黑龍江省市縣林區森林生態系統生物量碳庫調查方法的研究

徐樂

(黑龍江省森林植物園，黑龍江 哈爾濱 150040)

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黑龍江省市縣林區森林生態系統生物量碳庫調查方法的研究

徐樂

(黑龍江省森林植物園，黑龍江 哈爾濱 150040)

摘要文章介紹了生物量碳庫調查、測定分析、計算及建模方法，對建立黑龍江省市縣林區森林生態系統生物量碳庫監測體系具有重要的指導意義。

關鍵詞黑龍江省市縣林區；生物量；碳庫；調查；研究

森林碳庫包括地上生物量、地下生物量、枯落物、枯死木和土壤有機碳五個部分。建立森林生態系統生物量碳庫監測體系，對實施生態監測預報、環境污染量化預測等具有十分重要意義。

1外業調查

1.1樣地設置

根據樣地布點圖，采用GPS定位。選擇一類樣地進行設置，利用一類樣地的永久標記，并統一采用絕對坐標讀數進行樣地編號，如讀數為119.458 32° E，32.536 28° N，則樣地編號為：119.45832-32.53628，建立樣地調查檔案，以便于檢查和復測。(GPS讀數要保留到小數點后五位)

1.1.1喬木樣地布設：樣地面積為600 m2的正方形(24.49 m×24.49 m)。以樣地的西南角為起點，羅盤儀測角，皮尺量距離，閉合差小于1/200。記錄樣地坐標、坡向、坡度、坡位、海拔等因子。同時對森林管理、森林干擾(災害)等要素調查記錄。各項調查因子記錄在樣地因子調查記錄表中。并用不低于500萬像素的數碼相機對樣地全貌和西南角各照一張相片(共2張)，相片采用絕對時間進行編號，然后加上樣地絕對坐標編號，如：119.45832-32.53628--201206151026。

1.1.2灌木層、草本層、枯落物生物量通過設置樣方采用收獲法調查，包括兩種樣方設置方法。

(1)基于全國森林資源清查樣地進行樣方調查：選擇基于全國森林資源清查一類樣地開展調查，則在樣地4個頂點向外正東、南、西、北方向2 m區，每個角選擇向一個方向移動，如東北角選擇向東移動2 m，如果向東選擇不到合適樣方，則選擇向北移動2 m，需要保證所設置的樣方在樣地各邊2 m以外區域。其他二個頂點的樣方設置與此相同，選擇確定3個灌木、草本和枯落物生物量調查樣方。在樣地外不做生物量調查的頂點，設置土壤剖面調查點，距離此頂點2 m處挖土壤剖面。

(2)新設樣地和樣方開展碳匯專項調查：樣地面積為600 m2的正方形(24.49 m×24.49 m)。選擇距樣地其中3個角頂點兩邊3 m處各設置3個灌木、草本、枯落物樣方，在樣地中間位置設置土壤剖面調查點。

1.2樣地調查

獲取喬木層生物量測算因子，以及灌木層、草本層、枯落物層、枯死木生物量，土壤有機碳等要素，主要涉及調查因子包括喬木樹種名稱、每木胸徑、平均樹高、林齡、密度、郁閉度等；灌木與草本層種類、蓋度、平均高、樣方生物量等；枯落物層的厚度、樣方鮮質量等，土壤名稱、厚度、容重和有機質含量等。

1.2.1喬木層樣地調查每木調查(含枯死木調查)胸徑，并在樣地內選擇3～5株處于平均胸徑的林木測定其樹高，作為樣地的平均樹高。喬木層起測胸徑為5.0 cm。

1.2.2枯死木調查對于枯立木，測定胸徑和實際高度，記錄其枯立木分解狀態；對于枯倒木，測定其區分段直徑和長度，按1 m區分進行材積計算。

1.2.3灌木層調查采用樣方法調查灌木層植物種名(包括未達起測直徑D<5.0 cm的幼樹)、蓋度(冠幅)、株數、平均高。每個樣方中，選取3株平均大小(根徑與高度處于平均水平)的灌木作為平均灌木，記錄選取的3株標準灌木種名、高度、地徑、冠幅，采用全株收獲法分別測定3株標準木地上干、枝、葉和地下根系的鮮質量，稱量精度保留到稱量儀器的最小刻度(10 g)。

1.2.4草本層生物量采用完全收獲法調查調查記錄樣方內的草本植物(不包括苔蘚、地衣等)的種名、蓋度、平均高，然后收集樣方內所有草本植物地上部分和地下部分(根徑小于2 mm除外)，直接稱其總鮮質量。草本樣品采樣時，如采集的草本量比較多時，樣品可收集一部分草本植物的混合樣品(200 g左右)，稱質量精確到10 g。

1.2.5枯落物層通過在森林內設置樣方，調查枯落物厚度，收集樣方內全部枯落物，包括各種枯枝、葉、果、枯草、半分解部分等枯死混合物，剔除其中石礫、土塊等非有機物質，稱量其鮮質量，精確到50 g或稱重儀器的最小估讀刻度(10 g)。每個樣方混合采集枯落物樣品200 g左右，稱質量精確到10 g，裝入樣品袋中，貼上標簽，寫明樣地號、樣方號、采集地點、樣品類型、采集人和采樣日期，帶回實驗室測定其干鮮比(含水率)。

