篩網(wǎng)孔徑與取樣量對蒙古櫟樹木組織部分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其變異的影響1)

孫忠林 李巖 楊宇寧 李慧瑩 侯佳君 張成漢

(通化師范學(xué)院，通化，134002)

蒙古櫟(QuercusmongolicaFisch. Ex Ledeb.)又稱柞木、柞樹，在東北林區(qū)分布廣，分布面積和蓄積量較大[1-3]。自然條件下，蒙古櫟具有壽命長、耐寒、耐旱、耐貧瘠和萌生能力強(qiáng)等優(yōu)勢，具有很好的防蝕護(hù)坡、保持水土的作用[4-5]。氣候變化背景下，蒙古櫟林的碳儲量與固碳潛力是東北林區(qū)天然林保護(hù)工程的重要研究內(nèi)容[6-8]。

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也叫含碳系數(shù)，是指植物干物質(zhì)中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。精確測算植物不同樹木組織部分的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是準(zhǔn)確評估植被碳儲量、碳封存強(qiáng)度的核心內(nèi)容。區(qū)域尺度的植被碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常采用0.45(葉片和細(xì)根)或0.50(木質(zhì)組織)估算[9-10]，但這種不區(qū)分樹種組成的方法有可能對森林碳儲量的估算造成顯著高估或低估[11-13]。隨著儀器測算精度的提高，實(shí)測植物碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)用于準(zhǔn)確估算碳儲量的方法越來越廣泛地被國內(nèi)外學(xué)者采用和實(shí)踐[14-15]。單一樹種不同樹木組織部分的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異和不同樹種的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異是精確評估區(qū)域尺度森林碳儲量和碳封存能力不容忽視的科學(xué)命題，也是制定碳信用額的重要依據(jù)[16]。

森林覆蓋面積超過世界陸地面積的1/3，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫[17]?？陀^評價森林的碳源/匯功能的首要問題是準(zhǔn)確測算森林有機(jī)質(zhì)中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。針葉樹種組織中含有相對較高的木質(zhì)素，多數(shù)研究結(jié)果顯示硬闊葉樹種比針葉樹種的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，但由于其具有高密度(一般大于0.6 g·cm-3)的特性，單位蓄積量的碳儲量仍然會超過軟木[18]。依照京東協(xié)議書，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)評估值1%的誤差都會對國家或地區(qū)尺度的木材和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生很大的影響，準(zhǔn)確評估樹木內(nèi)不同器官和樹種間的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有重要的科學(xué)和實(shí)踐意義[19]。為保證樣品燃燒充分，測定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的前期樣品需要粉碎，因此取樣量與樣品顆粒物大小是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定無法回避的問題。作為中間環(huán)節(jié)，多數(shù)相關(guān)研究的本部分?jǐn)?shù)據(jù)均并未給出[20]；一些研究給出篩網(wǎng)孔徑或取樣量，但并未提供依據(jù)[21-23]。本研究擬通過不同孔徑篩網(wǎng)處理樣品，對比分析解決如下科學(xué)問題：①探討顆粒物大小與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定值的大小與變異的關(guān)系，確定蒙古櫟碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定的合適篩網(wǎng)孔徑；②分析取樣量與樣品測定值之間的關(guān)系，確定Vario Toc分析儀測定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的合適取樣量，從而達(dá)到對蒙古櫟不同樹木組織部分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確評估；③確定并比較蒙古櫟不同樹木組織部分的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異及其變異。

1 材料與方法

2016年9月選取長白山區(qū)(E125°58′54″N41°44′31″)蒙古櫟天然次生林生長狀況良好的蒙古櫟5株，其胸徑范圍為11.70～24.45 cm。對5株樹木的細(xì)根(d<2 mm)、中根(2 mm≤d≤5 mm)、粗根(d>5 mm)，細(xì)枝(1年生)、中枝(2年生)、老枝(多年生)，新葉(當(dāng)年生)、樹皮、樹干(生長錐法)分別取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室剪成長度3 cm左右，并充分混合，在5個地點(diǎn)分別采集蒙古櫟上一年凋落葉混合樣本帶回實(shí)驗(yàn)室，所有樣品利用鼓風(fēng)干燥箱80 ℃烘干至恒質(zhì)量。利用小型高速粉碎機(jī)(WK-1000A，24 000 r/min)對蒙古櫟不同樹木組織部分進(jìn)行粉碎，每個樣品間斷粉碎3次，每次1 min。

篩網(wǎng)目數(shù)與能夠通過的最大顆粒物孔徑為冪函數(shù)關(guān)系。本研究分別采用目數(shù)規(guī)格為10、20、40、80、160目的篩網(wǎng)處理粉碎樣品，相對應(yīng)的篩后最大顆粒物徑級分別為1 700、830、380、180、96 μm，所有粉碎樣品均能通過10目篩網(wǎng)。樣品測定前期進(jìn)行再次烘干，每種樹木組織部分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測量重復(fù)5次。Vario Toc TOC/TN分析儀(德國Elementar公司)測量樣品的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。淘汰平均值±2倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍之外的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總有效率93.2%。各器官均有控制范圍之外的數(shù)據(jù)，所以對于單一植物器官的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)不存在系統(tǒng)低估或高估情況；補(bǔ)充測量缺失的數(shù)據(jù)，避免單因素方差分析過程中由于樣本容量不同導(dǎo)致的方差不齊，取樣量15 mg左右，其中，根、枝、葉、皮補(bǔ)充測定數(shù)據(jù)量為5、8、2、1、1個。

