库布齐沙漠灌木碳汇的计量方法研究<br/>——以柠条和沙柳为例

库布齐沙漠灌木碳汇的计量方法研究
——以柠条和沙柳为例

2016-10-22魏兴，赵吉,2,3，清华，曾静

赤峰学院学报·自然科学版 2016年18期

关键词：沙柳柠条灌木

魏　兴，赵　吉,2,3，清　华，曾　静

（1.内蒙古大学　环境与资源学院，内蒙古　呼和浩特　010021；2.内蒙古自治区环境污染控制与废物资源化重点实验室，内蒙古　呼和浩特010021；3.中美生态、能源及可持续性科学研究中心，内蒙古　呼和浩特　010021）

库布齐沙漠灌木碳汇的计量方法研究
——以柠条和沙柳为例

魏兴1，赵吉1,2,3，清华1，曾静1

（1.内蒙古大学环境与资源学院，内蒙古呼和浩特010021；2.内蒙古自治区环境污染控制与废物资源化重点实验室，内蒙古呼和浩特010021；3.中美生态、能源及可持续性科学研究中心，内蒙古呼和浩特010021）

灌木林碳汇项目前景正好、潜力巨大，在荒漠区开展碳汇造林项目有望获得可交易的中国核证减排量，而且能够带来诸多的环境效益.目前已备案的方法学中关于灌木的碳计量方法是基于乔木的基础上利用盖度来测算的，其适用性较差.为此，以在库布齐沙漠营造柠条（Caragana）和沙柳（Salixpsammophila）灌木林为例，以碳汇为切入点，在估算灌木地下生物量和群落生物量方法上，本研究提供一种适用于荒漠区的灌木造林的碳计量方法，为灌木林碳汇方法学的开发及其碳汇项目的开展提供借鉴.

荒漠；灌木；碳计量方法；碳交易

2015年12月，全球195个缔约方国家参加巴黎气候大会，并且通过了具有历史意义的全球气候变化新协议《巴黎协定》，这说明了以温室效应为主的气候变化的问题已经越来越受到社会各界的广泛关注并且成为亟待解决的问题.

作为能够通过光合作用有效固定和吸收二氧化碳、缓解温室效应的主力，林业碳汇逐渐被人们所认可.通俗地说，林业碳汇就是遵循各国应对气候变化国家战略和可持续发展原则，以增加森林碳汇功能、减缓全球气候变暖为目标，综合运用市场、法律和行政手段，促进森林培育、森林保护和可持续经营的林业活动，提高森林生态系统整体固碳能力.同时，鼓励企业、公民积极参与造林增汇活动，展示社会责任，提高公民应对气候变化和保护气候意识.充分发挥林业在应对气候变化中的功能和作用，可促进经济、社会和环境的可持续发展.预计到2017年，我国将全面启动全国碳排放权交易市场，毫无疑问，中国将成为全球最大的碳市场，这将为林业碳汇带来了许多政策的支持以及无限的商机和巨大的潜力.

灌木是陆地生态系统物种的重要组成之一.根据最新的第八次全国森林资源清查结果，我国灌木林面积5590万hm2，占林地面积的18%［1］.同时，荒漠化土地作为陆地的主要组成部分，约占其总面积的20%［2］，以戈壁、沙漠化和风沙化为主的土地主要分布在北纬37°-42°之间的区域.沙化的蔓延直接影响农业生产，更严重影响着当地人民生活水平，每年由于沙漠化强度的不断发展，造成的经济损失也是难以估量的.因此，沙漠化是一个破击需要引起重视并急需解决的生态环境问题.在我国生态环境脆弱的干旱半干旱地区，保护和发展灌木林资源，对改善生态环境、促进经济发展具有重要意义［3］.荒漠生态系统潜在的巨大生产力不仅能反映荒漠生态系统基本特征的重要指标，也是评价荒漠生态系统生产潜力以及进行荒漠生态系统经营管理必需的基础数据.

近日，“库布其沙漠造林项目”成功通过权威第三方机构的项目审核，顺利获得国家发改委的备案项目书.在其项目设计文件（PDD）中提到的不同的造林小班大多数均采用了柠条和沙柳作为必要的树种.因此，本研究认为可以选择使用以柠条和沙柳为代表的灌木营造碳汇林.

柠条为豆科（Leguminosae）锦鸡儿属，灌木，也称毛条、白柠条，根系极为发达，主根入土深，耐旱、耐寒、耐高温［4］.是干旱草原、荒漠草原地带的旱生灌丛，也是我国西北、华北和东北西部地区水土保持和防风固沙的重要造林树种之一.

沙柳是典型固沙灌木树种，耐旱、喜沙埋、繁殖容易、萌蘖力强，是极少数可以生长在高度沙化环境下的一种植物.沙柳广泛分布在我国内蒙古、陕西、甘肃等地，是北方优良的防风固沙的树种［5］，也是沙产业发展的经济作物.

