長白落葉松人工林熱值及其能量現存量

崔玉濤，張啟昌，謝振財，楊軍元，軒志龍

1 北華大學林學院，吉林 132013 >2 吉林省林業調查規劃院，長春 130022

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長白落葉松人工林熱值及其能量現存量

崔玉濤1,2，張啟昌1,*，謝振財2，楊軍元2，軒志龍1

1 北華大學林學院，吉林 132013 >2 吉林省林業調查規劃院，長春 130022

采用量熱法對5個徑級的長白落葉松各器官熱值進行測定，結合生物量的數據，對長白落葉松的能量現存量進行研究。結果表明：長白落葉松各器官能量現存量模型W=aDb最適推算長白落葉松的能量現存量。長白落葉松各器官熱值的測定結果顯示：枝>皮>干>葉>根。各器官的能量現存量呈現：干>根>皮>枝>葉的規律，能量現存總量1988.39×109J/hm2，地上部分能量現存量遠遠高于地下部分，主要集中在0—12 m的樹段，地下部分主要集中在粗根和根坨。對比5個徑級根系的能量現存量，20徑級根系的能量現存量最大(187.73×109J/hm2)，8徑級根系的能量現存量最小(7.72×109J/hm2)。對比5個徑級長白落葉松的能量現存量，16徑級的能量現存量最大(723.45×109J/hm2)，8徑級的能量現存量最小(46.58×109J/hm2)。對比長白落葉松和樟子松的能量現存量可知：長白落葉松小于樟子松。

長白落葉松；徑級；器官；熱值；生物量；能量現存量

近年來，由于人類活動，導致森林破壞嚴重，全球氣候變暖，加重了森林生態系統的負擔，開始讓人們更加關注森林資源的保護，尋求改善森林生態環境，提高林地生產力的途徑。森林生態系統生物量的研究，是森林生態系統能量研究的基礎，為森林生態系統結構和功能的研究提供依據[1- 2]，也為評價森林生態系統碳匯能力和生產力提供重要依據[3- 5]。植物熱值是森林生態系統能量轉換的重要指標，是植物所含能量多少的一種度量[6- 7]。研究植物熱值季節性變化，對于提高林地生產力和改進系統能流輸入有重要參考價值[8]。能量是評價森林生態系統結構和功能的重要指標，更能反應植物群落對太陽能的利用率，對提高林分的生產力具有指導意義[9-11]。

長白落葉松(LarixolgensisHenry)隸屬于松科(Pinaceae)、落葉松屬(Larix)，落葉喬木，在我國東北長白山地區廣泛栽植。一般生長在海拔500—1800 m濕潤山坡及沼澤地區，在氣候溫寒、土壤濕潤的灰棕色森林土地分布普遍。抗逆性較強，能生長在比較干燥瘠薄的山坡，也能生在沼澤地帶，適應力較強，在土層肥厚、排水良好、pH約5的砂質壤土上生長最好。長白落葉松是很好的造林樹種和觀賞樹種，其樹干端直，材質堅韌，是很好的建筑用材。

植物與人類生產生活息息相關，是重要的能源來源，研究開發植物能源具有減緩能源危機，保護生態環境等重要意義。已有學者對芒草[12]、尾巨桉[13]、樟子松[14]等植物的能量進行了研究，但還未見有關長白落葉松人工林熱值與能量現存量的系統研究。本文通過對磨盤山上24年生長白落葉松人工林不同徑級各器官熱值和能量現存量的對比分析，從能量的角度探討長白落葉松人工林積累能量的能力，了解長白落葉松人工林的生產力，為合理經營長白落葉松人工林提供理論依據。

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地區概況

圖1 研究地區示意圖Fig.1 The sketch of research region

研究地區選自吉林省吉林市豐滿區前二道鄉王相村境的磨盤山上(圖1)。該山主要屬北溫帶大陸季風氣候，夏季氣溫較高、雨水充足，冬季時間較長，年平均氣溫在4.5 ℃左右，年平均降水量在668 mm左右，相對濕度達70%。無霜期130 d 左右。植被屬長白山植物區系，土壤為沖積土，土質一般為黃沙和粘土。該山植被茂密，多為天然林，森林覆蓋率達90%以上。核桃楸(Juglansmandshurica)、花曲柳(Fraxinusmandshurica)為主要喬木樹種。

