于洪波,惠建平,白玉茹,李仕新,孟慶麗,張春澤

(1. 喀喇沁旗旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng),內(nèi)蒙古 赤峰 024400; 2. 赤峰市林業(yè)科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古 赤峰 024005; 3. 敖漢旗國(guó)營(yíng)雙井林場(chǎng),內(nèi)蒙古 赤峰 024399)

2020年,中國(guó)政府向國(guó)際社會(huì)承諾,二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。森林作為最重要的陸地生態(tài)系統(tǒng),在實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)中發(fā)揮著重要作用。森林植被碳庫(kù)占陸地植被碳庫(kù)的 73%,森林土壤碳庫(kù)占陸地土壤碳庫(kù)的 49%。通過(guò)森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)決策,能夠很大程度上提高森林碳儲(chǔ)量和碳匯能力,貢獻(xiàn)碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)[2]。不同樹(shù)種的碳匯能力不同,并且同一樹(shù)種的不同器官固碳能力也存在差異[3],定量評(píng)價(jià)森林碳儲(chǔ)量及其碳匯價(jià)值,有助于科學(xué)評(píng)估森林減緩氣候變化的潛在貢獻(xiàn)[4]。本研究以內(nèi)蒙古赤峰市喀喇沁旗旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)天然次生喬、灌木林和華北落葉松(Larixgmeliniivar.principis-rupprechtii)、油松(Pinustabuliformis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)等人工林為研究對(duì)象,對(duì)研究區(qū)不同森林類型進(jìn)行碳儲(chǔ)量評(píng)估,對(duì)完善區(qū)域森林碳匯數(shù)據(jù)、提升碳匯計(jì)量與監(jiān)測(cè)能力具有一定意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于赤峰市喀喇沁旗旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)。林場(chǎng)位于喀喇沁旗西南部,地處燕山山脈北麓七老圖山支脈,地理位置41°21′—41°39′ N,118°09′—118°30′ E。地形地貌為中山山地,海拔 800～1 890 m;處于溫帶半干旱區(qū)域,具有明顯的大陸性季風(fēng)氣候,冬季漫長(zhǎng);年均降水量400 mm左右,年蒸發(fā)量2 000 mm左右,降水多集中在 7—8月;無(wú)霜期117 d;土壤為棕壤。林場(chǎng)有林地面積為 2.33×104hm2,人工林 1.16×104hm2,人工喬木樹(shù)種主要有華北落葉松、油松和樟子松。天然喬木樹(shù)種主要有白樺(Betulaplatyphylla)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、黑樺(Betuladahurica)、山楊(Populusdavidiana)、油松、元寶楓(Acertruncatum)、蒙椴(Tiliamongolica)、白杄(Piceameyeri)等。天然灌木樹(shù)種主要有山杏(Prunussibirica)、榛(Corylusheterophylla)等[5]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2022年在喀喇沁旗旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng),選擇不同林齡、不同立地條件的華北落葉松、油松、白樺、黑樺、蒙古櫟、山楊、山杏、榛等林分,設(shè)置喬木樣地大小為20.0 m × 30.0 m,灌木樣地大小為5.0 m × 5.0 m,對(duì)樣地內(nèi)樹(shù)木進(jìn)行每木調(diào)查,記錄樣地內(nèi)株(叢)數(shù)、株高、胸徑(基徑)及冠幅等因子。

2.1.1樣地確定

首先確定林場(chǎng)各主要森林類型,再根據(jù)齡組,采用分層抽樣方法[6],確定各森林類型的樣地?cái)?shù)量,共計(jì)186塊,根據(jù)公式(1),考慮 20% 的保險(xiǎn)系數(shù),且保證每層至少有3個(gè)樣地。其中油松林36塊;華北落葉松林36塊;樟子松林6塊;闊葉混交林27塊;針闊混交林27塊;白樺林18塊;黑樺林6塊;蒙古櫟林9塊;針葉混交林12塊;灌木林9塊,灌木林中有少量榆樹(shù)(Ulmuspumila)、油松分布。

(1)

(2)

式中:n為估算碳儲(chǔ)量所需的監(jiān)測(cè)樣地?cái)?shù)量;tVAL為可靠性指標(biāo),95%的可靠性下取值為 1.962;E為項(xiàng)目生物質(zhì)碳儲(chǔ)量估計(jì)值允許的誤差范圍(即置信區(qū)間的一半);wi為林場(chǎng)第i碳層的面積權(quán)重;si為第i項(xiàng)目碳層碳儲(chǔ)量估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)差;ni為分配到各層的監(jiān)測(cè)樣地?cái)?shù)量,采用最優(yōu)分配法[6]。

