关晋宏
, 程积民
GUAN Jin-Hong, CHENG Ji-Min
通讯作者:
责任编辑:
收稿日期: 2016-01-12
接受日期: 2016-03-30
网络出版日期: 2016-04-29
版权声明: 2016 植物生态学报编辑部 本文是遵循CCAL协议的开放存取期刊，引用请务必标明出处。
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摘要
针对森林碳平衡再评估的重要性和区域尺度森林生态系统碳库量化分配的不确定性, 该研究依据全国森林资源连续清查结果中甘肃省各森林类型分布的面积与蓄积比重以及林龄和起源等要素, 在甘肃省布设212个样地, 经野外调查与采样、室内分析, 并对典型样地信息按照面积权重进行尺度扩展, 估算了甘肃省森林生态系统碳储量及其分布特征。结果表明: 甘肃省森林生态系统总碳储量为612.43 Tg C, 其中植被生物量碳为179.04 Tg C, 土壤碳为433.39 Tg C。天然林是甘肃省碳储量的主要贡献者, 其值为501.42 Tg C, 是人工林的4.52倍。天然林和人工林的植被碳密度均表现为随林龄的增加而增加的趋势, 同一龄组天然林植被碳密度高于人工林。天然林土壤碳密度从幼龄林到过熟林逐渐增加, 但人工林土壤碳密度最大值主要为近熟林。全省森林植被碳密度均值为72.43 Mg C·hm-2, 天然林和人工林分别为90.52和33.79 Mg C·hm-2。基于森林清查资料和标准样地实测数据, 估算出全省天然林和人工林在1996年的植被碳储量为132.47和12.81 Tg C, 2011年分别为152.41和26.63 Tg C, 平均固碳速率分别为1.33和0.92 Tg C·a-1。甘肃省幼、中龄林面积比重较大, 占全省的62.28%, 根据碳密度随林龄的动态变化特征, 预测这些低龄林将发挥巨大的碳汇潜力。
关键词：
Abstract
Aims
Carbon sequestration is the basic function and most primary service of forest ecosystems, and plays a vital role in mitigating the global climate change. However, carbon storage and allocation in forest ecosystems have been less studied at regional scales than at forest stand levels, and the results are subject to uncertainty due to inconsistent methodologies. In this study we aim to obtain relatively accurate estimates of forest carbon stocks and sequestration rate at a provincial scale (regional) based on plot surveys of plants and soils.
Methods
In consideration of the areas and distributions of major forest types, 212 sampling plots, covering different age classes and origins (natural forests vs. planted forests), were surveyed in Gansu Province in northern China. Field investigations were conducted for vegetation layers (trees, shrubs, herbs and litter), soil profiles, and sampling of both plant materials and soils for laboratory analyses. Regional carbon stocks were calculated by up-scaling the carbon densities of all forest types with their corresponding areas. Carbon sequestration rate was estimated by referencing the reports of national forest inventory data for different periods.
Important findings Forest carbon stocks at the provincial scale were estimated at 612.43 Tg C, including 179.04 Tg C in biomass and 433.39 Tg C in soil organic materials. Specifically, natural forests stored 501.42 Tg C, approximately 4.52 times than that of the plantations. Biomass carbon density in both natural forests and plantations showed an increasing trend with stand age classes, and was greater in natural forests than in plantations within the same age classes. Soil carbon density also increased with stand age classes in natural forests, but the highest value occurred at the pre-mature stage in plantations. The weighted average of regional biomass carbon density was at 72.43 Mg C·hm-2, with the average value of 90.52 Mg C·hm-2 in natural forests and 33.79 Mg C·hm-2 in plantations, respectively. In 1996, vegetation stored 132.47 Tg C in natural forests and 12.81 Tg C in plantations, respectively, and the values increased to 152.41 and 26.63 Tg C in 2011, with the mean carbon sequestration rates of 1.33 and 0.92 Tg C·a-1. Given that young and middle-aged forests account for a large proportion (62.28%) of the total forest areas, the region is expected to have substantial potential of carbon sequestration.
Keywords：
森林作为陆地生态系统的主体, 储存了80%的地上碳储量和40%的地下碳储量, 在维持全球碳平衡减缓气候变化中发挥着重要作用, 因此, 森林碳固存已成为全球碳循环研究的热点(Dixon et al., 1994; Houghton, 2005)。科学估测森林生态系统碳密度、碳储量及其变化特征是充分认识森林生态系统功能、评价区域森林碳汇潜力和应对气候变化的首要任务。
