濟(jì)南市石灰?guī)r山地側(cè)柏林植被碳儲(chǔ)量研究

張懷成 張華玲 王兆軍 姜騰龍

(濟(jì)南市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，山東濟(jì)南250014)

20世紀(jì)以來(lái)，人類活動(dòng)不斷加強(qiáng)，全球氣候發(fā)生了明顯變化，大氣中的CO2濃度急劇上升，由此導(dǎo)致的溫室效應(yīng)及氣候異常成為目前人類面臨的最嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題之一。森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要植被類型，它具有較高的生產(chǎn)力，森林生物量約占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)生物量的90%，生產(chǎn)量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)的70%，它不僅在維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境上起著重要作用，而且在全球碳平衡中發(fā)揮著巨大作用，每年固定的碳約占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的2/3。森林固碳能力是評(píng)價(jià)全

球大氣碳收支的重要參數(shù)。可見，估算森林的碳儲(chǔ)量，評(píng)價(jià)森林的碳匯功能，對(duì)控制溫室氣體排放具有重要意義。

本項(xiàng)目采用樣地清查法，著重對(duì)濟(jì)南市石灰?guī)r山地的側(cè)柏林的生態(tài)特性及固碳功能進(jìn)行研究，通過(guò)研究側(cè)柏林與生境的關(guān)系，擬定側(cè)柏林植被碳含量曲線，確定轄區(qū)內(nèi)側(cè)柏林植被的碳密度、碳儲(chǔ)量，為濟(jì)南市實(shí)施碳減排提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

濟(jì)南市位于山東省中西部，地理坐標(biāo)為北緯36°02’－37°31’，東經(jīng) 116°11’－117°44’，魯中山地與魯北平原的過(guò)渡地帶，地勢(shì)南高北低，依次為低山丘陵、山前傾斜平原和黃河沖積平原，南部山區(qū)基巖主要為片麻巖、石灰?guī)r和白云巖，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期風(fēng)化，逐步形成了本市地帶性土壤——石灰性褐土。屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年平均氣溫為14.4℃，多年平均降水量為606.4 mm，年平均空氣相對(duì)濕度64%。

濟(jì)南森林中絕大多數(shù)是以側(cè)柏純林、刺槐林、楊樹純林、果林等為主的人工林，混交林?jǐn)?shù)量較少。野生林主要是以側(cè)柏林、雜木林為主的次生林，原生植被極少，生境破碎，分布在南部石灰?guī)r山地，群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，林下灌木與草本層種類和數(shù)量因林分立地條件不同而有較大變化;在花崗巖山地上有零星的赤松、櫟屬植物分布，多為次生林。

調(diào)查區(qū)域?yàn)槠疥幙h安城鎮(zhèn)西平洛村、玫瑰鎮(zhèn)南葛莊，其主要為上個(gè)世紀(jì)60、70年代栽種的側(cè)柏林，森林群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，優(yōu)勢(shì)種單一，長(zhǎng)勢(shì)良好。

2 研究方法

2.1 樣品采集

確定標(biāo)準(zhǔn)地的形狀為正方形，100 m×100m。在標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)設(shè)置喬木層調(diào)查樣方1個(gè)，面積為30 m×30 m;灌木層樣方2個(gè)，面積為5 m×5 m，枯落物樣方5個(gè)，面積為0.1 m2。

環(huán)境因子調(diào)查，包括幼樹(下木)調(diào)查、土壤調(diào)查(顏色、厚度、緊密度、pH值、溫度等)、環(huán)境因子調(diào)查(海拔高度、地形、坡度、坡向等)，詳見表1。

樣地植被調(diào)查。在樣地進(jìn)行每木檢尺，量取所有喬木的樹高、胸徑、枝下高、冠幅，估算其平均胸徑，以平均胸徑為依據(jù)，在其平均胸徑±50%范圍內(nèi)，按徑階選取標(biāo)準(zhǔn)木，樣地1、樣地2分別選取標(biāo)準(zhǔn)木6株、4株，測(cè)量樹高、枝下高、1.3米處和1/2樹高處周長(zhǎng)，并采用“分層切割法”測(cè)定其地上生物量，獲取樹干、枝葉的鮮重;在5 m×5 m灌木樣方內(nèi)采用皆伐法獲取灌木層、草本層地上生物量。

