全 文 ：植物生态学报 2016, 40 (4): 364–373 doi: 10.17521/cjpe.2015.0235
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2015-06-21 接受日期Accepted: 2015-11-27
* E-mail: xuwq@ms.xjb.ac.cn
天山森林生态系统碳储量格局及其影响因素
许文强1* 杨 辽1 陈 曦1 高亚琪2 王 蕾2
1中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室, 乌鲁木齐 830011; 2新疆林业科学院现代林业研究所, 乌鲁木齐 830063
摘 要 科学地估算亚洲中部天山雪岭杉(Picea schrenkiana)生态系统碳密度与碳储量是评价新疆森林碳汇潜力、评估森林
在减缓大气CO2浓度上升、应对气候变化等方面功能的关键, 对干旱区森林生态系统的保育和可持续发展具有重要意义。该
文基于在天山雪岭杉林区布设的70个野外样地调查数据, 结合新疆森林资源连续清查数据, 全面估算了天山雪岭杉生态系统
的碳密度和碳储量, 分析了其分布格局与影响因素。结果表明: 天山雪岭杉不同龄组叶、枝、干和根的含碳率变化不显著, 其
乔木层平均含碳率为49%, 而林下植被(凋落物、草本等)平均含碳率仅为42%。雪岭杉森林生态系统单位面积生物量为187.98
Mg·hm–2, 其中乔木层生物量占生态系统总生物量的98.93%。乔木层各组分生物量大小为: 干>根>枝>叶, 而各龄组生物量排
序为: 成熟林>中龄林>近熟林>过熟林>幼龄林。雪岭杉生态系统碳密度为544.57 Mg·hm–2, 碳储量为290.84 Tg C, 其中植被
碳密度为92.57 Mg·hm–2, 植被碳储量为53.14 Tg C, 土壤碳密度为452.00 Mg·hm–2, 土壤碳储量为237.70 Tg C。天山雪岭杉生
态系统碳密度分异与不同林区林带垂直宽度变化具有很高的相关性, 其生态系统碳密度西高东低的分布格局和它所处的环
境因子西优东劣的变异是相一致的, 即不同的环境因素组合是造成天山雪岭杉生态系统碳密度差异的主要原因。
关键词 生物量; 含碳率; 碳密度; 环境因子; 调查样地; 雪岭杉
引用格式 : 许文强 , 杨辽 , 陈曦 , 高亚琪 , 王蕾 (2016). 天山森林生态系统碳储量格局及其影响因素 . 植物生态学报 , 40, 364–373. doi:
10.17521/cjpe.2015.0235
Carbon storage, spatial distribution and the influence factors in Tianshan forests
XU Wen-Qiang1*, YANG Liao1, CHEN Xi1, GAO Ya-Qi2, and WANG Lei2
1State Key Laboratory of Desert and Oasis Ecology, Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Ürümqi 830011, China; and
2Research Institute of Modern Forestry, Xinjiang Academy of Forestry, Ürümqi 830063, China
Abstract
Aims Accurate estimation of carbon density and storage is among the key challenges in evaluating ecosystem
carbon sink potentials for reducing atmospheric CO2 concentration. It is also important for developing future con-
servation strategies and sustainable practices. Our objectives were to estimate the ecosystem carbon density and
storage of Picea schrenkiana forests in Tianshan region of Xinjiang, and to analyze the spatial distribution and
influencing factors.
Methods Based on field measurements, the forest resource inventories, and laboratory analyses, we studied the
carbon storage, its spatial distribution, and the potential influencing factors in Picea schrenkiana forest of Tian-
shan. Field surveys of 70 sites, with 800 m2 (28.3 m × 28.3 m) for plot size, was conducted in 2011 for quantify-
ing arbor biomass (leaf, branch, trunk and root), grass and litterfall biomass, soil bulk density, and other laboratory
analyses of vegetation carbon content, soil organic carbon content, etc.
Important findings The carbon content of the leaf, branch, trunk and root of Picea schrenkiana is varied from
46.56% to 52.22%. The vegetation carbon content of arbor and the herbatious/litterfall layer was 49% and 42%,
respectively. The forest biomass of Picea schrenkiana was 187.98 Mg·hm–2, with 98.93% found in the arbor layer.
The biomass in all layers was in the order of trunk (109.81 Mg·hm–2) > root (39.79 Mg·hm–2) > branch (23.62
Mg·hm–2) > leaf (12.76 Mg·hm–2). From the age-group point of view, the highest and the lowest biomass was
found at the mature forest (228.74 Mg·hm–2) and young forest (146.77 Mg·hm–2), respectively. The carbon density
