宜賓市主要叢生竹種碳計量方法初探

張 楠，易桂林，賈廷彬，莫開林，羅小丹

（1.四川宜賓國家農(nóng)業(yè)科技園區(qū)企業(yè)服務中心，四川 宜賓 644000；2.宜賓市森林火災預警監(jiān)測中心，四川 宜賓 644000；3.宜賓市林業(yè)和竹業(yè)局，四川 宜賓 644000；4.四川省林業(yè)科學研究院，四川 成都 610081）

竹，屬于禾本目（Graminales）禾本科（Gramineae）竹亞科（Bambusoideae）植物。與其他植物相比，竹子每年萌發(fā)新竹，以擇伐方式采伐，生物群落相對穩(wěn)定，具有很高的吸收利用二氧化碳能力[1]，對于穩(wěn)定地球上的大氣成分起重要作用[2]。我國是世界竹類資源的分布的中心，是世界上竹類資源最豐富、竹林面積最大、產(chǎn)量最多、栽培歷史最悠久、經(jīng)營水平較高的國家[3]。現(xiàn)圍繞西南地區(qū)長期積累的調查數(shù)據(jù)為基礎，通過曲線法擬合生物量模型與標準木法進行對比，提出一種簡易計算主要竹種喬木層碳儲量方法，并初步測算出宜賓市主要竹種喬木層碳儲量，研究內(nèi)容為西南地區(qū)叢生竹種碳計量評估和交易提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 樣品采集

1.1.1 標準地設置

在宜賓市篩選慈竹（Neosinocalamus affinis）、硬頭黃竹（Bumbusa rigida）、綿竹（Bambusa intermedia）、撐綠竹（Bambusa pervariabilis x Dendrocalamopsis grandis）、西鳳竹（Bambusa multiplex）和麻竹（Dendrocalamus latiflorus）6 個竹林類型。選擇立地條件中等，地勢相對平坦，栽植密度適中，人類活動可及以及正常開展經(jīng)營的調查點。設置慈竹、硬頭黃竹各600 個調查點，綿竹450 個調查點，撐綠竹、西鳳竹和麻竹各400 個調查點。每個調查點三角形的邊按照“相鄰兩叢竹取冠幅一半，邊界竹取冠幅最邊緣”確定，準確量取三邊水平距離，再按三角形面積公式計算竹叢實際占用面積。在調查點中按1 a 生、2 a 生、3 a 生（含3 a 生以上）3 個林齡進行每木檢尺，求出不同年齡立竹的平均稈徑，選取不同年齡平均稈徑的標準竹各1 株伐倒進行全竹取樣。測量其胸徑（精確至0.1 cm），伐倒后測量其竹高（精確至0.1 m），再將標準竹分成竹葉、竹枝、竹稈、竹根（包括竹兜、竹鞭）等部分，測定竹稈（精確至0.1 kg）、竹枝（精確至0.01 kg）和竹葉（精確至0.01 kg）鮮質量，竹根采用全挖法，去土后測定鮮質量（精確至0.01 kg），并取各器官200~500 g 鮮樣帶回實驗室備用，其中竹稈分上中下三部分分別進行取樣。

1.1.2 樣品處理與測定

將取回的植物樣品先在105℃下殺青30 min 后，再在80℃恒溫箱中烘干至恒質量并稱質量，求出各器官含水率并推算標準竹各器官的生物量。烘干的植物樣采用四分法在高速粉碎機下連續(xù)粉碎2 次，粉碎后備用。植物有機碳采用重鉻酸鉀—外加熱法測定，每個樣品測3個平行樣。

1.2 竹林喬木層碳儲量

不同竹種各器官生物量與碳含量的乘積為不同竹種各器官的碳儲量，不同竹種各器官碳儲量之和即為不同類型竹林標準地（調查點）碳儲量。

1.2.1 竹林生物量—標準木法

1.2.2 竹林生物量—相關曲線法

（1）模型擬合。在應用SPSS 20.0分析慈竹、硬頭黃竹、綿竹、撐綠竹、西鳳竹和麻竹各器官（稈、枝、葉、根）生物量與各測量因子間的相關性的基礎上，采用多個模型擬合選優(yōu)的方法建立不同竹種各器官生物量模型。以胸徑為自變量擬合不同竹種各器官一元生物量模型，以胸徑和竹高為自變量擬合不同竹種各器官二元生物量模型，選用的函數(shù)見表3所示。

表1 生物量模型擬合函數(shù)類型Tab.1 Biomass model fitting function type

（2）模型的選優(yōu)。根據(jù)模型的殘差平方和和決定系數(shù)，選擇殘差平方和小、決定系數(shù)大以及具有生物學意義的模型作為最優(yōu)回歸模型。殘差平方和、決定系數(shù)計算公式如下[3，4]：

