秦皇島市海濱林場森林碳密度與碳儲量研究

吳伯軍，趙忠寶

(1.秦皇島市海濱林場，河北 秦皇島 066100；2.河北環(huán)境工程學(xué)院，河北 秦皇島 066102)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是陸地上最大的儲碳庫和最經(jīng)濟的吸碳器，其碳儲量的任何增減變化，都會影響到大氣中CO2濃度的變化[1-4]。森林生態(tài)系統(tǒng)中，生物量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量的90%，植被碳庫約占全球植被碳庫的86%，土壤碳庫約占全球土壤碳庫的73%[5，6]。森林還具有較高的生產(chǎn)力，每年固定的碳約占整個陸地生態(tài)系統(tǒng)的2/3[5]，在減緩大氣中CO2濃度的升高以及維護全球氣候變化中發(fā)揮著十分獨特的作用，因此研究森林碳儲量及固碳能力是評價全球大氣碳收支的重要參數(shù)[7]。

森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量的估算方法主要包括樣地清查法(生物量法、蓄積量法、生物量與蓄積量轉(zhuǎn)換法)、通量觀測法、模型法和遙感法[8]，以上方法適合于不同的研究尺度，同一尺度下，利用不同的研究方法其結(jié)果會產(chǎn)生較大差異。在林場級尺度上樣地清查法是一種比較常用的方法，雖然消耗勞動力，但估算結(jié)果的精度相對較高。樣地清查法即利用森林生物量的野外樣地調(diào)查數(shù)據(jù)、室內(nèi)含碳率測定和森林統(tǒng)計面積進行估算碳儲量。目前森林碳儲量的研究主要集中森林地上部分，而對森林地下部分和土壤碳儲量的研究相對不足。本研究以樣地清查法中的生物量法來估算秦皇島市海濱林場森林生態(tài)系統(tǒng)地上、地下和土壤碳儲量，以期為林場的森林碳匯經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1.材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與樣地選擇

海濱林場位于北戴河風景旅游區(qū)，南臨渤海灣海水高潮線，南北跨度7.10 km，東西平均寬度1.4 km，隸屬于秦皇島市林業(yè)局。地理坐標為119°29′08″—32′16″ E，39°50′03″—53′50″ N。海濱林場屬于暖溫帶半濕潤季風型大陸性氣候，海濱林場年均氣溫10.1 ℃，年平均降水量為687.60 mm，無霜期188 d。土壤為風沙質(zhì)土，質(zhì)地松軟，有機質(zhì)含量較低，pH值呈酸性，土壤相對貧瘠。海濱林場總經(jīng)營面積1 053 hm2，林業(yè)用地796 hm2，其中有林地767 hm2，森林覆蓋率74.28%，活立木總蓄積量10.85萬m3，國家級公益林面積740 hm2。樹種構(gòu)成主要有毛白楊(Populustomentosa)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、山海關(guān)楊(Populuscanadensiscv.shanhaiguanensis)、加拿大楊(Populus×canadensis)等組成，具體見表1。

本研究共調(diào)查了20個喬木樣方，包含了海濱林場所有林分類型。樣方大小為20 m×20 m，在喬木樣方內(nèi)沿對角線布設(shè)3個2 m×2 m的灌木樣方，灌木樣地內(nèi)再取1 m×1 m 的草本植物樣方和 0.5 m ×0.5 m 枯落物樣方。其他研究資料來源于海濱林場 2005年、2018 年兩期森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)。

表1 林分類型基本特征

1.2 研究方法

表2 主要研究樹種單株生物量模型方程

1.2.1 喬木層生物量 通過文獻對比，篩選出適合本區(qū)域的喬木生物量模型公式(見表1)，用于計算樣方內(nèi)各種喬木樹種的生物量。

1.2.2 灌木、草本層、枯枝落葉層生物量 灌木、草本層、枯枝落葉層生物量參照文獻[13]中的方法進行估算。

1.2.3 土壤層和枯枝落葉層碳儲量 在每個樣方對角線上挖3個土壤剖面，去除地面枯枝落葉后，按0～10、10～20、20～30和30～50 cm分4層取樣。同時用環(huán)刀法取各層的原狀土，帶回實驗室測土壤容重。各層取鮮土若干帶回實驗室進行風干、磨碎、過篩后用于測定土壤有機質(zhì)測定。土壤各層有機碳含量按照林業(yè)行業(yè)標準[14]進行測定，土壤層有機碳儲量參照文獻[13]中的方法估算。同樣枯枝落葉要進行風干、粉碎、過篩后按文獻[15]中方法進行含碳量測定。

1.2.4 喬木、灌木、草本含碳量 喬木、灌木、草本含碳率均采用國內(nèi)外常用的0.5系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 海濱林場喬木層碳密度與碳儲量

海濱林林場喬木層總碳儲量為87 094.40 t(表3)，林分平均碳密度為113.55 thm-2，林場平均碳密度為82.70 thm-2，二者均明顯高于我國喬木林平均碳密度37.28 thm-2[16]。不同林分平均碳密度在23.00～197.10 thm-2之間，差異比較大，其碳密度大小順序為落葉闊葉混交林>山海關(guān)楊>加楊>毛白楊>刺槐>油松。造成這種差異的原因是落葉闊葉混交林、山海關(guān)楊、加楊、毛白楊、刺槐大多為成熟林分，胸徑相對較大，單位面積碳儲量較大，而油松為幼齡林，胸徑相對較小，單位面積碳儲量較小。落葉闊葉混交林碳密度最大，林地單位面積生產(chǎn)力最高，在今后的造林、更新改造應(yīng)提升混交林種植面積，提升林地的碳匯功能。

