森林群落碳儲量的估算方法探討

森林生態(tài)系統(tǒng)因其巨大的有機(jī)碳儲存能力而受到全球變化的影響。準(zhǔn)確計算森林植被的碳儲量,分析評價其在氣候變化進(jìn)程中的調(diào)節(jié)功能,一直是森林生態(tài)學(xué)的重要研究內(nèi)容。對于植被碳儲量的計算,一般是通過測量植被的生物量再乘以其碳含量換算而來。目前,國內(nèi)外計算森林植被生物量通常采用的方法可歸納為3大類,即以森林蓄積量為基礎(chǔ)的生物量轉(zhuǎn)換因子法,以氣候和森林生境因子為參數(shù)的模型模擬法,及以遙感影像資料解析為手段的遙感估測法。雖然隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的迅速發(fā)展,遙感估測方法在森林植被碳儲量估算方面得到了廣泛應(yīng)用,但是我國森林植被碳儲量的估算仍以生物量法為主,這主要是因為我國對森林資源進(jìn)行了長期的連續(xù)監(jiān)測,積累了豐富的寶貴資料。以相同的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),Fang等采用生物量轉(zhuǎn)換因子法、趙敏等采用材積源生物量法、王效科等采用生物量清單法,分別估算了我國森林植被的碳儲量。但是,由于我國森林生境的高度異質(zhì)性和森林資源清查資料的復(fù)雜性,用這3種方法估算的森林碳儲量結(jié)果存在較大的差異。這種碳儲量計算結(jié)果的差異性,進(jìn)一步說明深入開展森林碳儲量研究工作的必要性,而區(qū)域尺度森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量估算結(jié)果的準(zhǔn)確性,則主要依賴于較小尺度范圍內(nèi)碳計量方法的可靠性。生物量轉(zhuǎn)換因子法、材積源生物量法和生物量清單法目前多用于全國或區(qū)域尺度上森林碳儲量的估算,本研究雖不能從數(shù)據(jù)運用和內(nèi)在計算機(jī)理上對其估算碳儲量結(jié)果的差異性進(jìn)行分析,但卻可以利用小尺度的樣地調(diào)查數(shù)據(jù),探討3種方法在林分尺度上計算森林植被碳儲量的可行性;并根據(jù)林分碳儲量的計算結(jié)果,明確給出這3種方法估算結(jié)果的差異范圍;最后依照適用原則、換算因子選定和森林群落結(jié)構(gòu)特征參數(shù)等相關(guān)研究內(nèi)容,以期為我國森林生態(tài)系統(tǒng)碳計量工作的開展提出合理建議。1材料和方法1.1國家級自然保護(hù)區(qū)概況研究地點位于北京市百花山自然保護(hù)區(qū)內(nèi),該保護(hù)區(qū)位于北京市門頭溝清水鎮(zhèn)境內(nèi),地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°25′~115°42′,北緯39°48′~40°05′,海拔2030m,1800m以上為亞高山草甸帶,屬于中溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū),年均溫6~7℃,年降水量595mm。該保護(hù)區(qū)始建于1985年,于2008年升級為國家級自然保護(hù)區(qū),經(jīng)營管理總面積達(dá)21743.1hm2,森林覆蓋率達(dá)70.36%,植被類型多為破壞后待恢復(fù)的山地混合森林生態(tài)系統(tǒng),其中,針葉林多為20世紀(jì)70年代種植的人工林,主要樹種為華北落葉松(Larixgmeliniivar.principis-rupprechtii)、油松(Pinustabulaeformis)等;闊葉林為次生林,主要樹種為栓皮白樺(Betulaplatyphyllavar.phellodendroides)、堅樺(Betulachinensis)、遼東櫟(Quercuswutaishanica)、山楊(Populusdavidiana)、胡桃楸(Juglansmandshurica)等。