庫布齊沙漠灌木碳匯的計(jì)量方法研究
——以檸條和沙柳為例

魏　興，趙　吉,2,3，清　華，曾　靜

（1.內(nèi)蒙古大學(xué)　環(huán)境與資源學(xué)院，內(nèi)蒙古　呼和浩特　010021；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境污染控制與廢物資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古　呼和浩特010021；3.中美生態(tài)、能源及可持續(xù)性科學(xué)研究中心，內(nèi)蒙古　呼和浩特　010021）

庫布齊沙漠灌木碳匯的計(jì)量方法研究
——以檸條和沙柳為例

魏興1，趙吉1,2,3，清華1，曾靜1

（1.內(nèi)蒙古大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010021；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境污染控制與廢物資源化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古呼和浩特010021；3.中美生態(tài)、能源及可持續(xù)性科學(xué)研究中心，內(nèi)蒙古呼和浩特010021）

灌木林碳匯項(xiàng)目前景正好、潛力巨大，在荒漠區(qū)開展碳匯造林項(xiàng)目有望獲得可交易的中國核證減排量，而且能夠帶來諸多的環(huán)境效益.目前已備案的方法學(xué)中關(guān)于灌木的碳計(jì)量方法是基于喬木的基礎(chǔ)上利用蓋度來測(cè)算的，其適用性較差.為此，以在庫布齊沙漠營造檸條（Caragana）和沙柳（Salixpsammophila）灌木林為例，以碳匯為切入點(diǎn)，在估算灌木地下生物量和群落生物量方法上，本研究提供一種適用于荒漠區(qū)的灌木造林的碳計(jì)量方法，為灌木林碳匯方法學(xué)的開發(fā)及其碳匯項(xiàng)目的開展提供借鑒.

荒漠；灌木；碳計(jì)量方法；碳交易

2015年12月，全球195個(gè)締約方國家參加巴黎氣候大會(huì)，并且通過了具有歷史意義的全球氣候變化新協(xié)議《巴黎協(xié)定》，這說明了以溫室效應(yīng)為主的氣候變化的問題已經(jīng)越來越受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注并且成為亟待解決的問題.

作為能夠通過光合作用有效固定和吸收二氧化碳、緩解溫室效應(yīng)的主力，林業(yè)碳匯逐漸被人們所認(rèn)可.通俗地說，林業(yè)碳匯就是遵循各國應(yīng)對(duì)氣候變化國家戰(zhàn)略和可持續(xù)發(fā)展原則，以增加森林碳匯功能、減緩全球氣候變暖為目標(biāo)，綜合運(yùn)用市場(chǎng)、法律和行政手段，促進(jìn)森林培育、森林保護(hù)和可持續(xù)經(jīng)營的林業(yè)活動(dòng)，提高森林生態(tài)系統(tǒng)整體固碳能力.同時(shí)，鼓勵(lì)企業(yè)、公民積極參與造林增匯活動(dòng)，展示社會(huì)責(zé)任，提高公民應(yīng)對(duì)氣候變化和保護(hù)氣候意識(shí).充分發(fā)揮林業(yè)在應(yīng)對(duì)氣候變化中的功能和作用，可促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展.預(yù)計(jì)到2017年，我國將全面啟動(dòng)全國碳排放權(quán)交易市場(chǎng)，毫無疑問，中國將成為全球最大的碳市場(chǎng)，這將為林業(yè)碳匯帶來了許多政策的支持以及無限的商機(jī)和巨大的潛力.

灌木是陸地生態(tài)系統(tǒng)物種的重要組成之一.根據(jù)最新的第八次全國森林資源清查結(jié)果，我國灌木林面積5590萬hm2，占林地面積的18%［1］.同時(shí)，荒漠化土地作為陸地的主要組成部分，約占其總面積的20%［2］，以戈壁、沙漠化和風(fēng)沙化為主的土地主要分布在北緯37°-42°之間的區(qū)域.沙化的蔓延直接影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，更嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)厝嗣裆钏?，每年由于沙漠化?qiáng)度的不斷發(fā)展，造成的經(jīng)濟(jì)損失也是難以估量的.因此，沙漠化是一個(gè)破擊需要引起重視并急需解決的生態(tài)環(huán)境問題.在我國生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱半干旱地區(qū)，保護(hù)和發(fā)展灌木林資源，對(duì)改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義［3］.荒漠生態(tài)系統(tǒng)潛在的巨大生產(chǎn)力不僅能反映荒漠生態(tài)系統(tǒng)基本特征的重要指標(biāo)，也是評(píng)價(jià)荒漠生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)潛力以及進(jìn)行荒漠生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營管理必需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

