摘要
中国北方森林主要分布在大兴安岭地区，面积占全国森林天然林总面积的29.9％，碳储量占我国森林碳储量的1/3以上。现有研究表明未来气候变化可能改变森林树种组成、提高大兴安岭森林生产力，进而影响北方森林碳储量。大兴安岭林区作为我国主要的木材生产基地，经历了半个多世纪的高强度采伐，目前处于中幼龄林阶段，研究表明大兴安岭森林将在未来50-100年演替为成熟林，成为我国陆地生态系统的重要碳汇。然而，皆伐后大兴安岭森林主要更新树种是白桦和山杨等早期演替树种，这些树种在未来几十年内到达寿命，造成树种大面积死亡，有可能导致大兴安岭森林碳储量显著下降。此外大兴安岭林区是我国林火的高发区，过火面积约占全国平均每年被烧森林面积的35％左右。受气候变化的影响，大兴安岭林区林火发生的频率与火烧面积将随着生长季的延长而大幅度增加，将有可能会加剧我国北方森林碳排放量。因此综合采伐、火烧及森林调查数据，通过耦合森林生态系统模型和森林景观模型以模拟未来大兴安岭森林碳储量动态变化，揭示气候变化、林火和采伐对森林碳储量的影响，以提高我国北方森林碳储量估算精度，对准确评估我国北方森林固碳在减缓全球气候变化的作用和有效实施森林生态系统管理有着重要的参考意义。 本研究以大兴安岭呼中林区为研究对象，在土地类型水平上构建了一个新的模型耦合方法，通过LANDIS PRO和LINKAGES v2.2模型来模拟林火、采伐及其交互作用下大兴安岭森林地上和土壤有机碳储量动态变化。同时，利用现有的森林调查、前人研究结果以及其他模型的结果对本研究新建的模型耦合方法进行验证。本研究运用新的模型耦合方法来模拟现行气候不同干扰情景大兴安岭森林碳储量的变化，以量化现行气候条件下林火、采伐及其交互作用对大兴安岭森林碳储量的长期影响及其相对重要性。此外，本研究耦合森林景观模型LANDIS PRO和森林生态系统模型LINKAGES v2.2模拟未来100年不同气候变化情景下大兴安岭森林碳储量动态变化，量化气候变化、林火和森林采伐对我国北方森林碳储量的影响，并分析气候变化、林火和采伐共同作用下森林碳储量估算的不确定性。得出以下结论: (1)本研究在土地类型水平上建立的模型耦合方法能够很好地运用于大兴安岭森林碳储量研究。相比目前基于像元水平的模型耦合方法，本研究构建的模型耦合方法在计算效率和模拟结果验证等方面具有一定的优势。由于像元水平上的模型耦合方法在每个模拟步长都需要计算数以百万计的像元的碳储量，而本研究新建的模型耦合方法只需要估算不同土地类型的碳储量。因此，本研究新建的模型耦合方法运算速度比目前像元水平模型耦合方法快5倍。在景观水平上，LANDIS PRO模型地上碳储量初始值、2010年的地上碳储量模拟结果与同期森林调查数据接近。利用2000年呼中自然保护区调查数据对LANDIS PRO模型长期模拟结果进行验证，结果表明模拟60-100年后呼中林业局树种组成和地上碳储量平均值与2000年呼中自然保护区森林调查数据基本吻合。LINKAGES v2.2模型模拟结果在野外调查数据（魏亚伟等2012）和TRIPLEX模型结果之间，并接近34个土壤调查样点数据的平均值。 (2)模拟结果表明，现行气候条件下林火、采伐及其交互作用将会显著降低大兴安岭碳储量。在整个模拟过程中(2000-2300年)，林火与采伐交互作用分别减少地上碳储量8.1±2.1t/ha，土壤有机碳储量9.6±4.0t/ha。在景观水平上，现行气候条件下林火和采伐对森林碳储量的长期影响大干其短期影响。模拟150年后，采伐降低了6.8±0.5t/ha地上碳储量，是短期影响的3倍。这可能是因为长期反复林火和采伐不仅增加了植被和土壤有机碳的损失，还导致整个森林景观中幼林比例不断增加，减慢了大兴安岭森林碳恢复速度。林火和采伐对大兴安岭森林碳储量影响幅度取决于干扰的强度。按照大兴安岭森林经营方案，呼中林区现行的高强度采伐活动对大兴安岭森林碳储量的影响大于林火的影响。由于采伐在一定程度上减少了林火导致碳损失，使得林火与采伐的交互作用对大兴安岭森林碳储量的影响小于林火和采伐单独影响的之和。这意味着在林火高发地区，适度采伐也许能够作为一种有效的办法降低灾难性林火所带来的碳损失。 (3)未来100年气候变化、林火和采伐及其交互作用将会显著影响大兴安岭森林地上和土壤有机碳储量。虽然采伐和林火将会抵消掉相当一部分由气候变化增加的碳储量，但温度和降雨增加仍然能够增加大兴安岭森林碳储量，使得未来100年该地区森林持续固碳。与模拟初始年（2000年）相比，现行气候、B1和A2气候变化情景下2100年呼中林区森林碳储量将会增加5％、17％和13％。在短期，气候变化对呼中林区森林地上和土壤有机碳的相对影响为32.1％和18.6％，大于同期林火的影响。在中期和长期气候变化对森林碳储量的直接影响小于林火和采伐的影响。受气候变化的影响，呼中林区林火发生频率与火烧面积将会改变，在未来100年会进一步降低呼中林区森林地上和土壤有机碳储量。这意味着气候变化可以改变干扰发生频率和强度来间接降低大兴安岭森林碳储量。 (4)由于未来大兴安岭林区温度和降雨量变化幅度存在不确定，受此影响未来大兴安岭林区林火干扰状况也存在较大的不确定性，导致未来100年该地区森林碳储量变化存在较大的不确定性。敏感性分析结果表明未来100年呼中林区地上碳储量不确定性为12.4-16.2％，土壤有机碳储量不确定性在6.6-10.4％之间。在考虑气候变化、林火、采伐及其交互作用对森林碳储量影响的情况下，未来100年呼中地区植被和土壤固碳潜力分别在4.3-6.4和1.7-6.5Tg之间。本研究表明为准确估算森林生态系统碳储量，需要考虑种子传播、林火、采伐等景观过程的影响。
NETL