广东木荷各器官含碳率及碳储量研究

徐期瑚，林丽平，薛春泉，邓冬旺，钟海智，雷渊才

（1.广东省林业调查规划院，广东 广州 510520； 2.中国林业科学研究院资源信息研究所，北京 100091）

大气中CO2浓度增加，导致全球气候变暖，已成为当今世界重点关注的环境问题[1-2]。森林生态系统是陆地生态系统的主体，贮存了陆地生态系统 2/3 以上的有机碳，是陆地生态系统最大的碳库[3-4]，在全球碳循环和缓解大气CO2浓度升高及减缓全球气候变暖等方面具有不可替代的作用[5]，因此，精确估算森林生态系统碳储量对深入了解全球碳循环及评估全球碳收支平衡具有重要的意义。近十年来，基于国家或区域尺度，众多学者对森林生态系统碳储量、碳密度和碳汇功能进行大量的研究[6-9]。目前，估算森林生态系统碳储量主要基于森林生态系统的生物量乘以其各组分含碳率，因此森林植被组成树种的含碳率成为估算森林植被碳储量的关键参数之一。不同植被种类以及同一森林植被类型分布区域不同，植被含碳率都存在一定的差异，在过去的几十年里，国内外研究者大多采用0.50 或0.45作为所有森林类型的平均含碳率[7-8]，使得森林生态系统碳储量及碳汇能力的估算存在较大的不确定性[9]，为了精确估算各区域森林植被碳储量，对同一区域内各种植被或同一植被不同器官的含碳率进行分析是非常有必要的。

木荷Schima superbaGardn. et Champ.属山茶科木荷属常绿大乔木，是亚热带常绿阔叶林的主要树种，为广东典型地带性树种，是广东森林植被的建群种，主要集中分布于粤北的韶关、清远、梅州、河源、惠州、肇庆，珠三角地区以及粤东的潮州，揭阳等地区，粤西地区分布较少，雷州半岛分布很少。木荷既是优良的绿化、用材树种，也是重要的生物防火树种，同时木荷也是“新一轮绿化广东大行动”开展碳汇造林工程的主要树种之一。2012年以来，广东营造了大量的木荷人工林，目前针对木荷生物量模型及其含碳率参数已开展了一些相关研究，但全国尺度的木荷生物量模型及含碳率参数，用于计算广东区域范围的森林碳储量及其碳汇量，将可能会产生较大误差。为此，本文以广东90株不同径级木荷为研究对象，实测树干、树皮、树叶、树枝、树根各器官的含碳率，估算不同径阶木荷单株碳储量，建立适合广东木荷碳储量的模型，为广东省森林植被碳储量动态的估算提供基础数据，为精准计量广东森林碳汇工程的碳汇量提供基本参数。

1 研究区概况

广东省地处中国大陆最南部，地理坐标为109°45′～ 117°20′E，20°09′～ 25°31′N， 面 积17.97万hm2，其中林地10.87万hm2。北依南岭，南濒南海，地势北高南低，形成北部山地、中部丘陵、南部平原台地为主的地貌格局，地带性土壤是红壤、赤红壤和砖红壤等。广东省属于东亚季风区，热量丰富，夏长冬暖，降雨充沛，夏秋多台风。年平均气温22.3℃，年平均降水量1 300-2 500 mm。广东省地带性森林植被的主要类型为中亚热带常绿阔叶林、南亚热带常绿阔叶林和少量热带季雨林。

2 样品采集和测定

2.1 试验材料

本研究依据《立木生物量建模样本采集技术规程》（LY/T 2259—2014）[10]的方法进行试验材料取样，以2012年广东森林资源连续清查样地中木荷分布情况为基础，样木采集时间为2013年及2016年，样木采集总株数为90株。样木取样按 2 cm、4 cm、6 cm、8 cm、12 cm、16 cm、20 cm、26 cm、32 cm、38 cm共10个径阶分配，样木伐倒时实测胸径、地径、冠幅、树高和活冠长度，分干材、树皮、树枝、树叶称取鲜质量，干材、树皮分成上（＞1/2树高）、中（1/5～1/2树高）、下（0～1/5树高）3个部分，树枝、树叶分上、中、下3层。各径阶分配选择40株样木挖取全部树根，按根茎（主根）、粗根（≥10 mm）、细根（＜10 mm）分别称取鲜质量，少量树根确实难以全部挖出的，采用相同横断面树根来代替，大径级样木的细根鲜质量测定，则通过1/2或1/4范围内挖取细根的数量按比例进行推算。分不同部位的干材、树皮、树枝、树叶、树根各采集500 g以上样品，称取鲜质量，样品在85 ℃烘干至恒质量，测定含水率，并计算生物量。各样木调查情况见表1，各采集样木径阶分布情况如表2所示。

