遼東山區(qū)兩樹種樹干固體碳儲量特征

遼東山區(qū)兩樹種樹干固體碳儲量特征

co2體積的增加是世界氣候變化的主要動力，已得到廣泛的共識。IPCC第四次評估報告最新數(shù)據(jù)顯示,大氣中溫室氣體水平已經(jīng)超過了可能引起危險氣候變化的極限,人類面臨的緩減和適應(yīng)全球氣候變化的任務(wù)變得更加嚴峻和緊迫。據(jù)估算全球陸地生態(tài)系統(tǒng)總碳貯量(2500Gt)約是大氣碳庫(750Gt)的3倍。由于森林在應(yīng)對氣候變化中具有碳匯的特殊功能,人們利用陸地生態(tài)系統(tǒng)植被和土壤積累有機碳來增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳貯量以達到減緩全球變暖速度的目的。《京都議定書》明確提出:人類可以通過對陸地生態(tài)系統(tǒng)的有效管理來增加其固碳能力,且可以部分抵消承擔(dān)減排任務(wù)國家的碳減排份額。清潔發(fā)展機制(CDM)的出臺為發(fā)展中國家提供了生態(tài)環(huán)境建設(shè)的良好契機。結(jié)合我國國情,李新宇等提出了大力發(fā)展速生豐產(chǎn)用材林等適用于我國碳貿(mào)易的生物固碳方式。我國是世界人工林面積最大的國家,人工造林面積居世界第一。據(jù)統(tǒng)計,1980—2005年間,通過持續(xù)開展植樹造林和森林管理活動,累計凈吸收CO246.8億t;通過控制毀林,減少排放CO24.3億t,兩項合計51.1億t。全國森林凈吸收的CO2相當(dāng)于同期工業(yè)排放總量的8%,對減緩全球氣候變暖步伐作出了貢獻。FAO《2009世界森林資源狀況》評估報告再次肯定了中國森林資源持續(xù)增長的成就,同時肯定了我國林業(yè)成就對減緩氣候變化的重要意義。2009年我國發(fā)布了《應(yīng)對氣候變化林業(yè)行動計劃》,堅持擴大森林面積和提高森林質(zhì)量相結(jié)合,堅持增加碳匯和控制排放相結(jié)合,提出了提高人工林生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性、大力推進全民義務(wù)植樹和實施重點工程造林等適應(yīng)和減緩氣候變化的行動。林業(yè)措施是促進國家經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、維護國家生態(tài)安全真正的低碳選擇。人工造林作為一種新增碳匯的主要途徑,以木材收獲與碳吸存為雙重目標,已成為國際研究熱點。造林在區(qū)域尺度上對全球碳循環(huán)的貢獻受到國內(nèi)外科學(xué)家們的廣泛關(guān)注[19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35],然而在林分以及更小尺度上的碳素動態(tài)變化的研究還很少。由于歷史原因,遼東山區(qū)的原生植被紅松(Pinuskoraiensis)闊葉林早已被破壞殆盡,現(xiàn)存森林植被為以蒙古櫟為主的天然次生林和長白落葉松(Larixolgensis)、日本落葉松(Larixkaempferi)、紅松(PinuskoraiensisSieb.etZucc)、油松(Pinustabulaeformis)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)人工林。本文以遼東山區(qū)兩樹種長白落葉松(人工林主要組成樹種)和蒙古櫟(天然次生林主要組成樹種)為研究對象,剖析了兩種樹種樹干碳素積累過程的特征,對比了二者各林齡段內(nèi)樹干碳素儲量的動態(tài),研究了二者不同器官碳素儲量的格局,旨在探索兩樹種的固碳規(guī)律,為科學(xué)評估兩樹種的固碳能力提供科學(xué)依據(jù),為區(qū)域造林固碳政策的制定提供科學(xué)指導(dǎo),為國家將來的碳貿(mào)易提供數(shù)據(jù)支持。