赤松、側(cè)柏兩樹種含碳量方程的構(gòu)建

曹寧，李建華*，崔傳洋，周才平，馮燕，劉新，侯化洋

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東泰安271018

2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101

3.泗水縣林業(yè)局，山東泗水273200

4.滕州市林業(yè)局，山東滕州277500

赤松、側(cè)柏兩樹種含碳量方程的構(gòu)建

曹寧1，李建華1*，崔傳洋1，周才平2，馮燕3，劉新4，侯化洋4

1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東泰安271018

2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京100101

3.泗水縣林業(yè)局，山東泗水273200

4.滕州市林業(yè)局，山東滕州277500

本文采用整株挖掘、分割稱重法野外獲得15株赤松和16株側(cè)柏的單木及器官生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合野外取樣和室內(nèi)含碳率測(cè)定求算出樹木各器官及整株含碳量。以含碳量為因變量，樹木胸徑和樹高為自變量建立含碳量回歸方程。結(jié)果表明：以胸徑為自變量的一元含碳量方程與以胸徑、樹高同時(shí)為自變量的二元含碳量方程均達(dá)到極顯著水平。該方法與傳統(tǒng)的方法相比，具有省時(shí)、省力、針對(duì)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因此，所建方程不僅可用于兩樹種的碳儲(chǔ)量計(jì)測(cè)研究，同時(shí)也為今后其他樹種的碳儲(chǔ)量計(jì)測(cè)提供了可供借鑒的技術(shù)方法。

赤松；側(cè)柏；含碳量方程

近年來，隨著京都議定書的簽署和碳匯貿(mào)易的到來，森林碳匯的生產(chǎn)逐漸引起人們的注意，由此，也引發(fā)了科技工作者對(duì)各類生態(tài)樹種碳匯功能的研究［1，2］。2002年，中國科學(xué)研究院正式啟動(dòng)了中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳通量觀測(cè)項(xiàng)目，設(shè)立了4個(gè)典型森林生態(tài)系統(tǒng)CO2通量觀測(cè)站［3］，標(biāo)志著我國關(guān)于碳匯項(xiàng)目研究的正式開始。2007年，我國開展了為期3年的“全國森林生物量和碳儲(chǔ)量估算研究”項(xiàng)目［4］，全國各省市相繼開展森林碳匯的調(diào)查項(xiàng)目，推動(dòng)了我國碳匯項(xiàng)目的研究。2009年，張萍通過已有的生物量模型估算各樹種的生物量，再與測(cè)得的含碳率乘積計(jì)算得到北京市延慶縣側(cè)柏等9個(gè)主要林分類型的碳儲(chǔ)量［5］，其中單木生物量是利用其他地區(qū)生物量方程進(jìn)行估計(jì)的；2012年，周偉運(yùn)用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法和非蓄積換算法估算徐州市側(cè)柏等森林植被生物量，將生物量與含碳系數(shù)相乘得到森林植被碳儲(chǔ)量［6］，其中，含碳系數(shù)是根據(jù)碳元素占木材比例估算而得；2014年，遲璐等通過現(xiàn)有的生物量模型估算油松林喬木層生物量，再與不同部位含碳率相乘得到喬木層碳儲(chǔ)量［7］，但是研究中使用的生物量模型并未進(jìn)行適用性檢驗(yàn)。

從以上研究成果可以看出，目前作為碳儲(chǔ)量的計(jì)算結(jié)果不是通過生物量調(diào)查結(jié)果換算得到就是通過蓄積量調(diào)查結(jié)果換算得到，而這兩種方法一是中間調(diào)查需要較多的工作量，二是生物量大多采用現(xiàn)有的方程估算而得，蓄積量為查閱資料文獻(xiàn)所得，換算系數(shù)一般采用經(jīng)驗(yàn)平均值，計(jì)量結(jié)果缺乏針對(duì)性，難以在特定樹種的小區(qū)域碳匯科研比較或價(jià)值核算中使用，因此，針對(duì)上述情況，本文以現(xiàn)地采樣實(shí)測(cè)得到的赤松、側(cè)柏樹體實(shí)際含碳量為因變量，以樹木胸徑、樹高為自變量建立回歸方程，以便為生產(chǎn)和科研中直接應(yīng)用該方程、通過調(diào)查樹木直徑得到碳匯值提供技術(shù)依據(jù)，從而簡化碳匯調(diào)查工作過程，提高工作效率。不僅如此，山東省森林碳匯的研究工作于2012年正式啟動(dòng)，關(guān)于生物量方程的研究正處于起步階段，含碳量方程的研究則剛剛開始，作為碳匯調(diào)查的基礎(chǔ)研究，本文所建方程也為山東省下一步的森林碳匯分樹種、分區(qū)域計(jì)測(cè)和評(píng)價(jià)提供了一定的技術(shù)儲(chǔ)備。

