川中丘陵區(qū)人工柏木林生物量模型及碳計量參數(shù)

陳俊華 ,劉威君,2 ,蔣川東 ,劉一丁 ,王凱 ,謝川 ,唐藝家,慕長龍*

1.四川省林業(yè)科學(xué)研究院/森林與濕地生態(tài)恢復(fù)與保育四川重點實驗室,四川 成都 610081；

2.綿陽師范學(xué)院資源環(huán)境工程學(xué)院,四川 綿陽 621006；

3.國家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司建設(shè)項目管理分公司，四川 成都 610051

柏木(Cupressus funebris)是我國特有的造林樹種之一，具有適應(yīng)性強、用途廣等優(yōu)勢，是長江以南濕暖地區(qū)石灰?guī)r山地的主要造林樹種[1-2]。川中丘陵區(qū)的人工柏木林主要是20 世紀(jì)80—90 后代為改善生態(tài)環(huán)境和解決農(nóng)民薪材問題營造的人工柏木純林以及由人工榿柏混交林退化而來的柏木純林[2-4]。精確計量森林碳匯是當(dāng)前碳匯研究的重要議題之一[5],其中，根據(jù)生物量來計算碳儲量又是目前森林碳匯計量最為常用同時也是IPCC（政府間氣候變化專門委員會）重點推薦的計量方法。針對川中丘陵區(qū)人工柏木林的生物量模型，20 世紀(jì)80 年代末就有專家研究過，不過當(dāng)時為幼齡林（30 年）且樣本數(shù)僅為16 株[6]。對柏木含碳率的研究，也有專家進(jìn)行過研究[7-9]，但系統(tǒng)研究川中丘陵人工柏木林的生物量及碳計量模型卻未見報道。以川中丘陵區(qū)面積占絕對優(yōu)勢的人工柏木中齡林作為對象，通過野外調(diào)查取樣，分析柏木各器官的含碳系數(shù)，建立柏木單株及各器官的生物量模型，為精確評估區(qū)域森林的碳儲量和碳匯計量、預(yù)測提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地調(diào)查、樣品采集與處理

2021～2022 年，收集盆地丘陵區(qū)與國土三調(diào)融合后的林地“一張圖”矢量數(shù)據(jù)，在四川省的金堂縣、鹽亭縣選取人工柏木純林典型林分（根據(jù)林地“一張圖”小班數(shù)據(jù)，均為中齡林），設(shè)立20 m×20 m 臨時樣地16 塊。對樣地內(nèi)的5 cm 以上的樹木進(jìn)行每木檢尺，測量胸徑、樹高、冠幅等因子，根據(jù)林木平均胸徑每塊樣地選擇1～3 株平均木，1 株最大徑階平均木，1 株最小徑階平均作為樣木共計采集56 株樣木（表1）。其中金堂縣32 株，鹽亭縣24 株。將樣木全株伐倒，樹干按Monsic 分層切割法，每2 m 為一段區(qū)分?jǐn)嚅_。樣木的樹枝、樹葉（調(diào)查樣木果實占比很小，合并到葉）、樹干、樹根、樹皮均完全收集稱鮮重。每段樹干稱帶皮和去皮鮮重并取樣，樹皮和樹葉收集混合均勻后選取一定量的樣品稱重，樹枝按上、中、下三層分別選取一定的樣枝稱鮮重并取樣。地下根系分0～20 cm，＞20 cm 以下兩層進(jìn)行挖掘，將所有根盡量全部挖出，稱鮮重并取樣。將所有樣品帶回實驗室，在烘箱內(nèi)80 ℃下烘干至恒重后稱重，測定樣品的含水率，計算樣品和全株各器官的干物質(zhì)重。

