基于光合法和生物量法分析塔里木沙漠公路防護林帶碳匯估算差異性

摘 要：【目的】研究基于光合法和生物量法分析塔里木沙漠公路防護林帶碳匯估算差異性，

為干旱荒漠區(qū)人工林管護和碳儲量的評估提供科學(xué)依據(jù)。

【方法】以新疆塔克拉瑪干沙漠公路沿線人工防護林為研究對象，對比光合速率模型和生物量模型，估算防護林帶3種主要建林植物各自光合速率及篩選最優(yōu)生物量模型，進而估算其固碳能力及碳儲量。

【結(jié)果】3種植物在光合固碳模型中，單位葉面積固碳量差異顯著，表現(xiàn)為梭梭 gt; 沙拐棗 gt; 檉柳；3種植物生物量最優(yōu)模型均為冪函數(shù)，預(yù)測值與實測值回歸決定系數(shù)在90%以上。光合固碳法估算得到的沙漠公路防護林帶總固碳量為567 431.68 t，生物量法估算的值為565 083.75 t，2種方法估算得到的固碳量相當(dāng)。

【結(jié)論】3種植物固氮量差異顯著（梭梭 gt; 沙拐棗 gt; 檉柳），模型效果精確可靠。

關(guān)鍵詞：光合固碳法；生物量固碳法；碳匯估算；預(yù)測模型

中圖分類號：S718 ""文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ""文章編號：1001-4330（2024）08-2014-09

收稿日期（Received）：2024-01-15

基金項目：塔里木油田碳核算模型及指南研究（2023650001000073）

作者簡介：李汝勇（1966-），男，河北南皮人，教授級高級工程師，研究方向為新能源，（E-mail）liry-tlm@petrochina.com.cn

通訊作者：王克林（1989-），男，貴州松桃人，高級工程師，研究方向為新能源，（E-mail）wangkl-tlm@petrochina.com.cn

0 引 言

【研究意義】森林通過固碳釋氧功能緩解氣候變化，林業(yè)碳匯研究的關(guān)注度日益提升［1-2］。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，是大氣CO2重要的吸收匯。除依靠天然林的自我恢復(fù)外更需依靠人工林發(fā)展才能與氣候變化相適應(yīng)［3］。人工造林通過增加森林面積、提升森林蓄積量，進而提升森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量。以灌木為主體植被類型的干旱和半干旱地區(qū)約占世界陸地面積的三分之一，是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在森林固碳和緩解全球氣候變化發(fā)揮著重要作用［4］?！厩叭搜芯窟M展】我國森林面積達(dá)到2.08×108 hm2，其中人工林保存面積達(dá)6 933×104 hm2，占全國林地面積的36%，是全球森林資源增長最快的國家［5-6］。發(fā)展林草碳匯面臨森林面積的增加難度加大［7］。【本研究切入點】塔里木油田公司目前綠化面積達(dá)到4 300 hm2左右，其中主要的沙漠公路綠化面積約3 100 hm2［8］。但有關(guān)沙漠公路防護林與碳相關(guān)的研究文獻(xiàn)較少且均為土壤碳分布方面的，而人工林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力和碳儲量的相關(guān)研究尚未見報道。植被固碳方面的研究大多集中在森林，需針對荒漠地區(qū)灌叢的固碳研究，尤其是對干旱荒漠地區(qū)人工防護林的。需研究基于光合法和生物量法分析塔里木沙漠公路防護林帶碳匯估算差異性。【擬解決的關(guān)鍵問題】采用常用光合法和生物量法，結(jié)合實測數(shù)據(jù)分析兩種方法的差異性，研究并對比2種方法對碳儲量的計算是否一致，為沙漠人工林生態(tài)系統(tǒng)固碳能力和碳儲量評估提供科學(xué)可靠的參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

以新疆塔里木沙漠公路（37°～42°N和82°～85°E）［9］沿線人工防護林為研究對象。年降水量11～50 mm，潛在蒸散量高達(dá)3 638.6 mm；年平均氣溫12.7℃，極端最高氣溫可達(dá)45.6℃，極端最低氣溫為-22.2℃［10］；年日照時數(shù)累計為2 854.2 h，年平均風(fēng)速2.5 m/s，最大瞬時風(fēng)速為24 m/s，年起沙風(fēng)時數(shù)550～800 h，浮塵揚沙天氣頻繁［11］。沙漠公路其防護林帶全長436 km，其呈南北走向，貫穿整個塔克拉瑪干沙漠，防護林帶植被群落成活率穩(wěn)定時長，以檉柳（Tamarix chinensis）、梭梭（Haloxylon ammodendron）和沙拐棗（Calligonum mongolicum）等適應(yīng)性強、耐風(fēng)蝕、耐旱、耐沙埋的木本植物作為主要建設(shè)樹種［12］。

