遼東山區(qū)兩樹種樹干固體碳儲(chǔ)量特征

遼東山區(qū)兩樹種樹干固體碳儲(chǔ)量特征

co2體積的增加是世界氣候變化的主要?jiǎng)恿?，已得到廣泛的共識(shí)。IPCC第四次評(píng)估報(bào)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(xiǎn)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(yán)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(duì)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(jī)碳來增加陸地生態(tài)系統(tǒng)碳貯量以達(dá)到減緩全球變暖速度的目的?！毒┒甲h定書》明確提出:人類可以通過對(duì)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(guó)家的碳減排份額。清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)的出臺(tái)為發(fā)展中國(guó)家提供了生態(tài)環(huán)境建設(shè)的良好契機(jī)。結(jié)合我國(guó)國(guó)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(guó)碳貿(mào)易的生物固碳方式。我國(guó)是世界人工林面積最大的國(guó)家,人工造林面積居世界第一。據(jù)統(tǒng)計(jì),1980—2005年間,通過持續(xù)開展植樹造林和森林管理活動(dòng),累計(jì)凈吸收CO246.8億t;通過控制毀林,減少排放CO24.3億t,兩項(xiàng)合計(jì)51.1億t。全國(guó)森林凈吸收的CO2相當(dāng)于同期工業(yè)排放總量的8%,對(duì)減緩全球氣候變暖步伐作出了貢獻(xiàn)。FAO《2009世界森林資源狀況》評(píng)估報(bào)告再次肯定了中國(guó)森林資源持續(xù)增長(zhǎng)的成就,同時(shí)肯定了我國(guó)林業(yè)成就對(duì)減緩氣候變化的重要意義。2009年我國(guó)發(fā)布了《應(yīng)對(duì)氣候變化林業(yè)行動(dòng)計(jì)劃》,堅(jiān)持?jǐn)U大森林面積和提高森林質(zhì)量相結(jié)合,堅(jiān)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(jìn)全民義務(wù)植樹和實(shí)施重點(diǎn)工程造林等適應(yīng)和減緩氣候變化的行動(dòng)。林業(yè)措施是促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、維護(hù)國(guó)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(biāo),已成為國(guó)際研究熱點(diǎn)。造林在區(qū)域尺度上對(duì)全球碳循環(huán)的貢獻(xiàn)受到國(guó)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(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)象,剖析了兩種樹種樹干碳素積累過程的特征,對(duì)比了二者各林齡段內(nèi)樹干碳素儲(chǔ)量的動(dòng)態(tài),研究了二者不同器官碳素儲(chǔ)量的格局,旨在探索兩樹種的固碳規(guī)律,為科學(xué)評(píng)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(guó)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(hù)工程的實(shí)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(dá)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(dá)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(dá)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(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,pH值為6~7。2學(xué)習(xí)方法2.1測(cè)定項(xiàng)目及內(nèi)容樣本采集區(qū)設(shè)置在冰砬山林場(chǎng)內(nèi),對(duì)長(zhǎng)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(jìn)行調(diào)查。共調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)地7塊,其中長(zhǎng)白落葉松林標(biāo)準(zhǔn)地3塊(記為C1、C2、C3),蒙古櫟林標(biāo)準(zhǔn)地4塊(記為M1、M2、M3、M4)。標(biāo)準(zhǔn)地面積均為600m2(20m×30m),進(jìn)行每木檢尺,由實(shí)測(cè)胸徑和樹高計(jì)算得到各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)地中分別選取1株樣木作為標(biāo)準(zhǔn)木,標(biāo)準(zhǔn)木及其所在標(biāo)準(zhǔn)地的基本情況見表1。