山楊林>白樺林；4種林分成熟林O2釋放量由大到小排序為：云杉林>山楊林>落葉松純林>白樺林。

3.3 固碳釋氧經(jīng)濟價值估算

采納歐洲國家溫室氣體排放稅收制度，確定固碳價格，本文采用瑞丹的碳稅率150美元/t，折算人民幣的價格為1 200元/t。而氧氣的價格則采用2007年衛(wèi)生部公布的春季氧氣平均價格1 000元/t。

表3 4種林分不同齡級單位面積各齡期固碳釋氧價值量 元/(hm2·a)

由表3可知，落葉松純林固碳釋氧總價值隨齡林的增加呈單峰曲線，在近熟林時達到最大價值量，為16 516元/(hm2·a)，成熟林期間固碳釋氧總價值最低，僅為3 680元/(hm2·a)，是近熟林時的22%；白樺林固碳釋氧總價值隨齡林的增加呈單峰曲線，在中齡林時達到最大價值量，為18 767元/(hm2·a)，成熟林期間固碳釋氧總價值最低，僅為2 408元/(hm2·a)，是中齡林時的13%；山楊林固碳釋氧總價值隨齡林的增加呈單峰曲線，在中齡林時達到最大價值量，為16 697元/(hm2·a)，成熟林期間固碳釋氧總價值最低，僅為4 489元/(hm2·a)，是中齡林時的27%。云杉林固碳釋氧總價值隨齡林的增加呈單峰曲線，在近熟林時達到最大價值量，為18 544元/(hm2·a)，成熟林期間固碳釋氧總價值最低，僅為5 040元/(hm2·a)，是近熟林時的27%。

幼齡林時固碳釋氧平均總價值為5 340元/(hm2·a)，不同林分價值量大小排序為：云杉林>白樺林>山楊林>落葉松純林；中齡林時平均總價值為12 939元/(hm2·a)，不同林分價值量大小排序為：白樺林>山楊林>云杉林>落葉松純林；近熟林時平均總價值為11 525元/(hm2·a)，不同林分價值量大小排序為：云杉林>白樺林>山楊林>落葉松純林；成熟林期平均總價值為3 805元/(hm2·a)，不同林分價值量大小排序為：云杉林>白樺林>山楊林>落葉松純林。整個生命周期平均固碳釋氧總價值排序為：云杉林>山楊林>落葉松純林>白樺林，說明云杉林固碳釋氧的總價值是最高的，而白樺林的固碳釋氧總價值最低。

4 結(jié) 論

(1) 針葉林蓄積量在中幼齡期增長速度比較慢，而近熟期增長速度最快，闊葉林蓄積量中幼齡期增長速度比較快，近熟期與成熟期增長速度較慢；不同林分的不同齡期生物量是有差異的，其中幼齡期由大到小為：云杉林>白樺林>山楊林>落葉松純林，中齡期為：白樺林>山楊林>云杉林>落葉松純林，近熟林為：云杉林>落葉松純林>山楊林>白樺林，成熟林為：云杉林>山楊林>落葉松純林>白樺林，4種林分在成熟期蓄積量積累達到了最大值，但是林分蓄積量生長速度都比較慢。

(2) C密度由大到小排序，幼齡林：云杉林>白樺林>山楊林>落葉松純林，中齡林：白樺林>山楊林>云杉林>落葉松純林，近熟林：云杉林>白樺林>落葉松純林>山楊林，成熟林：云杉林>山楊林>落葉松純林>白樺林，云杉林除了中齡期其C密度都是最大的；O2釋放量由大到小排序，幼齡林：云杉林>白樺林>山楊林>落葉松純林，中齡林：白樺林>山楊林>云杉林>落葉松純林，近熟林：云杉林>落葉松純林>山楊林>白樺林，成熟林：云杉林>山楊林>落葉松純林>白樺林。

(3) 4種林分固碳釋氧總價值隨齡林的增加呈單峰曲線，但是達到最大值的時期不同，落葉松純林與云杉林近熟林價值量最大，成熟林價值量最低；白樺林與山楊林中齡林價值量最大，成熟林期間固碳釋氧總價值最低；整個生命周期平均固碳釋氧總價值排序為：云杉林>山楊林>落葉松純林>白樺林，說明云杉林固碳釋氧的總價值是最高的，而白樺林的固碳釋氧總價值最低。