CN110050660A

CN110050660A - 基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法

Info

Publication number: CN110050660A
Application number: CN201910283371.8A
Authority: CN
Inventors: 阎恩荣; 李修鹏; 田文斌; 杨同辉; 王良衍
Original assignee: East China Normal University
Current assignee: East China Normal University
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2019-07-26
Anticipated expiration: 2039-04-10
Also published as: CN110050660B

Abstract

本发明公开一种基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法，步骤为：调查不同立地条件下自然森林群落物种组成、植物固碳功能性状和地上碳储量，建立基于植物群落功能性状组成与地上碳储量的结构方程模型，筛选碳汇功能显著的植物群落类型，并按植物群落功能性状组成权重，列选优良固碳物种；根据植物群落功能性状组成和地上碳储量关系的地形依赖性，进一步筛选适应不同立地条件的最佳固碳物种；依据植物群落功能性状组成的权重比例，量化目标碳汇植物群落的物种数量配比；最后，综合植物群落功能组成、数量配置、植配密度、种植方法和幼林抚育等形成完整的高效碳汇林构建方法。具有碳汇效益高、适应性强、生长好、成本低等优点。

Description

基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法

技术领域

本发明涉及一种碳汇林的营建方法，特别是一种基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法。

背景技术

森林通过光合作用吸收CO₂，并将其固定于植被和土壤中，其具有良好的碳汇功能，通过森林固碳来减少大气中CO₂的浓度是当前国际公认的控制气候变暖的有效途径。植物群落由不同生活型和功能型植物构成，在相同立地条件和经营措施下，其组成种的固碳能力是决定森林整体碳汇过程和大小的关键因素。因此，研究不同树种的固碳能力，筛选和培育高固碳能力树种，并研发高效碳汇林营建方法，对于提高造林质量，更好地发挥森林碳汇功能尤为重要。

目前，亚热带东部碳汇林构建主要存在以下技术瓶颈：首先，当前亚热带东部碳汇林造林营林以传统林木栽植经验为参考，未从植物的生理生态机能角度判别固碳树种，进而界定植物群落物种组成及其配比；其次，在造林方式上，以人工植苗造林为主，多以阳性速生树种植配，幼林郁闭后林分竞争激烈，阳性物种大量入侵，林内灌草茂密、光照不足、通风较差，从而导致幼林林木死亡率高、生长缓慢、更新困难，常出现早衰、低质、低效的状况，使营建的“碳汇”林部分成为“碳源”林；另外，在抚育方式上，多以传统的林分抚育方法为主，常产生森林病虫害多发、林木质量差、林分稳定性和抵抗能力弱的状况，难以形成一个健康稳定的“碳汇”异龄混交植物群落。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法。

为了实现上述目的，本发明所设计的一种基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法，其包括以下的步骤：

步骤一，以亚热带东部不同地形的自然森林为对象，调查各植物群落的物种组成、物种优势度和每木胸径与生长高度，计算各植物群落的物种优势度以及地上碳储量(通过生物量折算)，并测定各植物群落的地形特征，以及每个物种与固碳能力密切相关的功能性状；上述功能性状有比叶面积、光合速率、气孔导度、干材密度等；

步骤二，以植物群落各物种的优势度(多度)为权重，利用各物种的固碳功能性状值计算群落水平上的功能性状组成，且各功能性状单独计算，再利用结构方程模型，建立植物群落功能性状组成与地上碳储量的回归关系，并分析其随地形的变化特征；

步骤三，根据步骤二中植物群落功能性状组成与碳汇功能的回归方程，筛选具有较高碳汇功能的植物群落类型，并以该类型植物群落为对象，按照其功能性状组成的权重大小排序，挑选其中对植物群落碳汇功能贡献率达到20％以上的物种，筛选出具有优良碳汇功能的固碳物种；

