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        礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)植被碳庫研究

        2018-12-05 08:51:52
        水土保持通報 2018年5期
        關(guān)鍵詞:礦山

        蘇 軍 德

        (甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學院, 甘肅 金昌 737100)

        中國是世界上礦產(chǎn)資源較為豐富的國家之一。隨著礦產(chǎn)資源的大量開采,產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問題[1]。近年來,國內(nèi)眾多礦山廢棄地進行了生態(tài)修復(fù)[2],陸續(xù)出現(xiàn)了許多礦山廢棄地森林生態(tài)系統(tǒng)。在改善生態(tài)環(huán)境的同時,礦山廢棄地森林生態(tài)系統(tǒng)積累的碳庫在維持礦區(qū)碳循環(huán)和碳平衡中有著重要作用。無論是清潔發(fā)展機制(clean development mechanism, CDM)還是黃金標準等國際自愿碳標準(voluntary carbon standard, VCS)以及中國溫室氣體自愿減排項目,目前尚未見將礦區(qū)生態(tài)修復(fù)項目納入溫室氣體自愿減排的研究報道[3]。因此,需要估算礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)減排增匯潛力,特別是礦山修復(fù)后迅速增長的植被碳儲量。

        本文擬對甘肅省金川礦山廢棄地修復(fù)區(qū)內(nèi)主要的林分進行植物部分含碳率測定,估算修復(fù)區(qū)內(nèi)的植被碳儲量,以期為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)納入中國溫室氣體自愿減排提供科學依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 研究區(qū)概況

        金川礦山廢棄地修復(fù)區(qū)位于甘肅省金昌市區(qū)西南部龍首山脈北坡,海拔1 640 m,屬大陸性溫帶干旱氣候,日照總時數(shù)1 506~1 859 h,年輻射量138.0 J/m2,年均溫度9.5 ℃,年均降水量139.8 mm,每年雨季主要在5—9月份,6—8月份降水占全年降水量的66%[4]。

        金川礦山已有26 a的開采歷史,現(xiàn)已形成礦山廢棄地約3.1 km2,修復(fù)區(qū)內(nèi)土壤大部分為脈石礦物所形成的沙石土壤,有少量的金屬硫化物和金屬氧化物及微量的貴金屬礦物。自2009年起,金川集團公司及金昌市人民政府通過采取對礦區(qū)排土場土壤改良、礦山廢渣綠化等措施。目前,全區(qū)樹種種植面積約1.5 km2,共有植物116種,通過樣方統(tǒng)計,約74萬株,大部分樹齡在15 a以內(nèi)。樣地中主要喬木有油松、圓柏、水曲柳、紅柳,主要灌木有檸條、駝絨藜和沙木蓼,草本植物基本為禾本科(早熟禾、高羊茅、冰草、披堿草)和莎草科(高山蒿草、水虱草)植物。

        1.2 試驗設(shè)計與測定方法

        1.2.1 樣方設(shè)計及試驗材料采集 選擇修復(fù)區(qū)內(nèi)林相整齊,具有代表性的地段。為了使不同樣地間進行比較,調(diào)查中盡可能選擇樹齡基本相同的林分地塊。按照對角線方式布設(shè)12(10 m×10 m)個喬木樣方,21(2 m×2 m)個灌木樣方和30(1 m×1 m)個草本樣方。在樣方內(nèi)每木檢尺,確定標準木后并將其伐倒,之后分別對各伐倒木的各個器官(干、枝、葉、根)進行取樣,其中干從樹干基部到樹梢分段取樣,枝從粗枝到細枝按比例取樣,葉從年齡、葉片大小混合取樣,根則從主根、側(cè)根及大于2 mm的細根分別取樣。同時記錄樣方內(nèi)植物的高度、樹干周長、蓋度等指標,以便計算所取樣方內(nèi)植物的生物量。

        1.2.2 估算生物量 本文中喬木生物量的估算采用徑階—株數(shù)法[5],即將每木檢尺結(jié)果依徑階順序從小到大排列,將林木分為株數(shù)基本相等的3~5個徑級,分別對每個徑級選標準木測算各徑級材積,各徑級材積疊加得標準地蓄積。灌木和草本植物各器官的生物量估算采用收割法[6]。

        1.2.3 試驗材料處理與含碳率測定 將采集的4種喬木、3種灌木及8種草本植物放置恒溫箱中,在85 ℃溫度下烘至恒重。之后采用3次粉碎法制樣,粉碎后的樣品過100目篩子后,裝入瓶中備用。在樣品含碳率測定之前,所有粉碎后樣品再次放入恒溫箱中,在85 ℃溫度下烘干24 h。

        利用Elementar Vario EL元素分析儀進行植物樣品碳素分析,每次測定3個重復(fù)樣品后取平均值。

        1.3 數(shù)據(jù)處理

        1.3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計 所得數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2007和SPSS 13.0統(tǒng)計分析軟件處理,以平均值進行統(tǒng)計分析,不同植物間碳含量采用方差分析[7]、變異系數(shù)[8]進行比較。

        1.3.2 修復(fù)區(qū)內(nèi)林分含碳率計算 由于不同樹種含碳率存在一定的差異,如果用所有樹種含碳率的平均值并不能很好的反應(yīng)修復(fù)區(qū)內(nèi)植被的真實含碳率[9]。因此,本文根據(jù)各個樹種在總生物量中的權(quán)重來計算林分含碳率:

        (1)

        (2)

