徐期瑚，林麗平，薛春泉，鄧冬旺，鐘海智，雷淵才

（1.廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣東 廣州 510520； 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京 100091）

大氣中CO2濃度增加，導(dǎo)致全球氣候變暖，已成為當(dāng)今世界重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境問題[1-2]。森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，貯存了陸地生態(tài)系統(tǒng) 2/3 以上的有機(jī)碳，是陸地生態(tài)系統(tǒng)最大的碳庫[3-4]，在全球碳循環(huán)和緩解大氣CO2濃度升高及減緩全球氣候變暖等方面具有不可替代的作用[5]，因此，精確估算森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量對深入了解全球碳循環(huán)及評估全球碳收支平衡具有重要的意義。近十年來，基于國家或區(qū)域尺度，眾多學(xué)者對森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量、碳密度和碳匯功能進(jìn)行大量的研究[6-9]。目前，估算森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量主要基于森林生態(tài)系統(tǒng)的生物量乘以其各組分含碳率，因此森林植被組成樹種的含碳率成為估算森林植被碳儲量的關(guān)鍵參數(shù)之一。不同植被種類以及同一森林植被類型分布區(qū)域不同，植被含碳率都存在一定的差異，在過去的幾十年里，國內(nèi)外研究者大多采用0.50 或0.45作為所有森林類型的平均含碳率[7-8]，使得森林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及碳匯能力的估算存在較大的不確定性[9]，為了精確估算各區(qū)域森林植被碳儲量，對同一區(qū)域內(nèi)各種植被或同一植被不同器官的含碳率進(jìn)行分析是非常有必要的。

木荷Schima superbaGardn. et Champ.屬山茶科木荷屬常綠大喬木，是亞熱帶常綠闊葉林的主要樹種，為廣東典型地帶性樹種，是廣東森林植被的建群種，主要集中分布于粵北的韶關(guān)、清遠(yuǎn)、梅州、河源、惠州、肇慶，珠三角地區(qū)以及粵東的潮州，揭陽等地區(qū)，粵西地區(qū)分布較少，雷州半島分布很少。木荷既是優(yōu)良的綠化、用材樹種，也是重要的生物防火樹種，同時木荷也是“新一輪綠化廣東大行動”開展碳匯造林工程的主要樹種之一。2012年以來，廣東營造了大量的木荷人工林，目前針對木荷生物量模型及其含碳率參數(shù)已開展了一些相關(guān)研究，但全國尺度的木荷生物量模型及含碳率參數(shù)，用于計算廣東區(qū)域范圍的森林碳儲量及其碳匯量，將可能會產(chǎn)生較大誤差。為此，本文以廣東90株不同徑級木荷為研究對象，實(shí)測樹干、樹皮、樹葉、樹枝、樹根各器官的含碳率，估算不同徑階木荷單株碳儲量，建立適合廣東木荷碳儲量的模型，為廣東省森林植被碳儲量動態(tài)的估算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為精準(zhǔn)計量廣東森林碳匯工程的碳匯量提供基本參數(shù)。

1 研究區(qū)概況

廣東省地處中國大陸最南部，地理坐標(biāo)為109°45′～ 117°20′E，20°09′～ 25°31′N， 面 積17.97萬hm2，其中林地10.87萬hm2。北依南嶺，南瀕南海，地勢北高南低，形成北部山地、中部丘陵、南部平原臺地為主的地貌格局，地帶性土壤是紅壤、赤紅壤和磚紅壤等。廣東省屬于東亞季風(fēng)區(qū)，熱量豐富，夏長冬暖，降雨充沛，夏秋多臺風(fēng)。年平均氣溫22.3℃，年平均降水量1 300-2 500 mm。廣東省地帶性森林植被的主要類型為中亞熱帶常綠闊葉林、南亞熱帶常綠闊葉林和少量熱帶季雨林。

