滦河上游3种林分类型固碳释氧效益估算

郑 淼

(山西林业职业技术学院, 太原 030009)

全球的温度变化是目前生态环境科学界研究的重点与前沿，而其中的重要的一项是大气中CO2浓度的变化，研究发现大气中的CO2比工业革命前高出35%，而森林是整个生态系统的碳库，尤其是北半球的森林生态系统尤其重要，在全球碳平衡中发挥着重要的碳吸收汇功能，通过对森林生态系统固碳释氧能力进行研究，评估出森林在减缓大气CO2含量上升所起到的作用，为气候变化提出有效的理论依据。近年来，国内有关森林生态系统碳密度与碳储量的研究也开始增加，国内学者对我国森林植被的碳密度和碳储量进行了研究。由于森林生态系统的复杂性，影响因子比较多，因此对森林的固碳释氧量一般都是采取大尺度的测定方法来进行估算，滦河上游是华北地区重要的生态功能区，对京津冀地区的防风固沙具有重要的作用，该地区多以森林经营、水土保持、森林空间的合理配置和林分结构等方面的研究为主，而针对林分的固碳释氧方面的研究报道较少[1-2]。

为探究滦河上游3种林分类型固碳释氧效益，为当地以固碳释氧为主的森林经营提供参考，因此本文以滦河上游的3种林分类型作为研究对象，以林分的生物量作为基础来对林分的固碳释氧功能进行研究，与此同时对3种林分类型的不同林龄(幼龄林、中龄林、近熟林和成熟林)固碳释氧的效益进行分析研究，旨在对该地区的典型林分固碳释氧量进行对比分析，从而为该地区的森林固碳释氧功能评价提供参考依据，以期为该地区森林健康经营提供理论依据和技术支撑[3-4]。

1 研究区概况

本次调查是在承德木兰围场进行，木兰围场坐落于河北省东北部，地处滦河上游，地理坐标为116°32′—118°14′E，41°35′—42°40′N，海拔为820～1 850 m，木兰林管局林区无霜期67～25 d，年平均气温-1.4～4.7℃，极端最低气温-42.9℃，极端最高气温38.9℃。林管局林区内土壤主要包括棕壤、褐土、风砂土、草甸土、沼泽土、灰色森林土、黑土7个土类，共15个亚类，66个土属，143个土种。该地区针叶树种主要为华北落叶松林(Larixprincipis-rupprechtii)、云杉(Piceaasperata)、油松林(Pinustabulaef)，阔叶树种主要为山杨林(Populusdavidiana)、白桦林(BetulaplatyphyllaSuk.)、榆树(Ilhvuspuneila)等[5-7]。

2 研究内容和方法

2.1 样地设置

本文设置的样地为滦河上游最常见的林分，选取针叶林、阔叶林与针阔混交林3种具有代表性的林分类型，设置9块大样地为100 m×100 m，4个龄期的3种林分，对样地的一些基本情况进行了解，主要有海拔、地形、地理位置、样地的坡位以及林分郁闭度等，在适当的位置设置样地的原点，然后辅助设备(罗盘仪、全站仪)划定样地边界，并用玻璃绳连接，逐次编号，最后将边界用铁丝网、水泥桩固定，其中郁闭度的测定是通过在样地内机械设置200个样点，在各样点位置上进行抬头垂直昂视，判断该样点是否被树冠覆盖，统计被覆盖的样点数，该点数与样点数的比值则是林分的郁闭度，最后定量分析不同类型林分固碳释氧功能，系统研究不同林型固碳释氧效益的高低，为试验区森林的健康经营提供一定的理论依据[8-10]。

2.2 试验方法

2.2.1 固碳释氧服务功能物质量

G固碳=1.63R碳·A·B年

(1)

G释氧=1.19A·B年

(2)

式中：G固碳，G释氧分别为林分年固碳、释氧物质量(t/a)；A为林分面积(hm2)；B年为林分净生产力[t/(a·hm2)]；R碳为二氧化碳中碳元素含量。在光合作用下树木每形成1 g干物质，需固定1.63 g CO2，释放1.2 g O2。由此可计算释放氧气量[11]。

2.2.2 固碳释氧服务功能价值量[12-13]

U固碳=1.63C碳·R碳·A·B年

(3)

U释氧=1.19C氧·A·B年

(4)