近日，“庫布其沙漠造林項(xiàng)目”成功通過權(quán)威第三方機(jī)構(gòu)的項(xiàng)目審核，順利獲得國家發(fā)改委的備案項(xiàng)目書.在其項(xiàng)目設(shè)計(jì)文件（PDD）中提到的不同的造林小班大多數(shù)均采用了檸條和沙柳作為必要的樹種.因此，本研究認(rèn)為可以選擇使用以檸條和沙柳為代表的灌木營造碳匯林.

檸條為豆科（Leguminosae）錦雞兒屬，灌木，也稱毛條、白檸條，根系極為發(fā)達(dá)，主根入土深，耐旱、耐寒、耐高溫［4］.是干旱草原、荒漠草原地帶的旱生灌叢，也是我國西北、華北和東北西部地區(qū)水土保持和防風(fēng)固沙的重要造林樹種之一.

沙柳是典型固沙灌木樹種，耐旱、喜沙埋、繁殖容易、萌蘗力強(qiáng)，是極少數(shù)可以生長(zhǎng)在高度沙化環(huán)境下的一種植物.沙柳廣泛分布在我國內(nèi)蒙古、陜西、甘肅等地，是北方優(yōu)良的防風(fēng)固沙的樹種［5］，也是沙產(chǎn)業(yè)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)作物.

如果土地使用者或林業(yè)主想要將在無林地或者已種植的林地開發(fā)林業(yè)碳匯項(xiàng)目，除了滿足必要的時(shí)間、土地使用情況等條件之外，同時(shí)必須有適用于該項(xiàng)目的方法學(xué)供其使用.目前，在發(fā)改委已經(jīng)成功備案的方法學(xué)只包括喬木和草地管理等類型，關(guān)于在喬木林中間隔種植灌木的碳計(jì)量方法是基于喬木的基礎(chǔ)上利用蓋度（灌/喬）來測(cè)算的［6］，對(duì)于荒漠區(qū)來說，其適用性是較差的.綜上，本研究以庫布其沙漠的檸條和沙柳樣地為研究區(qū)域通過野外現(xiàn)場(chǎng)獲得易測(cè)因子和生物量數(shù)據(jù)，旨在沙漠地區(qū)開展灌木混交造林項(xiàng)目提供參考.

1　灌木生物量研究現(xiàn)狀

對(duì)于灌木的生物量早在上個(gè)世紀(jì)八十年代已有研究.由于其特殊的叢生狀的形態(tài)和群落分布，國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)灌木生物量的研究沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，采用的方法五花八門，計(jì)量的精度也各有不同［7］.使用較為廣泛的方法包含：標(biāo)準(zhǔn)株法、樣方法、相關(guān)曲線法以及數(shù)量法.標(biāo)準(zhǔn)株法對(duì)于人工林有較好的適用性，但是也受到了不少的質(zhì)疑，不少的學(xué)者認(rèn)為植株的某個(gè)易測(cè)因子是無法代表平均木的［8］.樣方法的主要操作是在既定的樣方中用Monsi方法進(jìn)行逐層分割，對(duì)地下部分的測(cè)定采用“全收獲法”.使用此方法能夠獲得較為客觀的生物量數(shù)據(jù)，但是在時(shí)間和人力上的費(fèi)耗使得該方法沒有得到推廣［9］.相對(duì)生長(zhǎng)法與標(biāo)準(zhǔn)株法類似，但由于被國際的廣泛認(rèn)可而成為目前在生態(tài)系統(tǒng)和生物量測(cè)定領(lǐng)域中應(yīng)用最多的一種.數(shù)量法則是對(duì)灌木的各個(gè)易測(cè)因子進(jìn)行了量化處理，定量的分析某個(gè)或某些個(gè)因子對(duì)生物量的貢獻(xiàn)率，進(jìn)而根據(jù)這個(gè)指標(biāo)尋找二者之間的關(guān)系［10］.

