科尔沁大青沟3种优势树种含碳率的比较研究

科尔沁大青沟3种优势树种含碳率的比较研究

20世纪以来，随着经济的快速发展，人们对能源的需求日益增长，导致大量燃料燃烧，如煤炭、石油、天然气等燃料，并导致以co为主的温室气体释放。同时，世界气候变化异常，极端天气频繁发生。因此，气候变化异常是人类面临最严重的环境问题之一。森林生态系统储碳量约占陆地总碳库(2477Gt)的46%,是仅次于海洋生态系统的第二大碳库(1146Gt),森林生态系统在地球碳循环中具有重要的意义,在降低大气中CO2浓度及缓解气候变化方面起着重要的作用,尤其是在储碳及碳汇功能方面具有明显优势,引起了国内外学者的广泛关注。为能准确评价森林的碳汇效益,对森林生态系统碳储量进行量化是必要前提,但由于我国幅员辽阔,森林植被类型多样,尚未形成成熟的量化体系及评价标准。目前,对森林生态系统碳储量通常采用生物量与含碳率相结合方法来计算,由此可知,植物含碳率是估算森林碳储量的关键因子,国内外诸多学者在估算区域、国家尺度的森林植被含碳率时,通常采用0.5或0.45作为转化系数,仅有少数研究者对其含碳率进行实测,然而越来越多的研究表明,树种受遗传及环境因素影响,其含碳率存在一定差异,如果仅采用单一的数值作为植被含碳率转化系数,对计算结果会造成不确定性影响,最终导致评价对象储碳及汇碳效益评价缺乏准确性。内蒙古大青沟自然保护区位于通辽市甘旗卡境内,地理环境奇特,是仅存的一块原始森林植物群落,植物种类丰富,为科学研究提供了宝贵材料,目前大多数研究多集中于该保护区植被分布特点、地质地貌的形成及土壤养分等方面,未见对保护区群落含碳率及碳储量方面的研究,尤其是对保护区主要群落乔木层优势树种含碳率的研究。本文通过对保护区主要群落乔木优势树种含碳率分布特征的研究,期望能够对大青沟自然保护区森林生态系统含碳率及碳储量研究提供试验数据和理论基础,为正确评价大青沟自然保护区森林生态系统储碳及固碳能力提供材料,为我国大尺度对森林生态系统的研究提供有力的帮助。1大青沟地区的自然概况大青沟自然保护区位于内蒙古自治区科尔沁左翼后旗境内,科尔沁沙地南缘,其地理位置为122°13'~122°15'E,42°45'~2°48'N,总面积为8183hm2,保护区内大小青沟纵横,呈“人”字形交叉,长约24km,宽约200~300m,深约100m,1980年经内蒙古自治区人民政府批准建立,1988年晋升为国家级自然保护区。沟内外地貌植被差异极大,沟内植被枝繁叶茂,沟外则是此起彼伏的沙丘,沟内与沟外的沙化现象形成了鲜明对比。大青沟地区属大陆性季风气候地区,春冬季多干旱、大风,降雨多集中在6—8月,年平均降水量350~500mm,约占全年降水总量的70%以上,蒸发量约为1500~2500mm。经长期的环境变迁、气候影响及植被自我演替过程,大青沟自然保护区从沟底到沟坡逐渐形成了水曲柳、蒙古栎、大果榆3种主要原始群落,这对研究其起源、形成过程、评价其生态作用及沙地森林演绎规律具有不可替代的作用。2学习方法2.1样地设置与设置2012年8月份,从大青沟沟底到沟坡,依次选择水曲柳群落、蒙古栎群落、大果榆群落的典型样带,分别在每个群落内随机布设3个20m×20m样地。2.2样品的采集及测定采用测树学方法对样地内乔木优势树种(树高大于2m,胸径大于2cm)进行每木调查,并记录样方内株数、株高、胸径及冠幅等因子,经计算后选取各群落优势树种平均木3株,分别选取优势树种平均木各器官(枝条、叶片、树皮、根系、树干)的样品各3份,每份约200g,带回实验室。2.3样品预处理将采集的样品在粉碎前放入80℃的恒温箱中烘至恒重。考虑到样品分析时实际用量较少,为了保证样品混合均匀并具有代表性,采用3次粉碎法制样,最终将同一树种相同器官充分混合,采用四分法取样后再次进行烘干,用于含碳率测定。2.4测定植物含碳率的方法依据植物中全碳是极易被氧化的有机碳这一特点,对植物含碳率进行测定。目前常用的方法有干烧法和湿烧法,两种方法各有优劣,相对来说,湿烧法操作简单快捷,测定结果具有一定的准确性,最终采用湿烧法(重铬酸钾法)测定植物含碳率,每样品测定均为3个重复,取平均值使用。