and storage were 544.57 Mg·hm–2 and 290.84 Tg C, with vegetation portion of 92.57 Mg·hm–2 and 53.14 Tg C,
and soil portion of 452.00 Mg·hm–2 and 237.70 Tg C, respectively. The spatial distribution of carbon density and
storage appeared higher in the western areas than those in the eastern regions. In the western Tianshan Mountains
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(e.g., Ili district), carbon density was the highest, whereas the central Tianshan Mountains (e.g., Manas County,
Fukang City, Qitai County) also had high carbon density. In the eastern Tianshan Mountains (e.g., Hami City), it
was low. This distribution seemed consistent with the changes in environmental conditions. The primary causes of
carbon density difference might be a combined effects of multiple environmental factors such as terrain, precipita-
tion, temperature, and soil.
Key words biomass; carbon content; carbon density; environmental factors; sampling plots; Picea schrenkiana
Citation: Xu WQ, Yang L, Chen X, Gao YQ, Wang L (2016). Carbon storage, spatial distribution and the influence factors in Tian-
shan forests. Chinese Journal of Plant Ecology, 40, 364–373. doi: 10.17521/cjpe.2015.0235
森林作为陆地生态系统的主体, 是陆地面积最
大、分布最广、组成结构最为复杂的地表覆被类型,
也是自然界功能最完善的生物基因库和水、碳、养
分储存调节库, 它储存了陆地地上部分碳库的80%,
地下部分碳库的40%, 对改善生态环境、维护生态
平衡及减缓全球气候变化具有不可替代的作用
(Dixon et al., 1994)。森林生态系统是陆地生态系统
的重要碳汇, 尤其是北半球中、高纬度地区的森林
生态系统, 它们是重要的陆地碳储库, 在全球碳平
衡中发挥着重要的碳汇功能(Houghton, 2005)。因此,
科学准确地计量森林生态系统碳密度及碳储量是评
价森林碳汇潜力、评估森林在减缓大气CO2浓度上
升、应对气候变化等方面功能的关键(罗天祥, 1996;
胡海清等, 2015)。目前关于森林生态系统植被碳储
量和碳汇功能方面的研究已经取得了丰硕的成果
(王效科等, 2001; Pan et al., 2004; Zhou et al., 2006;
吴庆标等, 2008; 郭兆迪等, 2013; 胡海清等, 2015),
无论是在全球尺度还是国家尺度和区域尺度上都有
很多成功的研究案例(周玉荣等, 2000; Fang et al.,
2001; 赵敏和周广胜, 2004; Su et al., 2007; Pan et
al., 2011)。然而, 由于采用的数据来源与估算方法
方面的差异, 森林碳储量估算结果存在较大的不确
定性。因此, 需要获得更多区域尺度的基于样地调
查的精确参数和数据来减小碳储量估算结果的不确
定性。同时, 更多的不同类型的森林生态系统的碳
储量与碳固定的研究需要展开, 以丰富世界森林生
态系统案例研究。
亚洲中部干旱区地处欧亚大陆腹地, 自然条件
独特, 高山与盆地相间分布, 在全球变化和人类活
动强干扰背景下, 气候发生了显著的变化(罗格平
等, 2011; Li et al., 2015; Wang et al., 2015)。天山山
脉作为亚洲中部干旱区的主体部分, 其中山带森林
生态系统具有涵养水源、调节径流的作用, 能够为
下游绿洲提供安全的生态保障, 对整个干旱区的可
持续发展极为重要(张百平等, 2003)。目前天山中山
带森林生态系统固碳研究越来越受到学术界的重
视, 很多基于样地调查数据、森林资源清查数据的
研究取得了很多成果(Ni, 2004; 苏宏新, 2005; Su et
al., 2007; Xu et al., 2011), 但相关研究多是针对较
小尺度的某一林区展开的, 且对地上部分生物量的
研究较多, 而对地下草本、凋落物及土壤碳的研究
需要加强。因此, 需要开展更多的基于区域尺度的
整合乔木、灌木、草本、凋落物、根系和土壤碳等
生态系统全要素的研究, 以全面精确地估算天山森
林生态系统碳储量。本文以天山中山带针叶林生态
系统为研究对象, 应用野外样地调查方法, 估算天
山针叶林生态系统碳储量, 分析碳储量格局及其影
响因素, 以期为我国干旱区森林生态系统碳汇估算
研究提供基础数据和科学参考。
1 材料和方法
1.1 研究区概况
天山横亘于新疆中部, 向西延伸至哈萨克斯坦
和吉尔吉斯斯坦, 在我国境内东西长达1 300多km,
南北跨距达500 km (图1)。天山山地针叶林主要分布
在天山北坡, 天山中部和天山南坡则分布较少。雪
岭杉(Picea schrenkiana)是天山山地最主要的地带
性森林植被, 林分以纯林为主, 面积约52.84 × 104
hm2, 占新疆天然林有林地面积的44.9%, 是构成天
山乃至新疆森林生态系统的物质主体。天山中山带
温和而湿润的生境为雪岭杉的生长发育提供了良好
的场所, 森林郁闭度可达0.6–0.8, 生产力较高, 林
下灌木和草本植被发育受到一定的抑制。
天山雪岭杉主要分布于天山北坡海拔1 400–
2 800 m的阴坡和半阴坡, 林区多年平均气温–2.8–
2.5 ℃, 年降水量400–700 mm, 针叶林建群种为雪
岭杉, 但在东部部分林区出现了少量雪岭杉和西伯
利亚落叶松(Larix sibirica)的混交林。针叶林土壤成
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图1 天山山脉及森林调查样地分布示意图。
Fig. 1 The sketch map of Tianshan Mountains and the distribution of sampling plots.


