田惠玲, 周平 , 賈朋, 李樹光

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粵北不同經(jīng)營措施對人工林年均固碳量的影響

田惠玲1,2, 周平1*, 賈朋2, 李樹光3

1.廣州地理研究所, 廣州 510060 2.華南農(nóng)業(yè)大學, 林學與風景園林學院, 廣州 510642 3. 廣東農(nóng)工商職業(yè)技術學院, 廣州 511365

基于粵北林農(nóng)參與林業(yè)碳匯項目的人工林調(diào)查數(shù)據(jù)，分析了粵北不同經(jīng)營措施對人工林年均固碳量的影響；并運用代表當?shù)仄毡榻?jīng)營水平所模擬的材積生長方程計算得出常規(guī)經(jīng)營模式下的杉木碳儲量，與參與林業(yè)碳匯項目情景所監(jiān)測的杉木碳儲量進行比較。結(jié)果表明，不同經(jīng)營方式下的試驗林的年均固碳量具體表現(xiàn)為VI（1.5667 t·hm-2）

粵北; 人工林; 經(jīng)營措施; 配置模式; 林分密度; 年均固碳量

1 前言

近年來, 全球變暖問題日益加劇[1]。由于森林是陸地上最大的碳庫, 在調(diào)節(jié)氣候變化、降低大氣中溫室氣體濃度、減緩溫室效應方面起著重要和不可替代的作用[2-4], 因此, 全球各國將森林固碳作為減緩氣候變化的重要手段[5]。我國已將森林碳匯作為應對氣候變化的重要選擇, 并提出了相應的行動方案與發(fā)展目標[6]。廣東省被國務院批準為國家低碳試點省后, 大力發(fā)展林業(yè)碳匯, 并于2011年開展了基于CCER交易的廣東長隆碳匯造林項目(中國林業(yè)溫室氣體自愿減排項目)?；洷钡貐^(qū)是全國重點林區(qū), 擁有豐富的自然資源和碳儲量。然而, 隨著集體林權制度的改革, 林農(nóng)在擁有森林經(jīng)營權和林地使用權的同時, 由于受技術、資金及政策等因素的影響, 在追逐短期經(jīng)濟效益并且完全粗放經(jīng)營的過程中與長期的生態(tài)效益產(chǎn)生矛盾。而且, 在林權不再集中的情況下, 如果采用CCER項目, 將會在維護管理、協(xié)調(diào)林農(nóng)之間關系及申報等方面會產(chǎn)生很大成本并且具有一定難度。因此, 在粵北開展基于林農(nóng)的林業(yè)碳匯交易研究顯得尤為必要[7]。

本文選取參與基于林農(nóng)的林業(yè)碳匯項目中不同林農(nóng)的林分為研究對象, 從不同經(jīng)營措施、不同配置模式、不同密度的角度對人工林之間所存在的年均固碳量進行比較和分析, 旨在為于擁有較高年均固碳量的林農(nóng)所采用的經(jīng)營模式進行宣傳供林農(nóng)們學習效仿, 為年均固碳量較差的林農(nóng)提供科學合理的經(jīng)營方案, 對于指導人工林固碳增匯經(jīng)營管理以及林業(yè)碳匯的提升有重要作用[8-11]。另外, 通過對參與林業(yè)碳匯項目實際監(jiān)測的碳匯量與普遍經(jīng)營模式下預估的碳匯量之間的差異進行對比, 為了解項目情景下森林經(jīng)營狀況的改變和其變化幅度提供科學依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)分別位于廣東省韶關市始興縣城南鎮(zhèn)、羅壩鎮(zhèn)、馬市鎮(zhèn)、深渡水瑤族鄉(xiāng)和太平鎮(zhèn)。始興縣位于廣東省北部, 韶關市東部, 地理位置東經(jīng)113°55′—114°24′, 北緯24°31′—25°80′, 地處南嶺山脈南麓, 地勢四周高中間低, 呈盆地狀, 依次為山地、丘陵、平原。土壤以黃壤和紅壤為主, 水分充足, 土壤肥沃。項目研究所在地區(qū)屬中亞熱帶氣候, 年平均氣溫19.6 ℃; 年平均日照1582.7 h; 年降雨量1468 mm, 春末夏初雨量集中, 4—6月總雨量平均680 mm, 占全年總雨量的46.3%, 11—1月降雨量少, 為156.2 mm, 占全年降雨量的11%[11]。