表1 研究区90株木荷采样统计表Table 1 90 sampling Schima superba trees data statistics

2.2 含碳率测定

采用重铬酸钾－硫酸氧化法（湿烧法）测定各组分有机碳含量。具体方法为:准确称量野外采集的鲜样，85 ℃下烘干至恒质量，对干材（上部、中部、下部）、树皮、树枝、树叶、根茎、粗根、细根共9类样品，粗粉碎后按四分法取约1/4样品研磨并均匀混合，称取约30 mg试样，进行有机碳含量测定。每个样品做3次重复，取其平均值作为样品的含碳率。

表2 研究区木荷样木分径阶统计表（株）Table 2 Sampling Schima superba trees in different diameter classes data statistics

2.3 数据处理

2.3.1 数据分析

采用 Excel处理数据，使用R软件的nlme过程进行回归分析。

2.3.2 含碳率计算

本研究根据各器官的生物量权重来计算全树的平均含碳率，按照下列公式计算:

其中，为全树加权平均含碳率；Pi为某树种i器官的含碳率，Wi为某树种i器官的生物量（i=树干，树皮，树叶，树枝，树根）。

2.3.3 碳储量计算

本研究碳储量计算公式如下:

其中，Ct为全树碳储量；Pi为某树种i器官的含碳率，Wi为某树种i器官的生物量（i=树干，树皮，树叶，树枝，树根）。

2.3.4 单株碳储量模型拟合与评价

为直接方便评估木荷碳汇造林效果，需要建立单株碳储量胸径和D2H模型。本文采用广泛使用的异速生长方程Y=aXb对90株木荷伐倒木建立碳储量模型，并分起源和径阶进行全树及各器官碳储量分析比较。

3 结果与分析

3.1 含碳率

3.1.1 木荷各器官含碳率及与不同省区的比较分析

从表3可知，广东木荷全树加权平均含碳率为0.556 9，各器官的含碳率在0.508 8～0.565 4之间变化，其中树干的含碳率最高，其次是树枝、树叶、树根，最后是树皮。树皮与其它各器官之间差异显著（P＜0.05），但树干、树叶、树枝、树根之间差异不显著（P＞0.05）。全树含碳率算术平均值与加权平均值相比较，两种方法得出的全树含碳率差异很小，差异值仅为0.002 8。

表3 木荷各器官的含碳率Table 3 Carbon content in different organs of Schima superba

对广东、湖南、贵州、福建、江西五个省区以及全国木荷各器官的含碳率进行比较分析，从表4可以看出，全树含碳率广东最高，湖南、贵州、福建、江西含碳率比较接近，在0.51～0.53之间，广东木荷含碳率与其它四省存在明显差异。从各器官的含碳率来看，各省区树皮含碳率比其它器官均低，全树各个器官含碳率广东均高于其它四省，也明显高于国家林业行业标准（LY/T 2660—2016）中木荷含碳率。

表4 不同省区木荷各器官的含碳率Table 4 Carbon content in organs of Schima superba from different provinces

3.1.2 木荷不同部位器官含碳率的空间分布

（1）树干（去皮）平均含碳率空间分布。如表5所示，根据树干上部、中部、下部含碳率测定结果可知:树干含碳率的变化范围为0.310 9～0.642 9，变异系数为5%～8%，含碳率各层次变动较小，平均值差异显著性分析表明，差异未达到显著水平（P＞0.05）。

表5 木荷不同层次树干含碳率Table 5 Carbon content of stem in different layers of Schima superba

（2）树根加权平均含碳率空间分布。如表6所示，根据树根的根茎、粗根、细根各部位含碳率测定结果可知:树根含碳率的变化范围为0.207 2～0.625 9，变动范围较大，变异系数为7%～13%，含碳率各层次变动较小，平均值差异显著性分析表明，差异未达到显著水平（P＞0.05）。粗根含碳率稍微大于细根，但根茎含碳率比粗根、细根略小。

表6 木荷不同层次树根含碳率Table 6 Carbon content of roots in different layers of Schima superba

3.1.3 木荷不同胸径各器官含碳率分析

从表7可知，不同胸径各器官的含碳率变化范围都不大，变异系数都在6%以下，全树不同胸径的含碳率之间差异不显著（P＞0.05），各器官不同胸径的含碳率变化范围更小，变异系数都在4%以下。从全树不同胸径的含碳率的比较来看，含碳率变化很小。