式中：U固碳，U释氧分别是林分年固碳、释氧价值量(元/a)，C碳，C氧分别为固碳、氧气价格。采纳欧洲国家温室气体排放税收制度，确定固碳价格，本文采用瑞丹的碳税率150 $/t，折算人民币的价格为1 200元/t。而氧气的价格则采用2007年卫生部公布的春季氧气平均价格1 000元/t。

生物量和蓄积量的关系方程：

B=a·V+b

(5)

式中：B为森林生物量(t)；V为森林蓄积量(m3)；a,b为参数。各树种生物量与蓄积量回归方程见表1，不同林分类型林龄组划分见表2。

表1 不同林分类型生物量与蓄积量回归方程

碳储量与生物量的关系方程：

C=B·Cc

(6)

式中：C为碳储量(t)；B为森林生物量(t)；Cc为含碳率，森林含碳率采用平均值0.5。

3 结果与分析

3.1 3种林分类型生物量分析

如图1所示，同一林分不同龄期的生长状况比较可以看出：针叶林蓄积量在中幼龄期增长速度比较慢，而近熟期增长速度最快；阔叶林蓄积量中幼龄期增长速度比较快，近熟期与成熟期增长速度较慢；针阔混交林蓄积量在中幼龄期增长速度相对较快，而近熟期与成熟期增长速度相对较慢。不同林分类型同一龄期生长状况的比较，处于幼龄期时不同林分类型蓄积量由大到小排序为：阔叶林>针阔混交林>针叶林；中龄期不同林分类型蓄积量由大到小排序为：阔叶林>针阔混交林>针叶林；近熟期不同林分类型蓄积量由大到小排序为：阔叶林>针阔混交林>针叶林；成熟期不同林分的蓄积量由大到小排序为：阔叶林>针阔混交林>针叶林。

表2 不同林分类型林龄组划分 a

图1 3种林分类型不同龄期蓄积量估算

不同林分类型蓄积量呈现这种规律可能是因为阔叶林在中幼龄期生长速度比较快，近熟期开始速度减慢，而针叶树种则相反。阔叶林蓄积量无论在哪个龄期其蓄积量都要高于其他两种林分，但是针叶林与阔叶林的差距从近熟林开始迅速减小。根据生物量与蓄积量的关系测定出各林分类型不同龄期年均生长量，即年均生物量，从而对3种林分类型的固碳释氧经济价值进行分析(图2)。

由图2可以看出，幼龄期3种林分类型平均生物量大小依次排序为：针阔混交林>阔叶林>针叶林，针叶林在该时期的生物量明显低于其他两种林分类型，是因为在生长初期针叶树种生长速度低于阔叶的原因，而阔叶林低于针阔混交林是由于针阔混交林林内生长竞争比较激烈，有助于林分的生长；中龄期3种林分类型依次排序为：阔叶林>针阔混交林>针叶林，在中龄期阔叶林的生长速度达到了最高，针叶林增长速度开始加快；近熟林3种林分依次排序为：针叶林>针阔混交林>阔叶林，针叶林在近熟期树种生长速度达到最大，超过阔叶树种生长速度。成熟林3种林分类型依次排序为：针阔混交林>针叶林>阔叶林，3种林分类型在成熟期蓄积量积累达到了最大值，但是林分蓄积量生长速度都比较慢。

图2 3种林分不同龄期生物量估算

3.2 3种林分类型不同龄级的固碳释氧量价值估算

3.2.1 不同龄期不同林分的碳密度估算 固碳物质量与林木的生长速度呈正相关，生长越快，固碳物质量增加越多。3种林分类型固碳规律比较相似，从幼龄期到成熟林固碳的质量呈现出增加的趋势，中幼龄期针叶林固碳量低于其他两种林分类型，近熟龄到成熟龄期间针叶林的生长速度明显增快，固碳量高于阔叶林，与其他两种林分类型缩小了差距(图3)。

图3 3种林分类型不同龄期碳密度估算

从图3可以看出，幼龄期3种林分类型碳密度由大到小排序为：针阔混交林>阔叶林>针叶林；中龄期碳密度由大到小排序为：阔叶林>针阔混交林>针叶林；3种林分近熟林碳密度由大到小排序为：针叶林>针阔混交林>阔叶林；3种林分类型成熟林碳密度由大到小排序为：针阔混交林>针叶林>阔叶林。