試驗區(qū)由7個試驗林組成, 主要樹種包括杉木(Lamb.), 濕加松(), 濕地松()以及楓香(Hance.), 木荷(. et Champ.)等一些硬質(zhì)闊葉樹種。森林植被類型主要包括針葉混交林、針葉純林和針闊葉混交林。試驗林I以杉木和濕加松為優(yōu)勢種; 試驗林II、III、IV均以杉木為優(yōu)勢種; 試驗林V以濕加松為優(yōu)勢種, 以楓香為伴生種; 試驗林VI以杉木為優(yōu)勢種, 以木荷、楓香為亞優(yōu)勢種, 以南酸棗為伴生種; 試驗林VII以濕地松為優(yōu)勢種。

2.2 研究方法

2.2.1 樣地設置及數(shù)據(jù)調(diào)查

分別在韶關市始興縣城南鎮(zhèn)、羅壩鎮(zhèn)、馬市鎮(zhèn)、深渡水瑤族鄉(xiāng)和太平鎮(zhèn)選擇7個不同林農(nóng)經(jīng)營模式下的人工林進行樣地設置和調(diào)查。在7個試驗林選擇具有代表性的地塊分別設置3個20 m × 20 m的重復標準地, 且標準地的立地條件相似。用GPS對每個標準地西南角的坐標進行定位。利用羅盤儀按水平距離將每一個標準地劃分為4個10 m × 10 m小樣方進行調(diào)查。采用相鄰格子樣方法對樣方內(nèi)胸徑(DBH)≥5.0 cm的喬木立木進行每木檢尺, 記錄樹種、株數(shù)、胸徑和樹高。利用胸徑尺測量林木胸徑, 水準儀塔尺測量林木樹高。研究地概況見表1。

2.2.2 立木蓄積量的計算

蓄積量, 是指一定森林面積上存在著的林木樹干部分的總材積[12-13], 是反映一個區(qū)域森林資源總規(guī)模和水平的基本指標之一, 也是反映森林資源的固碳能力、衡量森林生態(tài)環(huán)境優(yōu)劣的重要依據(jù)[14-18]。

表1 粵北7個試驗林概況

本文中林木蓄積量的計算分為兩種情況, 一種是項目情景監(jiān)測材積的計算, 另一種是預估材積即采用當?shù)匾酝毡榻?jīng)營水平的材積生長方程的計算。

(1)監(jiān)測材積的計算

將樣方內(nèi)每木調(diào)查所得立木胸徑()和樹高()代入適用于廣東省樹種的二元立木材積方程[19-20], 計算單株立木的蓄積量。樣方蓄積量為樣方內(nèi)所有單株立木材積之和, 每個試驗林最后結(jié)果取3樣方蓄積的平均值。不同樹種二元立木材積方程如下。

杉木:

=6.97483 * 10-5*1.81583*0.99610(1)

濕加松/濕地松:

=7.81515 * 10-5*1.79967*0.98178(2)

硬闊類(木荷、楓香):

=6.01228 * 10-5*1.87550*0.98496(3)

式中,為單株立木材積(m3);為胸徑(cm);為樹高(m)。

(2)預估材積的計算

將所調(diào)查樹種的林齡帶入對應樹種的材積生長方程即可得出單株材積, 再根據(jù)樣方調(diào)查的林木株數(shù)即可得出每個樣方的蓄積量, 進而求出每個試驗林樣方蓄積量的平均值。各樹種所采用的單株材積生長方程以及來源和說明如下。

杉木[21-22]:

V=0.1877 *(1-е-0.1254A)5.0485(4)

