黑龙江省市县林区森林生态系统生物量碳库调查方法的研究

徐乐

(黑龙江省森林植物园，黑龙江 哈尔滨 150040)



黑龙江省市县林区森林生态系统生物量碳库调查方法的研究

徐乐

(黑龙江省森林植物园，黑龙江 哈尔滨 150040)

摘要文章介绍了生物量碳库调查、测定分析、计算及建模方法，对建立黑龙江省市县林区森林生态系统生物量碳库监测体系具有重要的指导意义。

关键词黑龙江省市县林区；生物量；碳库；调查；研究

森林碳库包括地上生物量、地下生物量、枯落物、枯死木和土壤有机碳五个部分。建立森林生态系统生物量碳库监测体系，对实施生态监测预报、环境污染量化预测等具有十分重要意义。

1外业调查

1.1样地设置

根据样地布点图，采用GPS定位。选择一类样地进行设置，利用一类样地的永久标记，并统一采用绝对坐标读数进行样地编号，如读数为119.458 32° E，32.536 28° N，则样地编号为：119.45832-32.53628，建立样地调查档案，以便于检查和复测。(GPS读数要保留到小数点后五位)

1.1.1乔木样地布设：样地面积为600 m2的正方形(24.49 m×24.49 m)。以样地的西南角为起点，罗盘仪测角，皮尺量距离，闭合差小于1/200。记录样地坐标、坡向、坡度、坡位、海拔等因子。同时对森林管理、森林干扰(灾害)等要素调查记录。各项调查因子记录在样地因子调查记录表中。并用不低于500万像素的数码相机对样地全貌和西南角各照一张相片(共2张)，相片采用绝对时间进行编号，然后加上样地绝对坐标编号，如：119.45832-32.53628--201206151026。

1.1.2灌木层、草本层、枯落物生物量通过设置样方采用收获法调查，包括两种样方设置方法。

(1)基于全国森林资源清查样地进行样方调查：选择基于全国森林资源清查一类样地开展调查，则在样地4个顶点向外正东、南、西、北方向2 m区，每个角选择向一个方向移动，如东北角选择向东移动2 m，如果向东选择不到合适样方，则选择向北移动2 m，需要保证所设置的样方在样地各边2 m以外区域。其他二个顶点的样方设置与此相同，选择确定3个灌木、草本和枯落物生物量调查样方。在样地外不做生物量调查的顶点，设置土壤剖面调查点，距离此顶点2 m处挖土壤剖面。

(2)新设样地和样方开展碳汇专项调查：样地面积为600 m2的正方形(24.49 m×24.49 m)。选择距样地其中3个角顶点两边3 m处各设置3个灌木、草本、枯落物样方，在样地中间位置设置土壤剖面调查点。

1.2样地调查

获取乔木层生物量测算因子，以及灌木层、草本层、枯落物层、枯死木生物量，土壤有机碳等要素，主要涉及调查因子包括乔木树种名称、每木胸径、平均树高、林龄、密度、郁闭度等；灌木与草本层种类、盖度、平均高、样方生物量等；枯落物层的厚度、样方鲜质量等，土壤名称、厚度、容重和有机质含量等。

1.2.1乔木层样地调查每木调查(含枯死木调查)胸径，并在样地内选择3～5株处于平均胸径的林木测定其树高，作为样地的平均树高。乔木层起测胸径为5.0 cm。

1.2.2枯死木调查对于枯立木，测定胸径和实际高度，记录其枯立木分解状态；对于枯倒木，测定其区分段直径和长度，按1 m区分进行材积计算。

1.2.3灌木层调查采用样方法调查灌木层植物种名(包括未达起测直径D<5.0 cm的幼树)、盖度(冠幅)、株数、平均高。每个样方中，选取3株平均大小(根径与高度处于平均水平)的灌木作为平均灌木，记录选取的3株标准灌木种名、高度、地径、冠幅，采用全株收获法分别测定3株标准木地上干、枝、叶和地下根系的鲜质量，称量精度保留到称量仪器的最小刻度(10 g)。

1.2.4草本层生物量采用完全收获法调查调查记录样方内的草本植物(不包括苔藓、地衣等)的种名、盖度、平均高，然后收集样方内所有草本植物地上部分和地下部分(根径小于2 mm除外)，直接称其总鲜质量。草本样品采样时，如采集的草本量比较多时，样品可收集一部分草本植物的混合样品(200 g左右)，称质量精确到10 g。

1.2.5枯落物层通过在森林内设置样方，调查枯落物厚度，收集样方内全部枯落物，包括各种枯枝、叶、果、枯草、半分解部分等枯死混合物，剔除其中石砾、土块等非有机物质，称量其鲜质量，精确到50 g或称重仪器的最小估读刻度(10 g)。每个样方混合采集枯落物样品200 g左右，称质量精确到10 g，装入样品袋中，贴上标签，写明样地号、样方号、采集地点、样品类型、采集人和采样日期，带回实验室测定其干鲜比(含水率)。

