魏江生，烏日古瑪拉，周 梅，趙鵬武，戰(zhàn) 甜，張 健

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.興安盟林業(yè)科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400)

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基于灌木林碳儲(chǔ)量估算的植被含碳率取值

魏江生1，烏日古瑪拉1，周 梅1，趙鵬武1，戰(zhàn) 甜1，張 健2

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.興安盟林業(yè)科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400)

利用內(nèi)蒙古東部3種灌木各器官含碳率的實(shí)測數(shù)據(jù)，探討評(píng)估灌木林碳儲(chǔ)量的含碳率取值問題。結(jié)果表明，1)各灌木林葉、枝和根的生物量分別占樹種生物量的10%～20%、40%～60%和30%～40%，表明枝生物量占總生物量1/2左右，而根系生物量占1/3左右。2)天然山杏(Prunussibirica)、人工山杏、人工檸條(Caraganakorshinskii)和虎榛子(Ostryopsisdecne)的葉、枝、根含碳率的范圍分別為0.428 7～0.456 7、0.445 9～0.462 8、0.397 3～0.431 3 g C·g-1，根的含碳率均與地上器官含碳率差異較大，葉和枝含碳率之間的差異較小。3)當(dāng)天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工檸條的地上部分和根系含碳率分別取值0.45和0.42時(shí)，其地上碳密度分別為1.370 7、1.167 7、198.873 0和2.157 3 t·hm-2，根系碳密度分別為0.941 6、0.401 5、100.908 8和0.721 1 t·hm-2，與實(shí)測碳密度相比，其相對(duì)誤差均在6%以內(nèi)。

灌木；含碳率；器官；興安盟；生物量；碳密度

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中面積最廣、最重要的自然生態(tài)系統(tǒng)，它存儲(chǔ)了陸地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)碳地上部分的 80% 和地下部分的 40%[1]。目前，森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量評(píng)估普遍采用的方法是通過直接或間接測定森林植被的生產(chǎn)量與生物量的現(xiàn)存量再乘以生物量中碳元素的含量推算而得[2]，顯而易見，生物量和含碳率是研究森林碳貯量的兩個(gè)關(guān)鍵性因素，多數(shù)相關(guān)研究中含碳率取0.5[3-7]或0.45[8-10]g C·g-1，且對(duì)含碳率的取值沒有明確的規(guī)定。研究表明[2]，中國喬木樹種平均含碳率均大于0.45 g C·g-1，其中闊葉樹的平均含碳率值大多小于0.5 g C·g-1，針葉樹的平均含碳率大部分大于0.5 g C·g-1。但對(duì)占我國陸地總面積1/5[11]的灌木林含碳率的報(bào)道較少，因此本研究利用內(nèi)蒙古東部的3種主要灌木林植被含碳率數(shù)據(jù)，分析灌木林的含碳率，探討該區(qū)灌木林含碳率在不同樹種間、種內(nèi)各組分間的變化以及含碳率對(duì)碳密度評(píng)估的影響程度。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古東部大興安嶺中段的淺山丘陵區(qū)，涵蓋內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟的3個(gè)旗縣(科爾沁右翼前旗、科爾沁右翼中旗、五岔溝鎮(zhèn))。地處120°39′-122°03′ E， 45°03′-46°43′ N，主要地貌類型有低山、平原和丘陵，海拔在200～720 m，年平均氣溫2.5～6.3 ℃, 年降水量350～485 mm, 蒸發(fā)量1 591.1～2 045.9 mm，無霜期110～142 d，土壤主要類型為暗棕壤、栗鈣土、風(fēng)沙土等。主要喬木有落葉松(Larixgmelini)、白樺(Betulaplatyphylla)、白楊(Populusalba)、蒙古櫟 (Quercusmongolica)、大果榆(Ulmusmacrocarpa)，常見灌木有檸條(Caraganakorshinskii)、山杏(Prunussibirica)、虎榛子(Ostryopsisdecne)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)等。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)調(diào)查 于2013年8月―9月分別在科爾沁右翼前旗、科爾沁右翼中旗和五岔溝縣的灌木林區(qū)進(jìn)行野外樣品調(diào)查及采集工作，灌木物候期處于果期，在每個(gè)調(diào)查對(duì)象區(qū)域內(nèi)選取3個(gè)10 hm2典型樣地(共24個(gè)樣地)，在樣地內(nèi)設(shè)定9個(gè)樣方(共216個(gè)樣方)。除了虎榛子因密度而分為5 m×5 m和1 m×1 m兩種大小的面積外，其它樹種樣方面積均為10 m×10 m。樣方內(nèi)每木檢尺，確定標(biāo)準(zhǔn)木，測量其形態(tài)指標(biāo)(株高、基經(jīng)、蓋度等)后伐倒挖出整株，分別采集地上植株、根系各器官的樣本帶回實(shí)驗(yàn)室，樣地概況如表1所示。

