礦山廢棄地生態修復區植被碳庫研究

蘇 軍 德

(甘肅有色冶金職業技術學院， 甘肅 金昌 737100)

中國是世界上礦產資源較為豐富的國家之一。隨著礦產資源的大量開采，產生了一系列生態環境問題[1]。近年來，國內眾多礦山廢棄地進行了生態修復[2]，陸續出現了許多礦山廢棄地森林生態系統。在改善生態環境的同時，礦山廢棄地森林生態系統積累的碳庫在維持礦區碳循環和碳平衡中有著重要作用。無論是清潔發展機制(clean development mechanism， CDM)還是黃金標準等國際自愿碳標準(voluntary carbon standard， VCS)以及中國溫室氣體自愿減排項目，目前尚未見將礦區生態修復項目納入溫室氣體自愿減排的研究報道[3]。因此，需要估算礦山廢棄地生態修復區減排增匯潛力，特別是礦山修復后迅速增長的植被碳儲量。

本文擬對甘肅省金川礦山廢棄地修復區內主要的林分進行植物部分含碳率測定，估算修復區內的植被碳儲量，以期為礦區生態修復系統納入中國溫室氣體自愿減排提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

金川礦山廢棄地修復區位于甘肅省金昌市區西南部龍首山脈北坡，海拔1 640 m，屬大陸性溫帶干旱氣候，日照總時數1 506～1 859 h，年輻射量138.0 J/m2，年均溫度9.5 ℃，年均降水量139.8 mm，每年雨季主要在5—9月份，6—8月份降水占全年降水量的66%[4]。

金川礦山已有26 a的開采歷史，現已形成礦山廢棄地約3.1 km2，修復區內土壤大部分為脈石礦物所形成的沙石土壤，有少量的金屬硫化物和金屬氧化物及微量的貴金屬礦物。自2009年起，金川集團公司及金昌市人民政府通過采取對礦區排土場土壤改良、礦山廢渣綠化等措施。目前，全區樹種種植面積約1.5 km2，共有植物116種，通過樣方統計，約74萬株，大部分樹齡在15 a以內。樣地中主要喬木有油松、圓柏、水曲柳、紅柳，主要灌木有檸條、駝絨藜和沙木蓼，草本植物基本為禾本科(早熟禾、高羊茅、冰草、披堿草)和莎草科(高山蒿草、水虱草)植物。

1.2 試驗設計與測定方法

1.2.1 樣方設計及試驗材料采集 選擇修復區內林相整齊，具有代表性的地段。為了使不同樣地間進行比較，調查中盡可能選擇樹齡基本相同的林分地塊。按照對角線方式布設12(10 m×10 m)個喬木樣方，21(2 m×2 m)個灌木樣方和30(1 m×1 m)個草本樣方。在樣方內每木檢尺，確定標準木后并將其伐倒，之后分別對各伐倒木的各個器官(干、枝、葉、根)進行取樣，其中干從樹干基部到樹梢分段取樣，枝從粗枝到細枝按比例取樣，葉從年齡、葉片大小混合取樣，根則從主根、側根及大于2 mm的細根分別取樣。同時記錄樣方內植物的高度、樹干周長、蓋度等指標，以便計算所取樣方內植物的生物量。

1.2.2 估算生物量 本文中喬木生物量的估算采用徑階—株數法[5]，即將每木檢尺結果依徑階順序從小到大排列，將林木分為株數基本相等的3～5個徑級，分別對每個徑級選標準木測算各徑級材積，各徑級材積疊加得標準地蓄積。灌木和草本植物各器官的生物量估算采用收割法[6]。

1.2.3 試驗材料處理與含碳率測定 將采集的4種喬木、3種灌木及8種草本植物放置恒溫箱中，在85 ℃溫度下烘至恒重。之后采用3次粉碎法制樣，粉碎后的樣品過100目篩子后，裝入瓶中備用。在樣品含碳率測定之前，所有粉碎后樣品再次放入恒溫箱中，在85 ℃溫度下烘干24 h。

利用Elementar Vario EL元素分析儀進行植物樣品碳素分析，每次測定3個重復樣品后取平均值。

1.3 數據處理

1.3.1 數據統計 所得數據用Microsoft Excel 2007和SPSS 13.0統計分析軟件處理，以平均值進行統計分析，不同植物間碳含量采用方差分析[7]、變異系數[8]進行比較。

1.3.2 修復區內林分含碳率計算 由于不同樹種含碳率存在一定的差異，如果用所有樹種含碳率的平均值并不能很好的反應修復區內植被的真實含碳率[9]。因此，本文根據各個樹種在總生物量中的權重來計算林分含碳率：

(1)

(2)

式中：Wij，Pij——第i株樹的j組分的生物量(t/hm2)和含碳率(i=1,2,…,n;j=干，皮，枝，葉，根)。

1.3.3 恢復區植被碳儲量密度及碳庫計算 利用金川礦山廢棄地植被恢復區林木調查資料，對恢復區內喬木、灌木及草本植物進行植被碳密度、植被碳儲量及平均儲量及密度的估算。

