環(huán)境清潔發(fā)展機(jī)制森林碳匯量評(píng)估研究進(jìn)展

環(huán)境清潔發(fā)展機(jī)制森林碳匯量評(píng)估研究進(jìn)展

工業(yè)以來(lái)，世界大氣中的中部、ch4和t2o溫室氣體濃度顯著增加，其中中部氣體濃度從工業(yè)前的280ml[m-3]增加到2005年的379ml[m-3]。1997年《京都議定書(shū)》以法律的形式規(guī)定了工業(yè)化國(guó)家分階段的溫室氣體減少排放限額,2001年達(dá)成的《波恩政治協(xié)定》同意實(shí)施環(huán)境清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)林業(yè)碳匯項(xiàng)目。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,通過(guò)光合作用將CO2生成有機(jī)物而固定碳,除去自身的呼吸消耗、植食者啃食、枯落物分解、林木采伐和災(zāi)害損失外,有機(jī)碳儲(chǔ)存在現(xiàn)存生物量、枯落物和林地土壤有機(jī)質(zhì)中。森林的碳匯功能作為減少空氣中溫室氣體濃度,減緩全球溫室效應(yīng)的重要途徑,已經(jīng)成為環(huán)境與林業(yè)科技工作者研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。由于森林具有豐富多樣的植被類型、地貌及土壤性狀,碳密度在空間與時(shí)間尺度上表現(xiàn)出劇烈波動(dòng),因此精確地基于小區(qū)域尺度的森林碳匯量評(píng)估,對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)區(qū)域與全球尺度的森林碳匯量,實(shí)施CDM碳匯項(xiàng)目及碳貿(mào)易具有關(guān)鍵性的基礎(chǔ)作用。但已有的研究多注重大尺度評(píng)價(jià)或植被地上部分的生物量與碳儲(chǔ)量;作為林分尺度的研究,由于取樣困難而多通過(guò)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯茖?dǎo),土壤的研究資料則更少。華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)是華北地區(qū)高山林帶人工造林的主要樹(shù)種,本文在對(duì)林分生物量、枯落物生物現(xiàn)存量與土壤有機(jī)質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上,對(duì)該地區(qū)華北落葉松人工林的碳匯功能進(jìn)行了初步研究。1研究領(lǐng)域的總結(jié)和研究方法1.1華北落葉松人工林研究區(qū)所在的河北省木蘭林管局位于河北省圍場(chǎng)滿族蒙古族自治縣境內(nèi),屬陰山、大興安嶺、燕山余脈的匯接地帶,為灤河上游地區(qū),地理坐標(biāo)為北緯41°35′~42°40′,東經(jīng)116°32′~117°14′,海拔高度750~1800m。屬半干旱向半濕潤(rùn)過(guò)渡、寒溫帶向中溫帶過(guò)渡地帶,大陸性季風(fēng)型山地氣候,無(wú)霜期67~128d,年平均氣溫-1.4~4.7℃,極端最高氣溫38.9℃,極端最低氣溫-42.9℃,年均降水量380~560mm,主要集中在7~9月。華北落葉松人工林在研究區(qū)多分布在海拔800~1800m山地陰坡、半陰坡,以純林為主;林分郁閉度高,林下植被稀少,主要有披針葉苔草(CarexlanceolataBoott.)、土莊繡線菊(SpiraeapubescensTurcz)、小葉鼠李(RhamnusparvifolaBeg.)等,伴生有少量油松(PinustabulaeformisCarr.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)等樹(shù)種。土壤以山地棕壤、灰色森林土、褐土與高山草甸土為主,土層厚度為30~120cm,pH6.0~7.0,質(zhì)地從黏質(zhì)到沙質(zhì)。1.2.4.4酶活性測(cè)定根據(jù)木蘭林管局的林分資源特點(diǎn),分林齡、林木密度、土壤、坡向與坡位共選取14~49年生落葉松標(biāo)準(zhǔn)地24塊。野外生物量調(diào)查采用標(biāo)準(zhǔn)地法。標(biāo)準(zhǔn)木通過(guò)每木檢尺與樹(shù)高測(cè)量,繪制樹(shù)高曲線;選取平均標(biāo)準(zhǔn)木1株,實(shí)測(cè)各器官(干、枝、葉、根)的生物量鮮重并取樣,按2m區(qū)分段實(shí)測(cè)樹(shù)干蓄積;枯落物、草本植物按對(duì)角線每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)設(shè)5個(gè)1m2樣方稱鮮重并取樣,灌木設(shè)5個(gè)2m×2m樣方稱鮮重并取樣;土壤有機(jī)質(zhì)按對(duì)角線法每個(gè)樣地內(nèi)選取5個(gè)土壤剖面,以挖到母質(zhì)層為止,按20cm機(jī)械分層,用環(huán)刀測(cè)定容重,并取樣用于測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)。