济南市石灰岩山地侧柏林植被碳储量研究

张怀成 张华玲 王兆军 姜腾龙

(济南市环境监测中心站，山东济南250014)

20世纪以来，人类活动不断加强，全球气候发生了明显变化，大气中的CO2浓度急剧上升，由此导致的温室效应及气候异常成为目前人类面临的最严峻的环境问题之一。森林是陆地生态系统的主要植被类型，它具有较高的生产力，森林生物量约占整个陆地生态系统生物量的90%，生产量约占陆地生态系统的70%，它不仅在维护区域生态环境上起着重要作用，而且在全球碳平衡中发挥着巨大作用，每年固定的碳约占整个陆地生态系统的2/3。森林固碳能力是评价全

球大气碳收支的重要参数。可见，估算森林的碳储量，评价森林的碳汇功能，对控制温室气体排放具有重要意义。

本项目采用样地清查法，着重对济南市石灰岩山地的侧柏林的生态特性及固碳功能进行研究，通过研究侧柏林与生境的关系，拟定侧柏林植被碳含量曲线，确定辖区内侧柏林植被的碳密度、碳储量，为济南市实施碳减排提供科学依据。

1 研究区域概况

济南市位于山东省中西部，地理坐标为北纬36°02’－37°31’，东经 116°11’－117°44’，鲁中山地与鲁北平原的过渡地带，地势南高北低，依次为低山丘陵、山前倾斜平原和黄河冲积平原，南部山区基岩主要为片麻岩、石灰岩和白云岩，经过长期风化，逐步形成了本市地带性土壤——石灰性褐土。属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，年平均气温为14.4℃，多年平均降水量为606.4 mm，年平均空气相对湿度64%。

济南森林中绝大多数是以侧柏纯林、刺槐林、杨树纯林、果林等为主的人工林，混交林数量较少。野生林主要是以侧柏林、杂木林为主的次生林，原生植被极少，生境破碎，分布在南部石灰岩山地，群落结构简单，林下灌木与草本层种类和数量因林分立地条件不同而有较大变化;在花岗岩山地上有零星的赤松、栎属植物分布，多为次生林。

调查区域为平阴县安城镇西平洛村、玫瑰镇南葛庄，其主要为上个世纪60、70年代栽种的侧柏林，森林群落结构简单，优势种单一，长势良好。

2 研究方法

2.1 样品采集

确定标准地的形状为正方形，100 m×100m。在标准样地内设置乔木层调查样方1个，面积为30 m×30 m;灌木层样方2个，面积为5 m×5 m，枯落物样方5个，面积为0.1 m2。

环境因子调查，包括幼树(下木)调查、土壤调查(颜色、厚度、紧密度、pH值、温度等)、环境因子调查(海拔高度、地形、坡度、坡向等)，详见表1。

样地植被调查。在样地进行每木检尺，量取所有乔木的树高、胸径、枝下高、冠幅，估算其平均胸径，以平均胸径为依据，在其平均胸径±50%范围内，按径阶选取标准木，样地1、样地2分别选取标准木6株、4株，测量树高、枝下高、1.3米处和1/2树高处周长，并采用“分层切割法”测定其地上生物量，获取树干、枝叶的鲜重;在5 m×5 m灌木样方内采用皆伐法获取灌木层、草本层地上生物量。

表1 林分环境因子调查结果

分析取样。按比例分别收集乔木树干、枝叶样品、灌木样品;在0.1 m2样方内收集未分解层和半分解层的枯落物，带回实验室分析。

取胸径为12cm的解析木1株，以1m为分段长度将其分为若干段，每段截取厚度约5cm的圆盘，带回做年轮观察与林龄分析。

2.2 样品分析

2.2.1 生物量测量

将样品置于105℃恒温箱内烘干至恒重，记录烘干后的重量。利用现场记录的鲜重，求出不同样品含水率。

2.2.2 含碳率测量

对烘干后的样品进行实验室分析。采用干烧法测定含碳率。

取粉碎的样品0.2g，放入处理过的瓷盘(于＞900℃下灼烧2h以上)，通氧气使其充分燃烧生成二氧化碳，用Multi C/N3000碳氮分析仪(德国耶拿公司)测定全含碳量，每次测3个平行样，测定结果取平均值。

