川中丘陵区人工柏木林生物量模型及碳计量参数

陈俊华 ,刘威君,2 ,蒋川东 ,刘一丁 ,王凯 ,谢川 ,唐艺家,慕长龙*

1.四川省林业科学研究院/森林与湿地生态恢复与保育四川重点实验室,四川 成都 610081；

2.绵阳师范学院资源环境工程学院,四川 绵阳 621006；

3.国家石油天然气管网集团有限公司建设项目管理分公司，四川 成都 610051

柏木(Cupressus funebris)是我国特有的造林树种之一，具有适应性强、用途广等优势，是长江以南湿暖地区石灰岩山地的主要造林树种[1-2]。川中丘陵区的人工柏木林主要是20 世纪80—90 后代为改善生态环境和解决农民薪材问题营造的人工柏木纯林以及由人工桤柏混交林退化而来的柏木纯林[2-4]。精确计量森林碳汇是当前碳汇研究的重要议题之一[5],其中，根据生物量来计算碳储量又是目前森林碳汇计量最为常用同时也是IPCC（政府间气候变化专门委员会）重点推荐的计量方法。针对川中丘陵区人工柏木林的生物量模型，20 世纪80 年代末就有专家研究过，不过当时为幼龄林（30 年）且样本数仅为16 株[6]。对柏木含碳率的研究，也有专家进行过研究[7-9]，但系统研究川中丘陵人工柏木林的生物量及碳计量模型却未见报道。以川中丘陵区面积占绝对优势的人工柏木中龄林作为对象，通过野外调查取样，分析柏木各器官的含碳系数，建立柏木单株及各器官的生物量模型，为精确评估区域森林的碳储量和碳汇计量、预测提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样地调查、样品采集与处理

2021～2022 年，收集盆地丘陵区与国土三调融合后的林地“一张图”矢量数据，在四川省的金堂县、盐亭县选取人工柏木纯林典型林分（根据林地“一张图”小班数据，均为中龄林），设立20 m×20 m 临时样地16 块。对样地内的5 cm 以上的树木进行每木检尺，测量胸径、树高、冠幅等因子，根据林木平均胸径每块样地选择1～3 株平均木，1 株最大径阶平均木，1 株最小径阶平均作为样木共计采集56 株样木（表1）。其中金堂县32 株，盐亭县24 株。将样木全株伐倒，树干按Monsic 分层切割法，每2 m 为一段区分断开。样木的树枝、树叶（调查样木果实占比很小，合并到叶）、树干、树根、树皮均完全收集称鲜重。每段树干称带皮和去皮鲜重并取样，树皮和树叶收集混合均匀后选取一定量的样品称重，树枝按上、中、下三层分别选取一定的样枝称鲜重并取样。地下根系分0～20 cm，＞20 cm 以下两层进行挖掘，将所有根尽量全部挖出，称鲜重并取样。将所有样品带回实验室，在烘箱内80 ℃下烘干至恒重后称重，测定样品的含水率，计算样品和全株各器官的干物质重。

表1 样木情况表Tab.1 General information of sample woods

1.2 数据分析与处理

利用WPS 录入、统计原始数据；用SPSS 20.0 进行单因素方差分析和多重比较（LSD，显著水平P＜0.05），分析柏木各器官含碳率间显著性关系。生物量分别用一元(DBH)、二元((DBH)2H)建模选择SPSS20.0，绘图使用OriginPro 2022[10]。

2 结果与分析

2.1 柏木单株生物量分配格局

柏木单株各器官生物量分配特征和比例见表2及图1。从表2 可以看出，单株柏木的干、枝、叶、皮、根的平均生物量分别为53.61 kg、18.23 kg、9.72 kg、7.30 kg、26.40 kg，且幅度较大。其中，变异系数最大的是枝，其次是根。单株总生物量幅度为12.48～333.25 kg，地上部分生物量幅度为8.61～245.79 kg。柏木各器官生物量按大小排列为干（46.49%）＞根（22.90%）＞枝（15.81%）＞叶（8.47%）＞皮（6.33%），即干所占比重最大，皮最小。地上部分生物量占总生物量的比为77.10%，地下部分占22.90%(图1)。

图1 柏木各器官生物量分配比Fig.1 Biomass allocation ratio of various organs for Cupressus funebris

表2 柏木各器官生物量分配特征Tab.2 Biomass allocation characteristics of various organs for Cupressus funebris

