孫忠林 李巖 楊宇寧 李慧瑩 侯佳君 張成漢

(通化師范學(xué)院，通化，134002)

蒙古櫟(QuercusmongolicaFisch. Ex Ledeb.)又稱柞木、柞樹，在東北林區(qū)分布廣，分布面積和蓄積量較大[1-3]。自然條件下，蒙古櫟具有壽命長(zhǎng)、耐寒、耐旱、耐貧瘠和萌生能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，具有很好的防蝕護(hù)坡、保持水土的作用[4-5]。氣候變化背景下，蒙古櫟林的碳儲(chǔ)量與固碳潛力是東北林區(qū)天然林保護(hù)工程的重要研究?jī)?nèi)容[6-8]。

碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)也叫含碳系數(shù)，是指植物干物質(zhì)中碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。精確測(cè)算植物不同樹木組織部分的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是準(zhǔn)確評(píng)估植被碳儲(chǔ)量、碳封存強(qiáng)度的核心內(nèi)容。區(qū)域尺度的植被碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常采用0.45(葉片和細(xì)根)或0.50(木質(zhì)組織)估算[9-10]，但這種不區(qū)分樹種組成的方法有可能對(duì)森林碳儲(chǔ)量的估算造成顯著高估或低估[11-13]。隨著儀器測(cè)算精度的提高，實(shí)測(cè)植物碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)用于準(zhǔn)確估算碳儲(chǔ)量的方法越來越廣泛地被國內(nèi)外學(xué)者采用和實(shí)踐[14-15]。單一樹種不同樹木組織部分的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異和不同樹種的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異是精確評(píng)估區(qū)域尺度森林碳儲(chǔ)量和碳封存能力不容忽視的科學(xué)命題，也是制定碳信用額的重要依據(jù)[16]。

森林覆蓋面積超過世界陸地面積的1/3，是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要碳庫[17]。客觀評(píng)價(jià)森林的碳源/匯功能的首要問題是準(zhǔn)確測(cè)算森林有機(jī)質(zhì)中的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。針葉樹種組織中含有相對(duì)較高的木質(zhì)素，多數(shù)研究結(jié)果顯示硬闊葉樹種比針葉樹種的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，但由于其具有高密度(一般大于0.6 g·cm-3)的特性，單位蓄積量的碳儲(chǔ)量仍然會(huì)超過軟木[18]。依照京東協(xié)議書，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)評(píng)估值1%的誤差都會(huì)對(duì)國家或地區(qū)尺度的木材和工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生很大的影響，準(zhǔn)確評(píng)估樹木內(nèi)不同器官和樹種間的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)具有重要的科學(xué)和實(shí)踐意義[19]。為保證樣品燃燒充分，測(cè)定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的前期樣品需要粉碎，因此取樣量與樣品顆粒物大小是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定無法回避的問題。作為中間環(huán)節(jié)，多數(shù)相關(guān)研究的本部分?jǐn)?shù)據(jù)均并未給出[20]；一些研究給出篩網(wǎng)孔徑或取樣量，但并未提供依據(jù)[21-23]。本研究擬通過不同孔徑篩網(wǎng)處理樣品，對(duì)比分析解決如下科學(xué)問題：①探討顆粒物大小與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定值的大小與變異的關(guān)系，確定蒙古櫟碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定的合適篩網(wǎng)孔徑；②分析取樣量與樣品測(cè)定值之間的關(guān)系，確定Vario Toc分析儀測(cè)定碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的合適取樣量，從而達(dá)到對(duì)蒙古櫟不同樹木組織部分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確評(píng)估；③確定并比較蒙古櫟不同樹木組織部分的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異及其變異。