此外,本研究還可以指導(dǎo)制定效益最優(yōu)的木材采伐規(guī)劃,科學(xué)指導(dǎo)遼寧省天然林保護工程的實施,為發(fā)揮全省森林的最佳綜合效益服務(wù)。1冰山的自然概況冰砬山屬吉林哈達嶺的西南延續(xù)地帶,位于遼寧省西豐縣境內(nèi),地處東經(jīng)124°45′~125°15′,北緯42°20′~42°40′,屬于低山丘陵地貌,海拔500~600m,最高峰海拔達870m。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候,春季氣溫回溫迅速,夏季雨量集中,秋霜較早,冬季寒冷。7月份氣溫最高,平均溫度為23.2℃,極端高溫35.2℃;1月份氣溫最低,平均為-17.2℃,極端低溫-41.1℃。冰砬山具有典型的山區(qū)氣候特征,年均氣溫5.2℃,年均降水量684.8mm,年均蒸發(fā)量1379.8mm,無霜期達133d。土壤以暗棕色森林土為主,其次為棕色森林土,土壤多為粉沙壤土和壤土質(zhì)地,土層深厚,有機質(zhì)質(zhì)量分數(shù)高,pH值為6~7。2學(xué)習(xí)方法2.1測定項目及內(nèi)容樣本采集區(qū)設(shè)置在冰砬山林場內(nèi),對長白落葉松人工林和蒙古櫟天然次生林兩種森林類型的成熟林進行調(diào)查。共調(diào)查標準地7塊,其中長白落葉松林標準地3塊(記為C1、C2、C3),蒙古櫟林標準地4塊(記為M1、M2、M3、M4)。標準地面積均為600m2(20m×30m),進行每木檢尺,由實測胸徑和樹高計算得到各個標準地內(nèi)標準木的平均胸徑和平均樹高。根據(jù)平均胸徑和平均樹高在每塊標準地中分別選取1株樣木作為標準木,標準木及其所在標準地的基本情況見表1。2.2測定指標及方法將標準木從地徑處伐倒,分別在樹干的0、1.3、3.6、5.6m…處截得3cm厚的圓盤進行樹干解析,收獲樹干、樹枝、樹葉并且現(xiàn)場稱取其鮮質(zhì)量,然后取樣測定含水率,推算各部分的干質(zhì)量。樹枝、樹葉在冠層的上、中、下3個層次取樣,并且在同一層次內(nèi)區(qū)分樹枝基部、中部和梢端3個部位進行樹枝和樹葉的取樣,然后帶回實驗室等比例混合樹枝和樹葉的3個樣品。標準木樹干按照樹干高度等分4段在各段基部進行取樣,帶回實驗室等量混合4個樣品。樹干、樹枝、樹葉的混合樣在85℃烘干至恒質(zhì)量,混合樣的含水率作為各器官的平均含水率,推算其各自的干質(zhì)量。樹根生物量測定則以干基為中心,取營養(yǎng)面積大小(大于標準木冠幅范圍即可)作為其調(diào)查范圍,采用全挖法挖出所有根系。長白落葉松屬于淺根樹種,挖掘深度達到1m即可;蒙古櫟則挖掘至無根系分布的深度為止。按須根(細根根徑(d)≤2.0cm、粗根d>2.0cm)和根莖來區(qū)分根系,再用水仔細漂洗,用篩子篩出水中所有的根,風(fēng)干表面水分后稱其鮮質(zhì)量;然后將各組分取樣后帶回實驗室,在85℃烘干至恒質(zhì)量,推算根系的干質(zhì)量。查定圓盤年輪數(shù),長白落葉松以2a為一個齡階,蒙古櫟以5a為一個齡階,然后用直尺準確測量每個圓盤各齡階東西、南北兩條直徑線上的直徑,計算出兩個方向上同一齡階的直徑平均數(shù),得到該齡階的直徑值。將各齡階直徑數(shù)據(jù)編輯成直徑矩陣,運用Forstat2.0軟件求得樹高、胸徑、材積的總生長量、連年生長量和平均生長量。取烘干的樹干、樹枝、樹葉和樹根混合樣品粉碎后測定其碳素質(zhì)量分數(shù)?？