表1 林分環(huán)境因子調(diào)查結(jié)果

分析取樣。按比例分別收集喬木樹干、枝葉樣品、灌木樣品;在0.1 m2樣方內(nèi)收集未分解層和半分解層的枯落物，帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

取胸徑為12cm的解析木1株，以1m為分段長(zhǎng)度將其分為若干段，每段截取厚度約5cm的圓盤，帶回做年輪觀察與林齡分析。

2.2 樣品分析

2.2.1 生物量測(cè)量

將樣品置于105℃恒溫箱內(nèi)烘干至恒重，記錄烘干后的重量。利用現(xiàn)場(chǎng)記錄的鮮重，求出不同樣品含水率。

2.2.2 含碳率測(cè)量

對(duì)烘干后的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析。采用干燒法測(cè)定含碳率。

取粉碎的樣品0.2g，放入處理過(guò)的瓷盤(于＞900℃下灼燒2h以上)，通氧氣使其充分燃燒生成二氧化碳，用Multi C/N3000碳氮分析儀(德國(guó)耶拿公司)測(cè)定全含碳量，每次測(cè)3個(gè)平行樣，測(cè)定結(jié)果取平均值。

2.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

2.3.1 生物量的統(tǒng)計(jì)

(1)喬木。喬木生物量統(tǒng)計(jì)采用生物量經(jīng)驗(yàn)(回歸)模型估計(jì)法(唐守正)［1］，曲線方程為

式中:w為生物量，t/hm2;D為胸徑，cm;H為樹高，m;a、b分別為回歸系數(shù)。

利用含水率、鮮重計(jì)算得出各器官生物量。依據(jù)各器官生物量，利用生物量與胸徑、樹高的相關(guān)關(guān)系分別進(jìn)行回歸擬合，求出參數(shù)a、b值，分別得到樹干、枝葉回歸方程，利用研究區(qū)域內(nèi)所測(cè)喬木的胸徑與樹高，計(jì)算所有喬木各器官生物量，進(jìn)而得出樣地模型地上生物量。有關(guān)研究表明，地下生物量大約為地上生物量的15% －30%［2］，此處近似取20%統(tǒng)計(jì)。

(2)灌木。灌木采取皆伐法測(cè)定，利用樣品測(cè)定結(jié)果，依據(jù)取樣比例、樣方面積換算得出。

(3)枯落物?？萋湮铿F(xiàn)存量(t/hm2)=(未分解枯落物重kg/m2+半分解枯落物重kg/m2)×10

則濟(jì)南市轄區(qū)生物量用以下公式［3］估算:

生物量=林分各優(yōu)勢(shì)樹種蓄積量×

2.3.2 碳密度及碳儲(chǔ)量統(tǒng)計(jì)

碳密度:植被生物量與含碳率的乘積即為碳密度。

碳儲(chǔ)量:由各個(gè)碳儲(chǔ)庫(kù)分室密度之和與林地面積相乘，即得到濟(jì)南市側(cè)柏林植被碳儲(chǔ)量。

2.4 數(shù)據(jù)處理

2.4.1 林木材積計(jì)算

(1)樣地調(diào)查材積。調(diào)查結(jié)果顯示，樣地1、樣地2內(nèi)分別有喬木172株、185株。統(tǒng)計(jì)所有喬木胸徑的平方平均數(shù)，得到林分平均直徑分別為7.4cm、7.9cm。利用伐倒木，繪制樹高曲線。

樣地1樹高曲線為:y= －0.0662x2+1.66x－2.5678，R2為0.9652;樣地2 樹高曲線為:y=0.0423x2－0.3987x+6.0281，R2為0.9944。

依據(jù)樹高曲線，求出與林分平均直徑相對(duì)應(yīng)的樹高，即林分平均高，分別為6.09m、5.53m。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)林分每公頃斷面積，分別為 8.22m2、10.18m2。

采用平均實(shí)驗(yàn)形數(shù)法統(tǒng)計(jì)林分材積。從主要喬木樹種平均實(shí)驗(yàn)形數(shù)表查得側(cè)柏林的平均實(shí)驗(yàn)形數(shù)值為0.43，代入下式計(jì)算林分材積:

式中:M為蓄積量，G1.3為林分每公頃斷面積，HD為林分平均高，f?為側(cè)柏林平均實(shí)驗(yàn)形數(shù)值。

計(jì)算得出樣地1、樣地2林分調(diào)查材積分別為32.15 m3/hm2、37.32m3/hm2。

(2)樣地模型材積。由樣地調(diào)查材積，推算得出樣地1、2 模型材積分別為 2.89m3、3.36m3。

2.4.2 生物量統(tǒng)計(jì)

利用樣地伐倒木，以胸徑和樹高組合因子D2H為自變量，擬合得到不同器官生物量回歸方程(見表2)。

表2 濟(jì)南市側(cè)柏林生物量估算方程

應(yīng)用回歸方程計(jì)算林分各組分生物量，結(jié)果表明，單株喬木生物量為15.28kg。其中，樹干生物量占52.3%。樣地 1、2 模型生物量分別為 3284.42kg、3582.88kg。

利用濟(jì)南市2011年遙感影像解譯結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，轄區(qū)內(nèi)側(cè)柏林面積為4812 hm2，則研究區(qū)域側(cè)柏林蓄積量為281266m3。依據(jù)公式(2)得出濟(jì)南市側(cè)柏林生物量為41.90t/hm2。

3 結(jié)果與分析

3.1 植被層不同器官含碳率空間分布特征

分析結(jié)果表明:側(cè)柏林植被層的平均含碳率為0.489。其中，喬木層，僅含側(cè)柏單一層片，平均含碳率為0.496，喬木層各器官的含碳率分別為:樹干為0.565，樹枝為0.548，樹葉為0.375;灌木層，單一優(yōu)勢(shì)種為荊條，含碳率為0.554;枯落物層平均含碳率為 0.461，范圍在 0.372 ～0.551。可以看出，植被層的各個(gè)層次，由于所占有的空間結(jié)構(gòu)及自身生理特征的差異，使得各個(gè)器官間的含碳率差異較大，喬木層中的樹干以及灌木層含碳率較高，而枯落物層和樹葉的含碳率較低。含碳率的測(cè)定為精確統(tǒng)計(jì)本地區(qū)的碳匯量奠定了基礎(chǔ)。

3.2 單株木含碳量變化特征

本次調(diào)查，擬合了單株木含碳量(y)與胸徑和樹高組合因子D2H(x)關(guān)系曲線，并分析其變化特征。因樹干與枝葉的含碳率不同，因而分別擬合了樹干與枝葉的含碳量(y)變化與胸徑和樹高組合因子D2H(x)回歸曲線方程。

圖1 單株木樹干含碳量曲線

研究結(jié)果顯示，單株木的含碳量(y)變化與胸徑和樹高組合因子D2H(x)關(guān)系，與單株木生物量與胸徑和樹高組合因子D2H(x)關(guān)系基本相似，均呈顯著的指數(shù)正相關(guān)性，變化曲線見圖1、圖2。

圖2 單株木枝葉含碳量

側(cè)柏樣木含碳量曲線的擬定，為更加深入地調(diào)查其他樣地側(cè)柏林碳儲(chǔ)量提供了技術(shù)支持。

3.3 植被層生長(zhǎng)空間尺度上生物量與碳密度分配特征

分析結(jié)果表明:濟(jì)南市側(cè)柏林植被層平均生物量為41.9t/hm2，地上部分占 83.3%，其中喬木層占 66.2%，灌木層占2.1%，枯落物層占15.0%。植被層碳密度特征與生物量特征相似，研究區(qū)域植被層碳密度為20.5 t/hm2，地上部分占84%，其中喬木層占68.8%，灌木層占2.2%，枯落物層占13.1%。這主要是由各層次間生物量及含碳率的差異造成的。由于研究區(qū)域?yàn)榧兞郑瑔棠緦诱冀^對(duì)優(yōu)勢(shì)，因而喬木層生物量、碳密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于灌木層。