表1 樣木情況表Tab.1 General information of sample woods

1.2 數(shù)據(jù)分析與處理

利用WPS 錄入、統(tǒng)計原始數(shù)據(jù)；用SPSS 20.0 進(jìn)行單因素方差分析和多重比較（LSD，顯著水平P＜0.05），分析柏木各器官含碳率間顯著性關(guān)系。生物量分別用一元(DBH)、二元((DBH)2H)建模選擇SPSS20.0，繪圖使用OriginPro 2022[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 柏木單株生物量分配格局

柏木單株各器官生物量分配特征和比例見表2及圖1。從表2 可以看出，單株柏木的干、枝、葉、皮、根的平均生物量分別為53.61 kg、18.23 kg、9.72 kg、7.30 kg、26.40 kg，且幅度較大。其中，變異系數(shù)最大的是枝，其次是根。單株總生物量幅度為12.48～333.25 kg，地上部分生物量幅度為8.61～245.79 kg。柏木各器官生物量按大小排列為干（46.49%）＞根（22.90%）＞枝（15.81%）＞葉（8.47%）＞皮（6.33%），即干所占比重最大，皮最小。地上部分生物量占總生物量的比為77.10%，地下部分占22.90%(圖1)。

圖1 柏木各器官生物量分配比Fig.1 Biomass allocation ratio of various organs for Cupressus funebris

表2 柏木各器官生物量分配特征Tab.2 Biomass allocation characteristics of various organs for Cupressus funebris

2.2 柏木各器官含碳系數(shù)

金堂縣柏木單株不同器官的含碳系數(shù)見表3。單株平均含碳系數(shù)為0.4935±0.0197。各器官含碳系數(shù)按高低排列為枝＞干＞葉＞根＞皮。方差分析和多重比較表明(見表4)，干的含碳系數(shù)與根、皮之間差異顯著(P＜0.05)，根的含碳系數(shù)與干、枝之間差異顯著(P＜0.05)，皮的含系數(shù)與其他器官之間均差異顯著(P＜0.05)，枝的含碳系數(shù)與根、皮之間差異顯著(P＜0.05)，葉的含碳系數(shù)僅與皮之間差異顯著(P＜0.05)。

表3 金堂縣柏木單株各器官含碳系數(shù)Tab.3 Carbon content coefficient of each organ for Cupressus funebris in Jintang County

表4 金堂縣柏木不同器官含碳系數(shù)方差分析與多重比較（LSD）Tab.4 Variance analysis and multiple comparisons (LSD) of carbon content coefficient in different organs in Jintang County

鹽亭縣柏木單株不同器官的含碳系數(shù)見表5。單株平均含碳系數(shù)為0.4801±0.0159。各器官含碳系數(shù)按高低排列為枝＞干＞葉＞皮＞根。方差分析和多重比較表明(見表6)，干的含碳系數(shù)與根、枝之間差異顯著(P＜0.05)，根的含碳系數(shù)與干、枝之間差異顯著(P＜0.05)，皮的含系數(shù)僅與枝之間均差異顯著(P＜0.05)，枝的含碳系數(shù)與所有器官之間均差異顯著(P＜0.05)，葉的含碳系數(shù)僅與枝之間差異顯著(P＜0.05)。

表5 鹽亭縣柏木單株各器官含碳系數(shù)Tab.5 Carbon content coefficient of each organ in Yanting County

表6 鹽亭縣柏木不同器官含碳系數(shù)方差分析與多重比較（LSD）Tab.6 Variance analysis and multiple comparisons (LSD) of carbon content coefficient in different organs in Yanting County

柏木單株總的不同器官的含碳系數(shù)略有差異（見表7）?？偟钠骄枷禂?shù)為0.4903±0.0197。含碳系數(shù)最大的器官是枝（0.5049±0.0247），最小的是根（0.4794±0.0156）。各器官含碳系數(shù)按大小排列為枝＞干＞葉＞皮＞根。方差分析和多重比較表明（見表8），干的含碳系數(shù)與根、皮之間差異顯著(P＜0.05)，與枝、葉之間差異不顯著（P＞0.05）；根的含碳系數(shù)僅與皮之間差異不顯著（P＞0.05）；皮的含碳系數(shù)僅與根之間差異不顯著（P＞0.05）；枝和葉的含碳系數(shù)僅與干之間差異不顯著（P＞0.05），與其他器官之間差異顯著(P＜0.05)。

