科爾沁大青溝3種優(yōu)勢樹種含碳率的比較研究

科爾沁大青溝3種優(yōu)勢樹種含碳率的比較研究

20世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對能源的需求日益增長，導(dǎo)致大量燃料燃燒，如煤炭、石油、天然氣等燃料，并導(dǎo)致以co為主的溫室氣體釋放。同時(shí)，世界氣候變化異常，極端天氣頻繁發(fā)生。因此，氣候變化異常是人類面臨最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。森林生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)碳量約占陸地總碳庫(2477Gt)的46%,是僅次于海洋生態(tài)系統(tǒng)的第二大碳庫(1146Gt),森林生態(tài)系統(tǒng)在地球碳循環(huán)中具有重要的意義,在降低大氣中CO2濃度及緩解氣候變化方面起著重要的作用,尤其是在儲(chǔ)碳及碳匯功能方面具有明顯優(yōu)勢,引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。為能準(zhǔn)確評價(jià)森林的碳匯效益,對森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量進(jìn)行量化是必要前提,但由于我國幅員遼闊,森林植被類型多樣,尚未形成成熟的量化體系及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。目前,對森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲(chǔ)量通常采用生物量與含碳率相結(jié)合方法來計(jì)算,由此可知,植物含碳率是估算森林碳儲(chǔ)量的關(guān)鍵因子,國內(nèi)外諸多學(xué)者在估算區(qū)域、國家尺度的森林植被含碳率時(shí),通常采用0.5或0.45作為轉(zhuǎn)化系數(shù),僅有少數(shù)研究者對其含碳率進(jìn)行實(shí)測,然而越來越多的研究表明,樹種受遺傳及環(huán)境因素影響,其含碳率存在一定差異,如果僅采用單一的數(shù)值作為植被含碳率轉(zhuǎn)化系數(shù),對計(jì)算結(jié)果會(huì)造成不確定性影響,最終導(dǎo)致評價(jià)對象儲(chǔ)碳及匯碳效益評價(jià)缺乏準(zhǔn)確性。內(nèi)蒙古大青溝自然保護(hù)區(qū)位于通遼市甘旗卡境內(nèi),地理環(huán)境奇特,是僅存的一塊原始森林植物群落,植物種類豐富,為科學(xué)研究提供了寶貴材料,目前大多數(shù)研究多集中于該保護(hù)區(qū)植被分布特點(diǎn)、地質(zhì)地貌的形成及土壤養(yǎng)分等方面,未見對保護(hù)區(qū)群落含碳率及碳儲(chǔ)量方面的研究,尤其是對保護(hù)區(qū)主要群落喬木層優(yōu)勢樹種含碳率的研究。本文通過對保護(hù)區(qū)主要群落喬木優(yōu)勢樹種含碳率分布特征的研究,期望能夠?qū)Υ笄鄿献匀槐Ｗo(hù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)含碳率及碳儲(chǔ)量研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ),為正確評價(jià)大青溝自然保護(hù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)儲(chǔ)碳及固碳能力提供材料,為我國大尺度對森林生態(tài)系統(tǒng)的研究提供有力的幫助。