1.2.6土壤碳庫調查內容包括土壤類型、土層厚度、土壤容重和有機質含量。剖面挖掘和土鉆采集剖面后，每個剖面采樣層次按0～10 cm、10～30 cm、30～100 cm劃分土層；土層厚度不足100 cm，按實際厚度分層取樣，超過100 cm按100 cm分層取樣。

2樣品測定分析

外業調查所采樣品，應盡快送實驗室進行烘干測定。在條件不能滿足在短期測定的情況下，可將外業采集的樣品殺青，或打開袋口，放在通風處，使其自然風干，防止發霉或腐爛。保證所有樣品編號不丟失。要在10 d內完成樣品的烘干和室內測定工作。

選取一部分參與碳匯專項調查灌木型植物測定其含碳率，選取不同灌木植物的器官(干、枝、葉)作為全國植物含碳率測定樣品。確定為含碳率測定的樣品，需擦凈或洗凈，并盡快在通風干燥處風干或用恒溫烘箱烘干，要用適宜的溫度烘干。測定土壤含水率和容重的土壤樣品，帶回室內后應盡快完成對其測定。用于測定土壤有機質的樣品，盡快送到實驗室，選擇通風的地方攤開，進行自然風干，避免日光直曬和其他污染。土壤風干后，進行土壤樣品處理和有機質測定。

2.1干鮮比測定

外業調查所采樣品，需要進行干鮮比測定，對所有外業調查帶回的樣品，分灌木、枯落物單獨存放，分別將樣品袋上的記錄統一轉抄到內業干鮮比測定表中。烘樣品時，最好統一用鋁盒或其他器皿，保證操作安全和稱質量方便。分別稱量樣品鮮質量、烘干質量，填入記錄表中，計算各樣品干鮮比。

2.2測定植物樣品碳含率

選擇具有代表性的灌木干、枝、葉和根、草本植物的地上與地下、枯落物等樣品若干份，國家統一集中進行全國灌木類、草本類、枯落物碳含率測定。樣品的適宜采集量，一般要求經粉碎后至少剩有20～50 g干質量樣品。如果是新鮮樣品，以含80%～90%的水分來計算，則樣品要比干樣多5～10倍。

分別對采集的灌木干、枝、葉和根的樣品，草本植物地上、地下部分樣品以及枯落物樣品，單獨進行加工制備。考慮到分析樣品時的實際用量較少，為保證取樣全面以及混合均勻，采用3次粉碎法制樣，即初次粉碎時取樣量較大，在初粉碎的基礎上按四分法取其中的1/4進行第2次粉碎，然后同前方法進行第3次粉碎，經粉碎的樣品過200目篩后裝瓶(或自封袋)備用。所有粉碎后的樣品在分析前，再次放入70～80 ℃的恒溫箱中烘24 h。

2.3土壤容重

采用烘干稱質量法。在實驗室內，將野外調查取回的土壤樣品在烘箱內烘至恒質量，稱其質量。

2.4土壤有機質

經過風干、研磨等預處理制備土壤分析樣品，在此基礎上采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法或總有機碳(TOC)分析儀法在實驗室測定土壤樣品的有機質含量。

3生物量計算和建立模型

3.1喬木層樣地生物量

基于各樣地每木調查結果，計算樣地蓄積量，同時選擇合適的異速生長方程，計算樣地喬木層生物量。

樣地喬木層干質量(kg)換算成以噸(t)為單位的每公頃喬木層生物量。

3.2灌木層生物量

根據調查樣方灌木株數/叢數、樣品鮮質量、標準灌木鮮質量數據，按下式計算各喬木樣地的灌木總干質量：

Mshrub=mshrubN/1 000

式中：

mshrub：平均標準灌木單株(叢)生物量，(g)

Pshrub：灌木干濕比

Mstandard_wet：每株平均標準灌木鮮(濕)質量，(g)

nstandard：標準灌木株數(叢數)

Mshrub：樣方灌木生物量(干質量，kg)

