校園樹木木材生物量增量的測量方法

鄒夢姍 范麗仙 王重力

(云南師范大學生命科學學院 昆明 650500)

“生物與環(huán)境”是高中生物學教材中選修課的重要模塊，該模塊中涉及的生態(tài)、環(huán)境問題與實際生活密切聯(lián)系。教師在實際教學過程中，應當通過引導學生開展有關實踐活動來豐富教學活動。教材中對生物與環(huán)境這部分涉及的科學探究實驗較少，且多以宏觀或微觀的整個生態(tài)系統(tǒng)為研究對象，對個體生物進行研究的實驗和活動更少。在新課標中，既要求學生獲取基礎生物學知識，又要學會運用所學的各科知識來解決生活中的問題[1]。本文設計了一種適合中學生的測量校園樹木木材生物量與固碳能力的方法，通過該方法使學生對樹木的生長有數值方面的直觀感受。

1 設計思路

借助森林資源調查的基本工作方法，對校園的喬木樹種進行間隔4個月時間的兩次拍照測量，把數學統(tǒng)計計算引入到生物學觀察中，使學生能夠直觀地計算出一段時間內校園植物的生長量(生物量增量)，進而得出固定CO2的具體質量和釋放O2的質量。

2 所需材料

細長木板、彩色油漆、油漆刷子、標準刻度尺、刻木小刀、鉛筆、繩子、卷尺、胸徑尺(圍尺)、分規(guī)、記錄本、具有拍照功能的手機或照相機。

3 實驗步驟

3.1 工具制作 選取表面光滑的長方體型長木板(長于1 m)，用刻木小刀修理木板，使之能垂直于地面，盡量接近量尺規(guī)格。用標準刻度尺和鉛筆在木板上標記出精確的刻度，10 cm為一個刻度，一共做出10個刻度。用小刀沿著鉛筆標出的記號刻出刻度，在每個刻度處刷上不同顏色的油漆，最好是對比色，使之在照片中比較醒目，以方便拍照后相片上能清晰地看出比例尺的長度(圖1)。

圖1 比例尺模型

3.2 測量樹高 選取校園中的優(yōu)勢樹種，以樹形挺拔筆直且根部無遮擋物植株為好。如選擇了5株樟樹作為研究對象。依次掛上制作好的比例尺，在相同的條件下拍照3次，將照片打印出來，借助分規(guī)量取照片上樹和比例尺的長度，在標準刻度尺上讀出長度值。

已知比例尺的實際長度為1 m，可算出樹的理論高度，并記錄數據。具體計算方如下：

a/b=1/x

(式1)

由式1得出：

x=b/a

(式2)

式中： a——圖中比例尺的測量長度/cm

b——圖中樹的測量長度/cm

x——根據比例式算出的樹的高度/m

3.3 測量胸徑 現(xiàn)以2號樹的數據記錄為例，其他4株樹的數據記錄和計算與2號樹相同。胸徑尺(圍尺)是一種專門的測量工具，刻度顯示的數值就是胸徑值。在離地面1.3 m胸高位置處測量每株樹樹干的直徑，即樹的胸徑，記錄數據(表1)。一段時間后(4個月后)，用同樣的方法再次測樹高和胸徑。

表1 2號樹第一次測量的胸徑值及樹高值記錄表

4 數據結果及處理

4.1 數據計算 校園中5株樟樹第一次測量的數據記錄和第二次測量的數據記錄可見表2、表3。表中包括測量的樹高值、胸徑值和按公式3求得的立木材積值。

例如，查得四川和滇西北闊葉樹，槭樹、香樟等硬闊二元立木材積公式[4]為：

V=0.000 052 750 716D1.945 032 4H0.938 853 30

(式3)

式中： V——立木的材積/m3

D——從地徑起1.3 m處的樹干直徑/cm

H——被測樹的高度/m

表2 校園中5株樟樹第一次樹高，胸徑測量值及立木材積計算值記錄表

樹木1號樹2號樹3號樹4號樹5號樹胸徑/cm10.1822.4224.152015.51樹高/m4.648.036.806.836.48立木材積/m30.0200.1580.1560.1090.063立木材積/kg9.0471.4270.5149.2728.48

表3 校園中5株樟樹第二次樹高，胸徑測量值及立木材積計算值記錄表

樹木1號樹2號樹3號樹4號樹5號樹胸徑/cm10.2022.7324.3020.2215.85樹高/m4.668.067.386.946.90立木材積/m30.0200.1630.1710.1130.070立木材積/kg9.0473.6877.2951.0831.64

表2和表3中記錄了2次測樹的胸徑值、樹高值。樹高值由式2求得，將2次測得的每株樹的樹高值和胸徑值代入式3，即可求得2次每株樹的立木材積值，單位為立方米。根據樟木密度值，將立木材積值的單位換算為kg。每株樹2次立木材積值之差即為該株樹這段時間內的樹木木材生物量增量。

4.2 CO2的固定量和O2的釋放量 表2、表3求得的樹木木材生物量增量包括干物質和水，因樟木含水80%，則將求得的樹木木材生物量增量值乘以20%，即求得樹木木材生物量干物質增量值，再根據每生成1 g干物質需要固定1.62 g CO2，釋放1.20 g O2(生成干物質的量即樹木木材生物量干物質增量)，即可求得CO2的固定量和O2釋放量。具體數值記錄見表4。

4.3 實驗結果與討論 從以上表格中可以得出，在4個月時間內，所選取的5株樟樹的木材生物量增量、CO2固定量和O2釋放量。從這些數據中，可以清晰地看到這段時間內這5株樟樹生長的情況： 1號樹生長較慢，表格中生物量增量、CO2固定量等都為0，無生物量增量。但并不意味著植物沒有進行光合作用，而是植物生長中心的不同。有時生物是有增長量的，只是在計算中未體現(xiàn)出來，或是測量原因不可避免的誤差沒有體現(xiàn)出來；3號樹生長最快；5號樹次之；2號和4號樹生長一般。雖然他們都是同一樹種，且在差不多相同的環(huán)境下生存，但是個體樹內部之間會有差異，光合作用所得的生物量有的先長根，有的先長莖，有的受到損傷，用于治愈等。個體樹外部環(huán)境也會有差異性，如： 接受的光照、種植的土壤和灌溉用的水等都會對樹的生長有影響，具體的影響因素還需進一步其他的實驗驗證。

表4 樹木木材生物量、CO2固定量及O2釋放量記錄表

5 實驗反思

本活動貼近于生活實際，又有利于實行。其中，比例尺的制作結合了數學與工程學方面的知識，有利于培養(yǎng)中學生的動手能力，符合教育要全面發(fā)展的目標；以拍照測樹高的方法并不是十分精準，但其成本低、易操作，僅適用于一個校園實踐活動，該方法不適用于測量較高建筑物的高度。在獲得照片后，要在圖上進行測量，一般直接用直尺在圖上測量，若借助分規(guī)固定圖片上樹兩點之間的長度和比例尺兩點之間的長度綜合進行，會有利于減少測量時的人為誤差，使結果較為準確。