我国暖温带森林碳储量特点研究——以北京、河北为例
2021年5月
第30卷第2期
中央民族大学学报（自然科学版）
Journal of MUC( Natural Sciences Edition)
May, 2021
Vol. 30 No. 2我国暖温带森林碳储量特点研究
----以北京、河北为例
陈璐、王顺忠2，桑卫国K2
感恩的句子或一段话(1.中央民族大学生命与环境科学学院，北京100081;
2.植被与环境变化国家重点实验室中国科学院植物研究所，北京100093)
摘要：本文为探究暖温带地区森林生态系统碳储量特点及其成因，在河北、北京地区选取了160个森林样
地，对样地的乔木层、灌木层、草本层、凋落物层以及土壤层进行了野外实地调査并取样在实验室做相关分析。
结果表明：河北、北京地区总碳储量为448. 07 T g，植物层碳储量为94.82T g，土壤层碳储量为353.25 Tg。土 壤层碳储量要远高于植被层，它是河北、北京地区森林碳储量的主要贡献者。区域平均碳密度为287.51 Mg-
11〇1_2，植被层为60.84\1^111^2，土壤层为226.67 1«841^：!，土壤层同样大于植被层。不同林型进行比较，地 上层碳储量最大的林型为桦树林，地上层碳密度最大的林型是松林；土壤层桦树林和落叶松林碳密度最大，槐 树林碳密度最小。在未来的碳相关政策的制定时，可以选择合适的林型，增大种植面积，以提高区域碳储量和
碳密度总值。
关键词：碳储量；碳密度；河北省；北京市；土壤有机碳
中图分类号：S792. 1;S792. 12 文献标识码：A 文章编号：1005-8036( 2021) 02-0034-09
对党的100岁生日祝福语由于化石燃料的大量燃烧、森林的大量砍伐和土地类型的变化，全球温室气体浓度大量增加，导致 全球气候正在发生着深刻的变化11]。气候的变化会对生态系统中的碳、氮、磷、硫的物质循环过程产生
影响。据预测，人类如果想使环境得以维持，二氧化碳浓度需要从目前的385 p p m减少到最多350 p p m m。减少碳排放的一个重要途径是植物通过光合作用将空气中的二氧化碳以有机碳的形式固定下 来，这就需要增加陆地植被的碳储量，减少空气中的二氧化碳浓度，以减少碳排放量。在《巴黎协定》中，明确地提出了碳减排和气温变化的目标[3]，这说明碳问题已经成为国际上关注的重大问题之一。
森林碳储量是陆地生态系统碳储量的主要部分，森林的固碳能力成为影响大气中C02浓度、影响 全球碳含量分布的重要原因[4]。所以对森林碳储量的调查，在全球气候变化、碳循环机制的研究中具 有重要意义[5]。
自2014年提出的京津冀一体化战略以来，生态环境联防互惠政策大大改善了京津冀地区生态环 境。但现在河北、北京地区森林资源仍然存在覆盖率低、碎片化明显、生产力低、结构单一、破坏严重等 诸多问题，所以，该地区森林资源固碳现状的相关研究可以为森林资源管理决策提供一定的依据[6]。北京是中国的首都，河北环绕在北京的周围，两个地区都具有重要的战略地位。河北省人口基数大，能源碳足迹呈现快速增长的趋势[7]，更是中国重要的工业基地，仅2013年一年的C02排放量就达到了 76 576. 22万吨[8]。北京的碳排放量在2011年也超过10 000万吨|9]。明确河北、北京地区森林碳储量
收稿日期：202卜03-03
基金项目：2020CXTD02；国家自然科学基金（31570630)
作者简介：陈璐（1994-)，女（满族），河北唐山人，中央民族大学生命与环境科学学院硕士研究生，主要研究方向：生态学。
通讯作者：桑卫国（1965-)，男（汉族），山东聊城人，中央民族大学生命与环境科学学院教授，主要研究方向：保护生
物学、景观生态学、森林生态学、生态学模拟模型。
第2期陈璐等：我国暖温带森林碳储量特点研究—以北京、河北为例35
现状可以为区域内节能减排政策的制定提供一定的依据。
中国陆地生态系统碳库总量为89. 27± 1.05 P g C，森林生态系统碳储量为30. 83± 1.57 P g C，其 31%储存在集中于西南部，仅有7%储存于东部地区，中国森林生态系统近90%的森林小于60年，这些 森林生物量低，但未来具有很大的碳汇潜力[1°]。已有研究表明，中国森林生态系统植被碳密度为86 M g*h n T2，土壤碳密度为189 M g*h n T2[l l]，土壤层碳密度要远大于植被层碳密度，所以过去用植被层碳 储量和碳密度代表地区碳储量和碳密度是不准确的。中国科研项目中，为了更准确地对碳储量和碳密 度进行统计，制定了统一的、适应于全国复杂环境、并且在国际上可以得到认可的调查方法