步骤四，根据步骤二中植物群落功能性状组成和地上碳储量关系在不同地形上的变化特征，结合步骤三挑选的固碳植物物种库，进一步优化筛选适应不同立地条件的最佳物种清单；同时，结合步骤三中挑选的较高碳汇功能的植物群落类型，依据植物群落功能性状组成中各物种的权重比例，确定目标碳汇植物群落的物种数量配比关系；

步骤五，综合考虑功能种类组成，数量配置、植配密度以及种植方法，最终形成不同立地高效碳汇林的造林或林分改造方案；

步骤六，对营造成型的高效碳汇林进行幼林抚育、透光伐、间伐抚育和功能优势木培育等管理措施，达到稳定高效固碳林营建的目的；

其中，步骤一中所述植物群落的地上碳储量是根据各样地所有木本植物地上总生物量折算，根据国际通用原则，地上碳储量是总生物量的一半；总生物量的计算按树木大小区别对待，其中，胸径大于5cm植物的地上生物量依据植物异速生长方程，见公式(1)；胸径小于5cm植物的地上生物量依据异速生长方程(2)；

AGB＝0.0673×(ρ×DBH²×H)^0.976 (1)

AGB＝1.34×exp{-5.40+1.65×ln(D)+0.885×ln(H)+3.31×ρ} (2)

上述中AGB为地上生物量，DHB为树木胸径，ρ为干材密度，H为树高，D为基径；

步骤二中所述基于固碳功能的植物群落功能性状组成计算根据公式(3)：

上述中CWM_X是基于X功能性状的植物群落功能性状组成，s是物种数量，pi是i物种在植物群落内的优势度，ti是i物种对应的功能性状值；

其中，步骤二和步骤三的结构方程模型中植物群落功能性状组成与地上碳储量回归关系的显著性P值<0.005；地形因子与植物群落功能性状组成和地上碳储量关系显著性P值<0.05；结构方程模型被接受的P值>0.05。

优选的，上述步骤五中所述造林或林分改造的整地方式为垦穴，挖穴的规格为50cm×50cm×35cm，表土回填。

优选的，上述地形包括坡面、坡谷和山脊三个立地类型；上述步骤五中不同立地小区初植或留养密度分别为坡面和坡谷每亩约300株；山脊为每亩约330株。

优选的，上述步骤六中幼苗抚育是指新造林后连续4年，每年5月中旬和9月中旬对幼林进行除草、松土、清除新植苗周围灌竹和扩穴抚育，促进幼林林分郁闭。

优选的，上述步骤六中进行幼林抚育在新造林后的次年2月下旬对幼树施入俄罗斯产复合肥(N:P:K＝16％：16％：16％)每株100g；沟施，施后覆土；连续施肥3年。

优选的，上述步骤六中所述林分透光伐抚育，经营的时间为12月至翌年1月底；其采伐强度≤15％；采伐的对象是枯立、风倒、弯曲、衰弱木和病虫害木；伐后剩余物仍放置林内自然腐烂，改良土壤。

优选的，上述步骤六中所述间伐抚育采伐的强度为≤10％；采伐的对象为再次伐除风倒、枯立、弯曲、衰弱木和病虫害木；采伐间隔期为4年，保持功能目标木的适生生长，使森林组成和立地条件朝着健康、稳定的群落演替方向发展。

本发明得到的一种基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法，考虑到林木功能性状深刻影响森林生态系统功能，其借助植物群落组成林木的功能性状组成配比与生态系统碳储量的关系，筛选具有高效固碳能力的物种，并确定植物群落内的物种组成配置比例，从而构建高质量和具有稳定结构的亚热带东部碳汇林。

与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

首先，准确解决高效碳汇林营建中无法量化物种组成配比的技术难题，基于植物功能性状的群落构建理论中的质量比率科学假说(mass ratio hypothesis)，以植物群落功能性状组成为依据，使得群落物种组成配置定量化；

