全 文 ：中国生态农业学报 2009年 7月 第 17卷 第 4期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, July 2009, 17(4): 756−759


* 河北省林业局科技计划项目(053301)资助
收稿日期: 2008-12-05 接受日期: 2009-03-12
DOI: 10. 3724/SP.J.1011.2009.00756
华北落叶松人工林碳汇功能的研究*
杜红梅 1,2 王 超 3 高红真 3
(1. 河北农业大学 保定 071001；2. 河北省林业局 石家庄 050081；3. 河北省林业科学研究院 石家庄 050061)
摘 要 以河北省木兰林管局 14~59 年生华北落叶松人工林为对象, 研究树木不同器官和林分不同组分水平的生
物量与碳储量。结果表明, 华北落叶松树干碳储量在树木总储量中所占比重最大, 林地土壤和林木碳储量所占林分
碳储量的比重最大。华北落叶松人工林林分碳密度为平均 206.02 t·hm−2；林木碳密度为 27.58 t·hm−2, 林地土
壤碳密度为 157.14 t·hm−2。以林木蓄积量(M)为基础的林木生物量(W)与碳储量(C)的拟合方程为：W =10.210 1+
0.732 1M, C=5.188 4+0.373 6M；以林龄(A)和优势木平均高(H)为基础的林地土壤碳密度(Soc)拟合方程为：
Soc=−24.635 6−5.606 1A+14.936 0H+0.439 8AH。在此基础上计算得出, 木兰林管局华北落叶松人工林总碳储量约为
571.43×104 t, 其中林木生物量约 150.00×104 t、碳储量约为 76.49×104 t, 土壤碳储量约 435.85×104 t。
关键词 华北落叶松 人工林 碳汇 碳储量 碳密度 生物量
中图分类号: S718; Q948 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2009)04-0756-04
Carbon-sink function of artificial Larix principis-rupprechtii plantation
DU Hong-Mei1,2, WANG Chao3, GAO Hong-Zhen3
(1. Hebei Agriculture University, Baoding 071001, China; 2. Forestry Bureau of Hebei Province, Shijiazhuang 050081, China;
3. Hebei Academy of Forestry Science, Shijiazhuang 050061, China)
Abstract Plantations of 14~59-year old Larix principis-rupprechtii in Mulan Forest Farm of Hebei Province were selected and
both biomass and carbon storage in the tree organs and the components of the plantation analyzed. Carbon storage in the stem of L.
principis-rupprechtii forms the highest proportion of the plant total carbon storage. The proportions of carbon storage of soil and
trees are highest in the plantation. L. principis-rupprechtii carbon density is 206.02 t·hm−2, while those of the trees and soils are
27.58 t·hm−2 and 157.14 t·hm−2 respectively. The fitted equations for carbon storage (C) and forest biomass (W) at growth stock
(M) are W = 10.210 1 + 0.732 1M, C = 5.188 4+0.373 6M. That for soil carbon density (Soc) at forest age (A) and dominant tree av-
erage height (H) is Soc = −24.635 6−5.606 1A + 14.936 0H + 0.439 8AH. Accordingly, total carbon storage in Mulan Forest farm is
571.43×104 t, basic tree biomass and carbon storage are 150.00×104 t and 76.49×104 t respectively, while soil carbon storage is
435.85×104 t.