2.3 统计分析方法

2.3.1 生物量的统计

(1)乔木。乔木生物量统计采用生物量经验(回归)模型估计法(唐守正)［1］，曲线方程为

式中:w为生物量，t/hm2;D为胸径，cm;H为树高，m;a、b分别为回归系数。

利用含水率、鲜重计算得出各器官生物量。依据各器官生物量，利用生物量与胸径、树高的相关关系分别进行回归拟合，求出参数a、b值，分别得到树干、枝叶回归方程，利用研究区域内所测乔木的胸径与树高，计算所有乔木各器官生物量，进而得出样地模型地上生物量。有关研究表明，地下生物量大约为地上生物量的15% －30%［2］，此处近似取20%统计。

(2)灌木。灌木采取皆伐法测定，利用样品测定结果，依据取样比例、样方面积换算得出。

(3)枯落物。枯落物现存量(t/hm2)=(未分解枯落物重kg/m2+半分解枯落物重kg/m2)×10

则济南市辖区生物量用以下公式［3］估算:

生物量=林分各优势树种蓄积量×

2.3.2 碳密度及碳储量统计

碳密度:植被生物量与含碳率的乘积即为碳密度。

碳储量:由各个碳储库分室密度之和与林地面积相乘，即得到济南市侧柏林植被碳储量。

2.4 数据处理

2.4.1 林木材积计算

(1)样地调查材积。调查结果显示，样地1、样地2内分别有乔木172株、185株。统计所有乔木胸径的平方平均数，得到林分平均直径分别为7.4cm、7.9cm。利用伐倒木，绘制树高曲线。

样地1树高曲线为:y= －0.0662x2+1.66x－2.5678，R2为0.9652;样地2 树高曲线为:y=0.0423x2－0.3987x+6.0281，R2为0.9944。

依据树高曲线，求出与林分平均直径相对应的树高，即林分平均高，分别为6.09m、5.53m。同时，统计林分每公顷断面积，分别为 8.22m2、10.18m2。

采用平均实验形数法统计林分材积。从主要乔木树种平均实验形数表查得侧柏林的平均实验形数值为0.43，代入下式计算林分材积:

式中:M为蓄积量，G1.3为林分每公顷断面积，HD为林分平均高，f∂为侧柏林平均实验形数值。

计算得出样地1、样地2林分调查材积分别为32.15 m3/hm2、37.32m3/hm2。

(2)样地模型材积。由样地调查材积，推算得出样地1、2 模型材积分别为 2.89m3、3.36m3。

2.4.2 生物量统计

利用样地伐倒木，以胸径和树高组合因子D2H为自变量，拟合得到不同器官生物量回归方程(见表2)。

表2 济南市侧柏林生物量估算方程

应用回归方程计算林分各组分生物量，结果表明，单株乔木生物量为15.28kg。其中，树干生物量占52.3%。样地 1、2 模型生物量分别为 3284.42kg、3582.88kg。

利用济南市2011年遥感影像解译结果进行统计，辖区内侧柏林面积为4812 hm2，则研究区域侧柏林蓄积量为281266m3。依据公式(2)得出济南市侧柏林生物量为41.90t/hm2。

3 结果与分析

3.1 植被层不同器官含碳率空间分布特征

分析结果表明:侧柏林植被层的平均含碳率为0.489。其中，乔木层，仅含侧柏单一层片，平均含碳率为0.496，乔木层各器官的含碳率分别为:树干为0.565，树枝为0.548，树叶为0.375;灌木层，单一优势种为荆条，含碳率为0.554;枯落物层平均含碳率为 0.461，范围在 0.372 ～0.551。可以看出，植被层的各个层次，由于所占有的空间结构及自身生理特征的差异，使得各个器官间的含碳率差异较大，乔木层中的树干以及灌木层含碳率较高，而枯落物层和树叶的含碳率较低。含碳率的测定为精确统计本地区的碳汇量奠定了基础。

3.2 单株木含碳量变化特征

本次调查，拟合了单株木含碳量(y)与胸径和树高组合因子D2H(x)关系曲线，并分析其变化特征。因树干与枝叶的含碳率不同，因而分别拟合了树干与枝叶的含碳量(y)变化与胸径和树高组合因子D2H(x)回归曲线方程。

