小興安嶺林區(qū)主要樹種不同器官的碳含量

小興安嶺林區(qū)主要樹種不同器官的碳含量

植物熱值是植物能量代謝水平的測(cè)量，反映了植物在光合作用中改變?nèi)展饽芰康哪芰Α＿@是評(píng)估和反映生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的重要指標(biāo)之一。國(guó)外學(xué)者對(duì)森林植物熱值的研究集中在20世紀(jì)60~80年代,之后只有少量相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表,主要涉及熱帶雨林及暖溫帶森林植物。我國(guó)學(xué)者關(guān)于森林植物熱值的研究始于20世紀(jì)80年代,主要涉及亞熱帶及暖溫帶森林植物。植物碳含量是植物碳貯量的一種度量,反映了綠色植物在光合作用中固定貯存碳元素的能力,是評(píng)價(jià)和反映生態(tài)系統(tǒng)中碳循環(huán)和增碳減排效應(yīng)的重要指標(biāo)之一。國(guó)外學(xué)者對(duì)森林植物碳貯量的研究大多涉及熱帶雨林及暖溫帶森林植物。我國(guó)學(xué)者關(guān)于森林植物碳貯量的研究大多涉及亞熱帶及暖溫帶森林植物,主要采取宏觀計(jì)算和模擬模型等研究方法[15,16,17,18,15,16,17,18]。本文以小興安嶺林區(qū)15種主要樹種(5種針葉樹,10種闊葉樹)為研究對(duì)象,研究各樹種不同器官的灰分含量、去灰分熱值和碳含量。系統(tǒng)研究森林植物熱值及碳含量,為生物質(zhì)能源和資源的選擇、開發(fā)、利用和保護(hù),了解碳貯量在不同植物中的分布、提高森林生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化效率,科學(xué)估算森林植物碳貯量提供理論依據(jù)。1學(xué)習(xí)方法1.1針闊混交林分布黑龍江省帶嶺林業(yè)實(shí)驗(yàn)局東方紅林場(chǎng)位于小興安嶺南坡,128°47′32″E,47°13′10″N。林相為針闊葉混交林,土壤為森林暗棕壤。海拔500~700m,年平均氣溫1.4℃,年平均降水量661mm。采集林分為針闊混交林(針闊蓄積比6∶4),喬木有紅松、落葉松、云杉、冷杉、白樺、楓樺、紫椴、水曲柳、胡桃秋、山楊、五角楓、春榆等,平均樹齡61年,下木以灌材為主。林木分布均勻,天然更新。1978年進(jìn)行過(guò)擇伐。1.2不同樹種生長(zhǎng)狀況的研究5種針葉樹種:紅松(Pinuskoraiensis),落葉松(Larixgmelinii),魚鱗云杉(魚鱗松,Piceajezoensis),臭冷杉(臭松,Abiesnephrolepis),紫杉(Taxuscuspidata),10種闊葉樹種:蒙古櫟(柞樹,Quercusmongolica),白樺(Betulaplatyphylla),楓樺(碩樺,Betulacostata),紫椴(Tiliaamurensis),黃檗(Phellodendronamurense),水曲柳(Fraxinusmandshurica),胡桃楸(核桃楸,Juglansmandshurica),山楊(Populusdavidiana),五角楓(色木槭,Acermono),春榆(Ulmuspropinqua)。測(cè)試樣品采于不同樹種的不同器官(樹葉、樹枝、樹干和樹皮),其中樹葉和樹枝取自樹冠中上層,樹干和樹皮取自樹干距地面1.3m處,按東西南北方向混合采樣。每樹種每器官10個(gè)樣本,隨機(jī)取自生長(zhǎng)狀況較為一致的10棵樹木,樹齡在30~50a之間。樣品經(jīng)風(fēng)干粉碎后過(guò)篩備用。1.3試劑量熱法檢測(cè)采用空氣干燥法測(cè)定含水率,計(jì)算機(jī)程序控制,試樣105~110℃干燥1h,冷卻至室溫后稱重,計(jì)算試樣含水率(每樣品重復(fù)測(cè)定5次,取平均值)?？焖倩一y(cè)定灰分含量,計(jì)算機(jī)程序控制,試樣(815±10)℃灼燒2h,冷卻至室溫后稱重,計(jì)算試樣灰分含量(每樣品重復(fù)測(cè)定5次,取平均值)。