黃淮海平原主要農(nóng)林復(fù)合樹種的含碳率研究

樊 星 ，田大倫 ，樊 巍 ，楊海青

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.河南省生態(tài)林業(yè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450008）

黃淮海平原主要農(nóng)林復(fù)合樹種的含碳率研究

樊 星1，田大倫1，樊 巍2，楊海青2

（1.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.河南省生態(tài)林業(yè)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450008）

為了準(zhǔn)確計(jì)量黃淮海平原地區(qū)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)的碳匯功能，指導(dǎo)固碳樹種的選擇，分析了黃淮海平原20種主要農(nóng)林復(fù)合樹種不同器官的含碳率和10種典型樹種生物量，計(jì)算了平均含碳率和平均加權(quán)含碳率。結(jié)果表明，各樹種器官含碳率在34.19%～49.19%之間，樹干的平均含碳率為44.12%，樹枝的平均含碳率為45.51%，葉的平均含碳率為45.07%，根系的平均含碳率為39.84%。各樹種平均含碳率在40.03%～47.94%之間，棗樹平均含碳率最高，為47.94%，柿樹最低，為40.03%。全部20種主要農(nóng)林復(fù)合樹種的平均含碳率為43.57%，可以作為黃淮海平原地區(qū)森林平均含碳率。10種典型樹種平均加權(quán)含碳率欒樹最高，為47.32%，柿樹最低，為38.82%，和平均含碳率差距在0.11%～1.73%之間。從樹種含碳率來(lái)看，欒樹、107楊、泡桐、國(guó)槐、苦楝、大葉女貞和棗樹可作為黃淮海平原農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)優(yōu)先選擇的固碳樹種。

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)；樹種；碳匯功能；黃淮海平原；含碳率；加權(quán)平均含碳率

含碳率是確定植被碳匯功能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，由于獲取各種植被類型的含碳率比較困難，在過(guò)去的區(qū)域和國(guó)家尺度的森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量的估算國(guó)內(nèi)外研究者大多采用0.50作為所有森林類型的平均含碳率，也有采用0.45作為平均含碳率的，極少數(shù)根據(jù)不同樹種采用不同含碳量[1-3]。事實(shí)上不同植物及同一植物的不同器官中的碳元素含量是有差別的，為了能精確估算某一區(qū)域森林碳儲(chǔ)量，有必要對(duì)該區(qū)域各主要森林類型的含碳量分別進(jìn)行測(cè)定和分析[4-6]。同時(shí)，由于植物含碳率分配和各部位生物量分配的不均勻，平均含碳率和以各器官生物量所占比例為基礎(chǔ)的加權(quán)平均含碳率有一定差距，因此,有必要分析兩者差異以便于精確計(jì)算。

農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)糧食生產(chǎn)、緩解貧困和環(huán)境保護(hù)三者的平衡發(fā)展, 是解決當(dāng)前資源枯竭、農(nóng)林用地矛盾等問(wèn)題的可持續(xù)土地管理模式，通過(guò)農(nóng)林復(fù)合可以增加農(nóng)業(yè)林業(yè)碳匯[7-8]。有研究表明，農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)如果布局合理, 在未來(lái)50 a內(nèi), 可以從大氣中吸收1.1～2.2 Pg C[8]。但對(duì)農(nóng)林復(fù)合系統(tǒng)固碳這一重要的生態(tài)服務(wù)功能的報(bào)道不多,國(guó)內(nèi)的研究則更少。研究方向上樹種過(guò)于單一，主要集中在楊樹等的主要樹種，從固碳角度出發(fā)的農(nóng)林復(fù)合樹種選擇問(wèn)題的研究更少。

黃淮海平原人口密度大，土地面積有限，因此，提高農(nóng)林復(fù)合質(zhì)量，即在有限的農(nóng)田面積上固定更多的碳是十分必要的[9]。對(duì)黃淮海平原的農(nóng)林復(fù)合樹種進(jìn)行含碳率分析，可以為黃淮海平原制定有利于固碳的農(nóng)林復(fù)合造林模式和固碳政策，也為基于固碳功能的農(nóng)林復(fù)合樹種選擇提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究地區(qū)概況

