礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)植被碳庫研究

蘇 軍 德

(甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 甘肅 金昌 737100)

中國是世界上礦產(chǎn)資源較為豐富的國家之一。隨著礦產(chǎn)資源的大量開采，產(chǎn)生了一系列生態(tài)環(huán)境問題[1]。近年來，國內(nèi)眾多礦山廢棄地進(jìn)行了生態(tài)修復(fù)[2]，陸續(xù)出現(xiàn)了許多礦山廢棄地森林生態(tài)系統(tǒng)。在改善生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，礦山廢棄地森林生態(tài)系統(tǒng)積累的碳庫在維持礦區(qū)碳循環(huán)和碳平衡中有著重要作用。無論是清潔發(fā)展機(jī)制(clean development mechanism， CDM)還是黃金標(biāo)準(zhǔn)等國際自愿碳標(biāo)準(zhǔn)(voluntary carbon standard， VCS)以及中國溫室氣體自愿減排項(xiàng)目，目前尚未見將礦區(qū)生態(tài)修復(fù)項(xiàng)目納入溫室氣體自愿減排的研究報(bào)道[3]。因此，需要估算礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)減排增匯潛力，特別是礦山修復(fù)后迅速增長的植被碳儲(chǔ)量。

本文擬對(duì)甘肅省金川礦山廢棄地修復(fù)區(qū)內(nèi)主要的林分進(jìn)行植物部分含碳率測定，估算修復(fù)區(qū)內(nèi)的植被碳儲(chǔ)量，以期為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)系統(tǒng)納入中國溫室氣體自愿減排提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

金川礦山廢棄地修復(fù)區(qū)位于甘肅省金昌市區(qū)西南部龍首山脈北坡，海拔1 640 m，屬大陸性溫帶干旱氣候，日照總時(shí)數(shù)1 506～1 859 h，年輻射量138.0 J/m2，年均溫度9.5 ℃，年均降水量139.8 mm，每年雨季主要在5—9月份，6—8月份降水占全年降水量的66%[4]。

金川礦山已有26 a的開采歷史，現(xiàn)已形成礦山廢棄地約3.1 km2，修復(fù)區(qū)內(nèi)土壤大部分為脈石礦物所形成的沙石土壤，有少量的金屬硫化物和金屬氧化物及微量的貴金屬礦物。自2009年起，金川集團(tuán)公司及金昌市人民政府通過采取對(duì)礦區(qū)排土場土壤改良、礦山廢渣綠化等措施。目前，全區(qū)樹種種植面積約1.5 km2，共有植物116種，通過樣方統(tǒng)計(jì)，約74萬株，大部分樹齡在15 a以內(nèi)。樣地中主要喬木有油松、圓柏、水曲柳、紅柳，主要灌木有檸條、駝絨藜和沙木蓼，草本植物基本為禾本科(早熟禾、高羊茅、冰草、披堿草)和莎草科(高山蒿草、水虱草)植物。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測定方法

1.2.1 樣方設(shè)計(jì)及試驗(yàn)材料采集 選擇修復(fù)區(qū)內(nèi)林相整齊，具有代表性的地段。為了使不同樣地間進(jìn)行比較，調(diào)查中盡可能選擇樹齡基本相同的林分地塊。按照對(duì)角線方式布設(shè)12(10 m×10 m)個(gè)喬木樣方，21(2 m×2 m)個(gè)灌木樣方和30(1 m×1 m)個(gè)草本樣方。在樣方內(nèi)每木檢尺，確定標(biāo)準(zhǔn)木后并將其伐倒，之后分別對(duì)各伐倒木的各個(gè)器官(干、枝、葉、根)進(jìn)行取樣，其中干從樹干基部到樹梢分段取樣，枝從粗枝到細(xì)枝按比例取樣，葉從年齡、葉片大小混合取樣，根則從主根、側(cè)根及大于2 mm的細(xì)根分別取樣。同時(shí)記錄樣方內(nèi)植物的高度、樹干周長、蓋度等指標(biāo)，以便計(jì)算所取樣方內(nèi)植物的生物量。

