矿山废弃地生态修复区植被碳库研究

苏 军 德

(甘肃有色冶金职业技术学院， 甘肃 金昌 737100)

中国是世界上矿产资源较为丰富的国家之一。随着矿产资源的大量开采，产生了一系列生态环境问题[1]。近年来，国内众多矿山废弃地进行了生态修复[2]，陆续出现了许多矿山废弃地森林生态系统。在改善生态环境的同时，矿山废弃地森林生态系统积累的碳库在维持矿区碳循环和碳平衡中有着重要作用。无论是清洁发展机制(clean development mechanism， CDM)还是黄金标准等国际自愿碳标准(voluntary carbon standard， VCS)以及中国温室气体自愿减排项目，目前尚未见将矿区生态修复项目纳入温室气体自愿减排的研究报道[3]。因此，需要估算矿山废弃地生态修复区减排增汇潜力，特别是矿山修复后迅速增长的植被碳储量。

本文拟对甘肃省金川矿山废弃地修复区内主要的林分进行植物部分含碳率测定，估算修复区内的植被碳储量，以期为矿区生态修复系统纳入中国温室气体自愿减排提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

金川矿山废弃地修复区位于甘肃省金昌市区西南部龙首山脉北坡，海拔1 640 m，属大陆性温带干旱气候，日照总时数1 506～1 859 h，年辐射量138.0 J/m2，年均温度9.5 ℃，年均降水量139.8 mm，每年雨季主要在5—9月份，6—8月份降水占全年降水量的66%[4]。

金川矿山已有26 a的开采历史，现已形成矿山废弃地约3.1 km2，修复区内土壤大部分为脉石矿物所形成的沙石土壤，有少量的金属硫化物和金属氧化物及微量的贵金属矿物。自2009年起，金川集团公司及金昌市人民政府通过采取对矿区排土场土壤改良、矿山废渣绿化等措施。目前，全区树种种植面积约1.5 km2，共有植物116种，通过样方统计，约74万株，大部分树龄在15 a以内。样地中主要乔木有油松、圆柏、水曲柳、红柳，主要灌木有柠条、驼绒藜和沙木蓼，草本植物基本为禾本科(早熟禾、高羊茅、冰草、披碱草)和莎草科(高山蒿草、水虱草)植物。

1.2 试验设计与测定方法

1.2.1 样方设计及试验材料采集 选择修复区内林相整齐，具有代表性的地段。为了使不同样地间进行比较，调查中尽可能选择树龄基本相同的林分地块。按照对角线方式布设12(10 m×10 m)个乔木样方，21(2 m×2 m)个灌木样方和30(1 m×1 m)个草本样方。在样方内每木检尺，确定标准木后并将其伐倒，之后分别对各伐倒木的各个器官(干、枝、叶、根)进行取样，其中干从树干基部到树梢分段取样，枝从粗枝到细枝按比例取样，叶从年龄、叶片大小混合取样，根则从主根、侧根及大于2 mm的细根分别取样。同时记录样方内植物的高度、树干周长、盖度等指标，以便计算所取样方内植物的生物量。

1.2.2 估算生物量 本文中乔木生物量的估算采用径阶—株数法[5]，即将每木检尺结果依径阶顺序从小到大排列，将林木分为株数基本相等的3～5个径级，分别对每个径级选标准木测算各径级材积，各径级材积叠加得标准地蓄积。灌木和草本植物各器官的生物量估算采用收割法[6]。

1.2.3 试验材料处理与含碳率测定 将采集的4种乔木、3种灌木及8种草本植物放置恒温箱中，在85 ℃温度下烘至恒重。之后采用3次粉碎法制样，粉碎后的样品过100目筛子后，装入瓶中备用。在样品含碳率测定之前，所有粉碎后样品再次放入恒温箱中，在85 ℃温度下烘干24 h。

利用Elementar Vario EL元素分析仪进行植物样品碳素分析，每次测定3个重复样品后取平均值。

1.3 数据处理

1.3.1 数据统计 所得数据用Microsoft Excel 2007和SPSS 13.0统计分析软件处理，以平均值进行统计分析，不同植物间碳含量采用方差分析[7]、变异系数[8]进行比较。

1.3.2 修复区内林分含碳率计算 由于不同树种含碳率存在一定的差异，如果用所有树种含碳率的平均值并不能很好的反应修复区内植被的真实含碳率[9]。因此，本文根据各个树种在总生物量中的权重来计算林分含碳率：

(1)

(2)

式中：Wij，Pij——第i株树的j组分的生物量(t/hm2)和含碳率(i=1,2,…,n;j=干，皮，枝，叶，根)。

1.3.3 恢复区植被碳储量密度及碳库计算 利用金川矿山废弃地植被恢复区林木调查资料，对恢复区内乔木、灌木及草本植物进行植被碳密度、植被碳储量及平均储量及密度的估算。

