赤松、側柏兩樹種含碳量方程的構建

曹寧，李建華*，崔傳洋，周才平，馮燕，劉新，侯化洋

1.山東農業大學林學院，山東泰安271018

2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101

3.泗水縣林業局，山東泗水273200

4.滕州市林業局，山東滕州277500

赤松、側柏兩樹種含碳量方程的構建

曹寧1，李建華1*，崔傳洋1，周才平2，馮燕3，劉新4，侯化洋4

1.山東農業大學林學院，山東泰安271018

2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京100101

3.泗水縣林業局，山東泗水273200

4.滕州市林業局，山東滕州277500

本文采用整株挖掘、分割稱重法野外獲得15株赤松和16株側柏的單木及器官生物量實測數據，結合野外取樣和室內含碳率測定求算出樹木各器官及整株含碳量。以含碳量為因變量，樹木胸徑和樹高為自變量建立含碳量回歸方程。結果表明：以胸徑為自變量的一元含碳量方程與以胸徑、樹高同時為自變量的二元含碳量方程均達到極顯著水平。該方法與傳統的方法相比，具有省時、省力、針對性強的特點，因此，所建方程不僅可用于兩樹種的碳儲量計測研究，同時也為今后其他樹種的碳儲量計測提供了可供借鑒的技術方法。

赤松；側柏；含碳量方程

近年來，隨著京都議定書的簽署和碳匯貿易的到來，森林碳匯的生產逐漸引起人們的注意，由此，也引發了科技工作者對各類生態樹種碳匯功能的研究［1，2］。2002年，中國科學研究院正式啟動了中國陸地生態系統碳通量觀測項目，設立了4個典型森林生態系統CO2通量觀測站［3］，標志著我國關于碳匯項目研究的正式開始。2007年，我國開展了為期3年的“全國森林生物量和碳儲量估算研究”項目［4］，全國各省市相繼開展森林碳匯的調查項目，推動了我國碳匯項目的研究。2009年，張萍通過已有的生物量模型估算各樹種的生物量，再與測得的含碳率乘積計算得到北京市延慶縣側柏等9個主要林分類型的碳儲量［5］，其中單木生物量是利用其他地區生物量方程進行估計的；2012年，周偉運用生物量轉換因子連續函數法和非蓄積換算法估算徐州市側柏等森林植被生物量，將生物量與含碳系數相乘得到森林植被碳儲量［6］，其中，含碳系數是根據碳元素占木材比例估算而得；2014年，遲璐等通過現有的生物量模型估算油松林喬木層生物量，再與不同部位含碳率相乘得到喬木層碳儲量［7］，但是研究中使用的生物量模型并未進行適用性檢驗。

從以上研究成果可以看出，目前作為碳儲量的計算結果不是通過生物量調查結果換算得到就是通過蓄積量調查結果換算得到，而這兩種方法一是中間調查需要較多的工作量，二是生物量大多采用現有的方程估算而得，蓄積量為查閱資料文獻所得，換算系數一般采用經驗平均值，計量結果缺乏針對性，難以在特定樹種的小區域碳匯科研比較或價值核算中使用，因此，針對上述情況，本文以現地采樣實測得到的赤松、側柏樹體實際含碳量為因變量，以樹木胸徑、樹高為自變量建立回歸方程，以便為生產和科研中直接應用該方程、通過調查樹木直徑得到碳匯值提供技術依據，從而簡化碳匯調查工作過程，提高工作效率。不僅如此，山東省森林碳匯的研究工作于2012年正式啟動，關于生物量方程的研究正處于起步階段，含碳量方程的研究則剛剛開始，作為碳匯調查的基礎研究，本文所建方程也為山東省下一步的森林碳匯分樹種、分區域計測和評價提供了一定的技術儲備。

