校園樹木木材生物量增量的測(cè)量方法

鄒夢(mèng)姍 范麗仙 王重力

(云南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 昆明 650500)

“生物與環(huán)境”是高中生物學(xué)教材中選修課的重要模塊，該模塊中涉及的生態(tài)、環(huán)境問(wèn)題與實(shí)際生活密切聯(lián)系。教師在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生開展有關(guān)實(shí)踐活動(dòng)來(lái)豐富教學(xué)活動(dòng)。教材中對(duì)生物與環(huán)境這部分涉及的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)較少，且多以宏觀或微觀的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)個(gè)體生物進(jìn)行研究的實(shí)驗(yàn)和活動(dòng)更少。在新課標(biāo)中，既要求學(xué)生獲取基礎(chǔ)生物學(xué)知識(shí)，又要學(xué)會(huì)運(yùn)用所學(xué)的各科知識(shí)來(lái)解決生活中的問(wèn)題[1]。本文設(shè)計(jì)了一種適合中學(xué)生的測(cè)量校園樹木木材生物量與固碳能力的方法，通過(guò)該方法使學(xué)生對(duì)樹木的生長(zhǎng)有數(shù)值方面的直觀感受。

1 設(shè)計(jì)思路

借助森林資源調(diào)查的基本工作方法，對(duì)校園的喬木樹種進(jìn)行間隔4個(gè)月時(shí)間的兩次拍照測(cè)量，把數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)計(jì)算引入到生物學(xué)觀察中，使學(xué)生能夠直觀地計(jì)算出一段時(shí)間內(nèi)校園植物的生長(zhǎng)量(生物量增量)，進(jìn)而得出固定CO2的具體質(zhì)量和釋放O2的質(zhì)量。

2 所需材料

細(xì)長(zhǎng)木板、彩色油漆、油漆刷子、標(biāo)準(zhǔn)刻度尺、刻木小刀、鉛筆、繩子、卷尺、胸徑尺(圍尺)、分規(guī)、記錄本、具有拍照功能的手機(jī)或照相機(jī)。

3 實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 工具制作 選取表面光滑的長(zhǎng)方體型長(zhǎng)木板(長(zhǎng)于1 m)，用刻木小刀修理木板，使之能垂直于地面，盡量接近量尺規(guī)格。用標(biāo)準(zhǔn)刻度尺和鉛筆在木板上標(biāo)記出精確的刻度，10 cm為一個(gè)刻度，一共做出10個(gè)刻度。用小刀沿著鉛筆標(biāo)出的記號(hào)刻出刻度，在每個(gè)刻度處刷上不同顏色的油漆，最好是對(duì)比色，使之在照片中比較醒目，以方便拍照后相片上能清晰地看出比例尺的長(zhǎng)度(圖1)。

圖1 比例尺模型

3.2 測(cè)量樹高 選取校園中的優(yōu)勢(shì)樹種，以樹形挺拔筆直且根部無(wú)遮擋物植株為好。如選擇了5株樟樹作為研究對(duì)象。依次掛上制作好的比例尺，在相同的條件下拍照3次，將照片打印出來(lái)，借助分規(guī)量取照片上樹和比例尺的長(zhǎng)度，在標(biāo)準(zhǔn)刻度尺上讀出長(zhǎng)度值。

已知比例尺的實(shí)際長(zhǎng)度為1 m，可算出樹的理論高度，并記錄數(shù)據(jù)。具體計(jì)算方如下：

a/b=1/x

(式1)

由式1得出：

x=b/a

(式2)

式中： a——圖中比例尺的測(cè)量長(zhǎng)度/cm

b——圖中樹的測(cè)量長(zhǎng)度/cm

x——根據(jù)比例式算出的樹的高度/m

3.3 測(cè)量胸徑 現(xiàn)以2號(hào)樹的數(shù)據(jù)記錄為例，其他4株樹的數(shù)據(jù)記錄和計(jì)算與2號(hào)樹相同。胸徑尺(圍尺)是一種專門的測(cè)量工具，刻度顯示的數(shù)值就是胸徑值。在離地面1.3 m胸高位置處測(cè)量每株樹樹干的直徑，即樹的胸徑，記錄數(shù)據(jù)(表1)。一段時(shí)間后(4個(gè)月后)，用同樣的方法再次測(cè)樹高和胸徑。

表1 2號(hào)樹第一次測(cè)量的胸徑值及樹高值記錄表

4 數(shù)據(jù)結(jié)果及處理

4.1 數(shù)據(jù)計(jì)算 校園中5株樟樹第一次測(cè)量的數(shù)據(jù)記錄和第二次測(cè)量的數(shù)據(jù)記錄可見表2、表3。表中包括測(cè)量的樹高值、胸徑值和按公式3求得的立木材積值。