表7 木荷不同胸径各器官含碳率Table 7 Carbon content of organs in different diameter classes of Schima superba

3.1.4 木荷不同起源各器官含碳率分析

不同起源的含碳率分析表明（表8）:木荷人工林和天然林的含碳率差距很小，人工林与天然林的差值仅为0.000 6，全树人工林含碳率要略高于天然林。从各器官来看，不同起源各器官的含碳率变化范围都不大，变异系数都在4%以下，人工林的树皮、树枝、树根含碳率要比天然林略高，但树干、树叶含碳率要比天然林略低。

表8 木荷不同起源各器官含碳率Table 8 Carbon content of organs in different origins of Schima superba

3.2 碳储量

3.2.1 木荷碳储量各器官分布格局

根据40株单株碳储量，统计计算出各径阶及平均单株碳储量。如表9所示，对各器官平均碳储量分布进行分析，碳储量最高的是树干，占全树的39.23%，其次是树根和树枝，最后是树皮和树叶，树干、树枝、树根所占比例达到90.36%，表明碳储量主要集中在树干、树枝和树根上。

表9 木荷不同胸径各器官碳储量及其分配Table 9 Carbon storage and allocation of organs in different diameter of Schima superba

从全树及各器官的碳储量来看，基本上是随着胸径增长，全树及各器官碳储量均有不同程度的增加，但增加幅度并不一样，在胸径2～16 cm时碳储量增加幅度较小，从胸径16 cm开始，碳储量增加幅度变大。各器官占全树碳储量的比例变化趋势也不相同，随着胸径增加，树干碳储量的比例变化呈现先增加后减少趋势，到胸径16 cm时达到最大；树枝碳储量比例则呈现先减少后增加的趋势；树根碳储量比例随胸径增加而上下波动，但变化不大；树皮、树叶碳储量比例随胸径增加有减少的趋势（图1）。

图1 各器官碳储量及比例随胸径变化图Fig. 1 Component specific carbon storage and its proportion in different diameter

3.2.2 生长因子与木荷各器官碳储量关系

按起源人工和天然分别对40株木荷样木胸径、D2H与碳储量关系进行回归分析，建立广东木荷人工林和天然林单株碳储量模型，结果表明:木荷人工林胸径与单株碳储量呈极相关，关系表达式为Ct=0.007 8D3.1648，调整后的拟合优度R2=0.996 4；D2H与单株碳储量呈极相关，关系表达式为Ct=0.004 3(D2H)1.1897，调整后的拟合优度R2=0.995 5。木荷天然林胸径与单株碳储量呈显著相关，关系表达式为Ct=1.109 1D1.5119，调整后的拟合优度R2=0.911 5；D2H与单株碳储量呈显著相关，关系表达式为单株碳储量Ct=0.636 3(D2H)0.5979，调整后的拟合优度R2=0.903 5（图2）。

图2 胸径、D2H与木荷单株碳储量关系图Fig. 2 Relationship between DBH, D2H and carbon storage of Schima superba

在分人工和天然起源的基础上，对90株木荷样木胸径、D2H与各器官碳储量关系进行回归分析，建立木荷各器官碳储量与胸径、D2H之间的回归方程。结果表明:木荷人工林胸径、D2H与各器官碳储量均有显著相关性，各器官碳储量方程调整后的拟合优度R2值均在0.5以上，F统计值均在50以上，P值均小于0.01（表10）；木荷天然林胸径、D2H与碳储量大部分有显著相关性，除胸径、D2H与树根碳储量方程调整后的拟合优度R2值小于0.5外，其它回归方程R2值均大于0.5，表明胸径、D2H与树根碳储量相关性不显著；除胸径、D2H与树枝碳储量，胸径与树叶碳储量，胸径、D2H与树根碳储量方程的F统计值在50以下外，其它回归方程的F统计值均在50以上；回归方程所有P值均小于0.05，其中除D2H与树根碳储量方程P值大于0.01外，其它方程P值均小于0.01（表11）。

表10 人工起源木荷单株碳储量回归方程Table 10 Carbon storage regression equation of Schima superba plantations