赤松、側柏耐干旱瘠薄，適應性廣，是山區綠化的重要樹種和主要樹種，在山東乃至我國華北地區的森林生態建設中都有著舉足輕重的作用。關于兩樹種的研究以往多集中在森林培育、木材生產、森林健康和水土保持等方面［8-9］，因此，本文對赤松、側柏在森林碳匯方面進行研究也是十分必要的。

1　材料與方法

1.1調查地基本情況

本研究的樣木調查地點主要位于山東省泗水縣黃山林場和安山林場、滕州市的木石山林場，以及泰安市的徂徠山林場，為典型的大陸性季風氣候。

泗水黃山林場屬于泗南低山丘陵區，典型的沉積巖與花崗、片麻巖混合地貌，棕壤性土，總地勢為東南高西北低，南坡較陡，山脊延伸較短；北坡較緩，山脊延伸較長，溝壑縱橫，地形多樣。安山林場同屬于泗南低山丘陵區，嶺坡、坡麓較為分明，中西部山體為灰巖山丘，西南部和東南部是上為沉積巖、下為變質巖的“戴帽”山峰，魯中南山區常見的“崮”形結構特征明顯。安山林場和黃山林場森林植被類型主要以針葉林、針闊混交林和落葉闊葉林為主，樹種主要有黑松、赤松、側柏、刺槐和麻櫟等，年平均氣溫13.4℃，年平均降水量755 mm。

滕州木石山林場屬于低山丘陵區，光照好，積溫高，熱量豐富，雨量充沛，光、熱、水、氣等條件優越，主要土壤類型為褐土，歷年平均降水量756 mm，主要集中在6～8月份，歷年平均氣溫13.6℃。

泰安市徂徠山林場屬魯中沙石山區，年均氣溫13.9℃，年平均降水量885 mm，山區大部分屬于普通棕壤，少部分是為粗骨棕壤，樹種多以人工純林為主，例如，赤松、側柏、麻櫟和刺槐等。

1.2樣木選取

根據森林資源二類清查資料，依據兩樹種在采樣區的分布情況確定樣木選取的野外大致位置。具體確定樣木時注意每徑階都要有樣木分布，并且中央徑階株數適當偏多。兩樹種共選徑階樣木31株，野外選定后接著測定胸徑、樹高、冠幅、枝下高等調查因子，然后將樣木挖出、鋸解后測定各器官（干、根、根樁、枝、葉）鮮重，其基本情況見表1。

表1　研究區兩樹種的基本情況Table 1 The basic characteristics of two tree species in study area

1.3樣木采集與稱重

在測量完直徑、樹高和冠幅等基本數據的基礎上，采用全挖法將選定的樣木用挖掘機或人工全部挖出，然后將樹葉摘下，再用油鋸和砍刀等將樹體按不同器官分解為樹干、根樁、樹根、枝條和樹葉共五個部分。分解完成后用電子鉤秤對每部分現場稱取鮮重。

1.4取樣及含水率測定

樹干的取樣是在胸高位置截取1個3 cm～5 cm厚圓盤；樹枝分小枝、中枝和大枝三部分單獨取樣，每個樣品重量約為500 g；樹葉混合均勻后取樣約400 g；樹根按照根樁、大根、中根和細根單獨取樣，每個樣品約500 g，其中，根樁在根樁中部截取圓盤樣品。所有圓盤放入網兜中，其余樣品均放入牛皮紙袋中帶回。將所有野外采集的樣品稱量鮮重并做好標記，帶回實驗室，放入80℃烘箱內烘干48 h之后，稱重記錄，再放回烘干再稱重，多次稱量確保樣品至恒重。通過樣品干重與鮮重關系測定各器官含水率（MC），計算公式如下：

