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森林生态系统作为全球碳库的重要组成部分,在全球碳平衡与碳预算中发挥重要作用[1]。森林生态系统碳库主要包括植被碳库、凋落物碳库和土壤有机碳库。植被碳库主要包括植物的地上部分(干、枝、叶和皮)和地下部分(活根的全部生物量)所固定的碳[2-3]。据估算,全球森林植被碳储量约为359.00~373.00 Pg,平均碳密度为86.00 Mg·hm−2[4-5]。全球植被层占全球森林碳储量的42%~50%[6],凋落物碳库虽然占全球森林碳储量的5%(43 Pg),但其变化对全球碳收支和碳减排目标具有重要意义[7]。
近年来,国内外学者通过不同方法开展了林火干扰对森林生物碳库影响的研究。目前,国内外有关林火干扰对森林碳库的影响主要集中在碳排放[2, 8]、含碳气体排放[9-10]、碳排放物[11-12]、碳释放[13-14]、碳循环[2]、碳平衡[15]、碳排放模型与方法[16]、碳储量[17]、碳时空分布[18]等的影响。通过采用国外经验计量参数的方法,直接估算全国大尺度林火干扰碳损失量,如王效科等[13]估算了中国国家尺度森林火灾排放的CO2、CO和CH4总量。Lü等[19]估算了中国1950—2000年森林火灾碳损失量,并对时空规律进行分析。通过遥感影像估测大尺度估测计量参数,未进行小尺度计量参数的实测,直接估算国家尺度的碳损失量,如田晓瑞等[14]估算1991—2000年中国森林火灾直接碳损失量。庄亚辉等[9]对我国生物质燃烧排放的含碳痕量气体进行估算。采用经验排放因子方法与统计资料:曹国良等[11]对我国大陆包括森林火灾的生物质燃烧排放的污染物进行估算。利用统计资料估算碳损失量方面:陆炳等[12]利用统计资料对我国2007年全年大陆地区生物质燃烧排放污染物进行估算。
目前,我国林火干扰碳损失量方面的研究主要存在以下问题,对林火干扰碳损失量计量参数测定的实验较少,未对参数测定进行规范及未考虑尺度转换问题,直接把小尺度得到的数据用于大尺度的估算[15]。而采用较为可靠的通过森林生态系统小尺度的实测计量参数的定量研究较少,尤其是在森林生态系统水平对林火干扰后,各森林生态系统碳库碳密度的动态变化研究鲜见报道[20]。为此,本研究以广东省亚热带2种典型针叶林为研究对象,采用相邻样地比较法,以野外调查采样与室内试验分析为主要手段,在森林生态系统水平上,定量测定不同林火干扰强度对森林生物碳库(植被碳库和凋落物碳库)碳密度与碳分配的影响:(1)定量研究不同林火干扰强度(轻度、中度和重度林火干扰)对亚热带2种典型森林类型植被碳密度及植被各组分(乔木、灌木和草本)碳密度的变化规律及空间分布格局。(2)定量研究不同林火干扰强度对亚热带2种典型森林类型凋落物碳密度的变化规律。通过分析林火干扰后碳密度的空间分布格局及变化规律,旨在更好地理解林火干扰后短期内生态系统碳密度的变化规律,为林火干扰后生态系统碳汇管理以及定量评价林火干扰对森林生态系统碳库的影响提供参考依据。
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根据广东省历史森林火灾时空分布特点,结合广东省亚热带森林资源分布状况,按照火烧迹地燃烧状况,在广东省佛冈县火烧迹地及相邻未烧林分设置标准固定的样地。2017年4月4日,广东省佛冈县发生森林火灾,过火面积约400 hm2,火灾发生后1周内,选择林火干扰强度(同时分轻度、中度和重度3种林火干扰强度)基本相同(林火干扰样地基本情况见表1),分别在火烧迹地及相邻未火烧林分(对照样地),设置固定样地,于火后1年后(1个生长周期)进行外业调查及实验样品采集,调查采集植被生物量和凋落物生物量。为了有效地获取广东省亚热带有代表性的典型人工成熟林森林类型的数据,选择马尾松林(Pinus massoniana Lamb.)和杉木林(Cunninghamia lanceolata(Lamb.) Hook.)2种典型森林类型进行采样,在未过火林地(未火烧样地即对照样地)和过火林地设置规格为20 m×20 m的3个重复作为固定标准样地,共选设固定标准样地24块。
典型森林类型
Typical forest type林龄范围/a 平均胸径/cm 平均树高/m 密度/(株·hm−2) 郁闭度 坡度/(o) 坡位 坡向 海拔/m 土壤类型 森林起源 马尾松林(Pinus massoniana
Lamb. forests)31~35 21.15±4.23 17.58±3.25 859±156 0.85 10~20 中坡 阳坡 250~280 赤红壤 人工林 杉木(Cunninghamia lanceolata
(Lamb.)Hook. forests)27~29 18.27±3.25 16.59±4.23 1426±199 0.90 5~15 中坡 阳坡 265~290 赤红壤 人工林 注:数据为平均值±标准差。
Note: The data are:mean±SD.Table 1. Basic situation of forest fire disturbance in sample plotin in Guangdong Province