2.1.2碳參數(shù)調(diào)查

采用標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查法[7]。在每個(gè)600 m2樣地,除開(kāi)展每木檢尺外,還通過(guò)設(shè)置灌木、草本、枯落物樣地取樣,獲取生物量鮮重;同時(shí)采用環(huán)刀和土鉆取樣,測(cè)定土壤容重和有機(jī)碳含量。最后得到各類型單元單位面積灌木層、草本層、枯落物層和土壤層的碳儲(chǔ)量。按0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～50 cm 4個(gè)土壤層次來(lái)計(jì)算土壤有機(jī)碳含量。將取回的土樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行風(fēng)干,測(cè)定含水量后再均勻混合,采用四分法取少量樣品,再利用2 mm 篩去除植物根系及石礫,再經(jīng)研磨后過(guò)篩,用于土壤有機(jī)碳含量測(cè)定。

按公式(3)計(jì)算土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量(TOC) :

(3)

式中:Ai為土壤面積;n為土壤層數(shù);i為土層代號(hào);Ci為i層土壤有機(jī)碳含量;Di為第i層的土壤容重;Ei為i層土壤的厚度;Gi為第i層中>2 mm石礫的體積比含量。

2.2 含碳率測(cè)定

喬木采用平均標(biāo)準(zhǔn)木法[7],每個(gè)樹(shù)種選擇1株平均標(biāo)準(zhǔn)木伐倒,分別測(cè)定樹(shù)干、枝條、葉片鮮重,挖 2.0 m×2.0 m×1.5 m范圍內(nèi)的根系,稱全部鮮重。分別選取標(biāo)準(zhǔn)木各器官(枝條、葉片、樹(shù)皮、根系)的樣品各3份,每份約200 g,植物樣在75～80 ℃ 的烘箱中烘干,土樣在105 ℃的烘箱中烘干測(cè)定其干重。

灌木生物量是將樣地內(nèi)所有植物全部收獲稱鮮重,挖 2.0 m×2.0 m×1.5 m范圍內(nèi)的根系,稱全部鮮重。選取枝、葉、根樣本各3份,每份約200 g左右稱鮮重后,烘干測(cè)定其干重。

草本樣品在1.0 m×1.0 m草本樣地內(nèi),收割樣地內(nèi)所有的草本地上部分,記錄樣地內(nèi)草本的鮮重;另取樣品500 g以上帶回室內(nèi)烘干后,測(cè)定其干重。

枯落物樣品在1.0 m×1.0 m草本樣地內(nèi),收取未分解的枯落物部分,稱鮮重,另取樣品500 g以上帶回室內(nèi)烘干后,測(cè)定其干重。

喬、灌、草和枯落物樣品粉碎后,采用重鉻酸鉀-硫酸氧化法測(cè)定植物含碳率。

土壤有機(jī)碳的測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化-分光光度法[8]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

生物量、碳儲(chǔ)量具體估算公式如下:

W單=W實(shí)×(1+30%)

(4)

pa=p×wa1×c

(5)

wa=pa×va

(6)

ps=ws1×cs

(7)

ws=ps×vs

(8)

式中:W單為單株根系生物量;W實(shí)為單株根系實(shí)測(cè)生物量;pa為喬木層碳密度;p為植株密度;wa1為喬木單株生物量;c為平均含碳率;wa為喬木林碳匯量;va為喬木林面積;ps為灌木層碳密度;ws1為灌木單株生物量;cs為平均含碳率;ws為灌木林碳匯量;vs為灌木林面積。

2.4 碳儲(chǔ)量計(jì)量方法

利用旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)2021年森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)各小班樹(shù)種、林齡、面積。

首先基于森林資源二類調(diào)查中的各小班樣地?cái)?shù)據(jù),通過(guò)單木生物量方程[9-11],得到各樣地的生物量和碳儲(chǔ)量,轉(zhuǎn)化為公頃碳儲(chǔ)量,再乘以小班面積,得到小班喬木層生物量和碳儲(chǔ)量[10]。

C喬=C樣地×A

(9)