紤]到在分析時樣品的實際用量較少,為了保證取樣均勻,采用3次粉碎法制樣,即初次粉碎時取樣量較大,在初粉碎的基礎(chǔ)上按四分法取其中的1/4進行第2次粉碎,然后依此法進行第3次粉碎,經(jīng)粉碎的樣品過0.02mm篩后裝瓶備用。所有粉碎后的樣品在分析前,再次放入85℃的恒溫箱中烘干至恒質(zhì)量。采用經(jīng)典的濃H2SO4-K2CrO4水合熱法測定樹干、樹枝、樹葉、樹根的碳素質(zhì)量分數(shù)。兩種樹種各器官碳素質(zhì)量分數(shù)及其生物量權(quán)重值見表2。2.3單位材積樹干其其其硅質(zhì)設(shè)計ct參照測樹學(xué)材積連年生長量、平均生長量和總生長量,通過木材密度和樹干有機碳素質(zhì)量分數(shù)將材積連年生長量、平均生長量和總生長量轉(zhuǎn)換為樹干連年碳素積累量(CZ)、平均碳素積累量(Cθ)和總碳素儲量(C)。連年碳素積累量為樹木在一定齡階內(nèi)(長白落葉松為2a、蒙古櫟為5a)的平均碳素儲量;平均碳素積累量為樹木生長至某一年齡時的平均碳素儲量,總碳素儲量為林木生長至某一年齡時的實際碳素儲量。平均碳素密度是用來表征單位材積樹干碳素儲量的高低。P=B/V;(1)CZ=Z×ρ×c;(2)Cθ=θ×ρ×c;(3)C=T×ρ×c;(4)Dˉˉˉ=Ct/VDˉ=Ct/V。(5)式中:CZ為連年碳素積累量(kg);Cθ為平均碳積累量(kg);C為總碳素儲量(kg);ρ為木材密度(kg·m-3);B為單木樹干生物量(kg);V為單木樹干材積(m3);Z為材積連年生長量(m3);θ為材積平均生長量(m3);T為材積總生長量(m3);c為樹干碳素質(zhì)量分數(shù)(%);DˉˉˉDˉ為樹干平均碳素密度(kg·m-3);Ct為樹干總碳素儲量(kg)。采用SPSS13.0軟件對長白落葉松和蒙古櫟樹干的連年碳素積累量和平均碳素積累量進行曲線擬合。3結(jié)果與分析3.1樹干課內(nèi)總?cè)~綠素積累量由長白落葉松樹干連年碳素積累過程(圖1)可知:在0~46a內(nèi),連年碳素積累量為0.022~4.926kg,碳素積累量增長幅度很大。其中,0~8a時碳素積累量增長緩慢;9~14a時碳素積累加快;15~32a時碳素積累迅速,碳素積累量由0.719kg增加到了4.590kg;33~46a時碳素積累量增長變慢。樹干平均碳素積累量在0~8a時增幅不大,9~14a時增幅開始增大,15~32a時增幅最明顯,33a后增幅變緩。由蒙古櫟樹干連年碳素積累量(圖1)可知:在0~50a內(nèi),連年碳素積累量為0.072~3.099kg。0~10a時碳素積累緩慢;11~20a時碳素積累迅速,碳素積累量由0.398kg達到了1.938kg;21~35a時碳素積累量增長變緩;36~50a時碳素積累量增長趨于穩(wěn)定。樹干平均碳素積累量在0~10a時增幅不大,11~20a時增幅明顯,21a后增長變緩。a1為長白落葉松連年碳素積累量;a2為長白落葉松平均碳素積累量;b1為蒙古櫟連年碳素積累量;b2為蒙古櫟平均碳素積累量。長白落葉松和蒙古櫟樹干連年碳素積累量和平均碳素積累量方程見表3。根據(jù)擬合的兩樹種樹干連年和平均碳素積累量曲線擬合得到,長白落葉松碳素積累成熟年齡為59.1a,蒙古櫟為65.5a,與兩樹種經(jīng)濟成熟齡基本吻合。3.2蒙古櫟人工林的其4.4%對于涂層厚度的生長和碳儲量由圖2可知:長白落葉松前14a碳素儲量為4.152kg,碳素儲量貢獻率為3.38%;15~32a為54.04kg,貢獻率為43.97%;33~46a為64.703kg,貢獻率為52.65%。46年生長白落葉松96.62%的碳素儲存集中在14a后。長白落葉松樹干平均碳素密度為329.50kg·m-3。蒙古櫟前10a碳素儲量為2.196kg,碳素儲量貢獻率為2.24%;11~20a為14.264kg,貢獻率為14.54%;21~50a為81.648kg,貢獻率為83.22%(圖2)。