胡海清, 羅碧珍 , 魏書精,2,3, 魏書威, 文正敏, 孫 龍 , 羅斯生 ,王立明, 馬洪斌,*

1 東北林業(yè)大學(xué), 林學(xué)院, 哈爾濱 150040 2 桂林理工大學(xué), 土木與建筑工程學(xué)院, 桂林 541004 3 廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 桂林 541004 4 蘭州理工大學(xué), 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院, 蘭州 730050

大興安嶺5種典型林型森林生物碳儲(chǔ)量

胡海清1, 羅碧珍1, 魏書精1,2,3, 魏書威4, 文正敏2,3, 孫 龍1, 羅斯生1,王立明1, 馬洪斌1,*

1 東北林業(yè)大學(xué), 林學(xué)院, 哈爾濱 150040 2 桂林理工大學(xué), 土木與建筑工程學(xué)院, 桂林 541004 3 廣西建筑新能源與節(jié)能重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 桂林 541004 4 蘭州理工大學(xué), 設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)院, 蘭州 730050

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫，森林生態(tài)系統(tǒng)的生物碳儲(chǔ)量作為森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，對(duì)全球碳循環(huán)與碳平衡產(chǎn)生重要作用。以大興安嶺5種典型林型為研究對(duì)象，結(jié)合森林資源清查資料，采用地理信息技術(shù)(GIS)，將5種林型分齡組分別對(duì)喬木層、林下的灌木層、草本層和凋落物層各組分的單位面積生物量、含碳率和生物碳儲(chǔ)量進(jìn)行測定和計(jì)量估算，并從林分水平上，采用分齡組的方法，計(jì)量估算了生物碳儲(chǔ)量。結(jié)果表明：大興安嶺5種典型林型不同齡組的生物碳儲(chǔ)量分別為：興安落葉松幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的生物碳儲(chǔ)量分別為15.20、50.96、95.80t/hm2和109.33t/hm2；白樺幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的生物碳儲(chǔ)量分別為15.36、30.67、41.62t/hm2和64.35t/hm2；樟子松幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的生物碳儲(chǔ)量分別為29.89、59.92、90.01t/hm2和117.08t/hm2；蒙古櫟幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的生物碳儲(chǔ)量分別為11.17、11.90、34.94t/hm2和59.49t/hm2；山楊幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的生物碳儲(chǔ)量分別為21.81、28.58、42.84t/hm2和64.39t/hm2。研究發(fā)現(xiàn)：5種典型林型不同齡組的森林生物碳儲(chǔ)量均隨著林齡(幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林)的增長而增加，但不同林型的碳匯功能存在差異，同一種林型在不同林齡的生物碳儲(chǔ)量增幅差異亦較大。尤其是大興安嶺目前林分質(zhì)量比較差，幼齡林和中齡林所占的比重較大，若能對(duì)現(xiàn)有林分加以更好地?fù)嵊凸芾?，該區(qū)森林植被仍具有較大的碳匯潛力，碳匯功能將進(jìn)一步增強(qiáng)，大興安嶺在國家的生態(tài)功能區(qū)建設(shè)中將發(fā)揮更重要的碳匯功能，對(duì)此提出了森林生態(tài)系統(tǒng)碳增匯管理策略與管理路徑。研究結(jié)果為正確認(rèn)識(shí)森林生物碳儲(chǔ)量對(duì)區(qū)域碳平衡及生態(tài)環(huán)境的影響具有重要意義，以及在未來營林、造林活動(dòng)中充分發(fā)揮人工林碳匯效應(yīng)提供參考依據(jù)。

森林生物量; 碳儲(chǔ)量; 典型林型; 大興安嶺; 森林生態(tài)系統(tǒng)管理; 碳匯管理措施

全球變化問題是人類社會(huì)共同面臨的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的科學(xué)問題。隨著全球氣候變化的日益顯著，氣候變暖及其影響越來越引起科學(xué)界的關(guān)注[1- 2]。大氣中CO2濃度從工業(yè)革命前的280μmol/L升至2011年的390μmol/L[3]。森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫和碳吸收匯，其在植被中儲(chǔ)存的碳素在全球的碳循環(huán)中發(fā)揮重要碳匯功能，是全球碳循環(huán)與碳平衡研究的基礎(chǔ)，并對(duì)全球的碳平衡產(chǎn)生重要影響，在調(diào)節(jié)氣候變化、降低大氣中溫室氣體濃度、減緩溫室效應(yīng)方面均有不可替代的作用[4- 14]。雖然全球森林面積僅占陸地面積的27%，但其生物量卻占陸地生物量的85%，而其儲(chǔ)存的碳量分別占全球植被碳儲(chǔ)量的80%以上和全球土壤碳儲(chǔ)量的40%以上[9,14- 16]，其中森林生態(tài)系統(tǒng)生物碳儲(chǔ)量達(dá)282.7GtC，約占全球植被碳儲(chǔ)量的77%[8]。森林生物碳儲(chǔ)量作為森林生態(tài)系統(tǒng)碳庫的重要組成部分，在森林生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。由于森林生態(tài)系統(tǒng)是巨大的碳庫，即使該碳庫發(fā)生較小的變化就足以對(duì)全球的氣候系統(tǒng)產(chǎn)生巨大影響[17]。森林生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)來源，是森林生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)[18]，同時(shí)森林生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的重要標(biāo)志，發(fā)揮重要的碳匯作用[19- 21]。目前，森林生物量與森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能的研究越來越受到重視，從而使森林生物碳儲(chǔ)量的研究成為研究熱點(diǎn)[22- 25]。大興安嶺是我國唯一的寒溫帶針葉林區(qū)，同時(shí)作為國家重要的生態(tài)功能區(qū)與生態(tài)敏感區(qū)，對(duì)我國東北平原乃至華北平原起著重要的生態(tài)屏障作用，加強(qiáng)碳源碳匯的研究，對(duì)進(jìn)一步定量評(píng)價(jià)其碳匯功能具有重要意義。據(jù)此，本文以黑龍江省大興安嶺5種典型林型為研究對(duì)象，系統(tǒng)研究各林型不同齡組和組分兩種因子對(duì)生物量的影響，并對(duì)由此引起的森林生物碳儲(chǔ)量及固碳能力的變化進(jìn)行系統(tǒng)研究，旨在進(jìn)一步定量計(jì)算森林生態(tài)系統(tǒng)的生物碳儲(chǔ)量，并試圖探討影響森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量變化的原因與各種因子的關(guān)系，以期為準(zhǔn)確計(jì)量森林生物碳儲(chǔ)量提供科學(xué)計(jì)量方法，為森林生態(tài)系統(tǒng)生物碳儲(chǔ)量的估算提供參考數(shù)據(jù)。同時(shí)，對(duì)提高森林生態(tài)系統(tǒng)碳吸收能力，促進(jìn)碳增匯，減少碳排放，發(fā)揮森林生態(tài)系統(tǒng)的碳效應(yīng)，加強(qiáng)森林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)經(jīng)營與管理均有重要意義，并提出了森林生態(tài)系統(tǒng)碳增匯管理策略，亦為正確認(rèn)識(shí)森林生物碳儲(chǔ)量對(duì)區(qū)域碳平衡及生態(tài)環(huán)境的影響，以及有效實(shí)施森林生態(tài)系統(tǒng)管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑龍江省大興安嶺地區(qū)地處我國東北部，是我國位置最北、緯度最高且面積又最大的林區(qū)(50°10′—53°33′N，121°12′—127°00′E)。西接內(nèi)蒙古呼倫貝爾盟，南臨松嫩平原，北部與俄羅斯隔江相望，東靠黑河市，邊境線長786km，全區(qū)土地總面積8.35×106hm2，是我國唯一的寒溫帶針葉林區(qū)。該區(qū)有林地面積為678.4萬hm2，森林覆蓋率81.23%。大興安嶺植物區(qū)的地帶性植被屬于寒溫帶針葉林(北方森林)，以興安落葉松(Larixgmelinii)為主要優(yōu)勢(shì)建群種。其他喬木樹種主要有針葉喬木樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、偃松(Pinuspumila)、云杉(Piceakoraiensis)等和闊葉喬木白樺(Betulaplatyphylla)、黑樺(Betuladahurica)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、山楊(Populusdavidiana)、紫椴(Tiliaamurensis)等[26]。該林區(qū)的森林具有下列結(jié)構(gòu)特征：(1)植物種類較少，多樣性較低，樹種以興安落葉松為主，并混生有白樺，同時(shí)灌草層的結(jié)構(gòu)亦較為單一，次生林以楊樺林混生為主。(2)垂直層較少，屬于明亮針葉林區(qū)。(3)生活型結(jié)構(gòu)較為特殊，喬木以興安落葉松和白樺這兩種樹種占主流分布。