式中：y為實測值；Y為模型預測值；n為樣本數(shù)；m為變量個數(shù)。

（3）生物量模型不兼容問題的解決。在生物量模型的建立過程中，各器官的生物量模型都是獨立進行的，沒有考慮到各器官生物量與總量的代數(shù)和關系，即各器官（稈、枝、葉、根）分量模型與總模型不兼容。針對這一問題，本研究采用比例平差法建立相容性生物量模型。平差法是以滿足各分量之和等于總量，即滿足各分量占總量的比例之和等于1 為基礎，將總量按比例平差[5]。

（4）估算生物量。根據(jù)不同年齡立竹的平均稈徑和竹高得出不同年齡立竹對應平均生物量，以調查點不同年齡平均生物量乘以對應株數(shù)計算出標準地調查點生物量，求得平均單位面積生物量。

2 結果與分析

2.1 不同竹種碳含量

從表2 可知，不同竹種各器官平均碳含量在0.418 4~0.471 3 g/g，其中竹稈碳含量以麻竹最高，達0.501 9 g/g，慈竹最低，為0.454 6 g/g；竹根碳含量以麻竹最高，達0.485 4 g/g，硬頭黃竹最低，為0.435 5 g/g；竹枝碳含量以硬頭黃竹最高，達0.4784 g·g-1，撐綠竹最低，為0.452 3 g/g；竹葉碳含量以麻竹最高，達0.452 4 g/g，綿竹最低，為0.394 9 g/g。平均值為0.452 2 g/g，最高最低兩者相差0.033 4 g/g，差距不大。可見，采用0.45 作為統(tǒng)一值來計算以上六種叢生竹的竹林喬木層碳儲量較為理想。若采用0.50 作為統(tǒng)一值來計算，則可能導致較大誤差。

本文所探討的基于OBE的數(shù)據(jù)結構課程設計，以“學生為主體”，采用項目引入，知識講授、分組學習，項目實現(xiàn)、課堂考核等多樣化的教學策略，以項目為主線，將課堂教學、實驗、項目、考試和課后持續(xù)學習等各個教學環(huán)節(jié)高度融合起來，而且變驗證性實驗為實踐性實驗，激發(fā)了學生的興趣，強調學生自主學習，培養(yǎng)了學生綜合能力，全面提高了教學質量。

表2 不同竹種各器官碳含量Tab.2 Carbon content in various organs of different bamboo species g/g

2.2 竹林喬木層碳儲量——標準木法

2.2.1 器官生物量

由表3 可知，不同竹種單株生物量差異介于0.887 6~8.432 7 kg。其中以麻竹單株生物量最高，綿竹、撐綠竹、硬頭黃竹和慈竹次之，西鳳竹最低。不同竹種各器官生物量均以竹稈生物量最高，分別占單株生物量的64.71%（西鳳竹）、66.61%（麻竹）、75.59%（硬頭黃竹）、69.61%（綿竹）、71.99%（慈竹）和65.25%（撐綠竹）。

表3 不同竹種各器官生物量Tab.3 Biomass of various organs of different bamboo species kg

2.2.2 林分生物量

由表4 可知，不同竹林類型林分平均生物量71.80 t/hm2，其中以硬頭黃竹林分生物量最高，達117.65 t/hm2；慈竹、綿竹、撐綠竹和西鳳竹次之，分別為100.33 t/hm2、84.54 t/hm2、61.01 t/hm2和46.68 t/hm2；麻竹最低，為26.78 t/hm2。

表4 不同竹林類型各器官林分生物量Tab.4 Biomass of each organ stand of different bamboo forest types t/hm2

2.2.3 喬木層碳儲量

由表5可知，不同竹林類型喬木層碳儲量差異較大，介于12.71~53.26 t/hm2，平均為33.01 t/hm2。其中以硬頭黃竹碳儲量最大，慈竹、綿竹、撐綠竹和西鳳竹次之，麻竹最小。

表5 不同竹林類型喬木層碳儲量Tab.5 Carbon storage of tree layer in different bamboo forest types t/hm2

2.3 竹林喬木層碳儲量——相關曲線法

2.3.1 不同竹種單株生物量回歸模型

由表6 可知，硬頭黃竹、綿竹、慈竹、撐綠竹、麻竹從R2值、Q2值和生物學意義綜合考慮，單株均以模型9 為最優(yōu)回歸模型；西鳳竹單株的生物量模型R2值分別介于0.556~0.824。從R2值、Q2值和生物學意義綜合考慮，單株以模型8為最優(yōu)回歸模型。

表6 不同竹種單株生物量回歸模型Tab.6 Regression model of individual biomass of different bamboo species

