華北落葉松幼中齡林的生物量與碳匯功能1)

張田田 馬履一 賈忠奎 劉 杰 游偉斌

(省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室(北京林業大學)，北京，100083)

工業革命以來，由于人類大量燃燒化石燃料及人口的急速增長，大氣中CO2的體積分數持續增加，溫室效應現象日益嚴重［1－2］。而森林中的綠色植物通過光合作用能夠固定CO2，森林具有一定的碳匯功能。森林植被在陸地生物圈中占有主導地位，約有 85%的陸地生物量集中在森林植被［3－4］。我國森林植被蘊含著中國獨立植被生態系統生物量的69.5%，即9.1×109t干物質。森林在我國陸地植被的生物生產力中發揮著重要的作用［5－6］。華北落葉松(Larix principis-rupprechtii Mayr)是我國華北地區山地寒溫帶針葉林主要建群樹種之一，也是華北高山地區人工造林的主要樹種，對華北地區的木材生產、水土保持、生態環境調節等起著重要的作用。我國的華北落葉松人工林多起源于新中國成立后，栽植代數相對較少［7－9］。隨著華北落葉松造林面積的不斷增加和經營規模的不斷擴大，華北落葉松已成為我國重要的森林資源。本研究在河北省塞罕壩機械林場選取不同年齡階段，即18、22、38 a的華北落葉松作為研究對象。主要研究其生物量及碳匯功能，以揭示華北落葉松人工林生長過程中生物量和生產力的積累特點和變化趨勢，為華北落葉松人工林的經營管理和高效培育提供科學依據。

1 研究區概況

華北落葉松是我國北方山地分布廣、蓄積量大的主要森林生態樹種。試驗地位于河北省塞罕壩機械林場陰河林場前曼甸營林區，地處東經116°51'～117°39'、北緯 42°02'～42°36'。地形以丘陵、曼甸為主，海拔1 600～1 800 m。本地區屬寒溫帶半干旱半濕潤季風氣候區，氣候特點四季分明，春秋季干燥多風且時間短暫;夏季涼爽濕潤;冬季漫長，低溫多雪。年平均氣溫－1.0℃，極端最高氣溫29.7℃，極端最低氣溫－38.7℃，≥10℃活動積溫為1 663.5℃;降水以降雨為主、降雪為輔，年降雨量530.9 mm。土壤以灰色森林土為主。研究所選標準地均為華北落葉松人工純林，林下植被以草問荊(Equisetum prat-ense Ehrh)、庭薺(Alyssum desertorum Stapf)、灰菜(Chenopodium album L)、玉竹(Polygonatum odoratum(Mill.)Druce)、毛 茛 (Ranunculus japonicus Thunb)為主。

2 研究方法

通過對試驗地的全面踏查，選取林分狀況、立地條件基本一致的18、22、38年生3個不同年齡階段的華北落葉松人工林。每個林齡設置5塊標準地，面積為20 m×20 m，共計15塊標準地(表1)。

喬木層的生物量測定采用標準地取樣法，對標準地的林木進行每木檢尺，并實測其樹高和胸徑。根據調查結果，每塊標準地選取1株平均木。采用Monsi分層切割法，以1 m為一區分段，進行樹干解析，分析其生長過程。采用收獲法，地上部分按干、皮、枝、葉、果實測其鮮質量［10－11］;地下部分采用全根挖掘法測定，每個林齡只挖取3株，實測各部分鮮質量，采集以上各部分樣品帶回實驗室在85℃下烘干至恒質量，測定含水率，以推算干質量。

林下植被層生物量的測定為每塊標準地設置1個面積為1 m×1 m的小樣方，測定其林下植被和凋落物的生物量。其中灌木、草本層生物量采用全部收獲法，取樣方內的所有灌木、草本樣，帶回實驗室去除雜質于85℃烘干，計算生物量;而凋落物層則收集地表至土層之間的凋落物，分別按凋落物總量、枝、葉、果稱鮮質量，并取樣200 g帶回實驗室于85℃烘干，計算生物量。