1.2調(diào)查樣地設(shè)置及調(diào)查方法2009-08,在百花山主峰西坡上,根據(jù)海拔梯度的變化,分別在海拔為900,1400和1900m的山坡處,調(diào)查針葉純林和闊葉混交林2種群落類型,每一海拔梯度每種林分類型分別設(shè)定3塊20m×20m的調(diào)查樣地。本研究中2種林分類型共調(diào)查18塊樣地,以增強(qiáng)研究結(jié)果對百花山自然保護(hù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的代表性。對每塊樣地內(nèi)的喬木進(jìn)行每木檢尺,記錄每株樹的高度、胸徑(Diameteratbreastheight,DBH)等指標(biāo)(表1);樹木的高度用激光測高測距儀(型號:VL400,產(chǎn)地:瑞典)測定,在距地面1.3m處用胸徑尺測量每株樹木的胸徑,樣地調(diào)查中只記錄胸徑大于4cm的樹木。1.3林分蓄積量和碳儲量的計算根據(jù)調(diào)查得到的樹木形態(tài)學(xué)變量(樹高、胸徑),分別按照平均實驗形數(shù)法和一元立木材積表計算每塊調(diào)查樣地內(nèi)林分的單位面積蓄積量,然后分別參照以下3種方法計算林分的生物量和碳儲量。1林分蓄積量v式中:y為單位面積林分生物量(t/hm2),v為林分蓄積量(m3/hm2),a、b分別為回歸系數(shù)和計算參數(shù),不同樹種a、b的取值主要參考方精云等的研究結(jié)果。21材料積源生物量法式中:B和V分別是林分的生物量(t/hm2)和蓄積量(m3/hm2),a、b為常數(shù),不同樹種a、b的取值主要參考趙敏等的研究結(jié)果。3林分密度和干物質(zhì)密度的選擇式中:Y是林分生物量(t/hm2),V是林分單位面積的蓄積量(m3/hm2),D是樹干密度(kg/m3),R是樹干生物量占喬木層生物量的比例。不同樹種的樹干密度(D)主要參考中國林科院林業(yè)木工研究所的研究結(jié)果,R則選取前人研究結(jié)果的平均值51.83%。在按上述方法求得森林生物量后,皆乘以50%的含碳率求得森林群落的碳儲量。1.4森林碳儲量與群落特征指標(biāo)及相關(guān)性分析變異系數(shù)(CV)按公式CV=SD/Mean×100%計算,其中SD為標(biāo)準(zhǔn)差,Mean為均值。每塊樣地的森林碳儲量是樣地中所有喬木碳儲量的累加值,圖2~5是對森林碳儲量與群落特征指標(biāo)平均值的相關(guān)性分析,圖中數(shù)據(jù)來自2種林分類型共18塊樣地的調(diào)查結(jié)果,對按形數(shù)法和材積表法計算的蓄積量分別進(jìn)行分析。方差分析和相關(guān)性分析皆用SPSS16.0軟件完成,用Duncan方法檢驗結(jié)果間差異在α=0.05水平上的顯著性;作圖利用Sigmaplot10.0軟件完成。2結(jié)果與分析2.1不同蓄積量和碳儲量的計算結(jié)果百花山自然保護(hù)區(qū)2種林分的蓄積量和碳儲量見表2。由表2可知,用形數(shù)法求得的針葉林和闊葉林的蓄積量分別比材積表法高14.25%和12.62%,以形數(shù)法蓄積量推導(dǎo)出的針葉林和闊葉林的碳儲量又分別比以材積表法蓄積量求得的碳儲量高12.46%和10.96%,但t檢驗結(jié)果顯示,這2種方法對林分蓄積量和碳儲量的計算結(jié)果沒有顯著影響。