CN111340644A - 基于碳储量分布状态分析小兴安岭针阔混交林碳汇结构的方法 - Google Patents

基于碳储量分布状态分析小兴安岭针阔混交林碳汇结构的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及森林分析技术领域，具体涉及一种基于碳储量分布状态分析小兴安岭针阔混交林碳汇结构的方法，包括以下步骤：设置标准样地，采用样方法和乔木定位方法，对乔木及小乔木植物个体进行种类识别、挂牌、定位，测出树高、胸径、枝下高、冠幅，计算碳储量，根据碳储量得出林木碳储量的空间分布格局分异特性，通过垂直投影面积、混角度、角尺度和竞争指数分析样地空间结构，分析碳储量分布状态，探讨碳储量空间分布的变异情况，提出针阔混交林碳储量空间分布特征。对于把握森林空间结构与碳储量之间的关系具有重要意义，为发现森林碳储量发展中存在的不足，寻找更高的增汇空间提供参考。

Description

基于碳储量分布状态分析小兴安岭针阔混交林碳汇结构的 方法
技术领域
本发明涉及森林分析技术领域，具体涉及一种基于碳储量分布状态分析小兴安岭针阔混交林碳汇结构的方法。
背景技术
小兴安岭针阔混交林是我国东北地区主要的地带性森林植被、典型的温带针阔混交林，具有建群种独特、物种多样性丰富、空间结构复杂等特点，作为我国东北代表性林地，占全国总森林面积的1/3之多，对我国森林碳汇研究及环境保护发挥着重要作用。
目前，对森林碳储量空间分布的研究大部分是利用行政省/县汇总的小班统计数据，估算精度普遍较低。也有学者利用小尺度的样地调查数据，探讨了材积源生物量法在林分尺度上计算森林植被碳储量的可行性，但通过这种方法获得小尺度的高分辨率空间差异特征仍然相当困难。可见，利用材积源生物量法对森林碳储量的估算结果同样存在不同程度的误差。基于各种样地清查法的森林植被碳库空间分布格局研究的最小尺度仅停留在根据不同森林类型或不同林龄林分的分布所进行的研究这一层次上。这些研究都无法从林龄以下尺度上提供准确的森林植被碳储量空间异质性信息，也不能揭示不同尺度上的变化及尺度间的联系，难以真正成为决策者所依赖的客观依据。受遥感数据本身的误差及遥感模型中关键参数的不确定性等因素的制约，单纯的遥感方法误差较大，往往需要大量地面调查数据的结合。同时由于空间分辨率普遍较粗，利用遥感数据对森林植被碳储量的估算多在较大尺度进行，无法提供基于统计意义和有显式精度的森林碳空间分布。近年来，高光谱数据和高空间分辨率数据的采用在很大程度上提高了森林植被碳储量的估算精度。高空间分辨率数据和大量地面样地调查数据的结合成为目前提高遥感估测法估算森林植被碳储量精度的一个主要途径。空间尺度包含于任何景观的生态过程之中，景观格局和生态过程异质性都依赖于我们所测定的空间尺度变化而异，离开尺度来讨论异质性是无意义的。从尺度变化的角度入手分析空间分异规律是空间异质性研究的基本手段，也是揭示不同尺度陆地碳循环过程相互作用机理的基础。
目前森林植被碳储量的研究对空间异质性的分析不够深入，主要原因就是没有充分考虑尺度效应。有关这方面的研究很少。可见，如何提高森林植被碳储量估测精度，降低研究结果不确定性，并且根据碳储量分布状态，分析出碳储量空间分布的变异情况，得出森林植被碳储量空间分布特征，是目前森林植被碳汇功能研究中的热点和难点。
发明内容
本发明为了克服上述技术问题，提供了一种基于碳储量分布状态分析小兴安岭针阔混交林碳汇结构的方法，本发明以小兴安岭针阔混交林为研究对象，通过设置样地对针阔混交林林分结构进行调查、分析，并对样地林分的碳储量进行测算，以不同林分结构所表现出的碳储量差异为切入点，对林分结构对碳储量的影响进行研究，系统分析林木碳汇效应及空间分布格局。对于把握森林空间结构与碳储量之间的关系具有重要意义，为发现森林碳储量发展中存在的不足，寻找更高的增汇空间提供参考。
解决上述技术问题的技术方案如下：
选取顶级状态的原始林、采伐林、过伐林类的混交林和天然更新演替形成的次生林作为分析对象，包括以下步骤：
设置标准样地，采用样方法和乔木定位方法，对乔木及小乔木植物个体进行种类识别、挂牌、定位，测出树高、胸径、枝下高、冠幅，利用生物量法计算出每个所测乔木的生物量，并计算碳储量，根据碳储量得出林木碳储量的空间分布格局分异特性，利用统计学方法，通过垂直投影面积、混交度、角尺度和竞争指数分析样地种群分布和空间结构。
所述的原始林是指：未经人类采伐扰动的具有一定面积的地域性代表性植被红松针阔混交林，此类植被为原始植被，起源天然林，且从未经过采伐，仅有自然条件下的林分损耗(死亡、灾害减少等)，为小兴安岭代表性原始植被。由于林区生产活动历史的特点，此类林分多为陡峭坡地顶端等开采困难区域，其开采的困难特性使其得以保存。
所述的采伐林、过伐林类的混交林，其中采伐林是指：经过一定强度的人为扰动，但采伐强度不大，对原始结构的破坏比较小，大多为特用林、珍贵林、防护林等。过伐林是指：对原始林经过不合理的采伐之后残留的林分。此类林分在林区分布广泛，由于采伐的方式、强度及历史存在很大的差异，其结构特征也最为复杂。
所述的天然更新演替形成的次生林是指：经过皆伐等大强度的采伐后，经过多年的更新演替，具有一定的针阔混交林特征或向着针阔混交林方向演替的天然次生林。
进一步地说，分析小兴安岭针阔混交林群落学特征是计算出各树种的重要值，从而确定林分优势树种，所述的重要值的计算方法为：
