安徽省宜秀區(qū)人工楊樹(shù)林碳儲(chǔ)量研究

郝焰平，苗婷婷，劉圣清

(安徽省林業(yè)科學(xué)研究院，安徽合肥 230031)

氣候變暖是人類(lèi)面臨的十大生態(tài)問(wèn)題之首，而大量排放CO2等溫室氣體形成的溫室效應(yīng)則是氣候變暖的根源。森林碳匯功能具有比其他減排方式更經(jīng)濟(jì)和高效的優(yōu)點(diǎn)，《京都議定書(shū)》中森林碳匯成為CO2減排的主要替代方式［1］。氣候變暖和森林碳匯現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。為了人類(lèi)免受氣候變暖的威脅，1997年12月，在日本京都召開(kāi)的《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》締約方第3次會(huì)議通過(guò)了旨在限制發(fā)達(dá)國(guó)家溫室氣體排放量以抑制全球變暖的《京都議定書(shū)》，它規(guī)定，到2010年，所有發(fā)達(dá)國(guó)家排放的二氧化碳等6種溫室氣體的數(shù)量，要比1990年減少5.2%［2］。為了幫助發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)現(xiàn)確定的減排目標(biāo)，《京都議定書(shū)》規(guī)定了3種機(jī)制，即排放貿(mào)易(ET)、聯(lián)合履約(JI)和清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)。其中排放貿(mào)易是指已經(jīng)達(dá)到減排目標(biāo)的發(fā)達(dá)國(guó)家把溫室氣體排放權(quán)賣(mài)給其他發(fā)達(dá)國(guó)家;聯(lián)合履約是指發(fā)達(dá)國(guó)家之間可以通過(guò)共同實(shí)施溫室氣體減排項(xiàng)目，將獲得的減排額度相互轉(zhuǎn)讓;清潔發(fā)展機(jī)制(CDM)是指發(fā)達(dá)國(guó)家與發(fā)展中國(guó)家通過(guò)開(kāi)展項(xiàng)目合作向發(fā)展中國(guó)家提供資金和技術(shù)，將項(xiàng)目所實(shí)現(xiàn)的溫室氣體減排量，用于完成發(fā)達(dá)國(guó)家的減排指標(biāo)。這3種機(jī)制的制定，推動(dòng)了國(guó)際碳貿(mào)易，使森林碳匯具有了價(jià)值。

森林生物量是森林植物群落在其生命過(guò)程中所生產(chǎn)干物質(zhì)的累積量，是計(jì)算碳儲(chǔ)量的基礎(chǔ)［3］。它的測(cè)定以樹(shù)木生物量測(cè)定最為重要。森林的生物量受到諸如林齡、密度、立地條件和經(jīng)營(yíng)措施的影響，其變動(dòng)幅度非常大［4，5］。同一林分內(nèi)即使胸徑和樹(shù)高相同的林木，其樹(shù)冠大小及單位材積干物質(zhì)重量也不相同。在同齡林內(nèi)，由于林木大小不同，干、枝和葉干物質(zhì)量對(duì)全株所占比率也不相似。森林生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)的最基本數(shù)量特征。它既表明森林的經(jīng)營(yíng)水平和開(kāi)發(fā)利用價(jià)值，又反映森林與其環(huán)境在物質(zhì)循環(huán)流動(dòng)上的復(fù)雜關(guān)系［6］。

本研究主要通過(guò)對(duì)研究地人工楊樹(shù)林生物量的調(diào)查與研究，了解該地區(qū)楊樹(shù)林碳儲(chǔ)量，為該地區(qū)人工造林提供參考數(shù)據(jù)，并為評(píng)價(jià)森林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地位于安徽省安慶市宜秀區(qū)境內(nèi)的大龍山鎮(zhèn)(117°05'～117°43'E，31°01'～31°38'N)，宜秀區(qū)氣候?qū)俦眮啛釒暇?，東南季風(fēng)氣候區(qū)，季風(fēng)明顯，四季分明，氣候溫和，雨量適中，光照充足，無(wú)霜期長(zhǎng)，氣候條件優(yōu)越。年均氣溫16.3℃，無(wú)霜期241 d，年平均日照時(shí)數(shù)1 976.3 h，太陽(yáng)平均輻射量113.4千卡·cm-2，年際變化不大，季相變化顯著，時(shí)段差異明顯。