1大青溝地區(qū)的自然概況大青溝自然保護(hù)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)科爾沁左翼后旗境內(nèi),科爾沁沙地南緣,其地理位置為122°13'~122°15'E,42°45'~2°48'N,總面積為8183hm2,保護(hù)區(qū)內(nèi)大小青溝縱橫,呈“人”字形交叉,長約24km,寬約200~300m,深約100m,1980年經(jīng)內(nèi)蒙古自治區(qū)人民政府批準(zhǔn)建立,1988年晉升為國家級自然保護(hù)區(qū)。溝內(nèi)外地貌植被差異極大,溝內(nèi)植被枝繁葉茂,溝外則是此起彼伏的沙丘,溝內(nèi)與溝外的沙化現(xiàn)象形成了鮮明對比。大青溝地區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候地區(qū),春冬季多干旱、大風(fēng),降雨多集中在6—8月,年平均降水量350~500mm,約占全年降水總量的70%以上,蒸發(fā)量約為1500~2500mm。經(jīng)長期的環(huán)境變遷、氣候影響及植被自我演替過程,大青溝自然保護(hù)區(qū)從溝底到溝坡逐漸形成了水曲柳、蒙古櫟、大果榆3種主要原始群落,這對研究其起源、形成過程、評價(jià)其生態(tài)作用及沙地森林演繹規(guī)律具有不可替代的作用。2學(xué)習(xí)方法2.1樣地設(shè)置與設(shè)置2012年8月份,從大青溝溝底到溝坡,依次選擇水曲柳群落、蒙古櫟群落、大果榆群落的典型樣帶,分別在每個(gè)群落內(nèi)隨機(jī)布設(shè)3個(gè)20m×20m樣地。2.2樣品的采集及測定采用測樹學(xué)方法對樣地內(nèi)喬木優(yōu)勢樹種(樹高大于2m,胸徑大于2cm)進(jìn)行每木調(diào)查,并記錄樣方內(nèi)株數(shù)、株高、胸徑及冠幅等因子,經(jīng)計(jì)算后選取各群落優(yōu)勢樹種平均木3株,分別選取優(yōu)勢樹種平均木各器官(枝條、葉片、樹皮、根系、樹干)的樣品各3份,每份約200g,帶回實(shí)驗(yàn)室。2.3樣品預(yù)處理將采集的樣品在粉碎前放入80℃的恒溫箱中烘至恒重?？紤]到樣品分析時(shí)實(shí)際用量較少,為了保證樣品混合均勻并具有代表性,采用3次粉碎法制樣,最終將同一樹種相同器官充分混合,采用四分法取樣后再次進(jìn)行烘干,用于含碳率測定。2.4測定植物含碳率的方法依據(jù)植物中全碳是極易被氧化的有機(jī)碳這一特點(diǎn),對植物含碳率進(jìn)行測定。目前常用的方法有干燒法和濕燒法,兩種方法各有優(yōu)劣,相對來說,濕燒法操作簡單快捷,測定結(jié)果具有一定的準(zhǔn)確性,最終采用濕燒法(重鉻酸鉀法)測定植物含碳率,每樣品測定均為3個(gè)重復(fù),取平均值使用。2.5數(shù)據(jù)處理方法試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)均用Excel2003進(jìn)行初步整理,采用SAS9.1軟件進(jìn)行相關(guān)分析,并繪制相關(guān)圖形及表格。3結(jié)果與分析3.1種樹種枝條含碳率分析枝條是樹葉生長的載體,是形成樹型的主要形成體,枝條型狀決定了葉等光合同化器官的空間分布格局,也是連接樹干與葉片之間營養(yǎng)物質(zhì)流動(dòng)的重要通道。耿相國對平原區(qū)農(nóng)田防護(hù)林單株不同林齡楊樹樹枝分為3層進(jìn)行研究,結(jié)果表明,8a生各層樹枝變化較大,其他林齡各層樹枝變化不大。對水曲柳、大果榆及蒙古櫟3種優(yōu)勢樹種的不同齡級枝條進(jìn)行分析,如圖1、圖2所示。由圖1可知,大果榆、水曲柳、蒙古櫟3種優(yōu)勢樹種不同齡級枝條,其含碳率存在一定差異。當(dāng)年生枝條含碳率大小依次為蒙古櫟>大果榆>水曲柳,其中水曲柳當(dāng)年生枝條含碳率比平均值低1.18%;2a生枝條含碳率大小依次為蒙古櫟>水曲柳>大果榆,其中大果榆2a生枝條含碳率比平均值低1.14%;3a生枝條含碳率大小依次為蒙古櫟>水曲柳>大果榆,其中大果榆3a生枝條含碳率比平均值低1.20%;4a生枝條含碳率大小依次為蒙古櫟>水曲柳>大果榆,其中大果榆4a生枝條含碳率比平均值低1.20%;5a生(及以上)枝條含碳率大小依次為水曲柳>蒙古櫟>大果榆,其中大果榆5a生(及以上)枝條含碳率比平均值低3.23%。