2.2測(cè)定指標(biāo)及方法將標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行樹干解析,收獲樹干、樹枝、樹葉并且現(xiàn)場(chǎng)稱取其鮮質(zhì)量,然后取樣測(cè)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(gè)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(gè)部位進(jìn)行樹枝和樹葉的取樣,然后帶回實(shí)驗(yàn)室等比例混合樹枝和樹葉的3個(gè)樣品。標(biāo)準(zhǔn)木樹干按照樹干高度等分4段在各段基部進(jìn)行取樣,帶回實(shí)驗(yàn)室等量混合4個(gè)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(cè)定則以干基為中心,取營(yíng)養(yǎng)面積大小(大于標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)白落葉松屬于淺根樹種,挖掘深度達(dá)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(xì)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(xì)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(shí)驗(yàn)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(zhǎng)白落葉松以2a為一個(gè)齡階,蒙古櫟以5a為一個(gè)齡階,然后用直尺準(zhǔn)確測(cè)量每個(gè)圓盤各齡階東西、南北兩條直徑線上的直徑,計(jì)算出兩個(gè)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(yùn)用Forstat2.0軟件求得樹高、胸徑、材積的總生長(zhǎng)量、連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量。取烘干的樹干、樹枝、樹葉和樹根混合樣品粉碎后測(cè)定其碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。考慮到在分析時(shí)樣品的實(shí)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(shí)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(jìn)行第2次粉碎,然后依此法進(jìn)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(cè)定樹干、樹枝、樹葉、樹根的碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)。兩種樹種各器官碳素質(zhì)量分?jǐn)?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(jì)ct參照測(cè)樹學(xué)材積連年生長(zhǎng)量、平均生長(zhǎng)量和總生長(zhǎng)量,通過木材密度和樹干有機(jī)碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)將材積連年生長(zhǎng)量、平均生長(zhǎng)量和總生長(zhǎng)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(chǔ)量(C)。連年碳素積累量為樹木在一定齡階內(nèi)(長(zhǎng)白落葉松為2a、蒙古櫟為5a)的平均碳素儲(chǔ)量;平均碳素積累量為樹木生長(zhǎng)至某一年齡時(shí)的平均碳素儲(chǔ)量,總碳素儲(chǔ)量為林木生長(zhǎng)至某一年齡時(shí)的實(shí)際碳素儲(chǔ)量。平均碳素密度是用來表征單位材積樹干碳素儲(chǔ)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(chǔ)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(zhǎng)量(m3);θ為材積平均生長(zhǎng)量(m3);T為材積總生長(zhǎng)量(m3);c為樹干碳素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%);DˉˉˉDˉ為樹干平均碳素密度(kg·m-3);Ct為樹干總碳素儲(chǔ)量(kg)。采用SPSS13.0軟件對(duì)長(zhǎng)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(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)幅度很大。其中,0~8a時(shí)碳素積累量增長(zhǎng)緩慢;9~14a時(shí)碳素積累加快;15~32a時(shí)碳素積累迅速,碳素積累量由0.719kg增加到了4.590kg;33~46a時(shí)碳素積累量增長(zhǎng)變慢。樹干平均碳素積累量在0~8a時(shí)增幅不大,9~14a時(shí)增幅開始增大,15~32a時(shí)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(shí)碳素積累緩慢;11~20a時(shí)碳素積累迅速,碳素積累量由0.398kg達(dá)到了1.938kg;21~35a時(shí)碳素積累量增長(zhǎng)變緩;36~50a時(shí)碳素積累量增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定。