土母质主要为黄土状物质和钙质岩石风化物, 也有
坡积物和冰碛物, 林下发育的山地灰褐色森林土是
天山分布最集中、面积最大的山地森林土壤类型。
1.2 数据及来源
本文涉及的主要数据包括森林生态系统野外样
地调查数据、2011年第6次新疆森林资源连续清查数
据和天山区域部分气象站点观测数据。其中森林生
态系统野外样地调查数据于2011年通过野外样地调
查获得; 气象站点观测数据选择天山区域海拔高度
相差不大的5个站点2001–2010年平均气温和降水量
数据, 站点由西向东依次为伊宁站(海拔663 m)、精
河站(海拔320 m)、乌苏站(海拔479 m)、石河子站(海
拔443 m)和奇台站(海拔794 m)(图1)。所有数据的汇
总与分析是通过数理统计分析软件SPSS 19.0进行
的。不同龄组对树木器官碳含量、生物量及土壤碳
密度的影响是通过单因素方差分析 (one-way
ANOVA)来完成的。
1.3 样地调查与室内分析
1.3.1 样地的布设
本文根据新疆气候、自然地理和植被类型空间
分布的实际情况, 采用网格法对新疆森林生态系统
进行野外调查样地的布设。首先将新疆划分为10
km × 10 km的网格, 其中覆盖新疆主要森林分布区
(乔木林分布区)的网格约210个, 而位于天山山脉雪
岭杉分布区的网格约70个; 然后根据天然林的林龄
状况、面积与蓄积权重等, 确定出幼龄林、中龄林、
近熟林、成熟林和过熟林4种龄组的样地数量总共为
70个; 最后, 综合考虑天山各林区的林业经营管理
强度、流域分布等情况, 确定出70个样地的位置分
布(表1; 图1)。所有调查样地面积均为800 m2 (28.3
m × 28.3 m), 样地优势树种为雪岭杉。
1.3.2 样地植被生物量及碳含量测定
在雪岭杉不同龄组样地分别调查每个样地内的
乔木、草本和凋落物生物量, 由于天山山地针叶林
大部分为雪岭杉纯林, 林下几乎无灌木和苔藓生长,
因此本研究不再调查林下灌木和苔藓层生物量。参
照国家林业局森林资源清查的操作规范①, 在自然
林中确定胸高直径(距离树干基部1.3 m处的直径)大
于5 cm (胸径(DBH) ≥ 5 cm)作为起测径阶, 测定
每个样地内所有DBH ≥ 5 cm的乔木的胸径和树
高, 应用雪岭杉的生物量方程②, 计算样地内每木
生物量及单位面积乔木层生物量(表2)。
同时, 在每个样地中随机设置3个1 m × 1 m的
样方, 测定草本层地上部分和地下根系生物量鲜质
量, 并收集样方中所有凋落物并称取鲜质量。取一
定数量的草本样和凋落物样在65 ℃烘干至恒质量,
计算单位面积草本和凋落物现存量。同时在部分样
地内随机采集一定数量的乔木样品(叶、枝、干、根)、