1.2.2 含碳率 含碳率采用干燒法[12]測定，以Elementar Vario EL (Germany)元素分析儀進(jìn)行樣品分析，每次測兩個(gè)平行樣，取平均值，誤差為±0.3%，采用Excel和SPSS 17.0進(jìn)行單因素方差分析和LSD多重分析，檢驗(yàn)各器官含碳率的差異顯著性[13-14]。經(jīng)室內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)，測定標(biāo)準(zhǔn)木各器官的鮮重、干重和含水量。

地上植被或樹種平均含碳率可以由各器官的算術(shù)平均含碳率或其林分的生物量加權(quán)平均含碳率的兩種方法求出，經(jīng)研究表明[2]，其兩種林分含碳率的差值不超過1.2%。因此，本研究采用生物量加權(quán)平均含碳率法計(jì)算地上器官的平均含碳率[15-16]，其公式如下[10]：

(1)

式中：P是某林分地上平均含碳率；Pi是某類林分的第i塊樣地的地上生物量加權(quán)平均含碳率(i=1,2,…,n),

(2)

式中:Wij、Pij分別指第i株樹的j組分的生物量、含碳率(i=1，2，…,n；j=葉，枝)。

(3)

式中：E為相對(duì)誤差，Y為假設(shè)值，代表地上部分樣本含碳率權(quán)重平均值或根系樣本含碳率權(quán)重平均值，X為實(shí)測值[17]。

1.2.3 生物量及碳儲(chǔ)量的換算 采取收獲法[12]估計(jì)單位面積灌木林生物量，以天平測量各器官的總鮮重，再將各器官的樣本裝入袋中帶回實(shí)驗(yàn)室，放入烘箱，在75 ℃常溫下烘干至質(zhì)量不變?yōu)橹?。根?jù)取樣灌木器官的干鮮重變化計(jì)算樣品各器官的含水率，再以樣品含水率和野外測定的灌木各器官總鮮重，計(jì)算出單株灌木各器官總干質(zhì)量，并按公式計(jì)算各灌木樣方的灌木總干重以及相應(yīng)碳儲(chǔ)量，具體為：

Mi=(WiS-WiDS)/WiS

(4)

表1 試驗(yàn)區(qū)樣地概況Table 1 General situation about each stand sample plots

Wi=WiF(1-Mi)

(5)

(6)

DC=BC×PC

(7)

式中：Mi為i器官的樣品含碳率，WiS為i器官樣品鮮重,WiDS為i器官樣品干重，Wi為標(biāo)準(zhǔn)木的i器官的干重，WiF為標(biāo)準(zhǔn)木的i器官的鮮重，i=(葉、枝、根)，BC為某林分地上、根系生物量，Ws為標(biāo)準(zhǔn)灌木地上總干質(zhì)量，N為樣方株數(shù)，M為樣方面積，DC為某類林分地上、根系碳密度，PC為某類林分地上、根系含碳率。

2 結(jié)果

2.1 灌木林生物量及其分配

虎榛子總生物量為682.197 t·hm-2，因虎榛子分布密集，其單位面積上的數(shù)量比其它灌木種高100多倍(表2)，使生物量相差極大。天然山杏、人工山杏和人工檸條的生物量均在5 t·hm-2左右。各灌木林葉、枝和根的生物量分別占樹種的10%～20%、40%～60%和30%～40%，其中枝生物量占一半，而根系生物量占總生物量的1/3以上。

表2 不同灌木器官生物量分配Table 2 Biomass distribution of different shrub organs

2.2 含碳率分析

2.2.1 同一灌木不同器官的含碳率分析 天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工檸條的各器官含碳率分別為0.419 4～0.446 3、0.419 0～0.445 9、0.431 3～0.462 8和0.397 3～0.452 4 g C·g-1，地上器官含碳率的標(biāo)準(zhǔn)差小于0.02，根系含碳率的標(biāo)準(zhǔn)差在0.03左右，各樹種器官含碳率大小順序均表現(xiàn)為枝>葉>根。差異顯著性分析表明，所有灌木林根與地上器官之間的含碳率均存在顯著差異(P<0.05)；除人工山杏外，其余樹種的地上器官間不存在顯著差異(P>0.05)(表3)。2.2.2 不同灌木同一器官的含碳率差異分析 葉、枝、根的含碳率范圍在0.428 7～0.456 7、0.445 9～0.462 8、0.397 3～0.431 3 g C·g-1，不同樹種同組分間的含碳率變動(dòng)較小，其變異系數(shù)在3.4%以內(nèi)。差異顯著性分析表明，不同灌木林葉間的含碳率存在顯著差異(P<0.05)；枝間的含碳率差異不顯著(P>0.05)；除人工檸條的根含碳率外，其余樹種的根間含碳率差異不顯著，表明不同樹種器官間的含碳率沒有統(tǒng)一規(guī)律，其大小因樹種而異(表3)。