1.5各器官及整株生物量計算

通過各器官鮮重與測得的含水率之間的關系計算各器官生物量。

式中，MC為相應器官含水率，W器官分別為樹干、樹枝、樹葉、樹根及根樁生物量。

1.6各器官及整株含碳量計算

1.6.1各器官含碳率本實驗的含碳率測定結果采用前期研究項目-中國科學院戰略性先導科技專項中關于山東省赤松、側柏兩樹種含碳率的測定結果，見表2［4］。測定結果顯示兩樹種各器官之間含碳率差異不大，而兩樹種之間含碳率赤松略高于側柏。

表2　兩樹種各器官含碳率測定結果Table 2 The determination results of carbon content rate in different organs of two trees

1.6.2含碳量計算將各器官生物量與相應器官的含碳率相乘得到各器官含碳量，各器官含碳量相加得到整株含碳量。

式中，CF為相應器官含碳率，C干、C枝、C葉、C根、C根樁和C整株分別為各器官和整株含碳量。

1.7含碳量方程建立

目前森林碳儲量的測定方法基本采用生物量回歸模型估計法［10］，而本研究以胸徑D和樹高H為自變量，器官或整株含碳量為因變量，運用SAS軟件進行數據處理，回歸分析中選用了線性、指數、冪、對數、多項式、復合、增長、立方、S、逆模型、Logistic等11種函數形式和非線性回歸模型，共建立兩樹種含碳量方程432個，通過相關系數（R2）來評價模型的擬合精度［11］，并篩選出相關系數最大的含碳量方程。R2計算公式如下：

式中：yi為第i株樣木含碳量的實測值，為模型估計值，為樣本平均值，n為樣木株數。

2　結果與分析

2.1含碳量的測定結果

根據公式（3）和公式（4）計算含碳量，其結果見表3、表4。

表3　赤松各組分含碳量Table 3 The carbon content in each component of Pinus densiflora

表4　側柏各組分含碳量Table 4 The carbon content in each component of Platycladus orientalis

2.2赤松、側柏含碳量方程

依據上述建立含碳量方程的方法，建立一元含碳量方程和二元含碳量方程，按照相關系數（R2）最大選取兩組含碳量方程（見表5、表6）。

表5　以胸徑（D）為自變量的一元含碳量方程（單位：C/kg，D/cm）Table 5 The single-variable carbon content equations with DBH（D）as the independent variable（Unit：C/kg,D/cm）

表6　以胸徑（D）和樹高（H）為自變量的二元含碳量方程（單位：C/kg，D/cm，H/m）Table 6 The binary carbon content equations with DBH（D）and height（H）as the independent variables（Unit：C/kg,D/cm，H/m）

由表5、表6結果顯示，本研究所建一元含碳量方程和二元含碳量方程都達到極顯著水平。赤松一元含碳量方程中相關系數最大的是整株含碳量方程（0.9639），最小的是樹葉含碳量方程（0.7838）；二元含碳量方程中相關系數最大的是樹干含碳量方程（0.9759），最小的是樹葉含碳量方程（0.7980）。側柏一元含碳量方程中相關系數最大的是整株含碳量方程（0.9944），最小的是樹葉含碳量方程（0.9587）；二元含碳量方程中相關系數最大的是樹干含碳量方程（0.9953），最小的是根樁含碳量方程（0.9635）。赤松除樹葉含碳量方程外，其他各部分含碳量方程相關系數均在0.90以上，側柏各部分含碳量方程相關系數均在0.95以上，預示著該方程在生產中具有良好的實用價值。

3　討論與結論

3.1討論

3.1.1關于一元含碳量方程和二元含碳量方程的選用問題在實際生產中兩組方程均可滿足不同調查工作的需要，但以所建方程結果來看（表5、表6），一元含碳量方程除赤松樹葉外相關系數均在0.90以上，說明即使使用胸徑（D）一個變量也可獲得較為精確的碳值估算結果［12，13］，因此，在一般情況下，作者建議采用一元含碳量方程，這樣可以減少樹高調查產生的野外工作量，提高工作效率。