2 樣品采集和測定

2.1 試驗(yàn)材料

本研究依據(jù)《立木生物量建模樣本采集技術(shù)規(guī)程》（LY/T 2259—2014）[10]的方法進(jìn)行試驗(yàn)材料取樣，以2012年廣東森林資源連續(xù)清查樣地中木荷分布情況為基礎(chǔ)，樣木采集時間為2013年及2016年，樣木采集總株數(shù)為90株。樣木取樣按 2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、12 cm、16 cm、20 cm、26 cm、32 cm、38 cm共10個徑階分配，樣木伐倒時實(shí)測胸徑、地徑、冠幅、樹高和活冠長度，分干材、樹皮、樹枝、樹葉稱取鮮質(zhì)量，干材、樹皮分成上（＞1/2樹高）、中（1/5～1/2樹高）、下（0～1/5樹高）3個部分，樹枝、樹葉分上、中、下3層。各徑階分配選擇40株樣木挖取全部樹根，按根莖（主根）、粗根（≥10 mm）、細(xì)根（＜10 mm）分別稱取鮮質(zhì)量，少量樹根確實(shí)難以全部挖出的，采用相同橫斷面樹根來代替，大徑級樣木的細(xì)根鮮質(zhì)量測定，則通過1/2或1/4范圍內(nèi)挖取細(xì)根的數(shù)量按比例進(jìn)行推算。分不同部位的干材、樹皮、樹枝、樹葉、樹根各采集500 g以上樣品，稱取鮮質(zhì)量，樣品在85 ℃烘干至恒質(zhì)量，測定含水率，并計算生物量。各樣木調(diào)查情況見表1，各采集樣木徑階分布情況如表2所示。

表1 研究區(qū)90株木荷采樣統(tǒng)計表Table 1 90 sampling Schima superba trees data statistics

2.2 含碳率測定

采用重鉻酸鉀－硫酸氧化法（濕燒法）測定各組分有機(jī)碳含量。具體方法為:準(zhǔn)確稱量野外采集的鮮樣，85 ℃下烘干至恒質(zhì)量，對干材（上部、中部、下部）、樹皮、樹枝、樹葉、根莖、粗根、細(xì)根共9類樣品，粗粉碎后按四分法取約1/4樣品研磨并均勻混合，稱取約30 mg試樣，進(jìn)行有機(jī)碳含量測定。每個樣品做3次重復(fù)，取其平均值作為樣品的含碳率。

表2 研究區(qū)木荷樣木分徑階統(tǒng)計表（株）Table 2 Sampling Schima superba trees in different diameter classes data statistics

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 數(shù)據(jù)分析

采用 Excel處理數(shù)據(jù)，使用R軟件的nlme過程進(jìn)行回歸分析。

2.3.2 含碳率計算

本研究根據(jù)各器官的生物量權(quán)重來計算全樹的平均含碳率，按照下列公式計算:

其中，為全樹加權(quán)平均含碳率；Pi為某樹種i器官的含碳率，Wi為某樹種i器官的生物量（i=樹干，樹皮，樹葉，樹枝，樹根）。

2.3.3 碳儲量計算

本研究碳儲量計算公式如下:

其中，Ct為全樹碳儲量；Pi為某樹種i器官的含碳率，Wi為某樹種i器官的生物量（i=樹干，樹皮，樹葉，樹枝，樹根）。

2.3.4 單株碳儲量模型擬合與評價

為直接方便評估木荷碳匯造林效果，需要建立單株碳儲量胸徑和D2H模型。本文采用廣泛使用的異速生長方程Y=aXb對90株木荷伐倒木建立碳儲量模型，并分起源和徑階進(jìn)行全樹及各器官碳儲量分析比較。

3 結(jié)果與分析

3.1 含碳率

3.1.1 木荷各器官含碳率及與不同省區(qū)的比較分析

從表3可知，廣東木荷全樹加權(quán)平均含碳率為0.556 9，各器官的含碳率在0.508 8～0.565 4之間變化，其中樹干的含碳率最高，其次是樹枝、樹葉、樹根，最后是樹皮。樹皮與其它各器官之間差異顯著（P＜0.05），但樹干、樹葉、樹枝、樹根之間差異不顯著（P＞0.05）。全樹含碳率算術(shù)平均值與加權(quán)平均值相比較，兩種方法得出的全樹含碳率差異很小，差異值僅為0.002 8。

