祁连山青海云杉林生物量与碳储量及其影响因素分析
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林业科学 现代农业科技2017年第12期 祁连山青海云杉林生物量与碳储量及其影响因素分析 刘建泉1,2李进军 郝虎 王零 邸华 ( 甘肃祁连山国家级自然保护区管理局,甘肃张掖734000; 甘肃安南坝野骆驼国家级自然保护区管理局) 摘要在样地调查的基础上,利用青海云杉胸径一材积的一元模型、青海云杉林蓄积一生物量模型、相关分析和主成分分析法.对甘 肃祁连山青海云杉林的蓄积量、生物量、碳储量以及影响青海云杉林碳储量的主要因子进行了研究。结果表明,青海云杉林单位面积的蓄 积量、生物量和碳储量平均值分别为223.4454m3/hm 、136.075 5t/hm 和96.1864t/hm ;总生物量和碳储量分别达到2.59x107t和1.52xl07t. 其中中龄林和近熟林的生物量和碳储量分别占总量的42.581 8%和41.134 8%,而幼龄林仅占1.080 9%:影响森林植被碳储量的主要因子 为环境水热状况,温度是影响祁连山森林植被碳储量最关键的因子。 关键词青海云杉林;蓄积量;生物量;碳储量;影响因素;祁连山 中图分类号S718.5 文献标识码A 文章编号1007—5739(2017)12—0140—04 Analysis on Biomass and Carbon Storage of Pfcea crassifolia Forest in Qilian Mountains and Its Influence Factors LIUJian-quan1,2 LIJin-jun HAoHu WANGLillg DIHua ( Administration of Qilianshan National Nature Conservation in Gansu,Zhangye Gansu 734000: Administration of Annanba Wild Camel National Nature Conservation in Gansu) Abstract Based on sample survey,using a meta modeI of DBH—volume of Picea crOSs 白lia,stand volume—biomass model of Picea crass Z o forest,correlation analysis and principal component analysis,the stand volume,biomass,carbon storage and the main factors affecting the carbon storage of P/cea cr(1S¥ lia forest in Gansu Qilian Mountains were studied.The results showed that the stand volume.biomass and carbon storage of per unit area averages was 223.445 4 m m 。136.075 5 t/hm and 96.186 4 t,hm2.The total biomass and totl carb【aln storage reached 2.59xl07 t and 1.52x 10 t,biomass and carbon storage of mid—age forest and near—mature forest accounted for 42.581 8%and 41.134 8%of the tot1.arespectively.and young forest accounted for only 1.080 9%.The main factors that affectd the forest vegetation carbon storage was hydrothermal condition of the environment,the temperature was the most critical factor affecting forest vegetation carbon storage in Qilian mountains. Key words Picea crossifolia forest;stand volume;biomass;carbon storage;influenee factor;Oilian Mountains 碳源(carbon source)是指向大气中释放碳的过程、活动 或机制。