极端干旱对美国德州东部国家森林碳储量的影响及其固碳速率的研究

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利用美国德克萨斯州东部四个国家森林(National Forest)264个连续调查的FIA森林清查项目的样地数据(The Forest Inventory and Analysis),使用非线性模型和单因素方差分析,研究了四个国家森林(National Forest)的264个样地四次清查周期中(2001—2019年)森林碳储量的动态变化,并分析了其在2011年特大干旱前后清查周期水平和年度水平上树木碳损失的变化及其影响因素(林地起源、树木种组、胸径、树高、纬度和海拔),以及碳储量对极端干旱的响应。以FIA调查的碳储量作为Fire and Fuels Extension to the Forest Vegetation Simulator(FVS-FFE)模型参数,模拟国家森林264个样地未来100年(2020—2120年)在自然情景(无疏伐处理,即对照)和不同疏伐强度处理后树木碳储量的动态变化。包括:强度疏伐(cut55%)、中强度疏伐(cut40%)、中度疏伐(cut25%)和轻度疏伐(cut10%)。分析不同情景下树木的生长情况及其碳储量的变化特征,旨在为德州东部国家森林及类似森林类型的可持续经营提供参考。主要结论如下:德州东部的四个国家森林在2001—2019年间的四次森林清查的总碳储量分别为1112.79 t、1168.12 t、1236.17 t和1287.34 t,碳密度分别为61.53 t/hm~2、65.75 t/hm~2、69.57 t/hm~2和72.45 t/hm~2。国家森林第8和第9次清查之间(8—9周期)死树碳储量明显增加,碳损失量为78.3 t,是第7和第8次清查之间(7—8周期)碳损失量的2.8倍,表现出由于干旱导致森林碳储量降低。其中,松属树木碳损失最小(5.2%),具有较强的耐旱性;较人工林(2.9%)而言,天然林树木的碳损失较大(7.4%);低纬度(7.3%)和低海拔(7.1%)的林分树木碳损失较高;树高≤15 m(7.9%)和2.54 cm≤胸径<12.7 cm(18.7%)的树木碳损失较大,反而高大的树木碳损失较小。活树碳储量与林龄、基面积和林分密度呈正相关,随林龄的增加而增加;死树碳储量与林龄呈负相关,与基面积呈正相关,与林分密度不相关。在不同森林类型中,松树林是德州东部的四个国家森林碳储量的主要贡献者,占总碳储量的比例最大(约73.2%),且受2011年特大干旱影响较小,碳损失率最低。碳损失与干旱强度之间关系显著,随干旱强度增加碳损失有加大的趋势。揭示了国家森林碳储量变化规律和影响固碳的因素,对可持续经营管理具有重要的意义。FVS-FFE模型模拟结果,未来100年国家森林碳储量预计有60.99 t/hm~2的增长潜力,平均固碳速率为0.61 t/hm~2·a-1,碳损失率为0.55%,各森林类型均表现出较强的固碳能力,其中榆树-白蜡树-杨树(0.84 t/hm~2·a-1)固碳速率最大,橡树-枫香-落羽杉、橡树-山核桃、松树林和松栎混交林分别为0.71 t/hm~2·a-1、0.62t/hm~2·a-1、0.62 t/hm~2·a-1和0.59 t/hm~2·a-1。疏伐后10年,国家森林碳储量增量显著高于对照,其中轻度和中度疏伐处理后有效改善了树木的生长环境,表现出较强的固碳能力。就长期的固碳效果而言,强度疏伐优于轻度疏伐处理,更利于森林碳储量的积累。在不同疏伐强度处理下,各森林类型固碳能力的差异较大。经轻度和中度疏伐处理,短期内,各林型均表现出较强的固碳能力,碳储量快速恢复。强度疏伐处理更利于松树林、松栎混交林、橡树-山核桃和橡树-枫香-落羽杉混交林长期碳储量的积累,疏伐后100年随疏伐强度的增加碳储量增量明显高于对照,保持较强的固碳能力,固碳速率大小关系:强度疏伐>中强度疏伐>中度疏伐>轻度疏伐>对照(p<0.05)。对于林分密度较低的林型(榆树-白蜡树-杨树混交林和其他林型)较强的疏伐处理导致树木碳储量不断降低,显著低于对照,固碳能力较差,表明强度疏伐不利于林分密度较低的林型碳储量的累积。相反,轻度和中度疏伐处理更有利于榆树-白蜡树-杨树混交林和其他林型碳储量的积累。
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