对样地内所有胸径≥1cm的乔木树种的树高、胸径、东西南北四个方向的冠幅半径进行测量，同时对各树种的相对频度、相对多度、相对显著度、重要值进行计算；
相对频度RF＝某树种出现的样方数/所有树种的样方数×100％；
相对多度RA＝某树种的个体数/所有树种的个体数×100％；
相对显著度RD＝某树种的胸径之和/所有树种的胸径之和×100％；
重要值IV＝(RF+RA+RD)；
将相对显著度中的胸径通过生物量方程和碳转换方程进行计算，得到碳相对显著度，即：
碳相对显著度CRD＝某树种的碳含量之和/所有树种的碳含量之和×100％；
最终重要值的计算公式转化为：
重要值IV＝(RF+RA+CRD)。
优选地，所述的生物量方程为：
Ws＝coDb0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)
Wb＝cor2Dk2+b0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)
Wl＝cor3Dk3+b0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)
Wr＝cor4Dk4+b0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)
其中，Wr、Ws、Wb、Wl分别为树根、树干、树枝、树叶的生物量；
所述的碳转换方程为：碳储量＝生物量(kg)×碳转换系数0.4675；
碳密度＝碳储量/样地面积。
更进一步地说，所述的生物量方程采用相容性一元生物量模型作为计算依据：
Ws＝a1(x)Db1
Wb＝a2(x)Db2
Wl＝a3(x)Db3
Wr＝a4(x)Db4
Wt＝c0Db0＝a1(x)Db1+a2(x)Db2+a3(x)Db3+a4(x)Db4 ①
其中，Wt总量为各树种整体的生物量，Wr、Ws、Wb、Wl分别为树根、树干、树枝、树叶各分项的生物量，a1(D)，b1，a2(D)，b2，a3(D)，b3，a4(D)，b4，C0和b0是模型参数；
由式①推算出a1(D)，a2(D)，a3(D)，a4(D)的形式为：
a1(D)＝c0c1Db0/(c1Db1+c2Db2+c3Db3+c4Db4)
a2(D)＝c0c2Db0/(c1Db1+c2Db2+c3Db3+c4Db4)
a3(D)＝c0c3Db0/(c1Db1+c2Db2+c3Db3+c4Db4)
a4(D)＝c0c4Db0/(c1Db1+c2Db2+c3Db3+c4Db4)
将r2＝c2/c1，r3＝c3/c1，r4＝c4/c1，k2＝b2-b1，k3＝b3-b1，k4＝b4-b1代入方程进行转换，将模型改写为：
Ws＝coDb0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)
Wb＝cor2Dk2+b0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)
Wl＝cor3Dk3+b0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)
Wr＝cor4Dk4+b0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)；
所述的生物量模型中的参数如下表2所示：
c0 b0 r2 k2 r3 k3 r4 k4
红松人工林 0.09142 2.45825 0.004424 1.360806 0.040234 0.443508 0.012241 1.117218
落叶松人工林 0.114749 2.485066 0.669053 -0.67754 1.938435 -1.40415 0.074403 0.431908
红松天然林 0.103773 2.431545 0.031873 0.541133 0.277066 -0.35108 0.052272 0.591032
云杉天然林 0.136749 2.392566 0.169385 0.066051 0.082645 0.056398 0.141233 0.336011
冷杉天然林 0.074589 2.558915 0.353266 -0.21156 2.396762 -1.16426 0.629076 -0.20486
落叶松天然林 0.108105 2.510203 0.030351 0.421136 0.162509 -0.56247 0.028042 0.901693
水胡黄天然林 0.150173 2.380274 0.010546 0.919177 0.041904 0.015826 0.354807 -0.00701
椴树天然林 0.118767 2.375018 0.037958 0.423971 0.49588 -0.90641 1.048459 -0.39261
柞木天然林 0.180203 2.382361 0.013463 0.996343 0.005808 0.659022 0.203326 0.167191
榆树天然林 0.433469 2.008689 2.114031 -0.79824 0.264567 -0.55227 0.40047 -0.04697
色木天然林 0.243905 2.264501 0.504046 -0.20295 0.512721 -0.78933 0.0429 0.71659