表7 各器官含碳系數(shù)Tab.7 Carbon content coefficient of each organ

表8 不同器官含碳系數(shù)方差分析與多重比較（LSD）Tab.8 Variance analysis and multiple comparisons (LSD) of carbon content coefficient in different organs

兩個地方柏木單株不同器官含碳系數(shù)方差分析與多重比較結(jié)果見表9。可以看出，相同器官比較，僅兩個地方的根和葉之間差異顯著(P＜0.05)。金堂縣柏木單株干含碳系數(shù)與鹽亭的根、皮、葉之間差異顯著(P＜0.05)；金堂縣柏木單株干含碳系數(shù)僅與鹽亭的根之間差異顯著(P＜0.05)，與其余器官之間差異不顯著（P＞0.05）；金堂縣柏木單株皮的含碳系數(shù)與鹽亭縣的根、枝之間差異顯著(P＜0.05)；金堂縣柏木單株枝的含碳系數(shù)除與鹽亭縣的枝之間差異不顯著外（P＞0.05），與其他器官之間均差異顯著(P＜0.05)；金堂縣柏木單株葉的含碳系數(shù)與鹽亭縣的根、皮、葉之間差異顯著(P＜0.05)。

表9 不同地方柏木單株器官含碳系數(shù)方差分析與多重比較(LSD)Tab.9 Variance analysis and multiple comparisons (LSD) of carbon content coefficient in individual organ in different regions

2.3 生物量擬合模型

用胸徑（DBH）和柏木各器官干物質(zhì)重（W）分別進(jìn)行對數(shù)、二次多項式、三次多項式、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)5 種模型的一元擬合，其結(jié)果見圖2?？梢钥闯觯髌鞴僖约罢陻M合效果最好的均為指數(shù)模型和冪函數(shù)，R2均在0.815 以上。說明指數(shù)模型和冪函數(shù)較適合柏木不同器官生物量模型。其中擬合效果最好的是整株生物量，R2達(dá)到了0.939，其次是地上部分（R2=0.919）；擬合效果較差的是皮和葉，R2分別為0.815、0.823。柏木各器官一元生物量選定模型見表10。

圖2 生物量一元模型擬合圖Fig.2 Fitting diagram of unitary biomass model

表10 不同器官一元生物量最優(yōu)模型Tab.10 Optimal unitary biomass model for different organs

用(DBH)2H 作為自變量，柏木各器官干物質(zhì)重(W)作為因變量，分別進(jìn)行對數(shù)、二次多項式、三次多項式、冪函數(shù)、S 型曲線（S-Curve）、指數(shù)函數(shù)6 種模型的二元擬合，其結(jié)果見圖3?？梢钥闯?，柏木干、地上部分和整株的擬合效果較好（R2＞0.932），除皮的擬合類型是二次多項式外，其余擬合效果最好的均為指數(shù)模型和冪函數(shù)，R2均在0.80 以上。說明指數(shù)模型和冪函數(shù)較適合柏木不同器官生物量模型。其中擬合效果最好的分別是單株總生物量、地上部分和干，R2分別為0.939、0.934、0.932；擬合效果較差的是葉和枝，R2分別為0.806、0.815。柏木各器官二元生物量選定模型見表11。

2.4 模型驗證

通過對最優(yōu)方程和系數(shù)進(jìn)行檢驗，結(jié)果見表12。F 值均遠(yuǎn)超過 F 臨界值，概率值（sig）值均為 0.00，估計值的標(biāo)準(zhǔn)誤差(SEE)絕大多數(shù)小于0.5，模型整體上看合理科學(xué)，方程擬合效果較好?；貧w方程的參數(shù) a、b、c 的 t 值均遠(yuǎn)大于 t 分布的臨界值，證明參數(shù)在統(tǒng)計學(xué)上具有顯著性，說明冪指數(shù)模型很穩(wěn)定[11]。