然而，上述的方法大多是在某一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)或者外界環(huán)境下進(jìn)行的生物量的估算，如若將這些模型直接拿來在立地因子相差較大的庫布齊沙漠使用，其適用性相對(duì)較差.此外，這些模型在建立之初并沒有涉及碳匯方面的考慮.因此，本研究以庫布齊沙漠的灌木碳匯為切入點(diǎn)，以估算群落生物量為目標(biāo)，提出一種因地制宜的方法.

2　數(shù)據(jù)獲得與研究方法

所用的數(shù)據(jù)均為檸條和沙柳的單株生物量以全收獲法實(shí)測(cè)所得.樣本采自庫布其沙漠腹地，當(dāng)?shù)氐耐寥李愋?、小氣候與沙漠大部分地帶相同，可以較好地代表當(dāng)?shù)氐闹脖簧L(zhǎng)狀況.為了模型便于應(yīng)用，采用測(cè)定株冠面積（AC）和枝條數(shù)（N）作為易測(cè)因子.通過走訪、調(diào)查灌木林齡和生長(zhǎng)期的情況，得知采樣區(qū)沒有進(jìn)行過平茬等人工復(fù)壯活動(dòng).現(xiàn)以營造林地的時(shí)間先后為變量，采用分層抽樣的方法確定n=30的樣本.然后采用簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣（抽簽法）分別對(duì)小、中、大的檸條和沙柳各采10株.然后對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行株冠面積和枝條數(shù)的測(cè)量，刈割全部的地上部分，測(cè)定其鮮重質(zhì)量，并分別對(duì)枝條和葉按照其全部質(zhì)量的10%進(jìn)行取樣.挖取所有的地下部分直到毛細(xì)根（直徑不足2mm），也按照根全部質(zhì)量的10%進(jìn)行取樣.將全部樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，在65℃條件下烘干至恒重，通過樣品的干鮮比分別來推算樣株的地上和地下生物量.

3　結(jié)果與分析

3.1檸條和沙柳的生物量方程

表1　檸條實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

表2　沙柳實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

現(xiàn)有的對(duì)灌木生物量的研究方法層出不窮.相比樣方法和相對(duì)生長(zhǎng)法，量化處理然后建模的方法效果更佳，精度也更高.為了增強(qiáng)模型的實(shí)用性，自變量均采用植株的易測(cè)因子.在SPSS 19.0軟件中用測(cè)得的數(shù)據(jù)做散點(diǎn)圖，如圖1和圖2所示.可以看出不論是對(duì)于檸條還是沙柳來說，自變量（株冠面積、枝條數(shù)）和因變量（地上、地下生物量）存在較為明顯的線性關(guān)系，這與米志英的研究結(jié)果基本一致［11］.

圖1　單株檸條和沙柳地上生物量與易測(cè)因子的關(guān)系

圖2　單株檸條和沙柳地下生物量與易測(cè)因子的關(guān)系

通過線性回歸分析，得出以下模型：

檸條的地上、地下生物量模型：

沙柳的地上、地下生物量模型：

式中：

ABi,t=第t年時(shí)，檸條、沙柳的地上生物量；kg

UBi,t=第t年時(shí)，檸條、沙柳的地下生物量；kg

AC=第t年時(shí)，單株檸條、沙柳的株冠面積；

N=單株檸條、沙柳的枝條數(shù)；無量綱

生物量模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)有很多種，本研究采用最基本的確定系數(shù)（R2）和標(biāo)準(zhǔn)估計(jì)的誤差（SEE）來綜合評(píng)估生物量模型.從上述各模型的指標(biāo)值來看，這兩個(gè)模型的精度較高，可以用于檸條和沙柳的生物量估算.

3.2群落生物量的估算

有些可以開展碳匯造林的項(xiàng)目的處于重度退化的荒漠區(qū)、鹽堿地以及流動(dòng)沙丘.這些土地是不適合種植喬木的，也就是說在國家發(fā)改委備案的《碳匯造林項(xiàng)目方法學(xué)》（編號(hào)AR-CM-001-V01）并不適用于這種情形.為此，本研究嘗試提供一種基于單株灌木的生物量模型結(jié)合造林密度來估算群落生物量的估算方法，從而得到對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的碳匯量.