黒桦天然林 0.021249 3.018642 0.000705 1.932369 0.003603 0.873989 0.04415 0.628641
白桦天然林 0.275513 2.235882 0.026184 0.727904 0.034402 0.068603 0.151105 0.34424
山杨天然林 0.206424 2.264685 0.010957 0.836497 0.0434 -0.15045 0.115831 0.205666
。
对样地内所有被分析林木进行网格坐标测定，得到各单株个体在样地内的相对坐标(x，y)，利用c语言进行下列指标的计算编程：
1)混交度(Mi)
Figure BDA0002446992900000061
式中：Mi为对象木i的混交度，i为对象木，j为邻近木，n为邻近木株数。Vij为离散性变量，当对象木i与第j株邻近木为不同的树种时，Vij＝1；当对象木i与第j株邻近木为同一树种时，Vij＝0。混交度Mi可取值的范围为[0，1]。共有5种取值，即0、0.25、0.50、0.75和1，分别对应的描述为：零度混交、弱度混交、中度混交、强度混交和极强度混交。
2)角尺度(Wi)
角尺度(Wi)用来描述相邻树木围绕参照树的均匀性。取4棵相邻木，n＝4均匀分布角为90°，也就是期望角＝90°。连接4棵相邻木与目标树形成4条线段，每2条相邻线段会形成一个夹角(如图1所示)，当情况为最左边和最右边的2颗相邻木形成的角度为优角大于180°，此时取相对劣角的α值(α<180°)。
Wi＝0没有一个a-角小于a0，也就是说，全部4个a-角位于标准角a0范围(很均匀)。
Wi＝0.25 1个a-角小于a0(均匀)。
Wi＝0.5 2个a-角小于a0(随机)。
Wi＝0.75 3个a-角小于a0(不均匀)。
Wi＝1 全部4个a-角都小于a0(很不均匀)。
最终按照下式计算样地内同一树种及整体的角尺度平均值
Figure BDA0002446992900000062
当W取值范围在0.475～0.517内时，林分为随机分布；当W大于0.517时为团状分布；当W小于0.475时为均匀分布。
3)竞争指数(CI)
竞争作为一种较为普遍的自然现象存在于林木之间，优化林分的空间结构得益于选择合适的竞争指数分析林木之间以及全部林分内的竞争大小。
对象木与某一相邻木的竞争指数：
Figure BDA0002446992900000071
式中：CIij为对象木i与某一相邻木j的竞争指数；Lij为对象木i与竞争木j之间的距离；di为对象木i的胸径(cm)，dj为竞争木j的胸径(cm)。
通过计算加和得到对象木的竞争指数：
Figure BDA0002446992900000072
进一步地说，所述的分析碳储量分布状态，探讨碳储量空间分布的变异情况之前对样地整体的生物量及碳密度特征进行分析。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于碳储量分布状态分析小兴安岭针阔混交林碳汇结构的方法，以小兴安岭针阔混交林为分析对象，通过设置样地对针阔混交林林分结构进行调查、分析，并对样地林分的碳储量进行测算，以不同林分结构所表现出的碳储量差异为切入点，对林分结构对碳储量的影响进行研究，系统分析林木碳汇效应及空间分布格局。对于把握森林空间结构与碳储量之间的关系具有重要意义，为发现森林碳储量发展中存在的不足，寻找更高的增汇空间提供参考。
本发明分析小兴安岭针阔混交林碳汇结构的方法，设计出合适的生物量方程和碳转换方程，大大提高了森林碳汇能力估算精度，并得出如下结论：不同树种间不同组分(根、干、冠)碳比例存在显著的差异，但同一树种不同组分的碳密度比例不存在显著差异。不同林型不同样地针阔混交林垂直空间上不同组分(根、干、冠)的碳密度比例存在一定的差异，这是由树种组成和林分结构的差异造成的，但小兴安岭针阔混交林的混交比例在大多数情况下是较大的，基本都可以达到中度混交，其中的大多数都可以达到重度混交，树种的多样和混交的程度决定了不同林型垂直空间碳密度比例的均匀性。因此，从针阔混交林整体的尺度上来看，不同林型针阔混交林垂直空间碳比例平均值差异不明显，树根、树冠、树干的平均垂直碳密度比例平均值分别为：25.05±1.14％、16.35±0.96％、58.59±1.62％。
原始林的碳密度比例随着径级的增大表现出增大的趋势，在40～55cm径级间达到最大，超过55cm径级开始出现减小。经过轻度采伐破坏的红松-云冷杉林在40～55cm径级间出现缺失，在60cm径级以后碳密度比例出现最大值。经过轻度破坏采伐的落叶松-云冷杉林在40～55cm径级间也出现了碳密度比例减小的情况最大的碳密度比例出现在25～35cm径级范围内。造成这一问题的原因可能是由于经营或采伐过程中对径级的选择造成的，在经营或采伐后经过一定时间的生长进入这一径级的林木表现出一定程度的缺失。过伐林由于其不合理的采伐历史，林内碳含量比例在15～20cm径级范围内达到78.47％，其余径级范围内的碳密度比例都很低。天然次生林由于其形成时间较短，没有大径级林木的分布，但在现有演替更新状态下呈现出与原始林类似的状态，即随着径级的增大，碳比例出现上升的状态，在达到一定的程度后开始下降，天然次生林在5～20cm径级范围内出现较高的碳密度比例值。原始林各径级碳比例分布相对比较均匀，各径级所占碳比例均未超过20％。过伐林各径级碳比例差异最大。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明角尺度(Wi)结构示意图；