2.2 柏木各器官含碳系数

金堂县柏木单株不同器官的含碳系数见表3。单株平均含碳系数为0.4935±0.0197。各器官含碳系数按高低排列为枝＞干＞叶＞根＞皮。方差分析和多重比较表明(见表4)，干的含碳系数与根、皮之间差异显著(P＜0.05)，根的含碳系数与干、枝之间差异显著(P＜0.05)，皮的含系数与其他器官之间均差异显著(P＜0.05)，枝的含碳系数与根、皮之间差异显著(P＜0.05)，叶的含碳系数仅与皮之间差异显著(P＜0.05)。

表3 金堂县柏木单株各器官含碳系数Tab.3 Carbon content coefficient of each organ for Cupressus funebris in Jintang County

表4 金堂县柏木不同器官含碳系数方差分析与多重比较（LSD）Tab.4 Variance analysis and multiple comparisons (LSD) of carbon content coefficient in different organs in Jintang County

盐亭县柏木单株不同器官的含碳系数见表5。单株平均含碳系数为0.4801±0.0159。各器官含碳系数按高低排列为枝＞干＞叶＞皮＞根。方差分析和多重比较表明(见表6)，干的含碳系数与根、枝之间差异显著(P＜0.05)，根的含碳系数与干、枝之间差异显著(P＜0.05)，皮的含系数仅与枝之间均差异显著(P＜0.05)，枝的含碳系数与所有器官之间均差异显著(P＜0.05)，叶的含碳系数仅与枝之间差异显著(P＜0.05)。

表5 盐亭县柏木单株各器官含碳系数Tab.5 Carbon content coefficient of each organ in Yanting County

表6 盐亭县柏木不同器官含碳系数方差分析与多重比较（LSD）Tab.6 Variance analysis and multiple comparisons (LSD) of carbon content coefficient in different organs in Yanting County

柏木单株总的不同器官的含碳系数略有差异（见表7）。总的平均含碳系数为0.4903±0.0197。含碳系数最大的器官是枝（0.5049±0.0247），最小的是根（0.4794±0.0156）。各器官含碳系数按大小排列为枝＞干＞叶＞皮＞根。方差分析和多重比较表明（见表8），干的含碳系数与根、皮之间差异显著(P＜0.05)，与枝、叶之间差异不显著（P＞0.05）；根的含碳系数仅与皮之间差异不显著（P＞0.05）；皮的含碳系数仅与根之间差异不显著（P＞0.05）；枝和叶的含碳系数仅与干之间差异不显著（P＞0.05），与其他器官之间差异显著(P＜0.05)。

表7 各器官含碳系数Tab.7 Carbon content coefficient of each organ

表8 不同器官含碳系数方差分析与多重比较（LSD）Tab.8 Variance analysis and multiple comparisons (LSD) of carbon content coefficient in different organs

两个地方柏木单株不同器官含碳系数方差分析与多重比较结果见表9。可以看出，相同器官比较，仅两个地方的根和叶之间差异显著(P＜0.05)。金堂县柏木单株干含碳系数与盐亭的根、皮、叶之间差异显著(P＜0.05)；金堂县柏木单株干含碳系数仅与盐亭的根之间差异显著(P＜0.05)，与其余器官之间差异不显著（P＞0.05）；金堂县柏木单株皮的含碳系数与盐亭县的根、枝之间差异显著(P＜0.05)；金堂县柏木单株枝的含碳系数除与盐亭县的枝之间差异不显著外（P＞0.05），与其他器官之间均差异显著(P＜0.05)；金堂县柏木单株叶的含碳系数与盐亭县的根、皮、叶之间差异显著(P＜0.05)。

表9 不同地方柏木单株器官含碳系数方差分析与多重比较(LSD)Tab.9 Variance analysis and multiple comparisons (LSD) of carbon content coefficient in individual organ in different regions

2.3 生物量拟合模型

用胸径（DBH）和柏木各器官干物质重（W）分别进行对数、二次多项式、三次多项式、幂函数、指数函数5 种模型的一元拟合，其结果见图2。可以看出，各器官以及整株拟合效果最好的均为指数模型和幂函数，R2均在0.815 以上。说明指数模型和幂函数较适合柏木不同器官生物量模型。其中拟合效果最好的是整株生物量，R2达到了0.939，其次是地上部分（R2=0.919）；拟合效果较差的是皮和叶，R2分别为0.815、0.823。柏木各器官一元生物量选定模型见表10。