1.2 森林生物量調(diào)查

采用地理信息技術(shù)(GIS)，結(jié)合森林資源調(diào)查資料、林分生長狀況、林相圖、植被分布圖、土壤類型分布圖和黑龍江省大興安嶺行政區(qū)劃圖，選擇大興安嶺典型林分分布區(qū)，在大興安嶺北部的漠河林業(yè)局和塔河林業(yè)局，同時(shí)在大興安嶺南部的松嶺林業(yè)局和新林林業(yè)局分別設(shè)置固定標(biāo)準(zhǔn)樣地，并進(jìn)行野外調(diào)查與樣品的采集與采樣。漠河林業(yè)局采樣時(shí)間為2012年7月上旬，塔河林業(yè)局的采樣時(shí)間為2012年7月中旬，松嶺林業(yè)局的采樣時(shí)間為2012年8月上旬，新林林業(yè)局的采樣時(shí)間為2012年8月中旬。根據(jù)大興安嶺各林型林分分布的特點(diǎn)與采樣時(shí)的實(shí)際情況，選擇有代表性的5種林型(落葉松林、白樺林、樟子松林、蒙古櫟林和山楊林)，按照4種齡組(幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林)，由于過度開發(fā)，過熟林在大興安嶺地區(qū)較為少見，因此采樣時(shí)沒有對(duì)過熟林進(jìn)行取樣。大興安嶺5種主要林型樹種齡級(jí)與齡組劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1，并按照此劃分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)樣地，進(jìn)行調(diào)查與采樣。把各林型的不同組分(喬木、林下的灌木、草本、凋落物等)作為研究對(duì)象，采用隨機(jī)布點(diǎn)法，在每種林型各齡組分別設(shè)置20m×20m的3個(gè)重復(fù)樣地作為固定標(biāo)準(zhǔn)樣地。共設(shè)置固定標(biāo)準(zhǔn)樣地240塊(5種林型×3個(gè)重復(fù)×4齡組×4個(gè)林業(yè)局)。

表1 大興安嶺5種主要林型樹種齡級(jí)與齡組劃分表

1.2.1 喬木層生物量調(diào)查

根據(jù)喬木分布特點(diǎn)和生長狀況，在設(shè)置好的標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)，以5cm為起測胸徑(5cm以下胸徑的小樹當(dāng)作灌木進(jìn)行測定)，調(diào)查因子包括胸徑、樹高(普魯萊測高器測量樹高)、樹種、郁閉度、林齡、枝下高、冠幅和林分生長狀況等，并分樹種統(tǒng)計(jì)各徑級(jí)的平均值，在每個(gè)固定標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)選取各徑級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)木3株。主要采集喬木的干、枝、葉、皮和根，其中干和皮分別從樹干基部、胸徑和梢頭3個(gè)部位進(jìn)行取樣，枝帶皮從粗枝到小枝按比例取樣，葉亦分別從不同部位取樣，根帶皮從粗根到小根按比例分別取樣。采集的樣品野外稱鮮重，并取樣，標(biāo)記好帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定及實(shí)驗(yàn)分析。

1.2.2 灌木層生物量調(diào)查

根據(jù)灌木分布的均勻程度沿標(biāo)準(zhǔn)樣地的對(duì)角線設(shè)置小樣方(每種林型每種齡組均有3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣地亦有5個(gè)灌木樣方，設(shè)置時(shí)沿標(biāo)準(zhǔn)樣地的對(duì)角線設(shè)置5個(gè)小樣方，當(dāng)分布較為均勻時(shí)設(shè)置2m×2m重復(fù)樣方5個(gè)，當(dāng)分布不均勻時(shí)設(shè)置5m×5m重復(fù)樣方5個(gè))。調(diào)查灌木層的蓋度、株數(shù)和平均高度，各樹種數(shù)量、地徑、高度等，然后按灌木種類收割樣方內(nèi)的所有灌木(包括灌木的根)，稱量并取樣。

1.2.3 草本層生物量調(diào)查

在設(shè)置好的標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)沿另一對(duì)角線設(shè)置1m×1m的重復(fù)樣方5個(gè)，調(diào)查草本層種類、蓋度和平均高度，然后全部收割(包括草的根)、稱量并取樣。

1.2.4 凋落物層生物量調(diào)查

在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)按對(duì)角線選取1m×1m的重復(fù)樣方5個(gè)，分別收集小樣方內(nèi)的凋落物(枯枝和落葉、針葉和闊葉分開)，記錄其鮮質(zhì)量并取樣。

1.3 森林生物碳儲(chǔ)量的計(jì)算方法

假設(shè)森林生物碳儲(chǔ)量用Ct表示，森林生物量用M表示；森林生物量的含碳率用fc表示，森林生物碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式可以表示為：

Ct=M×fc

(1)

1.4 生物量測定方法

1.4.1 喬木層生物量的測定

喬木生物量的估測一般利用相對(duì)生長法。相對(duì)生長法主要是指Huxley[27]根據(jù)林木生長過程中各生長系之間有協(xié)調(diào)增長的規(guī)律，提出“異速生長”(Allometric)關(guān)系法則，亦稱相對(duì)關(guān)系法則，其相對(duì)生長關(guān)系可用公式表示為[27- 35]：

Y=a(D2H)b

(2)

式中,Y表示生物量，D表示胸徑，H表示樹高，a、b為回歸所得的常數(shù)。

異速生長法則的核心思想是建立生物量與主要測樹因子，即胸徑、樹高的關(guān)系來計(jì)量喬木層生物量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定結(jié)果重新擬合黑龍江省大興安嶺5種典型樹種的生物量回歸方程，然后利用采樣分析結(jié)果得到系數(shù)a、b的值[28]，再代入方程(2)，根據(jù)D、H實(shí)測結(jié)果計(jì)算各樹種各部位的生物量，根據(jù)各樹種林齡等因子估算單位面積喬木生物量，并依據(jù)調(diào)查樣地的單位面積生物量外推到林分水平[29- 31]，林分水平的生物量計(jì)算公式如下：