图2为本发明实施例1中原始针阔混交林碳重要值示意图；
图3为本发明实施例1中红松-云冷杉类针阔混交林碳重要值示意图；
图4为本发明实施例1中落叶松-云冷杉类针阔混交林碳重要值示意图；
图5为本发明实施例1中过伐类针阔混交林碳重要值示意图；
图6为本发明实施例1中天然次生林类针阔混交林碳重要值示意图；
图7为本发明实施例1中14块样地针阔混交林总生物量和碳含量示意图；
图8为本发明实施例1中14块样地针阔混交林及林内各组分碳密度示意图；
图9为本发明实施例1中14块样地针阔混交林各树种碳密度示意图；
图10为本发明实施例1中针阔混交林各树种碳密度比例示意图；
图11为本发明实施例1中针阔混交林各样地各组分碳密度百分比示意图；
图12为本发明实施例1中不同林型针阔混交林各组分碳密度百分比示意图；
图13为本发明实施例1中不同林型针阔混交林碳密度径级分布(a)示意图；图14为本发明实施例1中不同林型针阔混交林碳密度径级分布(b)示意图。
具体实施方式
实施例1：
选取黑龙江省丰林自然保护区及下属丽林实验林场内的原始林、轻度采伐的红松-云冷杉林，落叶松-云冷杉林、过伐林和裸地次生林为分析对象。
下表3为样地的林型和重要值
Figure BDA0002446992900000101
1)原始林类针阔混交林群落特征
小兴安岭原始代表性植被为红松阔叶混交林，分别选取丽林实验林场(样地01)和丰林自然保护区的红松阔叶林原始植被(样地02)进行分析，虽然两块区域都是红松阔叶混交林的原始植被，但树种组成存在一定的差异。
花楷槭、山杨、色木槭、白桦、花楸等树种在样地02中未出现，山桃稠李、龙牙楤木和春榆在样地01中未出现。从重要值来看，红松、冷杉、云杉是该林型的优势树种，特别是红松、冷杉重要值分别达到了样地01中1.038和0.863，样地02中2.322和1.351。其余树种在两块样地中的重要程度各不相同。乔木树种中两块样地的优势种也各不相同，样地01的乔木优势树种为椴木和色木槭，样地02中的优势树种为龙牙楤木和枫桦，(如图2所示)。
下表4为原始红松针阔混交林结构特征，可以看出，两块样地的平均垂直投影面积存在一定的差异，样地01为8.789m2，样地02为12.1762m2。两块样地的混交程度也存在差异，样地01为0.741达到强度混交，样地02为0.575达到中度混交。两块样地角尺度比较接近，分别为0.647和0.627，说明两块样地林木分布不均匀，都呈现出一定的团块状分布特征。竞争指数也存在较大的差异，分别为11.93和9.963。
表4原始针阔混交林结构特征
样地 垂直投影面积(m<sup>2</sup>) 混交度M<sub>i</sub> 角尺度W<sub>i</sub> 竞争指数CI<sub>i</sub>
01 8.78899 0.7409 0.6478 11.9307
02 12.1762 0.575 0.6268 9.96343
2)采伐林类针阔混交林群落特征
采伐林林相特点是复层异龄，上层较稀疏，多为原生群落中过熟阔叶树及干形不良或多少已腐朽的针叶树，林下多具明显的更新层、演替层，原生群落中的主要树种有明显的恢复趋势，生境及林下植被基本与原始林相同。由于采伐强度的不同形成的林分结构也是十分复杂的。
a、红松-云冷杉类针阔混交林植被群落特征
选取特用林中属于珍贵林的天然针阔混交林作为研究对象，此类林分虽然经过一定程度的扰动，但原始结构特征有所保留，与原始林十分接近。选取丽林实验林场样地03、样地04和样地05进行调查研究，发现虽然此类林分与原始植被结构类似，但树种组成存在一定的差异(如图3所示)。红松、冷杉、云杉为此类型的主要针叶树种，其重要值较高的阔叶树种(枫桦、花楷槭、青楷槭等)种类要比原始林分少。
表5为天然针阔混交林结构特征，由于人为扰动的原因，随着林下树种的更新生长，此类混交林平均垂直投影面积要大于原始林。三块样地的混交程度分别为0.680、0.776和0.675，均达到或接近强度混交。三块样地角尺度比较接近，分别为0.623、0.663和0.618，说明两块样地林木分布不均匀，呈现一定的团块状分布特征。竞争指数存在的差异较大，分别为10.4041、7.7412和4.869。
表5红松-云冷杉类针阔混交林结构特征
Figure BDA0002446992900000121
b、落叶松-云冷杉类针阔混交林植被群落特征
选取防护林中保护级别较高的护岸林为研究对象，此类林分虽然经过一定的人为干扰，但由于其特殊的用途，扰动程度不大，与原始林分结构类似。此类护岸林多位于低洼湿地，与小兴安岭另一种典型地域性树种落叶松的分布相对应。样地06、07、08、09同样为护岸林，但树种组成差别较大，但总体看来，落叶松、云杉、冷杉为主要针叶树种，阔叶树种数量与红松-云冷杉类针阔混交林类似。(如图4所示)
表6为落叶松-云冷杉类针阔混交林结构特征，此类混交林平均垂直投影面积平均值差异较大，这是由不同立地和经营强度造成的。四块样地的混交程度分别为0.779、0.731、0.741和0.5223，分别达到强度混交和中度混交。四块样地角尺度也不完全相同，其中样地06、07和09呈现出一定的不均匀的团块状分布特征，样地08接近于均匀分布。竞争指数存在的差异也较大，分别为4.952、5.515、13.118和13.124。