研究地林分起源為人工林，由于人為的長(zhǎng)期干擾和破壞，現(xiàn)存原生地帶性森林植被已不復(fù)存在，只是在一些山高坡陡，交通不便的地方還有少量殘余，取而代之的是大量人工林和次生落葉與常綠闊葉混交林，主要森林類(lèi)型有馬尾松林、櫟類(lèi)林、杉木林、毛竹林等。研究地森林植被主要有楊樹(shù)(Populus spp.)、白檀 (Symplocos paniculata)、樸樹(shù) (Celtis sinensis)、構(gòu)樹(shù)(Broussonetia papyrifera)、桑樹(shù)(Morus alba L.)、香椿(Toona sinensis A.Juss.)、柳樹(shù)(Willow)、棠梨(Pyrus betulaefolia Bunge)等，此外灌木草本層還有野艾(Artemisia lavandulaefolia DC.)、牛膝(Achyranthes bidentata)、鵝觀草(Roegneria kamoji Ohwi)、牛奶子(Elaeagnus umbellata Thunb.)、防己(Aristolochia heterophylla Hemsl.)、半枝蓮(Portulaca grandiflora Hook.)、插田泡(Rubus coreanus Miq.)、稀薟(Siegesbeckia pubescens Mak.)、絡(luò)石(Trachelospermum jasminoides)、荻 (Triarrherca sacchariflora(Maxin.)Nakai)、犁尖草(Polygonum perfoliatum L)、山葡萄(Vitis amurensis Rupr)、馬蘭頭(Kalimeris indica(L.))、五節(jié)芒(Miscanthus floridulus(Labill.)Warb.)、野苦荬(Ixeris denticulate(Houtt.)Stebb.)、白英(Solanum lyratum Thunb.)、水葫蘆(Eichhornia crassipes)、一年蓬(Erigeron annuus)等。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)地(樣方)設(shè)置與調(diào)查

在對(duì)人工楊樹(shù)林研究地作全面踏查的基礎(chǔ)上，選出具有代表性的人工楊樹(shù)林設(shè)置樣地，設(shè)置樣地面積0.24 hm2，采取相鄰格子法將其區(qū)劃為20 m×30 m的喬木樣方4塊。在樣方內(nèi)進(jìn)行每木檢尺，起測(cè)直徑為5 cm，調(diào)查記錄所有楊樹(shù)的胸徑、樹(shù)高、郁閉度以及樣地的坡度、坡向、海拔等林木和林地因子等。

用羅盤(pán)儀進(jìn)行導(dǎo)線測(cè)量，確定標(biāo)準(zhǔn)地四至邊界，邊界閉合差不能大于標(biāo)準(zhǔn)地周長(zhǎng)的1/200。標(biāo)準(zhǔn)地邊界確定后進(jìn)行每木檢尺，起測(cè)直徑為5.0 cm，調(diào)查記載每棵樹(shù)木的名稱(chēng)、直徑、樹(shù)高、郁閉度以及坡度、坡向、海拔、土壤、地被物等林木和林地因子。每塊標(biāo)準(zhǔn)地選取平均標(biāo)準(zhǔn)木1株，供喬木層生物量測(cè)定和樹(shù)干解析用。各標(biāo)準(zhǔn)地基本情況見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地基本情況表