在開展造林項(xiàng)目時(shí)，能夠影響到整個(gè)森林系統(tǒng)的生產(chǎn)力的外界環(huán)境主要包括地形、土壤質(zhì)量、水文、其他生物以及人為活動(dòng).而在上述條件相對(duì)一致的情形下，生物學(xué)因素對(duì)灌木生物量的影響大體表現(xiàn)在造林密度上.對(duì)于這個(gè)結(jié)論的解釋最為著名的定律就是最后產(chǎn)量恒值法.Kira等人［12］的研究表明，當(dāng)外界環(huán)境條件相對(duì)一致時(shí)，最終的林分生產(chǎn)量與種群的密度之間沒有必然的關(guān)系.群落的數(shù)量的增多是建立在單個(gè)植株重量減少的基礎(chǔ)上的，單株灌木的平均質(zhì)量w與營林密度d的乘積是一個(gè)常數(shù)K，即K=w·d.也就是說，根據(jù)立地條件得到的K值，能夠確定營林密度d和平均質(zhì)量w的反比關(guān)系.

本研究所建立的生物量模型（1）-（4）是以在與庫布齊沙漠外界環(huán)境相對(duì)一致的實(shí)驗(yàn)區(qū)獲得的樣本數(shù)據(jù)為依據(jù)的.如此，只要結(jié)合當(dāng)?shù)囟嗄陙淼脑炝纸?jīng)驗(yàn)以及合理的初植密度，便能通過這些模型科學(xué)、有效的估算出某造林模式能夠產(chǎn)生的項(xiàng)目碳匯量.

造林項(xiàng)目開始之前，需要確定的是造林模式，包括株行距、初植密度等，這些對(duì)林木的成活率有著特別明顯且重要的影響.檸條為陽性喜光樹種，稀一點(diǎn)可以獲得充足的光照，這樣可較快地成林郁閉.

在獲得較好擬合度的生物量模型的基礎(chǔ)上，采用基于造林密度的方法來計(jì)量和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的碳儲(chǔ)量變化量：

式中：

Ci,t=第t年時(shí)，同一批次種植的灌木的碳儲(chǔ)量；kg

ABi,t=第t年時(shí)，檸條、沙柳的地上生物量；kg

UBi,t=第t年時(shí)，檸條、沙柳的地下生物量；kg

CF=灌木的含碳率；

P=造林密度；N/hm

3.3根冠比

灌木的根量隨著生長(zhǎng)周期不斷地增多，并且其干重逐漸超過地上部分.因此其根冠比R（root stem ratio）并不是固定的.以檸條為例，通過實(shí)測(cè)得知，在生長(zhǎng)初期，時(shí)，R約是0.64.當(dāng)時(shí)，R達(dá)到1左右，而4-5a的時(shí)候，時(shí)，R約是1.15.此外，模型中表示地下生物量的線條在都為零都比地上部分的小，但其斜率顯然大于地上部分的線條，這也能很好地說明這一點(diǎn).查閱資料可知，喬木造林方法學(xué)中提供的灌木根冠比的默認(rèn)值是0.4.為了在每一次項(xiàng)目監(jiān)測(cè)時(shí)能更加準(zhǔn)確地計(jì)量碳儲(chǔ)量的變化，對(duì)于地下生物量的估算，建議采用相應(yīng)的模型（公式（2）、（4））.

3.4潛在效益分析

溫室效應(yīng)對(duì)人類生存的威脅已經(jīng)不言而喻.而且近年來，沙塵暴和各種極端天氣的頻繁發(fā)生，人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到節(jié)能減排和大面積造林的重要性.從經(jīng)濟(jì)效益的角度來說，在廣袤的荒漠區(qū)開展灌木碳匯造林項(xiàng)目，不僅能夠通過銷售經(jīng)濟(jì)作物來帶領(lǐng)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)民致富，從而有效地改善居民生活環(huán)境和質(zhì)量，而且項(xiàng)目業(yè)主也能夠通過出售項(xiàng)目獲得的并且簽發(fā)的核證減排量來獲益.更重要的是，在生態(tài)文明建設(shè)的呼聲和行動(dòng)力日益高漲的形勢(shì)下，通過植樹造林增加森林面積和蓄積量，是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是助力營造青山綠水的中國夢(mèng)的必然選擇.

3.5不確定性分析

在采樣以及建模的過程中，由于主觀上的誤判或客觀的實(shí)際情況，難免會(huì)引起實(shí)驗(yàn)誤差.而且對(duì)于檸條和沙柳來說,因調(diào)查的季節(jié)和其生長(zhǎng)習(xí)性和周期不吻合，以及受落葉期或經(jīng)營管理措施影響,統(tǒng)計(jì)指標(biāo)肯定會(huì)出現(xiàn)偏差.

