冀北山地4種典型林分固碳釋氧效益估算

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，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(jìn)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(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，因此對森林的固碳釋氧量一般都是采取大尺度的測定方法來進(jìn)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(fēng)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(bào)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(jìn)行研究，與此同時(shí)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(jìn)行分析研究，旨在對該地區(qū)的典型林分固碳釋氧量進(jìn)行對比分析，從而為該地區(qū)的森林固碳釋氧功能評價(jià)提供參考依據(jù)，以期為冀北山地生態(tài)交錯(cuò)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(jìn)行，木蘭圍場坐落于河北省東北部，地處冀北山地，地理坐標(biāo)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(fēng)砂土、草甸土、沼澤土、灰色森林土、黑土等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(gè)齡期的4種林分，對樣地的一些基本情況進(jìn)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(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，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(jī)械的設(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)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(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(jì)算釋放氧氣量[11-12]。

2.2.2 固碳釋氧服務(wù)功能價(jià)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(jià)值量(元/a)；C碳、C氧分別為固碳、氧氣價(jià)格。采納歐洲國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美元/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=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(shí)不同林分的蓄積量由大到小排序?yàn)椋涸粕剂?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?yàn)椋涸粕剂?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?yàn)椋涸粕剂?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?yàn)椋涸粕剂?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?yàn)殚熑~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(gè)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(jìn)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?yàn)椋涸粕剂?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?yàn)樵谏L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?yàn)椋喊讟辶?山楊林>云杉林>落葉松純林，在中齡期闊葉林的生長速度達(dá)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?yàn)椋涸粕剂?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(dá)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(dá)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(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?yàn)椋涸粕剂?白樺林>山楊林>落葉松純林；中齡期C密度由大到小排序?yàn)椋喊讟辶?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?yàn)椋涸粕剂?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?yàn)椋涸粕剂?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?yàn)椋涸粕剂?白樺林>山楊林>落葉松純林；中齡期O2釋放量由大到小排序?yàn)椋喊讟辶?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?yàn)椋涸粕剂?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?yàn)椋涸粕剂?山楊林>落葉松純林>白樺林。

3.3 固碳釋氧經(jīng)濟(jì)價(jià)值估算

采納歐洲國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美元/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。

表3 4種林分不同齡級單位面積各齡期固碳釋氧價(jià)值量 元/(hm2·a)

由表3可知，落葉松純林固碳釋氧總價(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16 516元/(hm2·a)，成熟林期間固碳釋氧總價(jià)值最低，僅為3 680元/(hm2·a)，是近熟林時(shí)的22%；白樺林固碳釋氧總價(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18 767元/(hm2·a)，成熟林期間固碳釋氧總價(jià)值最低，僅為2 408元/(hm2·a)，是中齡林時(shí)的13%；山楊林固碳釋氧總價(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16 697元/(hm2·a)，成熟林期間固碳釋氧總價(jià)值最低，僅為4 489元/(hm2·a)，是中齡林時(shí)的27%。云杉林固碳釋氧總價(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18 544元/(hm2·a)，成熟林期間固碳釋氧總價(jià)值最低，僅為5 040元/(hm2·a)，是近熟林時(shí)的27%。

幼齡林時(shí)固碳釋氧平均總價(jià)值為5 340元/(hm2·a)，不同林分價(jià)值量大小排序?yàn)椋涸粕剂?白樺林>山楊林>落葉松純林；中齡林時(shí)平均總價(jià)值為12 939元/(hm2·a)，不同林分價(jià)值量大小排序?yàn)椋喊讟辶?山楊林>云杉林>落葉松純林；近熟林時(shí)平均總價(jià)值為11 525元/(hm2·a)，不同林分價(jià)值量大小排序?yàn)椋涸粕剂?白樺林>山楊林>落葉松純林；成熟林期平均總價(jià)值為3 805元/(hm2·a)，不同林分價(jià)值量大小排序?yàn)椋涸粕剂?白樺林>山楊林>落葉松純林。整個(gè)生命周期平均固碳釋氧總價(jià)值排序?yàn)椋涸粕剂?山楊林>落葉松純林>白樺林，說明云杉林固碳釋氧的總價(jià)值是最高的，而白樺林的固碳釋氧總價(jià)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(dá)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(jià)值隨齡林的增加呈單峰曲線，但是達(dá)到最大值的時(shí)期不同，落葉松純林與云杉林近熟林價(jià)值量最大，成熟林價(jià)值量最低；白樺林與山楊林中齡林價(jià)值量最大，成熟林期間固碳釋氧總價(jià)值最低；整個(gè)生命周期平均固碳釋氧總價(jià)值排序?yàn)椋涸粕剂?山楊林>落葉松純林>白樺林，說明云杉林固碳釋氧的總價(jià)值是最高的，而白樺林的固碳釋氧總價(jià)值最低。