1.3 森林碳儲(chǔ)量的測(cè)定方法

通過(guò)生物量法對(duì)研究地的楊樹(shù)森林碳儲(chǔ)量進(jìn)行計(jì)算。在本文中由于只測(cè)定了楊樹(shù)林喬木層的地上部分生物量，對(duì)林分喬木層總生物量按轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行計(jì)算?？偵锪颗c地上部分生物量的轉(zhuǎn)換系數(shù)按1.6計(jì)量［7，8］。樹(shù)木的生物量與含碳率相乘可以得到樹(shù)木的碳含量。對(duì)于亞熱帶闊葉樹(shù)種的含碳率一般范圍在0.46～0.50之間，本文中人工楊樹(shù)林的含碳率按0.48計(jì)量［9］。具體森林碳儲(chǔ)量計(jì)算公式如下:

式中:C——碳儲(chǔ)量;

W——生物量;

Ci——植物中的含碳率。

在本文中森林碳儲(chǔ)量的計(jì)算公式為:

式中:C——碳儲(chǔ)量;

W——喬木層地上部分生物量;

Ci——植物中的含碳率;

a——總生物量與地上部分生物量轉(zhuǎn)換系數(shù)。

1.4 生物量測(cè)定方法

1.4.1 樹(shù)干生物量的測(cè)定方法

在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)根據(jù)平均胸徑選取標(biāo)準(zhǔn)木，將標(biāo)準(zhǔn)木沿地表根頸處鋸斷伐倒，按照Monsi分層切割法以2.0 m為一區(qū)分段進(jìn)行樹(shù)干解析，在每個(gè)分段處截取圓盤(pán)一個(gè)，當(dāng)場(chǎng)測(cè)出圓盤(pán)的鮮重和整株樹(shù)干的鮮重，再將圓盤(pán)拿回實(shí)驗(yàn)室置于105℃烘箱中烘干至恒重，根據(jù)公式3計(jì)算出樹(shù)干各區(qū)分段的含水率，再以該含水率計(jì)算出樹(shù)干各部分的干重，通過(guò)公式4計(jì)算出整株標(biāo)準(zhǔn)木樹(shù)干的生物量。具體計(jì)算公式如下:

由上式可得:W干重=W鮮重×PW

式中 Pw為干重比，可通過(guò)取樣測(cè)定的方法獲得。

式中 W——整株標(biāo)準(zhǔn)木的樹(shù)干生物量;

n——標(biāo)準(zhǔn)木的區(qū)分段數(shù);

Wi——標(biāo)準(zhǔn)木每個(gè)區(qū)分段的生物量。

1.4.2 枝、葉生物量的測(cè)定方法

測(cè)定樹(shù)木枝、葉生物量用平均標(biāo)準(zhǔn)枝法進(jìn)行測(cè)定。標(biāo)準(zhǔn)枝法是指在樹(shù)木上選擇具有平均枝基徑與平均枝長(zhǎng)的枝條，測(cè)定其枝、葉的重量用于推算整株樹(shù)木枝、葉的重量。平均標(biāo)準(zhǔn)枝法的具體操作步驟為:將樹(shù)木伐倒后，測(cè)定所有一級(jí)分枝和一級(jí)以上分枝的基徑和枝長(zhǎng)，求二者的算術(shù)平均值和;以和為標(biāo)準(zhǔn)，分等級(jí)選擇標(biāo)準(zhǔn)枝，標(biāo)準(zhǔn)枝的個(gè)數(shù)根據(jù)調(diào)查精度確定，同時(shí)要保證標(biāo)準(zhǔn)枝上的葉量是中等水平;分別稱(chēng)其枝、葉鮮重，并取樣品;按下列公式計(jì)算全樹(shù)的枝重和葉重:

式中 N——全樹(shù)的枝數(shù);

n——標(biāo)準(zhǔn)枝數(shù);

