增强碳汇能力、推动绿色发展...模型塞罕坝机械林场碳汇变化_胡嘉莉.pdf

V Jan N14812023o o 2 0 2 3 年1 月第48卷第1期林业科技FORESTRY SCIENCE&TECHNOLOGY增强碳汇能力、推动绿色发展基于 FORECAST 模型塞罕坝机械林场碳汇变化胡嘉莉 杨博文 许朔（河北旅游职业学院，河北 承德 067000）摘要：运用 FORECAST 模型，模拟不同立地条件下不同混交比例的塞罕坝机械林场华北落叶松和白桦混交林的碳储量时空变化，结果表明：落桦混交比例1:2、1:3和1:5林分土壤碳储量在6个轮伐期内呈现上升趋势。落桦比为3:1和1:1混交林在 6 个轮伐期内土壤有机碳储量呈下降趋势，且华北落叶松比例越高，土壤退化程度越严重。落桦比为 1:2 的混交林在一个生长周期内碳储量最大，并且这种营林方式也有利于土壤有机碳库的积累。无论是从经济价值的角度还是从改良土壤有机碳库的角度来讲落桦比为 1:2 能够积累更多的碳储量。关键词：FORECAST 模型；混交比例，华北落叶松；白桦；碳储量中国分类号：S718.55+6;S668.4 文献标识码：A 文章编号：1001-9499（2023）-0048-05中国生态文明建设进入了以降碳为重点战略方向、推动减污降碳协同增效、促进经济社会发展全面绿色转型、实现生态环境质量改善由量变到质变的关键时期。森林碳储量约占陆地生态系统碳储量的 2/3,对提升碳汇能力意义重大1，已有学者对碳汇能力从不同角度开展研究，但数据精确度不够。塞罕坝经过三代人不懈的努力，现如今已发展成为“绿色地图”，精确的估算塞罕坝机械林场森林生态系统碳储量意义深远。华北落叶松是塞罕坝地区最常见的速生针叶树种，具有喜光、喜阳、耐寒性强等生态特性，蓄积量最大，在华北山地分布较广2。白桦（Betula platyphylla）是塞罕坝地区比较常见的阔叶树种，生态习性和华北落叶松相似，喜光、喜阳、耐严寒，对土壤适应性强，东北和华北地区比较常见，为次生林先锋树种。本文以塞罕坝机械林场最常见的针阔两种代表性树种为研究对象，研究了不同立地条件和不同混交比例落桦混交林在未来 300年内碳储量和年均固碳量变化趋势，筛选出落桦混交林可持续性经营策略，增强碳汇能力，推动绿色发展。1 研究地概况研究地位于河北省承德市围场县最北端塞罕坝机械林场阴河林场的前曼甸营林区，地处116 51 11739E，42 02 42 36 N，海拔 1650 1830m，年均气温-1.3，昼夜温差大，极端最高气温 33.4，极端最低气温-43.3。年均降水量 460.3mm，年均积雪达 7 个月，蒸发量 1230mm，年均无霜期 64 天。土壤类型以山地棕壤、灰色森林土为主，腐殖质含量为 20%。研究区域林分为华北落叶松和白桦混交林。2 研究方法2.1 样地设置与调查在试验地内设置 5 块 20m20m 的固定样地，对华北落叶松和白桦分别进行每木检尺，分别确定华北落叶松和白桦标准木，测定其生物量，每个试验内设置 4 个灌木样方（5m5m）、4 个草本样方（1m1m）、4个枯落物样方（0.5m0.5m），灌木树种有绣线菊(Spiraea salicifolia)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、山 刺 玫(osa daverica)、华 北忍 冬(Lonicera tatarinowii)等，草 本 植 物有 蒲 公 英(Herba taraxaci)、野 蔷 薇(osa multiflora)、曼陀罗(Datura stramonium)等，全部收获法测定生物量。选取每个试验地四角和中心五个位置，分层取土样。测定土壤容重、全氮和土壤有机质。2.2 FORECAST 模型简介DOI:10.19750/ki.1001-9499.2023.01.010如图 1 所示，将土壤数据、乔木数据、林下*河北省高等学校人文社会科学研究项目（青年基金项目）编号：2022SQ2023099第 1 作者：胡嘉莉（2003-），女，在读学生。研究方向：城市生态、森林碳汇、城市绿色发展。