趙國華，蓋凡丁，張 杰，王 超，尤海舟

（1.承德市灤平國有林場總場，河北 灤平 068250； 2.河北省林業(yè)和草原科學研究院，河北 石家莊 050061； 3.河北豐寧沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，河北 豐寧 0683571）

0 引言

氣候變化是當今世界關注的熱點問題和面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，世界各國正積極致力于減緩全球溫室氣體排放的增長速度，碳循環(huán)成為全球變化研究和宏觀生態(tài)學的核心研究內容之一[1]。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在維護全球氣候系統(tǒng)、調節(jié)全球碳平衡、減緩大氣溫室氣體濃度上升等方面具有不可替代的作用[2]。森林通過光合作用積累的同化產物以生物量的形式長期儲存于生態(tài)系統(tǒng)[3]，是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)的重要過程，生物量和碳儲量及其變化是土地利用變化和林業(yè)溫室氣體排放清單編制的基礎，森林碳匯功能在應對氣候變化方面具有不可替代的作用。目前，森林碳匯研究多集中于落葉松、油松、杉木、楊樹、白樺等優(yōu)勢樹種，尚有多個樹種存在研究區(qū)布局不合理或樣本數偏低等問題。白榆（Ulmus pumila），耐干旱，根系發(fā)達，適應性，是我國干旱半干旱地區(qū)的重要鄉(xiāng)土樹種，在渾善達克沙地、科爾沁沙地等地形成特有的疏林草原植被類型，在保持水土、防風固沙和維護生態(tài)平衡有著獨特的生態(tài)作用，是沙地最穩(wěn)定和高生產力的植被類型[4]。河北壩上地處內蒙古高原的南緣，緊鄰渾善達克沙地，榆樹稀樹草原亦有較多分布，白榆是當地營造防風固沙林的重要樹種，約有白榆林2.5萬hm2。對該區(qū)沙地白榆林開展生物量與碳儲量的調查研究，有助于科學認識人工造林的生態(tài)功能，對于草原植被的生態(tài)恢復和增加區(qū)域碳匯量有著積極的促進作用。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省豐寧滿族自治縣壩上地區(qū)，41°21’～42°00’N，115°54’～116°38’E，海拔約1400～1800m。該區(qū)屬大陸季風型半濕潤、半干旱高原山地氣候，氣候寒冷干燥，年平均氣溫 6.7 ℃，≥10 ℃積溫1600～1798 ℃。多年平均降水量350～500 mm，降雨主要集中于7～9月，約占全年降水量的79%。地帶性土壤以草原栗鈣土和風沙土為主，土壤砂粒含量高、質地松、內聚力差，易于沙蝕風化。該區(qū)屬森林向草原的過渡地區(qū)，以干旱草原植被為主，但植物種類組成和植被類型較豐富，具有明顯的過渡性特征[5]。由于該區(qū)草原植被破壞嚴重，人工營造了大面積的防護林，主要喬木樹種有華北落葉松（Larix principis-rupprechtii Mayr）、樟子松（Pinus sylvestris var.mongholica Litv.）、北京楊（Populus beijingensis W.Y.Hsu）、白榆等。沙地白榆林在本區(qū)造林植苗密度較高，隨林齡增加受放牧、干旱等因素的影響，樹木保存率和林分密度較低，郁閉度0.4～0.7，林下常見少量更新幼樹；林下草本植被生長較好，蓋度通常50%～90%，灌木層多缺失，凋落物積存量通常很少。

1.2 調查與研究方法

野外生物量調查采用標準地法。選擇典型林分設置3塊調查樣地，面積30×30m2，樣地基本情況詳見表1。通過每木檢尺與樹高測量、繪制樹高曲線后選取平均標準木1株，挖倒后測定各器官（干、枝、葉、根）的生物量鮮質量并取樣；其中樹干按1m區(qū)分段實測生物量鮮質量和樹干材積，枝和葉分為上、中、下3層測定鮮質量，根分為粗、中、細3級測定鮮質量。野外所取鮮樣品室內85℃烘干至絕對干質量，計算出全株和不同器官的生物量總質量，再按胸高斷面積推算出喬木層生物量總質量。草本層、凋落物層生物量按對角線設5個1×1m2樣方測定鮮質量，灌木層生物量按對角線設5個2×2m2樣方測定鮮質量，取鮮樣品室內烘干測定質量，再推算出單位面積生物量的總質量。

表1 沙地白榆林生物量樣地基本情況

生物量計量參數主要參考IPCC指南（2006）[6]、《林業(yè)碳匯計量監(jiān)測術語》（LY/T3253-2021）[7]等推薦的計算方法，公式如下：

其中：BEF，樹木生物量擴展因子（無量綱）；AB，樹木地上部分生物量（t/hm2）；SB，樹干生物量（t/hm2）。

其中：B C E F，樹木生物量轉化與擴展因子 （t/m3）；V，林分蓄積量（m3/hm2）。

其中：R，根莖比（無量綱）；UB，樹木地下部分生物量（t/hm2）。

其中：WD，木材基本密度（t/m3）。

由以上公式可知，理論上BCEF=BEF×WD。

2 結果與分析

2.1 沙地白榆林的林分組分生物量分配狀況

碳以生物質或有機質的形式儲存于森林植被和土壤中，可以將森林碳庫按林分組分構成劃分為喬木層碳庫、草本植物碳庫、灌木碳庫、凋落物碳庫和粗木質殘體碳庫、土壤碳庫等。表2為各樣地生物量密度的測定結果，表明沙地白榆林不同林分組分間生物量（生物現(xiàn)存量）的分配比例為喬木層平均值94.43%、草本層平均值5.54%、凋落物層1.03%，生物量分配次序為喬木＞草本＞凋落物，而灌木和粗木質殘體所積累的生物量很少，可以忽略不計?？梢妴棠緦訕淠舅e累的生物量遠高于其他林分組分，也是其最重要的碳庫。