体系，取得了 许多重要成果，为中国气候外交谈判提供了可靠的科学依据1121。
太阁立志传5以前关于河北、北京的森林碳储量调查都是基于遥感模型估算和实地调查。遥感模型估算的方法 一般应用于大尺度的研究，对地面数据的准确性要求低，测算具有很大的不确定性[13]；实地调查也仅限 于地上层，缺少土壤层的调查数据。但是根据杜虎、许文强、汲玉河+4]等许多学者的调查结果都显示，土壤层的碳储量远超过地上部分的碳储量，甚至占森林总碳储量的大部分[14_16]。所以对河北、北京地 区的碳储量进行更加精准的测算具有重要的意义。本研究对河北、北京地区的碳储量调查分为地上层 和土壤层，地上层分为乔木层、灌木层、草本层、凋落物层，土壤层被分成了五个层次（〇~1〇c m,10~ 20 c m，20~30 c m，30~50 c m,50~100 c m)，这会使得对河北、北京森林碳储量和碳密度的估算更加准确。
本研究主要解决的问题有：（1)对河北、北京地区森林碳储量和碳密度进行估算；（2)河北、北京地 区森林中不同林型碳储量和碳密度的分布格局是怎样的？
1材料与方法
1.1研究区域
河北省和北京市（北纬36。03'~42。40'，东经113。27'~119。50')位于我国华北平原，东临渤海、西
靠 太行山，北有燕山。该区域由西北到东南，地势逐渐降低，地形类型多样，具有高原、丘陵、盆地。气候属 于温带季风气候，夏季炎热潮湿，冬季寒冷干燥，平均降雨量为304〜750 m m，四季分明[17]。
河北省、北京市森林生态系统的主要植被类型包括落叶阔叶林、寒温性针叶林、温性针叶林、温性针 阔混交林，主要土壤类型有棕壤、褐土、沙漠土、风沙土、栗钙土。根据第九次全国森林资源连续清查结 果，河北省乔木林地365. 40万h m2，以幼龄林和中龄林为主，灌木林地249. 41万h m2，未成林造林地 22. 31万h m2[6]。国家统计局网站的数据显示，2018年北京市林业用地面积为107. 10万公顷，人工林 面积为43. 48万公顷，森林覆盖率达43. 8%。
1.2研究方法
1.2.1样地设置方法
在河北、北京区域随机选取160个具有代表性的森林样地，样地分布见图1。其中，样地面积为 1 000 m2(20 m x50 m)的有91个，样地面积为600 m2(20 m x30 m)的有69个。样地确定后进行编号并 实地调查，采集样地经纬度、海拔、地形、坡向、坡位、坡度、郁闭度、落高度等基本信息。
1.2.2地上层碳储量的测定
地上层包括乔木层、灌木层、草本层和凋落物层。本研究中，针对乔木层碳储量和碳密度的计算采 用异速生长方程的模拟方法[18]。这种方法对于研究区域、森林类型、环境条件都具有要求，因此，如果 选择河北和北京当地的异速生长方程来进行模拟就可以大大提高结果的准确性。
在河北省承德市围场县大头山地区，伐取油松（8棵）、山杨（8棵）、白桦（8棵）、柞树（5棵），以这 些树木作为标准木，测量标准木胸径、树高、冠幅、树冠厚度以及叶、枝、干、根的鲜重和干重，模拟得出对 应树种的异速生长方程。但是除了上述树种，还有侧柏、落叶松等多种树种，所以为了使计算结果更加 准确，通过查阅相关书籍，收集了更多适应于河北、北京地区的异速生长方程用于乔木层的计算[2°_22]，
36中央民族大学学报（自然科学版）第30卷
图例
0 50 100 200 mamm km 样地省边界
图1河北、北京市森林采样点分布
Fig. 1Distribution of forest sampling sites in Hebei and Beijing
计算用到的异速生长方程见附件。
得出样方内乔木层叶、枝、干、根的生物量后，采用重铬酸钾一硫酸氧化法（湿烧法）对植物器官样 品的碳含量进行测定[23]，通过测定的碳含量计算得出对应器官的总碳含量，再将各器官累计相加就得 到样方内乔木层的碳储量，碳储量除以对应面积得到碳密度值。