① 国家林业局森林资源管理司(2013). 国家森林资源连续清查主要技
术规定. 36–44.
② 森林固碳课题办公室(2014). 生物量估算方程(第一版). 中国科学院
战略先导性专项-应对气候变化的碳收支认证及其相关问题专项-中国森
林生态系统固碳现状、速率、机制和潜力课题, 51.
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许文强等: 天山森林生态系统碳储量格局及其影响因素 367

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表1 基于天山雪岭杉面积和蓄积确定的调查样地数量及其基本信息统计
Table 1 The number of sampling sites was determined based on forest type and the spatial distribution in the region
基于面积的统计
Forest area statistics
基于蓄积的统计
Forest accumulation statistics
龄组
Age group
林龄
Age
(a) 面积 Area
(×104 hm2)
比重
Proportion
(%)
面积 Area
(×104 hm2)
比重
Proportion
(%)
样地数量
No. of sites

平均胸径
Average
DBH (cm)
平均树高
Average tree
height (m)
平均林分密度
Average stand
density
(plants·hm–2)
幼龄林
Young forest
≤60 2.30 4.35 288 2.39 5 19.6 12.3 1 079
中龄林
Middle-aged forest
61–100 10.02 18.97 1 719 14.24 14 22.2 12.7 877
近熟林
Near-mature forest
101–120 12.58 23.81 2 712 22.47 13 21.2 13.1 750
成熟林
Mature forest
121–160 20.62 39.03 4 951 41.02 27 28.5 14.4 627
过熟林
Over-mature forest
≥161 7.32 13.84 2 400 19.88 11 28.8 14.7 364
合计 Total 52.84 100.00 12 070 100.00 70
所有样地优势树种均为雪岭杉。
Picea schrenkiana is the dominant species in all survey sites. DBH, diameter at breast height.


表2 雪岭杉生物量方程
Table 2 The allometric equations for estimating biomass of Picea schren-
kiana
树木器官
Tree organ
生物量异速生长方程
Biomass allometric equation
R2 胸径
Diameter at
breast height
(cm)
叶 Leaf WL = 0.0117(D2H)0.8304 0.998 5.0–123.5
枝 Branch WB = 0.0014(D2H)1.0972 0.998 5.0–123.5
干 Stem WS = 0.0375(D2H)0.928 0.998 5.0–123.5
根 Root WR = 0.0089(D2H)0.9695 0.998 5.0–123.5
D, 单株乔木胸径(cm); H, 单株乔木高度(m); WB, 乔木枝生物量(kg);
WL, 乔木叶生物量(kg); WR, 乔木根生物量(kg); WS, 乔木干生物量(kg)。
D, individual tree diameter (cm); H, individual tree height (m); WB, tree
branch biomass (kg); WL, tree leaf biomass (kg); WR, tree root biomass (kg);
WS, tree stem biomass (kg).


草本和凋落物样品, 带回室内烘干、粉碎并过100目
筛, 采用重铬酸钾-硫酸氧化法测定植被样品的有
机碳含量。
本文主要以野外样地调查数据估算天山雪岭杉
生态系统生物量, 但为了验证和比较估算结果的不
确定性, 亦采用换算因子连续函数法估算了单位面
积乔木层生物量, 计算公式为:
W = aV/S + b
式中 : W为优势树种的单位面积乔木层生物量
(Mg·hm–2), V为优势树种的森林蓄积(m3), S为优势
树种的森林面积(hm2), a和b均为参数。V和S的具体
数值参考2011年第六次新疆森林资源连续清查数
据。对天山雪岭杉而言, a和b值分别为0.464 2和
47.499 0 (方精云等, 1996)。
1.3.3 样地土壤容重及含碳量测定
在调查样地内选择1个未受人为干扰、植被结构
和土壤具有代表性的地段, 挖掘1个土壤剖面, 深度
为100 cm (不够100 cm的挖至基岩为止)。沿剖面按
0–10、10–20、20–30、30–50和50–100 cm分层, 用
环刀采集各层土壤, 带回实验室测定土壤容重; 同
时在每层采集土壤样品, 带回室内进行风干、研磨
并过筛, 采用重铬酸钾外加热法测定样品土壤有机
碳含量。
1.3.4 森林碳密度和碳储量的计算
根据雪岭杉生物量方程可计算得到所有调查样
地内乔木各器官生物量及乔木总生物量, 将其乘以
树木各器官的含碳率, 再累计相加, 得到样地乔木
碳密度, 进而推算出该优势树种乔木层单位面积碳
密度。
基于70个雪岭杉样地的调查资料, 获取草本及
凋落物层生物量, 乘以其含碳率得到草本和凋落物
层碳密度, 将乔木层碳密度、草本层碳密度和凋落
物层碳密度相加即得到植被碳密度, 再乘以森林面
积得到植被碳储量。
土壤碳密度由各层土壤容重、土层厚度、土壤
有机碳含量和直径大于2 mm的石砾所占体积百分
比相乘后累加得到, 土壤碳密度乘以土壤面积即为
土壤碳储量。
植被碳储量与土壤碳储量相加即为森林生态系
统碳储量。