量熱法測(cè)定熱值,計(jì)算機(jī)程序控制,苯甲酸標(biāo)定量熱系統(tǒng),系統(tǒng)自動(dòng)充氧、放氣,測(cè)定系統(tǒng)熱值,計(jì)算試樣熱值(每樣品重復(fù)測(cè)定5次,取平均值)。根據(jù)試樣含水率和灰分含量,計(jì)算試樣去灰分熱值:去灰分熱值=干重?zé)嶂?1?灰分含量)=熱值(1?含水率)(1?灰分含量)=干重?zé)嶂?1-灰分含量)=熱值(1-含水率)(1-灰分含量)采用吸收質(zhì)量法測(cè)定碳含量。計(jì)算機(jī)程序控制,試樣(800±10)℃高溫分解,使碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳,二氧化碳隨載氣流進(jìn)入堿石棉吸收管,根據(jù)吸收劑的增重,計(jì)算試樣碳含量(每樣品重復(fù)測(cè)定3次,取平均值)。儀器:金鷹YX-ZR/Q全自動(dòng)量熱儀;YX-SF/I自動(dòng)水分測(cè)定儀;YX-HF自動(dòng)灰分測(cè)定儀;YX-TQ自動(dòng)碳測(cè)定儀。2結(jié)果與分析2.11樹體的灰渣質(zhì)量分?jǐn)?shù)15種主要樹種不同器官的灰分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表1所示。表中數(shù)據(jù)為10個(gè)樣本的均值±標(biāo)準(zhǔn)差ThevaluesinthetableweregivenasMean±SD(n=10);字母a,b,c,d表示差異顯著性(t檢驗(yàn),p<0.01)Differentletters(a,b,c,d)showedthesignificantdifferencelevelsbyttest(p<0.01)由表1可以看出,15種主要樹種不同器官的灰分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:樹葉0.60%~1.28%,樹枝1.00%~2.98%,樹干0.16%~1.22%,樹皮2.15%~6.36%;不同器官的灰分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從高到低依次為樹皮、樹枝、樹葉、樹干,不同器官的灰分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))具有顯著差異(n=10,t檢驗(yàn),p<0.01)。15種主要樹種樹葉的灰分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從高到低依次為春榆、五角楓、胡桃楸、水曲柳、魚鱗云杉、紫椴、紫杉、落葉松、山楊、楓樺、黃檗、蒙古櫟、紅松、臭冷杉、白樺。樹枝的灰分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從高到低依次為紫椴、山楊、蒙古櫟、黃檗、魚鱗云杉、胡桃楸、紅松、水曲柳、春榆、臭冷杉、紫杉、楓樺、落葉松、五角楓、白樺。樹干的灰分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從高到低依次為春榆、紫椴、胡桃楸、魚鱗云杉、落葉松、五角楓、紫杉、水曲柳、紅松、山楊、楓樺、黃檗、臭冷杉、蒙古櫟、白樺。樹皮的灰分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從高到低依次為春榆、山楊、蒙古櫟、楓樺、黃檗、五角楓、水曲柳、紫椴、紅松、魚鱗云杉、胡桃楸、臭冷杉、落葉松、白樺、紫杉。15種主要樹種不同器官的平均灰分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從高到低依次為春榆、山楊、蒙古櫟、紫椴、黃檗、楓樺、水曲柳、魚鱗云杉、五角楓、胡桃楸、紅松、臭冷杉、紫杉、落葉松、白樺;除白樺外,針葉樹種平均灰分含量普遍低于闊葉樹種。樹木主要由樹根、樹皮、樹枝、樹干和樹葉等器官組成。樹皮對(duì)礦質(zhì)元素吸收與積累的能力比樹干和樹葉強(qiáng),礦質(zhì)元素含量高。