Yf=Yt+YS+Yh+Yl

(3)

式中,Yf表示林分總生物量，Yt喬木層生物量，YS灌木層生物量，Yh草本層生物量，Yl凋落物層生物量。

1.4.2 灌木層生物量的測定

灌木層生物量的測定方法，主要通過計(jì)算含水率的方法推算單位面積內(nèi)的生物量。把通過收割法采集得到的灌木樣品帶回到實(shí)驗(yàn)室后，把樣品經(jīng)85℃恒溫烘干至恒重(間隔6h兩次稱量所得的含水率差小于0.1%即被視為達(dá)到恒重)，用精度0.01g的電子天平稱干重量，用公式(4)計(jì)算出樣品不同器官的含水率(P)，并通過含水率的方法換算出不同器官的生物量，不同器官的生物量相加便可計(jì)算出單位面積的生物量[29- 31]。灌木層生物量含水率的計(jì)算公式可表示為：

(4)

1.4.3 草本層生物量的測定

草本層生物量的測定方法與1.4.2節(jié)中灌木層生物量的測定方法相同。

1.4.4 凋落物層生物量的測定

凋落物層生物量的測定方法與1.4.2節(jié)中灌木層生物量的測定方法相同。

1.4.5 森林生物量含碳率的測定

對(duì)于森林生物碳儲(chǔ)量的計(jì)量，一般用直接或間接測定植被生物量的現(xiàn)存量乘以生物量中含碳率進(jìn)行推算[32- 35]，本文通過直接測定生物量中含碳率的方法來計(jì)算森林生物碳儲(chǔ)量[36]。通過對(duì)以上各生物量的實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行3次粉碎法制樣，樣品含碳率的測定采用干燒法。用MultiN/C3000分析儀(Multi N/C3000, Analytik Jena AG, Jena, Germany)測定含碳率，每次測3個(gè)平行樣，對(duì)測定結(jié)果取平均值作為一個(gè)樣本數(shù)，測量精度為0.01%，誤差為±0.2%。用公式(樣品含碳率=樣品碳含量/樣品干重×100%)計(jì)算樣品的含碳率。

2 結(jié)果與分析

2.1 各組分單位面積生物量

單位面積森林生物量主要包括喬木(干、枝、葉、皮和根)、灌木(包括根)、草本(包括根)和凋落物，通過1.2節(jié)森林生物量的調(diào)查所得到各齡組不同組分的樣本數(shù)，喬木合計(jì)720個(gè)樣本(標(biāo)準(zhǔn)木)，灌木、草本和凋落物的樣本數(shù)分別為1200個(gè)。對(duì)測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同林型各組分生物量的測定結(jié)果在以下各部分分別進(jìn)行闡述。

2.1.1 喬木層單位面積生物量

根據(jù)喬木每木檢尺調(diào)查，大興安嶺5種林型各組分每木調(diào)查的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表2。從表2中可看出，在大興安嶺5種林型的不同齡組中，平均胸徑從大到小的基本排列順序?yàn)椋赫磷铀闪?興安落葉松林>白樺林>蒙古櫟林>山楊林，其中在幼齡林和中齡林時(shí)蒙古櫟林的平均胸徑小于山楊林，在成熟林時(shí)白樺林的平均胸徑小于蒙古櫟林，針葉樹種的平均胸徑>闊葉樹種的平均胸徑；其平均樹高從大到小的依次排列順序?yàn)椋号d安落葉松林>樟子松林>白樺林>山楊林>蒙古櫟林，其中在幼齡林時(shí)，樟子松林>白樺林>興安落葉松林，針葉樹種的平均樹高>闊葉樹種的平均樹高。興安落葉松林干和枝所占的比例均隨著林齡的增長而增加，相反葉、皮和根所占的比例則隨著林齡的增長反而減少。樟子松林干所占的比例亦隨著林齡的增長而增加，但其增加的速度快于興安落葉松林，然而其枝所占的比例卻隨著林齡的增加而下降，同時(shí)其葉、皮和根所占的比例亦隨著林齡的增長而減少，由于樟子松林自然整枝能力較強(qiáng)，因而其枝條一般少于興安落葉松林，導(dǎo)致隨著林齡的增長其枝所占的比例反而下降。白樺林的干所占的比例總體上隨著林齡的增加而增多，但其增加的速度慢于興安落葉松林，然而其枝、葉、皮和根所占的比例均隨著林齡的增長而減少。蒙古櫟林干和枝所占的比例總體上亦隨著林齡的增加而增多，但干和枝增長的速度均表現(xiàn)為較為緩慢的增長趨勢(shì)，其葉、皮和根所占的比例亦隨著林齡的增長而表現(xiàn)為緩慢下降。山楊林的干、枝和葉所占的比例均隨著林齡的增長而變多，但其增長的速度均較為緩慢，其皮和根所占的比例也隨著林齡的增長而緩慢下降。綜上所述，大興安嶺5種林型均隨著林齡的增長，生物量有向地上部分生物量增加的趨勢(shì)。

將標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)每株樹的胸徑和樹高數(shù)據(jù)代入式(2)計(jì)算其生物量，然后再加起來得到整個(gè)樣地的生物量，生物量的計(jì)量結(jié)果見表3。從表3可知各林型單位面積喬木層生物量總體上由大到小的排列順序?yàn)椋赫磷铀闪?興安落葉松林>山楊林>白樺林>蒙古櫟林。從總體上看，大興安嶺5種林型喬木層生物量均隨著林齡的增長而增加。從林型上看，其中興安落葉松林和樟子松林兩種針葉林的增長速度較快，興安落葉松林的喬木生物量從幼齡林的18.27t/hm2，增加到成熟林的193.53t/hm2，樟子松林的喬木生物量從幼齡林的43.47t/hm2，增加到成熟林的212.22t/hm2，樟子松林喬木生物量的增長速度慢于興安落葉松林，但樟子松林成熟林喬木生物量高于興安落葉松林。而白樺林、山楊林和蒙古櫟林等3種闊葉林的增長速度較慢，白樺林的喬木生物量從幼齡林的16.04t/hm2，增加到成熟林的120.49t/hm2，山楊林的喬木生物量從幼齡林的25.02t/hm2，增加到成熟林的121.45t/hm2，蒙古櫟林的喬木生物量從幼齡林的9.15t/hm2，增加到成熟林的123.44t/hm2。從林型的各齡組進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，蒙古櫟林的喬木層生物量在幼齡林9.15t/hm2、中齡林21.10t/hm2和近熟林69.02t/hm2時(shí)均表現(xiàn)為最低，樟子松林的喬木層生物量在幼齡林43.47t/hm2和中齡林103.81t/hm2時(shí)均表現(xiàn)為最高，而近熟林時(shí)生物量最高的是興安落葉松林達(dá)到174.19t/hm2，成熟林時(shí)白樺林的生物量最低120.49t/hm2，樟子松林在成熟林時(shí)生物量亦高達(dá)212.22t/hm2。