Wi——標(biāo)準(zhǔn)枝的枝鮮重或葉鮮重。

1.4.3 林分喬木層生物量的測(cè)定方法

林分喬木層生物量采用平均標(biāo)準(zhǔn)木法進(jìn)行測(cè)定。其具體步驟為:在每木調(diào)查的基礎(chǔ)上，計(jì)算出全部立木的平均胸高直徑，再以此平均胸徑為選擇標(biāo)準(zhǔn)木的依據(jù)，把最接近于這個(gè)平均值的幾株立木作為標(biāo)準(zhǔn)木，伐倒稱(chēng)重，干枝葉測(cè)定方法見(jiàn)上兩節(jié)。然后，用標(biāo)準(zhǔn)木的平均生物量值乘單位面積上的立木株數(shù)求出單位面積上的林分生物量W，即:

式中 N——林分內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)木的株數(shù);

2 結(jié)果與分析

2.1 林分直徑結(jié)構(gòu)分析

林分直徑結(jié)構(gòu)是最重要、最基本的林分結(jié)構(gòu)。不僅因?yàn)榱址种睆奖阌跍y(cè)定，而且因?yàn)榱址謨?nèi)各種大小直徑的樹(shù)木的分配狀態(tài)，將直接影響樹(shù)木的樹(shù)高、干形、材積、材種及樹(shù)冠等因子的變化。喬木，作為森林群落的主體，其年齡結(jié)構(gòu)是植物種群統(tǒng)計(jì)的基本參數(shù)之一。通過(guò)年齡結(jié)構(gòu)的研究和分析，可以提供種群的許多信息。群落的年齡結(jié)構(gòu)不僅反映了構(gòu)成群落世代的復(fù)雜性，而且反映著群落的發(fā)展變化趨勢(shì)。在進(jìn)行喬木樹(shù)種年齡結(jié)構(gòu)研究時(shí)，由于許多樹(shù)木材質(zhì)堅(jiān)硬，難以用生長(zhǎng)錐來(lái)確定每木的實(shí)際年齡，或者為了減少破壞性，在實(shí)際工作中一般采用以胸徑級(jí)代替年齡進(jìn)行分析，這是由于林木的年齡結(jié)構(gòu)與直徑結(jié)構(gòu)有著密切的相互關(guān)系。本文研究對(duì)象為人工楊樹(shù)林，林齡為10 a，所以徑級(jí)分布集中在18 cm～28 cm之間。研究地楊樹(shù)徑級(jí)分布如表2所示。

表2 研究地楊樹(shù)直徑結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)表

2.2 喬木層生物量組成分析

2.2.1 單木生物量組成分析

伐倒木分層切割生物量測(cè)定結(jié)果如表3。由表3可知，楊樹(shù)干、枝和葉生物量占單木生物量的比例，以干生物量比例最大。4株單木干生物量占單木地上總生物量的比例在75.8% ～83.2%之間，說(shuō)明干生物量是單木地上部分生物量的主體;其次是枝生物量，占單木地上生物量的比例在12.1% ～19.8%之間;而葉生物量只占單木地上生物量的極小部分，所占比例為3.9%到4.7%之間。通過(guò)伐倒木解析知，林分年齡10 a，已進(jìn)入近熟林階段，標(biāo)準(zhǔn)木胸徑、高度都很大，干形通直，故而樹(shù)干部分占單木地上部分生物量的比例大;由于伐倒木均為楊樹(shù)，與針葉樹(shù)相比，闊葉樹(shù)枝干比較發(fā)達(dá)，因而其生物量占單木地上部分生物量的比例也較大;葉是光合作用的器官，葉生物量的多少直接關(guān)系到葉面積指數(shù)與光合產(chǎn)物的大小，進(jìn)而影響林木的生長(zhǎng)，因此，保持足夠的葉量是確保林木健康生長(zhǎng)的重要保證。