其次，基于不同功能目标，优化配置目标功能物种，并以优化碳汇功能为导向，经过幼林抚育、间伐和功能优势木培育，形成规模化复层异龄混交林，增强植物群落稳定性，有效解决固碳人工林早期衰退，扭转碳汇林固碳能力普遍较弱的不利局面；

再次，本发明具备易于建造、成本低、适应性强、生长好、成效高等优点。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

实施例1(新建型)

实施地点位于浙江省宁波市鄞州区天童林场，地理位于天童南山(29°47’496"N，121°47’780"E)，海拔200m，红壤、土地厚度≤90cm，微酸性。年均气温16.2℃，年均降雨量1386mm，年均蒸发量1320mm，年相对湿度82％。每年7-10月平均遭受2-3个热带风暴侵害。该林地前期为低质杉木人工林，有少量檫木更新，于2000年冬季采伐杉木整地改造。实验时间为2001年至2018年12月。

本次实施全程采用本发明提供的一种基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法，具体步骤如下：

步骤一，在宁波地区选择保存较为完好的鄞州天童、东钱湖、象山、奉化和宁海等区域的典型自然次生林，建立36个植物群落样地，研究植物群落功能性状组成与地上碳储量关系及其与地形因子的影响。对研究样地进行植物群落学调查，包括物种组成、胸径、树高、树冠和更新状况等；然后，在每个样地内，对所有出现的物种随机选取3个植株，不够3株的物种，在样地周边选取，用测高仪测定植物的树高，用皮尺测量胸径、基径；在树冠四周和树冠顶部5个部位选取生长较好的枝条和叶片，用叶面积扫描仪测量叶的面积，用天平称量鲜重，并放置烘箱于75℃条件下烘干48h，称量片的干重，测量和计算比叶面积；

在晴天的8-11点和14-16点两个时间段，用高枝剪随机剪取树木外围的枝条，迅速放入水桶中，利用Li-6400便携式光合作用测定系统测量叶片最大净光合速率；同时，测量叶片的气孔导度和蒸腾速率；另外，采集每个物种的树芯，测量干湿重，计算干材密度；

步骤二，依据物种重要值计算各功能性状的群落水平的权重均值，作为衡量植物群落固碳能力的功能性状组成指标；

植物群落功能性状组成计算根据公式(3)：

其中，上述中CWM_X是基于X功能性状的植物群落功能性状组成，s是物种数量，pi是i物种在植物群落内的优势度，ti是i物种对应的功能性状值；

根据各植物群落每木调查结果，计算植物群落地上生物量，最后折算为地上碳储量，植物群落地上生物量的计算按树木大小区别对待，其中，胸径大于5cm植物的地上生物量依据植物异速生长方程，见公式(1)；胸径小于5cm植物的地上生物量依据异速生长方程(2)；

AGB＝0.0673×(ρ×DBH²×H)^0.976 (1)

AGB＝1.34×exp{-5.40+1.65×ln(D)+0.885×ln(H)+3.31×ρ} (2)

其中，AGB为地上生物量，DHB为树木胸径，ρ为干材密度，H为树高，D为基径；

利用植物群落功能性状组成作为连接“桥梁”，用线性回归方法建立植物群落功能性状组成与地上碳储量的关系；然后，利用结构方程分析地形对植物群落功能性状组成和地上碳储量关系的影响方向；

步骤三，利用植物群落功能性状组成与地上碳储量的响应关系，首先选择具有最高碳汇功能的植物群落类型，并根据质量比率科学假说，以植物群落内各物种功能性状权重均值优势度作为筛选具有较高固碳能力物种的依据，筛选最佳固碳树种；