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(1)乔木层生物量调查
在设置好的标准样地内,以5 cm为起测胸径,2 cm为径阶,调查因子包括胸径、树高、树种组成等[2]。在每个对照样地内选取各径级的标准木3株,采集乔木的干、枝、叶和皮。采集的样品野外称其鲜质量,并取样,标记好带回实验室进行内业测定及分析。
(2)灌木层生物量调查
根据灌木分布的均匀程度沿标准样地的对角线设置小样方。当分布较为均匀时设置2 m×2 m重复样方3个;当分布不均匀时设置5 m×5 m重复样方3个[2]。调查灌木层的盖度、株数和平均高度,各树种数量、地径、高度等,然后按灌木种类收割样方内的所有灌木,称量,并取样,标记好带回实验室进行内业测定及分析。
(3)草本层生物量调查
在标准样地内沿另一对角线设置1 m×1 m的重复样方3个,调查草本层种类、盖度和平均高度,然后全部收割、称量,并取样,标记好带回实验室进行内业测定及分析。
(4)凋落物层生物量调查
在标准样地内按对角线选取1 m×1 m的重复样方3个,分别收集小样方内的枯枝和落叶(针叶和阔叶分开)并记录其鲜质量,并取样,标记好带回实验室进行内业测定及分析。
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利用相对生长法估测乔木生物量:
式中:
$Y$ 表示乔木地上生物量(t·hm−2),$D$ 表示胸径(cm),$H$ 表示树高(m),$a$ 、$b$ 为系数。广东省2种典型针叶林乔木层生物量回归方程与回归系数见表2。灌木、草本和凋落物的生物量测定,主要采用测定含水率法。植被生物量包括乔木、灌木和草本的生物量之和。典型森林类型
Typical forest type组分
Component回归方程
Regression equationa b 决定系数
Coefficient of determination(R2)样本数(N) 马尾松林
Pinus massoniana forests干 Trunk $Y = a{({D^2}H)^b}$ 0.356 4 1.328 1 0.935 2 30 枝 Branch $Y = a{({D^2}H)^b}$ 0.219 5 1.621 5 0.865 7 30 叶 Leaf $Y = a{({D^2}H)^b}$ 0.051 4 1.532 1 0.994 7 30 皮 Bark $Y = a{({D^2}H)^b}$ 0.094 1 1.502 3 0.912 4 30 杉木林
Cunninghamia lanceolata forests干 Trunk $Y = a{({D^2}H)^b}$ 0.081 2 2.012 3 0.923 6 30 枝 Branch $Y = a{({D^2}H)^b}$ 0.003 1 2.965 4 0.945 7 30 叶 Leaf $Y = a{({D^2}H)^b}$ 0.021 1 2.123 6 0.935 9 30 皮 Bark $Y = a{({D^2}H)^b}$ 0.018 2 2.123 5 0.894 8 30 Table 2. Regression equation and coefficient of determination of two typical forest types in Guangdong Province
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将烘干的植被和凋落物样品磨碎过0.25 mm筛,存放于玻璃瓶中。用MultiN/C3100分析仪(Multi N/C3100, Analytik Jena AG, Jena, Germany)联用固体模块测定碳含量,每次测3个平行样,对测定结果取平均值作为一个样本数,测量精度为0.01%,误差为±0.2%。
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式中:
$M$ 为生物量碳密度;${F_c}$ 表示生物量的碳含量。 -
利用森林火灾调查和森林可燃物载量的有关情况,把林火干扰强度划分为3个等级(重度、中度、轻度)[2]。重度林火干扰:火灾烧死木占70%~100%,乔木熏黑高度≥5 m,林下灌木全部烧毁,凋落物烧光;中度林火干扰:火灾烧死木占30%~70%,乔木熏黑高度在2~5 m,林下灌木几乎被烧毁(>50%),凋落物几乎被烧毁(>50%);轻度林火干扰:火灾烧死木在30%以下,乔木熏黑高度≤2 m,林下灌木部分被烧毁(≤50%),凋落物部分被烧毁(≤50%)。
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数据统计分析采用Microsoft Excel 2003和SPSS 18.0软件处理。运用SPSS18.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA),并比较不同林火干扰强度样地与对照样地之间碳密度的差异(LSD检验),显著性水平设置a=0.05。用Origin9.1绘制图表。