表3 木荷各器官的含碳率Table 3 Carbon content in different organs of Schima superba

對廣東、湖南、貴州、福建、江西五個省區(qū)以及全國木荷各器官的含碳率進(jìn)行比較分析，從表4可以看出，全樹含碳率廣東最高，湖南、貴州、福建、江西含碳率比較接近，在0.51～0.53之間，廣東木荷含碳率與其它四省存在明顯差異。從各器官的含碳率來看，各省區(qū)樹皮含碳率比其它器官均低，全樹各個器官含碳率廣東均高于其它四省，也明顯高于國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（LY/T 2660—2016）中木荷含碳率。

表4 不同省區(qū)木荷各器官的含碳率Table 4 Carbon content in organs of Schima superba from different provinces

3.1.2 木荷不同部位器官含碳率的空間分布

（1）樹干（去皮）平均含碳率空間分布。如表5所示，根據(jù)樹干上部、中部、下部含碳率測定結(jié)果可知:樹干含碳率的變化范圍為0.310 9～0.642 9，變異系數(shù)為5%～8%，含碳率各層次變動較小，平均值差異顯著性分析表明，差異未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。

表5 木荷不同層次樹干含碳率Table 5 Carbon content of stem in different layers of Schima superba

（2）樹根加權(quán)平均含碳率空間分布。如表6所示，根據(jù)樹根的根莖、粗根、細(xì)根各部位含碳率測定結(jié)果可知:樹根含碳率的變化范圍為0.207 2～0.625 9，變動范圍較大，變異系數(shù)為7%～13%，含碳率各層次變動較小，平均值差異顯著性分析表明，差異未達(dá)到顯著水平（P＞0.05）。粗根含碳率稍微大于細(xì)根，但根莖含碳率比粗根、細(xì)根略小。

表6 木荷不同層次樹根含碳率Table 6 Carbon content of roots in different layers of Schima superba

3.1.3 木荷不同胸徑各器官含碳率分析

從表7可知，不同胸徑各器官的含碳率變化范圍都不大，變異系數(shù)都在6%以下，全樹不同胸徑的含碳率之間差異不顯著（P＞0.05），各器官不同胸徑的含碳率變化范圍更小，變異系數(shù)都在4%以下。從全樹不同胸徑的含碳率的比較來看，含碳率變化很小。

表7 木荷不同胸徑各器官含碳率Table 7 Carbon content of organs in different diameter classes of Schima superba

3.1.4 木荷不同起源各器官含碳率分析

不同起源的含碳率分析表明（表8）:木荷人工林和天然林的含碳率差距很小，人工林與天然林的差值僅為0.000 6，全樹人工林含碳率要略高于天然林。從各器官來看，不同起源各器官的含碳率變化范圍都不大，變異系數(shù)都在4%以下，人工林的樹皮、樹枝、樹根含碳率要比天然林略高，但樹干、樹葉含碳率要比天然林略低。

表8 木荷不同起源各器官含碳率Table 8 Carbon content of organs in different origins of Schima superba

3.2 碳儲量

3.2.1 木荷碳儲量各器官分布格局

根據(jù)40株單株碳儲量，統(tǒng)計計算出各徑階及平均單株碳儲量。如表9所示，對各器官平均碳儲量分布進(jìn)行分析，碳儲量最高的是樹干，占全樹的39.23%，其次是樹根和樹枝，最后是樹皮和樹葉，樹干、樹枝、樹根所占比例達(dá)到90.36%，表明碳儲量主要集中在樹干、樹枝和樹根上。

表9 木荷不同胸徑各器官碳儲量及其分配Table 9 Carbon storage and allocation of organs in different diameter of Schima superba

從全樹及各器官的碳儲量來看，基本上是隨著胸徑增長，全樹及各器官碳儲量均有不同程度的增加，但增加幅度并不一樣，在胸徑2～16 cm時碳儲量增加幅度較小，從胸徑16 cm開始，碳儲量增加幅度變大。各器官占全樹碳儲量的比例變化趨勢也不相同，隨著胸徑增加，樹干碳儲量的比例變化呈現(xiàn)先增加后減少趨勢，到胸徑16 cm時達(dá)到最大；樹枝碳儲量比例則呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢；樹根碳儲量比例隨胸徑增加而上下波動，但變化不大；樹皮、樹葉碳儲量比例隨胸徑增加有減少的趨勢（圖1）。