储碳密度(Dc)：Dc=B·Rc[10]

(3)

式中：B——生物量(t/hm2)；Rc——某种植物的含碳率。

总碳储量(Sc)：Sc=Dc·S×10-6[11]

(4)

式中：Dc——某种植物碳储量密度(t/hm2)；S——某种植物的占地面积(hm2)。

(5)

式中：Dci——金川矿山废弃地某类林分(乔木、灌木或草本植物)的平均储碳密度(t/hm2)；S——某组分所占面积(hm2)。

2 结果与分析

2.1 不同树种含碳率特征

如表1所示，在金川矿山废弃地修复区，圆柏地上部分平均含碳率最高，为0.49±0.01，8种草本植

物地上平均含碳率最低，为0.31±0.01；圆柏地下部分平均含碳率最高，其值为0.47±0.02，8种草本植物含碳率最低，值为0.25±0.01，从变异系数及极差来看，所有树种间的变异系数在4.5%以下，含碳率极差都不超过5%。不同树种的含碳率由树种生物学特性决定，针叶树种的含碳率高于阔叶树种和灌木。

2.2 修复区植被碳储量特征

不同植被间储碳密度存在明显差异(r2=0.01)，具体表现为：圆柏>油松>水曲柳>红柳>驼绒藜>柠条>沙木蓼>草本植物。其次，植被储碳量也存在显著的差异性，具体表现为：红柳>水曲柳>油松>圆柏>柠条(驼绒藜)>沙木蓼>草本植物(表2)。

表1 金川矿山废弃地生态修复区植被含碳率

由于生态恢复区植被储碳密度和碳储量与各个物种的生物量、含碳率及分布面积息息相关而树木的生物量直接受树木的平均胸径、平均树高和林分密度的影响，含碳率因树种而异，由测树学可知，胸径、树高是林木的生长指标，除受立地条件和外界环境影响外，树木年龄是一个很重要的影响因子[13]。因此，植被的立地条件、生长环境及植被年龄都会直接影响植被储碳密度和碳储量[14]。

表2 金川矿山废弃地生态修复区植被储碳量

2.3 修复区植被碳库分配特征

如图1所示，修复区植被平均储碳密度为6.209 2 t/hm2，总碳储量为635.10 t，平均碳储量为79.38 t。其中，乔木碳储量较高，占总碳储量的86.71%，灌木次之，为80.32 t，占总碳储量的12.65%，草本植物储碳密度较小，为4.04 t，在总碳储量中的贡献不大。这充分说明乔木在整个修复区碳循环中有重要的作用，尤其是红柳，由于其储碳密度高，在修复区内所占面积较大，在整个修复生态系统中有重要的作用[15]。

注：储碳密度百分比是每个树种储碳密度/总储碳密度×100%。

图1金川矿山废弃地生态修复区植被碳库分配特征

3 结果与讨论

(1) 在金川矿山废弃地生态修复区，各个植物不同器官的平均含碳率在0.11～0.48，其中乔木较高，略高出其他物种1.06%～2.78%。各树种变异系数范围为2.78%～4.02%，这与西北地区森林变异系数(1.75%～6.59%)[16]较为接近。总体上看，不同树种各部位含碳率高低随机分布，并未呈现除某种规律性的变化，其大小完全由各树种自身的特性决定。但从树种的形态学特征可以看出，针叶树种各部位的含碳率均相应高于阔叶树种、灌木树种和草本。除草本植物外，各树种地上部分平均含碳率与总平均含碳率十分接近，且呈现除针叶树种>阔叶树种>灌木>草本植物。

(2) 在金川矿山废弃地生态修复区，不同物种间储碳密度和碳储量都存在显著的差异。针叶树种储碳密度相比其他树种较高，但储碳量却低于阔叶树种，这是由于在修复区，阔叶树种较大的种植面积而决定了其较高的储碳量。总体来看，乔木储碳密度和碳储量分别占整个碳储量和总储碳密度的87.27%和90.06%，说明乔木在整个修复系统碳循环中具有及其重要的作用。但是，与其他树种相比，针叶树种(油松、圆柏)不论在地上还是地下部分，储碳密度都较高，具有较强的固碳能力，加之其耐寒耐旱的生态学特征，更适合祁连山区矿山废弃地的生态修复。

(3) 在金川矿山修复区，所有植被储碳平均密度为6.209 2 t/hm2。按照不完全统计，祁连山区共有矿区114个，矿区修复面积约1 200 km2。按照金川矿山修复区植被储碳平均密度计算，整个祁连山区矿

区修复植被固碳量约7.50×105t。由此可见，对矿山废弃地进行生态恢复，能够增加矿区植被储碳量，在纳入中国温室气体自愿减排上有很大的潜力空间。