收稿日期：2022-09-20第 48卷49图 1 FORECAST 模型流程图图 3 不同立地类型华北落叶松和白桦混交林全树和茎干碳储量 300 年间的累积量3 结果与分析3.1 乔木层碳储量变化趋势图 4 不同立地类型华北落叶松和白桦混交林土壤碳储量植被数据、苔藓数据输入到模型中，模式会输出相应变化趋势，该模型最大的优点是随着外界环境因素的变化模型可以进行动态的模拟，然后进行相应反馈，例如季节变化、土壤肥力、病虫害、甚至火灾等外界因素都可以动态反馈。FORECAST模型的驱动机制是叶氮同化率(FNE)。由于下层树叶被上层树叶遮挡，在实际应用过程中对 FNE进行修正，修正为遮荫叶氮同化率(SCFNE)。SCFNE 的计算方法首先将林冠层沿垂直方向分为若干亚层，分别计算每个亚层的光合效率和叶氮量，最后求和3-9。土壤碳储量/thm-2土壤碳储量/thm-2图 2 模型精度检验时间/a时间/a时间/a模拟数据观察数据模拟数据观察数据模拟数据观察数据较差立地中等立地较好立地2001501005002001501005000 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45生物量/tm-2 生物量/tm-2 2:12:12:16005004003002001000600500400300200100060050040030020010001:11:11:11:21:21:2混交比例混交比例混交比例较好立地全树碳储量全树碳储量全树碳储量茎干碳储量茎干碳储量茎干碳储量较差立地中等立地1:31:31:31:41:41:4碳储量/thm-2碳储量/thm-2碳储量/thm-22.3 情景模拟将混交林立地指数（好、中、差）分别设置为 25、19、15。将华北落叶松和白桦混交林混交比例分别设置为3:1、1:1、1:2、1:3、1:5五种模式，每个轮伐期 50 年，共 6 个轮伐期，每个轮伐期第10 年间伐 20%。2.4 模型的精度检验将 FORECAST 模型模拟数据和文献中实测数据进行比较，好中差三种立地条件下生物量变化趋势与实测数据趋势一致(图 2)。胡嘉莉等：增强碳汇能力、推动绿色发展基于 FORECAST 模型塞罕坝机械林场碳汇变化L.principis-rupprechtii:B.platyphylla2:1rich sitemedium sitepoor site L.principis-rupprechtii:B.platyphylla1:4L.principis-rupprechtii:B.platyphylla1:3L.principis-rupprechtii:B.platyphylla1:2L.principis-rupprechtii:B.platyphylla1:10 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300140120100806040200140120100806040200140120100806040200140120100806040200年第 48卷林业科技50图 5 不同立地类型华北落叶松和白桦混交林生态系统碳储量初植密度立地条件华北落叶松：白桦=1:5华北落叶松：白桦=1:3华北落叶松：白桦=1:1华北落叶松：白桦=1:1华北落叶松：白桦=3:1较好立地9.299.189.587.455.88中等立地7.587.588.356.884.88较差立地5.685.675.645.284.36表 1 年均净生产量4 结 论好、中、差三种立地条件下，不同混交比例华北落叶松和白桦混交林 6 代连栽所呈现出来的乔木层碳储量、土壤碳储量、生态系统碳储量和年均固碳量有差异，较好立地优于中等立地优于较差立地，其中混交林中白桦的占比高于华北落叶松的林分，随着连栽次数的增加，生态系统碳储量均呈上升的趋势，混交林中华北落叶松占比过高的林分，随着连栽次数的增加土壤碳储量、生态系统碳储量趋于平缓，较好立地有下降的趋势。在较好和中等立地条件下华北落叶松和白桦混交林混交比例为 1:2 均可获得最大年均固碳量和年均净生产力，较差立地条件下混交比例对年均固碳量和净生产力不明显。