可見,蓄積量計算方法的選擇不會影響到林分碳儲量的計算結(jié)果。2.2不同方法對于森林碳儲量計算結(jié)果的影響由圖1A可知,采用生物量轉(zhuǎn)換因子法和生物量清單法求得的針葉林的碳儲量顯著高于材積源生物量法。以形數(shù)法蓄積量為基礎(chǔ),針葉林每公頃的碳儲量為65.02t(材積源生物量法)~89.00t(生物量轉(zhuǎn)換因子法),3種方法碳計量結(jié)果間的變異系數(shù)為16.68%;以材積表法蓄積量為基礎(chǔ),針葉林每公頃的碳儲量為59.41t(材積源生物量法)~78.80t(生物量清單法),碳計量結(jié)果間的變異系數(shù)為14.81%。圖1B顯示,3種計量方法對闊葉林碳儲量的計算結(jié)果沒有顯著影響。以形數(shù)法蓄積量為基礎(chǔ),闊葉林每公頃的碳儲量為51.90t(材積源生物量法)~58.91t(生物量轉(zhuǎn)換因子法),碳計量結(jié)果間的變異系數(shù)為6.40%;以材積表法蓄積量為基礎(chǔ),闊葉林每公頃的碳儲量為47.55t(材積源生物量法)~52.90t(生物量轉(zhuǎn)換法),碳計量結(jié)果間的變異系數(shù)為5.65%。2.3平均樹高與林分碳儲量的相關(guān)分析對平均樹高與林分碳儲量的相關(guān)性進(jìn)行分析,結(jié)果見圖2。2.4林分碳儲量與林分平均胸徑的關(guān)系除材積源生物量法以材積表蓄積量為基礎(chǔ)求得的林分碳儲量與林分平均胸徑之間無明顯的相關(guān)性外(圖3B),用其他方法計算的林分碳儲量皆與林分平均胸徑之間表現(xiàn)出顯著的線性相關(guān),即林分碳儲量隨著平均胸徑的增加而增大(圖3),其中,研究區(qū)域內(nèi)林分碳儲量有25.4%~51.7%的變異是由平均樹木胸徑引起的。由形數(shù)法和材積表法求林分蓄積量的原理可知,樹木胸徑是計算林分蓄積量的關(guān)鍵參數(shù),而林分蓄積量又是推導(dǎo)林分生物量的決定性因子。2.5以形數(shù)法計算林分碳儲量的碳計量結(jié)果圖4結(jié)果顯示,林分碳儲量隨著基蓋度的增加而增大,二者之間呈現(xiàn)出極顯著的線性相關(guān)關(guān)系,而這種相關(guān)性在以材積表法蓄積量為基礎(chǔ)的計算結(jié)果中表現(xiàn)得更加明顯。用3種碳計量方法求得的林分碳儲量中有53%~79%的變異是由其基蓋度的變化引起的;而在以形數(shù)法蓄積量為基礎(chǔ)的碳計量計算結(jié)果中,基蓋度僅能解釋林分碳儲量變異的26%~51%。由圖5可以看出,無論是以形數(shù)法蓄積量還是以材積表法蓄積量為基礎(chǔ),用3種碳計量方法求得的林分碳儲量與喬木的密度之間均無相關(guān)關(guān)系。3碳計量結(jié)果的驗證森林蓄積量作為表征森林?jǐn)?shù)量的重要指標(biāo),是對其生長的立地條件、氣候條件、林齡以及經(jīng)營措施等各種因素的綜合反映。雖然有關(guān)森林蓄積量與生物量間關(guān)系的探討還在持續(xù),但在由森林蓄積量推導(dǎo)森林生物量的有效性這一認(rèn)識上卻不存在異議。本研究分別采用形數(shù)法和材積表法計算百花山自然保護(hù)區(qū)森林的蓄積量,這2種計算結(jié)果間沒有顯著性差異;分別以這2種方法求得的蓄積量為基礎(chǔ),采用不同方法求得的林分碳儲量間也沒有顯著性差異。這表明蓄積量計算方法的選擇,對林分的碳計量結(jié)果不會產(chǎn)生影響。在選擇的3種碳計量方法中,生物量轉(zhuǎn)換因子法和材積源生物量法是基于相同的理論,只是在森林蓄積量與生物量之間的具體換算關(guān)系上存在爭議。