如果土地使用者或林业主想要将在无林地或者已种植的林地开发林业碳汇项目，除了满足必要的时间、土地使用情况等条件之外，同时必须有适用于该项目的方法学供其使用.目前，在发改委已经成功备案的方法学只包括乔木和草地管理等类型，关于在乔木林中间隔种植灌木的碳计量方法是基于乔木的基础上利用盖度（灌/乔）来测算的［6］，对于荒漠区来说，其适用性是较差的.综上，本研究以库布其沙漠的柠条和沙柳样地为研究区域通过野外现场获得易测因子和生物量数据，旨在沙漠地区开展灌木混交造林项目提供参考.

1　灌木生物量研究现状

对于灌木的生物量早在上个世纪八十年代已有研究.由于其特殊的丛生状的形态和群落分布，国内外的学者对灌木生物量的研究没有一个统一的标准，采用的方法五花八门，计量的精度也各有不同［7］.使用较为广泛的方法包含：标准株法、样方法、相关曲线法以及数量法.标准株法对于人工林有较好的适用性，但是也受到了不少的质疑，不少的学者认为植株的某个易测因子是无法代表平均木的［8］.样方法的主要操作是在既定的样方中用Monsi方法进行逐层分割，对地下部分的测定采用“全收获法”.使用此方法能够获得较为客观的生物量数据，但是在时间和人力上的费耗使得该方法没有得到推广［9］.相对生长法与标准株法类似，但由于被国际的广泛认可而成为目前在生态系统和生物量测定领域中应用最多的一种.数量法则是对灌木的各个易测因子进行了量化处理，定量的分析某个或某些个因子对生物量的贡献率，进而根据这个指标寻找二者之间的关系［10］.

然而，上述的方法大多是在某一个特定的区域内或者外界环境下进行的生物量的估算，如若将这些模型直接拿来在立地因子相差较大的库布齐沙漠使用，其适用性相对较差.此外，这些模型在建立之初并没有涉及碳汇方面的考虑.因此，本研究以库布齐沙漠的灌木碳汇为切入点，以估算群落生物量为目标，提出一种因地制宜的方法.

2　数据获得与研究方法

所用的数据均为柠条和沙柳的单株生物量以全收获法实测所得.样本采自库布其沙漠腹地，当地的土壤类型、小气候与沙漠大部分地带相同，可以较好地代表当地的植被生长状况.为了模型便于应用，采用测定株冠面积（AC）和枝条数（N）作为易测因子.通过走访、调查灌木林龄和生长期的情况，得知采样区没有进行过平茬等人工复壮活动.现以营造林地的时间先后为变量，采用分层抽样的方法确定n=30的样本.然后采用简单随机抽样（抽签法）分别对小、中、大的柠条和沙柳各采10株.然后对每个样本进行株冠面积和枝条数的测量，刈割全部的地上部分，测定其鲜重质量，并分别对枝条和叶按照其全部质量的10%进行取样.挖取所有的地下部分直到毛细根（直径不足2mm），也按照根全部质量的10%进行取样.将全部样品带回实验室，在65℃条件下烘干至恒重，通过样品的干鲜比分别来推算样株的地上和地下生物量.

3　结果与分析

3.1柠条和沙柳的生物量方程

表1　柠条实测数据统计指标

表2　沙柳实测数据统计指标

现有的对灌木生物量的研究方法层出不穷.相比样方法和相对生长法，量化处理然后建模的方法效果更佳，精度也更高.为了增强模型的实用性，自变量均采用植株的易测因子.在SPSS 19.0软件中用测得的数据做散点图，如图1和图2所示.可以看出不论是对于柠条还是沙柳来说，自变量（株冠面积、枝条数）和因变量（地上、地下生物量）存在较为明显的线性关系，这与米志英的研究结果基本一致［11］.

图1　单株柠条和沙柳地上生物量与易测因子的关系

图2　单株柠条和沙柳地下生物量与易测因子的关系

通过线性回归分析，得出以下模型：

柠条的地上、地下生物量模型：

沙柳的地上、地下生物量模型：

式中：

ABi,t=第t年时，柠条、沙柳的地上生物量；kg

UBi,t=第t年时，柠条、沙柳的地下生物量；kg

AC=第t年时，单株柠条、沙柳的株冠面积；

N=单株柠条、沙柳的枝条数；无量纲

生物量模型的评价指标有很多种，本研究采用最基本的确定系数（R2）和标准估计的误差（SEE）来综合评估生物量模型.从上述各模型的指标值来看，这两个模型的精度较高，可以用于柠条和沙柳的生物量估算.