采用說明:

研究采用文獻林分平均木解析擬合出的材積生長模型進行事前預估。該文獻地區(qū)的年平均氣溫為17—19℃, 年降水量為1800 mm, 與項目研究區(qū)域即韶關市始興縣的水熱條件大體一致。廣東粵北地區(qū)屬中亞熱帶氣候, 水熱條件優(yōu)于文獻研究區(qū)浙江, 采用的文獻模型通過當?shù)厥寂d縣森林資源清查小班的數(shù)據(jù)進行檢驗, R2=0.975, 平均精度為95.5%, 經(jīng)驗證該模型計算結(jié)果符合精度及保守性原則。

2.2.3 生物量的計算

本研究的生物量指活立木整株生物量, 不包含灌木、草本等其他植被生物量。采用生物量擴展因子法計算樣地內(nèi)各樹種的林木生物量。將樣地內(nèi)各樹種的林木生物量累加, 得到樣地生物量, 最后結(jié)果取3個樣地生物量的平均值。該計算過程所涉及各樹種的基本木材密度、生物量擴展因子及地下生物量與地上生物量之比等相關參數(shù)選用政府間氣候變化專門委員會(IPCC)[23-24]提供的參考值(見表2)。林分生物量()計算公式如下:

=*WD*BEF* (1＋R) (5)

式中,表示單株木的監(jiān)測材積或預估生長材積(m3);表示樹種的基本木材密度(t·d·m·m-3);表示樹種的生物量擴展因子, 用于將樹干生物量轉(zhuǎn)換為地上生物量;表示樹種的地下生物量與地上生物量之比。

2.2.4 碳儲量的計算

不同植物的含碳率不同, 但含碳率與生態(tài)特征(木材密度、樹高)或統(tǒng)計特征(相對生長速率、死亡率)無顯著相關性[25]。采用各樹種的含碳率, 將各樹種的生物量換算為生物質(zhì)碳儲量, 累加得到樣地水平的林木生物質(zhì)碳儲量。本研究所涉及樹種的含碳率選用IPCC提供的參考值(見表2)。林分碳儲量()計算公式[26-27]如下:

=*WD*BEF* (1＋R) *CF(6)

式中,CF表示樹種的生物量含碳率, 用于將生物量轉(zhuǎn)換成含碳量。

2.2.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

使用Microsoft Excel 2013軟件處理原始數(shù)據(jù)的合成、統(tǒng)計計算以及圖表制作; 采用SPSS19.0軟件整理數(shù)據(jù)和統(tǒng)計分析不同研究區(qū)域年均固碳量的差異顯著性處理(Duncan法多重比較)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同經(jīng)營方式年均固碳量分析

由圖1可以看出, 不同經(jīng)營方式下的試驗林的年均固碳量具體表現(xiàn)為VI(1.5667 t·hm-2)0.05); 試驗林VI0.05), 但它們與試驗林I、II、IV、V之間并無顯著性差異(>0.05); 試驗林III的年均固碳量為4.3403 t·hm-2, 在所有試驗林中顯示為最高值, 是試驗林II的2倍, 且與其他試驗林之間均呈現(xiàn)顯著差異(<0.05)試驗林VI的年均固碳量為最低值。

表2 不同樹種的相關參數(shù)[23]