步骤四，根据结构方程模型中地形特征对植物群落功能性状组成和地上碳储量关系的影响方向，结合宁波典型常绿阔叶林的树种组成与结构特征，具体选取不同立地条件优良固碳树种，坡面和山脊立地类型为木荷、青栲、小叶青冈、云山青冈、无患子、糙叶树、深山含笑、小果冬青、檫木、柯、红楠、麻栎、樟树和青冈；沟谷类型为南酸枣、赤皮青冈、檫木、黄丹木姜子、青钱柳、华东野核桃、枫香、红楠、华东楠、浙江楠、灰柯、细叶香桂、浙江柿；最后，根据植物群落功能性状组成中各物种的权重比例，确定目标碳汇植物群落的物种数量配比关系，各植物群落类型以至少配置上述二种以上树种混交，混交树种数量比例6:2:2或4:2:2:2随机种植与留养；

步骤五，根据上述结果，综合考虑不同立地适生固碳能力物种、种植方法、种植密度、幼林抚育、间伐和功能优势木培育管理，获取区域高效碳汇林构建方案；

步骤六，在2000年12月上旬对低质低效杉木林进行皆伐后整地，保留天然更新的檫木、樟树等阔叶树种，在采伐清理地上垦穴，垦穴规格50cm×50cm×35cm，表土回填，心土朝上；初植与留养密度300穴，株行距1.5m×1.4m，避让留存树种，随机种植；

根据上述适生树种筛选结论，在坡面立地上种植配置60％数量的木荷，和保留的20％数量的檫木和20％的红楠幼树；在2001年3月中旬选择当地种源育苗的健康、茁壮、木质化程度高、顶芽饱满和无病虫害1年生实生苗造林；

对新植苗和留养幼树在当年的5月和9月分别进行松土除草和扩穴，连续抚育4年；

造林7年后，在12月对郁闭林分进行透光伐抚育，伐除风倒、枯立、弯曲、衰弱木和病虫害木，并清理林冠下的灌、竹、藤、草，采伐强度≤15％，将清理的树木和灌草残体均匀地放置于林内自然腐烂，改良林地土壤；

造林后12年，在12月对林分进行间伐抚育，选择功能优势木，伐除干扰木和风倒、枯立、衰弱木，结合清除林冠下的灌、草和藤本植物，采伐强度≤10％，使早期留养的檫木等形成主林层树高14m和亚林层木荷树高12m的植物群落结构，成为较为稳定的异龄混交的森林群落；

在造林后15年，选择典型林分设立2个20m×20m固定样地和1个10m×10m传统种植样地，采用每木检测法进行植物群落学调查，记录样地内胸径≥1cm的物种、基径、胸径、树高、优势木数量、枝下高、健康状况、枯落物和枯死木生物数量碳库因子，调查间隔时间为5年。

上述固碳异龄复层的植物群落建成15年林木长势良好、健壮；试验林每亩平均胸径、树高和立木蓄积量和生物碳储量分别为13cm、12.5m、12.3m³和124.85t/ha，比传统经营相同地点、立地和年龄以及木荷人工林地胸径高20％、树高多7.8％和蓄积量多25.5％和生物碳储量多16.4％。同时，试验林的功能优势木(胸径≥15cm)个体达46株，这说明本发明技术不仅显著促进了林木的生长，而且林分结构逐步完善，显示出目标功能树种重要的植物群落建造作用，证明了基于植物性状功能配比建设碳汇林具有重要应用价值。

实施例2(改建型)

实施例地点位于天童林场南山的沟谷地带，海拔160m，坡向西，坡度18°，红壤，土壤厚度≤80cm，微酸性。该林地前期为次生南酸枣、枫香天然林(龄林45年)，由于林分长期封育，林中阳生贬值物种多，灌、竹、藤、草茂密，林分质量差，生产力低，已成为低质低林，于2001年冬对该林分进行20m×20m样地调查，2002年春实施低效林改造。

在上述林地典型区，采用步骤一至步骤四选择适生的固碳树种，依据森林调查结构，在乔木层中留养有培育前途的南酸枣、枫香成树(胸径≥24cm)作为固碳林上层群落树种；在灌木层中清除阳生性灌、竹、藤、草，但保留有培育前途的红楠等固碳阔叶幼树，在林冠下进行整地清理补植与留养浙江楠、红楠等作为更新固碳阔叶树种每亩密度280株(除扣乔木层留养树树冠面积，实际补植林地面积为300株)。采用步骤五和步骤六对林分进行林分抚育和透光伐抚育及林分管理。