Key words Larix principis-rupprechtii, Artificial plantation, Carbon sink, Carbons storage, Carbon density, Biomass
(Received Dec. 5, 2008; accepted March 12, 2009)
自工业革命以来, 全球大气中 CO2、CH4和N2O
等温室气体浓度显著增加 , 其中 CO2 浓度已从工
业化前约 280 mL·m−3 增加到了 2005 年的 379
mL·m−3, 温室效应引起全球性的气候变化受到各
国的普遍关注[1]。1997 年《京都议定书》以法律的
形式规定了工业化国家分阶段的温室气体减少排放
限额, 2001 年达成的《波恩政治协定》同意实施环
境清洁发展机制(CDM)林业碳汇项目[2,3]。森林作为
陆地生态系统的主体, 通过光合作用将 CO2 生成有
机物而固定碳, 除去自身的呼吸消耗、植食者啃食、
枯落物分解、林木采伐和灾害损失外, 有机碳储存
在现存生物量、枯落物和林地土壤有机质中。森林
的碳汇功能作为减少空气中温室气体浓度, 减缓全
球温室效应的重要途径, 已经成为环境与林业科技
工作者研究的热点问题[4−6]。由于森林具有丰富多样
的植被类型、地貌及土壤性状, 碳密度在空间与时
间尺度上表现出剧烈波动, 因此精确地基于小区域
尺度的森林碳汇量评估, 对于准确评价区域与全球
尺度的森林碳汇量, 实施 CDM 碳汇项目及碳贸易
具有关键性的基础作用。但已有的研究多注重大尺
第 4期 杜红梅等: 华北落叶松人工林碳汇功能的研究 757


度评价[4,7]或植被地上部分的生物量与碳储量[8,9]；作
为林分尺度的研究, 由于取样困难而多通过经验模
型推导, 土壤的研究资料则更少。华北落叶松(Larix
principis-rupprechtii Mayr.)是华北地区高山林带人
工造林的主要树种, 本文在对林分生物量、枯落物
生物现存量与土壤有机质调查的基础上, 对该地区
华北落叶松人工林的碳汇功能进行了初步研究。
1 研究区概况与研究方法
1.1 研究区概况
研究区所在的河北省木兰林管局位于河北省围
场满族蒙古族自治县境内, 属阴山、大兴安岭、燕
山余脉的汇接地带, 为滦河上游地区, 地理坐标为
北纬 41°35′~42°40′, 东经 116°32′~117°14′, 海拔高
度 750~1 800 m。属半干旱向半湿润过渡、寒温带向
中温带过渡地带, 大陆性季风型山地气候, 无霜期
67~128 d, 年平均气温−1.4~4.7 ℃ ,极端最高气温
38.9 ℃, 极端最低气温−42.9 ℃, 年均降水量 380~
560 mm, 主要集中在 7~9月。
华北落叶松人工林在研究区多分布在海拔
800~1 800 m山地阴坡、半阴坡, 以纯林为主；林分
郁闭度高, 林下植被稀少, 主要有披针叶苔草(Carex
lanceolata Boott.)、土庄绣线菊 (Spiraea pubescens
Turcz)、小叶鼠李(Rhamnus parvifola Beg.)等, 伴生
有少量油松(Pinus tabulaeformis Carr.)、白桦(Betula
platyphylla Suk.)等树种。土壤以山地棕壤、灰色森
林土、褐土与高山草甸土为主, 土层厚度为 30~120
cm, pH 6.0~7.0, 质地从黏质到沙质。
1.2 研究方法
根据木兰林管局的林分资源特点, 分林龄、林
木密度、土壤、坡向与坡位共选取 14~49 年生落叶
松标准地 24块。野外生物量调查采用标准地法。标
准木通过每木检尺与树高测量, 绘制树高曲线；选
取平均标准木 1 株, 实测各器官(干、枝、叶、根)
的生物量鲜重并取样, 按 2 m区分段实测树干蓄积；
枯落物、草本植物按对角线每个标准地内设 5个 1 m2
样方称鲜重并取样, 灌木设 5个 2 m×2 m样方称鲜
重并取样；土壤有机质按对角线法每个样地内选取
5个土壤剖面, 以挖到母质层为止, 按 20 cm机械分
层, 用环刀测定容重, 并取样用于测定土壤有机质。
所取树木的鲜样 85 ℃烘干, 计算生物量总干重, 并
按含碳率树干(含皮)50.29%、枝 51.00%、叶 51.07%、
