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(diǎn)與前沿，而其中的重要的一項(xiàng)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(gè)生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)，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，通過(guò)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)固碳釋氧能力進(jìn)行研究，評(píng)估出森林在減緩大氣CO2含量上升所起到的作用，為氣候變化提出有效的理論依據(jù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)有關(guān)森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度與碳儲(chǔ)量的研究也開(kāi)始增加，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)我國(guó)森林植被的碳密度和碳儲(chǔ)量進(jìn)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(duì)森林的固碳釋氧量一般都是采取大尺度的測(cè)定方法來(lái)進(jìn)行估算，灤河上游是華北地區(qū)重要的生態(tài)功能區(qū)，對(duì)京津冀地區(qū)的防風(fēng)固沙具有重要的作用，該地區(qū)多以森林經(jīng)營(yíng)、水土保持、森林空間的合理配置和林分結(jié)構(gòu)等方面的研究為主，而針對(duì)林分的固碳釋氧方面的研究報(bào)道較少[1-2]。

為探究灤河上游3種林分類型固碳釋氧效益，為當(dāng)?shù)匾怨烫坚屟鯙橹鞯纳纸?jīng)營(yíng)提供參考，因此本文以灤河上游的3種林分類型作為研究對(duì)象，以林分的生物量作為基礎(chǔ)來(lái)對(duì)林分的固碳釋氧功能進(jìn)行研究，與此同時(shí)對(duì)3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(jìn)行分析研究，旨在對(duì)該地區(qū)的典型林分固碳釋氧量進(jìn)行對(duì)比分析，從而為該地區(qū)的森林固碳釋氧功能評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)，以期為該地區(qū)森林健康經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐[3-4]。

1 研究區(qū)概況

本次調(diào)查是在承德木蘭圍場(chǎng)進(jìn)行，木蘭圍場(chǎng)坐落于河北省東北部，地處灤河上游，地理坐標(biāo)為116°32′—118°14′E，41°35′—42°40′N，海拔為820～1 850 m，木蘭林管局林區(qū)無(wú)霜期67～25 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(fēng)砂土、草甸土、沼澤土、灰色森林土、黑土7個(gè)土類，共15個(gè)亞類，66個(gè)土屬，143個(gè)土種。該地區(qū)針葉樹(shù)種主要為華北落葉松林(Larixprincipis-rupprechtii)、云杉(Piceaasperata)、油松林(Pinustabulaef)，闊葉樹(shù)種主要為山楊林(Populusdavidiana)、白樺林(BetulaplatyphyllaSuk.)、榆樹(shù)(Ilhvuspuneila)等[5-7]。

2 研究?jī)?nèi)容和方法

2.1 樣地設(shè)置

本文設(shè)置的樣地為灤河上游最常見(jiàn)的林分，選取針葉林、闊葉林與針闊混交林3種具有代表性的林分類型，設(shè)置9塊大樣地為100 m×100 m，4個(gè)齡期的3種林分，對(duì)樣地的一些基本情況進(jìn)行了解，主要有海拔、地形、地理位置、樣地的坡位以及林分郁閉度等，在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置樣地的原點(diǎn)，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(hào)，最后將邊界用鐵絲網(wǎng)、水泥樁固定，其中郁閉度的測(cè)定是通過(guò)在樣地內(nèi)機(jī)械設(shè)置200個(gè)樣點(diǎn)，在各樣點(diǎn)位置上進(jìn)行抬頭垂直昂視，判斷該樣點(diǎn)是否被樹(shù)冠覆蓋，統(tǒng)計(jì)被覆蓋的樣點(diǎn)數(shù)，該點(diǎn)數(shù)與樣點(diǎn)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(yàn)區(qū)森林的健康經(jīng)營(yíng)提供一定的理論依據(jù)[8-10]。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 固碳釋氧服務(wù)功能物質(zhì)量

G固碳=1.63R碳·A·B年

(1)

G釋氧=1.19A·B年

(2)

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(shù)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(jì)算釋放氧氣量[11]。

2.2.2 固碳釋氧服務(wù)功能價(jià)值量[12-13]

U固碳=1.63C碳·R碳·A·B年

(3)

U釋氧=1.19C氧·A·B年

(4)

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

生物量和蓄積量的關(guān)系方程：

B=a·V+b

(5)

式中：B為森林生物量(t)；V為森林蓄積量(m3)；a,b為參數(shù)。各樹(shù)種生物量與蓄積量回歸方程見(jiàn)表1，不同林分類型林齡組劃分見(jiàn)表2。

表1 不同林分類型生物量與蓄積量回歸方程

碳儲(chǔ)量與生物量的關(guān)系方程：

C=B·Cc

(6)