上述异龄复层固碳林改建后12年，在立地条件、树种组成和林龄相同地段，调查了改造区和对照区(未经人工补植与留养和抚育措施)林分乔木层和灌木层的树种组成、密度、胸径、树高、蓄积量，结果表明：改造区乔木层南酸枣、枫香每亩密度、平均胸径、树高和蓄积量分别为16株、25.5cm、13.3m和4.8m³，改造区比对照区乔木层密度减少1株，林分平均胸径增1.6cm，每亩蓄积量增0.7m³。同时，灌木(更新)层中补植与留养的浙江楠、红楠等优良固碳阔叶树种达206株，平均胸径6cm，每亩蓄积量1.5m³，已经快速地形成一个树高4-5m具有较好固碳能力的功能树种主导的更新层，已成为潜在的灌木层建群种。这说明该群落不仅乔木层和灌木层基本已由这些适生优良固碳能力的树种所组成，生长旺盛，生长量大，而且群落结构得到明显改善，林木健康，形成较为稳定的群落。进一步证明了基于植物性状功能配比改造森林可以显著提高森林碳汇价值。

最终形成宁波沿海山地固碳林植配置与营林方案，结果如下表1。

Claims

1.一种基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，以亚热带东部不同地形的自然森林为对象，调查各植物群落的物种组成、物种优势度和每木胸径与生长高度，计算各植物群落的物种优势度以及地上碳储量，并测定各植物群落的地形特征，以及每个物种与固碳能力密切相关的功能性状；

步骤二，以植物群落各物种的优势度为权重，利用各物种的固碳功能性状值计算群落水平上的功能性状组成，且各功能性状单独计算，再利用结构方程模型，建立植物群落功能性状组成与地上碳储量的回归关系，并分析其随地形的变化特征；

步骤六，对营造成型的高效碳汇林进行幼林抚育、透光伐、间伐抚育和功能优势木培育管理措施，达到稳定高效固碳林营建的目的；

AGB＝0.0673×(ρ×DBH²×H)^0.976 (1)

AGB＝1.34×exp{-5.40+1.65×ln(D)+0.885×ln(H)+3.31×ρ} (2)

2.根据权利要求1所述的一种基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法，其特征在于：上述步骤五中所述造林或林分改造的整地方式为垦穴，挖穴的规格为50cm×50cm×35cm，表土回填。

3.根据权利要求1所述的一种基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法，其特征在于：上述地形包括坡面、坡谷和山脊三个立地类型；上述步骤五中不同立地小区初植或留养密度分别为坡面和坡谷每亩约300株；山脊为每亩约330株。

4.根据权利要求1所述的一种基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法，其特征在于：上述步骤六中幼林抚育是指新造林后连续4年，每年5月中旬和9月中旬对幼林进行除草、松土、清除新植苗周围灌竹和扩穴抚育。

5.根据权利要求1所述的一种基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法，其特征在于：上述步骤六中进行幼林抚育在新造林后的次年2月下旬对幼树施入N:P:K＝16％：16％：16％的俄罗斯产复合肥每株100g；沟施，施后覆土；连续施肥3年。

6.根据权利要求1所述的一种基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法，其特征在于：上述步骤六中所述林分透光伐抚育，经营的时间为12月至翌年1月底；其采伐强度≤15％；采伐的对象是枯立、风倒、弯曲、衰弱木和病虫害木；伐后剩余物仍放置林内自然腐烂。

7.根据权利要求1所述的一种基于植物群落性状功能配比的亚热带东部碳汇林构建方法，其特征在于：上述步骤六中所述间伐抚育采伐的强度为≤10％；采伐的对象为再次伐除风倒、枯立、弯曲、衰弱木和病虫害木；采伐间隔期为4年。