近年来, 国内外学者采用多种研究手段, 针对不同目标, 从林分(Ren et al., 2010; Zhang et al., 2013b)、区域(Chen et al., 2009; Zhang et al., 2012)、国家(Fang et al., 2001; Zhang et al., 2013a)及全球尺度上(Houghton, 2005)对森林生态系统碳密度及碳储量进行了研究报道, 揭示了不同气候条件下多种森林类型的固碳现状及其动态变化。例如, Fang等(2001)和方精云等(2007)基于生物量转化因子连续函数法估算出我国森林植被碳储量在1998和2000年分别为4.75和5.85 Pg C; 李海奎等(2011)用回归模型估算法得出2006年我国森林植被碳储量为7.81 Pg C。其他学者也在不同时期深化研究了海南(Ren et al., 2014)、广东(Ren et al., 2013)、吉林(王新闯等, 2011)、四川(黄从德等, 2008b)、陕西(崔高阳等, 2015)、宁夏(高阳等, 2014)等区域尺度的森林生态系统碳库及其分配特征。然而, 由于我国气候带跨越热带至寒温带, 涵盖从温润至干旱各个气候区, 森林生态系统类型复杂多样, 导致植被和土壤碳积累过程呈现区域性差异, 加之研究方法不同, 造成估算结果存在较大误差(刘世荣等, 2011)。因此, 方法同一化、时间同步化地估测区域尺度森林生态系统碳汇及分配特征是探明我国森林碳汇现状的先决条件。
甘肃省作为西部欠发达省份和生态脆弱地区, 森林覆盖率在全国排第18位(徐济德, 2014)。但由于特殊的地形气候特征, 甘肃省也是我国森林植被类型比较复杂的省区之一, 森林植被有北亚热带常绿、落叶阔叶林, 暖温带针叶、阔叶林, 寒温带(山地)针叶林等多种类型, 在气候调节、水源涵养、水土保持、生物多样性保护以及碳固存等方面起着不可估量的作用。联合国反荒漠化大会认为半干旱区森林及土壤在恰当的管理下可发挥显著的碳汇作用(彭少麟等, 2002)。迄今为止, 针对甘肃省森林生态系统碳密度及碳储量的报道仅见于个别树种(程堂仁等, 2007b; 彭守璋等, 2011)、林区(程堂仁等, 2007a)及区域尺度活立木的简单估算(彭焕华等, 2010; Guan et al., 2015), 而区域尺度上森林生态系统固碳特征尚不清楚, 尤其缺乏林下植被层及土壤碳的信息。本文以甘肃省整个区域尺度主要森林生态系统为研究对象, 在样地调查和室内分析的基础上, 分析各森林类型碳密度特征, 并结合1996、2001、2006和2011年4次森林资源连续清查资料, 估算全省碳储量现状和固碳速率。研究结果可为森林生态系统碳汇功能评价及可能开展的碳汇交易提供参考依据。
甘肃省位于我国西北部(32.18°-42.95° N, 92.22°-108.77° E), 地处黄河上游地区, 自西北向东南狭长约1350 km, 面积为45.3 × 104 km2, 占国土总面积的4.7%。甘肃省具有明显的温带季风气候, 冬季寒冷漫长, 夏季短促温热。省内地区间气候差异巨大, 年平均气温在0-10 ℃, 年降水量36.6- 734.9 mm, 降水主要集中在6-9月, 由东南向西北递减。气候从东南向西北也呈现序列性变化: 陇南山地北部的暖温带湿润气候、陇中黄土高原的温带半湿润和半干旱气候、河西走廊温带干旱气候和北山极干旱气候。受水热条件交互作用, 甘肃省森林植被类型丰富多样, 分布有亚热带常绿阔林带、暖温带落叶阔叶林带、温带草原带和温带荒漠带。
据《第八次全国森林资源清查甘肃省森林资源清查成果》①(① 国家林业局西北森林资源监测中心, 甘肃省林业厅, 甘肃省林业调查规划院 (2012). 《第八次全国森林资源清查甘肃省森林资源清查成果》.), 甘肃省现有森林②(② 该森林面积数据包括了国家特别规定的灌木林和竹林面积。本文研究的森林为乔木林。)面积507.45 × 104 hm2, 森林覆盖率11.28% (徐济德, 2014)。其中, 乔木林面积和蓄积量分别为247.19 × 104 hm2和214.54 × 106 m3。甘肃省中南部和东部分布有多个典型森林的国有林区, 例如小陇山林区、白龙江林区、子午岭林区等; 也有白水江(南部)、太子山(中部)、祁连山(西北部)等多个以森林为主的自然保护区。甘肃全省天然林比重较大, 面积和蓄积分别为168.38 × 104 hm2和186.22 × 106 m3, 占全省的68.12%和86.80%。天然林中面积最大的为中龄林, 占33.15%。天然林类型主要以栎类(Quercus spp.)、阔叶混交林(broad-leaved mixed forest)、云杉(Picea asperata)林、冷杉(Abies fabri)林为主, 面积和蓄积分别占天然林的59.54%和72.60%。人工林中以幼龄林居多, 占人工林面积的61.64%。人工阔叶林主要以杨树(Populus spp.)林和刺槐(Robinia pseudoacacia)林为主, 面积和蓄积分别占全省人工林的56.45%和63.79%; 人工针叶林以云杉林、落叶松(Larix gmelinii)林、油松(Pinus tabuliformis)林为主, 面积和蓄积分别占全省人工林的19.50%和21.37%。
1.2.1 样地设置及取样方法
本研究依托中国科学院战略性先导科技专项(碳专项), 按照《生态系统固碳现状、速率、机制和潜力》项目制定的统一要求(生态系统固碳项目技术规范编写组, 2015), 并结合甘肃省第七次森林资源清查成果, 充分考虑全省各森林类型(优势种)分布面积与蓄积比重、林龄、起源等情况, 在全省布设涵盖该省17种主要森林类型的标准地212个(表1)。样地面积设置标准为20 m × 50 m, 但因地形破碎及林分面积限制, 部分标准地设置为20 m × 30 m。其中, 铁杉(Tsuga chinensis)没有布设相应样地, 以云杉、冷杉和柏木(Cupressus funebris)的加权平均值来求得该类森林生态系统各组分碳密度。本研究涉及的栎类主要包括锐齿槲栎(Quercus aliena var. acuteserrata)、辽东栎(Quercus wutaishanica)、栓皮栎(Quercus variabilis)等栎属优势树种; 杨树主要包括山杨(Populus davidiana)、新疆杨(Populus alba var. pyramidalis)、二白杨(Populus gansuensis)等; 桦木主要包括红桦(Betula albosinensis)和白桦(Betula platyphylla)。
表1 甘肃省样地信息表
Table 1 General information of survey plots in Gansu Province
| 森林类型 Forest type | 森林起源 Forest origin | 林龄组 Forest age group | 样地数量 Number of plots | 样地分布区 Plot location | 主要土壤类型 Main soil types | 土壤取样 Soil sampling | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 取样深度Sampling Depth (cm) | 样地数量 Number of plots | ||||||
| 冷杉 Abies fabri | 天然林 Natural forest | 幼、中、成、过 YF, MAF, MF and OMF | 13 | 甘南 Gannan | 山地棕壤、山地褐土、山地灰褐土 Mountainous brown earths, mountainous cinnamon soils, and mountainous grey cinnamon soils | 0-50 | 3 |
| 0-100 | 10 | ||||||
| 人工林 Plantation | - | - | - | - | - | - | |
| 云杉 Picea asperata | 天然林 Natural forest | 幼、中、近、成、过 YF, MAF, PMF, MF and OMF | 32 | 甘南、定西、张掖、兰州、武威 Gannan, Dingxi, Zhangye, Lanzhou, and Wuwei | 山地棕壤、山地褐土、山地灰褐土 Mountainous brown earths, moutainous cinnamon soils, and mountainous grey cinnamon soils | 0-30 | 1 |
| 0-100 | 31 | ||||||
| 人工林 Plantation | 幼、中、近、成 YF, MAF, PMF and MF | 16 | 甘南、定西 Gannan and Dingxi | 山地棕壤、山地褐土、黄绵土 Mountainous brown earths, moutainous cinnamon soils, and cultivated loess | 0-30 | 2 | |