碳汇(carbon sink)是指通过植树造林、森林管理、 植被恢复等措施,利用植物光合作用吸收大气中的CO ,并 领域 01,在生物量方面也有研究… ,对其碳储量和碳汇功 能的研究相对较少[3-4,15-16]。本文对祁连【上J青海云杉林不同林 组的生物量和碳储量进行估算,从减缓气候变化方面论证 青海云杉林的碳汇功能;对影响青海云杉林碳储量的因素 进行分析,探讨青海云杉林对气候变化的响应,为青海云杉 林的保护、恢复、发展和森林碳汇功能的经营管理提供参考。 1研究区域与研究方法 1.1研究区概况 将其固定在植被或土壤中,从而减少温室气体在大气中浓 度的过程、活动或机制_1]。当生态系统固定碳量大于排放的 碳量,该系统就称为大气CO:的汇,反之.则为碳源嘲。森林 生态系统是陆地生态系统的主体,它贮存了陆地生态系统 76% ̄98%的有机碳:森林是陆地上最大的碳汇,森林碳汇 (forest carbon sinks)是指森林植物吸收大气中CO:并将其固 研究区域位于甘肃省祁连山北坡寺大隆林区,99。31 ~ 100o53 E,38o14 一38。44 N。海拔2 600~4 200 m,属性 定在植被或土壤中,从而减少该气体在大气中的浓度的过 程、活动或机制l3j。森林植被所固定的碳量约占陆地植被总 高寒半湿润山地气候,年平均气温0.6℃,1月平均气温 一固碳量的82.5%。是森林固碳能力的重要标志和植被碳汇 的主要载体【 。中国森林碳汇占总碳汇的52.85%I”,其在 应对气候变化和增加大气碳吸收中具有重要作用。 13.1℃,7月平均气温12.1 oC;年平均降水量437.2 mm,主 要集中在5—9月;年蒸发量1 066.2 mm,年相对湿度60%, 年曰照时数1 892.6 h。林木生长期90~120 d;土壤和植被随 山地地形和气候的差异形成明显的垂直带谱,分布有寒漠 土、高山和亚高山草甸土、灌丛草甸土、山地栗钙土、森林灰 青海云杉(Picea crassifolia)林主要分布于祁连山和贺 兰山两大山系,其中祁连山分布面积占总面积的94.6%m,是 祁连山森林生态系统的主要组成成分,对发挥森林生态系 统服务功能、维护山地一绿洲一荒漠生态系统的平衡、促进 褐土以及沼泽土等土壤,发育有高山流石滩植被、高山和亚 高山灌丛、温性和寒温性针叶林、山地草原等地带性植被和 沼泽等非地带性植被,主要优势种有青海云杉、祁连圆柏 西部经济社会的稳定发展都具有重要意义。目前,对青海云 杉林的研究主要集中在森林生态、森林水文、森林土壤等 基金项目 国家自然科学基金项目“祁连山大野1:2流域水源涵养功能生 态水文关系分析”(41461004);甘肃省科技支撑项目“祁连山 森林植被碳源/汇及其对气候变化响应的研究”(1304FKCG (Sabinaprzewalskii)、金露梅(Potentillafruticosa)、鬼箭锦鸡 儿(Caraganajubaza)、吉拉柳(Salixgilashanica)、高山绣线菊 ( iraea ina)、珠芽蓼(Polygonum viviparum)、针茅(Stipa spp.)、苔草(Carex spp.)、嵩草(Kobresia spp.)、委陵菜(Poten一 £ la spp.)以及苔藓等,生物多样性十分丰富。寺大隆林区的 青海云杉林主要分布在海拔2 500~3 300 m的阴坡和半阴 坡,多为中龄林和近熟林,面积13 968.3 hm 。 1.2研究方法 053):甘肃省基础研究创新群体项目“祁连山土壤水源涵养 功能与森林分布变化响应关系”(145PdIG337);甘肃省科技 创新服务平台项目“甘肃省祁连山生态科技创新服务平台” (144JTCG254)。 作者简介刘建泉(1963一),男,甘肃酒泉人,硕士,正高级工程师。研究 方向:植物生态学和自然保护。 收稿日期 2017—03—27 14O 1.2.1样地调查。利用卫星影像和林相图,在研究区域沿海 刘建泉等:祁连山青海云杉林生物量与碳储量及其影响因素分析 拔梯度每间隔100 m设置l块调查样地,共设6块样地,记 录样地所在位置的地理坐标;根据地理坐标,选择受干扰 小、接近自然状态的地块设置样地,样地面积为20m ̄20m;进 采用0.5作为森林的平均含碳率,《全国林业碳汇计量监测 技术指南(试行)》中规定云杉组的含碳率为0.499 4。不同生 长环境中,受温度、降水和海拔的影响,青海云杉的含碳率 也不相同,本研究在祁连山寺大隆林区开展。