1.2 樣品的采集

在長白落葉松人工林內，設定20 m ×30 m的樣地，每木檢尺，根據檢尺結果，以4 cm一個區分段，劃分成5個徑級，每一徑級，選取3株健康樹木進行取樣。地上采用Monsic分層切割法[15]，將標準木按每2 m劃為1個區分段測定標準木的干、皮、枝、葉鮮質量，地下采用“標準根法”測定根的鮮質量。為了使數據更為真實有效，干的采集位于胸徑；皮采集1—2 年生枝皮、多年生枝皮、干皮；枝采集1—2 年生枝和多年生枝；葉的采集要將樹冠從上到下平分成3層，每一層按東、南、西、北四個方向采樣；根細分為根坨、粗根、中根、細根。

表1 長白落葉松各器官能量現存量模型

Table 1 The total standing crop of energy model of different organs in tree ofLarixolgensis

模型Model器官Organ模型ModelR2W=a(D2H)b樹干W=0．9278(D2H)0．85650．9887樹葉W=0．1090(D2H)0．78640．9238樹根W=0．0166(D2H)1．22640．9563樹枝W=0．0293(D2H)1．01250．9944樹皮W=0．0680(D2H)0．93130．9879全樹W=0．6776(D2H)0．96120．9990W=aDbHc樹干W=0．2438D1．3146H1．75560．9968樹葉W=1．9816D2．4375H-1．16460．9659樹根W=1．1259D3．7101H-1．61040．9943樹枝W=0．0362D2．0887H0．86880．9946樹皮W=0．0443D1．7349H1．21930．9886全樹W=0．8935D2．0049H0．77510．9993W=aDb樹干W=3．6098D2．06100．9662樹葉W=0．3315D1．94240．9510樹根W=0．0949D3．02530．9821樹枝W=0．1375D2．45810．9892樹皮W=0．2881D2．25330．9761全樹W=2．9368D2．33450．9945

W：能量現存量(GJ);D：胸徑(cm);H：高(m)

1.3 研究方法

先將采回的樣品放入105 ℃烘干箱內殺青3 h，后置于通風狀態良好的環境中3d，每種樣品取50—100 g放入烘干箱內烘干72h，溫度控制在70—80 ℃，記錄烘干后的質量，再次放入烘干箱內，每2h取出1次稱取質量，直到前后質量相差不超過0.1 g，將樣品放入粉碎機內粉碎，用直徑為0.5 mm的篩子篩選，作為熱值測定的試驗材料，干燥和篩選過程至關重要，直接影響測定結果的準確性[16]。用江蘇鶴壁天宇儀器有限公司生產的ZDHW- 2000微機全自動量熱儀測定長白落葉松不同徑級各器官的干重熱值，為保證數據的準確性，每次測定前，需用苯甲酸標定，每個樣品重復測定5次，最后取平均值。能量現存量計算參考韓國君等，用干重熱值乘以生物量，得能量現存量。測定的數據用Excel軟件統計，用SAS軟件進行模型的建立和擬合度的計算。

2 試驗結果與分析

2.1 長白落葉松能量現存量模型

目前大多數研究人員都采用樹高(H)和胸徑(DBH)建立生物量和能量模型，其中最常用的3種模型分別是W=a(D2H)b[17- 18]、W=aDbHc[19- 20]、W=aDb[3]，亦采用這三種模型，運用Excel和SAS軟件對數據進行整理和分析。對長白落葉松的干、葉、根、枝、皮及全樹建立能量現存量模型，選出最適評估長白落葉松能量現存量的模型，整理分析得到表1。從表1可知，3個模型擬合度都很高，模型W=aDbHc中的R2值相對于方程W=a(D2H)b、W=aDb的R2值要高一些，說明模型W=aDbHc擬合長白落葉松各器官和全樹的能量現存量更為精準。但在實際測量中，精確測量樹高難度較大，因此，最適宜推算長白落葉松能量現存量的方程是W=aDb。

