寧夏賀蘭山主要森林樹種的含碳率分析

季 波, 何建龍, 李 娜, 蔡進軍, 許 浩, 張源潤

(1.寧夏農林科學院 荒漠化治理研究所, 寧夏 銀川 750002; 2.寧夏大學 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點

實驗室/西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培育基地/西部生態與生物資源開發聯合研究中心, 寧夏 銀川 750021)

寧夏賀蘭山主要森林樹種的含碳率分析

季 波1,2, 何建龍1, 李 娜1, 蔡進軍1, 許 浩1, 張源潤1

(1.寧夏農林科學院 荒漠化治理研究所, 寧夏 銀川 750002; 2.寧夏大學 西北退化生態系統恢復與重建教育部重點

實驗室/西北土地退化與生態恢復省部共建國家重點實驗室培育基地/西部生態與生物資源開發聯合研究中心, 寧夏 銀川 750021)

摘要：[目的] 分析寧夏自治區賀蘭山自然保護區4種主要森林樹種青海云杉、油松、灰榆、山楊不同器官的含碳率， 為更大區域森林碳儲量研究提供參考。[方法] 通過實地調查取樣、室內實驗測定及生物量資料對這4種主要林分地上部分平均含碳率進行了測定分析。[結果] 寧夏賀蘭山4種主要森林樹種青海云杉、油松、山楊和灰榆，林分的地上部平均含碳率分別為：0.457 6,0.518 4,0.466 4和0.439 0。同一樹種不同組分間的變異系數在1.30%~2.57%間，相同組分的變異系數在0.62%~1.92%間；不同樹種不同組分變異系數在0.89%~5.68%間，不同樹種相同組分變異系數在4.87%~13.37%間。[結論] 不同森林類型林分含碳率不同。針葉樹種各器官的平均含碳率高于闊葉樹種,相應的針葉林分的平均含碳率也高于闊葉林。

關鍵詞：寧夏地區； 賀蘭山自然保護區； 森林樹種； 含碳率

大氣CO2濃度增加引起的全球氣候變暖,已成為當今世界關注的重大環境問題[1-2]。據統計，全球森林生態系統中貯存的總碳量約為854～1 505 Gt(1 Gt=109t)，其中森林植被的碳儲量約為359～766 Gt，匯聚著全球植被碳庫的86%以上的碳，及全球土壤碳庫的73%的碳，在緩解大氣CO2升高及調節全球氣候方面具有舉足輕重作用[1，3]。研究[3]表明，林木每生長1 m3，平均約吸收1.83 t二氧化碳，放出1.63 t氧氣，陸地生態系統與空氣交換CO2的90%發生于森林。因此，森林保護對減緩全球變暖有著重要意義。不同森林生態系統由于其所處地理位置不同，氣候、土壤、物種構成差異很大，其碳匯功能也各不相同[4]。然而由于森林類型的多樣性、結構的復雜性，至今對森林生態系統碳儲量估算中,大多采用45.0%或50.0%作為所有森林植被類型的平均含碳量,使得目前對森林生態系統碳儲量及碳匯能力的估算無論是在區域尺度上還是國家尺度上都存在極大的不確定性[5]。事實上不同植物及同一植物的不同器官中的碳元素含量是有差別的,為了能精確估算區域和國家尺度上的森林碳儲量,有必要對該區域各主要森林類型的含碳率分別進行測定和分析[6]。

賀蘭山自然保護區是寧夏自治區3大天然林區之一，地處我國溫帶草原區與荒漠區的過渡地帶，是銀川平原的天然屏障和水源涵養區，保存著西北干旱區較為罕見的天然森林生態系統。尤其作為我國溫性針葉樹油松的分布西界和寒溫性針葉樹青海云杉的分布東界[7]，開展該區森林生態系統主要優勢樹種含碳量研究，比較其不同器官及樹種含碳率間的差異，可為更大區域森林碳儲量研究提供參考，現實意義重大。

1材料與方法

1.1　研究區概況

寧夏賀蘭山自然保護區位于寧夏銀川平原和阿拉善高原之間，地理位置為105°49′—106°41′E，38°19′—39°22′N，處于我國溫帶草原區與荒漠區的過渡地帶，是我國西北干旱區保存較為完整的天然森林生態系統，具有溫帶草原區、荒漠區和山地森林區鑲嵌分布的氣候特征，年均降水量約在230～600 mm 之間，年均蒸發量約為2 000 mm[7-8]。青海云杉(Piceacrassifolia)林分布于海拔2 400～3 100 m的地帶，該地帶降雨量350～450 mm，林下土壤以灰褐土為主，地表有較厚的苔蘚層覆蓋。油松(Pinustabulaeformis)林分布于2 000～2 400 m的地帶，該地帶降雨量250～350 mm，林下土壤為灰褐土和灰鈣土，部分區域有油松與山楊(Populusdavidiana)、杜松(Juniperusrigida)等喬木，虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、小葉忍冬(Loniceramicrophylla)、小檗(Berberisdubia)等灌木混雜，林下有苔草(Carex)、早熟禾(Poaspp.)等草本植物?；矣?Ulmusglaucescens)林分布于海拔1 500～1 900 m，降雨量約230～390 mm的區域，林下植被主要是由短花針茅(Stipabreviflora)和灌木亞菊(Ajaniafruticulosa)構成的荒漠草原，土壤以灰鈣土和粗骨土為。山楊(Populusdavidiana)多分布于海波1 800～2 000 m的山地陰坡及山谷中，多與油松、白樺等樹種混交。