采用0.524 3 作为青海云杉地上部分的含碳率,O.548 9作为青海云杉地 下部分(根系)的含碳率口61,对碳储量进行换算: CB1=0.524 3B1 (6) 行环境因子和样地调查,并对树高≥1.5m的林木测量胸径和 株数,记录树高<1.5 m的幼树株数,调查样地均为中龄林。 1.2.2蓄积量计算。林木材积与胸径有密切的关系,国内外 林学家相继提出了几十个不同类型的一元材积模型【 ,根据 文献『61资料,利用Microsoft Excel 2007提供的数据分析工 具,对青海云杉胸径与材积的一元模型进行拟合,筛选出最 佳单株材积回归模型: V=0.000 079 897 6 DBH 3(R2=0.998 6 >F:7.015 4xl0-3 ) 3.858 7xl0-3o (1) C磁=0.548 9B2 (7) 式中: 为青海云杉林青海云杉地上部分的碳储量, C皿为青海云杉林青海云杉地下部分(根系)的碳储量。 青海云杉林林下木种类非常少,主要为金露梅、鬼箭锦 鸡儿等,取0.50作为林下灌木的平均含碳率;青海云杉林下 地被物的平均含碳率为0.353 0,碳储量换算公式分别为: C =O.5O (8) 式中: 为单株材积,DBH为胸径。用该模型能根据胸 径调查数据得到林木单株材积。由(1)式,得到样地蓄积量: I1 ,633' j羊 = l+ 2+…+ =0。000 079 897 6 D四 __l (2) C斟:0.353 0B4 (9) 式中: 为青海云杉林林下木的碳储量,C蹦为青海云 式中: 顷的蓄积量。 为样地蓄积量(m ),n为样地内的林木株数。 杉林地被物的碳储量。 青海云杉林的碳储量由青海云杉地上部分的碳储量和 样地面积为400 m ,故样地蓄积量乘以25,即可换算成每公 地下部分(根系)的碳储量、下木的碳储量以及地被物的碳 储量组成.即: C ̄=CB1+C日 C +Cs,-O.524 3B1+0.548 9Bz+0.50B3+0.353 0B4 =1.2.3生物量计算。青海云杉林材积与生物量之间存在良 好的线性关系 ,根据模型(1)和文献[18】给出的蓄积一生 (3) 物量模型,计算青海云杉林青海云杉的地上部分生物量: B1= /(1.366 7+0.001 2V) 0.639 2B1+9.207 0 (1O) 式中: 为青海云杉林的碳储量(t/hm )。 1.2.5影响青海云杉林碳储量的主要因素分析。祁连山区 式中:B 为青海云杉林青海云杉地上部分生物量 (t/hm ),V为蓄积量(m3/hm )。青海云杉林青海云杉地下部 分生物量 约占地上部分生物量的13.39%~22.73%『l2- ,取 20.94%为青海云杉林地下部分生物量,故有: B2=O.2094曰l 1_23t/hm2。 气候垂直分带非常明显,海拔每升高100 m,降水量增加 18.6 mm,平均气温降低0.58 cC,由此可以推算出样地的平 I均温度和平均降水量,将此组数据补充到表1中,并将表l 中的坡向、坡位进行数字化(西北坡=l,北坡=2;上坡位=l, 中坡位=2,下坡位=3),构成17x6的数据矩阵,用相关分析 (correlation analysis)和主成分分析(principal components an— alysis,PCA)法分析影响青海云杉林蓄积量的主要因素。全 部计算用SPSS 19软件在计算机上完成。 2结果与分析 2.1样地调查结果 (4) 青海云杉林林下木生物量平均为1.23 t/hm ㈣,故B3= 青海云杉林地被物生物量为24.00—24.34 t/hm 02,14】,采用 24.34 t/hm .故:B4=24.34 t/hm 。 青海云杉林的生物量大致由上述4方面组成。因此, B= 1+B2+B3+ = l+0。209 4Bl+1.23+24.34=1.209 4Bl +25.57 (5) 根据调查结果,样地的基本情况见表1。 2.2青海云杉林蓄积量与生物量的垂直分布 式中:B为青海云杉林的生物量(t/hm ̄)。 1.2.4碳储量估算。含碳率是研究森林碳储量和碳通量的 关键因子,碳储量是碳汇的一种表达方式。国内外研究者多 祁连山区的温度和降水量随着海拔的变化而发生明显 的规律性变化,深刻影响青海云杉林的分布及其蓄积量与 表l样地基本情况 样地 坡向坡位郁闭度灌 度灌木高度草 m度草本高度苔 m度幼 数大 数平均胸径 cm生物量。根据公式(2)(5)(10)的计算结果(表2)表明,随着 海拔升高、降水增加、气温降低,青海云杉林内树高小于 1.5 m的幼树呈减少趋势,林分的天然更新能力降低;林分 的蓄积量和生物量随着海拔的升高和气温的降低呈减少趋 势,海拔2 770 m的蓄积量、生物量和碳密度都达到最大, 分别为309.197 5 m3/hm 、177.931 1 t,Ilm2和122.940 6 t/hm , 海拔2 770~3 250 m的青海云杉林单位面积的蓄积量、生物 量和碳储量(碳密度)平均值分别为223.445 4 m /hm 、 141 林业科学 现代农业科技2017年第l2期 136.075 5 t/hm 和96.186 4 t/hm 。 