3.2.2 不同龄期不同林分类型氧气释放量估算 释放氧气物质量与林木的生长速度呈正相关，生长越快，释氧物质量增加越多。3种林分类型中阔叶林从幼龄林到中龄林期间，释氧物质量呈增加趋势，此后开始减少，到近熟期以后释氧物质量变化不大；针叶林从幼龄林到近熟林期间，释氧物质量呈增加趋势，此后开始减少；针阔混交林则是呈现先增加后减小的变化规律(图4)。

从图4可以看出，幼龄期3种林分类型氧气释放量由大到小排序为：针阔混交林>阔叶林>针叶林；中龄期氧气释放量由大到小排序为：阔叶林>针阔混交林>针叶林；3种林分类型近熟林氧气释放量由大到小排序为：针叶林>针阔混交林>阔叶林；3种林分类型成熟林氧气释放量由大到小排序为：针阔混交林>针叶林>阔叶林。

图4 3种林分类型不同龄期氧气释放量

3.3 固碳释氧经济价值估算

采纳欧洲国家温室气体排放税收制度，确定固碳价格，本文采用瑞丹的碳税率150 $/t，折算人民币的价格为1 200元/t。而氧气的价格则采用2007年卫生部公布的春季氧气平均价格1 000元/t。

如表3所示，针叶林固碳释氧总价值随龄林的增加呈单峰曲线，在近熟林时达到最大价值量，为16 397元/(hm2·a)，成熟林期间固碳释氧总价值最低，仅为3 321元/(hm2·a)，是近熟林时的20%；阔叶林固碳释氧总价值随龄林的增加呈单峰曲线，在中龄林时达到最大价值量，为18 948元/(hm2·a)，成熟林期间固碳释氧总价值最低，仅为2 110元/(hm2·a)，是中龄林时的11%；针阔混交林固碳释氧总价值随龄林的增加呈单峰曲线，在近熟林时达到最大价值量，为15 188元/(hm2·a)，成熟林期间固碳释氧总价值最低，仅为5 695元/(hm2·a)，是近熟林时的37%。

幼龄林时固碳释氧平均总价值为5 272元/(hm2·a)，不同林分类型价值量大小排序为：针阔混交林>阔叶林>针叶林；中龄林时平均总价值为13 904元/(hm2·a)，不同林分类型价值量大小排序为：阔叶林>针阔混交林>针叶林；近熟林时平均总价值为9 555元/(hm2·a)，不同林分类型价值量大小排序为：针叶林>针阔混交林>阔叶林；成熟林期平均总价值为3 709元/(hm2·a)，不同林分类型价值量大小排序为：针阔混交林>针叶林>阔叶林。整个生命周期平均固碳释氧总价值排序为：针阔混交林>针叶林>阔叶林，针阔混交林固碳释氧的总价值明显高于其他两种林分，而阔叶林固碳释氧总价值最低。

表3 3种林分类型不同龄级单位面积固碳释氧价值量 元/(hm2·a)

4 结 论

(1) 3种林分类型各龄期蓄积量与阔叶林在林分中占的比例呈正比，阔叶林最大，针叶林最小，而针阔混交林居中；在中幼龄时期，针叶林的平均生物量都是最小的，而近熟与成熟时期阔叶林的平均生物量为最小，这与林分内林木本身的生长规律有关。

(2) 中幼龄时期碳密度与氧气释放量最小的为针叶林，而近熟龄与成熟龄时期最小的为阔叶林，两者都与林木的生长速度呈正相关，生长越快，固碳释氧量越大，而林分的价值量与两者的变化规律一致。

(3) 针叶林固碳释氧总价值最大的为近熟林，成熟林最小，仅为近熟林的20%；阔叶林固碳释氧总价值最大为中龄林，成熟林最低，为中龄林时的11%；针阔混交林固碳释氧总价值最大的为近熟林，成熟林最小仅近熟林时的37%。

(4) 4个林龄的林分固碳释氧平均总价值大小排序为：中龄林>近熟林>幼龄林>成熟林，整个生命周期平均固碳释氧总价值排序为：针阔混交林>针叶林>阔叶林，说明针阔混交林固碳释氧的总价值是最高的，而阔叶林固碳释氧总价值最低。