3.4 植被碳儲(chǔ)量空間分配

濟(jì)南市側(cè)柏林植被碳儲(chǔ)量為9.86萬(wàn)t，占山東省側(cè)柏林碳儲(chǔ)量［4］的1.09%。其中，地上植被碳儲(chǔ)量為8.28萬(wàn)t，喬木、灌木、枯落物碳儲(chǔ)量分別為 6.78 萬(wàn) t、0.21 萬(wàn) t、1.29萬(wàn) t。

從區(qū)域分布來(lái)看，側(cè)柏林植被碳儲(chǔ)量由高至低依次為歷城區(qū)、長(zhǎng)清區(qū)、章丘市、平陰縣和歷下區(qū)，5縣(市)區(qū)碳儲(chǔ)量之和占全市的95.4%。

4 結(jié)論與討論

濟(jì)南市石灰?guī)r山地側(cè)柏林植被層不同器官的平均含碳率為0.489。馬欽彥等對(duì)華北主要森林類型建群種的含碳率研究結(jié)果顯示，側(cè)柏林含碳率為 0.505［5］，濟(jì)南市研究結(jié)果與之基本一致。故以0.45作為平均含碳率轉(zhuǎn)換系數(shù)將導(dǎo)致估算結(jié)果偏低，準(zhǔn)確的估算方法應(yīng)該是分森林類型而采用不同的含碳率轉(zhuǎn)換系數(shù)。

濟(jì)南市側(cè)柏林植被層碳密度為20.5t/hm2。與李海奎、雷淵才對(duì)中國(guó)不同樹種碳儲(chǔ)量分布狀況研究結(jié)果(柏木碳密度為32.43 t/hm2)［3］相比，濟(jì)南市側(cè)柏林碳密度僅為全國(guó)柏木林平均水平的63%，濟(jì)南市側(cè)柏林碳密度明顯偏低。但部分研究結(jié)果表明，植被碳密度與林齡呈正相關(guān)性［3，6］，2007 年，王兵等對(duì)江西省中齡(40 ～60 年)、幼齡(40年以內(nèi))林植被喬木層碳密度進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其碳密度分別為 24.4 t/hm2、16.17 t/hm2［6］。而本次調(diào)查，我們對(duì)研究區(qū)域的側(cè)柏林林齡進(jìn)行了分析鑒定，發(fā)現(xiàn)林齡在46～50年，處于中齡林的低齡階段，其碳密度介于16.17 t/hm2～24.4 t/hm2之間，處于正常生長(zhǎng)水平。

濟(jì)南市側(cè)柏林植被層碳密度在空間分布上表現(xiàn)為:喬木層＞枯落物層＞林下植被層。濟(jì)南市側(cè)柏林多為純林，植被結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，為單一喬木層，林下植被層以荊條等小型灌木為主，草本植被稀疏，碳密度僅占2%，加之石灰?guī)r山地土壤層較薄，氣候干旱，水土流失較重等因素的影響，導(dǎo)致側(cè)柏林下枯落物層碳密度總體處于較低水平。

濟(jì)南市側(cè)柏林植被碳儲(chǔ)量為9.86萬(wàn)t，占山東省側(cè)柏林碳儲(chǔ)量的1.09%。歷城區(qū)、長(zhǎng)清區(qū)、章丘市、平陰縣和歷下區(qū)碳儲(chǔ)量之和占全市的95.4%。

(編輯:溫武軍)

［1］唐守正.二元立木生物量模型及其相容的一元自適應(yīng)模型系列研究報(bào)告［R］.1999.

［2］Paul Duvigneaud.La Synthese Ecologique［M］.Paris，121.

［3］李?？诇Y才.中國(guó)森林植被生物量和碳儲(chǔ)量評(píng)估［M］.北京:中國(guó)林業(yè)出版社，2010.6－14.

［4］張德全等.山東省森林有機(jī)碳儲(chǔ)量及其動(dòng)態(tài)的研究［J］，植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，26(增刊):93 －97.

［5］馬欽彥等.華北主要森林類型建群種的含碳率分析［J］.北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24(5/6):96 －100.

［6］王兵，魏文俊.江西省森林碳儲(chǔ)量與碳密度研究［J］.江西科學(xué)，2007，25(6):681 －687.