环境清洁发展机制森林碳汇量评估研究进展

环境清洁发展机制森林碳汇量评估研究进展

工业以来，世界大气中的中部、ch4和t2o温室气体浓度显著增加，其中中部气体浓度从工业前的280ml[m-3]增加到2005年的379ml[m-3]。1997年《京都议定书》以法律的形式规定了工业化国家分阶段的温室气体减少排放限额,2001年达成的《波恩政治协定》同意实施环境清洁发展机制(CDM)林业碳汇项目。森林作为陆地生态系统的主体,通过光合作用将CO2生成有机物而固定碳,除去自身的呼吸消耗、植食者啃食、枯落物分解、林木采伐和灾害损失外,有机碳储存在现存生物量、枯落物和林地土壤有机质中。森林的碳汇功能作为减少空气中温室气体浓度,减缓全球温室效应的重要途径,已经成为环境与林业科技工作者研究的热点问题。由于森林具有丰富多样的植被类型、地貌及土壤性状,碳密度在空间与时间尺度上表现出剧烈波动,因此精确地基于小区域尺度的森林碳汇量评估,对于准确评价区域与全球尺度的森林碳汇量,实施CDM碳汇项目及碳贸易具有关键性的基础作用。但已有的研究多注重大尺度评价或植被地上部分的生物量与碳储量;作为林分尺度的研究,由于取样困难而多通过经验模型推导,土壤的研究资料则更少。华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)是华北地区高山林带人工造林的主要树种,本文在对林分生物量、枯落物生物现存量与土壤有机质调查的基础上,对该地区华北落叶松人工林的碳汇功能进行了初步研究。1研究领域的总结和研究方法1.1华北落叶松人工林研究区所在的河北省木兰林管局位于河北省围场满族蒙古族自治县境内,属阴山、大兴安岭、燕山余脉的汇接地带,为滦河上游地区,地理坐标为北纬41°35′~42°40′,东经116°32′~117°14′,海拔高度750~1800m。属半干旱向半湿润过渡、寒温带向中温带过渡地带,大陆性季风型山地气候,无霜期67~128d,年平均气温-1.4~4.7℃,极端最高气温38.9℃,极端最低气温-42.9℃,年均降水量380~560mm,主要集中在7~9月。华北落叶松人工林在研究区多分布在海拔800~1800m山地阴坡、半阴坡,以纯林为主;林分郁闭度高,林下植被稀少,主要有披针叶苔草(CarexlanceolataBoott.)、土庄绣线菊(SpiraeapubescensTurcz)、小叶鼠李(RhamnusparvifolaBeg.)等,伴生有少量油松(PinustabulaeformisCarr.)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)等树种。土壤以山地棕壤、灰色森林土、褐土与高山草甸土为主,土层厚度为30~120cm,pH6.0~7.0,质地从黏质到沙质。1.2.4.4酶活性测定根据木兰林管局的林分资源特点,分林龄、林木密度、土壤、坡向与坡位共选取14~49年生落叶松标准地24块。野外生物量调查采用标准地法。标准木通过每木检尺与树高测量,绘制树高曲线;选取平均标准木1株,实测各器官(干、枝、叶、根)的生物量鲜重并取样,按2m区分段实测树干蓄积;枯落物、草本植物按对角线每个标准地内设5个1m2样方称鲜重并取样,灌木设5个2m×2m样方称鲜重并取样;土壤有机质按对角线法每个样地内选取5个土壤剖面,以挖到母质层为止,按20cm机械分层,用环刀测定容重,并取样用于测定土壤有机质。所取树木的鲜样85℃烘干,计算生物量总干重,并按含碳率树干(含皮)50.29%、枝51.00%、叶51.07%、根53.37%、灌49.87%、草45.00%、枯落物51.07%、木质残体(根桩)53.37%计算含碳量。土壤有机碳采用重铬酸钾法测定。试验数据采用DPS系统软件分析。2结果与分析2.1标准木不同器官生物量占总生物量的比例林木生物量是树木多年生长的营养积累,调查分析表明,华北落叶松林木的生物量总体上表现为随林龄、胸径增加而增加,且与胸径显著相关(图1)。标准木不同器官生物量占总生物量的比例为:树干60.56%(43.51%~70.51%)、根18.03%(13.60%~26.15%)、枝14.43%(6.13%~25.12%)、叶6.98%(1.94%~17.46%),树干>根>枝>叶。虽叶生物量所占比重最小,但每年有大约6%左右的生物量随叶凋落到达地表层并进一步向土壤中转化,是凋落层生物现存量与土壤有机质重要的来源。2.2碳储量对华北落叶松生长的影响林木的碳储量由林木生物量与含碳率所决定,虽然不同林木器官的含碳率不同,但差异(<7%)较小,因此林木碳储量同样表现出随林龄与胸径增加而增加。不同器官的碳贮量也主要由其生物量所决定。华北落叶松不同器官碳储量占树木总碳储量的比例为:树干59.19%(42.88%~66.17%)、根18.86%(13.75%~27.23%)、枝4.43%(6.11%~19.67%)、叶6.99%(1.95%~12.17%),树干>根>枝>叶。由于树干是林木最稳定、保存最长久的器官,因此树干所固定的碳是最稳定的部分,枝、叶、根所固定的碳较树干而言分解较快,但部分有机碳会进入土壤而长期固定下来。