| 0-100 | 14 | ||||||
| 油松 Pinus tabulaeformis | 天然林 Natural forest | 中、成 MAF and MF | 4 | 陇南、庆阳 Longnan and Qingyang | 山地褐土、黄绵土Mountainous cinnamon soils and cultivated loess | 0-100 | 4 |
| 人工林 Plantation | 幼、中、近、成 YF, MAF, PMF and MF | 20 | 临夏、陇南、庆阳、定西、兰州 Linxia, Longnan, Qing- yang, Dingxi, and Lanzhou | 山地灰褐土、黄绵土、山地棕壤 Mountainous grey cinnamon soils, cultivated loess, and mountainous brown earths | 0-100 | 20 | |
| 华山松 Pinus armandii | 天然林 Natural forest | 近 PMF | 1 | 天水 Tianshui | 山地褐土 Mountainous cinnamon soils | 0-100 | 1 |
| 人工林 Plantation | 近 PMF | 3 | 陇南、天水 Longnan and Tianshui | 山地棕壤、山地褐土 Mountainous brown earths and mountainous cinnamon soils | 0-100 | 3 | |
| 落叶松 Larix gmelinii | 天然林 Natural forest | - | - | - | - | - | - |
| 人工林 Plantation | 幼、中、近、成 YF, MAF, PMF and MF | 12 | 甘南、陇南、天水、定西 Gannan, Longnan, Tianshui, and Dingxi | 山地棕壤、山地褐土 Mountainous brown earths and mountainous cinnamon soils | 0-100 | 12 | |
| 柏木 Cupressus funebris | 天然林 Natural forest | 中 MAF | 6 | 武威 Wuwei | 山地灰褐土 Mountainous grey cinnamon soils | 0-100 | 6 |
| 人工林 Plantation | - | - | - | - | - | - | |
| 栎类 Quercus spp. | 天然林 Natural forest | 幼、中、近、成 YF, MAF, PMF and MF | 22 | 陇南、天水、庆阳 Longnan, Tianshui, and Qingyang | 山地褐土、山地棕壤 Mountainous cinnamon soils and mountainous brown earths | 0-30 | 1 |
| 0-50 | 2 | ||||||
| 0-100 | 19 | ||||||
| 人工林 Plantation | - | - | - | - | - | - | |
| 杨树 Populus spp. | 天然林 Natural forest | 近、成 PMF and MF | 3 | 庆阳 Qingyang | 黄褐土 Yellow cinnamon soils | 0-100 | 3 |
| 人工林 Plantation | 幼、中、近、过 YF, MAF, PMF and OMF | 29 | 酒泉、金昌、张掖、武威、兰州、白银 Jiuquan, Jinchang, Zhang- ye, Wuwei, and Lanzhou | 灰褐土、灌淤土、草甸土 Grey cinnamon soils, irrigation sediments, and meadow soils | 0-50 | 2 | |
| 0-100 | 27 | ||||||
| 桦木 Betula spp. | 天然林 Natural forest | 幼、中 YF and MAF | 6 | 甘南、天水、庆阳 Gannan, Tianshui, and Qingyang | 山地褐土、黄绵土 Mountainous cinnamon soils and cultivated loess | 0-100 | 6 |
| 人工林 Plantation | - | - | - | - | - | - | |
| 刺槐 Robinia pseudoacacia | 天然林 Natural forest | - | - | - | - | - | - |
| 人工林 Plantation | 幼、中、近、成 YF, MAF, PMF and MF | 15 | 平凉、庆阳、白银 Pingliang, Qingyang, and Baiyin | 黄绵土、灰褐土 Cultivated loess and grey cinnamon soils | 0-100 | 15 | |
| 阔叶混交林 Broad-leaved mixed forest | 天然林 Natural forest | - | - | - | - | - | - |
| 人工林 Plantation | 幼 YF | 2 | 张掖、兰州 Zhangye and Lanzhou | 灌淤土 Irrigation sediments | 0-100 | 2 | |
| 针叶混交林 Coniferous- mixed forest | 天然林 Natural forest | 中、成 MAF and MF | 2 | 天水 Tianshui | 黄棕壤 Yellow brown earths | 0-100 | 2 |
| 人工林 Plantation | 幼、成 YF and MF | 2 | 陇南、兰州 Longnan and Lanzhou | 山地褐土、灌淤土 Mountainous cinnamon soils and irrigation sediments | 0-50 | 2 | |
| 表1 (续) Table 1 (continued) | |||||||
| 森林类型 Forest type | 森林起源 Forest origin | 林龄组 Forest age group | 样地数量 Number of plots | 样地分布区 Plot location | 主要土壤类型 Main soil types | 土壤取样 Soil sampling | |
| 取样深度Sampling Depth (cm) | 样地数量 Number of plots | ||||||
| 针阔混交林 Coniferous and broad-leaved mixed forest | 天然林 Natural forest | 幼、中、近 YF, MAF and PMF | 23 | 甘南、天水、陇南、庆阳 Gannan, Tianshui, Longnan, and Qingyang | 山地褐土、黄褐土、黄棕壤 Mountainous cinnamon soils, yellow cinnamon soils, and yellow brown earths | 0-30 | 1 |
| 0-100 | 22 | ||||||
| 人工林 Plantation | 中 MAF | 1 | 天水 Tianshui | 山地褐土 Mountainous cinnamon soils | 0-100 | 1 | |
| 合计 Total | 天然林 Natural forest | 112 | |||||
| 人工林 Plantation | 100 | ||||||
本研究各森林类型包括幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林5个龄组。不同森林类型生长速度及其寿命因树种、起源而异, 各龄组的划分标准不一, 具体见表2。此外, 本研究各项野外调查、样品采集、成分分析均依据《生态系统固碳现状、速率、机制和潜力》项目制定的统一标准(生态系统固碳项目技术规范编写组, 2015)展开。
表2 甘肃省主要森林类型林龄组划分标准④(④ 甘肃省林业厅 (2012). 甘肃省林地落界实施细则.)