赤松、側(cè)柏耐干旱瘠薄，適應(yīng)性廣，是山區(qū)綠化的重要樹種和主要樹種，在山東乃至我國華北地區(qū)的森林生態(tài)建設(shè)中都有著舉足輕重的作用。關(guān)于兩樹種的研究以往多集中在森林培育、木材生產(chǎn)、森林健康和水土保持等方面［8-9］，因此，本文對(duì)赤松、側(cè)柏在森林碳匯方面進(jìn)行研究也是十分必要的。

1　材料與方法

1.1調(diào)查地基本情況

本研究的樣木調(diào)查地點(diǎn)主要位于山東省泗水縣黃山林場(chǎng)和安山林場(chǎng)、滕州市的木石山林場(chǎng)，以及泰安市的徂徠山林場(chǎng)，為典型的大陸性季風(fēng)氣候。

泗水黃山林場(chǎng)屬于泗南低山丘陵區(qū)，典型的沉積巖與花崗、片麻巖混合地貌，棕壤性土，總地勢(shì)為東南高西北低，南坡較陡，山脊延伸較短；北坡較緩，山脊延伸較長，溝壑縱橫，地形多樣。安山林場(chǎng)同屬于泗南低山丘陵區(qū)，嶺坡、坡麓較為分明，中西部山體為灰?guī)r山丘，西南部和東南部是上為沉積巖、下為變質(zhì)巖的“戴帽”山峰，魯中南山區(qū)常見的“崮”形結(jié)構(gòu)特征明顯。安山林場(chǎng)和黃山林場(chǎng)森林植被類型主要以針葉林、針闊混交林和落葉闊葉林為主，樹種主要有黑松、赤松、側(cè)柏、刺槐和麻櫟等，年平均氣溫13.4℃，年平均降水量755 mm。

滕州木石山林場(chǎng)屬于低山丘陵區(qū)，光照好，積溫高，熱量豐富，雨量充沛，光、熱、水、氣等條件優(yōu)越，主要土壤類型為褐土，歷年平均降水量756 mm，主要集中在6～8月份，歷年平均氣溫13.6℃。

泰安市徂徠山林場(chǎng)屬魯中沙石山區(qū)，年均氣溫13.9℃，年平均降水量885 mm，山區(qū)大部分屬于普通棕壤，少部分是為粗骨棕壤，樹種多以人工純林為主，例如，赤松、側(cè)柏、麻櫟和刺槐等。

1.2樣木選取

根據(jù)森林資源二類清查資料，依據(jù)兩樹種在采樣區(qū)的分布情況確定樣木選取的野外大致位置。具體確定樣木時(shí)注意每徑階都要有樣木分布，并且中央徑階株數(shù)適當(dāng)偏多。兩樹種共選徑階樣木31株，野外選定后接著測(cè)定胸徑、樹高、冠幅、枝下高等調(diào)查因子，然后將樣木挖出、鋸解后測(cè)定各器官（干、根、根樁、枝、葉）鮮重，其基本情況見表1。

表1　研究區(qū)兩樹種的基本情況Table 1 The basic characteristics of two tree species in study area

1.3樣木采集與稱重

在測(cè)量完直徑、樹高和冠幅等基本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用全挖法將選定的樣木用挖掘機(jī)或人工全部挖出，然后將樹葉摘下，再用油鋸和砍刀等將樹體按不同器官分解為樹干、根樁、樹根、枝條和樹葉共五個(gè)部分。分解完成后用電子鉤秤對(duì)每部分現(xiàn)場(chǎng)稱取鮮重。

1.4取樣及含水率測(cè)定

樹干的取樣是在胸高位置截取1個(gè)3 cm～5 cm厚圓盤；樹枝分小枝、中枝和大枝三部分單獨(dú)取樣，每個(gè)樣品重量約為500 g；樹葉混合均勻后取樣約400 g；樹根按照根樁、大根、中根和細(xì)根單獨(dú)取樣，每個(gè)樣品約500 g，其中，根樁在根樁中部截取圓盤樣品。所有圓盤放入網(wǎng)兜中，其余樣品均放入牛皮紙袋中帶回。將所有野外采集的樣品稱量鮮重并做好標(biāo)記，帶回實(shí)驗(yàn)室，放入80℃烘箱內(nèi)烘干48 h之后，稱重記錄，再放回烘干再稱重，多次稱量確保樣品至恒重。通過樣品干重與鮮重關(guān)系測(cè)定各器官含水率（MC），計(jì)算公式如下：