由圖2可知,3種樹種枝條平均含碳率大小依次為蒙古櫟>水曲柳>大果榆,其中大果榆枝條含碳率比平均值低1.45%;3種枝條平均含碳率的變化范圍存在一定差異,其中蒙古櫟枝條變化幅度最小,水曲柳枝條變化幅度最大。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對3種樹種不同齡級枝條平均含碳率進(jìn)行分析,經(jīng)檢驗(yàn),在p<0.05水平下,大果榆當(dāng)年生、2a生、3a生與4a生、5a生(及以上)的枝條含碳率存在顯著差異,4a生與5a生(及以上)的枝條含碳率存在顯著差異;水曲柳當(dāng)年生與、2a生及3a生、4a生、5a生(及以上)的枝條含碳率存在顯著差異,2a生與3a生、4a生、5a生(及以上)的枝條含碳率存在顯著差異;蒙古櫟當(dāng)年生與、2a生及3a生、4a生、5a生(及以上)的枝條含碳率存在顯著差異。總體而言,3種樹種不同齡級枝條含碳率均有所不同,大果榆枝條含碳率低于3種樹種枝條含碳率的平均值,而蒙古櫟枝條含碳率略高于3種樹種枝條含碳率的平均值,水曲柳枝條含碳率在3種樹種枝條含碳率的平均值上下浮動(dòng)。由此可知,不同齡級枝條的含碳率不同,除與樹種遺傳因素有關(guān),還與其木質(zhì)組成成分、器官相對位置及生長年限等有關(guān)。3.2蒙古櫟根系含碳率分布特性根系是整株樹木的支撐體,也是唯一與土壤接觸,獲取土壤營養(yǎng)物質(zhì)的重要器官,不同徑級根系對整株樹木的主要功能也是不同的。根系含碳率大小除受本身遺傳因素影響外,還受諸多環(huán)境因素影響,例如土壤含水量、土壤容重及土壤養(yǎng)分條件等因素。對3種樹種不同徑級根系的含碳率進(jìn)行分析,如圖3、圖4所示。由圖3可以看出,在2~5mm范圍內(nèi),蒙古櫟根系含碳率與大果榆根系相差最大,水曲柳根系含碳率為42.48%,經(jīng)檢驗(yàn)(p<0.05)蒙古櫟與大果榆、水曲柳含碳率的值存在顯著差異性;在5~10mm范圍內(nèi),蒙古櫟根系含碳率與大果榆根系相差最大,經(jīng)檢驗(yàn)(p<0.05)蒙古櫟與大果榆、水曲柳的根系含碳率存在顯著差異性;在1~2cm范圍內(nèi),蒙古櫟根系含碳率與大果榆根系相差最大,大果榆和蒙古櫟根系含碳率與水曲柳根系存在顯著差異。經(jīng)檢驗(yàn)(p<0.05)水曲柳與大果榆、蒙古櫟的根系含碳率存在顯著差異性;在2~5cm范圍內(nèi),蒙古櫟根系含碳率與水曲柳根系的相差最大,經(jīng)檢驗(yàn)(p<0.05)水曲柳、大果榆及蒙古櫟的根系含碳率無顯著差異;在5cm及以上范圍內(nèi),水曲柳根系含碳率與蒙古櫟根系的相差最大,經(jīng)檢驗(yàn)(p<0.05)蒙古櫟與大果榆、水曲柳的根系含碳率存在顯著差異;3種樹種根樁部分含碳率的大小依次為蒙古櫟>大果榆>水曲柳,經(jīng)檢驗(yàn)(p<0.05)三者根樁含碳率值無顯著差異。由圖4可以看出,對于大果榆,在根系直徑為1~2cm范圍內(nèi),其含碳率最大,在根系直徑為2~5mm范圍內(nèi),其含碳率最小,2~10mm,2~5cm與1~2cm,2cm以上根系的含碳率存在顯著差異性;對于水曲柳,在根系直徑為5cm及以上范圍內(nèi),其含碳率最大,直徑為1~2cm的根系,其含碳率最小,由此看出,不同樹種根系徑級的變化,其含碳率也隨之變化。根系直徑為2~5mm,1~2cm與5~10mm,2~5cm及5cm以上的根系含碳率存在顯著差異性;對于蒙古櫟,在根系直徑為1~2cm范圍內(nèi),其含碳率最大,根系直徑為5cm及以上其含碳率最小,經(jīng)檢驗(yàn)(p<0.05),根系直徑為2~20mm范圍內(nèi)的根系含碳率與2cm以上根系的含碳率存在顯著差異?？傮w而言,3種樹種不同徑級的根系含碳率呈不同變化,蒙古櫟根系的平均含碳率明顯比大果榆、水曲柳根系的高。3.3種樹種各器官含碳率的變化植物通過“光合作用”吸收大氣中二氧化碳,合成有機(jī)物并釋放氧氣。