Table 2 Criteria of forest age group classification for major forest types in Gansu Province
| 森林类型 Forest type | 森林起源 Forest origin | 林龄组 Forest age group | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 幼龄林 Young forest | 中龄林 Middle- aged forest | 近熟林 Pre-mature forest | 成熟林 Mature forest | 过熟林 Over-mature forest | ||
| 冷杉、柏木 Abies fabri and Cupressus funebris | 天然林 Natural forest | ≤60 | 61-100 | 101-120 | 121-160 | ≥161 |
| 人工林 Plantation | ≤40 | 41-60 | 61-80 | 81-120 | ≥121 | |
| 云杉 Picea asperata | 天然林 Natural forest | ≤40 | 41-80 | 81-100 | 101-140 | ≥141 |
| 人工林 Plantation | ≤20 | 21-30 | 31-40 | 41-60 | ≥61 | |
| 油松、华山松、落叶松 Pinus tabulaeformis, Pinus armandii and Larix gmelinii | 天然林 Natural forest | ≤30 | 31-50 | 51-60 | 61-80 | ≥81 |
| 人工林 Plantation | ≤20 | 21-30 | 31-40 | 41-60 | ≥61 | |
| 杨、白桦、其他软阔类 Populus spp., Betula platyphylla and other soft broad-leaved species | 天然林 Natural forest | ≤20 | 21-30 | 31-40 | 41-60 | ≥61 |
| 人工林 Plantation | ≤10 | 11-15 | 16-20 | 21-30 | ≥31 | |
| 刺槐、红桦 Robinia pseudoacacia and Betula albosinensis | 天然林 Natural forest | ≤30 | 31-50 | 51-60 | 61-80 | ≥81 |
| 人工林 Plantation | ≤20 | 21-30 | 31-40 | 41-60 | ≥61 | |
| 栎类、其他硬阔类 Quercus spp. and other hard broad-leaved species | 天然林 Natural forest | ≤40 | 41-60 | 61-80 | 81-120 | ≥121 |
| 人工林 Plantation | ≤20 | 21-40 | 41-50 | 51-70 | ≥71 | |
1.2.2 乔木层碳密度测定
对样地内所有胸径≥2 cm的乔木进行每木检尺, 并记录地形、地貌、经营管理措施等因子。样地内乔木单株生物量通过每木检尺所测的胸径和树高结合异速生长方程求得。按大、中、小径级选择3-5株样木, 采集样地内优势乔木树种各器官(叶、枝、干、根)样品各300 g, 用以有机碳含量分析。利用分析测定乔木层各器官的有机碳含量分别乘以各自的单位面积生物量, 对其求和即为乔木层碳密度。对异速生长方程的选择则以地形、气候条件等相近的优势树种为筛选原则, 对所选方程进行模拟, 选出适合该省区优势树种的最优方程(表3)。其中, 其他硬阔类指鹅耳枥(Carpinus turczaninowii)、千金榆(Carpinus cordata)、椴树(Tilia spp.)、华榛(Corylus chinensis)等; 其他软阔类指白蜡(Fraxinus chinensis)、青榨槭(Acer davidii)、稠梨(Padus racemosa)、漆(Toxicodendron vernicifluum)等。树种1、2、3、5、6、7、8和11生物量方程来源于程堂仁等(2007a), 树种4、9、10和12生物量方程由森林固碳课题办公室提供③(③ 森林固碳课题办公室 (2014). 中国森林生态系统固碳现状、速率、机制和潜力课题《生物量估算方程》.)。
表3 甘肃省主要优势树种及主要伴生树种生物量方程
Table 3 Biomass equation of dominant and associate tree species in Gansu Province
| 树种 Tree species | 干 Stem (kg·ind.-1) | 枝 Branch (kg·ind.-1) | 叶 Leaves (kg·ind.-1) | 根 Roots (kg·ind.-1) | 皮 Barks (kg·ind.-1) |
|---|---|---|---|---|---|
| 1. 云、冷杉 Picea asperata and Abies fabri | exp(-3.9744)(D2H)0.9434 | exp(-4.6350)(D2H)0.9257 | exp(-5.9391)(D2H)0.9257 | exp(-5.2791)(D2H)0.9457 | exp(-5.5587)(D2H)0.8930 |
| 2. 油松 Pinus tabulaeformis | exp(-3.8828)(D2H)0.9359 | exp(-6.3807)(D2H)1.1242 | exp(-5.3277)(D2H)0.8812 | exp(-4.7557)(D2H)0.9204 | exp(-5.1129)(D2H)0.8649 |
| 3. 锐齿栎 Quercus aliena var. acuteserrata | exp(-4.0347)(D2H)0.9953 | exp(-8.4741)(D2H)1.3674 | exp(-8.4170)(D2H)1.0888 | exp(-3.3630)(D2H)0.7773 | exp(-4.5914)(D2H)0.8657 |
| 4. 柏木 Cupressus funebris | 0.0427(D2H)0.8545 | 0.0128(D2H)0.8916 | 0.0258(D2H)0.7037 | 0.0079(D2H)0.9385 | - |
| 5. 杨、桦 Populus spp. and Betula spp. | exp(-3.8023)(D2H)0.9631 | exp(-5.9070)(D2H)1.0903 | exp(-3.9108)(D2H)0.6104 | exp(-3.2756)(D2H)0.7692 | exp(-5.8330)(D2H)0.9682 |
| 6. 落叶松 Larix gmelinii | exp(-3.6844)(D2H)0.9303 | exp(-7.6840)(D2H)1.2554 | exp(-12.0638)(D2H)1.4968 | exp(-5.1872)(D2H)0.9709 | exp(-5.0754)(D2H)0.8708 |
| 7. 华山松 Pinus armandii | exp(-3.9041)(D2H)0.9630 | exp(-4.0957)(D2H)0.9186 | exp(-4.8359)(D2H)0.7936 | exp(-8.3710)(D2H)1.3456 | exp(-4.6176)(D2H)0.8060 |
| 8. 栓皮栎 Quercus variabilis | exp(-3.7447)(D2H)0.9679 | exp(-4.8449)(D2H)1.0013 | exp(-3.3569)(D2H)0.6050 | exp(-2.9066)(D2H)0.8144 | exp(-3.2565)(D2H)0.7156 |
| 9. 辽东栎 Quercus wutaishanica | 0.0493(D2H))0.8514 | 0.0026(D2H)1.1887 | 0.0119(D2H)0.835 | 0.1009(D2H)0.6879 | - |
| 10. 刺槐 Robinia pseudoacacia | 0.0302(D2H)0.9474 | 0.004(D2H)1.0868 | 0.006(D2H)0.8403 | 0.0119(D2H)0.9501 | - |