1 材料與方法

2016年9月選取長(zhǎng)白山區(qū)(E125°58′54″N41°44′31″)蒙古櫟天然次生林生長(zhǎng)狀況良好的蒙古櫟5株，其胸徑范圍為11.70～24.45 cm。對(duì)5株樹木的細(xì)根(d<2 mm)、中根(2 mm≤d≤5 mm)、粗根(d>5 mm)，細(xì)枝(1年生)、中枝(2年生)、老枝(多年生)，新葉(當(dāng)年生)、樹皮、樹干(生長(zhǎng)錐法)分別取樣，帶回實(shí)驗(yàn)室剪成長(zhǎng)度3 cm左右，并充分混合，在5個(gè)地點(diǎn)分別采集蒙古櫟上一年凋落葉混合樣本帶回實(shí)驗(yàn)室，所有樣品利用鼓風(fēng)干燥箱80 ℃烘干至恒質(zhì)量。利用小型高速粉碎機(jī)(WK-1000A，24 000 r/min)對(duì)蒙古櫟不同樹木組織部分進(jìn)行粉碎，每個(gè)樣品間斷粉碎3次，每次1 min。

篩網(wǎng)目數(shù)與能夠通過的最大顆粒物孔徑為冪函數(shù)關(guān)系。本研究分別采用目數(shù)規(guī)格為10、20、40、80、160目的篩網(wǎng)處理粉碎樣品，相對(duì)應(yīng)的篩后最大顆粒物徑級(jí)分別為1 700、830、380、180、96 μm，所有粉碎樣品均能通過10目篩網(wǎng)。樣品測(cè)定前期進(jìn)行再次烘干，每種樹木組織部分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)量重復(fù)5次。Vario Toc TOC/TN分析儀(德國Elementar公司)測(cè)量樣品的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。淘汰平均值±2倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍之外的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總有效率93.2%。各器官均有控制范圍之外的數(shù)據(jù)，所以對(duì)于單一植物器官的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)不存在系統(tǒng)低估或高估情況；補(bǔ)充測(cè)量缺失的數(shù)據(jù)，避免單因素方差分析過程中由于樣本容量不同導(dǎo)致的方差不齊，取樣量15 mg左右，其中，根、枝、葉、皮補(bǔ)充測(cè)定數(shù)據(jù)量為5、8、2、1、1個(gè)。

統(tǒng)計(jì)分析：根據(jù)實(shí)際測(cè)定結(jié)果，利用非線性關(guān)系(冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、二次函數(shù))描述樣品質(zhì)量與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定值的關(guān)系，選擇相關(guān)指數(shù)(R2)最大的二次函數(shù)擬合樣品質(zhì)量與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系，利用單因素方差分析(ANOVA)檢驗(yàn)同一器官不同篩網(wǎng)孔徑下碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異，通過Duncan多重比較查找差異源。利用二項(xiàng)式方程擬合樣品質(zhì)量與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定值之間的關(guān)系，通過冪函數(shù)擬合碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異系數(shù)與篩網(wǎng)目數(shù)之間的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 篩網(wǎng)孔徑對(duì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定的影響

確定合適的取樣量能夠提高儀器測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度。前期數(shù)據(jù)處理未發(fā)現(xiàn)取樣量對(duì)不同樹木組織部分的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不同，因此取樣量對(duì)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不區(qū)分樹木組織部分間的差異。如圖1所示，進(jìn)樣質(zhì)量與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為二次函數(shù)關(guān)系(R2=0.39,n=233,p<0.01)，通過方程推算合適的取樣質(zhì)量為14.93 mg。取樣質(zhì)量在該值附近能夠保證樣品稱量和測(cè)定過程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，重復(fù)測(cè)量各器官樣本碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)補(bǔ)充缺失數(shù)據(jù)。

圖1 樣品質(zhì)量與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系

如表1所示，細(xì)根、中根、中枝和樹皮不同篩網(wǎng)孔徑處理下的測(cè)定值存在顯著差異(p<0.05)，其他器官不同篩網(wǎng)處理的測(cè)定值差異不顯著(p>0.05)。細(xì)根碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)160目篩的測(cè)定值顯著低于其他篩網(wǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)，但其他各目篩網(wǎng)測(cè)定值間均不存在顯著差異；中根碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)80、160目篩的測(cè)定值顯著低于其他篩網(wǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)，但二者之間以及其他各目篩網(wǎng)測(cè)定值間均不存在顯著差異；中枝碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)80、160目篩的測(cè)定值顯著低于10、20目篩網(wǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)，但40目篩與其他各目篩網(wǎng)測(cè)定值間不存在顯著差異；樹皮碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)10目篩的測(cè)定值顯著高于其他篩網(wǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)，但其他各目篩網(wǎng)測(cè)定值間差異不顯著。細(xì)枝各目篩網(wǎng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定數(shù)據(jù)總體上差異不顯著(p>0.05)，但40目篩測(cè)定值顯著高于160目篩(p<0.05)。