圖1 各器官碳儲量及比例隨胸徑變化圖Fig. 1 Component specific carbon storage and its proportion in different diameter

3.2.2 生長因子與木荷各器官碳儲量關(guān)系

按起源人工和天然分別對40株木荷樣木胸徑、D2H與碳儲量關(guān)系進(jìn)行回歸分析，建立廣東木荷人工林和天然林單株碳儲量模型，結(jié)果表明:木荷人工林胸徑與單株碳儲量呈極相關(guān)，關(guān)系表達(dá)式為Ct=0.007 8D3.1648，調(diào)整后的擬合優(yōu)度R2=0.996 4；D2H與單株碳儲量呈極相關(guān)，關(guān)系表達(dá)式為Ct=0.004 3(D2H)1.1897，調(diào)整后的擬合優(yōu)度R2=0.995 5。木荷天然林胸徑與單株碳儲量呈顯著相關(guān)，關(guān)系表達(dá)式為Ct=1.109 1D1.5119，調(diào)整后的擬合優(yōu)度R2=0.911 5；D2H與單株碳儲量呈顯著相關(guān)，關(guān)系表達(dá)式為單株碳儲量Ct=0.636 3(D2H)0.5979，調(diào)整后的擬合優(yōu)度R2=0.903 5（圖2）。

圖2 胸徑、D2H與木荷單株碳儲量關(guān)系圖Fig. 2 Relationship between DBH, D2H and carbon storage of Schima superba

在分人工和天然起源的基礎(chǔ)上，對90株木荷樣木胸徑、D2H與各器官碳儲量關(guān)系進(jìn)行回歸分析，建立木荷各器官碳儲量與胸徑、D2H之間的回歸方程。結(jié)果表明:木荷人工林胸徑、D2H與各器官碳儲量均有顯著相關(guān)性，各器官碳儲量方程調(diào)整后的擬合優(yōu)度R2值均在0.5以上，F(xiàn)統(tǒng)計值均在50以上，P值均小于0.01（表10）；木荷天然林胸徑、D2H與碳儲量大部分有顯著相關(guān)性，除胸徑、D2H與樹根碳儲量方程調(diào)整后的擬合優(yōu)度R2值小于0.5外，其它回歸方程R2值均大于0.5，表明胸徑、D2H與樹根碳儲量相關(guān)性不顯著；除胸徑、D2H與樹枝碳儲量，胸徑與樹葉碳儲量，胸徑、D2H與樹根碳儲量方程的F統(tǒng)計值在50以下外，其它回歸方程的F統(tǒng)計值均在50以上；回歸方程所有P值均小于0.05，其中除D2H與樹根碳儲量方程P值大于0.01外，其它方程P值均小于0.01（表11）。

表10 人工起源木荷單株碳儲量回歸方程Table 10 Carbon storage regression equation of Schima superba plantations

4 結(jié)論與討論

（1）廣東木荷全樹加權(quán)平均含碳率為0.556 9，算術(shù)平均計算與加權(quán)平均計算兩種方法計算的含碳率差異不大，結(jié)論與部分研究學(xué)者相同[16]。各器官加權(quán)平均含碳率順序?yàn)闃涓桑?.565 4）＞樹葉（0.558 4）＞樹枝（0.556 1）＞樹根（0.548 7）＞樹皮（0.508 8），樹干含碳率要高于其它各器官，而樹皮含碳率要顯著低于其它器官，主要是由于樹干木材含有較多的木質(zhì)素，而樹皮作為植物營養(yǎng)運(yùn)輸器官，纖維素多，木質(zhì)素少，因此含碳率低，顯然這是由植物本身的構(gòu)造特點(diǎn)所決定的，這與大多數(shù)研究者結(jié)論一致[17-18]。樹干上、中、下各部位的含碳率無明顯變化，粗根含碳率略大于細(xì)根，這與李春平[19]等研究結(jié)果相一致。

表11 天然起源木荷單株碳儲量回歸方程Table 11 Carbon storage regression equation of natural Schima superba forests