| 11. 其他硬阔类 Other hard broad-leaved species | exp(-3.8852)(D2H)0.9803 | exp(-5.6360)(D2H)1.0851 | exp(-4.5320)(D2H)0.7377 | exp(-3.1575)(D2H)0.7758 | exp(-4.4480)(D2H)0.7713 |
| 12. 其他软阔类 Other soft broad-leaved species | 0.021(D2H)0.9642 | 0.0011(D2H)1.1909 | 0.0022(D2H)0.8595 | 0.053(D2H)0.7452 | - |
1.2.3 林下植被层、枯落物层碳密度测定
林下植被包括灌木、草本和胸径<2 cm的幼树。在上述样地内沿对角线设置3个2 m × 2 m的灌木小样方, 并在每个灌木样方内设置1个1 m × 1 m的草本小样方, 采用全收获法对灌木和草本进行采集。全收获后, 灌木按叶、枝和根测定其生物量鲜质量, 草本分地上部分和地下部分测定其生物量鲜质量, 并分别取约300 g用于含水率和有机碳含量的测定。在各样地内沿对角线设置3个1 m × 1 m的枯落物小样方,收集所有枯落物并称其鲜质量, 保留约300 g测定其含水率和有机碳含量。林下植被层和枯落物层生物量根据各器官含水率换算为其干质量并分别乘以各器官对应的有机碳含量求得相应的碳密度。
1.2.4 土壤碳密度测定
在调查样地周围选择未受人为干扰、植被结构和土壤具代表性的地段, 挖掘土壤剖面, 每层取2个重复, 不够100 cm的土壤剖面以实际深度计算。按照0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm、30-50 cm、50-100 cm不同深度, 用环刀采集各层土壤后带回实验室105 ℃烘干24 h至恒质量, 计算各土层土壤容重。从环刀内拣出>2 mm以上的砾石, 洗净、烘干称质量。同时, 在每个草本样方内按0-10 cm、10-20 cm、20-30 cm、30-50 cm、50-100 cm取样, 将同一层土壤样品按质量比例混合, 带回实验室尽早进行处理, 拣出砾石、植物根系等杂物, 自然风干、磨碎、过筛, 用重铬酸钾硫酸氧化法测定土壤有机碳含量。土壤各层有机碳密度结合土壤各层容重、有机碳含量、砾石含量、土层深度求得, 各层碳密度相加即为0-100 cm土壤有机碳密度。
土壤有机碳密度(soil organic carbon density, SOCD, Mg C·hm-2)计算公式为:
式中: Ci为第i层土壤有机碳含量(g·kg-1); BDi为该层土壤平均容重(g·cm-3); Di为该层土壤厚度(cm), Ri为该层土壤>2 mm砾石所占百分比(%)。
1.2.5 全省尺度森林碳储量估算
对某一样地, 将调查求得各组分(乔木层、灌木层、草本层、枯落物层和土壤层)的碳密度求和得到该样地的森林生态系统碳密度(Mg C·hm-2)。甘肃全省森林碳储量现状基于《第八次全国森林资源清查甘肃省森林资源清查成果》进行估算, 该清查资料代表2011年的森林资源状况。由于20世纪60年代以来的乱砍滥伐, 甘肃全省约有3.0 × 107 hm2的森林受到严重破坏, 导致调查过程中部分森林类型过熟林样地重复较少, 因此本研究以同一林型各龄组的加权平均碳密度代替该林型平均碳密度进行比较。以某一森林类型为例, 根据样地调查先求得该林型同一龄组森林生态系统各组分的平均碳密度, 之后按不同龄组面积加权分别计算全省水平该森林生态系统各组分的碳密度。全省天然林和人工林平均碳密度分别按照不同植被类型面积加权平均求得。全省尺度上的碳储量由不同林型各组分的碳密度乘以相对应的面积加和求得。
1.2.6 固碳速率的估算
本研究固碳速率的估算仅涉及植被碳储量的固碳速率。在样地调查和碳储量现状估算的基础上, 结合4次森林资源清查资料(1996、2001、2006和2011年状况), 通过4个时期的全省植被碳储量变化估算其固碳速率(ΔCs, Tg C·a-1), 公式如下:
式中, Cs1、Cs2分别代表t1、t2时间的碳储量(Tg C)。
甘肃省天然林森林生态系统土壤平均有机碳密度最高, 为207.28 Mg C·hm-2, 植被层各层平均碳密度大小顺序为乔木层(86.75 Mg C·hm-2) >枯落物层(2.25 Mg C·hm-2) >灌木层(1.02 Mg C·hm-2) >草本层(0.50 Mg C·hm-2)(表4)。不同天然林类型中, 乔木层、灌木层、草本层和枯落物层碳密度分别介于36.03-179.92、0.34-1.38、0.36-0.85和1.47-8.35 Mg C·hm-2之间, 变异系数分别为75.52%、121.92%、121.40%和96.80%。其中, 乔木层中碳密度较大的林型为冷杉、云杉、铁杉寒温性针叶林, 最小林型为杨树林, 灌木层碳密度最大和最小林型分别为冷杉林和其他软阔类, 草本层碳密度最大和最小林型分别为云杉林和冷杉林, 枯落物层碳密度最大和最小的林型分别为其他松类和冷杉林。对土壤有机碳密度频度分析显示, 甘肃省天然林土壤有机碳密度变化范围在118.20-391.91 Mg C·hm-2之间, 变异系数为60.17%, 呈右偏态分布, 但经对数转化后, 符合K-S正态性检验(p > 0.05)。各天然林类型中, 土壤有机碳密度较大的林型为铁杉、冷杉、云杉、柏木寒温性针叶林, 杨树林最小。各天然林林型中, 土壤有机碳密度是植被碳密度的1.64-5.43倍, 平均为2.63倍。
表4 甘肃省天然林森林生态系统不同组分碳密度
Table 4 Carbon density in different components of natural forest ecosystems in Gansu Province
| 森林类型 Forest type | 碳密度 Carbon density (Mg C·hm-2) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 乔木层 Tree layer | 灌木层 Shrub layer | 草本层 Herb layer | 枯落物层 Litter layer | 土壤层 Soil layer | |
| 冷杉 Abies fabri | 179.92 | 1.38 | 0.36 | 1.47 | 383.18 |
| 云杉 Picea asperata | 107.06 | 1.26 | 0.85 | 1.96 | 369.90 |
| 铁杉 Tsuga chinensis | 125.71 | 0.99 | 0.44 | 2.93 | 391.91 |
| 落叶松 Larix gmelinii | 102.61 | 0.87 | 0.71 | 2.75 | 296.44 |
| 油松 Pinus tabulaeformis | 75.93 | 0.42 | 0.51 | 6.92 | 179.99 |
| 华山松 Pinus armandii | 71.33 | 0.39 | 0.78 | 2.17 | 215.78 |
| 其他松类 Other pines | 83.23 | 0.49 | 0.57 | 8.35 | 216.50 |
| 柏木 Cupressus funebris | 64.15 | 0.57 | 0.54 | 1.54 | 362.56 |
| 栎类 Quercus spp. | 88.85 | 1.34 | 0.41 | 1.79 | 152.00 |
| 桦木 Betula spp. | 63.85 | 0.75 | 0.40 | 2.75 | 160.11 |
| 杨树 Populus spp. | 36.03 | 0.49 | 0.73 | 2.39 | 118.20 |
| 其他硬阔类 Other hardwood broad-leaved species | 84.31 | 1.20 | 0.40 | 1.98 | 144.56 |
| 其他软阔类 Other softwood broad-leaved species | 44.42 | 0.34 | 0.52 | 2.64 | 125.38 |
| 针叶混交林 Mixed coniferous forest | 106.54 | 0.83 | 0.60 | 3.79 | 293.39 |
| 阔叶混交林 Mixed broad-leaved forest | 71.09 | 1.01 | 0.47 | 2.34 | 155.40 |
| 针阔混交林 Mixed coniferous and broad-leaved forest | 58.23 | 0.54 | 0.40 | 3.80 | 159.94 |