式中, Dvi为第i个龄组植被碳密度(Mg·hm–2), Dsi为第
i个龄组土壤碳密度(Mg·hm–2), Ai为第i个龄组的森
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林面积(hm2), Ct为森林生态系统总碳储量(Tg C)。
2 结果和分析
2.1 天山雪岭杉生物量含碳率
天山雪岭杉乔木层各组分的含碳率在46.56%–
52.22%之间变化, 不同龄组对树木器官碳含量的影
响不显著(表3)。其中叶的含碳率相对较高, 干的含
碳率最低, 各组分含碳率由高到低依次为: 叶>枝>
根>干。整个地上部分生物量含碳率大小为: 乔木层
>凋落物层>草本层, 草本层和凋落物层含碳率较
低, 平均为41.96%。


表3 天山雪岭杉各组分含碳率统计(%)
Table 3 The carbon content of different organs by age group for Picea
schrenkiana
乔木层 Arbor 龄组
Age group 干
Trunk
枝
Branch
叶
Leaf
根
Root

草本层
Grass
凋落物层
Litterfall
幼龄林
Young forest
46.56 46.57 48.69 46.87 40.40 42.14
中龄林
Middle-aged forest
48.69 50.39 51.39 49.71 42.19 42.58
近熟林
Near-mature forest
49.22 51.39 52.22 49.83 42.54 41.83
成熟林
Mature forest
48.29 49.22 50.10 49.42 42.00 42.42
过熟林
Over-mature forest
48.12 48.64 49.90 49.12 41.13 42.40
平均值
Mean
48.17 49.24 50.46 48.99 41.65 42.27
F值 F value 0.65 0.83 0.87 0.41 0.32 0.65


许多研究在生物量与碳储量换算时没有进行生
物量的含碳率测定, 而是采用均一化的生物量含碳
率进行估算。目前国内外对各种树种常采用50%的生
物量含碳率来计量乔木层生物量的碳储量, 用45%
来计量林下植被(凋落物、草本等)的含碳率(Dixon &
Krankina, 1993; 方精云和陈安平 , 2001; IPCC,
2006)。从表3可知, 雪岭杉乔木层平均含碳率约为
49%, 林下植被的平均含碳率约为42%, 与国内外常
用的乔木层50%和林下植被45%的含碳率略有差异。
2.2 天山雪岭杉生态系统生物量及其分配
天山雪岭杉森林生态系统单位面积平均生物量
为187.98 Mg·hm–2, 其中乔木层生物量占生态系统
总生物量的98.93%, 凋落物层占0.73%, 草本层仅
占0.34%, 这主要是因为天山雪岭杉林分以纯林为
主, 森林郁闭度较高, 使得林下灌木和草本植被的
发育受到一定的抑制所致(中国林业科学研究院林
业研究所, 1986; 新疆维吾尔自治区林业厅, 1995;
苏宏新, 2005)。雪岭杉不同龄组对乔木干、枝和根
生物量的影响显著(p < 0.1)。在乔木层生物量分配方
面, 各层平均生物量大小顺序为: 干>根>枝>叶。从
各龄组来看, 成熟林生态系统生物量最高, 其余依
次为中龄林>近熟林>过熟林>幼龄林(表4)。
2.3 天山雪岭杉生态系统碳密度与碳储量
天山雪岭杉生态系统土壤平均碳密度为452.00
Mg·hm–2, 其中成熟林和过熟林土壤碳密度最高。从
剖面不同深度土壤平均碳密度来看, 0–10 cm深度土
壤平均碳密度占整个剖面的22.22%, 0–30 cm占
52.36%, 0–50 cm占72.23% (表5), 说明大部分土壤
碳储存在剖面50 cm深度内。
天山雪岭杉生态系统平均碳密度为544.57 Mg·
hm–2, 其中植被平均碳密度为92.57 Mg·hm–2, 为生
态系统碳密度的17%, 土壤平均碳密度为452.00
Mg·hm–2, 为生态系统碳密度的83% (表6)。这主要
是因为森林通过凋落物把大量有机质、氮素及各种
微量元素归还于土壤, 由于天山中山森林带海拔较
高, 气温较低, 导致土壤微生物活性较低, 森林凋
落物的分解作用相对减弱, 使得土壤腐殖质的积累