從不同齡組看，幼齡林單位面積喬木層生物量中樟子松林的生物量最大達(dá)到43.47t/hm2，生物量最小的是蒙古櫟林僅為9.15t/hm2；中齡林單位面積喬木層生物量中樟子松林的生物量最大達(dá)到103.81t/hm2，生物量最小的是蒙古櫟林僅為21.10t/hm2；近熟林單位面積喬木層生物量中興安落葉松林的生物量最大達(dá)到174.19t/hm2，生物量最小的是蒙古櫟林僅為69.02t/hm2；成熟林單位面積喬木層生物量中樟子松林的生物量最大達(dá)到212.22t/hm2，生物量最小的是山楊林僅為121.45t/hm2。森林喬木層生物量隨著林齡的增長，各林型喬木層生物量的增長速度并不相同，出現(xiàn)消長的情況，但總體上是隨著林齡的增長其喬木層生物量不斷增加。因此在估測森林生物量時(shí)一定要充分考慮林齡因子對(duì)生物量的重要影響。

2.1.2 灌木層單位面積生物量

通過1.2節(jié)森林生物量調(diào)查所得到的各林型灌木層的樣本數(shù)為1200個(gè)，對(duì)測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，單位面積灌木層生物量見表4，從表4可看出，各林型單位面積灌木層生物量總體上由大到小的排列順序?yàn)椋喊讟辶?山楊林>興安落葉松林>樟子松林>蒙古櫟林。單位面積灌木層生物量排列順序與喬木層生物量的排列順序并不相同，興安落葉松林和樟子松林的喬木層生物量相對(duì)較大，但其灌木層生物量卻小于白樺林和山楊林，而蒙古櫟林不論喬木層還是灌木層的生物量均低于其他4種林型。這主要是因?yàn)閱挝幻娣e灌木層生物量同樣由于氣候類型、立地類型、樹種構(gòu)成以及人為干擾等因子的影響，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的異質(zhì)性，因而造成單位面積灌木層生物量相差較大。

表3 大興安嶺5種林型喬木層各組分生物量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差，t/hm2)

表4 大興安嶺5種林型各組分單位面積生物量(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差, t/hm2)

從不同齡組看，幼齡林單位面積灌木層生物量中山楊林的生物量最大達(dá)到6.32t/hm2，生物量最小的是樟子松林僅為2.46t/hm2；中齡林單位面積灌木層生物量中興安落葉松林的生物量最大達(dá)到6.43t/hm2，生物量最小的是蒙古櫟林僅為1.24t/hm2；近熟林單位面積灌木層生物量中白樺林的生物量最大達(dá)到2.87t/hm2，生物量最小的是蒙古櫟林僅為0.32t/hm2；成熟林單位面積灌木層生物量中白樺林的生物量最大達(dá)到6.67t/hm2，生物量最小的是山楊林僅為0.61t/hm2。各林型灌木層生物量隨著林齡的增長，不同林型灌木層生物量出現(xiàn)較大的變化，與各林型喬木層生物量的變化規(guī)律不同，灌木層生物量的變化規(guī)律并不隨著林齡的增長而不斷增加。蒙古櫟林的灌木層生物量從幼齡林的3.21t/hm2下降到成熟林的0.61t/hm2。蒙古櫟林的灌木層生物量從幼齡林的3.21t/hm2下降到成熟林的0.61 t/hm2。興安落葉松林和山楊林的灌木層生物量均呈下降的趨勢(shì)，但中間有波動(dòng)，其中興安落葉松林在中齡林時(shí)，其灌木層單位面積生物量反而上升到6.43t/hm2，而山楊林在近熟林時(shí)，其灌木層生物量下降到2.32t/hm2。白樺林在中齡林和近熟林時(shí)單位面積灌木層生物量均較低，在成熟林時(shí)增加到6.67t/hm2。樟子松林的單位面積灌木層生物量在幼林齡和近熟林時(shí)均表現(xiàn)為較低，成熟林時(shí)其生物量達(dá)到3.34t/hm2。因此，在估測森林灌木層生物量時(shí)一定不要忽略林齡因子對(duì)森林灌木層生物量的影響。

2.1.3 草本層單位面積生物量

通過1.2節(jié)森林生物量調(diào)查所得到的各林型草本層的樣本數(shù)1200個(gè)，對(duì)測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，單位面積草本層生物量見表4，從表4可看出，各林型單位面積草本層生物量總體上由大到小的排列順序?yàn)椋喊讟辶?山楊林>樟子松林>興安落葉松林>蒙古櫟林。單位面積草本層生物量排列順序與喬木層生物量的排列順并不相同，興安落葉松林和樟子松林的喬木層生物量相對(duì)較大，但其草本層生物量卻小于白樺林和山楊林，而蒙古櫟林不論喬木層還是草本層的生物量均低于其他4種林型。這主要是因?yàn)閱挝幻娣e草本層生物量同樣由于氣候類型、立地類型、樹種構(gòu)成以及人為干擾等因子的影響，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的異質(zhì)性，因而造成單位面積草本層生物量相差較大。

從不同齡組看，幼齡林單位面積草本層生物量中樟子松林的生物量最大達(dá)到13.16t/hm2，生物量最小的是蒙古櫟林僅為7.21t/hm2；中齡林單位面積草本層生物量中白樺林的生物量最大達(dá)到10.41t/hm2，生物量最小的是蒙古櫟林僅為0.34t/hm2；近熟林單位面積草本層生物量中白樺林的生物量最大達(dá)到7.21t/hm2，生物量最小的是蒙古櫟林僅為0.24t/hm2；成熟林單位面積草本層生物量中山楊林的生物量最大達(dá)到7.62t/hm2，生物量最小的是山楊林僅為0.51t/hm2。各林型草本層生物量隨著林齡的增長，不同林型草本層生物量變化與各林型喬木層生物量的變化規(guī)律相反，單位面積草本層生物量總體上呈不斷下降的規(guī)律，但蒙古櫟林和山楊林在成熟林時(shí)，其草本層生物量大于近熟林，研究發(fā)現(xiàn)草本層生物量的消長與林型的郁閉度密切相關(guān)，在幼齡林時(shí)，喬木層的郁閉度較低，隨著林齡的增長，郁閉度提高，而蒙古櫟林和山楊林在成熟林時(shí)其郁閉度下降，從而影響單位面積草本層生物量。蒙古櫟林的草本層生物量從幼齡林的7.21t/hm2下降到成熟林的0.51 t/hm2，下降幅度最快。山楊林的草本層生物量從幼齡林的10.22 t/hm2下降到成熟林的7.62 t/hm2，下降幅度較慢。興安落葉松林、白樺林和樟子松林草本層生物量均呈逐步下降的趨勢(shì)。

2.1.4 凋落物層單位面積生物量

通過1.2節(jié)森林生物量的調(diào)查所得到的各林型凋落物層的樣本數(shù)1200個(gè)，對(duì)測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，單位面積凋落物生物量見表4，從表4可看出，各林型單位面積凋落物層生物量總體上由大到小的排列順序?yàn)椋号d安落葉松林>樟子松林>山楊林>白樺林>蒙古櫟林。單位面積凋落物層生物量排列順序與喬木層生物量的排列順序并不相同，興安落葉松林和樟子松林的喬木層和凋落物層的生物量均相對(duì)較大，但其凋落物層生物量亦相對(duì)較大，而蒙古櫟林不論喬木層還是凋落物層的生物量均低于其他4種林型。這主要是因?yàn)閱挝幻娣e凋落物層生物量同樣由于氣候類型、立地類型、樹種構(gòu)成以及人為干擾等因子的影響，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的異質(zhì)性，因而造成單位面積凋落物層生物量相差較大。