2.3 地上和根系含碳率差異分析

各灌木的地上和根系的生物量分配分別在2/3和1/3左右，其根系生物量不容忽視，且地上器官和根系含碳率間的差異較大，因此，地上和根系的含碳率需要分別取值。天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工檸條的生物量加權(quán)估算的地上平均含碳率分別為0.444 6、0.442 9、0.460 6和0.452 4 g C·g-1，其地上部分實(shí)測含碳率的平均值在0.45 g C·g-1左右，各灌木地上含碳率相對(duì)誤差范圍為-2.300%～1.600%。天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工檸條的生物量加權(quán)估算的根系含碳率分別為0.419 7、0.419 0、0.431 3和0.397 3 g C·g-1，總體上，各灌木的根系含碳率在0.42 g C·g-1左右，以此為根系含碳率時(shí)，相應(yīng)相對(duì)誤差范圍在-2.620%～5.710%，這表明，地上和根系的含碳率各取0.45和0.42 g C·g-1時(shí)，其相對(duì)誤差均較小，因此，各灌木林的地上和根系的含碳率可以以該值代替實(shí)測含碳率(表4)。

2.4 基于不同含碳率的碳密度評(píng)估

天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工檸條的地上生物量分別為3.046、2.595、441.940和5.090 t·hm-2(表5)；根系生物量分別為2.242、0.956、240.258和1.814 t·hm-2(表6)。評(píng)估地上碳密度，含碳率取0.45 g C·g-1時(shí)，天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工檸條地上部分碳密度分別為1.371、1.168、198.873和2.157 3 t·hm-2，與實(shí)測碳密度相比，其相對(duì)誤差為0.53%～2.30%；評(píng)估根系碳密度中，含碳率取0.45 g C·g-1時(shí)，天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工檸條根系碳密度分別為1.008 9、0.430 2、108.116 0和0.772 6 t·hm-2，與實(shí)測碳密度相比，其相對(duì)誤差為4.34%～13.26%;而根系含碳率取0.42 g C·g-1時(shí)，天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工檸條根系碳密度分別為0.941 6、0.401 5、100.909 0和0.721 1 t·hm-2，與實(shí)測碳密度相比，其相對(duì)誤差為0.07%～5.71%?？梢?，天然山杏、人工山杏、虎榛子和檸條的地上部分和根系的含碳率分別取0.45和0.42 g C·g-1時(shí)，碳儲(chǔ)量評(píng)估相對(duì)誤差可以控制在6%以內(nèi)。

表3 不同灌木各器官含碳率(g C·g-1)Table 3 Carbon content rate(g C·g-1) of each organ of different shrub species

注：同行不同小寫字母表示同一植物不同器官之間差異顯著(P<0.05)，同列不同大寫字母表示同一器官不同植物之間差異顯著(P<0.05)。

Note: Different lower case letters within the same column mean significant difference among the different organs at 0.05 level,different capital letters within the same row mean significant difference among the different plants at 0.05 level.

表4 不同灌木區(qū)地上和根系的含碳率Table 4 Carbon content rate of bushes on the ground and root system

表5 地上部含碳率的碳密度分析Table 5 The analysis about carbon content rate of aboveground

注：*表示含碳率為0.45 g C·g-1時(shí)的碳密度評(píng)估值。

Note:*, the evaluation value of carbon density of aboveground when the carbon content is set as 0.45 g C·g-1.

表6 根系含碳率的碳密度分析Table 6 The analysis about carbon content rate of root system

3 討論與結(jié)論

有研究[18-19]表明，喬木各器官含碳率呈主干>樹枝>樹皮>葉>果>樹根的趨勢；灌木各器官的含碳率呈葉>干>枝>根的趨勢。本研究與上述研究結(jié)果一致，根與地上部分各器官含碳率相比是最低的。這是由于葉含有豐富的葉綠體,有大量有機(jī)物存在，枝干含有較多的木質(zhì)素，木質(zhì)素的碳含量高，所以葉和枝干的碳含量高，根主要進(jìn)行水分和無機(jī)鹽交換，含碳率較低。

喬木根系生物量所占比重一般為5%～30%[20-22]，由于根系生物量占總生物量比重較小，所以國際上喬木碳儲(chǔ)量評(píng)估中含碳率常取固定值0.5或0.45 g C·g-1，而對(duì)灌木林而言，器官間的生物量分配格局和喬木有差異，灌木林根系生物量占總生物量的比重為30%～75%[21,23-28]，其根系生物量所占比重較大。如果灌木林碳儲(chǔ)量評(píng)估中含碳率采用統(tǒng)一取值方式，由于根系含碳率與地上部分相比較低，灌木林碳儲(chǔ)量評(píng)估中會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。本研究中統(tǒng)一取值0.45 g C·g-1時(shí)相對(duì)誤差最高達(dá)到13%，而根系取值0.42 g C·g-1時(shí)，相對(duì)誤差最高降到5.7%。