例如，查得四川和滇西北闊葉樹，槭樹、香樟等硬闊二元立木材積公式[4]為：

V=0.000 052 750 716D1.945 032 4H0.938 853 30

(式3)

式中： V——立木的材積/m3

D——從地徑起1.3 m處的樹干直徑/cm

H——被測(cè)樹的高度/m

表2 校園中5株樟樹第一次樹高，胸徑測(cè)量值及立木材積計(jì)算值記錄表

樹木1號(hào)樹2號(hào)樹3號(hào)樹4號(hào)樹5號(hào)樹胸徑/cm10.1822.4224.152015.51樹高/m4.648.036.806.836.48立木材積/m30.0200.1580.1560.1090.063立木材積/kg9.0471.4270.5149.2728.48

表3 校園中5株樟樹第二次樹高，胸徑測(cè)量值及立木材積計(jì)算值記錄表

樹木1號(hào)樹2號(hào)樹3號(hào)樹4號(hào)樹5號(hào)樹胸徑/cm10.2022.7324.3020.2215.85樹高/m4.668.067.386.946.90立木材積/m30.0200.1630.1710.1130.070立木材積/kg9.0473.6877.2951.0831.64

表2和表3中記錄了2次測(cè)樹的胸徑值、樹高值。樹高值由式2求得，將2次測(cè)得的每株樹的樹高值和胸徑值代入式3，即可求得2次每株樹的立木材積值，單位為立方米。根據(jù)樟木密度值，將立木材積值的單位換算為kg。每株樹2次立木材積值之差即為該株樹這段時(shí)間內(nèi)的樹木木材生物量增量。

4.2 CO2的固定量和O2的釋放量 表2、表3求得的樹木木材生物量增量包括干物質(zhì)和水，因樟木含水80%，則將求得的樹木木材生物量增量值乘以20%，即求得樹木木材生物量干物質(zhì)增量值，再根據(jù)每生成1 g干物質(zhì)需要固定1.62 g CO2，釋放1.20 g O2(生成干物質(zhì)的量即樹木木材生物量干物質(zhì)增量)，即可求得CO2的固定量和O2釋放量。具體數(shù)值記錄見表4。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 從以上表格中可以得出，在4個(gè)月時(shí)間內(nèi)，所選取的5株樟樹的木材生物量增量、CO2固定量和O2釋放量。從這些數(shù)據(jù)中，可以清晰地看到這段時(shí)間內(nèi)這5株樟樹生長(zhǎng)的情況： 1號(hào)樹生長(zhǎng)較慢，表格中生物量增量、CO2固定量等都為0，無(wú)生物量增量。但并不意味著植物沒有進(jìn)行光合作用，而是植物生長(zhǎng)中心的不同。有時(shí)生物是有增長(zhǎng)量的，只是在計(jì)算中未體現(xiàn)出來(lái)，或是測(cè)量原因不可避免的誤差沒有體現(xiàn)出來(lái)；3號(hào)樹生長(zhǎng)最快；5號(hào)樹次之；2號(hào)和4號(hào)樹生長(zhǎng)一般。雖然他們都是同一樹種，且在差不多相同的環(huán)境下生存，但是個(gè)體樹內(nèi)部之間會(huì)有差異，光合作用所得的生物量有的先長(zhǎng)根，有的先長(zhǎng)莖，有的受到損傷，用于治愈等。個(gè)體樹外部環(huán)境也會(huì)有差異性，如： 接受的光照、種植的土壤和灌溉用的水等都會(huì)對(duì)樹的生長(zhǎng)有影響，具體的影響因素還需進(jìn)一步其他的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

表4 樹木木材生物量、CO2固定量及O2釋放量記錄表

5 實(shí)驗(yàn)反思

本活動(dòng)貼近于生活實(shí)際，又有利于實(shí)行。其中，比例尺的制作結(jié)合了數(shù)學(xué)與工程學(xué)方面的知識(shí)，有利于培養(yǎng)中學(xué)生的動(dòng)手能力，符合教育要全面發(fā)展的目標(biāo)；以拍照測(cè)樹高的方法并不是十分精準(zhǔn)，但其成本低、易操作，僅適用于一個(gè)校園實(shí)踐活動(dòng)，該方法不適用于測(cè)量較高建筑物的高度。在獲得照片后，要在圖上進(jìn)行測(cè)量，一般直接用直尺在圖上測(cè)量，若借助分規(guī)固定圖片上樹兩點(diǎn)之間的長(zhǎng)度和比例尺兩點(diǎn)之間的長(zhǎng)度綜合進(jìn)行，會(huì)有利于減少測(cè)量時(shí)的人為誤差，使結(jié)果較為準(zhǔn)確。