華北落葉松人工林植被層各組分喬木層、灌木草本層、凋落物層含碳率的測定采用濕燒法測定，具體為重鉻酸鉀氧化外加熱法。

3 結果與分析

3.1 華北落葉松幼中齡林植被層生物量

森林植被層生物量包括喬木層、灌木草本層及凋落物層的生物量，根據樣地調查及生物量的測定，得出森林植被層各組分的生物量(表2)。

表1 15塊標準地基本因子與生物量的測定結果

表2 華北落葉松喬木層森林生物量

由表2可知，18、22、38年生華北落葉松人工林喬木層地上部分總生物量分別為 70.16、83.79、173.30 t/hm2，地上部分生物量隨著林齡的增加而不斷積累;地下部分及根系生物量18、22、38年生分別為 19.72、23.24、46.67 t/hm2，地下部分的生物量也是隨著林齡的增加而增大，而且38年生地上部分生物量分別為18年生及22年生的2.47及2.07倍，說明華北落葉松人工林達到中齡林后生物量積累迅速。其中各器官生物量積累隨林齡的變化規律表現為:干材、干皮、枝、葉、根系部分的生物量均隨林齡的增大而增加，只有葉的生物量增加不明顯。由灌木草本層生物量(表3)表明，華北落葉松幼中齡林的灌木草本層生物量有著顯著的差異，18、22、38 年生生物量分別為 5.15、4.57、46.44 t/hm2，38年生的比18年生及22年生的高出8倍以上。生物量是最能反映一個種在群落中功能和作用大小的指標，一個種的資源利用能力、競爭力、生態位占有等最終表現在它對群落有機質的占有上，元素積累量是物質最直觀的表現［12］。由表中可以看出38年生的林分密度最小，林分郁閉度僅為0.7，林內光照、溫度、濕度等環境因子與18年生及22年生林分有很大不同。

表3 灌木草本層生物量

表4 凋落物層生物量

由表4可以看出，不同林齡華北落葉松人工林凋落物層總生物量隨林齡的增加呈減小趨勢，并且各林齡之間的差異不明顯。38年生的凋落物總生物量最小，這顯然與林分密度有關。隨林齡的增加林分密度逐漸變小，其中18年生林分密度為38年生的5.4倍，18年林分郁閉度較38年生的高，38年生林分密度、郁閉度小，林內光照、水分充足，微生物活躍，也加速了凋落物的分解［13－14］。各器官凋落物分配中，葉的凋落物量所占比例最大，占凋落物總量的87.74% ～93.34%，其次分別為落枝(6.45% ～11.86%)和落果(0.21% ～0.30%)。各器官凋落物量中葉的凋落物量隨著林齡的增大而減小，而枝、果的凋落物量隨著林齡的增大呈增加趨勢。

3.2 華北落葉松幼中齡林的生物量轉換因子值

生物量轉換因子是林分生物量與蓄積量的比值，它與林齡、林分種類、其他生物學特性及立地條件關系密切［15］，華北落葉松幼中林齡的生物量轉換因子值在0.5414 ～0.8075 之間變動，平均值為0.6569。

圖1 華北落葉松幼中齡林生物量轉換因子值分布圖

3.3 地上部分生物量與蓄積量的關系

選用Linear模型(直線回歸模型)Y=a+bX，對各組分干材、干皮、干枝、葉生物量與蓄積量的關系進行擬合，建立了各組分生物量－蓄積量之間的相關模型。由圖2可以看出:華北落葉松幼中齡林林分各組分生物與蓄積量之間存在著不同的線性關系，其中干材與干枝的相關系數均達到了0.9以上，說明干材與干枝組分生物量與林分蓄積量之間的線性關系顯著，而葉生物量與蓄積量之間相關系數僅為0.409 2，可能是由于林齡、林分密度、立地條件等其他因素的影響。各組分的生物量隨蓄積量的增大而逐漸積累呈上升趨勢。由圖3可知:華北落葉松幼中齡林年地上部分總生物量與林分蓄積量之間存在顯著的線性關系。