3.1.2關于方程建立過程中樣木株數的問題本研究在建立含碳量方程的過程中，采用了15株赤松和16株側柏的原始數據。從數理統計的角度來說，數據量略微偏少，但是，從實際工作的角度來看，獲取原始數據需要較大的工作量，每株樹木都需連根全部挖出，在此基礎上還要分別對樹干、樹枝、樹葉、樹根、根樁進行分解、稱重、取樣、烘干、測定含水率和含碳率等細部工作，數據采集難度大，這也是目前尚未有人以單株含碳量作為因變量建立方程的主要原因。鑒于此，本文所發表的含碳量方程具有資料的珍貴性，是在含碳量測定方面一次有益的探索，希望能對碳匯計測研究提供應有的技術支持。

3.1.3關于含碳量方程的實用價值問題傳統的單株樹木含碳量通常是由生物量乘以平均含碳率計算得到的［1，14-18］，平均含碳率是一個經驗常數，而實際中，每株樹木都是由根、干、枝、葉等器官組成，各器官含碳率不同，因此只用一個平均的含碳率來籠統計算總體的碳含量顯然存在較大的誤差。本研究中作者以各器官的生物量和實測的含碳率分別求得器官含碳量和整株含碳量，并以此作為因變量直接建立含碳量方程，應用時只需通過調查樹木胸徑和樹高，而后代入公式即可直接得到樹體碳值，這樣不僅減少了中間生物量的計測過程，節約了調查成本，而且提高了含碳量測算的針對性和準確性，因此本研究所建方程對碳匯科研和計測工作具有良好的實用價值。

3.2結論

本論文以赤松、側柏兩樹種為研究對象，通過對單株及其器官含碳量的精確測定建立了整株及各器官的一元含碳量方程（表5）和二元含碳量方程（表6），所建方程中除赤松樹葉外，其他含碳量方程的相關系數均在0.90以上，相關關系明顯，能夠滿足兩樹種在碳匯計測及相關科研工作中的需要。本研究在碳匯計測領域首次為樹木整株及器官建立了含碳量方程，采用該方程可由胸徑、樹高直接計算出含碳量值，與傳統方法相比省去了中間測定生物量及相應含碳率的過程，因而可明顯提高碳匯調查的工作效率。不僅如此，本研究所建含碳量方程還為兩樹種碳儲量估算提供了直接的技術支持，同時也為其他樹種的碳儲量估算提供了方法借鑒。

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Construction of Carbon Content Equations of Pinus densiflora and Platycladus orientalis

CAO Ning1，LI Jian-hua1*，CUI Chuan-yang1，ZHOU Cai-ping2，FENG Yan3，LIU Xin4，HOU Hua-yang4
1.College of Forestry/Shandong Agricultural University，Tai'an 271018，China
2.Institute of Geographic Science and Natural Resources/Chinese Academy of Science，Beijing 100101，China
3.Sishui Forestry Bureau，Sishui 273200，China
4.Tengzhou Forestry Bureau，Tengzhou 277500，China

To get the carbon content of tissues and whole trees from Pinus densiflora and Platycladus orientalis，this paper took the live data by way of excavating whole trees and weighing dividually in combination with sampling in the wild and determining carbon rate in door to construct the regression equations at diameters and heights as independent variables，carbon content as dependent variables.The results showed there were significant difference in the single-variable carbon content equation with DBH as the independent variable and the binary carbon content equation with DBH and height as the independent variables.This method saved time，labor and had a specific target compared with traditional methods.Therefore，the equations not only could be used to measure the carbon storage of the two species，but also provide technology way to measure other species for reference.

Pinus densiflora；Platycladus orientalis；carbon content equations

S757.2

A

1000-2324（2016）02-0181-05

2014-08-08

2014-12-29

中國科學院戰略性先導科技專項（XDA05050203-02）

曹寧（1989-），女，在讀研究生，主要從事森林經理學研究.E-mail：cherrydehome@163.com

Author for correspondence.E-mail：ljhnk@163.com