從不同齡組看，興安落葉松林、白樺林和樟子松林的單位面積凋落物層生物量隨著林齡的增長而增加，而山楊林和蒙古櫟林的單位面積凋落物層生物量則隨著林齡的增長而減少。由于大興安嶺地處北方寒溫帶針葉林區(qū)，氣候寒冷干燥，凋落物較難分解腐殖化，因而單位面積凋落物層生物量積累較多，尤其是針葉林(興安落葉松林和樟子松林)在氣候寒冷干燥的條件下更難分解，從而導(dǎo)致隨著林齡的增長其凋落物生物量增長較快。興安落葉松林單位面積凋落物層生物量從幼齡林的2.11t/hm2增加到成熟林的17.24t/hm2，增加到原來的8.17倍。樟子松林單位面積凋落物層生物量從幼齡林的2.13t/hm2增加到成熟林的9.63t/hm2，增加到原來的4.52倍。而白樺林作為闊葉林其單位面積凋落物層生物量從幼齡林的1.61t/hm2增加到成熟林的4.21t/hm2，增幅較為平緩。然而山楊林和蒙古櫟林作為闊葉林，其單位面積凋落物層生物量從幼齡林到成熟林不但未增加，反而下降，蒙古櫟林的單位面積凋落物層生物量從幼齡林的4.32t/hm2到成熟林1.64t/hm2，而蒙古櫟林的單位面積凋落物層生物量雖然總體上呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，但中齡林高于幼齡林，成熟林高于近熟林。

2.2 各林型單位面積生物量

各林型單位面積生物量包括喬木層生物量、灌木層生物量、草本層生物量和凋落物層生物量，結(jié)合表3和表4可得出各林型不同齡組單位面積生物量。總體上看各林型不同齡組單位面積生物量由大到小的排列順序?yàn)椋赫磷铀闪?興安落葉松林>山楊林>白樺林>蒙古櫟林。興安落葉松林不同齡組中幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的單位面積生物量分別為31.00、101.29、188.46t/hm2和215.23t/hm2；白樺林不同齡組幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的單位面積生物量分別為33.13、65.64、88.67t/hm2和136.38t/hm2；樟子松林不同齡組中幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的單位面積生物量分別為61.22、120.30、179.10t/hm2和229.43t/hm2；蒙古櫟林不同齡組中幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的單位面積生物量分別為23.89、25.00、70.70t/hm2和126.20t/hm2；山楊林不同齡組中幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林的單位面積生物量分別為47.28、61.71、91.16t/hm2和135.53t/hm2。

從不同林型的齡組上進(jìn)行分析，在幼齡林中單位面積生物量由大到小的排列順序?yàn)椋赫磷铀闪?山楊林>白樺林>興安落葉松林>蒙古櫟林；在中齡林中單位面積生物量由大到小的排列順序?yàn)椋号d安落葉松林>樟子松林>白樺林>山楊林>蒙古櫟林；在近熟林中單位面積生物量由大到小的排列順序?yàn)椋号d安落葉松林>樟子松林>山楊林>白樺林>蒙古櫟林；在成熟林中單位面積生物量由大到小的排列順序?yàn)椋赫磷铀闪?興安落葉松林>白樺林>山楊林>蒙古櫟林。從總體上看，單位面積生物量隨著林齡的增長而增加，但各林型的增長速度不同。其中興安落葉松林的增長速度最快，從幼齡林單位面積生物量的31.00t/hm2增加到成熟林的215.23t/hm2，增加到原來的6.94倍；其次蒙古櫟林各齡組的單位面積生物量雖然相對(duì)較少，但增長速度較快，從幼齡林單位面積生物量的23.89t/hm2增加到成熟林的126.20t/hm2，增加到原來的5.28倍；白樺林從幼齡林單位面積生物量的33.13t/hm2增加到成熟林的136.38t/hm2，增加到原來的4.12倍；樟子松林雖然幼齡林單位面積生物量達(dá)到61.22t/hm2，但從幼齡林到成熟林生物量的229.43t/hm2，只增加到原來的3.75倍；山楊林從幼齡林單位面積生物量的47.28t/hm2增加到成熟林的135.53t/hm2，其幼齡林的單位面積生物量最多，但隨著林齡的增長，其生物量增加速度反而最慢，僅增加到原來的2.87倍。

2.3 不同林型生物量含碳率

大興安嶺5種典型林型不同組分的森林生物量含碳率，根據(jù)MultiN/C3000進(jìn)行測定的結(jié)果見表5。

表5中可看出，從林型各組分看，各組分生物量的含碳率從高到低的依次排列順序?yàn)椋簡棠緦?灌木層>草本層>凋落物層。從不同林型的喬木樹種的形態(tài)來看，其含碳率的排序是：針葉林>闊葉林。從不同林型之間的喬木層含碳率來看，興安落葉松林>樟子松林>蒙古櫟林>白樺林>山楊林。從齡組上看，喬木層干的生物量含碳率一般隨著林齡的增加而變大，其含碳率的增幅排序是：蒙古櫟林>樟子松林>山楊林>興安落葉松林>白樺林。

喬木層枝的含碳率的變化規(guī)律與干的變化規(guī)律相同，其含碳率亦隨著林齡的增加而變大，但各喬木層枝的含碳率增幅均不大，興安落葉松林、白樺林、樟子松林、蒙古櫟林和山楊林各喬木層的枝部分含碳率從幼齡林到成熟林分別增加了0.42%、3.20%、4.36%、7.25%和2.58%，其中蒙古櫟林的增幅最大，其次是樟子松林，增幅最小的是興安落葉松林。樟子松林、蒙古櫟林和山楊林喬木層葉的含碳率的變化規(guī)律與喬木干的變化趨勢(shì)相同，但興安落葉松林和白樺林含碳率的變化規(guī)律隨著林齡增加有波動(dòng)中上升的趨勢(shì)。興安落葉松林在成熟林時(shí)，其喬木層葉的含碳率反而小于近熟林，白樺林在中齡林和近熟林時(shí)，其喬木層葉的含碳率小于幼齡林。喬木層皮的含碳率隨著林齡的增加其變化規(guī)律總體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，但興安落葉松林的中齡林小于幼齡林。喬木根的含碳率隨著林齡的增加其變化規(guī)律亦在總體上呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

表5 大興安嶺5種林型不同組分的森林生物量含碳率(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,%)

國際上對(duì)各種樹種常采用50%的含碳率來計(jì)量生物量的碳儲(chǔ)量[37- 40]，國內(nèi)外研究者大多也采用50%作為所有樹種的平均含碳率，而對(duì)非木質(zhì)部分的凋落物、草本等通常采用45%的平均含碳率[41- 42]。從表5中可看出各林型中的木質(zhì)部分(喬木、灌木)的含碳率比較接近50%，而非木質(zhì)部分(草本、凋落物)的含碳率比較接近45%。在林分水平上，針葉林的含碳率高于闊葉林的含碳率，其中興安落葉松林的含碳率最高，其次為樟子松林的含碳率，含碳率最低的是山楊林。