表12 最優(yōu)模型及參數(shù)的顯著性檢驗表Tab.12 Significance test table of the optimal model and parameters

3 結(jié)論及討論

柏木單株總平均含碳率為0.4903±0.0197，加權(quán)平均值為0.4922。各器官的含碳率按大小排列枝＞干＞葉＞皮＞根。即根的含碳率最小，這與王鵬程等[12]對三峽庫區(qū)森林優(yōu)勢樹種各器官含碳率的研究結(jié)果是一致的，夏楠[9]、唐宵等[10]的研究結(jié)論為根的含碳系數(shù)是所有器官中最大的，與本研究結(jié)論相反，且本研究結(jié)果的數(shù)值明顯小于夏楠[9]、唐宵等[10]的。本研究中，枝的含碳系數(shù)最大，相關(guān)研究未發(fā)現(xiàn)類似規(guī)律。相關(guān)研究[13-15]指出，喬木、灌木器官含碳率表現(xiàn)出葉＞根的趨勢，是因為葉片中的葉綠體含量充足，光合作用旺盛，轉(zhuǎn)化成有機物含量多，碳含量較高，而根以水分和無機鹽的物質(zhì)交換為主，含碳率較低。從而，可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)和功能是影響植株生長發(fā)育和元素分配的基礎(chǔ)內(nèi)因。國內(nèi)外大量研究表明，不同樹種的含碳系數(shù)相對而言變化較小。因此，很多學(xué)者取平均含碳系數(shù)0.5 或0.45，一般推薦缺省值為0.5[16-17]。本研究表明，各器官的含碳系數(shù)范圍為0.44～0.57。金堂縣和鹽亭縣柏木全株含碳系數(shù)分別為0.4935±0.0197、0.4801±0.0159。且金堂縣柏木單株各器官的含碳系數(shù)均高于鹽亭縣的，高1.52%～4.12%。

林分生物量能反映森林與環(huán)境在物質(zhì)循環(huán)和能量流動上的復(fù)雜關(guān)系，是森林生態(tài)系統(tǒng)中最基本的數(shù)量特征[18],而生物量模型估計方法是森林生物量數(shù)據(jù)最流行的方法。本研究表明，無論是一元還是二元，柏木各器官以及整株擬合效果最好的均為指數(shù)模型和冪函數(shù)，R2范圍為0.815～0.939。且全株、地上部分、干擬合效果明顯優(yōu)于皮、枝、葉，這與有關(guān)專家研究結(jié)果一致[18-20]。從模型的檢驗來看，F(xiàn)值均遠(yuǎn)超過F臨界值，概率值(sig)值均為 0.00，估計值的標(biāo)準(zhǔn)誤差(SEE)絕大多數(shù)小于0.5，說明模型擬合結(jié)果合理科學(xué)，效果較好。

關(guān)于碳計量參數(shù)的生物量估算，IPCC 指南[21]和LY/T 2 253—2014[22]都給出了一些樹種的缺省值。表13 是本研究對柏木的各碳計量參數(shù)實測值跟IPCC 缺省值的對比值[23]。

表13 碳計量參數(shù)實測值與 IPCC 指南給定缺省值比較Tab.13 Comparison between the measured values of carbon measurement parameters and the default values given in the IPCC guidelines

由表13 可知，本研究的實測值除了BEF（生物量擴(kuò)展因子）比IPCC 提供的缺省值小以外，BCEF（生物量轉(zhuǎn)化與擴(kuò)展因子）、R（根莖比）、WD（木材基本密度）均大于IPCC 提供的缺省值。因此，可采用表中的實測值進(jìn)行川中丘陵區(qū)的人工柏木林生物量碳計量估算。