（2）廣東木荷含碳率高于周邊湖南、貴州、福建、江西四省，也遠(yuǎn)高于國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的含碳率，可能原因是受采樣范圍及采樣立地環(huán)境因素的影響。相對于大多數(shù)研究者估算不同區(qū)域尺度的森林碳儲量時采用的通用平均含碳率0.50或0.45而言，廣東木荷平均含碳率0.556 9明顯高于通用平均含碳率以及國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)0.470 6的含碳率，當(dāng)采用通用平均含碳率及國家林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)含碳率來計算廣東木荷碳儲量時，可能會導(dǎo)致木荷碳儲量10%～20%的誤差。因此，為準(zhǔn)確估算省級區(qū)域以及地方區(qū)域的森林植被碳儲量，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域、不同起源的含碳率作為轉(zhuǎn)換參數(shù)，以減少碳儲量估算中的不確定性。

（3）通過比較分析發(fā)現(xiàn)，廣東不同起源的木荷含碳率差異很小，從實(shí)用角度，可以忽略其差異，木荷天然林含碳率可采用人工林進(jìn)行估算。木荷隨胸徑變化，其含碳率變化較小，胸徑大小對含碳率影響不大，這與李江等[20]研究結(jié)論不相符合，可能是所取胸徑大小范圍以及所處的立地條件影響了研究的準(zhǔn)確性。

（4）木荷各器官碳儲量在全樹中的比例排列順序?yàn)闃涓桑?8.60%）＞樹根（27.22%）＞樹枝（24.78%）＞樹皮（5.40%）＞樹葉（4.00%），木荷碳儲量主要分布在樹干、樹枝和樹根上。隨著胸徑增大，全樹及各器官碳儲量增加幅度并不一樣，從胸徑16 cm開始，碳儲量增加幅度較大，表明木荷碳儲量增加主要在生長的中后期。隨著胸徑增加各器官碳儲量占全樹比例變化趨勢并不相同，樹干碳儲量比例變化的趨勢為先增加后減少，樹枝碳儲量比例變化趨勢為先減少后增加，樹根碳儲量比例隨胸徑增加而上下波動，但總體較穩(wěn)定；樹皮、樹葉碳儲量比例隨胸徑增加而減少。

（5）通過對樣木胸徑、D2H與碳儲量進(jìn)行回歸分析，分別獲得木荷人工林及天然林單株碳儲量回歸方程。人工林胸徑回歸方程為Ct=0.007 8 D3.1648，D2H回歸方程為Ct=0.004 3(D2H)1.1897；天然林胸徑回歸方程為Ct=1.109 1D1.5119，D2H回歸方程為Ct=0.636 3(D2H)0.5979，全樹碳儲量方程的R2值均達(dá)到了0.9以上。人工起源的全樹及各器官碳儲量方程的R2值在0.953 0～0.996 4之間，而天然起源的全樹及各器官碳儲量方程的R2值僅在0.382 6～0.937 5之間，天然林碳儲量方程的擬合效果明顯要比人工林差一些，可能原因是天然林的立地質(zhì)量差異及與林木競爭等不確定因素的影響了模型效果。以胸徑為自變量的全樹及各器官碳儲量方程R2值在0.455 3～0.996 4之間，而以D2H為自變量的全樹及各器官碳儲量方程R2值在0.386 2～0.995 5之間，兩者之間相差不大，以胸徑為自變量和以D2H為自變量的碳儲量模型擬合效果沒有明顯差異。各器官碳儲量方程的R2值絕大多數(shù)都在0.5以上，總體上相關(guān)性顯著，相對而言，天然林的胸徑、D2H與樹枝、樹葉、樹根碳儲量相關(guān)性相對差一些，而與樹干、樹皮碳儲量相關(guān)性相對較好，可能是天然林的樹枝、樹葉、樹根受立地質(zhì)量及生長環(huán)境影響較大，碳儲量變動較大，影響了模型效果；人工林的胸徑、D2H與各器官碳儲量相關(guān)性均較好，各器官碳儲量相關(guān)性相比無明顯差別，可能原因是與天然林相比，人工林的立地質(zhì)量及生長環(huán)境變化不大。

（6）由于采樣徑階固定、大徑級樣本少等建模局限性，本研究建立的木荷人工林及天然林碳儲量模型在用于估算實(shí)驗(yàn)樣本胸徑、樹高范圍外的單株碳儲量時可能會存在誤差，在使用過程中要注意模型的使用范圍問題。