另外,在測(cè)試時(shí)樹枝樣本含有一定數(shù)量的樹皮。因此,樹皮和樹枝比樹干和樹葉灰分含量高。由于針葉樹種各器官對(duì)礦質(zhì)元素吸收與積累的能力比闊葉樹種弱,因此,針葉樹種各器官的灰分含量普遍低于闊葉樹種。2.21結(jié)構(gòu)熱值分布15種主要樹種不同器官的去灰分熱值如表2所示。表中數(shù)據(jù)為10個(gè)樣本的均值±標(biāo)準(zhǔn)差ThevaluesinthetableweregivenasMean±SD(n=10);字母a,b,c,d表示差異顯著性(t檢驗(yàn),p<0.01)Differentletters(a,b,c,d)showedthesignificantdifferencelevelsbyttest(p<0.01)由表2可以看出,15種主要樹種不同器官的去灰分熱值為:樹葉20.85~22.85kJ·g-1,樹枝19.92~21.95kJ·g-1,樹干19.66~21.98kJ·g-1,樹皮18.58~21.74kJ·g-1;不同器官的去灰分熱值基本從高到低依次為樹葉、樹枝、樹干、樹皮(白樺和五角楓的樹皮去灰分熱值高于樹干),不同器官的去灰分熱值基本具有顯著差異(n=10,t檢驗(yàn),p<0.01)(落葉松的樹枝、樹干和樹皮去灰分熱值無(wú)顯著差異)。15種主要樹種樹葉的去灰分熱值從高到低依次為落葉松、紫杉、紅松、魚鱗云杉、胡桃楸、臭冷杉、山楊、黃檗、水曲柳、五角楓、白樺、紫椴、蒙古櫟、楓樺、春榆。樹枝的去灰分熱值從高到低依次為落葉松、紫杉、魚鱗云杉、紅松、臭冷杉、胡桃楸、山楊、五角楓、水曲柳、白樺、黃檗、蒙古櫟、紫椴、春榆、楓樺。樹干的去灰分熱值從高到低依次為落葉松、紫杉、紅松、魚鱗云杉、臭冷杉、胡桃楸、水曲柳、山楊、五角楓、黃檗、白樺、紫椴、春榆、蒙古櫟、楓樺。樹皮的去灰分熱值從高到低依次為落葉松、紅松、紫杉、五角楓、魚鱗云杉、胡桃楸、白樺、山楊、黃檗、臭冷杉、水曲柳、蒙古櫟、楓樺、紫椴、春榆。15種主要樹種不同器官的平均去灰分熱值從高到低依次為落葉松、紅松、紫杉、魚鱗云杉、胡桃楸、臭冷杉、山楊、五角楓、白樺、黃檗、水曲柳、紫椴、蒙古櫟、楓樺、春榆,針葉樹種平均去灰分熱值普遍高于闊葉樹種。樹木主要由木質(zhì)素、纖維素、蛋白質(zhì)、脂肪、水及灰分等物質(zhì)構(gòu)成。樹葉是樹木生理活動(dòng)最活躍和實(shí)現(xiàn)光合作用的主要器官,含有較多的高能化合物如蛋白質(zhì)和脂肪等,同時(shí)它自身還能合成高能有機(jī)物,因此,樹葉的熱值較高;樹枝、樹干和樹皮含有較多的纖維素成分,在樹葉光合作用合成有機(jī)物時(shí)沿樹枝送入樹干中,在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的輸送過(guò)程中,高能化合物的積累速率高于低能化合物,因此,高能化合物在輸送過(guò)程中的積累濃度按樹葉、樹枝、樹干、樹皮逐漸降低,熱值也相應(yīng)逐漸減小。由于針葉樹種脂肪類物質(zhì)和木質(zhì)素含量比闊葉樹種高,因此,針葉樹種熱值普遍高于闊葉樹種。2.31碳含量與碳量的關(guān)系15種主要樹種不同器官的碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如表3所示。表中數(shù)據(jù)為10個(gè)樣本的均值±標(biāo)準(zhǔn)差ThevaluesinthetableweregivenasMean±SD(n=10);字母a,b,c,d表示差異顯著性(t檢驗(yàn),p<0.01)Differentletters(a,b,c,d)showedthesignificantdifferencelevelsbyttest(p<0.01)由表3可以看出,15種主要樹種不同器官的碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:樹葉43.11%~45.08%,樹枝44.31%~46.06%,樹干46.30%~47.46%,樹皮44.31%~45.46%;不同器官的碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))基本從高到低依次為樹干、樹枝、樹皮、樹葉(春榆的樹皮碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))高于樹枝),不同器官的碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))基本具有顯著差異(n=10,t檢驗(yàn),p<0.01)。