2.4 不同林型單位面積森林生物碳儲(chǔ)量

森林生物碳儲(chǔ)量是森林生物量與生物量含碳率的乘積[43]。大興安嶺5種不同林型單位面積森林生物碳儲(chǔ)量見表6，從表6可知，喬木層的碳儲(chǔ)量一般隨著林齡的增加而增大，但各林型的增長幅度相差較大。興安落葉松林、白樺林、樟子松林、蒙古櫟林和山楊林各喬木層的碳儲(chǔ)量從幼齡林到成熟林分別增加了10.82%、7.65%、5.09%、13.52%和5.00%。在不同林型下，灌木層的碳儲(chǔ)量隨林齡的變化差異較大。興安落葉松林從幼齡林到中齡林灌木層的碳儲(chǔ)量表現(xiàn)為增加、而從中齡林到成熟林又表現(xiàn)為減少的趨勢(shì)。白樺林從幼齡林到成熟林灌木層的碳儲(chǔ)量一直表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，且增幅較大。樟子松林灌木層的碳儲(chǔ)量波動(dòng)較大。蒙古櫟林和山楊林灌木層碳儲(chǔ)量從幼齡林到成熟林均表現(xiàn)為減少的規(guī)律，減少的百分比分別為5.35%和1.93%。

草本層的碳儲(chǔ)量總體上隨著林齡的增加而減少，但蒙古櫟林和山楊林草本層的碳儲(chǔ)量在成熟林時(shí)均高于近熟林。興安落葉松林、白樺林和樟子松林各喬木層碳儲(chǔ)量從幼齡林到成熟林分別發(fā)生變化的百分比為3.10%、2.27%和3.16%，其中蒙古櫟林從幼齡林到近熟林減幅達(dá)到30.55%，而山楊林從幼齡林到近熟林減幅僅為1.63%。各林型凋落物層的碳儲(chǔ)量隨著林齡的變化相對(duì)較大。興安落葉松林、白樺林和樟子松林均表現(xiàn)為隨著林齡的增加而增長，各林型的增長百分比分別為8.28%、2.67%和4.52%。而蒙古櫟林凋落物層的碳儲(chǔ)量隨著林齡的增加反而減少，減少幅度達(dá)到2.71%。山楊林的凋落物層的碳儲(chǔ)量變化幅度較大，從幼齡林到中齡林開始表現(xiàn)為增加，而從中齡林到近熟林又表現(xiàn)為減少的趨勢(shì)，然后從近熟林到成熟林表現(xiàn)為增加的規(guī)律。

從表6中可看出大興安嶺5種典型林型不同齡組的森林生物碳儲(chǔ)量。其中興安落葉松林單位面積生物碳儲(chǔ)量從幼齡林的15.20t/hm2增加到成熟林的109.33t/hm2，增加了7.19倍。白樺林單位面積生物碳儲(chǔ)量從幼齡林的15.36t/hm2到成熟林的64.35t/hm2，增加了4.19倍。樟子松林單位面積生物碳儲(chǔ)量從幼齡林的29.89t/hm2到成熟林的117.08t/hm2，增加了3.92倍。蒙古櫟林單位面積生物碳儲(chǔ)量從幼齡林的11.17t/hm2到成熟林的59.49t/hm2，增加了5.33倍。山楊林單位面積生物碳儲(chǔ)量從幼齡林的21.81t/hm2到成熟林的64.39t/hm2，增加了2.95倍。從幼齡林到成熟林單位面積生物碳儲(chǔ)量由大到小的增幅排列順序?yàn)椋号d安落葉松林>蒙古櫟林>白樺林>樟子松林>山楊林。其中增加幅度最快的是興安落葉松林，增加到原來的7.19倍；增加幅度最慢的是山楊林。

3 結(jié)論與討論

黑龍江省大興安嶺是我國典型的明亮針葉林分布區(qū)，該區(qū)植被和土壤中儲(chǔ)存的碳量，在區(qū)域碳循環(huán)與碳平衡中發(fā)揮重要作用。研究發(fā)現(xiàn)大興安嶺5種典型林型不同齡組的森林生物碳儲(chǔ)量均隨著林齡(幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林)的增長而增加，但不同林型的碳匯功能存在差異，同一種林型在不同林齡的生物碳儲(chǔ)量增幅差異也較大。5種林型的生物碳儲(chǔ)量分別為：興安落葉松幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林分別為15.20、50.96、95.80t/hm2和109.33t/hm2；白樺幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林分別為15.36、30.67、41.62t/hm2和64.35t/hm2；樟子松幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林分別為29.89、59.92、90.01t/hm2和117.08t/hm2；蒙古櫟幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林分別為11.17、11.90、34.94t/hm2和59.49t/hm2；山楊幼齡林、中齡林、近熟林和成熟林分別為21.81、28.58、42.84t/hm2和64.39t/hm2。其中興安落葉松林單位面積生物碳儲(chǔ)量從幼齡林到成熟林增加了7.19倍，增幅較大，隨著林齡的增長碳匯功能較強(qiáng)。白樺林單位面積生物碳儲(chǔ)量從幼齡林到成熟林增加了4.19倍。樟子松林單位面積生物碳儲(chǔ)量從幼齡林到成熟林增加了3.92倍。蒙古櫟林單位面積生物碳儲(chǔ)量從幼齡林到成熟林增加了5.33倍。山楊林單位面積生物碳儲(chǔ)量從幼齡林到成熟林增加了2.95倍，增幅較小。

3.1 不同林齡碳匯功能的變化

林齡被認(rèn)為森林結(jié)構(gòu)與功能的主要驅(qū)動(dòng)因子，許多學(xué)者的研究表明森林林齡是決定生態(tài)系統(tǒng)碳通量與碳儲(chǔ)量的關(guān)鍵因子，是影響森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能變化的主要因子。許多研究的結(jié)果表明森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯隨著林齡的增加而增長，尤其是周國逸等通過對(duì)廣東省鼎湖山國家自然保護(hù)區(qū)內(nèi)一片林齡400多年的成熟森林土壤25a的連續(xù)觀測發(fā)現(xiàn)成熟森林土壤可持續(xù)積累有機(jī)碳，成熟森林仍然發(fā)揮著巨大的“碳匯”作用[44]。由于大興安嶺林區(qū)的開發(fā)始于20世紀(jì)60年代，尤其是改革開放初期對(duì)大興安嶺的大規(guī)模開發(fā)，而且由于對(duì)木材的過度依賴，導(dǎo)致森林資源破壞嚴(yán)重，林分結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，大興安嶺原始林不復(fù)存在，取而代之的是以次生林和人工林為主，近熟林和成熟林亦遭到破壞，目前留下的基本是幼齡林以及中齡林，所以許多對(duì)大興安嶺森林生物量及生物碳儲(chǔ)量的研究主要集中于幼齡林以及中齡林[45]。本文通過選取大興安嶺5種代表性林型不同林齡的生物碳儲(chǔ)量作為研究對(duì)象，研究結(jié)果表明相同林型各組分均隨著林齡的增長，其生物碳儲(chǔ)量均呈現(xiàn)為較明顯的遞增趨勢(shì)，尤其是從幼齡林過度到近熟林階段，單位面積生物碳儲(chǔ)量增長較快。根據(jù)第八次森林資源調(diào)查資料可知，大興安嶺林區(qū)目前森林的林齡仍然處在幼齡林和中齡林較多，因此森林生態(tài)系統(tǒng)的碳儲(chǔ)潛力較大，應(yīng)采取科學(xué)有效的森林經(jīng)營管理措施，不斷增加森林碳匯量，充分發(fā)揮林區(qū)的碳匯功能。