图2 生物量一元模型拟合图Fig.2 Fitting diagram of unitary biomass model

表10 不同器官一元生物量最优模型Tab.10 Optimal unitary biomass model for different organs

用(DBH)²H 作为自变量，柏木各器官干物质重(W)作为因变量，分别进行对数、二次多项式、三次多项式、幂函数、S 型曲线（S-Curve）、指数函数6 种模型的二元拟合，其结果见图3。可以看出，柏木干、地上部分和整株的拟合效果较好（R²＞0.932），除皮的拟合类型是二次多项式外，其余拟合效果最好的均为指数模型和幂函数，R²均在0.80 以上。说明指数模型和幂函数较适合柏木不同器官生物量模型。其中拟合效果最好的分别是单株总生物量、地上部分和干，R2分别为0.939、0.934、0.932；拟合效果较差的是叶和枝，R2分别为0.806、0.815。柏木各器官二元生物量选定模型见表11。

2.4 模型验证

通过对最优方程和系数进行检验，结果见表12。F 值均远超过 F 临界值，概率值（sig）值均为 0.00，估计值的标准误差(SEE)绝大多数小于0.5，模型整体上看合理科学，方程拟合效果较好。回归方程的参数 a、b、c 的 t 值均远大于 t 分布的临界值，证明参数在统计学上具有显著性，说明幂指数模型很稳定[11]。

表12 最优模型及参数的显著性检验表Tab.12 Significance test table of the optimal model and parameters

3 结论及讨论

柏木单株总平均含碳率为0.4903±0.0197，加权平均值为0.4922。各器官的含碳率按大小排列枝＞干＞叶＞皮＞根。即根的含碳率最小，这与王鹏程等[12]对三峡库区森林优势树种各器官含碳率的研究结果是一致的，夏楠[9]、唐宵等[10]的研究结论为根的含碳系数是所有器官中最大的，与本研究结论相反，且本研究结果的数值明显小于夏楠[9]、唐宵等[10]的。本研究中，枝的含碳系数最大，相关研究未发现类似规律。相关研究[13-15]指出，乔木、灌木器官含碳率表现出叶＞根的趋势，是因为叶片中的叶绿体含量充足，光合作用旺盛，转化成有机物含量多，碳含量较高，而根以水分和无机盐的物质交换为主，含碳率较低。从而，可以认为结构和功能是影响植株生长发育和元素分配的基础内因。国内外大量研究表明，不同树种的含碳系数相对而言变化较小。因此，很多学者取平均含碳系数0.5 或0.45，一般推荐缺省值为0.5[16-17]。本研究表明，各器官的含碳系数范围为0.44～0.57。金堂县和盐亭县柏木全株含碳系数分别为0.4935±0.0197、0.4801±0.0159。且金堂县柏木单株各器官的含碳系数均高于盐亭县的，高1.52%～4.12%。

林分生物量能反映森林与环境在物质循环和能量流动上的复杂关系，是森林生态系统中最基本的数量特征[18],而生物量模型估计方法是森林生物量数据最流行的方法。本研究表明，无论是一元还是二元，柏木各器官以及整株拟合效果最好的均为指数模型和幂函数，R2范围为0.815～0.939。且全株、地上部分、干拟合效果明显优于皮、枝、叶，这与有关专家研究结果一致[18-20]。从模型的检验来看，F值均远超过F临界值，概率值(sig)值均为 0.00，估计值的标准误差(SEE)绝大多数小于0.5，说明模型拟合结果合理科学，效果较好。

关于碳计量参数的生物量估算，IPCC 指南[21]和LY/T 2 253—2014[22]都给出了一些树种的缺省值。表13 是本研究对柏木的各碳计量参数实测值跟IPCC 缺省值的对比值[23]。

表13 碳计量参数实测值与 IPCC 指南给定缺省值比较Tab.13 Comparison between the measured values of carbon measurement parameters and the default values given in the IPCC guidelines

由表13 可知，本研究的实测值除了BEF（生物量扩展因子）比IPCC 提供的缺省值小以外，BCEF（生物量转化与扩展因子）、R（根茎比）、WD（木材基本密度）均大于IPCC 提供的缺省值。因此，可采用表中的实测值进行川中丘陵区的人工柏木林生物量碳计量估算。