如圖2所示，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定過程中，隨樣品顆粒物變小，樣品碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定值的變異系數(shù)有減小的趨勢(shì)，但這種趨勢(shì)沒有達(dá)到顯著水平(p=0.23)。篩網(wǎng)目數(shù)達(dá)到40目左右時(shí)，曲線有明顯拐點(diǎn)，說明顆粒物粉碎低于380 μm，則樣品測(cè)定值的變異程度降低緩慢。

表1 篩網(wǎng)孔徑對(duì)蒙古櫟不同樹木組織部分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定的影響

注：表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=5)，同行不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

誤差線表示標(biāo)準(zhǔn)差(n=5)。

2.2 蒙古櫟不同器官的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)

鑒于40目篩網(wǎng)的測(cè)定數(shù)據(jù)系統(tǒng)低估比較小且數(shù)據(jù)變異程度相對(duì)較小，選取40目篩網(wǎng)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定數(shù)據(jù)比較蒙古櫟不同器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的大小及其變異。蒙古櫟不同樹木組織部分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)從大到小順序?yàn)椋褐懈?、老枝、?xì)枝、中枝、老葉、細(xì)根、粗根、樹皮、樹干、新葉，具體數(shù)值詳見表1。ANOVA結(jié)果表明，蒙古櫟不同器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定值存在顯著差異(n=10,F=3.17,p=0.006)。各器官相比較，新葉碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，老枝和中根的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，細(xì)根、老葉和中枝碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于中等水平。Duncan多重比較結(jié)果顯示，新葉、樹干、粗根、樹皮、細(xì)根、老葉和中枝之間不存在顯著差異(p=0.051)，樹干、粗根、樹皮、細(xì)根、老葉、中枝和細(xì)枝之間不存在顯著差異(p=0.051)，細(xì)根、老葉、中枝、細(xì)枝、老枝和中根之間不存在顯著差異(p=0.079)；但新葉與細(xì)枝、老枝、中根差異顯著(p<0.05)。不同器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變異系數(shù)介于0.01～0.05。其中，中枝和老葉的變異系數(shù)較大，為0.05左右；粗根和樹干的變異系數(shù)較小，為0.01左右。

3 討論與結(jié)論

3.1 取樣量與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定值的變異

取樣量與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定值間呈現(xiàn)顯著的單峰拋物線規(guī)律。本研究確定蒙古櫟合適的取樣量為14.93 mg左右，這對(duì)后續(xù)研究具有很強(qiáng)的借鑒和參考意義。取樣過少，相對(duì)體表面積的增大會(huì)使樣品稱量過程中吸收空氣中的水分，導(dǎo)致測(cè)定結(jié)果低估；取樣過多，相對(duì)體表面積小，可能導(dǎo)致燃燒不充分或超過標(biāo)準(zhǔn)曲線量程過多，出現(xiàn)測(cè)定結(jié)果低估。樣品稱量極容易受到空氣環(huán)境中水分的影響，因此在確定合適取樣量的前提下，要盡量縮短稱量操作的時(shí)間，避免干燥樣品吸收空氣中過多的水分，致使碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定數(shù)據(jù)的系統(tǒng)低估。

3.2 篩網(wǎng)孔徑與碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定數(shù)據(jù)的變異