試驗(yàn)地設(shè)在處于黃淮海平原心腹的河南省商丘市民權(quán)國(guó)有林場(chǎng)國(guó)家林業(yè)局黃淮平原農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)定位研究觀測(cè)站實(shí)驗(yàn)基地，地理坐標(biāo)為34°31′～ 34°32′N， 115°00′15″～ 115°24′41″E，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫14.0℃，年平均降雨量679 mm。區(qū)內(nèi)土壤為黃河沖擊形成的潮土類細(xì)砂土，質(zhì)地以沙土和砂壤為主，地下水位2～3 m。

1.2 研究方法

1.2.1 選擇樣地和標(biāo)準(zhǔn)木

本研究共采集了歐美楊107 Populus×eurameriaana cv’ Neva’、 白 毛 楊 Populus tomentosa Carr、 白 榆 Ulmus pumila L、 大 葉女 貞Ligustrum lucidum Ait、 白 蠟Fraxinus chinensis Roxb.、 苦 楝 Melia azedarach L.、 楸樹Catalpabungei C.A.Mey、香椿Toona sinensis.A.Juss.、刺槐Robinia pseudoacaicia L.、旱柳Salix babylonica、 法 桐 Platanus、 欒 樹Koelreuteria integrifoliola Merr、國(guó)槐Sophora japonica L.、泡桐Paulownia、馬褂木Liriodendron chinense(Hemsl)darg.、 石 榴 Punicagranatum L.、 棗 樹 Zizyphus jujube Mill、 柿 樹 Diospyros kaki Thunb、 杏 樹Armeniaca vulgaris Lam.、核桃Juglans regia L.20種黃淮海平原常用農(nóng)林復(fù)合樹種。選擇8～10 a的林分作為取樣對(duì)象，每個(gè)樹種選一塊1 000 m2（20 m ×50 m）長(zhǎng)方形標(biāo)準(zhǔn)地，每個(gè)樣地樹木保證3行，株數(shù)20株，測(cè)定樹木的胸徑、樹高、第一活枝高、冠幅，根據(jù)所測(cè)的胸徑和樹高算出平均胸高斷面積和平均樹高，選擇相近數(shù)值的樹作為標(biāo)準(zhǔn)木。按樹干、樹枝、樹葉、樹根4部分分別采樣。

1.2.2 典型樹種生物量測(cè)定

采用維量分析法。分為選取平均標(biāo)準(zhǔn)樣木、砍伐、分部位切割、分部位稱重、分部位取樣、送實(shí)驗(yàn)室干燥、稱重7步。分別選取黃淮海地區(qū)最常見(jiàn)農(nóng)林復(fù)合樹種白蠟、法桐、欒樹、國(guó)槐、107楊、毛白楊、白榆和柿樹10種平均標(biāo)準(zhǔn)木,然后對(duì)樣木進(jìn)行詳細(xì)的室外-室內(nèi)測(cè)定。按照一般方法進(jìn)行伐木，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)樹干、樹枝、樹葉、樹根分別稱重。之后選取樹干中部、基部，枝條上、中、下三部分；樹根分大根、中根和細(xì)根3種，樹葉各取1 kg分別存放。在≤70 ℃的條件下烘干至恒重,計(jì)算樣品含水率，據(jù)樣品含水率計(jì)算各器官干重，每樣品3次重復(fù)，最后計(jì)算各樹種樹干、樹枝、樹葉、樹根各組份生物量比例。