在相同立地條件下, 相似林齡的試驗林之間的年均固碳量表現(xiàn)不同。據(jù)調(diào)查結(jié)果, 試驗林III具備了很好的科學管理經(jīng)營模式, 這也是其年均固碳量最高的緣故。試驗林III的經(jīng)營者選擇了優(yōu)良苗木和土壤肥力較強的造林區(qū)域, 并且結(jié)合其坡度的實際情況進行合理整地, 在栽植過程中充分考慮經(jīng)營目的、立地條件和經(jīng)營條件等各方面因素, 確定合適的造林密度。在經(jīng)營管理過程中, 對于幼林撫育, 前3年均會進行2—3次松土、割灌除草措施, 第4—5年會進行適當?shù)膿嵊┓蚀胧? 然而, 試驗林VI的林分質(zhì)量狀況表現(xiàn)較差, 該試驗林的經(jīng)營者基本采取粗放經(jīng)營模式, 造林沒有充分考慮立地條件, 造林密度較高, 造林后, 基本采取粗放經(jīng)營, 也不會進行林下割灌除草等措施, 在林分生長開始郁閉進行群體生長階段也沒有進行撫育間伐, 導致林木不僅成叢生長而且均是小徑材的情況; 試驗林I、II、IV、V的經(jīng)營模式大體一致, 采用了較為合理的經(jīng)營模式, 前三年均會進行割灌除草, 但是之后便采取粗放經(jīng)營, 基本不會采取施肥措施且撫育周期較長; 試驗林VII與I、II、IV、V相比較, 在種苗選擇和造林技術方面表現(xiàn)較為優(yōu)勢, 因此體現(xiàn)了相對較高的年均固碳量。

注: 含有相同字母表示之間差異性不顯著, 字母不相同表示差異性顯著, 以下相同。

3.2 影響年均固碳量的因素分析

3.2.1 不同配置模式的影響

選取同等立地條件、經(jīng)營方式大致相同的試驗林I、II、IV、V、VII進行比較, 分析不同樹種所組成的配置模式(見表3)對年均固碳量的影響。由圖2可知, 不同配置模式的年均固碳量具體表現(xiàn)為(1.7663 t·hm-2)<(2.3226 t·hm-2)<(2.4101 t·hm-2)<(2.9424 t·hm-2)。其中, 配置模式的林分類型為杉木-濕加松人工混交林, 其年均固碳量表現(xiàn)為最低, 它與杉木人工純林、濕加松人工純林沒有顯著性差異(>0.05); 配置模式的林分類型為濕地松人工純林, 其年均固碳量最高, 與杉木人工純林、濕加松人工純林同樣沒有顯著性差異(>0.05); 然而杉木-濕加松人工混交林與濕地松人工純林之間的年均固碳量有顯著差異(< 0.05)。

3.2.2 不同密度的影響

試驗林II、III和IV均為4—5年生的杉木人工純林, 具有相同的立地條件。從表4可以看出, 林分III的年均固碳量最大, 為4.3403 t·hm-2, 林分密度最小, 其蓄積量與年均固碳量與試驗林II、IV呈現(xiàn)顯著差異(P<0.05), 大約是試驗林II、IV的2倍; 試驗林II與IV的蓄積量和年均固碳量之間沒有顯著差異(P>0.05); 從整體來看, 試驗林II、III和IV的年均固碳量總體呈III(4.3403 t·hm-2)>IV(2.5776 t·hm-2)>II(2.0676 t·hm-2)的趨勢, 而它們的林分密度總體呈III< IV

表3 不同配置模式基本情況

圖2 不同配置模式的年均固碳量

3.3 杉木監(jiān)測碳匯量與預估碳匯量比較分析

本研究中預估碳匯量是根據(jù)當?shù)亓洲r(nóng)以往普遍的經(jīng)營水平模擬且經(jīng)過驗證的生長公式計算求得的。由表5可知, 對于杉木純林所監(jiān)測求得的碳匯量均大于根據(jù)以往的經(jīng)驗公式計算得出的碳匯量。試驗林的增長率在22%—53%之間, 試驗林II的增長幅度為4.64, 增長率為22%; 試驗林III的增長幅度是32.13, 增長率為39%; 試驗林IV的增長幅度是9.05, 增長率為53%。由此可見, 參與林業(yè)碳匯項目的林分固碳量高于當?shù)仄毡樽龇ǖ钠骄健?/p>