1.5各器官及整株生物量計(jì)算

通過各器官鮮重與測(cè)得的含水率之間的關(guān)系計(jì)算各器官生物量。

式中，MC為相應(yīng)器官含水率，W器官分別為樹干、樹枝、樹葉、樹根及根樁生物量。

1.6各器官及整株含碳量計(jì)算

1.6.1各器官含碳率本實(shí)驗(yàn)的含碳率測(cè)定結(jié)果采用前期研究項(xiàng)目-中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)中關(guān)于山東省赤松、側(cè)柏兩樹種含碳率的測(cè)定結(jié)果，見表2［4］。測(cè)定結(jié)果顯示兩樹種各器官之間含碳率差異不大，而兩樹種之間含碳率赤松略高于側(cè)柏。

表2　兩樹種各器官含碳率測(cè)定結(jié)果Table 2 The determination results of carbon content rate in different organs of two trees

1.6.2含碳量計(jì)算將各器官生物量與相應(yīng)器官的含碳率相乘得到各器官含碳量，各器官含碳量相加得到整株含碳量。

式中，CF為相應(yīng)器官含碳率，C干、C枝、C葉、C根、C根樁和C整株分別為各器官和整株含碳量。

1.7含碳量方程建立

目前森林碳儲(chǔ)量的測(cè)定方法基本采用生物量回歸模型估計(jì)法［10］，而本研究以胸徑D和樹高H為自變量，器官或整株含碳量為因變量，運(yùn)用SAS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，回歸分析中選用了線性、指數(shù)、冪、對(duì)數(shù)、多項(xiàng)式、復(fù)合、增長、立方、S、逆模型、Logistic等11種函數(shù)形式和非線性回歸模型，共建立兩樹種含碳量方程432個(gè)，通過相關(guān)系數(shù)（R2）來評(píng)價(jià)模型的擬合精度［11］，并篩選出相關(guān)系數(shù)最大的含碳量方程。R2計(jì)算公式如下：

式中：yi為第i株樣木含碳量的實(shí)測(cè)值，為模型估計(jì)值，為樣本平均值，n為樣木株數(shù)。

2　結(jié)果與分析

2.1含碳量的測(cè)定結(jié)果

根據(jù)公式（3）和公式（4）計(jì)算含碳量，其結(jié)果見表3、表4。

表3　赤松各組分含碳量Table 3 The carbon content in each component of Pinus densiflora

表4　側(cè)柏各組分含碳量Table 4 The carbon content in each component of Platycladus orientalis

2.2赤松、側(cè)柏含碳量方程

依據(jù)上述建立含碳量方程的方法，建立一元含碳量方程和二元含碳量方程，按照相關(guān)系數(shù)（R2）最大選取兩組含碳量方程（見表5、表6）。

表5　以胸徑（D）為自變量的一元含碳量方程（單位：C/kg，D/cm）Table 5 The single-variable carbon content equations with DBH（D）as the independent variable（Unit：C/kg,D/cm）

表6　以胸徑（D）和樹高（H）為自變量的二元含碳量方程（單位：C/kg，D/cm，H/m）Table 6 The binary carbon content equations with DBH（D）and height（H）as the independent variables（Unit：C/kg,D/cm，H/m）

由表5、表6結(jié)果顯示，本研究所建一元含碳量方程和二元含碳量方程都達(dá)到極顯著水平。赤松一元含碳量方程中相關(guān)系數(shù)最大的是整株含碳量方程（0.9639），最小的是樹葉含碳量方程（0.7838）；二元含碳量方程中相關(guān)系數(shù)最大的是樹干含碳量方程（0.9759），最小的是樹葉含碳量方程（0.7980）。側(cè)柏一元含碳量方程中相關(guān)系數(shù)最大的是整株含碳量方程（0.9944），最小的是樹葉含碳量方程（0.9587）；二元含碳量方程中相關(guān)系數(shù)最大的是樹干含碳量方程（0.9953），最小的是根樁含碳量方程（0.9635）。赤松除樹葉含碳量方程外，其他各部分含碳量方程相關(guān)系數(shù)均在0.90以上，側(cè)柏各部分含碳量方程相關(guān)系數(shù)均在0.95以上，預(yù)示著該方程在生產(chǎn)中具有良好的實(shí)用價(jià)值。

3　討論與結(jié)論

3.1討論

3.1.1關(guān)于一元含碳量方程和二元含碳量方程的選用問題在實(shí)際生產(chǎn)中兩組方程均可滿足不同調(diào)查工作的需要，但以所建方程結(jié)果來看（表5、表6），一元含碳量方程除赤松樹葉外相關(guān)系數(shù)均在0.90以上，說明即使使用胸徑（D）一個(gè)變量也可獲得較為精確的碳值估算結(jié)果［12，13］，因此，在一般情況下，作者建議采用一元含碳量方程，這樣可以減少樹高調(diào)查產(chǎn)生的野外工作量，提高工作效率。