另外,目前國(guó)際上將森林生物量轉(zhuǎn)換成碳含量的一般算法為將生物量乘以一個(gè)轉(zhuǎn)換系數(shù)(0.45~0.55),該研究表明,吉林省汪清林區(qū)森林生物量轉(zhuǎn)換碳含量的系數(shù)為0.47。由表3可知,小興安嶺15種樹種的平均碳含量為44.8%~45.8%,其森林生物量轉(zhuǎn)換碳含量的轉(zhuǎn)換系數(shù)處于45%~55%的下限,比汪清林區(qū)的略低,這主要是由于兩林區(qū)的樹種構(gòu)成、光照等方面的差異造成的。15種主要樹種樹葉的碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從高到低依次為落葉松、山楊、五角楓、胡桃楸、紅松、黃檗、水曲柳、魚鱗云杉、紫椴、臭冷杉、楓樺、春榆、紫杉、白樺、蒙古櫟。樹枝的碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從高到低依次為臭冷杉、紫杉、魚鱗云杉、黃檗、紅松、落葉松、水曲柳、白樺、山楊、楓樺、紫椴、胡桃楸、蒙古櫟、五角楓、春榆。樹干的碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從高到低依次為白樺、紫椴、落葉松、黃檗、魚鱗云杉、紅松、臭冷杉、楓樺、蒙古櫟、紫杉、胡桃楸、山楊、五角楓、春榆、水曲柳。樹皮的碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從高到低依次為臭冷杉、水曲柳、落葉松、魚鱗云杉、紫杉、紅松、山楊、紫椴、五角楓、白樺、胡桃楸、楓樺、春榆、黃檗、蒙古櫟。15種主要樹種不同器官的平均碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從高到低依次為落葉松、臭冷杉、魚鱗云杉、紅松、黃檗、紫杉、紫椴、山楊、白樺、楓樺、水曲柳、胡桃楸、五角楓、蒙古櫟、春榆,針葉樹種平均碳含量普遍高于闊葉樹種。樹干含有較多的木質(zhì)素,因此碳含量較高;樹枝和樹皮含有的木質(zhì)素低于樹干,故碳含量低于樹干;而樹葉含有的木質(zhì)素低于樹枝和樹皮,故碳含量相應(yīng)減小。由于針葉樹種脂肪類物質(zhì)和木質(zhì)素含量比闊葉樹種高,因此,針葉樹種碳含量普遍高于闊葉樹種。對(duì)比表2和表3,15種主要樹種不同器官的平均去灰分熱值與平均碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))線性相關(guān)(r=0.741)。針葉樹種碳含量普遍高于闊葉樹種,因此,針葉樹種的熱值也普遍高于闊葉樹種。根據(jù)15種主要樹種平均去灰分熱值的高低順序,以及針葉樹種平均去灰分熱值普遍高于闊葉樹種的趨勢(shì),可以部分針葉樹種為生物質(zhì)能源的優(yōu)選樹種。如落葉松的平均去灰分熱值較高,灰分含量較低,是小興安嶺林區(qū)的速生針葉樹種之一,尤其是前30a的生長(zhǎng)速度較快,種植技術(shù)比較成熟,經(jīng)營(yíng)成本較低,所以,可考慮以落葉松為生物質(zhì)能源的優(yōu)選樹種。根據(jù)15種主要樹種平均碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的數(shù)值,可以更深入地了解碳貯量在小興安嶺林區(qū)主要不同樹種中的分布,更科學(xué)地估算該地區(qū)不同森林植物群落碳的貯量。根據(jù)該林區(qū)林分組成、各林分總生物量和樹木器官各分生物量分配比例,即可以估測(cè)出該林區(qū)森林群落碳貯量。3樹體各組分的灰份含量通過(guò)對(duì)小興安嶺林區(qū)15種主要樹種(5種針葉樹