儲碳密度(Dc)：Dc=B·Rc[10]

(3)

式中：B——生物量(t/hm2)；Rc——某種植物的含碳率。

總碳儲量(Sc)：Sc=Dc·S×10-6[11]

(4)

式中：Dc——某種植物碳儲量密度(t/hm2)；S——某種植物的占地面積(hm2)。

(5)

式中：Dci——金川礦山廢棄地某類林分(喬木、灌木或草本植物)的平均儲碳密度(t/hm2)；S——某組分所占面積(hm2)。

2 結果與分析

2.1 不同樹種含碳率特征

如表1所示，在金川礦山廢棄地修復區，圓柏地上部分平均含碳率最高，為0.49±0.01，8種草本植

物地上平均含碳率最低，為0.31±0.01；圓柏地下部分平均含碳率最高，其值為0.47±0.02，8種草本植物含碳率最低，值為0.25±0.01，從變異系數及極差來看，所有樹種間的變異系數在4.5%以下，含碳率極差都不超過5%。不同樹種的含碳率由樹種生物學特性決定，針葉樹種的含碳率高于闊葉樹種和灌木。

2.2 修復區植被碳儲量特征

不同植被間儲碳密度存在明顯差異(r2=0.01)，具體表現為：圓柏>油松>水曲柳>紅柳>駝絨藜>檸條>沙木蓼>草本植物。其次，植被儲碳量也存在顯著的差異性，具體表現為：紅柳>水曲柳>油松>圓柏>檸條(駝絨藜)>沙木蓼>草本植物(表2)。

表1 金川礦山廢棄地生態修復區植被含碳率

由于生態恢復區植被儲碳密度和碳儲量與各個物種的生物量、含碳率及分布面積息息相關而樹木的生物量直接受樹木的平均胸徑、平均樹高和林分密度的影響，含碳率因樹種而異，由測樹學可知，胸徑、樹高是林木的生長指標，除受立地條件和外界環境影響外，樹木年齡是一個很重要的影響因子[13]。因此，植被的立地條件、生長環境及植被年齡都會直接影響植被儲碳密度和碳儲量[14]。

表2 金川礦山廢棄地生態修復區植被儲碳量

2.3 修復區植被碳庫分配特征

如圖1所示，修復區植被平均儲碳密度為6.209 2 t/hm2，總碳儲量為635.10 t，平均碳儲量為79.38 t。其中，喬木碳儲量較高，占總碳儲量的86.71%，灌木次之，為80.32 t，占總碳儲量的12.65%，草本植物儲碳密度較小，為4.04 t，在總碳儲量中的貢獻不大。這充分說明喬木在整個修復區碳循環中有重要的作用，尤其是紅柳，由于其儲碳密度高，在修復區內所占面積較大，在整個修復生態系統中有重要的作用[15]。

注：儲碳密度百分比是每個樹種儲碳密度/總儲碳密度×100%。

圖1金川礦山廢棄地生態修復區植被碳庫分配特征

3 結果與討論

(1) 在金川礦山廢棄地生態修復區，各個植物不同器官的平均含碳率在0.11～0.48，其中喬木較高，略高出其他物種1.06%～2.78%。各樹種變異系數范圍為2.78%～4.02%，這與西北地區森林變異系數(1.75%～6.59%)[16]較為接近。總體上看，不同樹種各部位含碳率高低隨機分布，并未呈現除某種規律性的變化，其大小完全由各樹種自身的特性決定。但從樹種的形態學特征可以看出，針葉樹種各部位的含碳率均相應高于闊葉樹種、灌木樹種和草本。除草本植物外，各樹種地上部分平均含碳率與總平均含碳率十分接近，且呈現除針葉樹種>闊葉樹種>灌木>草本植物。

(2) 在金川礦山廢棄地生態修復區，不同物種間儲碳密度和碳儲量都存在顯著的差異。針葉樹種儲碳密度相比其他樹種較高，但儲碳量卻低于闊葉樹種，這是由于在修復區，闊葉樹種較大的種植面積而決定了其較高的儲碳量。總體來看，喬木儲碳密度和碳儲量分別占整個碳儲量和總儲碳密度的87.27%和90.06%，說明喬木在整個修復系統碳循環中具有及其重要的作用。但是，與其他樹種相比，針葉樹種(油松、圓柏)不論在地上還是地下部分，儲碳密度都較高，具有較強的固碳能力，加之其耐寒耐旱的生態學特征，更適合祁連山區礦山廢棄地的生態修復。

(3) 在金川礦山修復區，所有植被儲碳平均密度為6.209 2 t/hm2。按照不完全統計，祁連山區共有礦區114個，礦區修復面積約1 200 km2。按照金川礦山修復區植被儲碳平均密度計算，整個祁連山區礦

區修復植被固碳量約7.50×105t。由此可見，對礦山廢棄地進行生態恢復，能夠增加礦區植被儲碳量，在納入中國溫室氣體自愿減排上有很大的潛力空間。