1.2 方 法

1.2.1 樣本采集

2023年5月中旬采樣，沿沙漠公路從北向南均勻設(shè)置10個樣地S1～S10，每個樣地尺寸為50 m×50 m，樣地之間間隔為45 km。在每個樣地內(nèi)設(shè)置一個10 m×10 m的樣方，在每個樣方內(nèi)隨機選擇個體大小接近，生長健康的沙拐棗、檉柳和梭梭各3棵重復(fù)測量其株高（Height，H）、冠幅直徑（Crown length，L）、冠幅面積（Canopy，C）和光合作用參數(shù)（采用便攜式光合測定系統(tǒng)LI-6400XT，LI-COR，USA），總計270株。表1

在每個50 m×50 m每個樣方中取1株植物整株連根盡可能完全挖出，將植株分成根、干、枝、葉4部分，隨后將其帶回實驗室，把樣品放入烘箱用105°C烘10 min殺青，85°C烘干至恒重，分別稱取植株各部分的干重，其和為該植株總生物量，作為檢驗生物量模型的實際生物量值。

1.2.2 光合固碳法

采用便攜式光合測定系統(tǒng)分別對10個樣方內(nèi)待測植株的凈光合速率和葉片溫度進行測定，選擇2 cm×3 cm的標(biāo)準(zhǔn)葉室，使用自然光輻射（以研究區(qū)當(dāng)日的輻射強度為準(zhǔn)）。每天8：00～18：00，每隔2 h測定1次。每棵植株測3次作為重復(fù)，每次測量記錄5個瞬時值，分別計算各樣方內(nèi)3種不同植株的平均值。

根據(jù)每種植物凈光合速率日變化曲線，采用簡單積分法計算測試植物在測定當(dāng)日的凈同化量［13］。

P=Σ（Pi+1+Pi）2×（ti+1-ti）×3 6001 000.

式中，P為測定日單位葉面積的凈同化總量（mmol/（m2·d））；pi為初測點的瞬時光合作用速率；pi+1為i+1測點的瞬時光合作用速率（μmol/（m2·s））；ti為初測點的瞬時時間；ti+1為t+1測點的時間（h）；j為測試次數(shù)；3 600為3 600 s/h；1 000為1 mmol 等于1 000 μmol。

1.2.3 生物量模型建立和檢驗

將實測生長因子（株高H、冠幅直徑L及其組合因子植株體積V=CH=π·L1·L2·H/4）作為生物量模型擬合的自變量，通過篩選最佳擬合變量，選取一次函數(shù)、二次函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)等模型進行擬合［14-16］。生物量模型采用判定系數(shù)（R2）、標(biāo)準(zhǔn)誤（SEE）以及回歸檢驗顯著水平評價方程的優(yōu)劣，判定系數(shù)R2值最大，SEE最小，回歸顯著（P lt; 0.05）的方程最優(yōu)，方程的擬合精度最高。

一次函數(shù)經(jīng)驗公式：

W=a+bX.

指數(shù)函數(shù)經(jīng)驗公式：

W=aebX.

冪函數(shù)經(jīng)驗公式：

W=aXb.

式中，W表示生物量；a、b、c為方程擬合參數(shù)；e為自然對數(shù)的底；X為自變量（LH和V）。

采用預(yù)測值與實測值的回歸決定系數(shù)R2、平均相對誤差（RMA）和總相對誤差（RS）檢驗［17］。選用3種灌木樹種的部分預(yù)測值和實測值進行回歸分析。

總相對誤差：

RMA=1nΣ（Xi-Xi）i.

平均相對誤差：

RS=ΣXi-ΣXiΣi.

式中，Xi代表實測值；Xi代表預(yù)測值；n代表樣本數(shù)量。

1.2.4 生物量固碳法

通過碳儲量與生物量的關(guān)系（生物量乘以含碳率），估算人工林群落植被碳儲量［18］，植被碳儲量公式：

Q=0.5W總.

式中，Q為碳儲量（t）；W總為全株生物量（t）；采用IPCC推薦的灌木林含碳率平均值0.50［19］。

生物量法固碳計算公式：

G碳=3.67Q.