3.1.2關(guān)于方程建立過程中樣木株數(shù)的問題本研究在建立含碳量方程的過程中，采用了15株赤松和16株側(cè)柏的原始數(shù)據(jù)。從數(shù)理統(tǒng)計(jì)的角度來說，數(shù)據(jù)量略微偏少，但是，從實(shí)際工作的角度來看，獲取原始數(shù)據(jù)需要較大的工作量，每株樹木都需連根全部挖出，在此基礎(chǔ)上還要分別對(duì)樹干、樹枝、樹葉、樹根、根樁進(jìn)行分解、稱重、取樣、烘干、測(cè)定含水率和含碳率等細(xì)部工作，數(shù)據(jù)采集難度大，這也是目前尚未有人以單株含碳量作為因變量建立方程的主要原因。鑒于此，本文所發(fā)表的含碳量方程具有資料的珍貴性，是在含碳量測(cè)定方面一次有益的探索，希望能對(duì)碳匯計(jì)測(cè)研究提供應(yīng)有的技術(shù)支持。

3.1.3關(guān)于含碳量方程的實(shí)用價(jià)值問題傳統(tǒng)的單株樹木含碳量通常是由生物量乘以平均含碳率計(jì)算得到的［1，14-18］，平均含碳率是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，而實(shí)際中，每株樹木都是由根、干、枝、葉等器官組成，各器官含碳率不同，因此只用一個(gè)平均的含碳率來籠統(tǒng)計(jì)算總體的碳含量顯然存在較大的誤差。本研究中作者以各器官的生物量和實(shí)測(cè)的含碳率分別求得器官含碳量和整株含碳量，并以此作為因變量直接建立含碳量方程，應(yīng)用時(shí)只需通過調(diào)查樹木胸徑和樹高，而后代入公式即可直接得到樹體碳值，這樣不僅減少了中間生物量的計(jì)測(cè)過程，節(jié)約了調(diào)查成本，而且提高了含碳量測(cè)算的針對(duì)性和準(zhǔn)確性，因此本研究所建方程對(duì)碳匯科研和計(jì)測(cè)工作具有良好的實(shí)用價(jià)值。

3.2結(jié)論

本論文以赤松、側(cè)柏兩樹種為研究對(duì)象，通過對(duì)單株及其器官含碳量的精確測(cè)定建立了整株及各器官的一元含碳量方程（表5）和二元含碳量方程（表6），所建方程中除赤松樹葉外，其他含碳量方程的相關(guān)系數(shù)均在0.90以上，相關(guān)關(guān)系明顯，能夠滿足兩樹種在碳匯計(jì)測(cè)及相關(guān)科研工作中的需要。本研究在碳匯計(jì)測(cè)領(lǐng)域首次為樹木整株及器官建立了含碳量方程，采用該方程可由胸徑、樹高直接計(jì)算出含碳量值，與傳統(tǒng)方法相比省去了中間測(cè)定生物量及相應(yīng)含碳率的過程，因而可明顯提高碳匯調(diào)查的工作效率。不僅如此，本研究所建含碳量方程還為兩樹種碳儲(chǔ)量估算提供了直接的技術(shù)支持，同時(shí)也為其他樹種的碳儲(chǔ)量估算提供了方法借鑒。

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Construction of Carbon Content Equations of Pinus densiflora and Platycladus orientalis

CAO Ning1，LI Jian-hua1*，CUI Chuan-yang1，ZHOU Cai-ping2，F(xiàn)ENG Yan3，LIU Xin4，HOU Hua-yang4
1.College of Forestry/Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China
2.Institute of Geographic Science and Natural Resources/Chinese Academy of Science，Beijing 100101，China
3.Sishui Forestry Bureau，Sishui 273200，China
4.Tengzhou Forestry Bureau，Tengzhou 277500，China

To get the carbon content of tissues and whole trees from Pinus densiflora and Platycladus orientalis，this paper took the live data by way of excavating whole trees and weighing dividually in combination with sampling in the wild and determining carbon rate in door to construct the regression equations at diameters and heights as independent variables，carbon content as dependent variables.The results showed there were significant difference in the single-variable carbon content equation with DBH as the independent variable and the binary carbon content equation with DBH and height as the independent variables.This method saved time，labor and had a specific target compared with traditional methods.Therefore，the equations not only could be used to measure the carbon storage of the two species，but also provide technology way to measure other species for reference.

Pinus densiflora；Platycladus orientalis；carbon content equations

S757.2

A

1000-2324（2016）02-0181-05

2014-08-08

2014-12-29

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA05050203-02）

曹寧（1989-），女，在讀研究生，主要從事森林經(jīng)理學(xué)研究.E-mail：cherrydehome@163.com

Author for correspondence.E-mail：ljhnk@163.com