樹木的各器官在“光合作用”中都起著非常重要的作用,其中葉片是吸收太陽光、二氧化碳及水分蒸騰的等重要器官,也是轉(zhuǎn)換為化學(xué)能并固定二氧化碳的重要載體,而樹皮是運(yùn)輸營養(yǎng)物質(zhì)及水分的重要通道,供樹木生長。樹干則是整株樹木的主體,其生物量占單株樹木的一半以上,也正是因?yàn)闃涓缮锪克急壤^大,其碳儲(chǔ)量也占單株樹木的大部分,樹干含碳率的大小是影響單株樹木碳儲(chǔ)量大小的重要因素,對研究區(qū)內(nèi)3種主要樹種的葉片、樹皮、樹干含碳率進(jìn)行測定,結(jié)合枝條及根系的含碳率平均值,進(jìn)行分析,圖5所示。由圖5可知,3種優(yōu)勢樹種樹干、樹皮、葉片、枝條及根系含碳率呈現(xiàn)不同變化。3種樹種樹干平均含碳率為50.59%,其中蒙古櫟樹干含碳率與水曲柳的相差最大,與大果榆的次之;3種樹種樹皮平均含碳率為48.51%,水曲柳樹皮含碳率與大果榆的相差最大,與蒙古櫟的次之;3種樹種葉片平均含碳率為49.43%,水曲柳葉片含碳率與蒙古櫟的相差最大,與大果榆的次之;3種樹種枝條平均含碳率為49.30%,蒙古櫟枝條含碳率與大果榆的相差最大,與水曲柳的次之;3種樹種根系平均含碳率為47.78%,蒙古櫟根系含碳率與水曲柳的相差最大,與大果榆的次之。由表1可知看出,蒙古櫟各器官含碳率變化范圍48.17%~53.92%,其平均值比程浩等研究結(jié)果略低0.29%,其中樹干含碳率最大,葉片含碳率最小;大果榆各器官含碳率變化范圍45.58%~51.44%,平均值為48.21%,其中樹干含碳率最大,樹皮含碳率最小;水曲柳各器官含碳率變化范圍46.25%~51.68%,平均值為48.89%,其中樹皮含碳率最大,樹干含碳率最小。對3種樹種不同器官含碳率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析可知,水曲柳各器官含碳率變化相對最大,蒙古櫟各器官含碳率變化相對最小。由上述分析可知,不同樹種相同器官含碳率不同,同一樹種不同器官的含碳率也存在差異。樹木各器官含碳率受自身遺傳因素的影響,例如,蒙古櫟樹干含碳率比大果榆、水曲柳的都大,可能與其本身是“硬木”有關(guān)。除了與本身的遺傳因素有關(guān)外,樹木各器官含碳率還可能受環(huán)境因素(土壤條件、水分、光照及海拔高度等)影響。4主要樹種含碳率特性研究表明,植物組織含碳率的高低直接受不同器官植物體內(nèi)脂肪、蛋白質(zhì)和碳水化合物以及生長地區(qū)的氣候、土壤、溫度等多因素影響,繼而導(dǎo)致樹種器官的含碳率存在差異,由此造成對森林儲(chǔ)碳及匯碳的計(jì)算及評價(jià)缺乏準(zhǔn)確性。李春平等對山東鄆城農(nóng)田防護(hù)林楊樹器官含碳率分析,結(jié)果表明,楊樹的葉、枝、干含碳率隨高度層次不同而發(fā)生變化,隨深度的增加,樹根含碳率總體上呈現(xiàn)減小趨勢。王春燕等采用收獲法測定與分析30a老齡橡膠樹不同器官含碳率,得出樹葉含碳率與嫩枝含碳率差值最大,相差7.7%。本文得出的蒙古櫟、水曲柳含碳率平均值比于穎等人對東北林區(qū)蒙古櫟(42.88%)、水曲柳(43.36%)樹種含碳率的值分別高出7.37%,5.53%。在20世紀(jì)90年代,我國曾有學(xué)者對植被含碳率進(jìn)行了深入研究,取得了一定成果,但遠(yuǎn)不能為我國的碳匯林發(fā)展提供全面的資料,因此為盡可能減小因植物含碳率不同,對森林儲(chǔ)碳及匯碳計(jì)算評價(jià)的準(zhǔn)確性的影響,建議盡量對全國林區(qū)主要林木樹種及其器官的含碳率進(jìn)行實(shí)測。據(jù)現(xiàn)有資料查證,未見關(guān)于大果榆及其器官含碳率的詳盡研究,通過本文研究可以為進(jìn)一步對該樹種儲(chǔ)碳及匯碳能力的研究奠定基礎(chǔ)。根據(jù)以上分析,可得出以下結(jié)論:1)大果榆與蒙古櫟枝條平均含碳率差別最大,前者不同齡級枝條含碳率變化幅度大,后者不同齡級枝條含碳率變化幅度小,而水曲柳枝條平均含