1.2.3 各組分含碳率測(cè)定

樣品的處理：所有采集的樣品在粉碎前均放入85℃的恒溫箱中烘至恒重。本實(shí)驗(yàn)采用3次粉碎法制樣，即初次粉碎時(shí)每個(gè)樹種選擇取樣量比較大，在初次粉碎的基礎(chǔ)上按四分法取其中的四分之一進(jìn)行第二次粉碎，然后依照這種方法進(jìn)行第三次粉碎，經(jīng)粉碎的樣品過(guò)200目篩后裝瓶備用。所有粉碎后的樣品在分析前，再次放入80 ℃的恒溫箱中烘24 h。

各組分含碳率的測(cè)算：采用EAC3000NCS/O元素分析儀測(cè)定植物樣品碳含量。分析精度C≤0.1%，分析速度C≤180 S，測(cè)定范圍100×10-6～100%。每個(gè)樣品3次重復(fù)，整個(gè)測(cè)量過(guò)程由電腦自動(dòng)記錄測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003和SPSS 16.0軟件進(jìn)行分析數(shù)據(jù)處理分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要農(nóng)林復(fù)合樹種各器官含碳率

黃淮海平原20種主要農(nóng)林復(fù)合樹種含碳率見(jiàn)表1。各器官含碳率在34.19%～49.19%之間，總體上看，樹干、樹枝和樹葉含碳率差異不顯著，根系一般含碳率較低。從樹干含碳率來(lái)看，棗樹干的含碳率最高，為49.19%，法桐含碳率最低，為38.98%；樹枝中歐美楊107含碳率最高，為47.50%，核桃的含碳率最低，為42.60%；樹葉中棗樹含碳率最高，為48.11%，白榆的含碳率最低，為41.12%；樹根中棗樹含碳率最高，為47.49%，馬褂木的含碳率最低，為29.62%。20種主要農(nóng)林樹種干的平均含碳率為44.12%，樹枝的平均含碳率為45.51%，樹葉的平均含碳率為45.07%，樹根的平均含碳率為39.84%。在不同樹種同一組分間，樹枝的差異系數(shù)最小，為2.91%；根系的差異系數(shù)最大，為12.38%。

2.2 黃淮海平原20種主要農(nóng)林復(fù)合樹種平均含碳率

各農(nóng)林復(fù)合樹種平均含碳率在40.03%～47.94%之間，其中棗樹平均含碳率最高，為47.94%，柿樹平均含碳率最低，為40.03%。平均含碳率前三位的樹種分別為棗樹、欒樹、大葉女貞，平均含碳率后三位的樹種分別為柿樹、香椿、楸樹。欒樹各組分間含碳率差異系數(shù)最小，為1.01%；馬褂木各組分間含碳率差異系數(shù)最大，為19.53%。15種用材樹種平均含碳率為43.58%，5種經(jīng)濟(jì)林類平均含碳率為43.55%，差距不明顯。全部20種主要農(nóng)林復(fù)合樹種的平均含碳率為43.65%，低于國(guó)內(nèi)外研究者大多采用的0.50或0.45的平均含碳率。

表1 主要農(nóng)林復(fù)合樹種含碳率Table 1 Carbon contents of agro-forestry tree species

2.3 常見(jiàn)農(nóng)林復(fù)合樹種的加權(quán)平均含碳率

選擇白蠟、法桐、欒樹、國(guó)槐、107楊、毛白楊、白榆、泡桐、刺槐和柿樹10種黃淮海平原常見(jiàn)農(nóng)林復(fù)合樹種，將各部位干重所占比重列于表2，將各樹種各部位干重所占比重與各部位含碳率的乘積相加，得出10種樹種的加權(quán)平均含碳率。

表2 10種常用農(nóng)林復(fù)合樹種生物量比重及加權(quán)平均含碳率Table 2 Weighted average carbon contents and allocation of biomass to ten agro-forestry tree species

與平均含碳率進(jìn)行比較加權(quán)平均含碳率和平均含碳率差距在0.11%～1.73%，10種樹種中有欒樹、107楊、毛白楊、白榆、泡桐5種樹種加權(quán)平均含碳率高于平均含碳率，另外5種低于平均含碳率，高低差異無(wú)明顯規(guī)律。