3.2 不同林型碳匯功能的潛力差異

許多研究發(fā)現(xiàn)不同林型生物量碳匯及其積累速率隨林齡的增加呈現(xiàn)較大差異，闊葉林各林齡組的生物碳儲(chǔ)量均大于針葉林相應(yīng)林齡組的水平，而且這種差距隨著林齡的增長而增大。本文研究發(fā)現(xiàn)，大興安嶺5種不同林型的碳匯功能存在較大差異，幼齡林時(shí)不同林型生物碳儲(chǔ)量取值范圍為11.17—29.89t/hm2；中齡林時(shí)不同林型生物碳儲(chǔ)量取值范圍為11.90—59.92t/hm2；近熟林時(shí)不同林型生物碳儲(chǔ)量取值范圍為34.94—95.80t/hm2；成熟林時(shí)不同林型生物碳儲(chǔ)量取值范圍為59.49—117.08t/hm2；興安落葉松林生物碳儲(chǔ)量從幼齡林到成熟林增加了7.19倍，增幅呈直線上升。白樺林生物碳儲(chǔ)量從幼齡林到成熟林增加了4.19倍，呈現(xiàn)出明顯的隨著林齡增長碳匯功能較強(qiáng)的趨勢(shì)。樟子松林生物碳儲(chǔ)量從幼齡林到成熟林增加了3.92倍。蒙古櫟林生物碳儲(chǔ)量從幼齡林到成熟林增加了5.33倍。山楊林生物碳儲(chǔ)量從幼齡林到成熟林增加了2.95倍，從以上5種林型生物碳儲(chǔ)量的變化趨勢(shì)可知，各種林型均表現(xiàn)為持續(xù)增長的趨勢(shì)，但增幅較小，尤其是整體上碳固定能力還不強(qiáng)，碳密度低于我國平均森林碳密度[8]。針葉林(除蒙古櫟林)各林齡組的生物碳儲(chǔ)量均大于闊葉林相應(yīng)林齡組的水平，而且這種差距隨著林齡的增長而增大。因此，通過科學(xué)經(jīng)營管理森林生態(tài)系統(tǒng)，充分挖掘潛力，大興安嶺林區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)中將發(fā)揮更大的作用。

3.3 氣候變化對(duì)生物碳儲(chǔ)量的影響

全球變化問題是人類社會(huì)共同面臨的一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的科學(xué)問題，近年來，尤其是隨著全球氣候變化的日益顯著，氣候變暖及其影響越來越引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注[6]。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，儲(chǔ)存著大量的碳匯、發(fā)揮著重要的碳匯效應(yīng)，然而，隨著氣候變暖的日益加劇，森林生態(tài)系統(tǒng)在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳平衡中是扮演碳源還是碳匯功能引起學(xué)者們的廣泛關(guān)注，近年來，不少研究者對(duì)不同國家或區(qū)域的各林型生物碳儲(chǔ)量開展了相應(yīng)的大量研究，研究者們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，在北半球的中高緯度地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)是重要碳庫，是“迷失的碳匯”的重要固定場所[46]。而我國大興安嶺林區(qū)地處高緯度地區(qū)，屬于寒溫帶針葉林區(qū)，亦是我國乃至世界氣候變化的敏感地區(qū)，通過加強(qiáng)該區(qū)主要森林林型的生物碳儲(chǔ)量及碳匯潛力研究，以利于了解森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能，從而有利于進(jìn)一步量化對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)生物碳儲(chǔ)量的科學(xué)計(jì)量，對(duì)解釋“迷失的碳匯”問題，進(jìn)一步了解氣候變化背景下生態(tài)系統(tǒng)碳源碳匯的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律具有重要意義。森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)溫室效應(yīng)的影響研究是全球氣候變化研究的主要內(nèi)容，本文通過開展生物碳儲(chǔ)量的研究，有利于進(jìn)一步量化森林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)大氣CO2的碳匯功能。學(xué)者們研究發(fā)現(xiàn)我國森林生物碳儲(chǔ)量水平地帶分布上主要表現(xiàn)為東部區(qū)域生物碳儲(chǔ)量隨緯度升高而下降的趨勢(shì)[47]，然而大興安嶺林區(qū)雖然位于我國東北的寒溫帶針葉林區(qū)，處于我國的高緯度地區(qū)，本文研究結(jié)果表明，該林區(qū)的單位面積生物碳儲(chǔ)量相對(duì)較高。黑龍江省大興安嶺寒溫帶針葉林地帶性植被多為原生林，種群的密度較大，因而該林區(qū)植被固碳能力仍然較強(qiáng)。興安落葉松林是大興安嶺林區(qū)地帶性植被類型，蔣延玲等[48]利用CENTURY模型模擬該林型的碳循環(huán)并探討全球變化對(duì)其碳循環(huán)的影響，研究發(fā)現(xiàn)，興安落葉松林是一個(gè)重要的碳匯，年凈吸收碳2.65t/hm2。多種氣候模型模擬的結(jié)果表明氣候變化將進(jìn)一步加劇，為充分應(yīng)對(duì)氣候變化的挑戰(zhàn)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)大興安嶺林區(qū)的森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)合理的管理，不斷促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定的發(fā)展，優(yōu)化大興安嶺林區(qū)的碳匯功能。

3.4 大興安嶺森林碳匯功能變化趨勢(shì)