2.2 長白落葉松各器官的熱值

由表2可以看出：不同徑級各器官的熱值相差較大，其中16徑級的細根有最小熱值(13241.00 J/g)，20徑級的1—2年生枝有最大熱值(20777.00 J/g)。不同器官的加權平均熱值對比可知：長白落葉松不同器官間的熱值差異顯著，其中1—2年生枝的熱值最大(20209.45 J/g)，細根熱值最小(15831.45 J/g)，各器官熱值大小順序為1—2年生枝(20209.45 J/g)>1—2年生枝皮(20029.13 J/g)>中根(19976.40 J/g)>多年生枝(19889.27 J/g)>多年生枝皮(19842.89 J/g)>粗根(19779.31 J/g)>根陀(19791.36 J/g) >干(19614.89 J/g) >干皮(19614.46 J/g) >葉(19574.68 J/g) >細根(15831.45 J/g)。

表 2 長白落葉松不同徑級各器官熱值

-為缺失值，1—2年生枝是指生長1—2a的枝條去掉樹皮后留下的枝，1—2年生枝皮是指生長1—2a枝條的皮;多年生枝(3a以上枝條)和多年生枝皮(3a以上枝皮)同上

將1—2年生枝、多年生枝取平均值作為枝的熱值，1—2年生枝皮、多年生枝皮、干皮的平均值作為枝的熱值，根陀、粗根、中根、細根的平均值作為根的熱值(表3)。

表3 長白落葉松各器官熱值

從表3可知：枝的熱值最大(20049.36 J/g)，根的熱值最小(18844.63 J/g)，各器官的熱值大小排序為枝(20049.36 J/g)>皮(19828.83 J/g)>干(19614.89 J/g)>葉(19574.68 J/g)>根(18844.63 J/g)。

2.3 長白落葉松能量現存量及其分配

從表4可知，地上部分總能量現存量達1570.24×109 J/hm2，主要集中在0—12 m，占地上總能量現存量的90.88%，樹干占的比例較大，占總能量的75.90%，樹干和樹皮能量現存量隨著樹高增高而降低。樹枝和樹葉的能量現存量主要集中在8—14 m。6—12 m樹段，隨樹木升高，樹枝和樹葉的能量現存量不斷升高，超過14 m，樹木再升高，樹枝和樹葉的能量現存量將隨樹木升高而降低。

從表5可知：20徑級根的能量現存量最大，8徑級根的能量現存量最小。根陀和粗根的能量現存量占地下部分能量現存總量的比例較高，分別達到35.23%和53.96%，中根和細根的能量現存量占地下部分能量現存總量的比例較低，分別占8.49%和2.33%。

表4 長白落葉松地上部分能量現存量的垂直分布

表5 長白落葉松不同徑級地下部分能量現存量及其分配

由表6可知：長白落葉松能量現存總量為1988.39×109J/hm2，不同徑級，長白落葉松各器官能量現存量大小對比均呈現：干>根>皮>枝>葉的規律。長白落葉松人工林在16徑級和20徑級有較高的能量現存量，8徑級能量現存量最小，地上部分占據了能量現存量的大部分。

表6 長白落葉松人工林不同徑級各器官能量現存量

2.4 能量現存量對比

圖2 能量現存量的對比分析Fig.2 Contrastive analysis of the energy standing crop

長白落葉松與樟子松同屬松科、針葉樹種，多數分布于東北地區，兩者同樣具有生長迅速、適應性強、嗜陽光、喜酸性土壤、具有耐寒、抗旱 、耐瘠薄及抗風等特性。韓國君等[14]研究的樟子松人工林與本文作者研究的長白落葉松人工林能量現存量林齡都是24年生，調查方法均采取等株徑級標準木法。對比兩者各器官能量現存量，比較生產力的大小(圖2)。

由圖2可知：長白落葉松的干、枝、葉的能量現存量要小于樟子松，皮和根的能量現存量大于樟子松，長白落葉松各器官總的能量現存量要小于樟子松。

3 結論與討論

本文通過區分徑級和器官來測定長白落葉松的熱值、生物量[21]，利用熱值和生物量的數據，推算出整個長白落葉松林分的能量現存量。對數據整理分析，可以得出以下結論：

通過3個能量模型對比，模型W=aDbHc擬合度達到極高水平，用以推算長白落葉松能量現存量最為精準，但在實際調查中，精確測量樹高難度較大，因此，采用模型W=aDb對長白落葉松人工林的能量現存量進行推算最為適宜。