生物量清單法雖然也是以蓄積量為基礎(chǔ),卻是結(jié)合樹干密度以及樹干與總生物量的比值等參數(shù)推算林分生物量的。有關(guān)這3種計量方法的詳細(xì)信息以及相互之間的區(qū)別已有較多闡述。分別以形數(shù)法和材積表法蓄積量為基礎(chǔ),用這3種方法計算百花山自然保護(hù)區(qū)針葉林的碳計量,結(jié)果為65.02~89.00t/hm2和59.41~78.80t/hm2,闊葉林的碳儲量為51.90~58.91t/hm2和47.55~52.90t/hm2。這些計算結(jié)果皆高于華北和北京地區(qū)森林平均每公頃的碳儲量,這主要是因為本研究的地點位于自然保護(hù)區(qū)內(nèi),森林群落受干擾程度小,在生長狀況、物種組成和年齡結(jié)構(gòu)等方面要優(yōu)于大尺度范圍內(nèi)森林的平均水平;但這些計算結(jié)果與1989-1993年期間森林資源調(diào)查中中齡林和成熟林的單位面積碳儲量比較相符,這是因為本研究所調(diào)查的林分也主要處在這一林齡發(fā)育階段。本研究結(jié)果證實,除對較大區(qū)域內(nèi)森林碳儲量的估算外,這3種方法同樣可用于對小尺度內(nèi)森林碳儲量的計算。利用生物量轉(zhuǎn)換因子法和材積源生物量法對林分碳儲量進(jìn)行計算的過程中,不同樹種的生物量轉(zhuǎn)換參數(shù)主要借鑒方精云等和趙敏等的研究結(jié)果。雖然本研究結(jié)果支持這2種方法在溫帶山地森林群落的應(yīng)用,但其對針葉林的碳計量結(jié)果還存在顯著差異,進(jìn)而表明應(yīng)用這2種方法估算特定研究區(qū)域內(nèi)森林生物量的關(guān)鍵是蓄積量與生物量間的關(guān)系以及換算參數(shù)的選擇和確定。生物量清單法的計算過程比較直觀易懂,木材的密度主要參照中國林科院林業(yè)木工研究所的研究結(jié)果,樹干占喬木層的比值則選取平均值51.83%,因該比率受樹種和立地條件等多因素的影響,將其視為恒定值則會產(chǎn)生碳計量結(jié)果上的誤差。在本研究中,生物量清單法的碳計量結(jié)果與生物量轉(zhuǎn)換因子法比較接近,故3種方法的碳計量結(jié)果間存在可比性。盡管只是選擇小面積的2種林分類型對這3種方法進(jìn)行了驗證,但它們對針葉林和闊葉林碳計量結(jié)果間的變異仍高達(dá)14.81%和5.65%,反映出無論是在小尺度還是在區(qū)域尺度上對森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量進(jìn)行估算時,其計算結(jié)果與真實值之間還存在很大偏差,因此,在今后的碳計量工作中,急需從理論上對各計量方法統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)并規(guī)范轉(zhuǎn)換參數(shù)的合理取值。除蓄積量外,林分碳儲量還與其生物學(xué)特性如樹高、胸徑以及基蓋度等指標(biāo)之間存在很強(qiáng)的線性相關(guān)關(guān)系,而林分的植株密度則對林分碳儲量沒有明顯影響。這是因為本研究中林分的蓄積量主要是根據(jù)樹高和胸徑的測量值計算得來的。由于這些指標(biāo)簡單易測,所以在對中齡林的碳計量工作中,獲取林分形態(tài)學(xué)特征的準(zhǔn)確測量值,是保證碳計量結(jié)果準(zhǔn)確度的一個重要前提。準(zhǔn)確計算不同生境下森林群落的碳儲量,是科學(xué)評價一個地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮碳源/匯功能的關(guān)鍵步驟。本研究以小面積的山地森林群落為對象,通過3種不同