森林生態(tài)系統(tǒng)在全球生態(tài)系統(tǒng)碳平衡中扮演重要角色。森林在其生長發(fā)育過程中可從大氣中吸收大量的碳，并固定在有機(jī)體中，是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的有機(jī)碳庫，可高達(dá)約76%—98%，構(gòu)成大氣CO2的一個(gè)重要碳匯[20]?！毒┒甲h定書》已于2005年正式生效，現(xiàn)階段我國雖無溫室氣體減排義務(wù)，但對(duì)森林碳匯大小的估算以及對(duì)區(qū)域森林碳吸存潛力的正確評(píng)價(jià)，尋求CO2減排與增匯的對(duì)策技術(shù)同樣是關(guān)系到我國政治經(jīng)濟(jì)國際地位和發(fā)展趨勢(shì)的重要舉措。大興安嶺林區(qū)是北方森林的典型分布區(qū)，亦是我國唯一的北方針葉林區(qū)，是國家重要的主體生態(tài)功能區(qū)，是松嫩平原乃至整個(gè)東北平原的重要生態(tài)屏障，大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力的高低，對(duì)保障松嫩平原乃至東北地區(qū)的生態(tài)安全具有不可替代的作用。本文通過實(shí)際測量數(shù)據(jù)的研究結(jié)果表明，大興安嶺林區(qū)的主要林型大多處于幼齡林和中齡林，而許多學(xué)者的相關(guān)研究表明，生長旺盛期的幼齡林和中幼齡林的固碳能力最強(qiáng)，成熟林的固碳量達(dá)到最大值，且新增固碳能力幾乎為零[8- 9,49- 53]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該區(qū)現(xiàn)有各種幼齡林和中齡林的林地面積、蓄積分別占用材林的83.17%和75.13%[54]，由于該區(qū)大部分森林屬于中幼齡林，而且正處于旺盛的生長期，森林固碳能力最強(qiáng)，森林固碳潛力很大，碳匯效應(yīng)很強(qiáng)，因此，加強(qiáng)該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的撫育管理以及森林防火與森林病蟲害的防治工作，對(duì)增強(qiáng)碳匯功能具有重要意義。森林生物量和碳儲(chǔ)量研究是生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和碳平衡研究的基礎(chǔ)，亦是揭示森林生態(tài)功能和評(píng)估森林環(huán)境效益的重要內(nèi)容[55]。本文通過實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)量估算了大興安嶺林區(qū)生物碳儲(chǔ)量，可為深入研究大興安嶺林區(qū)森林固碳能力及其碳匯功能研究提供參考依據(jù)。

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Estimating biological carbon storage of five typical forest types in the Daxing′anling Mountains, Heilongjiang, China

HU Haiqing1, LUO Bizhen1,WEI Shujing1,2,3, WEI Shuwei4, WEN Zhengmin2,3,SUN Long1, LUO Sisheng1, WANG Liming1, MA Hongbin1,*

1CollegeofForestry,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China2CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China3GuangxiKeyLaboratoryofNewEnergyandBuildingEnergySaving,Guilin541004,China4CollegeofDesignArt,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China

As global climate change continues to accelerate, biological carbon storage, which plays an important ecological role in forest ecosystems, have a very significant effect on carbon emissions and carbon sinks and also play an important role in carbon cycle. Forest ecosystems, as a principal component of terrestrial ecosystems, are the world′ s largest carbon (C) pool and C sink. The amount of C storage in vegetation plays an important role in global C cycle and C balance. Scientifically and effectively measuring biological C storage provides important data needed for understanding the significance of forest biomass in the C cycle as well as for understanding climate change. This study analyzed biological C storage in typical forest types in the Daxing′anling Mountains in Heilongjiang Province, China, using forest inventory data and geographic information system technology. Five typical forest types in the Daxing′anling Mountains were studied using various age groups and different forest components (trees, shrubs, herbs and litter), specificallyLarixgmelinii,Betulaplatyphylla,Pinussylvestrisvar.mongolica,Quercusmongolica, andPopulusdavidianaforests. For each forest type, tree, understory shrub, herb, and litter layers were surveyed to determine and measure biomass per unit area, C biomass, and C forest stocks. At the stand level, age groups were classified so that estimates of forest biomass and forest C stocks in the study area could be calculated. The biomasses in different age groups of the five typical forest types in the Daxing′anling Mountains including young forest, middle-aged forest, near mature forest, and mature forest were analyzed:. Biomass per unit area ofLarixgmeliniiforests for these four age groups was 31.00 t/hm2, 101.29 t/hm2, 188.46 t/hm2, and 215.23 t/hm2, respectively. Similarly, the same four age groups ofBetulaplatyphyllaforests held 33.13 t/hm2, 65.64 t/hm2, 88.67 t/hm2, and 136.38 t/hm2of biomass per unit area; the four age groups ofPinussylvestrisvar.mongolicaforests had 61.22 t/hm2, 120.30 t/hm2, 179.10 t/hm2, and 229.43 t/hm2of biomass per unit area; the four age groups ofQuercusmongolicaforests had 23.89 t/hm2, 25.00 t/hm2, 70.70 t/hm2, and 126.20 t/hm2of biomass per unit area; and, the four age groups ofPopulusdavidianaforests had 47.28 t/hm2, 61.71 t/hm2, 91.16 t/hm2, and 135.53 t/hm2of biomass per unit area, respectively. Our study determined that biological C storage of the five typical forest types in different age groups varied widely in the Daxing′anling Mountains. C storage per unit area for young forest, middle-aged forest, near mature forest, and mature forest listed in respective order, for each forest type are as follows: 15.20 t/hm2, 50.96 t/hm2, 95.80 t/hm2, and 109.33t/hm2forLarixgmeliniiforests; 15.36 t/hm2, 30.67 t/hm2, 41.62 t/hm2, and 64.35t/hm2forBetulaplatyphyllaforests; 29.89 t/hm2, 59.92 t/hm2, 90.01 t/hm2, and 117.08 t/hm2forPinussylvestrisvar.mongolicaforests; 11.17 t/hm2, 11.90 t/hm2, 34.94 t/hm2, and 59.49 t/hm2forQuercusmongolicaforests; and, 21.81 t/hm2, 28.58 t/hm2, 42.84 t/hm2, and 64.39 t/hm2forPopulusdavidianaforests. These results show that biological C stocks in the Daxing′anling Mountains play an important role in the C cycle and regional C balance. Different age groups in five typical forest types serve as forest C stocks based on forest biological age with the C stock increasing with forest growth and aging. Nevertheless, the type of forest C sink function varies in different forest types, although the same types of large differences were observed in biological C forest reserves in stands of different ages among the five forest types. Because most of the growth in the five major forest types occurs in young and middle-aged forest, forests at these ages have a great potential to provide C storage in forest vegetation. This significant C sink function is further enhanced in the Daxing′anling Mountains area with the development and restoration of areas designed to provide specific ecological services including important role as C sinks. In order to achieve sustainable development of these forest ecosystem, a defined C management strategy should be developed that includes an increasing use of these potential C sinks and simultaneously includes plans for the management of economic growth. Our findings are important for land managers and other stakeholders who need to gain correct understanding of biological effects of forest C stocks and C balance as part of regional ecological analysis. Our results also provide reference data related to the full effect of forest plantations as C sinks as it relates to future silvicultural and reforestation activities.

forest biomass; carbon storage; typical forest types; Daxing′anling Mountains; forest ecosystem management; carbon sink management measures

黑龍江省博士后基金(LBH-Z13012); 廣西自然科學(xué)基金(2014GXNSFBA118108); 國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD37B01); 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51208244, 31070544); 黑龍江省科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目(GA09B201-06); 國家973項(xiàng)目(2011CB403203); 國家公益性行業(yè)科研重大專項(xiàng)(201404402)

2013- 12- 29;

日期:2014- 11- 03

10.5846/stxb201312293051

*通訊作者Corresponding author.E-mail: weishujing2003@163.com

胡海清, 羅碧珍, 魏書精, 魏書威, 文正敏, 孫龍, 羅斯生,王立明, 馬洪斌.大興安嶺5種典型林型森林生物碳儲(chǔ)量.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(17):5745- 5760.

Hu H Q, Luo B Z,Wei S J, Wei S W, Wen Z M,Sun L, Luo S S, Wang L M, Ma H B.Estimating biological carbon storage of five typical forest types in the Daxing′anling Mountains, Heilongjiang, China.Acta Ecologica Sinica,2015,35(17):5745- 5760.