表6落叶松-云冷杉类针阔混交林结构特征
Figure BDA0002446992900000122
c、过伐林类针阔混交林
小兴安岭存在着数量很大的过度采伐后形成的原始结构遭到严重破坏的针阔混交林。此类林分结构遭到严重破坏，多数以少量乔木树种为主要优势树种，结构简单，林木数量远小于其他类针阔混交林。如图5所示，冷杉的重要值达到1.38，花楷槭和青楷槭重要值为0.86和0.52，其余树种重要值均小于0.2。
表7为过伐类针阔混交林结构特征，与轻度破坏的针阔混交林类似，此类混交林呈现出强度混交的状态(0.794)，分布呈现出团块状分布的状态(0.6623)，但由于破坏严重垂直投影面积要小于其他类型的针阔混交林。
表7过伐林类针阔混交林结构特征
Figure BDA0002446992900000131
3)天然次生林类针阔混交林植被群落特征
在丰林保护区和丽林实验林场共选取4块各种原因造成的裸地天然更新次生林为研究对象，样地内林分为裸地自然生长，未经过任何的造林、采伐等人为经营措施。其中样地11为30年左右的自然更新演替，样地12、13、14均为25年左右的自然演替。虽然不同立地条件、不同更新年份下，树种的数量、种类存在不同，但白桦作为次生林更新演替的先锋树种，在很长时间内都处于优势地位，样地11、12、13、14中白桦的重要值分别为1.052、1.374、1.404、2.449，其余树种在样地中的结构与地位各有不同。样地14为丽林实验林场裸地自然更新，可能是由于林场内原始林分和轻度过伐林的数量少、分布不均匀，种源没有丰林保护区丰富，所以样地14的更新物种数量要少于丰林自然保护区的3块样地(如图6所示)。
表8为天然次生林类针阔混交林结构特征，此类混交林平均垂直投影面积平均值差异较大，这是由不同立地条件、更新物种和更新时间造成的，其中样地11最大，可能是由于样地11更新演替时间最长。四块样地的混交程度分别为0.783、0.583、0.712和0.309，样地11和13达到强度混交，样地12为中度混交，样地14为弱度偏中度混交。四块样地角尺度比较接近，均呈现出一定的不均匀的团块状分布特征。竞争指数存在的差异也较大。
表8天然次生林类针阔混交林结构特征
Figure BDA0002446992900000141
。
因此，原始林类针阔混交林结构的完整性要好于采伐林类和次生林类针阔混交林，物种丰富度高；从各林分物种重要值分布的均匀程度来看，原始林>轻度采伐林>次生林>重度过伐林；除周围种源丰富度较小的次生林外(样地14)，其余林分均达到中度或重度混交，达到或接近重度混交的样地10个；除样地08外(均匀分布)，其余针阔混交林均表现出团块状分布状态；各混交林整体及单株林木竞争指数存在较大差异。
不同林型、不同演化进程下的针阔混交林，由于组成树种、林分结构、立地条件的不同存在很大的碳汇特征差异，因此，需要对样地整体的生物量及碳密度特征进行分析，才能对针阔混交林的碳汇结构进行进一步研究的同时找到碳汇结构规律。
1)针阔混交林生物量及碳含量
图7为针阔混交林14块样地总生物量和碳含量，可以看出，从总的生物量及推算出的碳含量来看，原始林分(样地01、02)和破坏程度较小的采伐林(样地03、04、05)相比较，虽然原始林树种较多且碳重要值分布较平均，但在总量上来看破坏程度较小的采伐林与原始林相差不多，甚至要高于原始林(样地03)。落叶松-云冷杉类针阔混交林也存在较大的差异(样地06、07、08、09)，其中总量最高的是样地07。过伐林由于破坏严重总生物量和含碳量都很低(样地10)。次生林由于其物种多样性和先锋树种白桦的速生作用，总生物量和碳含量最大值水平接近破坏程度较小的采伐林。
2)针阔混交林及不同部位碳密度
图8为14块样地针阔混交林单位面积含碳总量即碳密度(ct)和林内各组分(干cs、根cr、枝cb、叶cl)的碳密度。可以看出，不同林型碳密度存在较大的差异，总体来看原始林和轻度采伐林的碳密度要高于过伐林和天然次生林，但生长更新时间较长的次生林总碳密度接近于轻度采伐林。从林分各组分来看，树干(cs)碳密度>根(cr)碳密度>枝(cb)碳密度>叶(cl)碳密度。
3)针阔混交林各树种碳密度
图9为针阔混交林各树种碳密度，可以看出，不同针阔混交林内不同树种的碳密度存在很大的不同，但整体来看，针叶树种中的红松、云杉、落叶松和冷杉的碳密度为碳汇主要贡献树种，阔叶树种中的白桦、枫桦为碳密度比较大的树种。个别样地中椴树、青楷槭、花楷槭、水曲柳、山杨会有较大的贡献值，甚至是龙牙楤木、春榆这样的低矮小乔木也会在特定立地、特定林分中有着比较重要的地位。
原始林分和破坏程度较小的采伐林相比较，虽然原始林树种较多且碳重要值分布较平均，但在总量上来看破坏程度较小的采伐林与原始林相差不多，甚至要高于原始林。落叶松-云冷杉类针阔混交林也存在较大的差异。过伐林由于破坏严重总生物量和含碳量都很低。次生林由于其物种多样性和先锋树种白桦的速生作用，总生物量和碳含量最大值水平接近破坏程度较小的轻度采伐林。原始林虽然具有最完整的自然结构，但其处于顶级群落的动态平衡状态，林内由少数优势树种占据绝对的优势地位，且林龄相近，其余树种(特别是林下树种)很难获得生长空间和资源，而轻度采伐的红松-云冷杉林恰好在轻度采伐下，达到改变林分结构的作用，使其他物种可以获得更多的生长空间和资源，因此可能出现比原始林生物量更高的情况。