1.2.6土壤碳库调查内容包括土壤类型、土层厚度、土壤容重和有机质含量。剖面挖掘和土钻采集剖面后，每个剖面采样层次按0～10 cm、10～30 cm、30～100 cm划分土层；土层厚度不足100 cm，按实际厚度分层取样，超过100 cm按100 cm分层取样。

2样品测定分析

外业调查所采样品，应尽快送实验室进行烘干测定。在条件不能满足在短期测定的情况下，可将外业采集的样品杀青，或打开袋口，放在通风处，使其自然风干，防止发霉或腐烂。保证所有样品编号不丢失。要在10 d内完成样品的烘干和室内测定工作。

选取一部分参与碳汇专项调查灌木型植物测定其含碳率，选取不同灌木植物的器官(干、枝、叶)作为全国植物含碳率测定样品。确定为含碳率测定的样品，需擦净或洗净，并尽快在通风干燥处风干或用恒温烘箱烘干，要用适宜的温度烘干。测定土壤含水率和容重的土壤样品，带回室内后应尽快完成对其测定。用于测定土壤有机质的样品，尽快送到实验室，选择通风的地方摊开，进行自然风干，避免日光直晒和其他污染。土壤风干后，进行土壤样品处理和有机质测定。

2.1干鲜比测定

外业调查所采样品，需要进行干鲜比测定，对所有外业调查带回的样品，分灌木、枯落物单独存放，分别将样品袋上的记录统一转抄到内业干鲜比测定表中。烘样品时，最好统一用铝盒或其他器皿，保证操作安全和称质量方便。分别称量样品鲜质量、烘干质量，填入记录表中，计算各样品干鲜比。

2.2测定植物样品碳含率

选择具有代表性的灌木干、枝、叶和根、草本植物的地上与地下、枯落物等样品若干份，国家统一集中进行全国灌木类、草本类、枯落物碳含率测定。样品的适宜采集量，一般要求经粉碎后至少剩有20～50 g干质量样品。如果是新鲜样品，以含80%～90%的水分来计算，则样品要比干样多5～10倍。

分别对采集的灌木干、枝、叶和根的样品，草本植物地上、地下部分样品以及枯落物样品，单独进行加工制备。考虑到分析样品时的实际用量较少，为保证取样全面以及混合均匀，采用3次粉碎法制样，即初次粉碎时取样量较大，在初粉碎的基础上按四分法取其中的1/4进行第2次粉碎，然后同前方法进行第3次粉碎，经粉碎的样品过200目筛后装瓶(或自封袋)备用。所有粉碎后的样品在分析前，再次放入70～80 ℃的恒温箱中烘24 h。

2.3土壤容重

采用烘干称质量法。在实验室内，将野外调查取回的土壤样品在烘箱内烘至恒质量，称其质量。

2.4土壤有机质

经过风干、研磨等预处理制备土壤分析样品，在此基础上采用重铬酸钾氧化-外加热法或总有机碳(TOC)分析仪法在实验室测定土壤样品的有机质含量。

3生物量计算和建立模型

3.1乔木层样地生物量

基于各样地每木调查结果，计算样地蓄积量，同时选择合适的异速生长方程，计算样地乔木层生物量。

样地乔木层干质量(kg)换算成以吨(t)为单位的每公顷乔木层生物量。

3.2灌木层生物量

根据调查样方灌木株数/丛数、样品鲜质量、标准灌木鲜质量数据，按下式计算各乔木样地的灌木总干质量：

Mshrub=mshrubN/1 000

式中：

mshrub：平均标准灌木单株(丛)生物量，(g)

Pshrub：灌木干湿比

Mstandard_wet：每株平均标准灌木鲜(湿)质量，(g)

nstandard：标准灌木株数(丛数)

Mshrub：样方灌木生物量(干质量，kg)