式中:C喬為小班喬木層碳儲(chǔ)量;C樣地為小班內(nèi)樣地的平均碳儲(chǔ)量;A為小班面積。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹(shù)種碳含量差異

如表1所示,山楊、樺樹(shù)、蒙古櫟、油松、華北落葉松、樟子松、山杏、榛等樹(shù)種各器官的碳含量為 393.14～553.96 g·kg-1,碳含量在不同樹(shù)種間存在一定的差異性。

表1 主要樹(shù)種不同器官碳含量統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Statistics of carbon content in different organs of main tree species

3.2 喬灌林地碳密度差異

經(jīng)測(cè)算(表2),旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)喬木林平均碳儲(chǔ)量為 196.01 t·hm-2,其中喬木層為 78.49 t·hm-2,占 40.04%;灌木層為 0.16 t·hm-2,占 0.08%;草本層為 0.34 t·hm-2,占 0.17%;枯落物層為 2.75 t·hm-2,占 1.40%;土壤層為 114.27 t·hm-2,占 58.31%。

表2 旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)平均碳儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Average carbon storage in Wangyedian Experimental Forest Farm

灌木林平均碳儲(chǔ)量為 170.24 t·hm-2,其中喬木層為 10.43 t·hm-2,占 6.13%;灌木層為 0.46 t·hm-2,占 0.27%;草本層為 1.64 t·hm-2,占 0.96%;枯落物層為 0.98 t·hm-2,占 0.58%;土壤層為 156.73 t·hm-2,占 92.06%。

森林平均碳儲(chǔ)量為 195.30 t·hm-2,其中喬木層為 76.59 t·hm-2,占 39.22%;灌木層為 0.17 t·hm-2,占 0.09%;草本層為 0.38 t·hm-2,占 0.19%;枯落物層為 2.70 t·hm-2,占 1.38%;土壤層為 115.46 t·hm-2,占 59.12%。

森林碳儲(chǔ)量按森林類型統(tǒng)計(jì)(表3),研究區(qū)共有8種純林(白樺、黑樺、華北落葉松、山楊、油松、白杄、蒙古櫟、樟子松),3種混交林(闊葉混交林、針葉混交林、針闊混交林)和灌木林。其中闊葉混交林碳儲(chǔ)量最大,占 29.86%,其次為油松林(20.58%)、華北落葉松林 (14.46%)、白樺林 (13.85%),其他森林類型均小于 10.00%。就碳密度而言,山楊最高,為 247.59 t·hm-2,針葉混交林(均為幼齡林)最低,為 148.24 t·hm-2,天然林喬木樹(shù)種排序?yàn)樯綏?白樺>黑樺>蒙古櫟?；旖涣种?闊葉混交林>針闊混交林>針葉混交林,闊葉混交林最高,為 217.81 t·hm-2,針葉混交林為 148.24 t·hm-2。

表3 旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)碳儲(chǔ)量按森林類型統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Carbon storage for different forest type in Wangyedian Experimental Forest Farm

3.3 碳儲(chǔ)量研究

3.3.1各層碳儲(chǔ)量分析

旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)森林總面積 23 606.86 hm2,森林總碳儲(chǔ)量為 4 610 165.83 t,其中喬木層碳儲(chǔ)量(含灌木林中零星榆樹(shù)和油松等喬木層)為 1 807 942.71 t,占總碳儲(chǔ)量的 39.22%;灌木層碳儲(chǔ)量為 3 979.77 t,占總碳儲(chǔ)量的 0.09%;草本層碳儲(chǔ)量為 8 951.78 t,占總碳儲(chǔ)量的 0.19%;枯落物層碳儲(chǔ)量為 63 678.12 t,占總碳儲(chǔ)量的 1.38%;土壤層碳儲(chǔ)量為 2 725 613.45 t,占總碳儲(chǔ)量的 59.12%。

3.3.2喬木林碳儲(chǔ)量分析

旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)喬木林面積 22 945.93 hm2,喬木林碳儲(chǔ)量為 4 497 646.08 t,平均碳儲(chǔ)量為 196.01 t·hm-2,其中喬木層碳儲(chǔ)量 1 801 049.55 t,占喬木林總碳儲(chǔ)量的 40.04%;灌木層碳儲(chǔ)量 3 677.48 t,占喬木林總碳儲(chǔ)量的 0.08%;草本層碳儲(chǔ)量 7 865.81 t,占喬木林總碳儲(chǔ)量的 0.17%;枯落物層碳儲(chǔ)量 63 030.68 t,占喬木林總碳儲(chǔ)量的 1.40%;土壤層碳儲(chǔ)量 2 622 022.56 t,占喬木林總碳儲(chǔ)量的 58.31%。