1.2.2 估算生物量 本文中喬木生物量的估算采用徑階—株數(shù)法[5]，即將每木檢尺結(jié)果依徑階順序從小到大排列，將林木分為株數(shù)基本相等的3～5個(gè)徑級(jí)，分別對(duì)每個(gè)徑級(jí)選標(biāo)準(zhǔn)木測算各徑級(jí)材積，各徑級(jí)材積疊加得標(biāo)準(zhǔn)地蓄積。灌木和草本植物各器官的生物量估算采用收割法[6]。

1.2.3 試驗(yàn)材料處理與含碳率測定 將采集的4種喬木、3種灌木及8種草本植物放置恒溫箱中，在85 ℃溫度下烘至恒重。之后采用3次粉碎法制樣，粉碎后的樣品過100目篩子后，裝入瓶中備用。在樣品含碳率測定之前，所有粉碎后樣品再次放入恒溫箱中，在85 ℃溫度下烘干24 h。

利用Elementar Vario EL元素分析儀進(jìn)行植物樣品碳素分析，每次測定3個(gè)重復(fù)樣品后取平均值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 所得數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2007和SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)分析軟件處理，以平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同植物間碳含量采用方差分析[7]、變異系數(shù)[8]進(jìn)行比較。

1.3.2 修復(fù)區(qū)內(nèi)林分含碳率計(jì)算 由于不同樹種含碳率存在一定的差異，如果用所有樹種含碳率的平均值并不能很好的反應(yīng)修復(fù)區(qū)內(nèi)植被的真實(shí)含碳率[9]。因此，本文根據(jù)各個(gè)樹種在總生物量中的權(quán)重來計(jì)算林分含碳率：

(1)

(2)

式中：Wij，Pij——第i株樹的j組分的生物量(t/hm2)和含碳率(i=1,2,…,n;j=干，皮，枝，葉，根)。

1.3.3 恢復(fù)區(qū)植被碳儲(chǔ)量密度及碳庫計(jì)算 利用金川礦山廢棄地植被恢復(fù)區(qū)林木調(diào)查資料，對(duì)恢復(fù)區(qū)內(nèi)喬木、灌木及草本植物進(jìn)行植被碳密度、植被碳儲(chǔ)量及平均儲(chǔ)量及密度的估算。

儲(chǔ)碳密度(Dc)：Dc=B·Rc[10]

(3)

式中：B——生物量(t/hm2)；Rc——某種植物的含碳率。

總碳儲(chǔ)量(Sc)：Sc=Dc·S×10-6[11]

(4)

式中：Dc——某種植物碳儲(chǔ)量密度(t/hm2)；S——某種植物的占地面積(hm2)。

(5)

式中：Dci——金川礦山廢棄地某類林分(喬木、灌木或草本植物)的平均儲(chǔ)碳密度(t/hm2)；S——某組分所占面積(hm2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種含碳率特征

如表1所示，在金川礦山廢棄地修復(fù)區(qū)，圓柏地上部分平均含碳率最高，為0.49±0.01，8種草本植

物地上平均含碳率最低，為0.31±0.01；圓柏地下部分平均含碳率最高，其值為0.47±0.02，8種草本植物含碳率最低，值為0.25±0.01，從變異系數(shù)及極差來看，所有樹種間的變異系數(shù)在4.5%以下，含碳率極差都不超過5%。不同樹種的含碳率由樹種生物學(xué)特性決定，針葉樹種的含碳率高于闊葉樹種和灌木。

2.2 修復(fù)區(qū)植被碳儲(chǔ)量特征

不同植被間儲(chǔ)碳密度存在明顯差異(r2=0.01)，具體表現(xiàn)為：圓柏>油松>水曲柳>紅柳>駝絨藜>檸條>沙木蓼>草本植物。其次，植被儲(chǔ)碳量也存在顯著的差異性，具體表現(xiàn)為：紅柳>水曲柳>油松>圓柏>檸條(駝絨藜)>沙木蓼>草本植物(表2)。