3 結(jié)論和討論

20種農(nóng)林復(fù)合樹種中含碳率差異比較大，含碳率最高的欒樹為47.19%，最低的柿樹為40.03%；各樹種的平均含碳率在40.03%～47.94%之間，20種樹種平均含碳率為43.57%，這和國(guó)內(nèi)外研究者大多采用的0.50的平均含碳率差距比較大，大部分樹種也低于0.45這個(gè)系數(shù)。主要原因是農(nóng)林復(fù)合樹種大多是速生闊葉樹種，所以含碳率低。43.57%可以作為黃淮海平原地區(qū)計(jì)算森林碳匯時(shí)的平均含碳率。樹種各器官含碳率在34.19%～49.19%之間，特別是樹干、樹枝和樹葉之間差異不大。

樹種平均含碳率和加權(quán)含碳率存在差異，在計(jì)算碳含量時(shí)需要考慮到兩種碳含量計(jì)算結(jié)果的差異，采用合適的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)需要精確計(jì)算碳含量時(shí)，建議采用加權(quán)含碳率計(jì)算。

結(jié)合碳含量綜合分析，在黃淮海平原，欒樹、107楊、白蠟、泡桐、國(guó)槐、苦楝和大葉女貞固碳能力更加突出， 應(yīng)在進(jìn)行農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)樹種選擇時(shí)作為固碳樹種的選擇對(duì)象，而經(jīng)濟(jì)樹種中棗樹、核桃和杏樹固碳效果更加明顯，應(yīng)在選擇種植中考慮到其固碳價(jià)值。

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Carbon content of main agro-forestry tree species in the North China Plain

FAN Xing1, TIAN Da-lun1, FAN Wei2, YANG Hai-qing2
(1. School of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China;2. Ecological Forestry Engineering Technology Research Center, Henan Academy of Forestry, Zhengzhou 450008, Henan, Chain)

∶ In order to accurately measure the carbon sink function of agro-forestry systems in the North China Plain, and guiding the choice of carbon sequestration tree species. The carbon contents of different organs of 20 agro-forestry tree species and the biomass of 10 species were analyzed. The results show that the carbon contents of various organs were between 34.19%～49.19%; the average carbon content of trunks was 44.12%, twigs 45.51%, leaves 45.07% and the roots was 39.84%; the average carbon contents of the species were between 40.03% ～ 47.94%, and that of jujube was the highest (47.94%), that of persimmon was the lowest (40.03%); the average carbon content of all 20 major agro-forestry species was 43.57%, and it may serve as the average carbon concentration of the forests in the North China Plain; the weighted average carbon contents of 10 species were between 38.82%-47.32%, that of Koelreuteria was the highest(47.32%) and that of persimmon was the lowest(38.82%), the gaps between two values and the average carbon content were 0.11%～1.73%; from the view of carbon content, Koelreuteria integrifoliola, Populus×eurameriaana cv’ Neva’, Paulownia, Sophora japonica L., Melia azedarach L., Ligustrum lucidum Ait and Zizyphus jujube Mill can be serve as the option-preferred agro-forestry system for carbon sequestration tree species in the North China Plain.

∶ agro-forestry system; tree species; carbon sink function; the North Chain Plain; carbon content; weighted average of carbon content

S718.55+4.2

A

1673-923X(2014)06-0085-03

2014-01-25

國(guó)家“十二五”科技支撐項(xiàng)目（2011BAD38B0205）；國(guó)家林業(yè)局黃淮海平原農(nóng)田防護(hù)林生態(tài)系統(tǒng)定位研究觀測(cè)站

樊 星（1989-），男，河南鄭州人，碩士研究生，主要從事林業(yè)生態(tài)工程方面的研究

田大倫（1939-），女，湖南長(zhǎng)沙人，教授，博導(dǎo)，主要從事森林生態(tài)系統(tǒng)定位方面的研究

[本文編校：文鳳鳴]