4 结论与讨论

（1）广东木荷全树加权平均含碳率为0.556 9，算术平均计算与加权平均计算两种方法计算的含碳率差异不大，结论与部分研究学者相同[16]。各器官加权平均含碳率顺序为树干（0.565 4）＞树叶（0.558 4）＞树枝（0.556 1）＞树根（0.548 7）＞树皮（0.508 8），树干含碳率要高于其它各器官，而树皮含碳率要显著低于其它器官，主要是由于树干木材含有较多的木质素，而树皮作为植物营养运输器官，纤维素多，木质素少，因此含碳率低，显然这是由植物本身的构造特点所决定的，这与大多数研究者结论一致[17-18]。树干上、中、下各部位的含碳率无明显变化，粗根含碳率略大于细根，这与李春平[19]等研究结果相一致。

表11 天然起源木荷单株碳储量回归方程Table 11 Carbon storage regression equation of natural Schima superba forests

（2）广东木荷含碳率高于周边湖南、贵州、福建、江西四省，也远高于国家林业行业标准中的含碳率，可能原因是受采样范围及采样立地环境因素的影响。相对于大多数研究者估算不同区域尺度的森林碳储量时采用的通用平均含碳率0.50或0.45而言，广东木荷平均含碳率0.556 9明显高于通用平均含碳率以及国家林业行业标准0.470 6的含碳率，当采用通用平均含碳率及国家林业行业标准含碳率来计算广东木荷碳储量时，可能会导致木荷碳储量10%～20%的误差。因此，为准确估算省级区域以及地方区域的森林植被碳储量，应根据不同区域、不同起源的含碳率作为转换参数，以减少碳储量估算中的不确定性。

（3）通过比较分析发现，广东不同起源的木荷含碳率差异很小，从实用角度，可以忽略其差异，木荷天然林含碳率可采用人工林进行估算。木荷随胸径变化，其含碳率变化较小，胸径大小对含碳率影响不大，这与李江等[20]研究结论不相符合，可能是所取胸径大小范围以及所处的立地条件影响了研究的准确性。

（4）木荷各器官碳储量在全树中的比例排列顺序为树干（38.60%）＞树根（27.22%）＞树枝（24.78%）＞树皮（5.40%）＞树叶（4.00%），木荷碳储量主要分布在树干、树枝和树根上。随着胸径增大，全树及各器官碳储量增加幅度并不一样，从胸径16 cm开始，碳储量增加幅度较大，表明木荷碳储量增加主要在生长的中后期。随着胸径增加各器官碳储量占全树比例变化趋势并不相同，树干碳储量比例变化的趋势为先增加后减少，树枝碳储量比例变化趋势为先减少后增加，树根碳储量比例随胸径增加而上下波动，但总体较稳定；树皮、树叶碳储量比例随胸径增加而减少。

（5）通过对样木胸径、D2H与碳储量进行回归分析，分别获得木荷人工林及天然林单株碳储量回归方程。人工林胸径回归方程为Ct=0.007 8 D3.1648，D2H回归方程为Ct=0.004 3(D2H)1.1897；天然林胸径回归方程为Ct=1.109 1D1.5119，D2H回归方程为Ct=0.636 3(D2H)0.5979，全树碳储量方程的R2值均达到了0.9以上。人工起源的全树及各器官碳储量方程的R2值在0.953 0～0.996 4之间，而天然起源的全树及各器官碳储量方程的R2值仅在0.382 6～0.937 5之间，天然林碳储量方程的拟合效果明显要比人工林差一些，可能原因是天然林的立地质量差异及与林木竞争等不确定因素的影响了模型效果。以胸径为自变量的全树及各器官碳储量方程R2值在0.455 3～0.996 4之间，而以D2H为自变量的全树及各器官碳储量方程R2值在0.386 2～0.995 5之间，两者之间相差不大，以胸径为自变量和以D2H为自变量的碳储量模型拟合效果没有明显差异。各器官碳储量方程的R2值绝大多数都在0.5以上，总体上相关性显著，相对而言，天然林的胸径、D2H与树枝、树叶、树根碳储量相关性相对差一些，而与树干、树皮碳储量相关性相对较好，可能是天然林的树枝、树叶、树根受立地质量及生长环境影响较大，碳储量变动较大，影响了模型效果；人工林的胸径、D2H与各器官碳储量相关性均较好，各器官碳储量相关性相比无明显差别，可能原因是与天然林相比，人工林的立地质量及生长环境变化不大。

（6）由于采样径阶固定、大径级样本少等建模局限性，本研究建立的木荷人工林及天然林碳储量模型在用于估算实验样本胸径、树高范围外的单株碳储量时可能会存在误差，在使用过程中要注意模型的使用范围问题。