長白落葉松不同徑級各器官熱值的變動范圍是13241.00—20777.00 J/g，各器官的干質量熱值大小順序為枝>皮>干>葉>根。官麗莉[22]、曾小平[23]、陳美琳[24]等研究的植物干質量熱值都是葉片的最高，因為植物進行光合作用時會合成像蛋白質(22.990 kJ/g)和脂肪(38.874 kJ/g)這樣的高能物質。本文中出現枝的熱值高于葉的熱值，與王云霖的東北落葉松熱值[25]；張啟昌的紅松種群熱值[26]結果相一致，這是由于落葉松枝所含樹脂和松節油，具有比蛋白質和脂肪還要高的能量。

長白落葉松人工林地上部分能量現存量(1570.24×109 J/hm2)要遠遠高于地下部分能量現存量(421.63×109 J/hm2)，地上部分的能量現存量主要集中在0—12 m樹段，占地上部分總能量現存量的90.88%。樹干的能量現存量占地上部分的76.00%。樹枝和樹葉的能量現存量主要集中在8—14 m樹段，且隨著樹高升高能量現存量呈升高趨勢，可見樹木在這一段是生長旺盛的。樹皮和樹干能量現存量隨樹高增加而降低，根陀和粗根的能量現存量占根系的總能量現存量的比例最大，達到35.23%和53.96%，而中根和細根的能量現存量占地下部分能量現存量比例較低，僅占8.49%和2.33%。

不同徑級長白落葉松能量現存量差異顯著，表現為最小徑級和最大徑級占總能量現存量比例最小，出現這種情況的原因是:栽植過密，造成種內競爭激烈,且苗木生長過程中，未采取合理的人工撫育間伐措施，使一些矮小苗木生長緩慢，逐漸被淘汰，大大降低了林分的生產力。因此，應及時采取打枝、清除枯死木、清除雜木等措施提高林分生產力。巨文珍等[27]研究的伊春地區的長白落葉松結果表明：18 a左右應進行撫育間伐。 為我們以后栽植苗木提供了依據。

長白落葉松人工林總能量現存量為1988.39×109J/hm2，地上部分和地下部分的能量現存量占總能量現存量的比例依次為：78.80%、21.20%。16和20徑級能量現存量占總能量現存量比例最大。不同徑級各器官能量現存量的大小順序為干>根>皮>枝>葉，其中干所占總能量現存量的比例最大，達到59.93%，葉所占比例最小，僅占3.93%。這與張清海等[28]、譚玲等[13]研究的闊葉樹種的各器官能量現存量及韓國君等[14]、張英楠等[7]研究的針葉樹種的各器官能量現存量大小順序基本保持一致。這是因為能量現存量的大小主要取決于生物量的大小。

長白落葉松的總能量現存總量要小于樟子松，說明樟子松的生產力要大于長白落葉松，一方面是由生境所致，樟子松研究地土壤為暗棕壤，長白落葉松研究地土壤為沖積土，土質一般為黃沙和粘土，肥力不如樟子松研究地。另一方面，是由自身生理特性決定，長白落葉松枝、葉的能量現存量要遠小于樟子松，致使總能量現存量低于樟子松。然而，長白落葉松根的能量現存量要遠高于樟子松，是因為長白落葉松為了獲取更多養分，扎根很深，根系比樟子松發達。27 年生杉木林[29]能量現存量為656.98×109J/hm2，14 年生天然檫木林[17]能量現存量為1.23×109J/hm2，遠小于24 年生長白落葉松能量現存量。生境和林齡能夠影響能量現存量大小，起決定性作用的是植物本身的生物學特性。說明長白落葉松有較高的生產力，有一定的發展前景。

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Caloric value and total standing crop energy of Larix olgensis henry gmelinii

CUI Yutao1,2, ZHANG Qichang1,*, XIE Zhencai2, YANG Junyuan2, XUAN Zhilong1

1 Forestry College of Beihua University, Jilin 132013, China 2AcademyofForestInventory,PlanningandDesin，Changchun130022,China

