利用内蒙古东部3种灌木各器官含碳率的实测数据,探讨评估灌木林碳储量的含碳率取值问题。结果表明,1)各灌木林叶、枝和根的生物量分别占树种生物量的10%~20%、40%~60%和30%~40%,表明枝生物量占总生物量1/2左右,而根系生物量占1/3左右。2)天然山杏( Prunus sibirica)、人工山杏、人工柠条( Caragana korshinskii)和虎榛子( Ostryopsis decne)的叶、枝、根含碳率的范围分别为0.428 7~0.456 7、0.445 9~0.462 8、0.397 3~0.431 3 g C·g-1,根的含碳率均与地上器官含碳率差异较大,叶和枝含碳率之间的差异较小。3)当天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工柠条的地上部分和根系含碳率分别取值0.45和0.42时,其地上碳密度分别为1.370 7、1.167 7、198.873 0和2.157 3 t·hm-2,根系碳密度分别为0.941 6、0.401 5、100.908 8和0.721 1 t·hm-2,与实测碳密度相比,其相对误差均在6%以内。
The carbon content of three shrubs organs were measured in the eastern Inner Mongolia, in order to discuss the problems of the carbon content rate. Results showed that: 1) The biomass of shrub leaf, branch and root accounted for 10% to 20%, 40% to 60% and 30% to 40%, respectively, which showed that branch biomass accounted for half, the root biomass accounted for about a third of the total biomass. 2)The range of carbon content rate of leaf, twigs, roots of natural Prunus sibirica, artificial P. sibirica,artificial Caragana korshinskii and Ostryopsis decne were 0.428 7 to 0.456 7 g C·g-1, 0.445 9 to 0.462 8 g C·g-1, 0.397 3 to 0.431 3 g C·g-1, respectively .The carbon content of the root have a significant difference with the ground organs carbon, the carbon content rate variance between leaves and branches varied with the tree species . 3) When the carbon content rate values of ground parts and root parts of natural P. sibirica, artificial P. sibirica, artificial C. korshinskii, O. decne were 0.45 and 0.42, respectively, the levels of ground carbon density were 1.370 7, 1.167 7, 198.873 and 2.157 3 t·hm-2, carbon density of roots were 0.941 6, 0.401 5, 100.908 8 and 0.721 1 t·hm-2, respectively. The relative errors was within 6% compared with the carbon density calculated by measured carbon content rate of the ground and the root system.
森林生态系统是陆地生态系统中面积最广、最重要的自然生态系统, 它存储了陆地生态系统中有机碳地上部分的 80% 和地下部分的 40%[1]。目前, 森林生态系统碳储量评估普遍采用的方法是通过直接或间接测定森林植被的生产量与生物量的现存量再乘以生物量中碳元素的含量推算而得[2], 显而易见, 生物量和含碳率是研究森林碳贮量的两个关键性因素, 多数相关研究中含碳率取0.5[3, 4, 5, 6, 7]或0.45[8, 9, 10] g C· g-1, 且对含碳率的取值没有明确的规定。研究表明[2], 中国乔木树种平均含碳率均大于0.45 g C· g-1, 其中阔叶树的平均含碳率值大多小于0.5 g C· g-1 , 针叶树的平均含碳率大部分大于0.5 g C· g-1。但对占我国陆地总面积1/5[11]的灌木林含碳率的报道较少, 因此本研究利用内蒙古东部的3种主要灌木林植被含碳率数据, 分析灌木林的含碳率, 探讨该区灌木林含碳率在不同树种间、种内各组分间的变化以及含碳率对碳密度评估的影响程度。