        式中:Wij,Pij——第i株樹的j組分的生物量(t/hm2)和含碳率(i=1,2,…,n;j=干,皮,枝,葉,根)。

        1.3.3 恢復(fù)區(qū)植被碳儲量密度及碳庫計算 利用金川礦山廢棄地植被恢復(fù)區(qū)林木調(diào)查資料,對恢復(fù)區(qū)內(nèi)喬木、灌木及草本植物進行植被碳密度、植被碳儲量及平均儲量及密度的估算。

        儲碳密度(Dc):Dc=B·Rc[10]

        (3)

        式中:B——生物量(t/hm2);Rc——某種植物的含碳率。

        總碳儲量(Sc):Sc=Dc·S×10-6[11]

        (4)

        式中:Dc——某種植物碳儲量密度(t/hm2);S——某種植物的占地面積(hm2)。

        (5)

        式中:Dci——金川礦山廢棄地某類林分(喬木、灌木或草本植物)的平均儲碳密度(t/hm2);S——某組分所占面積(hm2)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 不同樹種含碳率特征

        如表1所示,在金川礦山廢棄地修復(fù)區(qū),圓柏地上部分平均含碳率最高,為0.49±0.01,8種草本植

        物地上平均含碳率最低,為0.31±0.01;圓柏地下部分平均含碳率最高,其值為0.47±0.02,8種草本植物含碳率最低,值為0.25±0.01,從變異系數(shù)及極差來看,所有樹種間的變異系數(shù)在4.5%以下,含碳率極差都不超過5%。不同樹種的含碳率由樹種生物學特性決定,針葉樹種的含碳率高于闊葉樹種和灌木。

        2.2 修復(fù)區(qū)植被碳儲量特征

        不同植被間儲碳密度存在明顯差異(r2=0.01),具體表現(xiàn)為:圓柏>油松>水曲柳>紅柳>駝絨藜>檸條>沙木蓼>草本植物。其次,植被儲碳量也存在顯著的差異性,具體表現(xiàn)為:紅柳>水曲柳>油松>圓柏>檸條(駝絨藜)>沙木蓼>草本植物(表2)。

        表1 金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)植被含碳率

        由于生態(tài)恢復(fù)區(qū)植被儲碳密度和碳儲量與各個物種的生物量、含碳率及分布面積息息相關(guān)而樹木的生物量直接受樹木的平均胸徑、平均樹高和林分密度的影響,含碳率因樹種而異,由測樹學可知,胸徑、樹高是林木的生長指標,除受立地條件和外界環(huán)境影響外,樹木年齡是一個很重要的影響因子[13]。因此,植被的立地條件、生長環(huán)境及植被年齡都會直接影響植被儲碳密度和碳儲量[14]。

        表2 金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)植被儲碳量

        2.3 修復(fù)區(qū)植被碳庫分配特征

        如圖1所示,修復(fù)區(qū)植被平均儲碳密度為6.209 2 t/hm2,總碳儲量為635.10 t,平均碳儲量為79.38 t。其中,喬木碳儲量較高,占總碳儲量的86.71%,灌木次之,為80.32 t,占總碳儲量的12.65%,草本植物儲碳密度較小,為4.04 t,在總碳儲量中的貢獻不大。這充分說明喬木在整個修復(fù)區(qū)碳循環(huán)中有重要的作用,尤其是紅柳,由于其儲碳密度高,在修復(fù)區(qū)內(nèi)所占面積較大,在整個修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)中有重要的作用[15]。

        注:儲碳密度百分比是每個樹種儲碳密度/總儲碳密度×100%。

        圖1金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)植被碳庫分配特征

        3 結(jié)果與討論

        (1) 在金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū),各個植物不同器官的平均含碳率在0.11~0.48,其中喬木較高,略高出其他物種1.06%~2.78%。各樹種變異系數(shù)范圍為2.78%~4.02%,這與西北地區(qū)森林變異系數(shù)(1.75%~6.59%)[16]較為接近??傮w上看,不同樹種各部位含碳率高低隨機分布,并未呈現(xiàn)除某種規(guī)律性的變化,其大小完全由各樹種自身的特性決定。但從樹種的形態(tài)學特征可以看出,針葉樹種各部位的含碳率均相應(yīng)高于闊葉樹種、灌木樹種和草本。除草本植物外,各樹種地上部分平均含碳率與總平均含碳率十分接近,且呈現(xiàn)除針葉樹種>闊葉樹種>灌木>草本植物。

        (2) 在金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū),不同物種間儲碳密度和碳儲量都存在顯著的差異。針葉樹種儲碳密度相比其他樹種較高,但儲碳量卻低于闊葉樹種,這是由于在修復(fù)區(qū),闊葉樹種較大的種植面積而決定了其較高的儲碳量??傮w來看,喬木儲碳密度和碳儲量分別占整個碳儲量和總儲碳密度的87.27%和90.06%,說明喬木在整個修復(fù)系統(tǒng)碳循環(huán)中具有及其重要的作用。但是,與其他樹種相比,針葉樹種(油松、圓柏)不論在地上還是地下部分,儲碳密度都較高,具有較強的固碳能力,加之其耐寒耐旱的生態(tài)學特征,更適合祁連山區(qū)礦山廢棄地的生態(tài)修復(fù)。

        (3) 在金川礦山修復(fù)區(qū),所有植被儲碳平均密度為6.209 2 t/hm2。按照不完全統(tǒng)計,祁連山區(qū)共有礦區(qū)114個,礦區(qū)修復(fù)面積約1 200 km2。按照金川礦山修復(fù)區(qū)植被儲碳平均密度計算,整個祁連山區(qū)礦

        區(qū)修復(fù)植被固碳量約7.50×105t。由此可見,對礦山廢棄地進行生態(tài)恢復(fù),能夠增加礦區(qū)植被儲碳量,在納入中國溫室氣體自愿減排上有很大的潛力空間。

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