2.3.2 林分生物量

將徑階和竹高代入硬頭黃竹、綿竹、慈竹、撐綠竹、西鳳竹和麻竹各器官最優(yōu)回歸模型，求得各竹種不同年齡平均生物量，最后再根據(jù)不同調查點竹林面積以及不同年齡對應株數(shù)，求出硬頭黃竹、綿竹、慈竹、撐綠竹、西鳳竹和麻竹林分平均生物量。不同竹林類型林分平均生物量為73.74 t/hm2，其中硬頭黃竹林分生物量最大，為116.09 t/hm2；慈竹、綿竹、撐綠竹和西鳳竹次之，分別為101.63 t/hm2、84.94 t/hm2、64.99 t/hm2和46.71 t/hm2；麻竹最小，為28.10 t/hm2。總體上看，通過模型計算的林分生物量，與直接用調查數(shù)據(jù)計算的結果相差不大，說明這些最優(yōu)回歸模型可以用于對竹子生物量進行估算。

2.3.3 竹林喬木層碳儲量

根據(jù)由模型求出的生物量得到不同竹林類型喬木層碳儲量。不同竹林類型喬木層碳儲量，介于13.34~52.45 t/hm2，平均為33.38 t/hm2。硬頭黃竹、綿竹、慈竹、撐綠竹、西鳳竹和麻竹喬木層碳儲量分別為52.45 t/hm2、39.04 t/hm2、45.95 t/hm2、28.61 t/hm2、20.90 t/hm2和13.34 t/hm2。

2.4 兩種方法比較結果

將標準木法（一）與相關曲線法（二）的估算結果相比較，見表7，可以發(fā)現(xiàn)用這兩種方法計算的林分生物量、喬木層碳儲量均相差不大，每公頃碳儲量的精度最低為撐綠竹的93.92%，最高為西鳳竹的99.76%，其余精度均在95%以上。說明相關曲線法同標準木法一樣可以對竹林生物量和碳儲量進行有效的估算，在實際的生產(chǎn)實踐中，采用相關曲線法更加方便，一旦建立了模型，即可在此地區(qū)持續(xù)應用，并且可以節(jié)約大量的人力物力，有利于對該地區(qū)此類森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量以及碳匯能力進行長期的監(jiān)測。其中，不同竹種1 hm2喬木層碳儲量為52.45 t/hm2、39.04 t/hm2、45.95 t/hm2、28.61 t/hm2、20.90 t/hm2、13.34 t/hm2。

表7 相關曲線法與標準木法相比較Tab.7 Comparison between correlation curve method and standard wood method t/hm2、%

2.5 計量方法

2.5.1 計量結論

經(jīng)過前表的結論論證以及前面碳含量和曲線比擬，模擬出不同類型叢生竹最優(yōu)碳計量估算公式，詳見表8。其中，W1表示單株碳計量。

表8 不同竹林碳計量測算最優(yōu)公式Tab.8 Optimal formula for carbon measurement of different bamboo forests

2.5.2 實例應用

將相關曲線法得出的最優(yōu)公式與宜賓市竹林面積相關數(shù)據(jù)進行套算，初步測算出宜賓市硬頭黃竹、慈竹、綿竹、撐綠竹、西鳳竹、麻竹等主要叢生竹碳儲量合計約為705.48×104t，其中硬頭黃竹最高，為470.51×104t。詳見表9。

表9 宜賓市主要叢生竹種喬木層碳儲量測算表Tab.9 Estimation of carbon storage of main cluster bamboo species and arbor layer in Yibin City t

3 結論

本研究通過兩種不同方法的對比，初步探索出以宜賓核心的西南叢生竹資源富集地不同竹種單株碳計量簡便計算方法，用曲線法模擬的計算公式與標準木法驗證的碳計量精度均在91%以上，精度最高為99.76%。其中，硬頭黃竹單株碳計量最優(yōu)公式為W1=0.446×0.257（D2H）0.514，綿竹單株碳計量最優(yōu)公式為W1=0.445×0.149（D2H）0.583，慈竹單株碳計量最優(yōu)公式為W1=0.444×0.063（D2H）0.696，撐綠竹單株碳計量最優(yōu)公式為W1=0.445×0.251（D2H）0.502，西鳳竹單株碳計量最優(yōu)公式為W1=0.458×[0.363+0.007（D2H）+6.783E-5（D2H）2]，麻竹單株碳計量最優(yōu)公式為W1=0.477×0.464（D2H）0.463，通過該公式可為一下步竹林碳計量評估交易及動態(tài)監(jiān)測提供參考依據(jù)。通過該方法，以宜賓市6 種叢生竹成林面積為例進行估算，概算出6種叢生竹總碳儲量為705.48×104t。

4 討論展望

本研究主要立足于硬頭黃竹、慈竹、綿竹、撐綠竹、西鳳竹、麻竹的平均立地和土壤條件，中等密度，各年齡綜合平均的基礎上進行的調查研究和分析，僅僅針對平均水平下的竹林進行碳計量估算方法總結，可應用西南地區(qū)面積較大，竹林結構單一的估算。造成竹林碳匯成效的除了以上因子外，還有不同種植方式，采伐，環(huán)境及天氣影響等非生物性因素影響。如要進行林竹詳細的碳計量以及竹林不同年齡段年度固碳能力，指導碳匯造林，還需更多因素數(shù)據(jù)收集進一步處理和分析，從而總結出相關的栽植和培育方式。