3.3.3灌木林碳儲(chǔ)量分析

旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)灌木林面積 660.93 hm2,灌木林碳儲(chǔ)量為 112 519.75 t,平均碳儲(chǔ)量為 170.24 t·hm-2,其中喬木層碳儲(chǔ)量 6 893.16 t,占灌木林總碳儲(chǔ)量的 6.13%;灌木層碳儲(chǔ)量 302.29 t,占灌木林總碳儲(chǔ)量的0.27%;草本層碳儲(chǔ)量 1 085.97 t,占灌木林總碳儲(chǔ)量的 0.96%;枯落物層碳儲(chǔ)量 647.44 t,占灌木林總碳儲(chǔ)量的 0.58%;土壤層碳儲(chǔ)量 103 590.89 t,占灌木林總碳儲(chǔ)量的 92.06%。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

森林碳儲(chǔ)量是由林地單位面積生物量、林地面積、喬灌木碳密度高低來(lái)體現(xiàn)的。林地單位面積固碳量多少主要在于林分質(zhì)量,通過(guò)對(duì)人工林不同的經(jīng)營(yíng)手段和對(duì)天然林保護(hù)的措施可提高林分質(zhì)量,同時(shí)提高林分單位面積生物量和碳儲(chǔ)量[10-11]。旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)森林碳儲(chǔ)量主要由天然林和人工林組成,天然林主要由白樺、黑樺、山楊、蒙古櫟、山杏、榛等樹(shù)種構(gòu)成,由于天然林自然形成,各個(gè)齡組樹(shù)木混合在一起,就會(huì)影響單位面積生物量和碳密度的測(cè)算。人工林主要由華北落葉松、油松、白杄、樟子松等樹(shù)種構(gòu)成,林齡、密度較清晰,測(cè)算的單位面積生物量和碳密度相對(duì)較為準(zhǔn)確。在外業(yè)調(diào)查時(shí),受各種因素影響,選擇標(biāo)準(zhǔn)地及測(cè)定生物量的樣本數(shù)有限,同樣會(huì)影響單位面積碳儲(chǔ)量的準(zhǔn)確性,本研究在旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)按森林類型確定的樣地?cái)?shù)量共計(jì)186塊,統(tǒng)計(jì)可靠性達(dá) 90%以上,基本滿足了森林碳匯計(jì)量與監(jiān)測(cè)的相關(guān)要求。

旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)森林以喬木林為主,灌木林比例占總面積的 2.80%。在灌木林中,混生少量喬木樹(shù)種導(dǎo)致喬木層碳儲(chǔ)量大于灌木層、草本層、枯落物層。在喬木林中,喬木層和土壤層碳儲(chǔ)量占喬木林平均碳儲(chǔ)量的 98.35%,灌木林中,土壤層碳儲(chǔ)量占灌木林平均碳儲(chǔ)量的 92.06%。因此調(diào)查喬木層和土壤碳儲(chǔ)量,就能夠達(dá)到全部碳儲(chǔ)量的 90%以上。

4.2 結(jié)論

(1)旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)以闊葉混交林類型最大,占比 29.86%,油松林為 20.58%、華北落葉松林為 14.46%、白樺林為 13.85%,其他類型均小于 10.00%。

(2)旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)天然林喬木樹(shù)種碳密度排序?yàn)?山楊>白樺>黑樺>蒙古櫟,山楊最高,為 247.59 t·hm-2;在混交林中,碳密度排序?yàn)?闊葉混交林>針闊混交林>針葉混交林,闊葉混交林最高,為 217.81 t·hm-2,以幼齡林為主的針葉混交林最低,僅為 148.24 t·hm-2。

(3)旺業(yè)甸實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)森林總面積 23 606.86 hm2,總碳儲(chǔ)量為 4 610 165.83 t,平均碳儲(chǔ)量為 195.30 t·hm-2,其中喬木林面積 22 945.93 hm2,碳儲(chǔ)量為 4 497 646.08 t,平均碳儲(chǔ)量為 196.01 t·hm-2,灌木林面積 660.93 hm2,碳儲(chǔ)量為 112 519.75 t,平均碳儲(chǔ)量為 170.24 t·hm-2。