根 53.37%、灌 49.87%、草 45.00%、枯落物 51.07%、
木质残体(根桩)53.37%[10,11]计算含碳量。土壤有机碳
采用重铬酸钾法测定。试验数据采用 DPS 系统软件
分析。
2 结果与分析
2.1 华北落叶松林木生物量及分配
林木生物量是树木多年生长的营养积累, 调查
分析表明, 华北落叶松林木的生物量总体上表现为
随林龄、胸径增加而增加, 且与胸径显著相关(图 1)。
标准木不同器官生物量占总生物量的比例为：树干
60.56%(43.51%~70.51%)、根 18.03%(13.60%~26.15%)、
枝 14.43%(6.13%~25.12%)、叶 6.98%(1.94%~17.46%),
树干＞根＞枝＞叶。虽叶生物量所占比重最小, 但
每年有大约 6%左右的生物量随叶凋落到达地表层
并进一步向土壤中转化, 是凋落层生物现存量与土
壤有机质重要的来源。
2.2 华北落叶松林木碳储量及分配
林木的碳储量由林木生物量与含碳率所决定 ,
虽然不同林木器官的含碳率不同 , 但差异(<7%)较
小, 因此林木碳储量同样表现出随林龄与胸径增加
而增加。不同器官的碳贮量也主要由其生物量所决
定。华北落叶松不同器官碳储量占树木总碳储量的
比例为：树干 59.19%(42.88%~66.17%)、根 18.86%
(13.75%~27.23%)、枝 4.43%(6.11%~19.67%)、叶
6.99%(1.95%~12.17%), 树干＞根＞枝＞叶。由于树
干是林木最稳定、保存最长久的器官, 因此树干所
固定的碳是最稳定的部分, 枝、叶、根所固定的碳
较树干而言分解较快, 但部分有机碳会进入土壤而
长期固定下来。


图 1 华北落叶松人工林林木生物量随林龄(a)和胸径(b)的变化
Fig. 1 Dynamics of trees biomass of artificial L. principis-rupprechtii plantation with forest age（a）and bread-height diameter (b)
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2.3 华北落叶松人工林林分组分碳储量的分配
林分有机碳储存于林木、地被灌草、地表枯落
物、土壤与木质残体中, 林分中不同组分碳储量占林
分总碳储量的比例为：林木 21.45%(8.67%~50.82%)、
土壤 73.91%(43.47%~88.80%)、地表枯落物 4.02%
(1.44%~10.31%)、灌木 0.016%(0~0.19%)、草本植物
0.17%(0~0.77%)、木质残体 0.44%(0~2.21%)。可见
在华北落叶松人工林中林木与土壤是储存有机碳最
主要的组分, 灌木、草本植物所占比例很小, 野外调
查与测算中可忽略不计, 地表枯落物与木质残体所
占比重较高, 应予以重视。
2.4 华北落叶松人工林的 BEF总生物量
生物量转换因子法(BEF)是利用林分生物量与
林木蓄积比值的平均值乘以该森林类型的总蓄积量
得到该类型森林的总生物量的方法。森林资源清查
资料包括各树种的面积和蓄积量, 但是却无法给出
它们的生物量值。林分立木蓄积量综合反映了林龄、
立地、个体密度和林分状况等因素的变化, 同时树
干的材积与其他器官的生物量存在很强的相关关系,
利用树干材积推算森林总生物量是可行的[12]。本调
查结果表明, 华北落叶松人工林的生物量与蓄积量
比值, 即生物量转换因子(BEF)在 0.741 6与 1.093 5
之间, 平均 0.870 0(图 2)。


图 2 华北落叶松人工林生物量转换因子(BEF)
随林龄的变化
Fig. 2 Dynamics of Biological Exchange Factor (BEF) of
L. principis-rupprechtii plantation with forest age

2.5 华北落叶松人工林林木蓄积量、生物量与碳储
量的关系
华北落叶松人工林林分生物量(W)、碳储量(C)
与蓄积量(M)三者存在明显的线性关系(图 3), 这与
已有的研究提出的生物量与蓄积量间存在线性关系
相符[13], 因此以蓄积量为基础建立生物量与碳储量
估测模型：