50年生蒙古櫟97.76%的碳素儲存集中在11a后。蒙古櫟樹干平均碳素密度為428.87kg·m-3。3.3生長白落葉松生長組生長情況從長白落葉松(平均年齡50a)和蒙古櫟(平均年齡53a)單木碳素儲量(見表4)來看,兩個樹種器官碳素儲量的分布特征相同,均為干>根>枝>葉。51~54年生長白落葉松樹干碳素儲量在68.10%~72.77%,樹枝在4.87%~9.86%,樹葉在0.92%~2.97%,樹根在18.42%~29.48%。50~63年生蒙古櫟樹干碳素儲量在51.91%~58.70%,樹枝在13.03%~28.85%,樹葉在1.89%~2.41%,樹根在13.77%~32.65%。4坡向?qū)殖跎L的影響長白落葉松樹干連年碳素積累量和平均碳素積累量都明顯快于蒙古櫟。兩樹種在10a左右時連年碳素積累量開始明顯增長,蒙古櫟在21a時連年碳素積累量增長開始變慢,而長白落葉松在33a時增長開始變緩,其碳素快速積累期要比蒙古櫟長12a,長白落葉松的固碳能力隨林齡而增加。長白落葉松樹干平均碳素積累量一直領(lǐng)先于蒙古櫟,隨著樹齡的增長二者差距逐漸拉大。長白落葉松碳素積累的成熟年齡為59.1a,蒙古櫟為65.5a。撫順大邊溝林場長白落葉松碳素快速積累期為10~25a,其碳素積累成熟年齡為48.7a,與本研究鐵嶺冰砬山林場長白落葉松(碳素快速積累期和碳素積累成熟年齡分別為10~33a和59.1a)相比,二者碳素快速積累期和碳素積累成熟年齡均相差10a左右。對比兩個地區(qū)的氣候條件,大邊溝長白落葉松的緯向分布比冰砬山靠南,二者年平均氣溫接近,但是大邊溝年降水量更多,而且以棕色森林土為主。與棕色森林土相比,暗棕色森林土的有效土壤養(yǎng)分集中于表層,大邊溝棕色森林土的持久肥力比冰砬山暗棕色森林土更高,由此可見,冰砬山林區(qū)林地下層瘠薄的土壤延緩了長白落葉松的生長,導(dǎo)致冰砬山的長白落葉松碳素快速積累期較長,碳素積累成熟年齡也較長。25a之前蒙古櫟樹干總碳素儲量略大于長白落葉松,二者相差很小;26a之后長白落葉松樹干碳素儲量大于蒙古櫟,而且它們之間的差距逐漸增大。長白落葉松46a時樹干碳素總儲量為122.89kg,蒙古櫟50a時為98.11kg,長白落葉松樹干總碳儲量是蒙古櫟的1.25倍。長白落葉松樹干各年齡段的碳素積累量和積累速率都高于蒙古櫟,表明長白落葉松樹干的碳素積累能力要強于蒙古櫟。作為植被固碳最主要的部分,長白落葉松樹干碳素儲量占單木總碳素儲量的64.73%~72.77%,蒙古櫟占51.91%~58.70%。蒙古櫟樹干平均碳素密度(428.87kg·m-3)是長白落葉松(329.50kg·m-3)的1.3倍,表明單位材積蒙古櫟積累的碳素比長白落葉松多。撫順大邊溝林場長白落葉松樹干平均碳素密度最大值為315kg·m-3,最小值為230kg·m-3,與之相比冰砬山林場長白落葉松樹干平均碳密度略大些,這與冰砬山林場長白落葉松碳素積累成熟齡大、碳素積累過程長有密切的關(guān)系,長時期、慢積累使得樹干內(nèi)平均碳素密度也較高。46年生長白落葉松96.62%的碳素儲存集中在14a后,50年生蒙古櫟97.76%的碳素儲存集中在11a后。由此可見,前10a兩樹種的碳素積累貢獻較小,10a之后碳素積累貢獻顯著。因此,在森林經(jīng)營管理過程中,抓住樹木的關(guān)鍵碳素積累期,科學(xué)地改善中齡林林地的水肥條件,可以更有效地提高森林固碳功能,更好地發(fā)揮森林的固碳潛力,從而增加森林的生態(tài)效益,優(yōu)化森林的經(jīng)濟、社會和生態(tài)綜合效益。從長白落葉松(平均年齡50a)和蒙古櫟(平均年齡53a)單木平均碳素儲量來看,長白落葉松干、根平均碳素儲量大于蒙古櫟,蒙古櫟枝、葉平均碳素儲量大于長白落葉松,長白落葉松單木平均總碳素儲量大于蒙古櫟,而且是蒙古櫟的