表4 天山雪岭杉森林生态系统单位面积生物量(Mg·hm–2)
Table 4 Distribution of biomass in Picea schrenkiana forests in Tianshan Mountains (Mg·hm–2)
乔木层 Arbor 龄组
Age group
干 Trunk 枝 Branch 叶 Leaf 根 Root
草本层
Grass
凋落物层
Litterfall
生态系统
Ecosystem
幼龄林 Young forest 86.03 17.70 10.42 30.72 0.69 1.21 146.77
中龄林 Middle-aged forest 116.65 25.81 13.33 42.32 0.62 0.97 199.71
近熟林 Near-mature forest 112.36 22.29 13.62 40.03 0.44 1.68 190.41
成熟林 Mature forest 133.55 29.11 15.31 48.70 0.63 1.43 228.74
过熟林 Over-mature forest 100.47 23.17 11.11 37.18 0.75 1.59 174.27
平均值 Mean 109.81 23.62 12.76 39.79 0.63 1.38 187.98
F值 F value 2.07* 2.19* 1.89 2.11* 0.96 0.50
* p < 0.1。
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表5 天山雪岭杉生态系统不同剖面深度土壤碳密度统计(Mg·hm–2)
Table 5 Changes in soil carbon density in different depths of Picea schrenkiana forest (Mg·hm–2)
龄组 Age group 0–10 cm 10–20 cm 20–30 cm 30–50 cm 50–100 cm 合计 Total
幼龄林 Young forest 111.60 73.93 54.81 89.23 120.76 450.33
中龄林 Middle-aged forest 93.24 68.37 74.15 73.92 107.63 417.31
近熟林 Near-mature forest 89.48 70.45 55.79 67.02 87.18 369.92
成熟林 Mature forest 96.50 73.20 61.84 110.81 140.05 482.39
过熟林 Over-mature forest 111.30 78.80 69.88 108.00 172.07 540.05
平均值 Mean 100.42 72.95 63.29 89.80 125.54 452.00
F值 F value 0.76 0.45 0.31 0.64 1.35



表6 天山雪岭杉生态系统碳密度和碳储量
Table 6 Carbon density and carbon storage of Picea schrenkiana forests in Tianshan Mountains
碳密度 Carbon density (Mg·hm–2) 碳储量 Carbon storage (Tg C ) 龄组
Age group 植被 Vegetation 土壤 Soil 生态系统 Ecosystem 植被 Vegetation 土壤 Soil 生态系统 Ecosystem
幼龄林 Young forest 69.12 450.32 519.45 1.59 10.34 11.93
中龄林 Middle-aged forest 99.82 417.31 517.12 10.01 41.83 51.83
近熟林 Near-mature forest 96.29 369.92 466.21 12.12 46.55 58.66
成熟林 Mature forest 112.53 482.39 594.91 23.20 99.47 122.68
过熟林 Over-mature forest 85.12 540.04 625.16 6.23 39.51 45.73
平均值 Mean 92.57 452.00 544.57 10.63 47.54 58.17
合计 Total 53.14 237.70 290.84