| 加权平均 Weighted average | 86.75 | 1.02 | 0.50 | 2.25 | 207.28 |
甘肃省人工林森林生态系统以土壤平均有机碳密度最大, 为107.07 Mg C·hm-2, 植被层各层平均碳密度大小顺序为乔木层(31.39 Mg C·hm-2) >枯落物层(1.37 Mg C·hm-2) >草本层(0.81 Mg C·hm-2) >灌木层(0.22 Mg C·hm-2) (表5)。不同人工林类型中, 乔木层、灌木层、草本层和枯落物层碳密度分别介于15.48-70.10、0.01-1.26、0.15-1.14和0.72-2.69 Mg C·hm-2, 变异系数分别为86.34%、170.95%、80.24%和118.56%。土壤有机碳密度变化范围在34.28- 338.34 Mg C·hm-2之间, 变异系数为75.91%, 呈右偏态分布, 但经对数转化后, 符合K-S正态性检验(p > 0.05)。各人工林类型中, 土壤有机碳密度最大和最小的林型分别为云杉林和阔叶混交林, 土壤有机碳密度是植被碳密度的1.06-10.88, 平均为4.08倍。对同一优势种, 天然林土壤有机碳密度均高于人工林, 平均高出107.79%, 除杨树林和其他软阔类外, 天然林乔木层碳密度均高于人工林, 平均高出178.02%, 说明天然林的固碳能力显著高于人工林。
表5 甘肃省人工林森林生态系统不同组分碳密度
Table 5 Carbon density in different components of plantations in Gansu Province
| 森林类型 Forest type | 碳密度 Carbon density (Mg C·hm-2) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 乔木层 Tree layer | 灌木层 Shrub layer | 草本层 Herb layer | 枯落物层 Litter layer | 土壤层 Soil layer | |
| 冷杉 Abies fabri | 25.79 | 0.77 | 0.53 | 1.39 | 272.30 |
| 云杉 Picea asperata | 28.52 | 1.26 | 0.53 | 0.78 | 338.34 |
| 落叶松 Larix gmelinii | 33.13 | 0.69 | 0.52 | 1.54 | 218.36 |
| 油松 Pinus tabulaeformis | 44.93 | 0.45 | 0.29 | 2.69 | 141.24 |
| 华山松 Pinus armandii | 57.79 | 1.17 | 0.48 | 2.53 | 174.25 |
| 其他松类 Other pines | 36.82 | 0.79 | 0.41 | 2.14 | 179.19 |
| 柏木 Cupressus funebris | 22.38 | 0.77 | 0.62 | 0.90 | 232.82 |
| 栎类 Quercus spp. | 48.35 | 0.01 | 0.43 | 2.23 | 53.90 |
| 桦木 Betula spp. | 30.08 | 0.01 | 1.08 | 0.88 | 69.63 |
| 杨树 Populus spp. | 59.44 | 0.01 | 0.55 | 0.81 | 90.25 |
| 刺槐 Robinia pseudoacacia | 15.48 | 0.02 | 1.14 | 1.36 | 52.39 |
| 其他硬阔类 Other hardwood broad-leaved species | 27.59 | 0.01 | 0.85 | 1.19 | 72.02 |
| 其他软阔类 Other softwood broad-leaved species | 45.76 | 0.01 | 0.58 | 2.60 | 100.66 |
| 针叶混交林 Mixed coniferous forest | 36.37 | 0.16 | 0.68 | 0.72 | 51.12 |
| 阔叶混交林 Mixed broad-leaved forest | 27.18 | 0.01 | 0.72 | 1.07 | 34.28 |
| 针阔混交林 Mixed coniferous and broad-leaved forest | 70.10 | 1.14 | 0.15 | 2.39 | 328.21 |
| 加权平均 Weighted average | 31.39 | 0.22 | 0.81 | 1.37 | 107.07 |
从龄组划分来看, 甘肃省天然林、人工林植被碳密度均表现为过熟林>成熟林>近熟林>中龄林>幼龄林, 且同一龄组天然林植被碳密度均高于人工林(图1A)。天然林幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林的植被碳密度分别为: 58.89、71.46、89.73、118.70和176.61 Mg C·hm-2, 比人工林分别高了147.42%、84.99%、100.85%、67.51%和102.55%。随着林龄的增加, 天然林的植被固碳能力增幅逐渐增加, 而人工林的固碳增幅从幼龄林到中龄林最大。甘肃省天然林土壤有机碳密度随着林龄的增加逐渐增加, 但近熟林略小于中龄林, 人工林土壤有机碳密度在近熟林中达到最大(186.79 Mg C·hm-2), 在过熟林中最小(84.05 Mg C·hm-2) (图1B)。
图1 甘肃省天然林、人工林不同龄组植被碳密度(A)和土壤有机碳密度(B)。
Fig. 1 Vegetation carbon density (A) and soil organic carbon density (B) of different age groups in natural forests and plantations in Gansu Province. YF, MAF, PMF, MF and OMF refer to young forest, middle-aged forest, pre-mature forest, mature forest and over-mature forest, respectively.
甘肃全省森林生态系统总碳储量为612.43 Tg C, 植被和土壤碳储量分别为179.04和433.39 Tg C, 占全省总碳储量的29.23%和70.77% (表6)。天然林总碳储量为501.42 Tg C, 是人工林的4.52倍。在天然林各森林类型中, 冷杉、云杉林较高的植被和土壤碳密度导致了其较大的碳储量, 占天然林生态系统碳储量的17.78%和18.51%。栎类和阔叶混交林面积较大, 合计占天然林面积的38.73%, 因此, 对天然林生态系统碳储量的贡献也大, 分别达16.12%和14.77%。在人工林各森林类型中, 面积分布大的森林类型其碳储量也大, 刺槐、杨树和云杉人工林面积合计占62.61%, 对人工林碳储量的贡献率分别达20.22%、17.15%和16.14%。
表6 甘肃省森林生态系统碳储量
Table 6 Forest ecosystem carbon stocks in Gansu Province
| 森林类型 Forest type | 天然林碳储量 Natural forest carbon stock (Tg C) | 人工林碳储量 Planted forest carbon stock (Tg C) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 面积 Area (100 hm2) | 植被层 Vegetation layer | 土壤层 Soil layer | 面积 Area (100 hm2) | 植被层 Vegetation layer | 土壤层 Soil layer | ||
| 冷杉 Abies fabri | 1 574 | 28.83 | 60.31 | 12 | 0.03 | 0.33 | |
| 云杉 Picea asperata | 1 929 | 21.44 | 71.35 | 485 | 1.51 | 16.41 | |
| 铁杉 Tsuga chinensis | 12 | 0.16 | 0.47 | - | - | - | |
| 落叶松 Larix gmelinii | 27 | 0.29 | 0.80 | 577 | 2.07 | 12.60 | |