總體來看，篩網(wǎng)孔徑對(duì)蒙古櫟細(xì)根、中根和中枝的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果影響比較大，隨篩網(wǎng)目數(shù)的增大，其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定值減小的趨勢(shì)明顯。蒙古櫟是典型的硬木，而同一器官的不同部分堅(jiān)硬程度不均，導(dǎo)致在粉碎過程中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的部分沒有粉碎徹底，取樣不均造成對(duì)樣品碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的低估，因此通過高目篩網(wǎng)的樣品沒有較強(qiáng)的代表性。樹皮與其他器官相比容易粉碎，因此10目篩的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的顯著增大極有可能是稱量過程中取樣的隨機(jī)效應(yīng)導(dǎo)致的，即稱取樣品過程中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低的部分沒有做到充分取樣。

雖然球磨儀的使用能夠在一定程度上將樣品粉碎的更加徹底，但同樣存在進(jìn)樣質(zhì)量偏少、樣品的混合不均、代表性差的問題，因此篩網(wǎng)孔徑的選擇仍然是無法回避的問題。以往的研究往往注意到使顆粒物盡量細(xì)小便于燃燒充分(例如過80目篩)，但忽略了所稱量樣品的代表性問題，所以會(huì)對(duì)樣品的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)造成一定程度的低估。

結(jié)果顯示，20目與40目篩處理的蒙古櫟各器官樣品的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)穩(wěn)定，且二者之間沒有顯著差異。因此筆者建議在碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定過程中對(duì)顆粒物的大小要求不能太苛刻，粉碎后的樣品全部通過40目篩網(wǎng)后，則可以直接混勻取樣稱量測(cè)定，否則會(huì)對(duì)樣品的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)造成一定程度的低估[11]。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定是在高溫催化劑的條件下進(jìn)行的，所以只要取樣量合適則不會(huì)造成燃燒不充分的情況。對(duì)粉碎顆粒物大小的要求過于寬泛(例如10目)，取樣的隨機(jī)性則容易對(duì)樣品的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)造成一定程度的高估，可能的原因是植物各器官不容易粉碎部分通常有碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的單寧、木栓質(zhì)、木質(zhì)素等成分。這些成分與樹木長(zhǎng)期進(jìn)化過程中形成的保水和預(yù)防病蟲害和病原微生物的自我保護(hù)機(jī)制有關(guān)[24]。

3.3 蒙古櫟不同器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異與變異

森林在全球碳循環(huán)功能方面扮演著至關(guān)重要的角色[25]，森林碳儲(chǔ)量估算的相關(guān)研究常用森林生物量與含碳系數(shù)(通常選擇50%)估算，但這種不區(qū)分樹種和不區(qū)分樹木不同樹木組織部分的估算方式極有可能在尺度上推時(shí)造成對(duì)森林碳儲(chǔ)量的高估或低估，且誤差空間有可能超過5%[11-12]。Zhang et al.[15]指出，忽略樹種內(nèi)部各器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異將低估碳儲(chǔ)量6.7%，并指出蒙古櫟樹種各器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加權(quán)平均值為47.6%，這與本研究的結(jié)果(算數(shù)平均值47.3%)較為接近，說明林齡因素對(duì)同一樹種碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響不大。研究結(jié)果顯示，蒙古櫟不同樹木組織部分的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于45.91%～48.96%，凋落葉和中枝的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變異較大，粗根和樹干的變異程度較小。不同器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)總體上差異顯著，說明同一樹種不同器官的碳分配并不相同，這與Gao et al.[23]的研究結(jié)果一致。由于同一器官的不同部分的木質(zhì)化程度不均，普通粉碎機(jī)難以粉碎的部分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，所以取樣量合適且充分混合均勻能夠在一定程度上減小測(cè)量誤差。樹種內(nèi)部不同樹木組織部分間碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異是準(zhǔn)確估算區(qū)域尺度森林碳儲(chǔ)量和碳封存能力不容忽視的中間環(huán)節(jié)，忽略器官碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)變量，極有可能造成對(duì)蒙古櫟非木質(zhì)樹木組織部分碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的低估和木質(zhì)部分的高估。此外，本研究中沒有充分考慮到揮發(fā)性有機(jī)碳的影響，所以碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的測(cè)定值可能存在3%～5.8%的低估[19]。