和碳储量分别达到2.59 ̄10 t和1.52 ̄10 t o其中,中龄林和 近熟林的生物量和碳储量分别占总量的42.581 8%和 41.134 8%,而幼龄林只占1.0809%。 表4青海云杉林生物量和碳储量估算 用海拔作为自变量,与青海云杉林蓄积量、生物量和碳 储量进行回归分析,拟合得到最佳的回归方程(表3);回归 方程符合多项式方程,相关系数的平方(复测定系数R )为 0.798 9-0.802 8;回归方程揭示了青海云杉林蓄积量、生物 量和碳储量随着海拔升高而逐渐降低的趋势。 表3海拔与青海云杉林蓄积量、生物量和碳储量的 回归方程 因变量 回归方程 (R2) 统计量 F0 F蓄积量O.000 686 _4.324 03 ̄+7 007.327 7 O.798 9 5.958 4 0_lj 石 生物量0.000 39 乙2.515 36 +4 148.252 5 O.802 8 6.105 3 0.087 6 碳储量0.000 215x ̄1.359 305x+2 250.922 6 0.802 8 6.105 3 0.087 6 2.4青海云杉林碳储量与样地因子的相关性 相关分析结果(表5)表明,在选取的17个因子中,仅有 郁闭度( )、草本高度( )与林分碳储量有不显著的负相 2.3祁连山林区青海云杉林碳储量估算 关,幼树株数( )与碳储量有不显著的正相关,其余14个 因子与青海云杉林碳储量均成显著或极显著的正相关或负 相关,其中极显著相关因子l2个、显著相关因子2个。因 祁连山林区是我国重要的水源涵养林区和生态功能 区,对应对气候变化有着举足轻重的作用;青海云杉林是祁 连山森林生态系统的主体,主要分布于甘肃和青海二省。甘 肃省是青海云杉林的分布中心,分布面积13.42万hm2。利 用式(5)和式(10)对甘肃祁连山林区青海云杉林的生物量 此,这14个因子是研究林分碳储量的重要因子。 2.5影响青海云杉林碳储量的主要因素 主成分分析结果(表6)表明,①特征值≥1的主成分有 3个,因而可以提取3个主成分;②前3个主成分的累计贡 和碳储量进行估算,结果(表4)表明,青海云杉林的生物量 表5青海云杉林碳储量与样地因子的相关系数矩阵 142 刘建泉等:祁连山青海云杉林生物量与碳储量及其影响因素分析 献率已经达到96.012 7%,可以基本反映影响林分碳储量的 全部指标信息;③第一主成分上载荷较高的有平均气温、平 均降水量、海拔、草本盖度、坡度、坡位,基本反映了林地的 水热状况;第二主成分上载荷较高的有草本高度、苔藓盖 度、幼树株数、大树株数、平均胸径,基本反映了林分结构特 点;第三主成分则是对第一、第二主成分的补充。综上分析, 林分环境的水热状况是影响青海云杉林碳储量的主要因 子,而且海拔、平均气温、平均降水量的载荷量分别达到 0.9802、一0.985 0和0.980 2,是影响青海云杉林碳储量的关 键因子,特别是平均气温的影响最大。 速率降低,吸收和固定CO:的能力减弱。因此,温度成为影 响祁连山森林植被碳储量最关键的因子。 林分生物量的测定是估算林分碳储量的基础。标准木 分段切割法是常用的生物量测定方法,具有测定结果相对 准确、人力物力消耗较大的特点,而且天然林资源保护工程 和林地管理相关法规的实施对林木采伐有了严格的规定。 因此,研究者把目光逐渐转移到利用青海云杉林生物量一 蓄积量模型研究林分的生物量[3,4,17-181,具有良好的效果。 4参考文献 …1鲁丰先,张艳,秦耀辰,等.中国省级区域碳源汇空间格局研究[J].地 表6主成分分析结果 3结论与讨论 甘肃祁连山林区青海云杉林的总生物量为2.59x10 t, 平均生物量为193.2055 t/bm 。接近王金叶等【l9203.08 t/hm 、 常学向等【 42.98 t/hm 和彭守璋等tall34.3~250.1 t/hm 的研 究结果,大于张雷等【1lj128.61 t/hm 的研究结果;总碳储量为 1.52x10’t,平均碳储量(碳密度)为96.1864t/h1112,平均碳储量 (碳密度)高于宁夏贺兰山保护区青海云杉林64.51 t/hm 旧 和青海大通县林区青海云杉林65.68 t/llm2 ,接近祁连山青 海云杉林70.4~131.1 t/hm2ts]的研究结果。