W=10.210 1+0.732 1M, R2=0.976 7, n=24 (1)
C=5.188 4+0.373 6M, R2=0.976 9, n=24 (2)

图 3 华北落叶松人工林林木蓄积量、生物量与
碳储量的关系
Fig. 3 Growing stock, tree biomass and carbon storage of
L. principis-rupprechtii plantation

从图 3 可知, 林分碳储量的变化幅度较大, 同
林木蓄积量、林木生物量、林木碳储量的关联并不
紧密, 这是由于林分碳储量主要受林木与土壤有机
碳的影响, 而土壤碳储量并非完全受现有林的影响,
而受到土壤类型、厚度、质地、坡位以及林地经营
历史、气候等因素的影响。
2.6 华北落叶松人工林土壤碳密度
土壤碳库是陆地生态系统中最大最活跃的碳库
之一, 是全球碳循环的核心[14]。森林生态系统相对
于其他生态系统如草地、农田等, 土壤有机质含量
较高, 是重要的碳汇。但我国土壤固碳的资料较少,
目前多见于农业[15]。在林分各组分中, 土壤碳储量
(Soc)是林分碳储量最重要的组成部分, 占总碳储量
的 50%~80%[11]。本次调查表明华北落叶松人工林土
壤层厚度变化在 30~120 cm, 这与通常采用 1.0 m的
深度进行估测有较大的差距；土壤有机碳密度主要
由有机质含量决定, 不同林地间的有机质含量差异
较大, 碳密度对土壤碳储量的影响大于土壤层厚度
与容重, 同一土壤剖面中有机碳分布随深度的增加
而减小。由于土壤中有机碳主要存在于土壤有机质
中 , 而土壤有机质是林地地位级的主要影响因素 ,
林木优势木平均高则是反映林地地位级最易测定的
林分因子, 因此以林龄(A)和 3 株优势木平均高(H)
建立土壤有机碳(Soc)拟合方程：
Soc=−24.635 6−5.606 1A+14.936 0 H + 0.439 8AH
R2=0.994 3, F=1 158.100 6＞F0.01(2,24)=5.61, n=24 (3)
土壤有机质含量对林分碳储量影响很大, 减少
人类干扰, 提高森林经营水平, 促进凋落物向土壤
有机质转换是提高林地碳储量的重要途径之一。
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2.7 华北落叶松人工林碳密度估测
林分碳储量的测定涉及大量林分因子野外测定
与室内化验, 通过已有森林调查数据建立转换模型
进行碳储量估测是可行的。本次研究选取与碳密度
关系紧密的林龄(A)、林木密度(N)、平均胸径(D)、
平均树高(h)、林木优势木平均高(H)与郁闭度(S)共 6
项常规林分因子, 进行数据拟合建立林地碳密度(C)
估测模型：
C=420.243 9−47.382 0H−0.002 3AN+0.001 2ND+
1.445 2hH R2=0.867 2** (4)
C=150.247 1−0.002 4AN−1.334 0AH+19.829 4AS +
0.000 9ND−0.009 5Nh +0.082 0N2+2.974 7hH−
37.840 9HS R2=0.924 8 (5)
模型在 0.01 水平下显著, 因此针对某一具体林
型通过常规林分因子预测碳密度是可行性的。
2.8 木兰林管局华北落叶松人工林碳汇功能评价
本次调查及通过模型估测, 木兰林管局华北落
叶松人工林林分碳密度为 67.16~444.19 t·hm−2, 平
均 206.02 t·hm−2, 是重要的碳汇。林木碳密度
13.82~82.03 t·hm−2, 平均 40.55 t·hm−2。按现有林
木平均蓄积量 59.925 m3·hm−2计算, 林木平均碳密
度为 27.58 t·hm−2, 这低于方精云估算的 1981~2000
年全国森林植被的平均碳密度(41.0 Mg·hm−2)[7], 与
陈遐林计算的华北地区华北落叶松林木平均碳密度
(21.84 t·hm−2)接近 [11]。林地土壤碳密度 29.19~
205.82 t·hm−2, 平均 157.14 t·hm−2, 这远超出通常
使用的 Dupouey(1991年)的换算系数 70 t·hm−2。但
本次研究也表明即使林龄相同的林分, 不同林分碳
密度、林木碳密度与土壤碳密度仍存在较大差异 ,