碳密度(ct)和林内各组分(干cs、根cr、枝cb、叶cl)的碳密度在不同林型碳密度存在较大的差异，总体来看原始林和轻度采伐林的碳密度要高于过伐林和天然次生林，但生长更新时间较长的次生林总碳密度接近于轻度采伐林。从林分各组分来看，树干(cs)碳密度>根(cr)碳密度>枝(cb)碳密度>叶(cl)碳密度。
不同针阔混交林内不同树种的碳密度存在很大的不同，但整体来看，针叶树种中的红松、云杉、落叶松和冷杉的碳密度为碳汇主要贡献树种，阔叶树种中的白桦、枫桦为碳密度比较大的树种。个别样地中椴树、青楷槭、花楷槭、水曲柳、山杨会有较大的贡献值，甚至是龙牙楤木、春榆这样的低矮小乔木也会在特定立地、特定林分中有着比较重要的地位。
基于此，混交林由于树种组成、林龄差别等原因，其结构存在很大的不同，为了明确结构差异对混交林碳汇结构造成的影响有多大，利用可加性生物量模型对不同林型的碳汇量及林木不同组分(根、冠、干)碳汇量进行了计算，根据计算结果进行了碳密度分析。
一)小兴安岭针阔混交林碳汇垂直结构特征
将单株林木分为树干、树冠和树根三部分进行计算分析，其中树干指的是树木的主干，树冠指的是树枝与树叶部分，不包括进入林冠层的主干部分，树根指的是树木的地下部分。
a)树种尺度上针阔混交林碳汇垂直结构特征
由于各样地林分组成的差异，不同林型内树种结构的差异是决定林分垂直结构的主要因素。在对不同林型所有树种的单株碳密度比例进行分析发现，根系，树干和树冠的碳密度比例均存在显著差异，即不同树种间不同组分(干、根、冠)碳密度比例存在显著差异。
将所有样地内同类树种进行分类处理，进行均值计算，同时对同一树种所有单木的树干、树根和树冠的碳密度比例进行单一样本T检验，所有树种的相伴概率均小于0.05，可以通过检验。同一树种内各单株各组分碳密度比例与平均值比未出现显著差异，即同种树种的不同个体垂直结构(根、干、冠)的碳密度比例不存在显著性差异。各树种碳密度比例如图10所示。
b)林分尺度上针阔混交林碳汇垂直结构特征
图11为针阔混交林各样地各组分碳密度所占百分比，可以看出不同样地不同组分(树冠、树干、树根)的碳密度在样地整体碳含量中所占的比例还是存在一定的不同，特别是落叶松-云冷杉林组内差别较大。为了明确针阔混交林在垂直空间上的分布比例是否存在较大的差别，将样地数据按照林型进行分类计算，得到图12的分析结果。
图12为不同林型针阔混交林各组分碳密度百分比，可以看出不同林型的垂直结构上各组分的碳密度比例存在一定的差异，其中原始林和轻度采伐林的比例相近，原始林、轻度采伐的红松-云冷杉林、轻度采伐的落叶松-云冷杉林的根部碳密度比例分别分28.16％、26.72％、26.38％，树干碳密度比例分别为53.74％、52.99％、59.95％，树冠比例存在差异为18.08％、20.82％、13.65％。过伐林和次生林的比例比较接近，根部碳密度比例分别分21.26％、21.87％，树干碳密度比例分别为63.74％、58.59％，树冠比例存在差异为18.05％、14.78％。
表9不同组分碳密度百分比单因素方差分析(ANOVA)
Levene统计量 df1 df2 相伴概率 F 显著性
c根(％) 1.995 3 9 0.185 1.361 0.321
c树冠(％) 3.310 3 9 0.071 2.901 0.085
c树干(％) 0.922 3 9 0.469 2.324 0.135
由表9可知，不同林型不同组分的碳密度存在差异的最重要的原因是树种组成和林分结构的差异，但这种差异并不十分明显，显著性水平均高于0.05，但树冠的显著性水平要高于树根和树干，因此，树冠的碳密度比例的差异性要大于树根和树干。从针阔混交林整体水平上来看，不同林型针阔混交林不同组分垂直结构碳汇比例平均值间不存在显著性的差异，树根、树冠、树干的垂直碳比例分别为：25.05±1.14％、16.35±0.96％、58.59±1.62％。
二)小兴安岭针阔混交林水平结构特征
由表10可知，以5cm为1个径级，对所有类型的针阔混交林进行碳密度计算。随着径级的增长，径级内林木株数呈现递减的状态，其中，碳密度最大的65cm以上径级的林木，虽然数量很少，但碳密度处于林分的最高水平，所占比例达到13.89％。0～5cm径级虽然数量最多，但由于树龄小，碳密度比例最低，为1.22％。其余按照百分比排列依次为25～35cm、15～25cm、55～60cm比例较高。
表10不同径级下碳密度特征
径级(cm) 数量(株) 碳密度(10<sup>4</sup>kg·hm<sup>-2</sup>) 占总碳含量比例
0～5 752 0.109664 1.22％
5～10 539 0.515458 5.75％
10～15 206 0.581108 6.48％
15～20 121 0.780789 8.71％
20～25 62 0.77041 8.59％
25～30 45 0.855906 9.55％
30～35 30 0.822649 9.18％
35～40 10 0.38917 4.34％
40～45 14 0.609676 6.80％
45～50 9 0.568806 6.35％
50～55 6 0.441694 4.93％
55～60 6 0.666623 7.44％