所取樹(shù)木的鮮樣85℃烘干,計(jì)算生物量總干重,并按含碳率樹(shù)干(含皮)50.29%、枝51.00%、葉51.07%、根53.37%、灌49.87%、草45.00%、枯落物51.07%、木質(zhì)殘?bào)w(根樁)53.37%計(jì)算含碳量。土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀法測(cè)定。試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS系統(tǒng)軟件分析。2結(jié)果與分析2.1標(biāo)準(zhǔn)木不同器官生物量占總生物量的比例林木生物量是樹(shù)木多年生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)積累,調(diào)查分析表明,華北落葉松林木的生物量總體上表現(xiàn)為隨林齡、胸徑增加而增加,且與胸徑顯著相關(guān)(圖1)。標(biāo)準(zhǔn)木不同器官生物量占總生物量的比例為:樹(shù)干60.56%(43.51%~70.51%)、根18.03%(13.60%~26.15%)、枝14.43%(6.13%~25.12%)、葉6.98%(1.94%~17.46%),樹(shù)干>根>枝>葉。雖葉生物量所占比重最小,但每年有大約6%左右的生物量隨葉凋落到達(dá)地表層并進(jìn)一步向土壤中轉(zhuǎn)化,是凋落層生物現(xiàn)存量與土壤有機(jī)質(zhì)重要的來(lái)源。2.2碳儲(chǔ)量對(duì)華北落葉松生長(zhǎng)的影響林木的碳儲(chǔ)量由林木生物量與含碳率所決定,雖然不同林木器官的含碳率不同,但差異(<7%)較小,因此林木碳儲(chǔ)量同樣表現(xiàn)出隨林齡與胸徑增加而增加。不同器官的碳貯量也主要由其生物量所決定。華北落葉松不同器官碳儲(chǔ)量占樹(shù)木總碳儲(chǔ)量的比例為:樹(shù)干59.19%(42.88%~66.17%)、根18.86%(13.75%~27.23%)、枝4.43%(6.11%~19.67%)、葉6.99%(1.95%~12.17%),樹(shù)干>根>枝>葉。由于樹(shù)干是林木最穩(wěn)定、保存最長(zhǎng)久的器官,因此樹(shù)干所固定的碳是最穩(wěn)定的部分,枝、葉、根所固定的碳較樹(shù)干而言分解較快,但部分有機(jī)碳會(huì)進(jìn)入土壤而長(zhǎng)期固定下來(lái)。2.3地表枯落物情況林分有機(jī)碳儲(chǔ)存于林木、地被灌草、地表枯落物、土壤與木質(zhì)殘?bào)w中,林分中不同組分碳儲(chǔ)量占林分總碳儲(chǔ)量的比例為:林木21.45%(8.67%~50.82%)、土壤73.91%(43.47%~88.80%)、地表枯落物4.02%(1.44%~10.31%)、灌木0.016%(0~0.19%)、草本植物0.17%(0~0.77%)、木質(zhì)殘?bào)w0.44%(0~2.21%)。可見(jiàn)在華北落葉松人工林中林木與土壤是儲(chǔ)存有機(jī)碳最主要的組分,灌木、草本植物所占比例很小,野外調(diào)查與測(cè)算中可忽略不計(jì),地表枯落物與木質(zhì)殘?bào)w所占比重較高,應(yīng)予以重視。2.4林木生物量值的驗(yàn)證生物量轉(zhuǎn)換因子法(BEF)是利用林分生物量與林木蓄積比值的平均值乘以該森林類型的總蓄積量得到該類型森林的總生物量的方法。森林資源清查資料包括各樹(shù)種的面積和蓄積量,但是卻無(wú)法給出它們的生物量值。林分立木蓄積量綜合反映了林齡、立地、個(gè)體密度和林分狀況等因素的變化,同時(shí)樹(shù)干的材積與其他器官的生物量存在很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系,利用樹(shù)干材積推算森林總生物量是可行的。本調(diào)查結(jié)果表明,華北落葉松人工林的生物量與蓄積量比值,即生物量轉(zhuǎn)換因子(BEF)在0.7416與1.0935之間,平均0.8700(圖2)。2.5碳儲(chǔ)量與蓄積量關(guān)聯(lián)模型華北落葉松人工林林分生物量(W)、碳儲(chǔ)量(C)與蓄積量(M)三者存在明顯的線性關(guān)系(圖3),這與已有的研究提出的生物量與蓄積量間存在線性關(guān)系相符,因此以蓄積量為基礎(chǔ)建立生物量與碳儲(chǔ)量估測(cè)模型:從圖3可知,林分碳儲(chǔ)量的變化幅度較大,同林木蓄積量、林木生物量、林木碳儲(chǔ)量的關(guān)聯(lián)并不緊密,這是由于林分碳儲(chǔ)量主要受林木與土壤有機(jī)碳的影響,而土壤碳儲(chǔ)量并非完全受現(xiàn)有林的影響而受到土壤類型、厚度、質(zhì)地、坡位以及林地經(jīng)營(yíng)歷史、氣候等因素的影響。2.6碳密度對(duì)土壤有機(jī)碳儲(chǔ)量的影響土壤碳庫(kù)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最大最活躍的碳庫(kù)之一,是全球碳循環(huán)的核心。