3.4 華北落葉松幼中齡林碳密度

3.4.1 森林植被的儲碳密度

森林植被碳儲量包括喬木層、灌木草本層及凋落物層碳儲量，估算森林碳儲量首先要得到森林各組分的生物量。根據標準地及生物量的測定結果，利用下式對塞罕壩地區華北落葉松森林植被儲碳密度進行估算:

式中:Dc為各組分儲碳密度(t·hm－2);B為生物量(t·hm－2);Rc為各組分含碳率。

3.4.2 幼中林齡喬木層碳儲量及其變化規律

根據喬木層生物量及喬木層各組分的含碳率對其喬木層的碳儲量進行估算，其中各組分含碳率的測定結果見表5。

表5 喬木層各組分的含碳率

利用塞罕壩地區不同林齡華北落葉松人工林的喬木層生物量調查結果及各組分的含碳率，分別計算出了喬木層各組分及地上部分的儲碳密度。18、22、38年生華北落葉松喬木層的總儲碳密度分別為46.03、54.73 及 112.90 t/hm2，也是隨著林齡的增大而增高。其中38年生的儲碳密度達到了最大，分別為18年生和22年生的2.45與2.07倍。華北落葉松幼中齡林的平均碳密度為71.22 t/hm2，達到了方精云等研究的中國植被碳密度的平均水平［6］。林分喬木層各組分之間儲碳密度也有很大的不同，干材所占的比例最大，達到了53.03%以上，其次為根系儲碳密度，達到27.65%以上，說明華北落葉松根系比較發達，這與林分生物量呈現出一致的規律。

3.4.3 幼中林齡林下植被層碳儲量及其變化規律

林下植被層包括灌木草本層與凋落物層，通過對林下植被層的生物量調查與各組分含碳率的測定(表7、表8)可知:18、22、38年生華北落葉松幼中齡林灌木草本層的儲碳密度分別為2.572 9、2.243 0、23.7726 t/hm2;凋落物層的平均儲碳密度為17.345 4、14.384 8、14.570 7 t/hm2。其中凋落物儲碳密度中葉凋落物所占的比例最大，達到87.70%以上，其次為枝凋落物與果凋落物，分別為6.70%和0.20%以上，與凋落物生物量的變化類似。

圖2 各組分生物量與蓄積量之間的關系

圖3 地上總生物量與蓄積量之間的關系

表6 華北落葉松幼中齡林喬木層各組分碳密度

表7 凋落物各組分及灌木草本層含碳率

4 結論與討論

通過樣地調查及林分喬木層、灌木草本層、凋落物層生物量與蓄積量的測定，得到了華北落葉松幼中齡林的生物量轉換因子值，生物量轉換因子值在0.541 4 ～0.807 5 之間變動，平均值為 0.656 9。根據喬木層各組分干、枝、葉、皮生物量與蓄積量之間的線性模型，得到了喬木層地上部分總生物量與蓄積量的線性模型，可以用于推算華北落葉松幼中齡林地上部分生物量。

表8 凋落物各組分及灌木草本層儲碳密度

通過生物量及林分各組分含碳率的測定，估算了華北落葉松幼中齡林林分各組分的儲碳密度，得到了18、22、38年生華北落葉松喬木層的儲碳密度分別為 46.03、54.73、112.90 t/hm2，喬木層平均儲碳密度為71.22 t/hm2;灌木草本層的儲碳密度分別為 2.572 9、2.243 0、23.772 6 t/hm2;凋落物層的平均儲碳密度為 17.345 4、14.384 8、14.570 7 t/hm2。

塞罕壩地區華北落葉松幼中林齡平均儲碳密度達到了中國植被儲碳密度的平均水平，說明塞罕壩地區華北落葉松人工林發揮著一定的碳匯功能，但由于本研究沒有對15株解析木全部挖根，所以根系部分的儲碳密度還有待進一步研究。

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