1.2　樣品的采集、處理與測試

樣地選擇依據森林資源調查和相關研究資料，在2011—2013年的7，8和9月份進行野外采樣，依據地形坡度、海拔高度、森林林組、森林長勢等因子，選擇具有代表性的樣地。樣地內采用每木檢尺的方法，獲取胸徑、樹高、枝下高、冠幅等數據。并選取標準木，采用收獲法，分別對青海云杉、油松、灰榆和山楊4種主要樹種喬木層標準木的根、干、枝、葉各器官進行采樣，各部分分別取500 g進行內分析測定。采集的所有樣品帶回室內，放入85 ℃的恒溫箱中烘至恒重后，全部粉碎過篩，用于有機碳含量的測定。

樣品的有機含碳率測定采用濕燒法(重鉻酸鉀—硫酸氧化法)進行樣品分析[9],每次測3個平行樣,測定結果取平均值。

1.3　林分平均含碳率的計算

由于不同樹種其各組分的含碳率值存在著一定的差異，單株或林分各組分的生物量在總生物量中所占的權重也不盡不同，因此，以每個樹種各組分含碳率的算術平均值作為該樹種或由該樹種所組成的林分的平均含碳率值并不能真實地反映實際情況。只有根據各組分的生物量權重計算林分的平均含碳率，才能真實地反映其實際平均水平及每一組分在平均值中的貢獻，林分的平均含碳率用式(1)—(2)進行計算[6，10]。

(1)

(2)

式中：P——某種林分的平均含碳率；Pi——某種林分的第i塊標準地的生物量加權平均含碳率；Wij——第i塊標準地上的第j組分的生物量；Pij——第i塊標準地上的第j組分的含碳率；i=1,2,…,n;j=干、枝、葉、根。

2結果與分析

2.1　相同樹種各組分含碳率特征

以油松為例,分析比較了3個不同樣方中的相同樹種油松各器官的含碳率(表1)。由表1可以看出，同一樹種相同組分之間的含碳率變化幅度都不大,但不同組分之間有所差異，其不同組分間的變異系數最大的為3.33%，最小的為1.30%。不同組分間，油松葉的含碳率普遍高于其他器官含碳率,最高為0.548 2，樹干木材的含碳率相對低于其他器官的含碳率，最低的為0.511 9。相同組分間的變異系數比較接近,最大為1.92%，最小的為0.62，這為林分含碳率計算提供了前提(其他樹種經過試驗分析,得到相似結論)。

表1　不同樣地油松各組分含碳率

2.2　不同樹種各組分含碳率特征

不同樹種組分的含碳率分析測定結果如表2所示。寧夏賀蘭山自然保護區主要森林樹種各器官平均含碳率在0.363 6～0.536 4之間,總體平均值為0.463 7。不同樹種同一器官的平均含碳率基本的變化趨勢表現為：樹干木材>樹枝>樹葉>樹皮>樹根。

不同樹種不同器官的含碳率水平來看，油松葉的含碳率最高，為0.536 4，灰榆皮的含碳率最低，為0.363 6。其中，青海云杉各器官的平均含碳率表現為：樹干木材>樹葉>樹皮>樹枝>樹根；油松各器官的平均含碳率表現為：樹葉>樹皮>樹枝>樹根>樹干木材；山楊各器官的平均含碳率表現為：樹皮>樹枝>樹干木材>樹根>樹葉；灰榆各器官的平均含碳率表現為：樹干木材>樹根>樹枝>樹葉>樹皮?？傮w上，同一樹種各組分之間的含碳率變化幅度不大(圖1)。

從不同森林樹種的角度來看,針葉樹種各組分的平均含碳率高于闊葉樹種。針葉樹各器官地上部分的平均含碳率為0.482 6，闊葉樹種地上部分平均含碳率為0.441 2，針葉樹種各器官地上部分的平均含碳率高出闊葉樹種地上部分的平均含碳率1.64%～6.39%,這可能與樹種自身的生物學特性有關。

表2　寧夏賀蘭山主要森林樹種各組分的含碳率

2.3　林分的平均含碳率特征

由表1的測定結果可知,同一樹種不同組分的含碳率值是有一定差別的，以每個樹種各組分含碳率的算術平均值作為該樹種或由該樹種所組成的林分的平均含碳率值并不能真實地反映實際情況，因為單株或林分各組分的生物量在總生物量中所占的權重不同，應根據各器官生物量的權重來計算該森林類型林分平均含碳率[11-12]。盡管樹種各組分生物量在總生物量中所占的比例隨樹種的年齡、氣候條件、立地條件等變化而變化，但林分按生物量加權的平均含碳率受這些因素的影響卻很小，是一個相當穩定的值。由表1可知，寧夏賀蘭山同一樹種相同器官的含碳率基本相同。由表3可知，林分按生物量加權的平均含碳率值是一個相當穩定的值。從變動系數可以看出其平均含碳率的變化幅度是非常小的。表2中的4種林分類型的地上部分平均含碳率變異系數均在1.5%以內。也可明顯看出,針葉林含碳率值要大于闊葉林,2種針葉樹林分平均含碳率為0.490 0，兩種闊葉樹種林分平均含碳率為0.452 7，針葉樹較闊葉樹高8.24%。