图1 单株木树干含碳量曲线

研究结果显示，单株木的含碳量(y)变化与胸径和树高组合因子D2H(x)关系，与单株木生物量与胸径和树高组合因子D2H(x)关系基本相似，均呈显著的指数正相关性，变化曲线见图1、图2。

图2 单株木枝叶含碳量

侧柏样木含碳量曲线的拟定，为更加深入地调查其他样地侧柏林碳储量提供了技术支持。

3.3 植被层生长空间尺度上生物量与碳密度分配特征

分析结果表明:济南市侧柏林植被层平均生物量为41.9t/hm2，地上部分占 83.3%，其中乔木层占 66.2%，灌木层占2.1%，枯落物层占15.0%。植被层碳密度特征与生物量特征相似，研究区域植被层碳密度为20.5 t/hm2，地上部分占84%，其中乔木层占68.8%，灌木层占2.2%，枯落物层占13.1%。这主要是由各层次间生物量及含碳率的差异造成的。由于研究区域为纯林，乔木层占绝对优势，因而乔木层生物量、碳密度远远高于灌木层。

3.4 植被碳储量空间分配

济南市侧柏林植被碳储量为9.86万t，占山东省侧柏林碳储量［4］的1.09%。其中，地上植被碳储量为8.28万t，乔木、灌木、枯落物碳储量分别为 6.78 万 t、0.21 万 t、1.29万 t。

从区域分布来看，侧柏林植被碳储量由高至低依次为历城区、长清区、章丘市、平阴县和历下区，5县(市)区碳储量之和占全市的95.4%。

4 结论与讨论

济南市石灰岩山地侧柏林植被层不同器官的平均含碳率为0.489。马钦彦等对华北主要森林类型建群种的含碳率研究结果显示，侧柏林含碳率为 0.505［5］，济南市研究结果与之基本一致。故以0.45作为平均含碳率转换系数将导致估算结果偏低，准确的估算方法应该是分森林类型而采用不同的含碳率转换系数。

济南市侧柏林植被层碳密度为20.5t/hm2。与李海奎、雷渊才对中国不同树种碳储量分布状况研究结果(柏木碳密度为32.43 t/hm2)［3］相比，济南市侧柏林碳密度仅为全国柏木林平均水平的63%，济南市侧柏林碳密度明显偏低。但部分研究结果表明，植被碳密度与林龄呈正相关性［3，6］，2007 年，王兵等对江西省中龄(40 ～60 年)、幼龄(40年以内)林植被乔木层碳密度进行了研究，结果发现，其碳密度分别为 24.4 t/hm2、16.17 t/hm2［6］。而本次调查，我们对研究区域的侧柏林林龄进行了分析鉴定，发现林龄在46～50年，处于中龄林的低龄阶段，其碳密度介于16.17 t/hm2～24.4 t/hm2之间，处于正常生长水平。

济南市侧柏林植被层碳密度在空间分布上表现为:乔木层＞枯落物层＞林下植被层。济南市侧柏林多为纯林，植被结构简单，为单一乔木层，林下植被层以荆条等小型灌木为主，草本植被稀疏，碳密度仅占2%，加之石灰岩山地土壤层较薄，气候干旱，水土流失较重等因素的影响，导致侧柏林下枯落物层碳密度总体处于较低水平。

济南市侧柏林植被碳储量为9.86万t，占山东省侧柏林碳储量的1.09%。历城区、长清区、章丘市、平阴县和历下区碳储量之和占全市的95.4%。

(编辑:温武军)

［1］唐守正.二元立木生物量模型及其相容的一元自适应模型系列研究报告［R］.1999.

［2］Paul Duvigneaud.La Synthese Ecologique［M］.Paris，121.

［3］李海奎，雷渊才.中国森林植被生物量和碳储量评估［M］.北京:中国林业出版社，2010.6－14.

［4］张德全等.山东省森林有机碳储量及其动态的研究［J］，植物生态学报，2002，26(增刊):93 －97.

［5］马钦彦等.华北主要森林类型建群种的含碳率分析［J］.北京林业大学学报，2002，24(5/6):96 －100.

［6］王兵，魏文俊.江西省森林碳储量与碳密度研究［J］.江西科学，2007，25(6):681 －687.