4 結(jié)論與討論

試驗林III的經(jīng)營者在整地、栽植以及撫育過程中, 均采取了科學合理的經(jīng)營模式, 其年均固碳量為最高值; 試驗林VI的經(jīng)營者基本采取粗放經(jīng)營模式, 其年均固碳量為最低值; 其他試驗林之間的經(jīng)營模式大體一致, 采取了較為科學合理的經(jīng)營模式, 其年均固碳量大致相當。因此, 不同的經(jīng)營模式會對人工林的年均固碳量產(chǎn)生不同程度的影響。這與吳建強等[28]的研究結(jié)果一致, 在對人工林的經(jīng)營管理過程中, 要采取適當?shù)挠琢謸嵊蛽嵊g伐技術措施。同時, 施肥處理可以提高土壤肥力, 為林木生長提高養(yǎng)分和養(yǎng)料。通過大量研究[29]均表明施肥會增加林木的材積, 尤其對于杉木中幼齡林的生長具有顯著效果。試驗林II、III和IV的年均固碳量總體呈III> IV> II的趨勢, 而它們的林分密度總體呈III> IV> II的趨勢, 幼林林分密度高于3075株·hm-2后, 其年均固碳量反而隨密度的增加而減少。這與李肇鋒[29]以及武曉玉等[30]的研究結(jié)果一致, 因而, 林農(nóng)在栽植過程中, 應合理設計株行距和密度, 林分密度對杉木人工林單株及林分蓄積量都有較大影響, 從而影響了林分尺度上的碳儲量。同時, 還要進行適當?shù)拿芏裙芾? 在一定密度范圍內(nèi), 密度產(chǎn)生的競爭效應會顯著影響林分的碳儲量[31], 密度管理是人工林固碳能力的關鍵措施。林農(nóng)在經(jīng)營森林的過程中, 應該將林分密度控制在當下林齡所能適應的最適林分密度范圍。不同配置模式下的年均固碳量分析結(jié)果表明, 整體上當?shù)亓洲r(nóng)所采用的人工林樹種(杉木、濕加松、濕地松)均適合當?shù)氐纳L。但對于研究區(qū)域的這些針葉樹種而言, 純林與混交林相比有更高的固碳能力。因此建議林農(nóng)選用生長狀況和固碳能力較為優(yōu)勢的濕地松純林樹種進行經(jīng)營。

表4 不同密度林分年均固碳量

注: 表格內(nèi)數(shù)據(jù)為Mean ± SE。同列不同字母表示差異顯著(<0.05)。

表5 杉木純林監(jiān)測與預估的碳匯量

試驗林的監(jiān)測碳儲量與預估碳儲量相比均有一定程度的提升, 增長率在22%—53%之間, 一方面說明參與林業(yè)碳匯項目的林農(nóng)采用了比以往更為科學合理的經(jīng)營模式, 森林質(zhì)量和碳儲量由此得到了明顯的提高和改善。本文采用相關學者近年來對于不同地區(qū)杉木林的研究與之進行了對比, 已知研究區(qū)杉木純林年均固碳量監(jiān)測的平均值為4.66 t·hm-2, 陶玉華等[32]對柳州市林齡為14年生的杉木人工純林樣地進行調(diào)查分析, 計算得出其碳儲量為58.38 t·hm-2, 年均固碳量為4.17 t·hm-2, 與本研究數(shù)值大致相當; 林雯等[33]通過對廣州林齡為9年生的杉木人工純林調(diào)查分析得出其碳儲量為20.67 t·hm-2, 年均固碳量為2.30 t·hm-2。柳州與廣州的水熱條件優(yōu)于研究區(qū), 但其碳儲量分別與研究區(qū)數(shù)值大致相當或處于較低水平, 這與研究結(jié)果一致, 由此更加證實了林業(yè)碳匯項目科學合理的經(jīng)營模式為林木帶來了更高的固碳能力。另一方面, 可能因為現(xiàn)今監(jiān)測采用了更為新的技術和措施從而提高了數(shù)據(jù)的精準性。通過將研究地試驗林的碳儲量及年均固碳量監(jiān)測平均值與其他同類地區(qū)不同研究時間的杉木純林[34-35]進行分析比較, 得出它們之間的數(shù)值隨研究年份的推移呈逐漸少量增加趨勢。同時, 也可能因為現(xiàn)今林農(nóng)采用了比以往更為科學合理的經(jīng)營模式從而使碳儲量呈現(xiàn)逐年上升趨勢, 邸富宏[36]在對中國南方杉木人工林碳動態(tài)模擬研究中指出了我國南方杉木人工林碳儲量呈逐年少量增加趨勢。