5 讨 论5.1 FORECAST 模型对落桦混交林净生产力估测净初级生产力（NPP）直接反应森林生态系统的质量状况、生产能力和固碳能力，对于碳中和、碳平衡的研究有重要的意义，张慧东等运用参数率定模型模拟了落叶松人工林生态系统碳通量的动态变化，测算生态系统的年平均总初级生产力3.2 土壤碳储量变化趋势由图 4 可知，华北落叶松和白桦混交林混交比例 3:1 和 1:1 两种林分在 6 个轮伐期内均有不同程度的下降，说明以上两种混交方式经过连栽，会导致土壤肥力下降，由此可见，混交林中华北落叶松占比过高不利于可持续经营。而华北落叶松和白桦混交林混交比例为 1:2、1:3 和 1:5 三种混交林在 6 个轮伐期内土壤有机碳储量呈现上升趋势，可见，混交林中白桦占比大于华北落叶松有利于土壤碳储量的积累。3.3 生态系统碳储量变化趋势好中差三种立地条件下生态系统的碳储量表现为较好立地 中等立地 较差立地（图 5）。其中华北落叶松和白桦混交比例为1:2、1:3和1:5三种林分在 6 个轮伐期内生态系统碳储量呈现上升趋势，而混交比例为 1:1 和 3:1 两种林分呈现下降趋势，由此可见这两种方式不利于混交林的可持续发展。3.4 年均固碳量差异分析模拟结果如表 1 所示：华北落叶松和白桦混交林在中等立地条件下不同混交比例（1:5、1:3、1:2、1:1、3:1）年均净生产力分别为 7.58t/hm2a、7.58 t/hm2a、8.35t/hm2a、6.88 t/hm2a、4.88 t/hm2a，落桦混交比例为 1:2 年均净生产力高于其他种类林分。年均固碳量如图生态系统碳储量/tm-2生态系统碳储量/tm-2图 6 不同立地类型华北落叶松和白桦混交林年均固碳量年均固碳量/gcm-2a-1模拟结果如图 3 所示：好中差三种立地条件下华北落叶松和白桦全树总碳储量累积和树干碳储量表现为较好立地 中等立地 较差立地。华北落叶松和白桦混交比例为 1:2 的混交林平均每个轮伐期全树碳储量和茎干碳储量积累多，其次为混交比例为1:3的混交林，混交比例1:5次之，华北落叶松和白桦混交比例为 3:1 和 1:1 表现较差，由此可见，华北落叶松和白桦混交林中白桦占比大于华北落叶松情况下有利于碳储量的积累。6 所示：较好立地和中等立地落桦混交比例为 1:2均可获得最大年均固碳量，且不同混交比例年均固碳量趋势相同。较差立地条件下，混交林中华北落叶松比例高于白桦比例时，年均固碳量较少，其他 4 种混交方式年均固碳量差距较小。较好立地中等立地较差立地10008006004002000华北落叶松：白桦 1:4华北落叶松：白桦 1:2华北落叶松：白桦 1:3华北落叶松：白桦 1:1华北落叶松：白桦 2:1年rich sitemedium sitepoor site L.principis-rupprechtii:B.platyphylla1:4L.principis-rupprechtii:B.platyphylla1:2L.principis-rupprechtii:B.platyphylla1:1L.principis-rupprechtii:B.platyphylla1:3L.principis-rupprechtii:B.platyphylla2:10 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 200 250 300200150100500200150100500200150100500200150100500第 48卷51为 13.234t/hm210。吕振刚等利用 CASA 模型计算华北落叶松当前及未来潜在 NPP,结果河北省华北落叶松当前潜在 NPP 均值为 342.7gC/2a11。赵匡记等以塞罕坝地区华北落叶松为研究对象，结果 26 30 年生林分的生产力最大，为 5.72m3/hm2a，11 15 年 生 产 力 最 小，为 3.22m3/hm2a，45 年以上林分为 3.92m3/hm2a12。姚丹阳以塞罕坝机械林场华北落叶松人工林为研究对象，初植密度为 3330 株/hm2的林分5 10 年 总 生 物 量 为 7.10 14.35t/hm2，初植密度为 4995 株/hm2的林分总生物量为5.66 12.37t/hm213。本研究落桦混交林净生产力模拟结果为 4.36 9.58t/hm2a，与前人估算结果相近，由此可见 FORECAST 混合模型对于落桦混交林模拟结果相对准确。