N：样方灌木总株数

3.3草本层生物量

根据草本层样方调查的样品鲜质量、样品干质量，按下式计算各乔木样地的草本层生物量。

样方草本层干质量(生物量)=样方草本层总鲜质量×干鲜比

根据计算得到的样方草本层总干质量(生物量)(kg)，换算成以t为单位后再按下式求出单位面积生物量。

式中：

Mgrass：单位面积草本生物量，t hm-2

mgrass-sample：草本样方重量，kg

Ssample：草本层样方面积，m2

3.4枯落物生物量

根据调查样方总鲜质量、样品鲜质量、样品干质量数据，按下式计算各样方灌木、枯落物总干质量。

样方总干质量=干鲜比×样方总鲜质量

样方枯落物总干质量(kg)，换算成以t为单位后再按下式求出单位面积生物量：

式中：

Mlitter：单位面积枯落物生物量，t hm-2

mlitter-sample：枯落物样方重量，kg

Ssample：枯落物样方面积，m2

3.5枯死木生物量

基于样地每木调查数据，分别按枯立木和枯倒木计算生物量。累加样地中所有枯立木和枯倒木生物量，得到样地枯死木生物量。

∑Mdead-wood=∑M立+EM倒

样地枯死木生物量(单位为kg)按以下公式换算为枯死木生物量：

其中，

Mdead-wood：枯死木单位面积干物质量(死生物量)，t hm-2

Mdead-wood：样地枯死总生物量，kg

Ssample：样地面积，m2

3.6土壤有机碳

基于样地各土层土壤容重、厚度、有机质含量调查数据，分别按下式计算土壤剖面有机碳密度。

土壤有机碳含量(10-3g cm-2)的公式为：

式中：

C—土壤样品有机质含量(g kg-1)，D—土壤容重(g cm-3)，E—土壤厚度(cm)，G—直径≥2 mm 的石砾所占体积百分比(%)。

土壤有机碳密度(t C hm-2)需要从土壤有机碳含量换算得到(单位换算)：

土壤有机碳密度=土壤有机碳含量/10

3.7建立模型

(1)根据调查样地乔木树种的胸径和树高，选用合适的异速生长方程，计算出乔木层地上生物量和地下生物量，并得出样地单位面积地上生物量和地下生物量。对同一区域相同森林类型计算其地下生物量与地上生物量之比，得出此森林类型的平均地下生物量与地上生物量之比(根/茎比)。

通过一定样地数量计算所得结果，需要进行方差、精度以及估计区间等方面的分析。

(2)根据外业调查数据、内业测定的干鲜比(含水率)，计算出各样方灌木(含地上和地下)、草本层和枯落物生物量，进一步计算出不同森林类型的单位面积生物量。分别建立所有乔木样地乔木层生物量(或蓄积量)与对应灌木层、草本层、枯落物层生物量的关系〔M=f(xi)〕。同时分别计算出各森林类型的灌木层、草本层、枯落物层单位面积生物量平均估计值，并分析平均值的估算方差、精度与估计区间。

(3)灌木层、草本层、枯落物生物量与乔木层回归关系模型

第一，灌木层、草本层、枯落物生物量关系方程采用以下通式表示

M灌木层=f(M乔)

M草本层=f(M乔)

M枯=f(M乔)

式中，M灌木层为每公顷灌木层生物量；M草本层为每公顷草本层生物量；M枯为每公顷枯落物层生物量；M乔为每公顷乔木层生物量。

第二，利用有关统计软件(SPSS、SAS软件)，建立灌木层、枯落物生物量与乔木层地上生物量(蓄积量)关系方程。依据散点图分布特点，选用线性方程、对数方程、多项式(二次或多次)、幂函数和指数方程等函数(见下表)，分别建立灌木层、枯落物生物量与乔木层生物量的关系方程。

表1　拟合函数类型

第三，方程检验。建立各层碳库生物量与乔木层生物量回归关系方程。依据方程的显著性以及R2(相关系数)，并进行T检验和F检验来评价方程的优劣，选出拟合方程结果达到显著程度(P<0.05)、标准误较小的数学模型作为最佳模型，并用作估算相应部分的生物量。利用建模样本的实测生物量和方程估计生物量计算总相对误差、平均系统误差、相对误差绝对值平均数和预估精度等统计指标，同时观察残差分布是否随机，以评价模拟函数方程是否符合精度要求。

(4)土壤碳储量参数计算。将同一气候类型的地面调查样地按样地分类要求划分。分别计算各土壤类型分层有机密度，并求算同一类型的土壤碳密度其组中值作为该森林土壤类型的有机碳密度参数，计算结果要给出标准差、最小值、最大值和样本数。

4小结

为了确保碳汇专项调查所取得成果精确可靠，首先需要考虑到在整个调查取样以及模型参数建立过程的质量保证和控制，做到抽样的准确性、样品取样与测定的精确性和模型参数建立的可靠性与高相关性；第二，为了建立相应类型生物量参数和模型，需要每种抽样调查样地能够代表该森林类型特征，同时还需要有一定样地数量保证，所以抽样与样点数的确定同样对调查结果的估算与关系建立起着重要的影响，做好此两方面，会增加调查成果的准确性；第三，选择科学合理的模型，拟合最佳模型。虽然进行模型建立和参数拟合的方程有多种，但必须分别类型和数据，进行科学分析，建立相关性高，模拟成果精确度高的模型和参数，以期望满足今后计算各碳库的需要。

文章编号：1005-5215(2016)07-0062-03

收稿日期：2016-05-06

作者简介：徐乐(1987-)，女，黑龙江哈尔滨人，在职研究生，助理工程师，现从事林业管理工作.

中图分类号：S718.55；X24

文献标识码：A

doi:10.13601/j.issn.1005-5215.2016.07.021