樹干平均碳素積累量在0~10a時(shí)增幅不大,11~20a時(shí)增幅明顯,21a后增長(zhǎng)變緩。a1為長(zhǎng)白落葉松連年碳素積累量;a2為長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)成熟齡基本吻合。3.2蒙古櫟人工林的其4.4%對(duì)于涂層厚度的生長(zhǎng)和碳儲(chǔ)量由圖2可知:長(zhǎng)白落葉松前14a碳素儲(chǔ)量為4.152kg,碳素儲(chǔ)量貢獻(xiàn)率為3.38%;15~32a為54.04kg,貢獻(xiàn)率為43.97%;33~46a為64.703kg,貢獻(xiàn)率為52.65%。46年生長(zhǎng)白落葉松96.62%的碳素儲(chǔ)存集中在14a后。長(zhǎng)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(chǔ)量為2.196kg,碳素儲(chǔ)量貢獻(xiàn)率為2.24%;11~20a為14.264kg,貢獻(xiàn)率為14.54%;21~50a為81.648kg,貢獻(xiàn)率為83.22%(圖2)。50年生蒙古櫟97.76%的碳素儲(chǔ)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(zhǎng)白落葉松生長(zhǎng)組生長(zhǎng)情況從長(zhǎng)白落葉松(平均年齡50a)和蒙古櫟(平均年齡53a)單木碳素儲(chǔ)量(見表4)來看,兩個(gè)樹種器官碳素儲(chǔ)量的分布特征相同,均為干>根>枝>葉。51~54年生長(zhǎng)白落葉松樹干碳素儲(chǔ)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(chǔ)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(zhǎng)的影響長(zhǎng)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(shí)連年碳素積累量開始明顯增長(zhǎng),蒙古櫟在21a時(shí)連年碳素積累量增長(zhǎng)開始變慢,而長(zhǎng)白落葉松在33a時(shí)增長(zhǎng)開始變緩,其碳素快速積累期要比蒙古櫟長(zhǎng)12a,長(zhǎng)白落葉松的固碳能力隨林齡而增加。長(zhǎng)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(zhǎng)二者差距逐漸拉大。長(zhǎng)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(chǎng)長(zhǎng)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(chǎng)長(zhǎng)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(duì)比兩個(gè)地區(qū)的氣候條件,大邊溝長(zhǎng)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(zhǎng)白落葉松的生長(zhǎng),導(dǎo)致冰砬山的長(zhǎng)白落葉松碳素快速積累期較長(zhǎng),碳素積累成熟年齡也較長(zhǎng)。25a之前蒙古櫟樹干總碳素儲(chǔ)量略大于長(zhǎng)白落葉松,二者相差很小;26a之后長(zhǎng)白落葉松樹干碳素儲(chǔ)量大于蒙古櫟,而且它們之間的差距逐漸增大。長(zhǎng)白落葉松46a時(shí)樹干碳素總儲(chǔ)量為122.89kg,蒙古櫟50a時(shí)為98.11kg,長(zhǎng)白落葉松樹干總碳儲(chǔ)量是蒙古櫟的1.25倍。長(zhǎng)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(zhǎng)白落葉松樹干的碳素積累能力要強(qiáng)于蒙古櫟。作為植被固碳最主要的部分,長(zhǎng)白落葉松樹干碳素儲(chǔ)量占單木總碳素儲(chǔ)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(zhǎng)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(zhǎng)白落葉松多。撫順大邊溝林場(chǎng)長(zhǎng)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(chǎng)長(zhǎng)白落葉松樹干平均碳密度略大些,這與冰砬山林場(chǎng)長(zhǎng)白落葉松碳素積累成熟齡大、碳素積累過程長(zhǎng)有密切的關(guān)系,長(zhǎng)時(shí)期、慢積累使得樹干內(nèi)平均碳素密度也較高。46年生長(zhǎng)白落葉松96.62%的碳素儲(chǔ)存集中在14a后,50年生蒙古櫟97.76%的碳素儲(chǔ)存集中在11a后。由此可見,前10a兩樹種的碳素積累貢獻(xiàn)較小,10a之后碳素積累貢獻(xiàn)顯著。因此,在森林經(jīng)營(yíng)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(jì)、社會(huì)和生態(tài)綜合效益。從長(zhǎng)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(chǔ)量來看,長(zhǎng)白落葉松干、根平均碳素儲(chǔ)量大于蒙古櫟,蒙古櫟枝、葉平均碳素儲(chǔ)量大于長(zhǎng)白落葉松,長(zhǎng)白落葉松單木平均總碳素儲(chǔ)量大于蒙古櫟,而且是蒙古櫟的