2.5数据处理方法试验所得数据均用Excel2003进行初步整理,采用SAS9.1软件进行相关分析,并绘制相关图形及表格。3结果与分析3.1种树种枝条含碳率分析枝条是树叶生长的载体,是形成树型的主要形成体,枝条型状决定了叶等光合同化器官的空间分布格局,也是连接树干与叶片之间营养物质流动的重要通道。耿相国对平原区农田防护林单株不同林龄杨树树枝分为3层进行研究,结果表明,8a生各层树枝变化较大,其他林龄各层树枝变化不大。对水曲柳、大果榆及蒙古栎3种优势树种的不同龄级枝条进行分析,如图1、图2所示。由图1可知,大果榆、水曲柳、蒙古栎3种优势树种不同龄级枝条,其含碳率存在一定差异。当年生枝条含碳率大小依次为蒙古栎>大果榆>水曲柳,其中水曲柳当年生枝条含碳率比平均值低1.18%;2a生枝条含碳率大小依次为蒙古栎>水曲柳>大果榆,其中大果榆2a生枝条含碳率比平均值低1.14%;3a生枝条含碳率大小依次为蒙古栎>水曲柳>大果榆,其中大果榆3a生枝条含碳率比平均值低1.20%;4a生枝条含碳率大小依次为蒙古栎>水曲柳>大果榆,其中大果榆4a生枝条含碳率比平均值低1.20%;5a生(及以上)枝条含碳率大小依次为水曲柳>蒙古栎>大果榆,其中大果榆5a生(及以上)枝条含碳率比平均值低3.23%。由图2可知,3种树种枝条平均含碳率大小依次为蒙古栎>水曲柳>大果榆,其中大果榆枝条含碳率比平均值低1.45%;3种枝条平均含碳率的变化范围存在一定差异,其中蒙古栎枝条变化幅度最小,水曲柳枝条变化幅度最大。利用统计学方法对3种树种不同龄级枝条平均含碳率进行分析,经检验,在p<0.05水平下,大果榆当年生、2a生、3a生与4a生、5a生(及以上)的枝条含碳率存在显著差异,4a生与5a生(及以上)的枝条含碳率存在显著差异;水曲柳当年生与、2a生及3a生、4a生、5a生(及以上)的枝条含碳率存在显著差异,2a生与3a生、4a生、5a生(及以上)的枝条含碳率存在显著差异;蒙古栎当年生与、2a生及3a生、4a生、5a生(及以上)的枝条含碳率存在显著差异。总体而言,3种树种不同龄级枝条含碳率均有所不同,大果榆枝条含碳率低于3种树种枝条含碳率的平均值,而蒙古栎枝条含碳率略高于3种树种枝条含碳率的平均值,水曲柳枝条含碳率在3种树种枝条含碳率的平均值上下浮动。由此可知,不同龄级枝条的含碳率不同,除与树种遗传因素有关,还与其木质组成成分、器官相对位置及生长年限等有关。3.2蒙古栎根系含碳率分布特性根系是整株树木的支撑体,也是唯一与土壤接触,获取土壤营养物质的重要器官,不同径级根系对整株树木的主要功能也是不同的。根系含碳率大小除受本身遗传因素影响外,还受诸多环境因素影响,例如土壤含水量、土壤容重及土壤养分条件等因素。对3种树种不同径级根系的含碳率进行分析,如图3、图4所示。由图3可以看出,在2~5mm范围内,蒙古栎根系含碳率与大果榆根系相差最大,水曲柳根系含碳率为42.48%,经检验(p<0.05)蒙古栎与大果榆、水曲柳含碳率的值存在显著差异性;在5~10mm范围内,蒙古栎根系含碳率与大果榆根系相差最大,经检验(p<0.05)蒙古栎与大果榆、水曲柳的根系含碳率存在显著差异性;在1~2cm范围内,蒙古栎根系含碳率与大果榆根系相差最大,大果榆和蒙古栎根系含碳率与水曲柳根系存在显著差异。经检验(p<0.05)水曲柳与大果榆、蒙古栎的根系含碳率存在显著差异性;在2~5cm范围内,蒙古栎根系含碳率与水曲柳根系的相差最大,经检验(p<0.05)水曲柳、大果榆及蒙古栎的根系含碳率无显著差异;在5cm及以上范围内,水曲柳根系含碳率与蒙古栎根系的相差最大,经检验(p<0.05)蒙古栎与大果榆、水曲柳的根系含碳率存在显著差异;3种树种根桩部分含碳率的大小依次为蒙古栎>大果榆>水曲柳,经检验(p<0.05)三者根桩含碳率值无显著差异。由图4可以看出,对于大果榆,在根系直径为1~2cm范围内,其含碳率最大,在根系直径为2~5mm范围内,其含碳率最小,2~10mm,2~5cm与1~2cm,2cm以上根系的含碳率存在显著差异性;对于水曲柳,在根系直径为5cm及以上范围内,其含碳率最大,直径为1~2cm的根系,其含碳率最小,由此看出,不同树种根系径级的变化,其含碳率也随之变化。