統(tǒng)計(jì)分析：根據(jù)實(shí)際測定結(jié)果，利用非線性關(guān)系(冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、二次函數(shù))描述樣品質(zhì)量與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定值的關(guān)系，選擇相關(guān)指數(shù)(R2)最大的二次函數(shù)擬合樣品質(zhì)量與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，利用單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)同一器官不同篩網(wǎng)孔徑下碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異，通過Duncan多重比較查找差異源。利用二項(xiàng)式方程擬合樣品質(zhì)量與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定值之間的關(guān)系，通過冪函數(shù)擬合碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異系數(shù)與篩網(wǎng)目數(shù)之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 篩網(wǎng)孔徑對碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定的影響

確定合適的取樣量能夠提高儀器測定結(jié)果的準(zhǔn)確度。前期數(shù)據(jù)處理未發(fā)現(xiàn)取樣量對不同樹木組織部分的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不同，因此取樣量對碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不區(qū)分樹木組織部分間的差異。如圖1所示，進(jìn)樣質(zhì)量與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為二次函數(shù)關(guān)系(R2=0.39,n=233,p<0.01)，通過方程推算合適的取樣質(zhì)量為14.93 mg。取樣質(zhì)量在該值附近能夠保證樣品稱量和測定過程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，重復(fù)測量各器官樣本碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)補(bǔ)充缺失數(shù)據(jù)。

圖1 樣品質(zhì)量與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系

如表1所示，細(xì)根、中根、中枝和樹皮不同篩網(wǎng)孔徑處理下的測定值存在顯著差異(p<0.05)，其他器官不同篩網(wǎng)處理的測定值差異不顯著(p>0.05)。細(xì)根碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)160目篩的測定值顯著低于其他篩網(wǎng)測定數(shù)據(jù)，但其他各目篩網(wǎng)測定值間均不存在顯著差異；中根碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)80、160目篩的測定值顯著低于其他篩網(wǎng)測定數(shù)據(jù)，但二者之間以及其他各目篩網(wǎng)測定值間均不存在顯著差異；中枝碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)80、160目篩的測定值顯著低于10、20目篩網(wǎng)測定數(shù)據(jù)，但40目篩與其他各目篩網(wǎng)測定值間不存在顯著差異；樹皮碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)10目篩的測定值顯著高于其他篩網(wǎng)測定數(shù)據(jù)，但其他各目篩網(wǎng)測定值間差異不顯著。細(xì)枝各目篩網(wǎng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定數(shù)據(jù)總體上差異不顯著(p>0.05)，但40目篩測定值顯著高于160目篩(p<0.05)。

如圖2所示，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定過程中，隨樣品顆粒物變小，樣品碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定值的變異系數(shù)有減小的趨勢，但這種趨勢沒有達(dá)到顯著水平(p=0.23)。篩網(wǎng)目數(shù)達(dá)到40目左右時，曲線有明顯拐點(diǎn)，說明顆粒物粉碎低于380 μm，則樣品測定值的變異程度降低緩慢。

表1 篩網(wǎng)孔徑對蒙古櫟不同樹木組織部分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=5)，同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差(n=5)。

2.2 蒙古櫟不同器官的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

鑒于40目篩網(wǎng)的測定數(shù)據(jù)系統(tǒng)低估比較小且數(shù)據(jù)變異程度相對較小，選取40目篩網(wǎng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定數(shù)據(jù)比較蒙古櫟不同器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大小及其變異。蒙古櫟不同樹木組織部分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小順序?yàn)椋褐懈?、老枝、?xì)枝、中枝、老葉、細(xì)根、粗根、樹皮、樹干、新葉，具體數(shù)值詳見表1。ANOVA結(jié)果表明，蒙古櫟不同器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定值存在顯著差異(n=10,F=3.17,p=0.006)。各器官相比較，新葉碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，老枝和中根的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，細(xì)根、老葉和中枝碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于中等水平。Duncan多重比較結(jié)果顯示，新葉、樹干、粗根、樹皮、細(xì)根、老葉和中枝之間不存在顯著差異(p=0.051)，樹干、粗根、樹皮、細(xì)根、老葉、中枝和細(xì)枝之間不存在顯著差異(p=0.051)，細(xì)根、老葉、中枝、細(xì)枝、老枝和中根之間不存在顯著差異(p=0.079)；但新葉與細(xì)枝、老枝、中根差異顯著(p<0.05)。不同器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)介于0.01～0.05。其中，中枝和老葉的變異系數(shù)較大，為0.05左右；粗根和樹干的變異系數(shù)較小，為0.01左右。