作用增强(新疆维吾尔自治区林业厅, 1995; Reich-
stein et al., 2000; Drewnik, 2006), 因此在高海拔的
天山中山森林带土壤碳密度较高。
天山雪岭杉生态系统碳储量为290.84 Tg C, 其
中植被碳储量为53.14 Tg C, 土壤碳储量为237.70
Tg C, 土壤碳储量是植被碳储量的4.47倍。其中成
熟林、近熟林和中龄林碳储量较大, 过熟林和幼龄
林碳储量较小, 且不同龄组间植被和土壤碳储量差
异较大(表5)。研究显示全球森林生态系统平均土壤
碳库是植被碳库的 2.19倍 , 且在高纬度区域
(50°–70° N)可达5.35倍(杨洪晓等, 2005); 我国王新
闯等(2011)计算的吉林省森林生态系统土壤碳储量
是植被碳储量的2.72倍, 高阳等(2014)计算的宁夏
回族自治区森林生态系统土壤碳储量是植被碳储量
的8.76倍, 新疆天山雪岭杉生态系统土壤碳储量是
植被碳储量的4.47倍, 说明土壤碳库是森林生态系
统碳库的主体, 该结论与相关研究结果一致。
2.4 天山雪岭杉生态系统碳密度分布格局
天山中山带发育的山地针叶林是干旱区典型
的森林类型, 其分布具有明显的“同构模式” (张百
平等, 2003), 即在天山东西长约1 300 km的中山带
仅发育以雪岭杉为建群种的针叶林, 其分布的连续
性没有被天山东部、中部及西部的不同气候、地形、
土壤影响下的水热组合条件所打破, 但其对天山森
林生态系统碳密度和格局的影响较为明显。在天山
北坡从西向东分别估算伊犁、乌苏、玛纳斯、阜康
和奇台林区内所有样地的植被和土壤碳密度(表7),
结果显示雪岭杉生态系统碳密度分布格局为西高东
低, 即伊犁林区植被和土壤碳密度最高, 其次为玛
纳斯、阜康和奇台林区, 乌苏林区最低, 这与各林区
温度、降水和地形影响下的水热组合条件密切相关
(陈曦等, 2008; Xu et al., 2011)。天山各林区植被碳
密度占生态系统碳密度的比例为17.21%, 相关研究
显示宁夏地区青海云杉林植被碳密度占生态系统总
碳密度的比例为21.58% (高阳等, 2014), 高于天山
雪岭杉林, 即土壤碳密度占整个生态系统碳密度的
比例大, 这与天山中山带所处的高海拔和低气温环
境有直接关系。
3 结论和讨论
3.1 天山森林生态系统固碳差异的影响因素分析
天山山脉东西跨度达1 300 km, 在其广阔的水
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370 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2016, 40 (4): 364–373

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表7 天山从西到东不同林区植被和土壤碳密度分布
Table 7 Vegetation and soil carbon density of the spruce forests from the west to the east in Tianshan Mountains
林区
Forest district
植被碳密度
Vegetation carbon density
(Mg·hm–2)
所占比重
Proportion (%)
土壤碳密度
Soil carbon density
(Mg·hm–2)
所占比重
Proportion (%)
总碳密度
Total carbon density
(Mg·hm–2)
伊犁 Ili 124.61 16.74 619.98 83.26 744.59
乌苏 Usu 68.16 17.05 331.57 82.95 399.72
玛纳斯 Manas 96.16 14.83 552.37 85.17 648.53
阜康 Fukang 85.65 18.23 384.08 81.77 469.73
奇台 Qitai 88.32 19.19 372.01 80.81 460.32
平均值 Mean 92.58 17.21 452.00 83.79 544.57


平和垂直分布范围内, 气候、地形地貌、土壤等环
境因素差异悬殊, 虽然中山带针叶林优势树种均为
单一的雪岭杉(仅最东部的巴里坤林区出现了小面
积的雪岭杉和西伯利亚落叶松混交林), 但从东到
西, 其森林生态系统固碳差异明显(表7)。天山东段
哈密—巴里坤林区受到蒙古西伯利亚反气旋干燥寒
冷气团的侵袭, 降水稀少, 气温变化剧烈, 针叶林
分布面积较小, 林型为草类-云杉落叶松林, 森林生
产力较低, 其林下土壤类型为山地石灰性灰褐色森
林土亚类, 有机碳含量较低, 因此其森林生态系统
碳密度较低; 天山中段玛纳斯、阜康、奇台林区受
干燥寒冷气团影响略小, 而北冰洋冷湿气流影响显
著增加, 因而较天山东段湿润, 尤其是玛纳斯林区
山势高大, 山体宽阔, 年降水量可达600 mm, 林型
为草类-藓类-云杉林, 森林生产力较高, 其林下土
壤类型为山地普通灰褐色森林土亚类, 有机碳含量
较高, 因此其森林生态系统碳密度亦较高; 天山西
段伊犁地区的地形特点是山体呈喇叭口状向西敞
开, 受地形抬升作用的影响易于截获大量来自大西
洋的暖湿气流, 使得中山森林带降水量丰富, 针叶
林生长茂密, 林型为鳞毛蕨-藓类-云杉林, 森林生
产力最高, 林下土壤类型为山地淋溶灰褐色森林土
亚类, 有机碳含量很高, 故其雪岭杉生态系统碳密
度最大(中国林业科学研究院林业研究所, 1986; 新
疆维吾尔自治区林业厅, 1995; 苏宏新, 2005; Xu et
al., 2011)。因此, 天山从东段到西段的地形地貌、
气候等环境因素具有明显的差异, 总体上表现出西
优东劣的特点。图2为天山区域气象站点2001–2010
年平均气温和降水量变化图, 其变化趋势与不同区
域森林碳密度变化具有很好的一致性。同时, 天山
雪岭杉林带垂直宽度(即森林上限和下限海拔高度
之差)的变化即是对不同林区气候、地形地貌、土壤


图2 天山区域不同经度气象站点2001–2010年平均气温和
降水量变化图。
Fig. 2 The mean air temperature and precipitation in five
locations in Tianshan Mountains during 2001–2010.