60～65 5 0.607145 6.77％
65+ 4 1.24475 13.89％
由于林分起源的不同，除原始林外，其余类型的针阔混交林其结构特征在人为经营活动中受到了不同的破坏，因此其碳含量径级结构也会表现出不同的状态，图13为不同林型针阔混交林碳密度径级分布的不同形式的表现，可以看出，原始林的碳密度比例随着径级的增大表现出增大的趋势，在40～55cm径级间达到最大，超过55cm径级开始出现减小。经过轻度采伐破坏的红松-云冷杉林恰恰在40～55cm径级间出现缺失，碳密度比例出现最大的是在60cm径级以后。经过轻度破坏采伐的落叶松-云冷杉林在在40～55cm径级间也出现了碳比例减小的情况最大的碳密度比例出现在25～35cm径级范围内。过伐林由于其不合理的采伐历史，林内碳密度比例在15～20cm径级范围内，达到78.47％，其余径级范围内的碳比例都很低。天然次生林由于其形成时间份较短，没有大径级林木的分布，但在现有演替更新状态下呈现出与原始林类似的状态，即随着径级的增大，碳密度比例出现上升的状态，在达到一定的程度后开始下降，天然次生林在5～20cm径级范围内出现较高的碳密度比例值。
图13是不同林型针阔混交林碳密度径级分布的均匀程度，可以看出，分布最均匀的是原始林，各径级内碳比例均未超过20％，分布最不均匀的是过伐林，最大的碳密度比率是最小的13.93倍。
由上可知，不同树种间不同组分(根、干、冠)碳比例存在显著的差异，但同一树种不同组分的碳密度比例不存在显著差异。不同林型不同样地针阔混交林垂直空间上不同组分(根、干、冠)的碳密度比例存在一定的差异，这是由树种组成和林分结构的差异造成的，但小兴安岭针阔混交林的混交比例在大多数情况下都是比较大的，基本都可以达到中度混交，其中的大多数都可以达到重度混交，树种的多样和混交的程度决定了不同林型垂直空间碳密度比例的均匀性。因此，从针阔混交林整体的尺度上来看，不同林型针阔混交林垂直空间碳比例平均值差异不明显，树根、树冠、树干的平均垂直碳密度比例平均值分别为：25.05±1.14％、16.35±0.96％、58.59±1.62％。
原始林的碳密度比例随着径级的增大表现出增大的趋势，在40～55cm径级间达到最大，超过55cm径级开始出现减小。经过轻度采伐破坏的红松-云冷杉林在40～55cm径级间出现缺失，在60cm径级以后碳密度比例出现最大值。经过轻度破坏采伐的落叶松-云冷杉林在40～55cm径级间也出现了碳密度比例减小的情况最大的碳密度比例出现在25～35cm径级范围内。造成这一问题的原因可能是由于经营或采伐过程中对径级的选择造成的，在经营或采伐后经过一定时间的生长进入这一径级的林木表现出一定程度的缺失。过伐林由于其不合理的采伐历史，林内碳含量比例在15～20cm径级范围内达到78.47％，其余径级范围内的碳密度比例都很低。天然次生林由于其形成时间较短，没有大径级林木的分布，但在现有演替更新状态下呈现出与原始林类似的状态，即随着径级的增大，碳比例出现上升的状态，在达到一定的程度后开始下降，天然次生林在5～20cm径级范围内出现较高的碳密度比例值。原始林各径级碳比例分布相对比较均匀，各径级所占碳比例均未超过20％。过伐林各径级碳比例差异最大。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质上对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于碳储量分布状态分析小兴安岭针阔混交林碳汇结构的方法，其特征在于，选取顶级状态的原始林，采伐林、过伐林类的混交林和天然更新演替形成的次生林作为分析对象，包括以下步骤：
设置标准样地，采用样方法和乔木定位方法，对乔木及小乔木植物个体进行种类识别、挂牌、定位，测出树高、胸径、枝下高、冠幅，利用生物量法计算出每个所测乔木的生物量，并计算碳储量，根据碳储量得出林木碳储量的空间分布格局分异特性，利用统计学方法，通过垂直投影面积、混角度、角尺度和竞争指数分析样地空间结构，分析碳储量分布状态，探讨碳储量空间分布的变异情况，提出针阔混交林碳储量空间分布特征。
2.根据权利要求1所述的基于碳储量分布状态分析小兴安岭针阔混交林碳汇结构的方法，其特征在于，计算出各树种的重要值，从而确定林分优势树种，所述的重要值的计算方法为：
对样地内所有胸径≥1cm的乔木树种的树高、胸径、东西南北四个方向的冠幅半径进行测量，同时对各树种的相对频度、相对多度、相对显著度、重要值进行计算；
相对频度RF＝某树种出现的样方数/所有树种的样方数×100％；
相对多度RA＝某树种的个体数/所有树种的个体数×100％；
相对显著度RD＝某树种的胸径之和/所有树种的胸径之和×100％；
重要值IV＝(RF+RA+RD)；
将相对显著度中的胸径通过生物量方程和碳转换方程进行计算，得到碳相对显著度，即：
碳相对显著度CRD＝某树种的碳含量之和/所有树种的碳含量之和×100％；
最终重要值的计算公式转化为：
重要值IV＝(RF+RA+CRD)。
3.根据权利要求2所述的基于碳储量分布状态分析小兴安岭针阔混交林碳汇结构的方法，其特征在于，所述的生物量方程为：
Ws＝coDb0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)
Wb＝cor2Dk2+b0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)