根系直径为2~5mm,1~2cm与5~10mm,2~5cm及5cm以上的根系含碳率存在显著差异性;对于蒙古栎,在根系直径为1~2cm范围内,其含碳率最大,根系直径为5cm及以上其含碳率最小,经检验(p<0.05),根系直径为2~20mm范围内的根系含碳率与2cm以上根系的含碳率存在显著差异。总体而言,3种树种不同径级的根系含碳率呈不同变化,蒙古栎根系的平均含碳率明显比大果榆、水曲柳根系的高。3.3种树种各器官含碳率的变化植物通过“光合作用”吸收大气中二氧化碳,合成有机物并释放氧气。树木的各器官在“光合作用”中都起着非常重要的作用,其中叶片是吸收太阳光、二氧化碳及水分蒸腾的等重要器官,也是转换为化学能并固定二氧化碳的重要载体,而树皮是运输营养物质及水分的重要通道,供树木生长。树干则是整株树木的主体,其生物量占单株树木的一半以上,也正是因为树干生物量所占比例较大,其碳储量也占单株树木的大部分,树干含碳率的大小是影响单株树木碳储量大小的重要因素,对研究区内3种主要树种的叶片、树皮、树干含碳率进行测定,结合枝条及根系的含碳率平均值,进行分析,图5所示。由图5可知,3种优势树种树干、树皮、叶片、枝条及根系含碳率呈现不同变化。3种树种树干平均含碳率为50.59%,其中蒙古栎树干含碳率与水曲柳的相差最大,与大果榆的次之;3种树种树皮平均含碳率为48.51%,水曲柳树皮含碳率与大果榆的相差最大,与蒙古栎的次之;3种树种叶片平均含碳率为49.43%,水曲柳叶片含碳率与蒙古栎的相差最大,与大果榆的次之;3种树种枝条平均含碳率为49.30%,蒙古栎枝条含碳率与大果榆的相差最大,与水曲柳的次之;3种树种根系平均含碳率为47.78%,蒙古栎根系含碳率与水曲柳的相差最大,与大果榆的次之。由表1可知看出,蒙古栎各器官含碳率变化范围48.17%~53.92%,其平均值比程浩等研究结果略低0.29%,其中树干含碳率最大,叶片含碳率最小;大果榆各器官含碳率变化范围45.58%~51.44%,平均值为48.21%,其中树干含碳率最大,树皮含碳率最小;水曲柳各器官含碳率变化范围46.25%~51.68%,平均值为48.89%,其中树皮含碳率最大,树干含碳率最小。对3种树种不同器官含碳率进行统计学分析可知,水曲柳各器官含碳率变化相对最大,蒙古栎各器官含碳率变化相对最小。由上述分析可知,不同树种相同器官含碳率不同,同一树种不同器官的含碳率也存在差异。树木各器官含碳率受自身遗传因素的影响,例如,蒙古栎树干含碳率比大果榆、水曲柳的都大,可能与其本身是“硬木”有关。除了与本身的遗传因素有关外,树木各器官含碳率还可能受环境因素(土壤条件、水分、光照及海拔高度等)影响。4主要树种含碳率特性研究表明,植物组织含碳率的高低直接受不同器官植物体内脂肪、蛋白质和碳水化合物以及生长地区的气候、土壤、温度等多因素影响,继而导致树种器官的含碳率存在差异,由此造成对森林储碳及汇碳的计算及评价缺乏准确性。李春平等对山东郓城农田防护林杨树器官含碳率分析,结果表明,杨树的叶、枝、干含碳率随高度层次不同而发生变化,随深度的增加,树根含碳率总体上呈现减小趋势。王春燕等采用收获法测定与分析30a老龄橡胶树不同器官含碳率,得出树叶含碳率与嫩枝含碳率差值最大,相差7.7%。本文得出的蒙古栎、水曲柳含碳率平均值比于颖等人对东北林区蒙古栎(42.88%)、水曲柳(43.36%)树种含碳率的值分别高出7.37%,5.53%。在20世纪90年代,我国曾有学者对植被含碳率进行了深入研究,取得了一定成果,但远不能为我国的碳汇林发展提供全面的资料,因此为尽可能减小因植物含碳率不同,对森林储碳及汇碳计算评价的准确性的影响,建议尽量对全国林区主要林木树种及其器官的含碳率进行实测。据现有资料查证,未见关于大果榆及其器官含碳率的详尽研究,通过本文研究可以为进一步对该树种储碳及汇碳能力的研究奠定基础。根据以上分析,可得出以下结论:1)大果榆与蒙古栎枝条平均含碳率差别最大,前者不同龄级枝条含碳率变化幅度大,后者不同龄级枝条含碳率变化幅度小,而水曲柳枝条平均含