校园树木木材生物量增量的测量方法

邹梦姗 范丽仙 王重力

(云南师范大学生命科学学院 昆明 650500)

“生物与环境”是高中生物学教材中选修课的重要模块，该模块中涉及的生态、环境问题与实际生活密切联系。教师在实际教学过程中，应当通过引导学生开展有关实践活动来丰富教学活动。教材中对生物与环境这部分涉及的科学探究实验较少，且多以宏观或微观的整个生态系统为研究对象，对个体生物进行研究的实验和活动更少。在新课标中，既要求学生获取基础生物学知识，又要学会运用所学的各科知识来解决生活中的问题[1]。本文设计了一种适合中学生的测量校园树木木材生物量与固碳能力的方法，通过该方法使学生对树木的生长有数值方面的直观感受。

1 设计思路

借助森林资源调查的基本工作方法，对校园的乔木树种进行间隔4个月时间的两次拍照测量，把数学统计计算引入到生物学观察中，使学生能够直观地计算出一段时间内校园植物的生长量(生物量增量)，进而得出固定CO2的具体质量和释放O2的质量。

2 所需材料

细长木板、彩色油漆、油漆刷子、标准刻度尺、刻木小刀、铅笔、绳子、卷尺、胸径尺(围尺)、分规、记录本、具有拍照功能的手机或照相机。

3 实验步骤

3.1 工具制作 选取表面光滑的长方体型长木板(长于1 m)，用刻木小刀修理木板，使之能垂直于地面，尽量接近量尺规格。用标准刻度尺和铅笔在木板上标记出精确的刻度，10 cm为一个刻度，一共做出10个刻度。用小刀沿着铅笔标出的记号刻出刻度，在每个刻度处刷上不同颜色的油漆，最好是对比色，使之在照片中比较醒目，以方便拍照后相片上能清晰地看出比例尺的长度(图1)。

图1 比例尺模型

3.2 测量树高 选取校园中的优势树种，以树形挺拔笔直且根部无遮挡物植株为好。如选择了5株樟树作为研究对象。依次挂上制作好的比例尺，在相同的条件下拍照3次，将照片打印出来，借助分规量取照片上树和比例尺的长度，在标准刻度尺上读出长度值。

已知比例尺的实际长度为1 m，可算出树的理论高度，并记录数据。具体计算方如下：

a/b=1/x

(式1)

由式1得出：

x=b/a

(式2)

式中： a——图中比例尺的测量长度/cm

b——图中树的测量长度/cm

x——根据比例式算出的树的高度/m

3.3 测量胸径 现以2号树的数据记录为例，其他4株树的数据记录和计算与2号树相同。胸径尺(围尺)是一种专门的测量工具，刻度显示的数值就是胸径值。在离地面1.3 m胸高位置处测量每株树树干的直径，即树的胸径，记录数据(表1)。一段时间后(4个月后)，用同样的方法再次测树高和胸径。

表1 2号树第一次测量的胸径值及树高值记录表

4 数据结果及处理

4.1 数据计算 校园中5株樟树第一次测量的数据记录和第二次测量的数据记录可见表2、表3。表中包括测量的树高值、胸径值和按公式3求得的立木材积值。

例如，查得四川和滇西北阔叶树，槭树、香樟等硬阔二元立木材积公式[4]为：

V=0.000 052 750 716D1.945 032 4H0.938 853 30

(式3)

式中： V——立木的材积/m3

D——从地径起1.3 m处的树干直径/cm

H——被测树的高度/m

表2 校园中5株樟树第一次树高，胸径测量值及立木材积计算值记录表

树木1号树2号树3号树4号树5号树胸径/cm10.1822.4224.152015.51树高/m4.648.036.806.836.48立木材积/m30.0200.1580.1560.1090.063立木材积/kg9.0471.4270.5149.2728.48

表3 校园中5株樟树第二次树高，胸径测量值及立木材积计算值记录表

树木1号树2号树3号树4号树5号树胸径/cm10.2022.7324.3020.2215.85树高/m4.668.067.386.946.90立木材积/m30.0200.1630.1710.1130.070立木材积/kg9.0473.6877.2951.0831.64

表2和表3中记录了2次测树的胸径值、树高值。树高值由式2求得，将2次测得的每株树的树高值和胸径值代入式3，即可求得2次每株树的立木材积值，单位为立方米。根据樟木密度值，将立木材积值的单位换算为kg。每株树2次立木材积值之差即为该株树这段时间内的树木木材生物量增量。

4.2 CO2的固定量和O2的释放量 表2、表3求得的树木木材生物量增量包括干物质和水，因樟木含水80%，则将求得的树木木材生物量增量值乘以20%，即求得树木木材生物量干物质增量值，再根据每生成1 g干物质需要固定1.62 g CO2，释放1.20 g O2(生成干物质的量即树木木材生物量干物质增量)，即可求得CO2的固定量和O2释放量。具体数值记录见表4。

4.3 实验结果与讨论 从以上表格中可以得出，在4个月时间内，所选取的5株樟树的木材生物量增量、CO2固定量和O2释放量。从这些数据中，可以清晰地看到这段时间内这5株樟树生长的情况： 1号树生长较慢，表格中生物量增量、CO2固定量等都为0，无生物量增量。但并不意味着植物没有进行光合作用，而是植物生长中心的不同。有时生物是有增长量的，只是在计算中未体现出来，或是测量原因不可避免的误差没有体现出来；3号树生长最快；5号树次之；2号和4号树生长一般。虽然他们都是同一树种，且在差不多相同的环境下生存，但是个体树内部之间会有差异，光合作用所得的生物量有的先长根，有的先长茎，有的受到损伤，用于治愈等。个体树外部环境也会有差异性，如： 接受的光照、种植的土壤和灌溉用的水等都会对树的生长有影响，具体的影响因素还需进一步其他的实验验证。

表4 树木木材生物量、CO2固定量及O2释放量记录表

5 实验反思

本活动贴近于生活实际，又有利于实行。其中，比例尺的制作结合了数学与工程学方面的知识，有利于培养中学生的动手能力，符合教育要全面发展的目标；以拍照测树高的方法并不是十分精准，但其成本低、易操作，仅适用于一个校园实践活动，该方法不适用于测量较高建筑物的高度。在获得照片后，要在图上进行测量，一般直接用直尺在图上测量，若借助分规固定图片上树两点之间的长度和比例尺两点之间的长度综合进行，会有利于减少测量时的人为误差，使结果较为准确。