The caloric values of vegetation are indicative of energy conversion in the forest ecosystem, and serve as a measure of the energy that plants contain. Studies of seasonal changes in the caloric values of vegetation play a valuable role in promoting forest productivity and systemic energy input. Energy analyses are a method of evaluating the structure and function of a forest ecosystem, and contribute to the promotion of forest stand productivity by representing the amount of solar energy available to the vegetative community. Research on plant energy resource development has been conducted in the interest of alleviating the energy crisis and facilitating the conservation of the ecological environment. In this study, we conducted contrastive analyses of the caloric values and standing crop energy from different 5 diameter classes of organs of the 24-year-oldLarixolgensisGmelinii plantation on Mopan Mountain, in order to study their capacity to accumulate and store energy. The resulting knowledge ofLarixolgensisGmelinii plantation productivity will provide theoretical guidance for the improvement ofLarixolgensisGmelinii plantation management.

Larixolgensis; diameter-class; organ; caloric value; biomass; the total standing crop energy

中央財政林業科技推廣示范跨區域重點推廣示范項目([2011]TK022)；吉林省重大科技發展計劃項目(吉科合字 20075012)

2015- 02- 07;

日期:2015- 12- 14

10.5846/stxb201502070308

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zqc1212@sina.com

崔玉濤，張啟昌，謝振財，楊軍元，軒志龍.長白落葉松人工林熱值及其能量現存量.生態學報,2016,36(17):5452- 5458.

Cui Y T, Zhang Q C, Xie Z C, Yang J Y, Xuan Z L.Caloric value and total standing crop energy ofLarixolgensishenry gmelinii.Acta Ecologica Sinica,2016,36(17):5452- 5458.

Three healthy plants were sampled in plots on aLarixolgensisGmelinii plantation, tree organs in 5 different diameter classes were collected, with 4 cm as one differentiating level. A Monsic layering and cutting method was adopted on the ground, to measure the characteristics of fresh trunk, bark, branch, and leaf material with 2 m as one differentiating level. A standard underground root evaluation method was adopted to measure the characteristics of roots. To ensure the accuracy of the data and effective, the following material was collected: trunk at breast height, 1- to 2-year-old branch bark, perennial branch bark, trunk bark, 1- to 2-year-old branches, and perennial branches. As for leaf material, the canopy was divided into 3 layers, and leaves were collected from the east, south, west, and north of each layer. To collect root material, the root system was subdivided into root stumpage, thick roots, mid-roots, and thin roots. Caloric values were measured to study the 5 diameter classes of variousLarixolgensisGmelinii organs. The total standing crop energy ofLarixolgensisGmelinii was studied in addition to the biomass data.

The results showed that in order to quantify the total standing crop energy in eachLarixolgensisGmelinii organ,W=aDbwas the most suitable model for projecting the total standing crop energy of inLarixolgensisGmelinii trees. The calorific values of variousLarixolgensisGmelinii organs were ordered as follows: branch > bark > trunk > leaf > root. The total standing crop energy of differentLarixolgensisGmelinii organs was ordered as follows: trunk > root > bark > branch > leaf. The total standing crop energy was 1988.39 × 109J/hm2, with that of the aboveground material (mainly concentrated among 0—12 m plants) being far greater than that of the underground material (mainly concentrated in root stumpage and thick roots). Contrastive analyses of the total standing crop energy in 5 diameter-classes of roots suggested that 20 cm diameter-class roots contain the highest total standing crop energy, at 187.73 × 109J/hm2, and 8 cm diameter-class root contain the lowest total standing crop energy, at 7.72 × 109J/hm2. Contrastive analyses of the total standing crop energy in 5 diameter-classes ofLarixolgensisGmelinii organs suggested that the 16 cm diameter-class contained the highest total standing crop energy, at 723.45 × 109J/hm2, and the 8 cm diameter-class contained the lowest total standing crop energy, at 46.58 × 109J/hm2. Comparison of the total standing crop energy betweenLarixolgensisGmelinii andmongolicaLitv, revealed that the total standing crop energy ofLarixolgensisGmelinii was lower than that ofmongolicaLitv.