2.3地表枯落物情况林分有机碳储存于林木、地被灌草、地表枯落物、土壤与木质残体中,林分中不同组分碳储量占林分总碳储量的比例为: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%)、木质残体0.44%(0~2.21%)。可见在华北落叶松人工林中林木与土壤是储存有机碳最主要的组分,灌木、草本植物所占比例很小,野外调查与测算中可忽略不计,地表枯落物与木质残体所占比重较高,应予以重视。2.4林木生物量值的验证生物量转换因子法(BEF)是利用林分生物量与林木蓄积比值的平均值乘以该森林类型的总蓄积量得到该类型森林的总生物量的方法。森林资源清查资料包括各树种的面积和蓄积量,但是却无法给出它们的生物量值。林分立木蓄积量综合反映了林龄、立地、个体密度和林分状况等因素的变化,同时树干的材积与其他器官的生物量存在很强的相关关系,利用树干材积推算森林总生物量是可行的。本调查结果表明,华北落叶松人工林的生物量与蓄积量比值,即生物量转换因子(BEF)在0.7416与1.0935之间,平均0.8700(图2)。2.5碳储量与蓄积量关联模型华北落叶松人工林林分生物量(W)、碳储量(C)与蓄积量(M)三者存在明显的线性关系(图3),这与已有的研究提出的生物量与蓄积量间存在线性关系相符,因此以蓄积量为基础建立生物量与碳储量估测模型:从图3可知,林分碳储量的变化幅度较大,同林木蓄积量、林木生物量、林木碳储量的关联并不紧密,这是由于林分碳储量主要受林木与土壤有机碳的影响,而土壤碳储量并非完全受现有林的影响而受到土壤类型、厚度、质地、坡位以及林地经营历史、气候等因素的影响。2.6碳密度对土壤有机碳储量的影响土壤碳库是陆地生态系统中最大最活跃的碳库之一,是全球碳循环的核心。森林生态系统相对于其他生态系统如草地、农田等,土壤有机质含量较高,是重要的碳汇。但我国土壤固碳的资料较少目前多见于农业。在林分各组分中,土壤碳储量(Soc)是林分碳储量最重要的组成部分,占总碳储量的50%~80%。本次调查表明华北落叶松人工林土壤层厚度变化在30~120cm,这与通常采用1.0m的深度进行估测有较大的差距;土壤有机碳密度主要由有机质含量决定,不同林地间的有机质含量差异较大,碳密度对土壤碳储量的影响大于土壤层厚度与容重,同一土壤剖面中有机碳分布随深度的增加而减小。由于土壤中有机碳主要存在于土壤有机质中,而土壤有机质是林地地位级的主要影响因素林木优势木平均高则是反映林地地位级最易测定的林分因子,因此以林龄(A)和3株优势木平均高(H)建立土壤有机碳(Soc)拟合方程:土壤有机质含量对林分碳储量影响很大,减少人类干扰,提高森林经营水平,促进凋落物向土壤有机质转换是提高林地碳储量的重要途径之一。2.7估测的可行性林分碳储量的测定涉及大量林分因子野外测定与室内化验,通过已有森林调查数据建立转换模型进行碳储量估测是可行的。本次研究选取与碳密度关系紧密的林龄(A)、林木密度(N)、平均胸径(D)、平均树高(h)、林木优势木平均高(H)与郁闭度(S)共6项常规林分因子,进行数据拟合建立林地碳密度(C估测模型:模型在0.01水平下显著,因此针对某一具体林型通过常规林分因子预测碳密度是可行性的。2.8林分碳密度与密度本次调查及通过模型估测,木兰林管局华北落叶松人工林林分碳密度为67.16~444.19t·hm-2,平均206.02t·hm-2,是重要的碳汇。林木碳密度13.82~82.03t·hm-2,平均40.55t·hm-2。按现有林木平均蓄积量59.925m3·hm-2计算,林木平均碳密度为27.58t·hm-2,这低于方精云估算的1981~2000年全国森林植被的平均碳密度(41.0Mg·hm-2),与陈遐林计算的华北地区华北落叶松林木平均碳密度(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,这远超出通常使用的Dupouey(1991年)的换算系数70t·hm-2。但本次研究也表明即使林龄相同的林分,不同林分碳密度、林木碳密度与土壤碳密度仍存在较大差异因此提高林分的碳汇能力应加强经营水平,提高林木蓄积,改善立地条件,促进枯落物向土壤有机质转化。木兰林管局现有华北落叶松人工林2.77×104hm2,林木蓄积166.21×104m3。采用以上研究结果推算的总碳储量约为571.43×104t,其中林木生物量约150.00×104t、碳储量约为76.49×104t、土壤碳储量约435.85×104t。3碳储量与林分有机碳的关系森林碳汇功能评估通过森林生物现存量的实地调查仍存在较大的误差,林地蓄积、土壤有机质含量、土壤厚度和石砾含量、枯落物存量、不同植被与器官的含碳率变化等多方面因素影响有机碳的储量,因此实施具体的碳汇项目落实到小班才是较可靠的评估方法。林木不同器官生物量排序为干>根>枝>叶树干生物量积累最多;碳储量排序同样为干>根>枝>叶,树干是有机碳储存最多的部分。林分有机碳主要存在于土壤与林木中,尤其是土壤碳储量占林分总碳储量的比重最大,枯落物中有机碳也占有较大的比重,其他组分相对较少。林木碳储量、林木生物量、林木蓄积量间存在明显的线性关系,以林木蓄积