式中，GC為固碳量（t）；CO2與C的摩爾質(zhì)量比約為3.67。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)使用Microsoft Office 2016（Microsoft，Washington，USA），整理數(shù)據(jù)并制表。采用單因素方差分析中的最小顯著差異法（LSD）進行分析比較，當(dāng)Pgt;0.05為無顯著差異；用線性回歸模擬植被特征因子與植株總生物量方程，利用F檢驗和t檢驗對方程進行篩選；數(shù)據(jù)處理在SPSS 24.0（IBM，New York，USA）中完成，使用Origin 2022（OriginLab，Massachusetts，USA）繪制圖片。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙漠公路防護林帶3種木本植物光合速率日變化特征

研究表明，3種沙漠公路防護林帶木本植物的光合速率日變化均呈明顯的“單峰”曲線，峰值出現(xiàn)在12：00左右，其中檉柳的峰值光合速率最高，梭梭與沙拐棗在不同時間點交替變化趨勢，兩者的光合速率日變化無明顯差異。檉柳的日平均光合速率和單位葉面積固碳量明顯高于梭梭和沙拐棗（Plt;0.05），而梭梭和沙拐棗之間的差異則不顯著（Pgt;0.05） 。圖1

2.2 生物量固碳

2.2.1 生物量模型挑選及檢驗

研究表明，3種灌木生物量最優(yōu)生物量模型均為冪函數(shù)；V是梭梭和檉柳生物量方程的最佳預(yù)測變量，LH是沙拐棗生物量方程的最佳預(yù)測變量，3種灌木的生物量最優(yōu)估算模型如下：檉柳生物量估算最優(yōu)模型：W = 2.866 3V0.726 5；梭梭生物量估算最優(yōu)模型：W = 2.798 2V0.973 6；沙拐棗生物量估算最優(yōu)模型：W = 6.034 9（LH）0.769 6。

擬合模型RS介于-3.25～2.67，RMA介于4.60～8.40，3種灌木全株生物量擬合精度較高。預(yù)測值與實測值的相關(guān)性均較好，其回歸決定系數(shù)均在90%以上，其模型效果精確。表2，圖2

2.2.2 生物量模型固碳量

研究表明，單株固碳量上3種植物有顯著差異，并且梭梭 gt; 沙拐棗 gt; 檉柳。

2.3 光合法與生物量法固碳量比較

研究表明，3種植物的單位葉面積年固碳量，檉柳 gt; 沙拐棗 gt; 梭梭，但梭梭依靠種植面積最廣的優(yōu)勢成為固碳量最高的物種（25 181.52 t/a），遠(yuǎn)超沙拐棗與檉柳年固碳量之和。沙漠公路建林16年后整體防護林帶的總固碳量約為567 431.68 t。3種植物的個體生物量存在顯著差異，其固碳能力也存在顯著差異。其中，檉柳單株生物量為8.72 kg，沙拐棗單株生物量為11.67 kg，梭梭單株生物量為19.62 kg，與其他2種植物相比，梭梭具有更大的單株生物量并且具有更大的固碳能力。防護林內(nèi)檉柳為147×104株，梭梭為1 260×104株，沙拐棗為413×104株，檉柳總固碳量23 500.4 t，梭梭總固碳量453 222 t，沙拐棗88 361.35 t，防護林總固碳量約為565 083.75 t。防護林總固碳量約為567 431.68 t，生物量法估算防護林總固碳量約為565 083.75 t，光合固碳法所得數(shù)值略高于生物量法，估算結(jié)果差異不大，均具有一定的參考價值及科學(xué)性。表3～4，圖3～4

3 討 論

3.1 3種防護林植物的光合速率在一天中呈現(xiàn)出“單峰”曲線，即在正午（12：00）達(dá)到最高峰值。就單位葉面積的固碳能力而言，檉柳具有最高的

固碳能力；從單株的固碳能力來看，梭梭表現(xiàn)最強，檉柳次之。賈宏濤等［20］對準(zhǔn)葛爾盆地南緣荒漠區(qū)的檉柳、梭梭和沙拐棗進行了固碳能力分析，通過比較最大光合速率的大小來衡量固碳能力，并得出了檉柳作為首選樹種的結(jié)論。試驗研究的結(jié)論與其相吻合。然而，僅僅用這一數(shù)值來衡量植被的固碳能力可能會高估植被整體固碳量。是因為光合速率和單位葉面積固定CO2量反映了灌叢葉片光合固碳能力的強弱［21］，而單株固碳量則綜合考慮了灌叢個體角度上的固碳能力。因此，在沙漠公路人工林防護林培育的選擇上，梭梭作為優(yōu)勢物種，并適當(dāng)增加檉柳的種植面積，以提升整個防護林的固碳能力。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3種木本種植面積存在差異，從而導(dǎo)致不同灌叢單位葉面積固定CO2量和單株固碳量的規(guī)律不一致。因此，完善碳匯系統(tǒng)固碳能力核算方法至關(guān)重要。