本研究中，天然山杏、人工山杏、檸條和虎榛子的同器官含碳率的種間變異系數(shù)小于3.4%，這接近云南松[29]和中國油松林[4]研究中種間器官含碳率的變異系數(shù)范圍1.07%～3.03%和2.15%～7.48%，這表明同地區(qū)內(nèi)灌木種間含碳率的變動(dòng)幅度較小。

由于灌木種間的含碳率差異小，而根系與地上部分含碳率差異較大的特點(diǎn)，對(duì)占生物量比重較大的根和地上部分含碳率存在顯著差異時(shí)，其含碳率分別取值較好。

本研究對(duì)內(nèi)蒙古東部地區(qū)廣泛分布的山杏、檸條和虎榛子3種灌木林的各器官實(shí)測含碳率分析表明，地上部分不同灌木種類及不同器官間含碳率差異較小，接近于0.45 g C·g-1。根系與地上器官間含碳率差異較大，平均值接近0.42 g C·g-1。通過地上部分含碳率取值0.45 g C·g-1，根系含碳率取值0.42 g C·g-1，對(duì)灌木林碳儲(chǔ)量評(píng)估結(jié)果與實(shí)測含碳率評(píng)估結(jié)果的相對(duì)誤差可以降低到6%以內(nèi)。

對(duì)于精準(zhǔn)評(píng)估灌木林碳儲(chǔ)量，本研究提出了新的研究思路。由于研究對(duì)象主要集中在內(nèi)蒙古東部區(qū)域，針對(duì)更廣泛區(qū)域的灌木林碳儲(chǔ)量評(píng)估是否具有相似的規(guī)律還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

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(責(zé)任編輯 王芳)

Value-taking for vegetation carbon content rate based on the estimation of shrubbery carbon storage

Wei Jiang-sheng1, Wu Rigumala1, Zhou Mei1, Zhao Peng-wu1, Zhan Tian1, Zhang Jian2

(1.College of Grassland, Resources and Environment, Inner Mongolia Agricultural University, Huhhot 010019, China;2.Xing’an League Forestry Science Institute, Wulanhaote 137400, China)

The carbon content of three shrubs organs were measured in the eastern Inner Mongolia, in order to discuss the problems of the carbon content rate. Results showed that: 1) The biomass of shrub leaf, branch and root accounted for 10% to 20%, 40% to 60% and 30% to 40%, respectively, which showed that branch biomass accounted for half, the root biomass accounted for about a third of the total biomass. 2)The range of carbon content rate of leaf, twigs, roots of naturalPrunussibirica, artificialP.sibirica，artificialCaraganakorshinskiiandOstryopsisdecnewere 0.428 7 to 0.456 7 g C·g-1, 0.445 9 to 0.462 8 g C·g-1, 0.397 3 to 0.431 3 g C·g-1, respectively .The carbon content of the root have a significant difference with the ground organs carbon, the carbon content rate variance between leaves and branches varied with the tree species . 3) When the carbon content rate values of ground parts and root parts of naturalP.sibirica, artificialP.sibirica, artificialC.korshinskii,O.decnewere 0.45 and 0.42, respectively, the levels of ground carbon density were 1.370 7, 1.167 7, 198.873 and 2.157 3 t·hm-2, carbon density of roots were 0.941 6, 0.401 5, 100.908 8 and 0.721 1 t·hm-2, respectively. The relative errors was within 6% compared with the carbon density calculated by measured carbon content rate of the ground and the root system.

shrub; carbon content rate; organs; Xing’an League; biomass; carbon density

Wei Jiang-sheng E-mail:weijiangsheng1969@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0007

2016-01-11 接受日期：2016-06-03

內(nèi)蒙古科技廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(20120415、20120421、20120419)

魏江生(1969-)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，教授，博士，主要從事森林土壤等方面的研究。E-mail:weijiangsheng1969@163.com

S718.5

A

1001-0629(2016)11-2202-07*

魏江生,烏日古瑪拉,周梅,趙鵬武,戰(zhàn)甜,張健.基于灌木林碳儲(chǔ)量估算的植被含碳率取值.草業(yè)科學(xué),2016,33(11)：2202-2208.

Wei J S,Wurigumala,Zhou M,Zhao P W,Zhan T,Zhang J.Value-taking for vegetation carbon content rate based on the estimation of shrubbery carbon storage.Pratacultural Science，2016,33(11)：2202-2208.