| 油松 Pinus tabulaeformis | 292 | 2.45 | 5.26 | 475 | 2.30 | 6.71 | |
| 华山松 Pinus armandii | 544 | 4.06 | 11.74 | 156 | 0.97 | 2.72 | |
| 其他松类 Other pines | 9 | 0.08 | 0.19 | 9 | 0.04 | 0.16 | |
| 柏木 Cupressus funebris | 506 | 3.38 | 18.35 | 18 | 0.04 | 0.42 | |
| 栎类 Quercus spp. | 3 307 | 30.55 | 50.27 | 9 | 0.05 | 0.05 | |
| 桦木 Betula spp. | 1 813 | 12.28 | 29.03 | 6 | 0.02 | 0.04 | |
| 杨树 Populus spp. | 551 | 2.18 | 6.51 | 1 260 | 7.66 | 11.37 | |
| 刺槐 Robinia pseudoacacia | - | - | - | 3 189 | 5.74 | 16.71 | |
| 其他硬阔类 Other hardwood broad-leaved species | 1 650 | 14.50 | 23.85 | 1 091 | 3.23 | 7.86 | |
| 其他软阔类 Other softwood broad-leaved species | 631 | 3.02 | 7.91 | 164 | 0.80 | 1.65 | |
| 针叶混交林 Mixed coniferous forest | 42 | 0.47 | 1.23 | 39 | 0.15 | 0.20 | |
| 阔叶混交林 Mixed broad-leaved forest | 3 215 | 24.08 | 49.96 | 193 | 0.56 | 0.66 | |
| 针阔混交林 Mixed coniferous and broad-leaved forest | 736 | 4.63 | 11.77 | 198 | 1.46 | 6.50 | |
| 合计 Total | 16 838 | 152.41 | 349.01 | 7 881 | 26.63 | 84.38 | |
国家林业局自1994年森林资源清查时, 森林郁闭度标准从0.3改为0.2, 为采用统一标准比较不同时期森林固碳的动态变化, 本研究使用1996年、2001年、2006年和2011年连续4次甘肃省森林资源清查资料。此外, 由于土壤碳储量受植被类型及土壤类型等多因素的共同影响, 本研究仅比较植被层碳储量年变化及固碳速率。甘肃省天然林碳储量随时间变化呈上升趋势, 在1996年、2001年、2006年和2011年分别达到132.47、135.27、143.44和152.41 Tg C, 且中龄林和成熟林碳储量在各个时期比重最大, 占50.10%-53.88% (图2A)。人工林碳储量随时间的增加增幅较大, 从1996年到2011年增加了107.93%。人工林各龄组中, 幼、中龄林碳储量比重较大, 各个时期合计占人工林碳储量的63.70%-83.21% (图2B)。各个时期不同龄组中, 天然林植被碳储量以中龄林最高, 人工林以幼龄林最高。各个时期同一龄组天然林碳储量占全省植被碳储量的比例均高于人工林, 是人工林的5.53-10.34倍。天然林分别占同期全省碳储量的91.18%、90.33%、84.68%和85.13%, 说明天然林是甘肃省森林植被碳汇功能的主要贡献者, 同时人工林的碳汇功能正处于上升阶段。
图2 甘肃省天然林(A)、人工林(B)不同龄组植被层碳储量随时间的变化。
Fig. 2 Changes in vegetation carbon stocks for different age groups in natural forests (A) and plantations (B) with time of the national forest inventory in Gansu Province. YF, MAF, PMF, MF and OMF refer to young forest, middle-aged forest, pre-mature forest, mature forest and over-mature forest, respectively.
甘肃省天然林从1996年到2011年平均每年固碳1.33 Tg C, 比人工林高0.41 Tg C。天然林在1996- 2001年和2006-2011年两个5年期间平均固碳量均高于人工林, 分别高出0.23和1.65 Tg C。而在2001-2006年期间, 人工林的平均固碳量高于天然林, 这主要归因于1998年以来相继开展的“天然林资源保护工程”和“退耕还林”等一系列林业工程, 甘肃省加大了人工林种植面积, 幼、中龄林面积在5年期间共增加了86.04%, 使得人工林碳储量也相应增加了86.94%。
本研究通过样地调查结合森林资源清查资料, 得出甘肃省森林生态系统总碳储量为612.43 Tg C, 占我国森林生态系统的2.18%-3.74% (周玉荣等, 2000; 李克让等, 2003)。其中土壤碳为433.39 Tg C, 是植被碳储量的2.42倍, 约71%的碳储存于土壤中, 说明该区土壤碳库作为森林生态系统内最大的碳库, 将对未来气候变化发挥重要作用。甘肃省乔木层碳储量为170.80 Tg C, 比赵敏和周广胜(2004) (76.69 Tg C, 1989-1993年)、王效科等(2001) (71.92 Tg C, 1984-1988年)、吴庆标等(2008) (78.77 Tg C, 1996-2000年)的估算分别提高了122.71%、137.49%、116.83%, 表明甘肃省森林植被在近十几年来发挥着可观的碳汇作用。
甘肃省森林乔木层平均碳密度为69.10 Mg C·hm-2, 高于方精云等(2007)(41.0 Mg C·hm-2)和Zhang等(2013a)(40.12 Mg C·hm-2)分别估算的全国森林生态系统乔木层平均碳密度, 同时也高于同期毗邻省区陕西(31.38 Mg C·hm-2)(崔高阳等, 2015)和宁夏(18.53 Mg C·hm-2)(高阳等, 2014)。究其原因, 一方面是由于该区分布有大量云冷杉等寒温性针叶林, 为本区演替的顶级群落, 其面积和蓄积合计占全省森林的20.75%和39.19%, 森林碳储量在单位面积的积累较高。另一方面是方法性的差异, 目前对区域尺度的研究大多采用生物量转换因子连续函数法推算乔木层生物量, 乘以0.45或0.5作为碳密度, 而忽略了树种及器官间的差异, 使得结果具有一定差异(方精云等, 2007; Zhang et al., 2013a)。甘肃省天然林乔木层平均碳密度为86.75 Mg C·hm-2, 而人工林仅为31.39 Mg C·hm-2, 这是由于甘肃省人工林中有83.85%的乔木林面积处于幼、中龄林阶段, 具有较低的生物量碳。全国森林生物量碳有85.30%贮存在中龄林和成熟林中, 随着林龄的增加, 幼、中龄林在该区将发挥更大的碳汇潜力。甘肃省人工林平均土壤有机碳密度(107.07 Mg C·hm-2)接近于我国人工林平均水平(107.10 Mg C·hm-2)(刘世荣等, 2011)。天然林平均土壤碳密度为207.28 Mg C·hm-2, 远高于我国天然林平均水平(109.10 Mg C·hm-2) (刘世荣等, 2011), 这是由于云冷杉、柏木等寒温性针叶林具有较高的土壤有机碳密度, 利用其面积加权平均后, 全省仍处在一个高土壤碳密度水平。本研究中的云冷杉、柏木等寒温性针叶林的平均土壤有机碳密度为373.75 Mg C·hm-2, 接近于周玉荣等(2000)对全国云冷杉林土壤有机碳密度的估计值(360.79 Mg C·hm-2)。本研究中云冷杉、柏木等寒温性针叶林分布在海拔2191-3404 m, 且有部分森林为原始森林, 地表枯落物厚、温度低、土壤相对湿度大、冻结时间长, 土壤异养呼吸受到限制, 而有利于土壤有机质的积累(Tewksbury & van Miegroet, 2007), 使得该区土壤有机碳密度较高, 成为我国森林生态系统重要的土壤碳库。
图3 甘肃省天然林、人工林植被层年均固碳量。
Fig. 3 Mean annual carbon sequestration in natural forests and plantations in Gansu Province.