图3 天山区域气象要素变化及不同林区森林碳密度与林带
垂直宽度的关系。
Fig. 3 The empirical relationship between forest carbon den-
sity and vertical belt width of the forest district in Tianshan
Mountains.


等环境因素影响结果的综合体现, 图3为天山不同
林区森林碳密度与林带垂直宽度的关系图, 二者相
关性很高, R2值达0.90。
总之, 天山雪岭杉生态系统碳密度分异与不同
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许文强等: 天山森林生态系统碳储量格局及其影响因素 371

doi: 10.17521/cjpe.2015.0235
林区林带垂直宽度变化具有很高的相关性, 其生态
系统碳密度西高东低的分布格局和它所处的环境因
子西优东劣的变异是相一致的, 即不同的环境因素
组合是造成天山雪岭杉生态系统碳密度差异的主要
原因。
3.2 乔木层生物量估算结果的不确定性分析
1979年张瑛山等(1980)在天山中部首次测量了
雪岭杉近熟林地上部分生物量(包括干、皮、叶和枝),
结果显示雪岭杉近熟林地上部分平均生物量为
177.46 Mg·hm–2。本文样地调查数据显示近熟林地
上部分平均生物量 (包括干、枝和叶 )为148.27
Mg·hm–2, 略低于张瑛山等(1980)的研究结果。王燕
和赵士洞(1999)选择天山木垒林场为研究区、苏宏
新(2005)选择天山伊吾、阜康、小渠子和伊犁林区
分别对雪岭杉森林生态系统生物量进行了研究, 结
果分别为216.17 Mg·hm–2和207.89 Mg·hm–2, 均高于
本文的研究结果187.98 Mg·hm–2; 本文也应用转换
因子连续函数法(方精云等, 1996)估算了雪岭杉乔
木层生物量, 结果为147.81 Mg·hm–2, 低于本文通
过样地调查法得到的生物量185.97 Mg·hm–2。与本
文研究结果相比, 其他研究结果估算差异最大约为
本文研究结果的±20%, 这可能与不同研究选择调
查样地的代表性有关。大多研究只针对天山针叶林
某一林区开展, 其研究数据难以应用到所有林区;
而本研究针对整个天山雪岭杉布设多达70个样地,
样地数量分配考虑了区内各森林类型及其龄组的面
积和蓄积, 具有显著的代表性, 研究结果的不确定
性较小。
3.3 天山雪岭杉生态系统碳储量在新疆的地位
由于不同学者所采用的估算方法不同, 因此对
森林植被碳储量的估算结果差异较大。郭兆迪等
(2013)估算的新疆森林植被碳库为117.8 Tg C, 占全
国植被碳库的1.7%; 吴庆标等(2008)估算的新疆森
林植被碳库为116.21 Tg C, 占全国植被碳库的
2.2%; 方精云和陈安平(2001)估算的新疆森林植被
碳库为73.53 Tg C, 占全国植被碳库的1.53%; 王效
科等(2001)基于文献检索方法估算的新疆森林生态
系统植物碳储量为66.64 Tg C, 占全国植被碳库的
2.0%。本研究没有估算新疆全部植被的碳储量, 仅
对天山雪岭杉植被碳储量进行了估算, 结果为53.14
Tg C, 若分别以新疆植被碳库估算最高的郭兆迪等
(2013)和碳库估算最低的王效科等(2001)的研究结
果为基础的话, 天山雪岭杉碳储量占新疆全部森林
植被碳储量的比例分别为45.1%和79.7%, 与天山雪
岭杉森林蓄积量占新疆的35.9%相比, 雪岭杉森林
植被碳储量比例偏高。
基金项目 中国科学院战略性先导科技专项
(XDA05050202)和国家自然科学基金(41271323)。
致谢 感谢新疆林业科学院和新疆维吾尔自治区
各县市林业部门在野外采样调查工作中的支持和配
合。
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特邀编委: 杜 盛 责任编辑: 王 葳



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