3 討論與結(jié)論

3.1 取樣量與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定值的變異

取樣量與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定值間呈現(xiàn)顯著的單峰拋物線規(guī)律。本研究確定蒙古櫟合適的取樣量為14.93 mg左右，這對后續(xù)研究具有很強(qiáng)的借鑒和參考意義。取樣過少，相對體表面積的增大會使樣品稱量過程中吸收空氣中的水分，導(dǎo)致測定結(jié)果低估；取樣過多，相對體表面積小，可能導(dǎo)致燃燒不充分或超過標(biāo)準(zhǔn)曲線量程過多，出現(xiàn)測定結(jié)果低估。樣品稱量極容易受到空氣環(huán)境中水分的影響，因此在確定合適取樣量的前提下，要盡量縮短稱量操作的時間，避免干燥樣品吸收空氣中過多的水分，致使碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定數(shù)據(jù)的系統(tǒng)低估。

3.2 篩網(wǎng)孔徑與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定數(shù)據(jù)的變異

總體來看，篩網(wǎng)孔徑對蒙古櫟細(xì)根、中根和中枝的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定結(jié)果影響比較大，隨篩網(wǎng)目數(shù)的增大，其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定值減小的趨勢明顯。蒙古櫟是典型的硬木，而同一器官的不同部分堅(jiān)硬程度不均，導(dǎo)致在粉碎過程中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的部分沒有粉碎徹底，取樣不均造成對樣品碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的低估，因此通過高目篩網(wǎng)的樣品沒有較強(qiáng)的代表性。樹皮與其他器官相比容易粉碎，因此10目篩的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的顯著增大極有可能是稱量過程中取樣的隨機(jī)效應(yīng)導(dǎo)致的，即稱取樣品過程中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較低的部分沒有做到充分取樣。

雖然球磨儀的使用能夠在一定程度上將樣品粉碎的更加徹底，但同樣存在進(jìn)樣質(zhì)量偏少、樣品的混合不均、代表性差的問題，因此篩網(wǎng)孔徑的選擇仍然是無法回避的問題。以往的研究往往注意到使顆粒物盡量細(xì)小便于燃燒充分(例如過80目篩)，但忽略了所稱量樣品的代表性問題，所以會對樣品的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)造成一定程度的低估。

結(jié)果顯示，20目與40目篩處理的蒙古櫟各器官樣品的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對穩(wěn)定，且二者之間沒有顯著差異。因此筆者建議在碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定過程中對顆粒物的大小要求不能太苛刻，粉碎后的樣品全部通過40目篩網(wǎng)后，則可以直接混勻取樣稱量測定，否則會對樣品的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)造成一定程度的低估[11]。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定是在高溫催化劑的條件下進(jìn)行的，所以只要取樣量合適則不會造成燃燒不充分的情況。對粉碎顆粒物大小的要求過于寬泛(例如10目)，取樣的隨機(jī)性則容易對樣品的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)造成一定程度的高估，可能的原因是植物各器官不容易粉碎部分通常有碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的單寧、木栓質(zhì)、木質(zhì)素等成分。這些成分與樹木長期進(jìn)化過程中形成的保水和預(yù)防病蟲害和病原微生物的自我保護(hù)機(jī)制有關(guān)[24]。

3.3 蒙古櫟不同器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異與變異

森林在全球碳循環(huán)功能方面扮演著至關(guān)重要的角色[25]，森林碳儲量估算的相關(guān)研究常用森林生物量與含碳系數(shù)(通常選擇50%)估算，但這種不區(qū)分樹種和不區(qū)分樹木不同樹木組織部分的估算方式極有可能在尺度上推時造成對森林碳儲量的高估或低估，且誤差空間有可能超過5%[11-12]。Zhang et al.[15]指出，忽略樹種內(nèi)部各器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異將低估碳儲量6.7%，并指出蒙古櫟樹種各器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加權(quán)平均值為47.6%，這與本研究的結(jié)果(算數(shù)平均值47.3%)較為接近，說明林齡因素對同一樹種碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不大。研究結(jié)果顯示，蒙古櫟不同樹木組織部分的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于45.91%～48.96%，凋落葉和中枝的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異較大，粗根和樹干的變異程度較小。不同器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上差異顯著，說明同一樹種不同器官的碳分配并不相同，這與Gao et al.[23]的研究結(jié)果一致。由于同一器官的不同部分的木質(zhì)化程度不均，普通粉碎機(jī)難以粉碎的部分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，所以取樣量合適且充分混合均勻能夠在一定程度上減小測量誤差。樹種內(nèi)部不同樹木組織部分間碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異是準(zhǔn)確估算區(qū)域尺度森林碳儲量和碳封存能力不容忽視的中間環(huán)節(jié)，忽略器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變量，極有可能造成對蒙古櫟非木質(zhì)樹木組織部分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的低估和木質(zhì)部分的高估。此外，本研究中沒有充分考慮到揮發(fā)性有機(jī)碳的影響，所以碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測定值可能存在3%～5.8%的低估[19]。