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甘肃主要森林类型固碳动态、潜力及影响机制

岳军伟  
【摘要】:甘肃森林是青藏高原生态屏障、黄土高原–川滇生态屏障、北方防沙带的重要组成部分,在保障国家生态安全中具有重要作用。然而,受自然条件制约和经济发展的影响,该区的生态环境压力持续增加,植被破坏、水土流失、土地沙化等生态问题,仍然是制约甘肃经济社会可持续发展的主要生态“瓶颈”。鉴于森林在气候调节、水土保持及固碳等方面的重要作用,保护森林、提高森林生态系统服务功能对打破该区发展的生态“瓶颈”和保障生态安全十分重要。深入甘肃主要森林类型固碳潜力、动态和影响机制,对于评估该区森林生态系统服务功能和生态安全状况具有重要意义。本研究以甘肃省云杉、冷杉、栎类天然林和刺槐、落叶松、油松、杨树人工林、云杉人工林(仅作为第5章内容的研究对象)8主要森林类型为研究对象。基于样地调查数据,揭示了各森林类型的植被固碳现状、潜力和速率以及乔木层地下/地上碳密度的比例及影响因素;探讨了主要森林类型植被碳密度的影响因子及规律;重点分析了云杉天然林和人工林两种不同的生态系统固碳特征的差异;同时,结合第八次森林资源清查数据和甘肃省林业现代化建设的预期目标,预测了该区主要森林类型未来的植被碳储量。结果表明:(1)揭示了主要森林类型植被固碳现状、潜力和速率。不同森林类型植被固碳能力有较大差异,同一森林类型内,植被固碳能力在不同林龄间也有明显差异。云杉和冷杉天然林生态系统植被平均碳密度最大,分别为110.72和135.28t·hm~(-2),刺槐人工林生态系统植被平均碳密度最小,为26.01 t·hm~(-2)。不同森林生态系统植被固碳潜力存在较大差异。各森林生态系统不同龄级植被固碳潜力范围:云杉、冷杉和栎类天然林分别为16.78–189.01、46.58–208.31、43.83–118.77 t·hm~(-2),刺槐、落叶松、油松和杨树人工林分别为0–36.53、7.81–106.59、9.35–49.17、11.03–61.86 t·hm~(-2)。除落叶松人工林外,各森林生态系统植被最大固碳潜力出现在幼龄林;除刺槐和落叶松人工林外,最小固碳潜力出现在成熟林中。云杉、冷杉天然林和杨树、刺槐、落叶松人工林的植被固碳速率在特定生长阶段出现了负值,分别为-1.74、-0.21、-1.59、-5.86和-2.35 t·hm~(-2)·a~1,表现为碳的净排放。各主要森林生态系统最快碳积累速率出现的阶段不同:云杉、杨树为I生长阶段,冷杉、刺槐、落叶松为II生长阶段,栎类、油松为的III生长阶段。(2)研究了主要森林生态系统乔木层地下/地上碳密度比例及影响因子。乔木层地下/地上碳密度比例(R/S)在不同森林生态系统间差异显著,变化范围为0.17–0.26,刺槐人工林最高,云杉天然林最低。同一森林生态系统内不同龄级的乔木层R/S值无显著差异。R/S与林龄、平均胸径和乔木地上生物量之间呈现显著负相关关系,与林分密度呈现显著正相关关系,与平均树高之间无显著的相关关系。将7种主要森林生态系统作为一个整体来看,随年平均降水量的增加,其R/S值未表现出明显的变化趋势,但将这7种林分按不同标准分类后,不同类型林分的R/S值随年平均降水量增加呈现出不同的变化趋势。将7种林分看作一个整体的情况下,其R/S值随着年平均气温的增加显著增加,针叶林R/S值也和年平均气温呈现出显著的正相关关系,但其中的天然林、人工林及阔叶林的R/S值未表现出明显的变化趋势。各主要森林生态系统乔木层的地下碳密度与其地上生物量间存在显著的线性正相关关系。(3)探明了各主要森林类型植被碳密度的主要影响因子。影响各主要森林类型植被碳密度的主导因子不同。在云杉天然林是林龄、年平均降水量和年平均气温;在冷杉天然林中是林分密度和0–10 cm土壤C/N;在栎类天然林中是林分密度和林龄;在刺槐人工林中是林龄、年平均气温和海拔;在落叶松人工中是年平均气温和林龄;在油松人工林中是年平均降水量、林龄、坡位和坡向;在杨树人工林中,坡位是所选因子中影响碳密度的唯一主导因子。(4)比较分析了云杉天然林和人工林生态系统固碳的差异性。云杉天然林乔木层碳密度整体高于人工林碳密度。灌木、草本和细根碳密度在天然林和人工林之间无显著差异。枯落物和枯死木碳密度则整体上表现为天然林大于人工林。云杉天然林和人工林土壤碳密度(0–100 cm)分别为151.50–459.79和242.25–367.80 t·hm~(-2),二者无明显差异。云杉天然林生物量碳密度(23.43–278.62 t hm~(-2))显著大于人工林生物量碳密度(17.13–165.98 t hm~(-2)),二者都随林分生长明显增加。生态系统碳密度在天然林和人工林之间无显著差异,且不随林龄增大而增加。云杉天然林和人工林在成熟林阶段均能快速地积累碳,但相对于天然林,人工林具有更块的碳积累能力,这意味着延长人工林的轮伐期能显著提高人工林的固碳能力。这些结果表明,相对于人工林,云杉天然林能固定更多的碳。(5)预测了主要森林类型未来植被碳储量。从2010年到2050年,7种森林类型植被碳密度都显著增加,其中落叶松林增幅最大。从2010年到2050年,栎类碳储量增加了17.71 Tg,其次是刺槐,增加了17.61 Tg,冷杉碳储量仅增加3.66 Tg。落叶松人工林碳储量增加了12.81倍,增幅最大。7种林分类型总体碳储量从2010年的92.41 Tg增加至2050年的169.03 Tg,年平均固碳量为1.92 Tg。从增加森林生态系统固碳潜力的角度考虑,未来应适当减少刺槐的造林面积,适度增加落叶松的造林面积。同时加强对现有栎类天然林的抚育,强化天然林保护。


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