表1 金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)植被含碳率

由于生態(tài)恢復(fù)區(qū)植被儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量與各個(gè)物種的生物量、含碳率及分布面積息息相關(guān)而樹木的生物量直接受樹木的平均胸徑、平均樹高和林分密度的影響，含碳率因樹種而異，由測樹學(xué)可知，胸徑、樹高是林木的生長指標(biāo)，除受立地條件和外界環(huán)境影響外，樹木年齡是一個(gè)很重要的影響因子[13]。因此，植被的立地條件、生長環(huán)境及植被年齡都會(huì)直接影響植被儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量[14]。

表2 金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)植被儲(chǔ)碳量

2.3 修復(fù)區(qū)植被碳庫分配特征

如圖1所示，修復(fù)區(qū)植被平均儲(chǔ)碳密度為6.209 2 t/hm2，總碳儲(chǔ)量為635.10 t，平均碳儲(chǔ)量為79.38 t。其中，喬木碳儲(chǔ)量較高，占總碳儲(chǔ)量的86.71%，灌木次之，為80.32 t，占總碳儲(chǔ)量的12.65%，草本植物儲(chǔ)碳密度較小，為4.04 t，在總碳儲(chǔ)量中的貢獻(xiàn)不大。這充分說明喬木在整個(gè)修復(fù)區(qū)碳循環(huán)中有重要的作用，尤其是紅柳，由于其儲(chǔ)碳密度高，在修復(fù)區(qū)內(nèi)所占面積較大，在整個(gè)修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)中有重要的作用[15]。

注：儲(chǔ)碳密度百分比是每個(gè)樹種儲(chǔ)碳密度/總儲(chǔ)碳密度×100%。

圖1金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)植被碳庫分配特征

3 結(jié)果與討論

(1) 在金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)，各個(gè)植物不同器官的平均含碳率在0.11～0.48，其中喬木較高，略高出其他物種1.06%～2.78%。各樹種變異系數(shù)范圍為2.78%～4.02%，這與西北地區(qū)森林變異系數(shù)(1.75%～6.59%)[16]較為接近?？傮w上看，不同樹種各部位含碳率高低隨機(jī)分布，并未呈現(xiàn)除某種規(guī)律性的變化，其大小完全由各樹種自身的特性決定。但從樹種的形態(tài)學(xué)特征可以看出，針葉樹種各部位的含碳率均相應(yīng)高于闊葉樹種、灌木樹種和草本。除草本植物外，各樹種地上部分平均含碳率與總平均含碳率十分接近，且呈現(xiàn)除針葉樹種>闊葉樹種>灌木>草本植物。

(2) 在金川礦山廢棄地生態(tài)修復(fù)區(qū)，不同物種間儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量都存在顯著的差異。針葉樹種儲(chǔ)碳密度相比其他樹種較高，但儲(chǔ)碳量卻低于闊葉樹種，這是由于在修復(fù)區(qū)，闊葉樹種較大的種植面積而決定了其較高的儲(chǔ)碳量?？傮w來看，喬木儲(chǔ)碳密度和碳儲(chǔ)量分別占整個(gè)碳儲(chǔ)量和總儲(chǔ)碳密度的87.27%和90.06%，說明喬木在整個(gè)修復(fù)系統(tǒng)碳循環(huán)中具有及其重要的作用。但是，與其他樹種相比，針葉樹種(油松、圓柏)不論在地上還是地下部分，儲(chǔ)碳密度都較高，具有較強(qiáng)的固碳能力，加之其耐寒耐旱的生態(tài)學(xué)特征，更適合祁連山區(qū)礦山廢棄地的生態(tài)修復(fù)。

(3) 在金川礦山修復(fù)區(qū)，所有植被儲(chǔ)碳平均密度為6.209 2 t/hm2。按照不完全統(tǒng)計(jì)，祁連山區(qū)共有礦區(qū)114個(gè)，礦區(qū)修復(fù)面積約1 200 km2。按照金川礦山修復(fù)區(qū)植被儲(chǔ)碳平均密度計(jì)算，整個(gè)祁連山區(qū)礦

區(qū)修復(fù)植被固碳量約7.50×105t。由此可見，對(duì)礦山廢棄地進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，能夠增加礦區(qū)植被儲(chǔ)碳量，在納入中國溫室氣體自愿減排上有很大的潛力空間。