5.2 不同混交比例华北落叶松白桦混交林的净生产力及碳储差异在较好和中等立地条件下华北落叶松和白桦混交林混交比例为 1:2 均可获得最大年均固碳量和年均净生产力，落桦混交比 1:3 和 1:5 的混交林次之，落桦混交比 3:1 年均固碳量和年均净生产力最差，较差立地条件下混交比例对年均固碳量和净生产力不明显，由此可见，较好和中等立地条件下落桦混交比例为 1:2 为最佳混交比例，在较差立地条件下，混交比例对年均固碳量和年均净生产力影响不大，主要影响因素取决于林分密度。5.3 FORECAST 模型在针阔混交林模拟中的应用问题FORECAST 模型在全球已广泛应用，但在针叶纯林上应用居多，对于阔叶树和针阔混交林还处于尝试阶段，FORECAST 模型最大优势在于其动态管理，反馈机制，打破传统模型预测的局限性，J.P.(Hamish)Kimmins 团队正在将该模型与水分模型(FO WADY)进行耦合，未来在森林生态系统碳储量预测会更精准、更客观。参 考 文 献1 冯宗炜,王效科,吴刚.中国森林生态系统的生物量和生产力 M.北京:科学出版社,1999.2 周运红,李建亮,王利东.间伐对华北落叶松林凋落物分解的影响 J.北京林业大学学报,2021,43(12):29-37.3 Seely B,Welham C,Kimmins J P.Criterion 2:Ecosystem productivityR.BC Journal of Ecosystems and Management.2006,7(1):85-91.4 Blanco J A.The representation of allelopathy in ecosystem-level forest modelsJ.Ecological Modelling,2007,209:65-77.5 Kimmins J P.From science to stewardship:Harnessing forest ecology in the service of societyJ.Forest Ecology and Management,2008,258:1625-1635.6 Kimmins J P.From science to stewardship:Harnessing forest ecology in the service of societyJ.Forest Ecology and Management,2008,258:1625-1635.7 Wang S L，Chen C Y.Ecology of forest litter M.Science Press.2010.8 Fang-Fang Yang,Yue-Lin Li,Guo-Yi Zhou,et al.Dynamics of coarsewoody debris and decomposition rates in an old-growth forest in lower tropical ChinaJ.Forest Ecology and Management,2010,35(259)16661672.9 Blanco J A.The legacy of forest management:analyzing its influence on tree growth with ecosystem ModelsM.Nova Science Publishers,2010.10 张慧东,霍常富,颜廷武，等.辽东山区落叶松人工林生态系统碳通量及对气候变化的响应 J.西南林业大学学报,2020,40(6):40-47.11 吕振刚,李文博,黄选瑞等.气候变化情景下基于潜在 NPP 的 河 北 省 华 北 落 叶 松 生 长 适 宜 性 J.林 业 科学.2019,55(11):37-44.12 赵匡记,王利东,王立军，等.华北落叶松蓄积量及生产力研究 J.北京林业大学学报,2015,37(2):24-31.13 姚丹阳.塞罕坝华北落叶松人工林初植密度对生产力的影响研究 J.河北林业科技,2015,2(1):27-30.胡嘉莉等：增强碳汇能力、推动绿色发展基于 FORECAST 模型塞罕坝机械林场碳汇变化