甘肃省天然林、人工林植被碳储量从1996年到2011年分别增加了19.95、13.82 Tg C, 年平均固碳量为1.33、0.92 Tg C·a-1, 高于同期山西省天然林(0.86 Tg C·a-1)和人工林(0.37 Tg C·a-1)年平均固碳量(王宁, 2014), 也高于同期青藏高原高寒区阔叶林年平均固碳量(0.64 Tg C·a-1)(王建等, 2016)。对不同时期来说, 甘肃省植被年平均固碳量(2.25 Tg C·a-1)低于四川省(含重庆)(6.05 Tg C·a-1, 1994-2003年)(黄从德等, 2008a)、广东省(3.25 Tg C·a-1, 1997-2007年) (叶金盛和佘光辉, 2010), 远高于黑龙江省(-2.28 Tg C·a-1, 1994- 2003年) (焦燕和胡海清, 2005)、辽宁省(1.91 Tg C·a-1, 1995-2000年) (王雪军等, 2008)等其他省份。说明甘肃省森林在全国森林中具有较强的碳汇功能, 在全国尤其是中西部森林碳库中占有重要地位。
造林和再造林是减缓CO2排放的主要途径之一(Steffen et al., 1998), 我国人工林自20世纪70年代末期以来导致的碳汇增加了0.45 Pg C, 对我国森林总碳汇的贡献率超过80% (Fang et al., 2001)。有研究表明, 在恰当的人为管理与经营下, 同一地区人工林(203 Mg C·hm-2)比天然林(162 Mg C·hm-2)具有较高的生物量碳密度(Baishya et al., 2009)。甘肃省 人工林面积达78.81 × 104 hm2, 且幼中龄林面积占83.85%, 各植被类型植被层碳密度较小(18.00- 73.78 Mg C·hm-2), 其碳储存密度尚未达到最大, 若能减少人为破坏与干扰, 加强营林管理, 幼、中龄林将是未来该区碳汇的最大潜力所在, 人工林在植被碳储量中的比例会不断提高。
森林碳汇的增加主要是来自森林再生长和增强生长, 从而有更多的有机碳进入森林生态系统。然而, 森林碳汇受自然和人为多种因素的影响, 如环境污染(Schimel, 1995)、氮沉降(Vetter et al., 2005)、森林采伐(Pennock & van Kessel, 1997)、土地覆被/利用变化(Wiesmeier et al., 2015)、甚至昆虫灾害(Kurz & Apps, 1999)等都会引起森林植被及土壤有机碳库的变化。因此, 准确地估算大尺度碳汇量具有一定难度, 需要在同一标准下更精细化的研究。对森林生态系统碳库的估算, 首先是量化乔木层、林下灌草层、枯落物层及土壤层的碳库分配特征。然而, 早期的研究仅是针对乔木层的碳汇研究, 由于方法间的差异, 使得对碳储量的估算具有一定的不确定性, 此外, 林下灌草层、枯落物、土壤等信息缺乏使得对森林生态系统碳库的动态研究成为难点。以国家第三次森林资源清查资料(1989-1993年)为基础, 方精云和陈安平(2001)、王效科等(2001)、赵敏和周广胜(2004)、吴庆标等(2008)采用不同方法估算甘肃省植被碳储量的结果分别为92.78、71.92、76.69、74.25 Tg C, 误差达8.86%-17.58%。
甘肃全省植被和土壤有机碳密度均高于全国及毗邻省区水平, 低于天山雪岭杉(Picea schrenkiana)的植被(92.57 Mg·C hm-2)和土壤有机碳密度(452.00 Mg·C hm-2) (许文强等, 2016), 其中存在的不确定因素较多。首先是来自土壤有机碳密度的误差, 土壤有机碳的空间变异性较大, 其大小受土壤类型、地形、气候、林龄及人为干扰等因素的共同影响。由于甘肃省地形复杂, 海拔3000 m以上的山原约占全省土地总面积的20%, 森林分布具有很大的异质性, 本研究中约有37%的样地分布在海拔2000-3400 m, 而海拔是导致针叶林土壤有机碳密度变异的主导因子(解宪丽等, 2004)。甘肃全省212个样地土壤有机碳密度范围为28.24-649.44 Mg C·hm-2, 变异系数为70.21%, 所有剖面土壤有机碳密度的频度分布呈右偏态分布, 但经过对数转化后通过K-S正态性检验(p > 0.05), 因而中位数(154.29 Mg C·hm-2)在统计学上更能代表该省的土壤有机碳密度平均水平, 但考虑到甘肃省森林分布的异质性, 本文在计算过程中使用了面积加权来计算各组分的碳密度, 也是土壤有机碳密度偏大的原因之一。其次, 本文虽遵循了《生态系统固碳现状、速率和潜力研究调查规范》的样点布设方法, 但在实际操作中并非完全随机布点, 而是倾向于调查易于接近和林分状况较好的林型, 可能造成区域森林碳储量的估算相对较高。另一方面由于20世纪60年代以来的乱砍滥伐, 甘肃省森林大面积(3.0 × 107 hm2)受到严重破坏, 因此在调查过程中天然林中仅云冷杉有过熟林, 且样地较少, 共计3个。这3个样地的林龄分别为: 170年、200年、220-270年左右的过熟林, 样地内云冷杉平均胸径分别为32.35、22.01和18.05 cm, 平均树高为15.62、10.60和14.03 m, 样地内除有60-90 cm的大径级乔木外, 林下更新情况较好, 存在较多的幼树, 因而具有较高的生物量碳密度。加之这3个样地海拔分别为: 3191、3404和3268 m, 均为原始森林, 地表枯落物相对较厚, 温度低, 土壤有机质分解缓慢, 因而土壤有机碳密度也相应较高。第三, 森林清查资料仅记录了胸径≥5 cm以上的乔木, 本研究乔木起测胸径为2 cm, 且2-5 cm胸径的乔木碳储量占甘肃省全部乔木碳储量的1.04%。也有研究表明, 20年以下人工林中胸径小于10 cm的乔木占整个样地生物量的15.1% (Preece et al., 2012), 若忽略胸径5 cm以下的乔木贡献量, 将增加区域尺度碳汇现状的估算误差。此外, 对森林生态系统碳库估算的另一误差是来自土壤剖面深度的差异, 由于部分研究区域土壤土层较薄, 若全部以1 m参考标准来估算区域尺度的土壤碳储量, 将增加估算误差。因此, 方法标准化、时间同步化, 并有效地结合不同时空尺度下的样地清查资料、野外监测数据、遥感数据的空间特征以及模型模拟等, 将有效地降低森林固碳估算的不确定性, 以更准确地反映区域及更大尺度的碳收支平衡。
致谢 感谢国家林业局西北林业调查规划设计院、甘肃省林业厅和各市林业部门在野外采样过程中的支持与配合。
The authors have declared that no competing interests exist.
作者声明没有竞争性利益冲突.
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