表3 不同林分碳密度和碳儲量

不同林分碳儲量在117.10～31 572.20 t之間，差異也比較大，其碳儲量大小順序為毛白楊(36.25%)>加楊(28.40%)>刺槐(23.28%)>山海關(guān)楊(9.18%)>落葉闊葉混交林(2.76%)>油松(0.13%)。林分碳儲量與其面積、碳密度密切相關(guān)。毛白楊、加楊和刺槐林分是海濱林場碳儲量的主體，三者之和占林場總碳儲量的87.93%。

2.2 海濱林場不同林齡喬木層碳密度與碳儲量

海濱林場不同林齡碳儲量大小順序為成熟林>過熟林>近熟林>中齡林>幼齡林(圖1)。碳儲量主要集中在成熟林、過熟林、近熟林，三者之和占海濱林場總碳儲量的89.46%，其中成熟林占55.96%、過熟林占22.11%、近熟林占11.39%。不同林齡碳密度的大小順序為近熟林>成熟林>過熟林>中齡林>幼齡林，海濱林場以近熟林碳密度最大為175.34 thm-2，幼齡林最小為10.91 thm-2。近熟林、成熟林和過熟林三者的碳密度相對較高，但三者中部分林分已經(jīng)表現(xiàn)出退化趨勢，為了提高林分的固碳能力和林分生產(chǎn)力，對林分的撫育更新十分必要。

2.3 海濱林場灌草層碳密度與碳儲量

2.4 海濱林場枯枝落葉層碳密度與碳儲量

枯枝落葉層總碳儲量為674.9 t，碳密度在0.32～1.16 thm-2之間，平均碳密度為0.82 thm-2。碳密度大小順序為毛白楊(1.16 thm-2)>加楊(1.11 thm-2)>山海關(guān)楊(1.03 thm-2)>落葉闊葉混交林(0.88 thm-2)>刺槐(0.43 thm-2)>油松林(0.32 thm-2)。毛白楊、加楊、山海關(guān)楊由于林齡和單位密度株數(shù)相近，碳密度差別不明顯，而刺槐林為成熟林，長勢呈現(xiàn)出衰退趨勢，枝葉數(shù)量不足，碳密度相對較低，而油松林為幼林，枯枝落葉相對較少，碳密度較低。林下枯枝落葉碳儲量的大小順序為毛白楊(328.16 t)>加楊(170.16 t)>刺槐(113.74 t)>山海關(guān)楊(50.47 t)>落葉闊葉混交林(10.74 t)>油松林(1.63t)。

2.5 海濱林場土壤層碳密度與碳儲量

海濱林場不同林分類型的土壤有機碳密度在15.12～27.36 thm-2之間，平均碳密度為22.12 thm-2。不同林分0～10 cm碳密度最大，并隨土壤深度的增加而呈現(xiàn)下降趨勢。不同林分土壤層平均碳密度大小順序為：落葉闊葉混交林(27.36 thm-2)>加楊(26.82 thm-2)>山海關(guān)楊(23.45 thm-2)>毛白楊(21.40 thm-2)>刺槐(18.55 thm-2)>油松林(15.12 thm-2)。落葉闊葉混交林、加楊林、山海關(guān)楊林、毛白楊林碳密度相對較高，其原因是以上林分枯枝落葉層相對較厚，易于分解，表層土壤有機含量較高。0～60 cm土壤層總的碳儲量為16 632.0 t，低于喬木層碳儲量總和。各林分土壤層碳儲量所占土壤層總碳儲量百分比大小順序為毛白楊林(36.40%)>刺槐林(29.50%)>加楊(24.72%)>山海關(guān)楊(6.91%)>落葉闊葉混交林(2.01%)>油松林(0.46%)。

2.6 海濱林場生態(tài)系統(tǒng)碳儲量分配特征分析

表4 海濱林場森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度與碳儲量

3 結(jié)論與討論

3.1 海濱林場生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量為105 224 t，碳密度為137.19 thm-2，其碳密度低于中國森林生態(tài)系統(tǒng)碳密度(155 thm-2)[17]。由此可見，海濱林場不同林分生產(chǎn)力還有較大的提升空間，在今后應(yīng)加強林分的撫育更新，選擇合適的造林樹種和營林措施，提高林地生產(chǎn)力，發(fā)揮森林的固碳釋氧和沿海防護功能。

3.2 喬木層碳儲量大于土壤層碳儲量，與前人研究的森林土壤是最大的有機碳庫不相同[18]，其主要原因是海濱林場為沙質(zhì)土壤，有機質(zhì)含量相對較低；另外本次研究取土深度為60 cm，而其他文獻中一般為1 m，這是造成海濱林場土壤層碳儲量相對較低的主要原因。

3.3 就各林分而言，毛白楊林、刺槐林、加楊林、山海關(guān)楊林、落葉闊葉混交林中成熟林所占比重較大，其碳儲量所占比重也較大。有關(guān)成熟林固碳能力存在爭議，有學(xué)者認為，成熟林固碳量達到最大后，其繼續(xù)固碳能力幾乎為零，這時可以考慮林分的更新改造，實現(xiàn)森林固碳的良性循環(huán)[19]；但也有學(xué)者認為老齡林仍然表現(xiàn)為碳匯功能[20]。而筆者從海濱林場實地調(diào)查情況來看，刺槐成熟林生長表現(xiàn)出衰退現(xiàn)象，甚至死亡，其固碳能力幾乎為齡，而毛白楊、加楊、山海關(guān)楊中成熟林長勢較旺，表現(xiàn)為碳匯功能。