通過對粵北不同經(jīng)營措施對人工林年均固碳量影響的研究可知, 粵北森林資源豐富, 但集體林權改革后, 很多林農(nóng)由于受自身文化程度、技術推廣狀況、資金狀況、激勵機制或政策等因素的影響在經(jīng)營森林的過程中遇到許多障礙和威脅, 導致林木不能很好的生長, 未能發(fā)揮到最大的生長潛力, 從而使林分碳儲量、年均固碳能力還存在很大的提升空間和潛力, 這些問題均有效推動了林業(yè)碳匯項目的開展。同時, 杉木是我國南方的重要用材林[37], 也是我國速生豐產(chǎn)林的主要樹種, 因此, 開展林業(yè)碳匯項目來提高森林的蓄積量和碳儲量進而提高其生產(chǎn)量和總產(chǎn)量顯得尤為必要[38]。通過林業(yè)碳匯項目為林農(nóng)提供資金、技術、政策、以及激勵機制等方面的支持, 從而改善林分結(jié)構(gòu)和提高森林質(zhì)量, 維持林農(nóng)對森林的可持續(xù)經(jīng)營和管理, 既能讓林農(nóng)增收、收益, 又能提高森林碳儲量和年均固碳量, 改善生態(tài)環(huán)境, 促進林業(yè)碳匯的發(fā)展。

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Effect of different management measures on the average amount of carbon sequestration of plantations in Northern Guangdong

TIAN Huiling1, 2, ZHOU Ping1*, JIA Peng2, LI Shuguang3

1. Guangzhou Institute of Geography, Guangzhou 510060, China 2. College of Forestry and Landscape Architecture, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China 3. Guangdong Aib Polytechnic College, Guangzhou 511365, China

Based on the inventory of the artificial forest which participated in the forest carbon sink project in Northern Guangdong, the effect of different management measures on the annual average carbon sequestration of plantation was analyzed. With the simulation of the local common management level, the volume equation was applied to calculate the carbon sink ofunder conventional management, which was compared with that of the situation monitored by forest carbon sink project. It was indicated that the annual average of carbon sink with different types of managements wasVI（1.5667 t·hm-2）IV>II, generally, while, the total density of plantations was III>IV>II. In the area, the forest with higher forest density was adopted, and the annual average of carbon sink was lower. The carbon sink of monitored was higher than that of predicted one, from 22% to 53%, and the annual average of carbon sink of project was also higher than that of common management level. The research would make for the understanding of carbon sequestration of plantation under different management measures, and promote the development of the forestry carbon sink.

Northern Guangdong; plantation; management measures; patterns of planting; density of forest; the average amount of carbon sequestration

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.04.026

S750

A

1008-8873(2018)04-211-07

2017-07-13;

2017-10-08

廣東省科學院創(chuàng)新驅(qū)動專項“南嶺森林碳匯和水資源生態(tài)安全格局研究”(2017GDASCX-0701)

田惠玲(1992—), 女, 山西忻州人, 碩士, 主要研究方向為森林生態(tài)學, E-mail：597932833@qq.com

周平(1977—), 女, 湖北荊州人, 博士, 研究員, 主要從事森林生態(tài)與地理信息系統(tǒng)研究工作; E-mail: pzhou@gdas.ac.cn

田惠玲, 周平, 賈朋, 等. 粵北不同經(jīng)營措施對人工林年均固碳量的影響[J]. 生態(tài)科學, 2018, 37(4): 211-217.

TIAN Huiling, ZHOU Ping, JIA Peng, et al. Effect of different management measures on the average amount of carbon sequestration of plantations in Northern Guangdong[J]. Ecological Science, 2018, 37(4): 211-217.