研究区位于内蒙古东部大兴安岭中段的浅山丘陵区, 涵盖内蒙古自治区兴安盟的3个旗县(科尔沁右翼前旗、科尔沁右翼中旗、五岔沟镇)。地处120° 39'-122° 03' E, 45° 03'-46° 43' N, 主要地貌类型有低山、平原和丘陵, 海拔在200~720 m, 年平均气温2.5~6.3 ℃, 年降水量350~485 mm, 蒸发量1 591.1~2 045.9 mm, 无霜期110~142 d, 土壤主要类型为暗棕壤、栗钙土、风沙土等。主要乔木有落叶松(Larix gmelini)、白桦(Betula platyphylla)、白杨(Populus alba)、蒙古栎 (Quercus mongolica)、大果榆(Ulmus macrocarpa), 常见灌木有柠条(Caragana korshinskii)、山杏(Prunus sibirica)、虎榛子(Ostryopsis decne)、绣线菊(Spiraea salicifolia)等。
1.2.1 数据调查 于2013年8月―9月分别在科尔沁右翼前旗、科尔沁右翼中旗和五岔沟县的灌木林区进行野外样品调查及采集工作, 灌木物候期处于果期, 在每个调查对象区域内选取3个10 hm2典型样地(共24个样地), 在样地内设定9个样方(共216个样方)。除了虎榛子因密度而分为5 m× 5 m和1 m× 1 m两种大小的面积外, 其它树种样方面积均为10 m× 10 m。样方内每木检尺, 确定标准木, 测量其形态指标(株高、基经、盖度等)后伐倒挖出整株, 分别采集地上植株、根系各器官的样本带回实验室, 样地概况如表1所示。
1.2.2 含碳率 含碳率采用干烧法[12]测定, 以Elementar Vario EL (Germany)元素分析仪进行样品分析, 每次测两个平行样, 取平均值, 误差为± 0.3%, 采用Excel和SPSS 17.0进行单因素方差分析和LSD多重分析, 检验各器官含碳率的差异显著性[13, 14]。经室内外的实验, 测定标准木各器官的鲜重、干重和含水量。
地上植被或树种平均含碳率可以由各器官的算术平均含碳率或其林分的生物量加权平均含碳率的两种方法求出, 经研究表明[2], 其两种林分含碳率的差值不超过1.2%。因此, 本研究采用生物量加权平均含碳率法计算地上器官的平均含碳率[15, 16], 其公式如下[10]:
P=
式中:P是某林分地上平均含碳率; Pi是某类林分的第i块样地的地上生物量加权平均含碳率(i=1, 2, …, n),
Pi=
式中:Wij、Pij分别指第i株树的j组分的生物量、含碳率(i=1, 2, …, n; j=叶, 枝)。
E=
式中:E为相对误差, Y为假设值, 代表地上部分样本含碳率权重平均值或根系样本含碳率权重平均值, X为实测值[17]。
1.2.3 生物量及碳储量的换算 采取收获法[12]估计单位面积灌木林生物量, 以天平测量各器官的总鲜重, 再将各器官的样本装入袋中带回实验室, 放入烘箱, 在75 ℃常温下烘干至质量不变为止。根据取样灌木器官的干鲜重变化计算样品各器官的含水率, 再以样品含水率和野外测定的灌木各器官总鲜重, 计算出单株灌木各器官总干质量, 并按公式计算各灌木样方的灌木总干重以及相应碳储量, 具体为:
Mi=(WiS-WiDS)/WiS(4)
Wi=WiF(1-Mi) (5)
BC=
DC=BC× PC (7)
式中:Mi为i器官的样品含碳率, WiS为i器官样品鲜重, WiDS为i器官样品干重, Wi为标准木的i器官的干重, WiF为标准木的i器官的鲜重, i=(叶、枝、根), BC为某林分地上、根系生物量, Ws为标准灌木地上总干质量, N为样方株数, M为样方面积, DC为某类林分地上、根系碳密度, PC为某类林分地上、根系含碳率。
虎榛子总生物量为682.197 t· hm-2, 因虎榛子分布密集, 其单位面积上的数量比其它灌木种高100多倍(表2), 使生物量相差极大。天然山杏、人工山杏和人工柠条的生物量均在5 t· hm-2左右。各灌木林叶、枝和根的生物量分别占树种的10%~20%、40%~60%和30%~40%, 其中枝生物量占一半, 而根系生物量占总生物量的1/3以上。
2.2.1 同一灌木不同器官的含碳率分析 天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工柠条的各器官含碳率分别为0.419 4~0.446 3、0.419 0~0.445 9、0.431 3~0.462 8和0.397 3~0.452 4 g C· g-1, 地上器官含碳率的标准差小于0.02, 根系含碳率的标准差在0.03左右, 各树种器官含碳率大小顺序均表现为枝> 叶> 根。差异显著性分析表明, 所有灌木林根与地上器官之间的含碳率均存在显著差异(P< 0.05); 除人工山杏外, 其余树种的地上器官间不存在显著差异(P> 0.05)(表3)。
2.2.2 不同灌木同一器官的含碳率差异分析 叶、枝、根的含碳率范围在0.428 7~0.456 7、0.445 9~0.462 8、0.397 3~0.431 3 g C· g-1, 不同树种同组分间的含碳率变动较小, 其变异系数在3.4%以内。差异显著性分析表明, 不同灌木林叶间的含碳率存在显著差异(P< 0.05); 枝间的含碳率差异不显著(P> 0.05); 除人工柠条的根含碳率外, 其余树种的根间含碳率差异不显著, 表明不同树种器官间的含碳率没有统一规律, 其大小因树种而异(表3)。