甘肃祁连山林区青 海云杉林中龄林和近熟林的生物量和碳储量分别占总量 的42.581 8%和41.134 8%,至少能够维持3个林组80~ 120年生物量和碳储量的持续增长,80~120年后也可以保 持一定时期的稳定,但幼龄林仅占1.080 9%,后备资源匮 乏。因此,从可持续发展和持续应对气候变化角度出发.必 须持续扩大造林和封山育林面积,加强幼龄林抚育管理,有 效地培育森林资源,以保证碳汇功能的持续发挥。 林分碳储量是林木通过光合作用将CO 转换为有机物 储存在林分中的产物,是林分生物量非常重要的表现形式。 对影响甘肃祁连山青海云杉林碳储量关键因子的分析证 明,在祁连山林区,坡位和坡向的改变会影响林地的水热条 件;特别是随着海拔升高,林地的水热条件逐步发生变化: 水分条件会显著改善.而平均气温明显下降。造成林木光合 理科学进展,2013,32(12):1751—1759. 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(下转第146页) 143 林业科学 现代农业科技2017年第12期 l 2 3 4 5 银边沿阶覃(0 hiopogonjaburan Argenteivittatus) 火焰南天竹(Nandina domestica Firepower) 红叶石楠(Photiniaxfraseri) 6 7 8 9 10 l1 12 13 14 15 金叶大花六道木(Abeliaxgrandilfora) 小丑火棘(Pyracanthafortuneana‘Harlequin’) 银姬小蜡(Ligustrum¥inense‘Variegatum’) 洒金桃叶珊瑚似ucubajaponica Variegata) 花叶格树(Osmanthus heterophyllus‘Goshiki’) 金边胡颓子(Elaeagnus Pungens Thunb.cv.Aurea) 金心胡颓子(Elaeagnus pungens‘Maculata’) 金边大叶黄杨(Euonyrnus japonicus cv.Ovatus Aureus) 金心大叶黄杨(Euonymus japonicus cv.Aureus) 花叶蔓长春(Vinca,n or‘Variegata’) 花叶络石(Trachelospermum fmminoi ̄s‘Flame’) 花叶栀子(Gardenia varigatae Cart.) 花叶女贞(Ligustrum o1)alisolium) 金森女贞(Ligustrumjaponicum‘Howardii’) 花叶卫矛(Ewonymus radic Emerald Gold) 花叶海桐(Pittosporum tobira) 红叶木藜芦(Leucothoe 眦 s m‘Searlatta’) 16 17 18 19 20 2l 22 23 雪叶菊(Senecio cineraria) 绵毛水苏(Stachys fanata) 矾根(He∽hera micrantha) 无明显冻害表现 叶片呈烧焦状 后期落叶 新叶边缘枯焦 部分叶片呈水渍状 无明显冻害症状 叶片呈水渍状。大量落叶 叶片萎蔫下垂,有冻斑 老叶大量落叶 叶片下垂。边缘卷曲,呈水渍状 叶片呈水渍状。大量脱落 无明显冻害症状 大量落叶,部分嫩枝冻死 叶片呈水渍状,后期大量落叶,枝条冻死 叶片呈水渍状,后期大量落叶,枝条冻死 老叶凋落,新叶边缘呈烧焦状,后期枯黄 无明显冻害症状 无明显冻害症状 部分叶片呈水渍状 无明显冻害症状 叶尖枯黄呈烧焦状,严重时整株枯死 叶片下垂。植株萎蔫 叶片下垂,植株萎蔫贴地 叶片呈水渍状.边缘桔焦,植株萎蔫贴地 注:以上数据来源于历史天气查询相关网站。 环境的苗木作用不大。在非设施栽培的情况下,还是应尽量 2006(4):47. 适地适树,一些太大胆的“南种北引”的尝试属于心怀侥幸, [3】.棕榈南引北种的防寒越冬fJ].中国花卉园艺,2008(4):18—19. 虽然保证了短期效果,但增大了养护成本;在不考虑极端低 温的情况下尚难存活,因而也很难保证长期景观效果。 落叶其实是植物对寒冷气候的适应性表现,相对常绿 而言是进化性特征。部分落叶植物如金枝槐、金丝垂柳、红 瑞木、黄瑞木、柽柳等,其枝条为彩色,作为色彩林或灌丛的 观赏价值较高;落叶后的栾树、柿子可观果,腊梅、海棠、木 青扦、粗榧等.近几年还出现了橘黄崖柏、蓝星高山桧柏、黄 营造有色彩、有生机的景观。 4参考文献 【1】李素花,李素艳 园林景观的色彩设计研究[J】.农业科技与装备,2014 (5):15—16. 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