3.2群落生物量的估算

有些可以开展碳汇造林的项目的处于重度退化的荒漠区、盐碱地以及流动沙丘.这些土地是不适合种植乔木的，也就是说在国家发改委备案的《碳汇造林项目方法学》（编号AR-CM-001-V01）并不适用于这种情形.为此，本研究尝试提供一种基于单株灌木的生物量模型结合造林密度来估算群落生物量的估算方法，从而得到对应项目的碳汇量.

在开展造林项目时，能够影响到整个森林系统的生产力的外界环境主要包括地形、土壤质量、水文、其他生物以及人为活动.而在上述条件相对一致的情形下，生物学因素对灌木生物量的影响大体表现在造林密度上.对于这个结论的解释最为著名的定律就是最后产量恒值法.Kira等人［12］的研究表明，当外界环境条件相对一致时，最终的林分生产量与种群的密度之间没有必然的关系.群落的数量的增多是建立在单个植株重量减少的基础上的，单株灌木的平均质量w与营林密度d的乘积是一个常数K，即K=w·d.也就是说，根据立地条件得到的K值，能够确定营林密度d和平均质量w的反比关系.

本研究所建立的生物量模型（1）-（4）是以在与库布齐沙漠外界环境相对一致的实验区获得的样本数据为依据的.如此，只要结合当地多年来的造林经验以及合理的初植密度，便能通过这些模型科学、有效的估算出某造林模式能够产生的项目碳汇量.

造林项目开始之前，需要确定的是造林模式，包括株行距、初植密度等，这些对林木的成活率有着特别明显且重要的影响.柠条为阳性喜光树种，稀一点可以获得充足的光照，这样可较快地成林郁闭.

在获得较好拟合度的生物量模型的基础上，采用基于造林密度的方法来计量和监测项目的碳储量变化量：

式中：

Ci,t=第t年时，同一批次种植的灌木的碳储量；kg

ABi,t=第t年时，柠条、沙柳的地上生物量；kg

UBi,t=第t年时，柠条、沙柳的地下生物量；kg

CF=灌木的含碳率；

P=造林密度；N/hm

3.3根冠比

灌木的根量随着生长周期不断地增多，并且其干重逐渐超过地上部分.因此其根冠比R（root stem ratio）并不是固定的.以柠条为例，通过实测得知，在生长初期，时，R约是0.64.当时，R达到1左右，而4-5a的时候，时，R约是1.15.此外，模型中表示地下生物量的线条在都为零都比地上部分的小，但其斜率显然大于地上部分的线条，这也能很好地说明这一点.查阅资料可知，乔木造林方法学中提供的灌木根冠比的默认值是0.4.为了在每一次项目监测时能更加准确地计量碳储量的变化，对于地下生物量的估算，建议采用相应的模型（公式（2）、（4））.

3.4潜在效益分析

温室效应对人类生存的威胁已经不言而喻.而且近年来，沙尘暴和各种极端天气的频繁发生，人们越来越意识到节能减排和大面积造林的重要性.从经济效益的角度来说，在广袤的荒漠区开展灌木碳汇造林项目，不仅能够通过销售经济作物来带领当地的农民致富，从而有效地改善居民生活环境和质量，而且项目业主也能够通过出售项目获得的并且签发的核证减排量来获益.更重要的是，在生态文明建设的呼声和行动力日益高涨的形势下，通过植树造林增加森林面积和蓄积量，是社会发展的必然趋势，是助力营造青山绿水的中国梦的必然选择.

3.5不确定性分析

在采样以及建模的过程中，由于主观上的误判或客观的实际情况，难免会引起实验误差.而且对于柠条和沙柳来说,因调查的季节和其生长习性和周期不吻合，以及受落叶期或经营管理措施影响,统计指标肯定会出现偏差.

4　结论与讨论

4.1讨论

虽然IPCC提供了部分参数的默认值，但同时也建议使用更适合当地的实验值.通过比较，本研究发现与默认值相比，部分参数差异较为明显.鉴于灌木都有较强的分蘖能力，需要经常对其进行平茬，这会直接导致灌木林生物量的变化.所以在应用生物量模型时一定要注意平茬期.本研究所得模型只适用于未平茬的灌木林.此外，立地条件（坡向、覆沙程度、沙地类型、坡位等）均会对柠条和沙柳的生长产生较大的影响，本研究只对两种灌木的碳计量模型做了初步地探究，尚且需要收集到更多的数据做进一步研究.

4.2结论

本文以两种常见的灌木沙柳和柠条为例，通过实测获得的数据，得出以下几个主要结论：

（1）为满足在库布齐沙漠开展以灌木为主的造林项目的碳计量方法学的需求，本研究以株冠面积（AC）和枝条数（N）两个易测因子作为自变量，以单株灌木的地上生物量和地下生物量分别作为因变量建立了生物量模型：

柠条的地上、地下生物量模型：