3.2 趙成義［22］利用植株的株高H和基徑D構(gòu)建了用于荒漠地區(qū)梭梭和檉柳生物量估測的方程，但其因變量的選擇與試驗結(jié)果不完全一致。這是因為荒漠植物的生長受氣候、土壤和降水等因素的緊密影響，因此即使是同一物種在不同環(huán)境下的生物量模型也會有所差異。此外，趙夢穎等［23］、楊昊天等［24］認(rèn)為冪函數(shù)模型是最適合用于估算灌木生物量的模型，與研究得出的結(jié)論一致。然而，黨曉宏［25］在其對庫布其沙漠北緣的沙拐棗和檉柳的研究以及魏小平［26］在民勤荒漠綠洲過渡帶的沙拐棗和梭梭的研究中選擇的最佳生物量模型并非冪函數(shù)模型，與研究結(jié)果存在一定差異。是由于沙漠公路地區(qū)的極端氣候條件，導(dǎo)致了植物呈現(xiàn)出形態(tài)特征的差異。

4 結(jié) 論

3種植物固碳量具有顯著差異，表現(xiàn)為梭梭 gt; 沙拐棗 gt; 檉柳。3種植物生物量最優(yōu)模型均為冪函數(shù)，其中檉柳生物量估算最優(yōu)為冪指數(shù)模型，預(yù)測值與實測值回歸決定系數(shù)在90%以上，模型效果精確可靠。另外，光合固碳法估算得到的沙漠公路防護林帶總固碳量為567 431.68 t，生物量法估算的值為565 083.75 t，2種方法估算得到的固碳量相當(dāng)。

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Differences in carbon sink estimation between photosynthetic

and biomass methods in the Tarim Desert Highway shelterbelt

LI Ruyong1， REN Jiuming1， LEI Ting1， WANG Kelin1， LIU Pengcheng1， LI Jiangtao2

（1." Tarim Oilfield Company， Korla Xinjiang 841000， China；2.Xinjiang Hongshan Technology Service Co.， Ltd.， Urumqi 830000， China）

Abstract：【Objective】 Desert highway shelterbelts play a major role in wind prevention and sand fixation， as well as oxygen release and carbon fixation. By investigating vegetation along the Tarim Desert Highway and obtaining corresponding measured data， this study aims to further reveal the ecological and environmental effects and artificial ecosystem service functions of desert highway shelterbelts， providing a scientific basis for artificial forest management and carbon storage assessment in arid desert areas.

【Methods】" In this study， we compared the photosynthetic rate model with the biomass model to estimate the photosynthetic rate and the optimal biomass model of each of the three main forest-building plants in the shelterbelt， and then estimated their carbon sinksink capacity and carbon storage， taking the planted shelterbelt along the highway in the Tarim Desert as an object of study.

【Results】" There were significant differences in carbon fixation per unit leaf area among the three plants in the photosynthetic carbon fixation model， which were in the order of Haloxylon ammodendron gt; Calligonum mongolicum gt; Tamarix ramosissima." The optimal biomass models of the three plants were all power functions. The validation results showed that the regression determination coefficients between the predicted and measured values exceeded 90%， indicating high precision and reliability of the models. The total carbon sfixation of the desert highway shelterbelt estimated by the photosynthetic method was 567，431.68 tons， and the value estimated by the biomass method was 565，083.75 tons， indicating that the carbon sink estimated by the two methods was comparable.

【Conclusion】" There were significant differences in nitrogen fixation among the 3 species（Haloxylon ammodendron gt; Calligonum mongolicum gt; Tamarix ramosissima），indicating high precision and reliability of the models.

Key words：carbon sink estimation; photosynthetic sink method; biomass method; prediction models

Fund projects：Study on Carbon Accounting Model and Guidelines for Tarim Oilfield （2023650001000073）

Correspondence author：WANG Kelin （1989-）， male， from Songtao， Guizhou， senior engineer， research direction： organic chemistry and ecological restoration， （E-mail） wangkl-tlm@petrochina.com.cn