森林生態(tài)系統(tǒng)相對(duì)于其他生態(tài)系統(tǒng)如草地、農(nóng)田等,土壤有機(jī)質(zhì)含量較高,是重要的碳匯。但我國(guó)土壤固碳的資料較少目前多見(jiàn)于農(nóng)業(yè)。在林分各組分中,土壤碳儲(chǔ)量(Soc)是林分碳儲(chǔ)量最重要的組成部分,占總碳儲(chǔ)量的50%~80%。本次調(diào)查表明華北落葉松人工林土壤層厚度變化在30~120cm,這與通常采用1.0m的深度進(jìn)行估測(cè)有較大的差距;土壤有機(jī)碳密度主要由有機(jī)質(zhì)含量決定,不同林地間的有機(jī)質(zhì)含量差異較大,碳密度對(duì)土壤碳儲(chǔ)量的影響大于土壤層厚度與容重,同一土壤剖面中有機(jī)碳分布隨深度的增加而減小。由于土壤中有機(jī)碳主要存在于土壤有機(jī)質(zhì)中,而土壤有機(jī)質(zhì)是林地地位級(jí)的主要影響因素林木優(yōu)勢(shì)木平均高則是反映林地地位級(jí)最易測(cè)定的林分因子,因此以林齡(A)和3株優(yōu)勢(shì)木平均高(H)建立土壤有機(jī)碳(Soc)擬合方程:土壤有機(jī)質(zhì)含量對(duì)林分碳儲(chǔ)量影響很大,減少人類干擾,提高森林經(jīng)營(yíng)水平,促進(jìn)凋落物向土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)換是提高林地碳儲(chǔ)量的重要途徑之一。2.7估測(cè)的可行性林分碳儲(chǔ)量的測(cè)定涉及大量林分因子野外測(cè)定與室內(nèi)化驗(yàn),通過(guò)已有森林調(diào)查數(shù)據(jù)建立轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行碳儲(chǔ)量估測(cè)是可行的。本次研究選取與碳密度關(guān)系緊密的林齡(A)、林木密度(N)、平均胸徑(D)、平均樹(shù)高(h)、林木優(yōu)勢(shì)木平均高(H)與郁閉度(S)共6項(xiàng)常規(guī)林分因子,進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合建立林地碳密度(C估測(cè)模型:模型在0.01水平下顯著,因此針對(duì)某一具體林型通過(guò)常規(guī)林分因子預(yù)測(cè)碳密度是可行性的。2.8林分碳密度與密度本次調(diào)查及通過(guò)模型估測(cè),木蘭林管局華北落葉松人工林林分碳密度為67.16~444.19t·hm-2,平均206.02t·hm-2,是重要的碳匯。林木碳密度13.82~82.03t·hm-2,平均40.55t·hm-2。按現(xiàn)有林木平均蓄積量59.925m3·hm-2計(jì)算,林木平均碳密度為27.58t·hm-2,這低于方精云估算的1981~2000年全國(guó)森林植被的平均碳密度(41.0Mg·hm-2),與陳遐林計(jì)算的華北地區(qū)華北落葉松林木平均碳密度(21.84t·hm-2)接近。林地土壤碳密度29.19~205.82t·hm-2,平均157.14t·hm-2,這遠(yuǎn)超出通常使用的Dupouey(1991年)的換算系數(shù)70t·hm-2。但本次研究也表明即使林齡相同的林分,不同林分碳密度、林木碳密度與土壤碳密度仍存在較大差異因此提高林分的碳匯能力應(yīng)加強(qiáng)經(jīng)營(yíng)水平,提高林木蓄積,改善立地條件,促進(jìn)枯落物向土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化。木蘭林管局現(xiàn)有華北落葉松人工林2.77×104hm2,林木蓄積166.21×104m3。采用以上研究結(jié)果推算的總碳儲(chǔ)量約為571.43×104t,其中林木生物量約150.00×104t、碳儲(chǔ)量約為76.49×104t、土壤碳儲(chǔ)量約435.85×104t。3碳儲(chǔ)量與林分有機(jī)碳的關(guān)系森林碳匯功能評(píng)估通過(guò)森林生物現(xiàn)存量的實(shí)地調(diào)查仍存在較大的誤差,林地蓄積、土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤厚度和石礫含量、枯落物存量、不同植被與器官的含碳率變化等多方面因素影響有機(jī)碳的儲(chǔ)量,因此實(shí)施具體的碳匯項(xiàng)目落實(shí)到小班才是較可靠的評(píng)估方法。林木不同器官生物量排序?yàn)楦?gt;根>枝>葉樹(shù)干生物量積累最多;碳儲(chǔ)量排序同樣為干>根>枝>葉,樹(shù)干是有機(jī)碳儲(chǔ)存最多的部分。林分有機(jī)碳主要存在于土壤與林木中,尤其是土壤碳儲(chǔ)量占林分總碳儲(chǔ)量的比重最大,枯落物中有機(jī)碳也占有較大的比重,其他組分相對(duì)較少。林木碳儲(chǔ)量、林木生物量、林木蓄積量間存在明顯的線性關(guān)系,以林木蓄積