表3 標(biāo)準(zhǔn)木單株生物量統(tǒng)計(jì)表

2.2.2 喬木層林分生物量組成分析

平均標(biāo)準(zhǔn)木生物量乘以單位面積株數(shù)得各樹(shù)種單位面積生物量，各樹(shù)種單位面積生物量之和得林分喬木總生物量。本文在每塊標(biāo)準(zhǔn)地里選取了一株共選取了4株楊樹(shù)平均標(biāo)準(zhǔn)木，將4株楊樹(shù)生物量的平均值乘以單位面積的林木株數(shù)得出研究地喬木層林分生物量，計(jì)算結(jié)果如表4。從表4可知，宜秀區(qū)大龍山鎮(zhèn)10 a生人工楊樹(shù)林喬木層地上部分總生物量為255.2104 t·hm-2，通過(guò)轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)一步得出該研究地人工楊樹(shù)林喬木層林分總生物量為408.3366 t·hm-2。進(jìn)一步分析楊樹(shù)各器官占林分地上部分總生物量的比例表明，楊樹(shù)干生物量占絕對(duì)主體地位，占 79.7%，其次是枝生物量，占16.1%，葉生物量無(wú)論在單木還是林分總體中所占比例都很小。

表4 研究地各樹(shù)種喬木層生物量分配表

2.3 森林碳儲(chǔ)量分析

樹(shù)木的生物量與含碳率相乘可以得到樹(shù)木的碳含量，本文中人工楊樹(shù)林的含碳率按0.48計(jì)量?？偵锪颗c地上部分生物量的轉(zhuǎn)換系數(shù)按1.6計(jì)量。根據(jù)公式1和公式2計(jì)算，即研究地碳儲(chǔ)量為生物量與含碳量及轉(zhuǎn)換系數(shù)相乘，結(jié)果如表5。由表5可知宜秀區(qū)大龍山鎮(zhèn)10 a生人工楊樹(shù)林喬木層每公頃碳儲(chǔ)量為196.0016噸。

表5 研究地碳儲(chǔ)量計(jì)算結(jié)果表

3 結(jié)論與討論

3.1 通過(guò)對(duì)宜秀區(qū)大龍山鎮(zhèn)人工楊樹(shù)林的野外調(diào)查表明，研究地為沿江平原地帶，坡度較小，研究楊樹(shù)林林齡為10 a，屬楊樹(shù)近熟林，密度在433～533之間，平均樹(shù)高在20.5～22.0之間，徑級(jí)分布集中在18～28之間。由于研究地為人工林，人為活動(dòng)影響較大，森林植被類(lèi)型很少，原生地帶性森林植被類(lèi)型已不復(fù)存在，所以要加強(qiáng)對(duì)人工楊樹(shù)林的管理。

3.2 楊樹(shù)干、枝、葉生物量占單木生物量的比例，以干生物量比例最大，4株單木干生物量占單木地上總生物量的比例在75.8% ～83.2%之間，說(shuō)明干生物量是單木地上部分生物量的主體;其次是枝生物量，占單木地上生物量的比例在12.1% ～19.8%之間;而葉生物量只占單木地上生物量的極小部分，所占比例為3.9%到4.7%之間。闊葉樹(shù)枝干比較發(fā)達(dá)，因而其生物量占單木地上部分生物量的比例也較大;葉是光合作用的器官，葉生物量的多少直接關(guān)系到葉面積指數(shù)與光合產(chǎn)物的大小，進(jìn)而影響林木的生長(zhǎng)，因此，保持足夠的葉量是確保林木健康生長(zhǎng)的重要保證。

3.3 宜秀區(qū)大龍山鎮(zhèn)10 a生人工楊樹(shù)林喬木層地上部分總生物量為255.2104(t·hm-2)，通過(guò)轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)一步得出該研究地人工楊樹(shù)林喬木層林分總生物量為408.3366(t·hm-2)，每公頃碳儲(chǔ)量為196.0016 t。楊樹(shù)是重要的用材樹(shù)種，在砍伐利用時(shí)，不僅要注意主干部分的利用，還要提高枝條部分的利用率，以減少采伐剩余物、提高木材綜合利用率。

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