N：樣方灌木總株數

3.3草本層生物量

根據草本層樣方調查的樣品鮮質量、樣品干質量，按下式計算各喬木樣地的草本層生物量。

樣方草本層干質量(生物量)=樣方草本層總鮮質量×干鮮比

根據計算得到的樣方草本層總干質量(生物量)(kg)，換算成以t為單位后再按下式求出單位面積生物量。

式中：

Mgrass：單位面積草本生物量，t hm-2

mgrass-sample：草本樣方重量，kg

Ssample：草本層樣方面積，m2

3.4枯落物生物量

根據調查樣方總鮮質量、樣品鮮質量、樣品干質量數據，按下式計算各樣方灌木、枯落物總干質量。

樣方總干質量=干鮮比×樣方總鮮質量

樣方枯落物總干質量(kg)，換算成以t為單位后再按下式求出單位面積生物量：

式中：

Mlitter：單位面積枯落物生物量，t hm-2

mlitter-sample：枯落物樣方重量，kg

Ssample：枯落物樣方面積，m2

3.5枯死木生物量

基于樣地每木調查數據，分別按枯立木和枯倒木計算生物量。累加樣地中所有枯立木和枯倒木生物量，得到樣地枯死木生物量。

∑Mdead-wood=∑M立+EM倒

樣地枯死木生物量(單位為kg)按以下公式換算為枯死木生物量：

其中，

Mdead-wood：枯死木單位面積干物質量(死生物量)，t hm-2

Mdead-wood：樣地枯死總生物量，kg

Ssample：樣地面積，m2

3.6土壤有機碳

基于樣地各土層土壤容重、厚度、有機質含量調查數據，分別按下式計算土壤剖面有機碳密度。

土壤有機碳含量(10-3g cm-2)的公式為：

式中：

C—土壤樣品有機質含量(g kg-1)，D—土壤容重(g cm-3)，E—土壤厚度(cm)，G—直徑≥2 mm 的石礫所占體積百分比(%)。

土壤有機碳密度(t C hm-2)需要從土壤有機碳含量換算得到(單位換算)：

土壤有機碳密度=土壤有機碳含量/10

3.7建立模型

(1)根據調查樣地喬木樹種的胸徑和樹高，選用合適的異速生長方程，計算出喬木層地上生物量和地下生物量，并得出樣地單位面積地上生物量和地下生物量。對同一區域相同森林類型計算其地下生物量與地上生物量之比，得出此森林類型的平均地下生物量與地上生物量之比(根/莖比)。

通過一定樣地數量計算所得結果，需要進行方差、精度以及估計區間等方面的分析。

(2)根據外業調查數據、內業測定的干鮮比(含水率)，計算出各樣方灌木(含地上和地下)、草本層和枯落物生物量，進一步計算出不同森林類型的單位面積生物量。分別建立所有喬木樣地喬木層生物量(或蓄積量)與對應灌木層、草本層、枯落物層生物量的關系〔M=f(xi)〕。同時分別計算出各森林類型的灌木層、草本層、枯落物層單位面積生物量平均估計值，并分析平均值的估算方差、精度與估計區間。

(3)灌木層、草本層、枯落物生物量與喬木層回歸關系模型

第一，灌木層、草本層、枯落物生物量關系方程采用以下通式表示

M灌木層=f(M喬)

M草本層=f(M喬)

M枯=f(M喬)

式中，M灌木層為每公頃灌木層生物量；M草本層為每公頃草本層生物量；M枯為每公頃枯落物層生物量；M喬為每公頃喬木層生物量。

第二，利用有關統計軟件(SPSS、SAS軟件)，建立灌木層、枯落物生物量與喬木層地上生物量(蓄積量)關系方程。依據散點圖分布特點，選用線性方程、對數方程、多項式(二次或多次)、冪函數和指數方程等函數(見下表)，分別建立灌木層、枯落物生物量與喬木層生物量的關系方程。

表1　擬合函數類型

第三，方程檢驗。建立各層碳庫生物量與喬木層生物量回歸關系方程。依據方程的顯著性以及R2(相關系數)，并進行T檢驗和F檢驗來評價方程的優劣，選出擬合方程結果達到顯著程度(P<0.05)、標準誤較小的數學模型作為最佳模型，并用作估算相應部分的生物量。利用建模樣本的實測生物量和方程估計生物量計算總相對誤差、平均系統誤差、相對誤差絕對值平均數和預估精度等統計指標，同時觀察殘差分布是否隨機，以評價模擬函數方程是否符合精度要求。

(4)土壤碳儲量參數計算。將同一氣候類型的地面調查樣地按樣地分類要求劃分。分別計算各土壤類型分層有機密度，并求算同一類型的土壤碳密度其組中值作為該森林土壤類型的有機碳密度參數，計算結果要給出標準差、最小值、最大值和樣本數。

4小結

為了確保碳匯專項調查所取得成果精確可靠，首先需要考慮到在整個調查取樣以及模型參數建立過程的質量保證和控制，做到抽樣的準確性、樣品取樣與測定的精確性和模型參數建立的可靠性與高相關性；第二，為了建立相應類型生物量參數和模型，需要每種抽樣調查樣地能夠代表該森林類型特征，同時還需要有一定樣地數量保證，所以抽樣與樣點數的確定同樣對調查結果的估算與關系建立起著重要的影響，做好此兩方面，會增加調查成果的準確性；第三，選擇科學合理的模型，擬合最佳模型。雖然進行模型建立和參數擬合的方程有多種，但必須分別類型和數據，進行科學分析，建立相關性高，模擬成果精確度高的模型和參數，以期望滿足今后計算各碳庫的需要。

文章編號：1005-5215(2016)07-0062-03

收稿日期：2016-05-06

作者簡介：徐樂(1987-)，女，黑龍江哈爾濱人，在職研究生，助理工程師，現從事林業管理工作.

中圖分類號：S718.55；X24

文獻標識碼：A

doi:10.13601/j.issn.1005-5215.2016.07.021