4　結(jié)論與討論

4.1討論

雖然IPCC提供了部分參數(shù)的默認(rèn)值，但同時(shí)也建議使用更適合當(dāng)?shù)氐膶?shí)驗(yàn)值.通過比較，本研究發(fā)現(xiàn)與默認(rèn)值相比，部分參數(shù)差異較為明顯.鑒于灌木都有較強(qiáng)的分蘗能力，需要經(jīng)常對(duì)其進(jìn)行平茬，這會(huì)直接導(dǎo)致灌木林生物量的變化.所以在應(yīng)用生物量模型時(shí)一定要注意平茬期.本研究所得模型只適用于未平茬的灌木林.此外，立地條件（坡向、覆沙程度、沙地類型、坡位等）均會(huì)對(duì)檸條和沙柳的生長(zhǎng)產(chǎn)生較大的影響，本研究只對(duì)兩種灌木的碳計(jì)量模型做了初步地探究，尚且需要收集到更多的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步研究.

4.2結(jié)論

本文以兩種常見的灌木沙柳和檸條為例，通過實(shí)測(cè)獲得的數(shù)據(jù)，得出以下幾個(gè)主要結(jié)論：

（1）為滿足在庫布齊沙漠開展以灌木為主的造林項(xiàng)目的碳計(jì)量方法學(xué)的需求，本研究以株冠面積（AC）和枝條數(shù)（N）兩個(gè)易測(cè)因子作為自變量，以單株灌木的地上生物量和地下生物量分別作為因變量建立了生物量模型：

檸條的地上、地下生物量模型：

沙柳的地上、地下生物量模型：

（2）基于最后產(chǎn)量恒指法提出了采用造林密度來估算外界環(huán)境相當(dāng)時(shí)的群落生物量的估算方法：

Ci,t=（ABi,t+UBi,t）*CF*P

（3）研究發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)完整的生長(zhǎng)周期中，灌木的根冠比是一直變化著的，尤其是在5a以后，其值可以超過1，大于IPCC的默認(rèn)值0.4.因此，針對(duì)對(duì)地下生物量的估算，建議采用單獨(dú)建立對(duì)應(yīng)模型的辦法，這是在估算生物量方法上的一次新嘗試.

〔1〕國家林業(yè)局.中國森林資源報(bào)告（2009-2013）［R］.北京：中國林業(yè)出版社，2014.

〔2〕Houghton R A，Hall F，Goetz S J.Importance of biomass in the global carbon cycle［J］.JournalofGeophysicalResearch，2009，114：G00E03.

〔3〕曾偉生，白錦賢，宋連城，等.內(nèi)蒙古檸條生物量建模［J］.林業(yè)資源管理，2014（6）：59-62.

〔4〕左忠，郭永忠，張清云，等.檸條平茬利用技術(shù)研究［J］.當(dāng)代畜牧，2005（6）：31-34.

〔5〕安慧，王俊波，安鈺.灌叢密度對(duì)毛烏素沙地南緣沙柳生長(zhǎng)及土壤水分動(dòng)態(tài)的影響［J］.干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2012，30（1）：197-203.

〔6〕佚名.碳匯造林項(xiàng)目方法學(xué)［Z］.2013.11-12.

〔7〕盧振龍，龔孝生.灌木生物量測(cè)定的研究進(jìn)展［J］.林業(yè)規(guī)劃調(diào)查，2009，34（4）：37-40.

〔8〕馮宗煒.中國森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量和生產(chǎn)力［M］.北京：科學(xué)出版社，1999.

〔9〕劉存琦.灌木植物量測(cè)定技術(shù)的研究［J］.草業(yè)學(xué)報(bào)，1994（4）：61-65.

〔10〕姜鳳岐，盧鳳勇.小葉錦雞兒灌叢地上生物量的預(yù)測(cè)模式［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，1982（2）：103-110.

〔11〕米志英.庫布其沙漠沙柳培育關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.內(nèi)蒙古：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，2008.47-49.

〔12〕Hozumi K，Koyama H，Kira T.Intraspecific competitionamonghigherplants.IV.［J］.Japanese Journal of Ecology，1956，6.

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