在每个乔木样地随机设三个面积为4 m2的正方形灌木层样方，每个灌木层样方中再设一个面积为 1m2的草本样方。采用全收获法，将灌木层样方和草本层样方的所有灌木和草本，逐个收集。在实验 室测定灌木层和草本层全碳含量。样地内灌木层的碳密度=灌木样方内叶、枝和根的干质量X实测的 叶、枝和根的碳含量/样方面积；草本层的碳密度=(草本样方内地上+地下的干质量）x实测地上和地下 的碳含量/样方面积。
在样地设三个面积为1m2的正方形凋落物样方，同样采用上述方法，测定凋落物层的碳储量和碳 密度。
1.2.3地下层碳储量的测定
地下层碳储量的调査主要是对土壤有机碳（S0C)的调查，因为接近三分之二的全球土壤碳都以土 壤有机碳的形式存在[24]，土壤有机碳包括腐烂的植被、真菌、细菌以及生物体的代谢活动产物[25]。
在乔木样方随机选取三个土壤地段，除去土壤表面覆盖物，用5 c m内径的土钻人土 100 c m的深度
挖掘采集（依据实际情况，有的地下有硬石，挖掘深度小于100 c m)，采集出来的土壤根据土壤剖面由上 到下分层取样。土壤剖面分〇〜10 c m、10 ~ 20 c m、20〜30 c m、30〜50 c m、50〜100 c m 5个层次，每次取土 有2个重复，测量土壤容重。根据下面公式，得出土壤样品碳含量值：
c x 5
----------X (v Q-v)x〇. 〇〇1 x  3 X    1. 1
C =—--------------------------
M x k
C为样品有机碳含量值（g«k g'1)，c为重铬酸钾标准溶液浓度（m o l*I/1)，V。为空白实验消耗的硫
第2期陈璐等：我国暖温带森林碳储量特点研究—以北京、河北为例37
酸亚铁体积，V为样品消耗的硫酸亚铁体积，M为风干样品的质量（g)，l. 1是校正系数，k是将风干土 换成烘干土的系数，3是1/4碳原子的摩尔质量。
得出土壤样品有机碳含量之后，代人下面公式，得出土壤有机碳密度S O C
n
SOC = ^(C,x B D I X D,) /10
i = 1
S O C为土壤碳密度值（f h m_2)，C，为对应第i层的碳含量值（g*k g M)，B D，为对应第i层的土壤平 均容重（g_c m_3),D，为对应第i层的土壤的厚度（c r n)[26_28]。
2结果与分析
2.1植被层碳储量和碳密度
计算得到的植被层碳储量结果如图2所示，植被层总碳储量为94. 82 T g。在植被层中，乔木层碳储 量最多，为76.59 T g，占植被层碳储量的80.77%。灌木层碳储量为13.86 T g，占植被层碳储量的 14.61%，凋落物层3.28 T g，占植被层碳储量的3.46%；草本层碳储量最少，为1.09 T g，占植被层碳储量 的1. 15%。不同的林型碳储量和碳密度存在差异，面积占河北、北京地区森林面积62. 94%的桦树林、松林、栎林对植被层碳储量的贡献最高，达到80%以上。乔木层碳储量从大到小对应的林型为：桦树 林，松林，栎林，杨树林，落叶松林，青冈混交林，槐树林，柏林；灌木层桦树林和栎林的碳储量要明显高于 其他林型；草本和凋落物层，栎林碳储量高于松林。
植被层碳密度（见图3)为60.84 M g i h t r T2，其中乔木层、灌木层、草本层、凋落物层碳密度依次为 49. 15 M g.h n T2、8.89 M g.h m'0.7M g.h m'2. 1M g.hrrT2，乔木层碳密度要远大于灌木层、草本层、调落物层，乔木层碳密度高的林型，植被层碳密度也比较高。不同林型进行比较，碳密度差异也比较大。乔木层松林碳密度要大于其他林型，灌木层栎林碳密度最大，草本和凋落物层桦树林碳密度最大；所有 林型中，槐树林的密度最低，只有20. 17 M g.h n T2。
2.2 土壤层碳储量和碳密度
土壤层碳储量结果如图4所示，碳储量总量为352. 25 T g，占到总碳储量的78. 79%。在土壤层中，0~ 10 c m土层碳储量为68. 53 T g；丨0~20 c m土层碳储量为54. 26 T g;20~30 c m 土层碳储量为46. 99 T g; 30~50 c m 碳储量为 70. 93 T g;50~ 100 c m土壤层碳储量达到 112. 55 T g。0~ 10 c m，丨0~20 c m，20~30