式中：C為碳儲(chǔ)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。

3 結(jié)果與分析

3.1 3種林分類型生物量分析

如圖1所示，同一林分不同齡期的生長(zhǎng)狀況比較可以看出：針葉林蓄積量在中幼齡期增長(zhǎng)速度比較慢，而近熟期增長(zhǎng)速度最快；闊葉林蓄積量中幼齡期增長(zhǎng)速度比較快，近熟期與成熟期增長(zhǎng)速度較慢；針闊混交林蓄積量在中幼齡期增長(zhǎng)速度相對(duì)較快，而近熟期與成熟期增長(zhǎng)速度相對(duì)較慢。不同林分類型同一齡期生長(zhǎng)狀況的比較，處于幼齡期時(shí)不同林分類型蓄積量由大到小排序?yàn)椋洪熑~林>針闊混交林>針葉林；中齡期不同林分類型蓄積量由大到小排序?yàn)椋洪熑~林>針闊混交林>針葉林；近熟期不同林分類型蓄積量由大到小排序?yàn)椋洪熑~林>針闊混交林>針葉林；成熟期不同林分的蓄積量由大到小排序?yàn)椋洪熑~林>針闊混交林>針葉林。

表2 不同林分類型林齡組劃分 a

圖1 3種林分類型不同齡期蓄積量估算

不同林分類型蓄積量呈現(xiàn)這種規(guī)律可能是因?yàn)殚熑~林在中幼齡期生長(zhǎng)速度比較快，近熟期開(kāi)始速度減慢，而針葉樹(shù)種則相反。闊葉林蓄積量無(wú)論在哪個(gè)齡期其蓄積量都要高于其他兩種林分，但是針葉林與闊葉林的差距從近熟林開(kāi)始迅速減小。根據(jù)生物量與蓄積量的關(guān)系測(cè)定出各林分類型不同齡期年均生長(zhǎng)量，即年均生物量，從而對(duì)3種林分類型的固碳釋氧經(jīng)濟(jì)價(jià)值進(jìn)行分析(圖2)。

由圖2可以看出，幼齡期3種林分類型平均生物量大小依次排序?yàn)椋横橀熁旖涣?闊葉林>針葉林，針葉林在該時(shí)期的生物量明顯低于其他兩種林分類型，是因?yàn)樵谏L(zhǎng)初期針葉樹(shù)種生長(zhǎng)速度低于闊葉的原因，而闊葉林低于針闊混交林是由于針闊混交林林內(nèi)生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)比較激烈，有助于林分的生長(zhǎng)；中齡期3種林分類型依次排序?yàn)椋洪熑~林>針闊混交林>針葉林，在中齡期闊葉林的生長(zhǎng)速度達(dá)到了最高，針葉林增長(zhǎng)速度開(kāi)始加快；近熟林3種林分依次排序?yàn)椋横樔~林>針闊混交林>闊葉林，針葉林在近熟期樹(shù)種生長(zhǎng)速度達(dá)到最大，超過(guò)闊葉樹(shù)種生長(zhǎng)速度。成熟林3種林分類型依次排序?yàn)椋横橀熁旖涣?針葉林>闊葉林，3種林分類型在成熟期蓄積量積累達(dá)到了最大值，但是林分蓄積量生長(zhǎng)速度都比較慢。

圖2 3種林分不同齡期生物量估算

3.2 3種林分類型不同齡級(jí)的固碳釋氧量?jī)r(jià)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(zhǎng)速度呈正相關(guān)，生長(zhǎng)越快，固碳物質(zhì)量增加越多。3種林分類型固碳規(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(shì)，中幼齡期針葉林固碳量低于其他兩種林分類型，近熟齡到成熟齡期間針葉林的生長(zhǎng)速度明顯增快，固碳量高于闊葉林，與其他兩種林分類型縮小了差距(圖3)。

圖3 3種林分類型不同齡期碳密度估算

從圖3可以看出，幼齡期3種林分類型碳密度由大到小排序?yàn)椋横橀熁旖涣?闊葉林>針葉林；中齡期碳密度由大到小排序?yàn)椋洪熑~林>針闊混交林>針葉林；3種林分近熟林碳密度由大到小排序?yàn)椋横樔~林>針闊混交林>闊葉林；3種林分類型成熟林碳密度由大到小排序?yàn)椋横橀熁旖涣?針葉林>闊葉林。

3.2.2 不同齡期不同林分類型氧氣釋放量估算 釋放氧氣物質(zhì)量與林木的生長(zhǎng)速度呈正相關(guān)，生長(zhǎng)越快，釋氧物質(zhì)量增加越多。3種林分類型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(shì)，此后開(kāi)始減少，到近熟期以后釋氧物質(zhì)量變化不大；針葉林從幼齡林到近熟林期間，釋氧物質(zhì)量呈增加趨勢(shì)，此后開(kāi)始減少；針闊混交林則是呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律(圖4)。