Wl＝cor3Dk3+b0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)
Wr＝cor4Dk4+b0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)
其中，Wr、Ws、Wb、Wl分别为树根、树干、树枝、树叶的生物量；
所述的碳转换方程为：碳储量＝生物量(kg)×碳转换系数0.4675；
碳密度＝碳储量/样地面积。
4.根据权利要求3所述的基于碳储量分布状态分析小兴安岭针阔混交林碳汇结构的方法，其特征在于，所述的生物量方程采用相容性一元生物量模型作为计算依据：
Ws＝a1(x)Db1
Wb＝a2(x)Db2
Wl＝a3(x)Db3
Wr＝a4(x)Db4
Wt＝c0Db0＝a1(x)Db1+a2(x)Db2+a3(x)Db3+a4(x)Db4 ①
其中，Wt总量为各树种整体的生物量，Wr、Ws、Wb、Wl分别为树根、树干、树枝、树叶各分项的生物量，a1(D)，b1，a2(D)，b2，a3(D)，b3，a4(D)，b4，C0和b0是模型参数；
由式①推算出a1(D)，a2(D)，a3(D)，a4(D)的形式为：
a1(D)＝c0c1Db0/(c1Db1+c2Db2+c3Db3+c4Db4)
a2(D)＝c0c2Db0/(c1Db1+c2Db2+c3Db3+c4Db4)
a3(D)＝c0c3Db0/(c1Db1+c2Db2+c3Db3+c4Db4)
a4(D)＝c0c4Db0/(c1Db1+c2Db2+c3Db3+c4Db4)
将r2＝c2/c1，r3＝c3/c1，r4＝c4/c1，k2＝b2-b1，k3＝b3-b1，k4＝b4-b1代入方程进行转换，将模型改写为：
Ws＝coDb0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)
Wb＝cor2Dk2+b0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)
Wl＝cor3Dk3+b0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)
Wr＝cor4Dk4+b0/(1+r2Dk2+r3Dk3+r4Dk4)；
所述的生物量模型中的参数如下表1所示：
c0 b0 r2 k2 r3 k3 r4 k4 红松人工林 0.09142 2.45825 0.004424 1.360806 0.040234 0.443508 0.012241 1.117218 落叶松人工林 0.114749 2.485066 0.669053 -0.67754 1.938435 -1.40415 0.074403 0.431908 红松天然林 0.103773 2.431545 0.031873 0.541133 0.277066 -0.35108 0.052272 0.591032 云杉天然林 0.136749 2.392566 0.169385 0.066051 0.082645 0.056398 0.141233 0.336011 冷杉天然林 0.074589 2.558915 0.353266 -0.21156 2.396762 -1.16426 0.629076 -0.20486 落叶松天然林 0.108105 2.510203 0.030351 0.421136 0.162509 -0.56247 0.028042 0.901693 水胡黄天然林 0.150173 2.380274 0.010546 0.919177 0.041904 0.015826 0.354807 -0.00701 椴树天然林 0.118767 2.375018 0.037958 0.423971 0.49588 -0.90641 1.048459 -0.39261 柞木天然林 0.180203 2.382361 0.013463 0.996343 0.005808 0.659022 0.203326 0.167191 榆树天然林 0.433469 2.008689 2.114031 -0.79824 0.264567 -0.55227 0.40047 -0.04697 色木天然林 0.243905 2.264501 0.504046 -0.20295 0.512721 -0.78933 0.0429 0.71659 黒桦天然林 0.021249 3.018642 0.000705 1.932369 0.003603 0.873989 0.04415 0.628641 白桦天然林 0.275513 2.235882 0.026184 0.727904 0.034402 0.068603 0.151105 0.34424 山杨天然林 0.206424 2.264685 0.010957 0.836497 0.0434 -0.15045 0.115831 0.205666
。
5.根据权利要求1所述的基于碳储量分布状态分析小兴安岭针阔混交林碳汇结构的方法，其特征在于，所述的分析碳储量分布状态，探讨碳储量空间分布的变异情况之前对样地整体的生物量及碳密度特征进行分析。
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