c m厚度相同的层次，随土壤深度增加，碳储量呈减少趋势。不同的林型土壤碳储量和碳密度也存在差 异，面积大的桦树林对土壤层碳储量的贡献最高，这种林型对土壤层碳储量的贡献高达到51.90%〇按照单位面积和单位体积分别计算土壤层碳密度为226.67 M g*h n T2，单位面积碳密度结果如图5 所示，0~10 c m 土层碳密度为 39. 55 M g.hrrT2;10~20 c m 碳密度为 33. 01 M g.h n T2;20~30 c m 土层碳密 度为 23.92 M g.hrrT2;30~50 c m碳密度为 38.77 M g.h m_2;50~100 c m土层碳密度达到 65.
23 M g.h n T2。0~10 C m，10~20 c m,20〜30 c m厚度相同的层次，随土壤深度增力卩，碳密度呈减少趋势。不同的林型土 壤碳储量和碳密度也存在差异，桦树林和落叶松林碳密度最大，达到260 M g*h n T2以上，碳密度最小的 是槐树林。
2.3总碳储量和碳密度
河北、北京地区总碳储量为448. 07 T g，平均碳密度为289. 51 Mg*hnT2。不同林型土壤层的碳储量 和碳密度结果如表1所示均大于地上植被层。桦树林碳储量占总碳储量的48. 23%，是贡献碳储量最多 的林型，栎林次之；桦树林、落叶松林、栎林碳密度较大，都超过了 300 Mg*hm_2。槐树林的碳储量和碳 密度最低。
38中央民族大学学报（自然科学版）第30卷
B    C    D    E    F G H 林型 Forest type B    C    D    E    F G H
林型 Forest type
C D    E    F G H
林型 Forest type 林型 Forest type 图3河北、北京地区森林不同林型的乔木层、灌木层、草本层和凋落物层碳密度（a ，b ，c ，d 分别表示乔木层，灌木层，草本层，凋落物层;
八，8'，0，£^，0，11分别表示的林型为桦树林，松林，栎林，杨树林，落叶松林，青冈混交林，槐树林，柏林）
Fig.3 Carbon density of overstory, understory, grass,litter Layers of Different Forest Types in forest of Hebei and Beijing
(a , b , c, d refer to tree layer, shrub layer, herb layer and litter layer ； A, B, C, D, E F, G, H refer to forest, pine forest,
oak forest, poplar forest, larch forest, Cyclobalanopsis glauca mixed forest, Sophora forest, Berlin)图2河北、北京地区森林不同林型的乔木层、灌木层、草本层和凋落物层碳储量（a, b ，c ，d 分别表示乔木层，灌木层，草本层，凋落物层;
A ，
B ，
C ，
D ，
E ，
F ，
G ，
H 分别表示的林型为桦树林，松林，栎林，杨树林，落叶松林，青冈混交林，槐树林，柏林）
Fig.2 Carbon Storage of overstory, understory, grass,litter Layers of Different Forest Types in forest of Hebei and Beijing
(a , b, c , d refer to tree layer, shrub layer, herb layer and litter layer ； A, B, C , D, E F, G, H refer to forest, pine forest,
oak forest, poplar forest, larch forest, Cyclobalanopsis glauca mixed forest, Sophora forest, Berlin)
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