從圖4可以看出，幼齡期3種林分類型氧氣釋放量由大到小排序?yàn)椋横橀熁旖涣?闊葉林>針葉林；中齡期氧氣釋放量由大到小排序?yàn)椋洪熑~林>針闊混交林>針葉林；3種林分類型近熟林氧氣釋放量由大到小排序?yàn)椋横樔~林>針闊混交林>闊葉林；3種林分類型成熟林氧氣釋放量由大到小排序?yàn)椋横橀熁旖涣?針葉林>闊葉林。

圖4 3種林分類型不同齡期氧氣釋放量

3.3 固碳釋氧經(jīng)濟(jì)價(jià)值估算

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

如表3所示，針葉林固碳釋氧總價(jià)值隨齡林的增加呈單峰曲線，在近熟林時(shí)達(dá)到最大價(jià)值量，為16 397元/(hm2·a)，成熟林期間固碳釋氧總價(jià)值最低，僅為3 321元/(hm2·a)，是近熟林時(shí)的20%；闊葉林固碳釋氧總價(jià)值隨齡林的增加呈單峰曲線，在中齡林時(shí)達(dá)到最大價(jià)值量，為18 948元/(hm2·a)，成熟林期間固碳釋氧總價(jià)值最低，僅為2 110元/(hm2·a)，是中齡林時(shí)的11%；針闊混交林固碳釋氧總價(jià)值隨齡林的增加呈單峰曲線，在近熟林時(shí)達(dá)到最大價(jià)值量，為15 188元/(hm2·a)，成熟林期間固碳釋氧總價(jià)值最低，僅為5 695元/(hm2·a)，是近熟林時(shí)的37%。

幼齡林時(shí)固碳釋氧平均總價(jià)值為5 272元/(hm2·a)，不同林分類型價(jià)值量大小排序?yàn)椋横橀熁旖涣?闊葉林>針葉林；中齡林時(shí)平均總價(jià)值為13 904元/(hm2·a)，不同林分類型價(jià)值量大小排序?yàn)椋洪熑~林>針闊混交林>針葉林；近熟林時(shí)平均總價(jià)值為9 555元/(hm2·a)，不同林分類型價(jià)值量大小排序?yàn)椋横樔~林>針闊混交林>闊葉林；成熟林期平均總價(jià)值為3 709元/(hm2·a)，不同林分類型價(jià)值量大小排序?yàn)椋横橀熁旖涣?針葉林>闊葉林。整個(gè)生命周期平均固碳釋氧總價(jià)值排序?yàn)椋横橀熁旖涣?針葉林>闊葉林，針闊混交林固碳釋氧的總價(jià)值明顯高于其他兩種林分，而闊葉林固碳釋氧總價(jià)值最低。

表3 3種林分類型不同齡級(jí)單位面積固碳釋氧價(jià)值量 元/(hm2·a)

4 結(jié) 論

(1) 3種林分類型各齡期蓄積量與闊葉林在林分中占的比例呈正比，闊葉林最大，針葉林最小，而針闊混交林居中；在中幼齡時(shí)期，針葉林的平均生物量都是最小的，而近熟與成熟時(shí)期闊葉林的平均生物量為最小，這與林分內(nèi)林木本身的生長(zhǎng)規(guī)律有關(guān)。

(2) 中幼齡時(shí)期碳密度與氧氣釋放量最小的為針葉林，而近熟齡與成熟齡時(shí)期最小的為闊葉林，兩者都與林木的生長(zhǎng)速度呈正相關(guān)，生長(zhǎng)越快，固碳釋氧量越大，而林分的價(jià)值量與兩者的變化規(guī)律一致。

(3) 針葉林固碳釋氧總價(jià)值最大的為近熟林，成熟林最小，僅為近熟林的20%；闊葉林固碳釋氧總價(jià)值最大為中齡林，成熟林最低，為中齡林時(shí)的11%；針闊混交林固碳釋氧總價(jià)值最大的為近熟林，成熟林最小僅近熟林時(shí)的37%。

(4) 4個(gè)林齡的林分固碳釋氧平均總價(jià)值大小排序?yàn)椋褐旋g林>近熟林>幼齡林>成熟林，整個(gè)生命周期平均固碳釋氧總價(jià)值排序?yàn)椋横橀熁旖涣?針葉林>闊葉林，說(shuō)明針闊混交林固碳釋氧的總價(jià)值是最高的，而闊葉林固碳釋氧總價(jià)值最低。