表2 沙地白榆林不同林分組分的生物量

2.2 沙地白榆林喬木層生物量分配狀況

喬木層樹木是植被群落中生產力最主要和最活躍的群體，多年的同化作用將碳以生物質的形式儲存于樹干、樹枝、樹葉和樹根等器官中，并通過枯損過程向凋落物層、土壤層等轉移，是植被群落實現(xiàn)固碳功能最主要的部分。樹木生物量一般隨樹齡增長呈增加趨勢，但由于樹種特性、立地條件和經營措施的差別，其各器官生物量分配狀況多有不同。本次研究表明，白榆各器官生物量分配比例為樹干平均值37.68%、樹枝平均值24.92%、樹葉平均值5.07%、樹根平均值32.33%，即總體上為干＞根＞枝＞葉。白榆生長于干旱沙地環(huán)境，樹高較矮，林木稀疏，側枝和根系發(fā)達，相較本區(qū)華北落葉松、樟子松等主要造林樹種的樹干和樹葉生物量所占比例較低，而樹枝和樹根所占比例較高[8]。

2.3 沙地白榆林的生物量計量參數

生物量計量參數是森林碳匯評估的重要參數，不同區(qū)域和樹種及發(fā)育階段的生物量計量有較大差異，本次研究沙地白榆林生物量計量參數計算結果詳見表3。由表3可知，白榆林的生物量計量參數中BEF值、BCEF值和R值變化差異較大，而WD值相對穩(wěn)定。

表3 沙地白榆林的生物量計量參數

2.4 沙地白榆林的碳儲量

森林碳儲量可由不同碳庫的生物量與含碳率計算而來，不同林分組分、樹種和器官的含碳率均有差異，喬木層植被含碳率采用《碳匯造林項目方法學》（AR-CM-001-V01）的推薦值0.497[9]；根據程仁堂等對林下草本植物、凋落物的測定結果含碳率多低于0.45而接近于0.4，故本次研究取0.4[10、11]。表4為3塊白榆林樣地碳儲量（碳密度）的計算結果，可見沙地白榆林雖然林分稀疏，生長較緩慢，但碳儲量仍較高，其中以喬木層樹木的碳儲量最高。3塊樣地的年均固碳量以2號樣地最高，可達2.1537 t·hm-2·a-1；而1號樣地最有代表性，年固碳量為1.1824 t·hm-2·a-1，代表了本區(qū)白榆林較高生產力水平下較長期的年均固碳速率，表明白榆林在固碳潛力較高。

表4 沙地白榆林的碳儲量

3 結論與討論

3.1 結論

本次研究表明，河北壩上沙地白榆林的生物量主要積累于喬木層樹木中，其中以樹干和樹根所積累量較高，這同渾善達克沙地稀樹草原生物量的研究結果相似[3]。白榆林的生物量計量參數分別為BEF=1.836±0.378、BCEF=0.827±0.221t·m-3、R=0.499±0.184、WD=0.445±0.044t·m-3，相較其他樹種R值較高，這反映了其地下生物量碳庫較高；同時3塊樣地生物量計量參數變化較大，可能由于其林分密度變化較大所導致，因此獲取精度較高的生物量計量參數需要加大樣本測定數量。

白榆林調查樣地碳密度變化為22.4～33.9 t·hm-2，年均固碳量0.74～1.18 t·hm-2·a-1，以上2項指標均表明沙地白榆林具有較高的碳匯功能，遠高于我國草地平均碳密度2.36～11.48 t·hm-2的研究結果[12]，是干旱半干旱草原區(qū)非常重要的匯；也表明人工造林對提升草原碳匯的重要性，是改善草原“弱碳匯”[13]狀況的可行措施。此外，不同樣地間碳密度和固碳速率均有較大差異，表明通過適合的森林經營措施有可能大幅提升森林碳儲量，具有較高的固碳潛力。

3.2 討論

白榆是河北壩上地區(qū)沙地優(yōu)良的生態(tài)防護樹種，且能夠形成穩(wěn)定的森林群落，但生長速度相對較慢，但同本區(qū)樟子松、華北落葉松主要造林樹種相比，在生產力和固碳方面尚有差距；同屬壩上地區(qū)的塞罕壩林場華北落葉松林18a生和38a生碳儲量分別為 65.82 t·hm-2、150.66 t·hm-2[14]，科爾沁沙地樟子松林18a生和30a生時碳儲量分別為32.476 t·hm-2、73.214·hm-2，毛烏素沙地30a生樟子松林碳儲量可達57.08t·hm-2，以上樹種速生性強，且林分密度較高，可見在河北壩上地區(qū)營造碳匯林若立地條件較好時宜選擇華北落葉松、樟子松等樹種。