因此提高林分的碳汇能力应加强经营水平, 提高林
木蓄积, 改善立地条件, 促进枯落物向土壤有机质
转化。
木兰林管局现有华北落叶松人工林 2.77×104
hm2, 林木蓄积 166.21×104 m3。采用以上研究结果
推算的总碳储量约为 571.43×104 t, 其中林木生物
量约 150.00×104 t、碳储量约为 76.49×104 t、土壤
碳储量约 435.85×104 t。
3 结论与讨论
森林碳汇功能评估通过森林生物现存量的实地
调查仍存在较大的误差, 林地蓄积、土壤有机质含
量、土壤厚度和石砾含量、枯落物存量、不同植被
与器官的含碳率变化等多方面因素影响有机碳的储
量, 因此实施具体的碳汇项目落实到小班才是较可
靠的评估方法。
林木不同器官生物量排序为干＞根＞枝＞叶 ,
树干生物量积累最多；碳储量排序同样为干＞根＞
枝＞叶, 树干是有机碳储存最多的部分。林分有机
碳主要存在于土壤与林木中, 尤其是土壤碳储量占
林分总碳储量的比重最大, 枯落物中有机碳也占有
较大的比重, 其他组分相对较少。
林木碳储量、林木生物量、林木蓄积量间存在
明显的线性关系, 以林木蓄积量为基础建立林木生
物量与林木碳储量估测模型是可行的。土壤碳储量
是林地最重要的汇, 土壤碳密度可通过林龄、优势
木平均高建立估测模型。华北落叶松林分碳储量通
过常规测树因子建立估测模型是可行的, 但因子的
选择与拟合方法有待进一步研究, 并且需要大量实
测数据的支持。
木兰林管局华北落叶松林分碳密度平均值为
206.02 t·hm−2, 其中林木碳密度平均值为 40.55
t·hm−2、林分土壤碳密度平均值为 157.14 t·hm−2,
总碳储量约为 571.43×104 t , 是重要的碳汇。
参考文献
[1] 水利部应对气候变化研究中心. 气候变化权威报告—IPCC
报告[J]. 中国水利, 2008 (2): 38−40.
[2] 毕君 , 冯小军 , 姚章军 . 京都协议下的森林碳汇(CDM 造
林、再造林)项目及其前景与对策[J]. 河北林业科技, 2005
(5): 35−36
[3] 张维成, 田佳, 王冬梅, 等. 基于全球气候变化谈判的森林
碳汇研究[J]. 林业调查规划, 2007, 32(5): 18−22
[4] 王效科 , 冯宗炜 , 欧阳志云 . 中国森林生态系统的植物碳
储量和碳密度研究[J]. 应用生态学报, 2001, 12(1): 13−16
[5] 何英 . 森林固碳估算方法综述 [J]. 世界林业研究 , 2005,
18(1): 22−27
[6] 方精云, 刘国华, 朱彪, 等. 北京东灵山三种温带森林生态
系统的碳循环[J]. 中国科学 D 辑: 地球科学, 2006, 36(6):
533−543
[7] 方精云, 郭兆迪, 朴世龙, 等. 1981-2000 年中国陆地植被
碳汇的估算[J]. 中国科学 D 辑 : 地球科学 , 2007, 37(6):
804−812
[8] 焦燕 , 胡海清 . 黑龙江森林植被碳储量及其动态变化 [J].
应用生态学报, 2005, 16(12): 2248−2252
[9] 赵海珍, 王德艺, 张景兰, 等. 雾灵山自然保护区森林的碳
汇功能评价[J]. 河北农业大学学报, 2001, 24(4): 43−47
[10] 马钦彦, 陈遐林, 王娟, 等. 华北主要森林类型建群种的含
碳率分析[J]. 北京林业大学学报, 2002, 24(5): 96−100
[11] 陈遐林. 华北主要森林类型的碳汇功能研究[D]. 北京: 北
京林业大学, 2003: 36−40, 80−90
[12] 张坤. 森林碳汇计量和核查方法研究[D]. 北京: 北京林业
大学, 2007: 10−13
[13] 孙玉军, 张俊, 韩爱志, 等. 兴安落叶松(Larix gnelini)幼中
龄林的生物量与碳汇功能 [J]. 生态学报 , 2007, 27(5):
1756−1762
[14] 王树涛, 门明新, 刘微, 等. 农田土壤固碳作用对温室气体
减排的影响[J]. 生态环境, 2007, 16(6): 1775−1780
[15] 方华军 , 杨学明 , 张晓平 . 农田土壤有机碳动态研究进展
[J]. 土壤通报, 2003, 34(6): 562−568