各灌木的地上和根系的生物量分配分别在2/3和1/3左右, 其根系生物量不容忽视, 且地上器官和根系含碳率间的差异较大, 因此, 地上和根系的含碳率需要分别取值。天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工柠条的生物量加权估算的地上平均含碳率分别为0.444 6、0.442 9、0.460 6和0.452 4 g C· g-1, 其地上部分实测含碳率的平均值在0.45 g C· g-1左右, 各灌木地上含碳率相对误差范围为-2.300%~1.600%。天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工柠条的生物量加权估算的根系含碳率分别为0.419 7、0.419 0、0.431 3和0.397 3 g C· g-1, 总体上, 各灌木的根系含碳率在0.42 g C· g-1左右, 以此为根系含碳率时, 相应相对误差范围在-2.620%~5.710%, 这表明, 地上和根系的含碳率各取0.45和0.42 g C· g-1时, 其相对误差均较小, 因此, 各灌木林的地上和根系的含碳率可以以该值代替实测含碳率(表4)。
天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工柠条的地上生物量分别为3.046、2.595、441.940和5.090 t· hm-2(表5); 根系生物量分别为2.242、0.956、240.258和1.814 t· hm-2(表6)。评估地上碳密度, 含碳率取0.45 g C· g-1时, 天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工柠条地上部分碳密度分别为1.371、1.168、198.873和2.157 3 t· hm-2, 与实测碳密度相比, 其相对误差为0.53%~2.30%; 评估根系碳密度中, 含碳率取0.45 g C· g-1时, 天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工柠条根系碳密度分别为1.008 9、0.430 2、108.116 0和0.772 6 t· hm-2, 与实测碳密度相比, 其相对误差为4.34%~13.26%; 而根系含碳率取0.42 g C· g-1时, 天然山杏、人工山杏、虎榛子和人工柠条根系碳密度分别为0.941 6、0.401 5、100.909 0和0.721 1 t· hm-2, 与实测碳密度相比, 其相对误差为0.07%~5.71%。可见, 天然山杏、人工山杏、虎榛子和柠条的地上部分和根系的含碳率分别取0.45和0.42 g C· g-1时, 碳储量评估相对误差可以控制在6%以内。
有研究[18, 19]表明, 乔木各器官含碳率呈主干> 树枝> 树皮> 叶> 果> 树根的趋势; 灌木各器官的含碳率呈叶> 干> 枝> 根的趋势。本研究与上述研究结果一致, 根与地上部分各器官含碳率相比是最低的。这是由于叶含有丰富的叶绿体, 有大量有机物存在, 枝干含有较多的木质素, 木质素的碳含量高, 所以叶和枝干的碳含量高, 根主要进行水分和无机盐交换, 含碳率较低。
乔木根系生物量所占比重一般为5%~30%[20, 21, 22], 由于根系生物量占总生物量比重较小, 所以国际上乔木碳储量评估中含碳率常取固定值0.5或0.45 g C· g-1, 而对灌木林而言, 器官间的生物量分配格局和乔木有差异, 灌木林根系生物量占总生物量的比重为30%~75%[21, 23, 24, 25, 26, 27, 28], 其根系生物量所占比重较大。如果灌木林碳储量评估中含碳率采用统一取值方式, 由于根系含碳率与地上部分相比较低, 灌木林碳储量评估中会产生较大的误差。本研究中统一取值0.45 g C· g-1时相对误差最高达到13%, 而根系取值0.42 g C· g-1时, 相对误差最高降到5.7%。
本研究中, 天然山杏、人工山杏、柠条和虎榛子的同器官含碳率的种间变异系数小于3.4%, 这接近云南松[29]和中国油松林[4]研究中种间器官含碳率的变异系数范围1.07%~3.03%和2.15%~7.48%, 这表明同地区内灌木种间含碳率的变动幅度较小。
由于灌木种间的含碳率差异小, 而根系与地上部分含碳率差异较大的特点, 对占生物量比重较大的根和地上部分含碳率存在显著差异时, 其含碳率分别取值较好。
本研究对内蒙古东部地区广泛分布的山杏、柠条和虎榛子3种灌木林的各器官实测含碳率分析表明, 地上部分不同灌木种类及不同器官间含碳率差异较小, 接近于0.45 g C· g-1。根系与地上器官间含碳率差异较大, 平均值接近0.42 g C· g-1。通过地上部分含碳率取值0.45 g C· g-1, 根系含碳率取值0.42 g C· g-1, 对灌木林碳储量评估结果与实测含碳率评估结果的相对误差可以降低到6%以内。
对于精准评估灌木林碳储量, 本研究提出了新的研究思路。由于研究对象主要集中在内蒙古东部区域, 针对更广泛区域的灌木林碳储量评估是否具有相似的规律还需进一步验证。
The authors have declared that no competing interests exist.
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