圖1　不同樹種各器官含碳率比較

森林類型地上部平均含碳率/%變異系數/%青海云杉0.45760.697油松0.51840.713山楊0.46641.450灰榆0.43900.740

3結 論

(1) 根據各器官生物量的權重來計算森林類型林分平均含碳率的值與每個樹種各器官含碳率的算術平均值具有差異。寧夏賀蘭山4中主要的森林類型青海云杉、油松、山楊和灰榆林分的地上部平均含碳率分別為0.457 6，0.518 4，0.466 4和0.439 0。其中2種針葉樹林分平均含碳率為0.490 0,2種闊葉樹種林分平均含碳率為0.452 7，針葉樹較闊葉樹高8.24%。由這些參數可知，不同森林類型具有不同含碳率值，單純以0.45或0.5作為該區平均含碳率轉換系數來估算碳儲量,都存在一定的誤差。

(2) 寧夏賀蘭山4種主要森林樹種，同一樹種不同組分之間有所差異。以油松為例，不同組分間的變異系數在1.30%～2.57%間，相同組分的變異系數在0.62%～1.92%間，相同組分間變異系數較小。不同樹種相同組分變異系數在4.87%～13.37%間，不同樹種不同組分變異系數在0.89～5.68間。

(3) 本研究中針葉樹種青海云杉、油松的平均含碳率與其他研究學者的研究結果相比較，油松含碳率(0.518 4)與馬欽彥等[12]研究的華北區油松的含碳率(0.510 5)、劉維等[11]研究的北京鷲峰森林公園油松含碳率(0.516 1)相接近，青海云杉的含碳率低于王金葉等[13]研究的祁連山區青海云杉含碳率(0.521 2)，低于馬欽彥等的研究紅皮云杉的含碳率(0.511 8)。因此，在進行區域碳儲量估算時，應考慮到這些差異，根據實際情況選擇合適的含碳率。

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Carbon Content Rate Analysis in Main Tree Species of Forest in Helan Mountain of Ningxia Area

JI Bo1,2, HE Jianlong1, LI Na1, CAI Jinjun1, XU Hao1, ZHANG Yuanrun1

(1.InstituteofDesertManage,NingxiaAgricultureandForestryScienceAcademy,Yinchuan,Ningxia750002,China; 2.EducationKeyLaboratoryforRestorationandReconstructionofDegradedEcosysteminNorth-westernChina/BreedingBaseforStateKeyLaboratoryofLandDegradationandEcologicalRestorationofNorth-westernChina/UnionResearchCenterforEcologyandExploitationofBiologicalResourcesinWesternChina,NingxiaUniversity,Yinchuan,Ningxia750021,China)

Abstract：[Objective] This paper aimed to quantify the carbon content rate(CCR) of different organs of four main tree species (Picea crassifolia, Pinus tabuliformis, Populus davidiana and Ulmus glaucescens)of forest in Helan Mountain, in order to provide reference for study of carbon storage in larger scale regional forest. [Methods] CCR of above-ground part was measured using the methods of the field investigation, laboratory assay and the links of it with biomass were analyzed with corresponding coupled biomass data. [Results] The results showed that the values of CCR of above-ground part of four tree speices, Picea crassifolia, Pinus tabulaeformis, Populus davidiana and Ulmus glaucescens were 0.457 6, 0.518 4, 0.421 3 and 0.439 0, respectively. In a same tree species, the variation coefficients of different modules were between 1.30% and 2.57%, the values of same module were between 0.62% and 1.92%; the variation coefficients of different modules among the four different trees were between 0.89% and 5.68%, the coefficients of same module of the four different tress ranged between 4.87% and 13.37%. [Conclusion] Different tree species have different carbon CCR. The average CCR in the organs of coniferous species was higher than that in the broadleaf species. Accordingly, the average CCR in the coniferous forest was higher than that in the broadleaf forest.

Keywords:Ningxia area; Helan Nature Reserve; tree species of forest; carbon content rate

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0332-04

中圖分類號：S718.55

通信作者：張源潤(1960—),女(漢族),甘肅省蘭州市人，學士，研究員,主要從事森林生態學等研究。E-mail:zhangyuanrun@163.com。

收稿日期：2014-03-20修回日期：2014-04-08
資助項目：寧夏農林科學院自主研發項目“賀蘭山自然保護區森林碳匯功能研究”(NK1105); 寧夏自然科學基金項目(NZ13120)
第一作者：季波(1982—),女(漢族),寧夏回族自治區青銅峽市人,碩士研究,助理研究員,主要從事生態學等方面的研究。E-mail:nxjibo311@163.com。