绿洲农田防护林带根生物量调查方法

赵英铭,雷渊才,杨文斌,包春燕,高君亮,黄雅茹,张鸿怿

(1.中国林业科学研究院荒漠化研究所,北京 100091；2中国林业科学研究院沙漠林业实验中心,内蒙古 磴口 015200；3.国家林业局内蒙古磴口荒漠生态系统定位观测研究站,内蒙古 磴口 015200；4.中国林业科学研究院资源信息研究所,北京 100091；5.巴彦淖尔市科技局,内蒙古 临河 015000)

绿洲农田防护林带根生物量调查方法

赵英铭1,2,3,雷渊才4,杨文斌1,包春燕5,高君亮1,2,3,黄雅茹2,3,张鸿怿2,3

(1.中国林业科学研究院荒漠化研究所,北京 100091；2中国林业科学研究院沙漠林业实验中心,内蒙古 磴口 015200；3.国家林业局内蒙古磴口荒漠生态系统定位观测研究站,内蒙古 磴口 015200；4.中国林业科学研究院资源信息研究所,北京 100091；5.巴彦淖尔市科技局,内蒙古 临河 015000)

森林固碳可减缓气候变暖环境恶化,故碳汇一直是国内外研究热点。我国人工林已成为林业主体,西北地区将成为未来人工造林的主要区域,但西北碳汇和生物量的研究较少,为探明西北地区人工林碳汇功能,且不破坏原有基础设施,特开展本项研究。以绿洲田渠林路式新疆杨农田防护林带为调查对象,采用空间代时间的方法,按照胸径、树高由小到大,由胸径、树高与相对应的根生物量建立生长模型,以此模拟林带生物量增长过程。对根生物量调查,采取6个步骤和相应计算公式,设计了一种田渠路林式农田防护林带根生物量调查计算方法,最终建立了由胸径、树高与根生物量的增长模型,其中胸径与主根、侧根、根生物量模型分别为W=0.0268D1.32.1717,W=0.0191D1.32.1346,W=0.0465D1.32.1557。模型经检验,回归关系极显著,与以往模型相比更可靠实用。

根生物量；田渠林路式；农田防护林；绿洲；沙漠

0 引言

CO2排放使全球气候变暖引发一系列问题或灾害[1]。森林吸碳放氧可减缓气候变暖,故森林碳汇一直是研究重点[2-8]。我国碳循环及储量研究虽开展较晚,但碳汇及气候变化已成为当前研究重点[9-11]。21世纪初,国内学者推算出我国近50年森林植被碳库及其动态,对森林碳汇功能进行了评价[9,12-15]。碳汇计算取决于生物量和含碳率的乘积,植物含碳率差异不大,故碳汇研究实际就是生物量的研究。森林植被碳库准确估算是揭示“碳失汇”现象的重要前提[16]。森林碳储量研究更多转向人工林领域[17-19],人工林碳贮量与碳平衡研究已成为生态学研究热点[20-24]。我国人工林面积速增,人工林固碳及减缓气候变暖作用受到重视[25-27]。森林碳密度和碳贮量研究也进行了一些[13-14,28-29],且学者们给出杨树生物量模型[11,30],但种间差异大,无大径级数据。魏艳敏[31]、胡莎莎等[32]、桑巴叶等[33]对新疆杨(Populusalbavar.pyramidalisBunge.)生物量和碳储量进行了研究并给出了生长方程,但并没有提及林带结构模式对生物量影响,且所取样本均为小树,平均胸径只有8.26cm,样本数量少也不具代表性。目前,我国西北地区是未来林业造林发展主要方向,而西北以沙漠为主。磴口沙漠绿洲30年农田防护林经营模式,是以抗旱树种新疆杨为造林树种,以窄林带、小网格为节水配置的田渠林路式农田防护林模式。此模式下,新疆杨长势和防风效果良好,碳汇功能强大,可为西北地区借鉴。西北防护林杨树是主栽树种,其品种差异巨大,但有些碳汇研究并无细分至品种[30,34-41]；沙漠绿洲农田防护林生物量和碳汇虽有一些研究[31-33,42-44],但未具体到新疆杨,且区域差异较大。综上所述,基于农田、渠道、道路、林带相结合的窄林带适合西北地区的节水型模式农田防护林,但对其根生物量研究鲜有报道。原根生物量调查方法会破坏农田、渠道、道路。为此,本文以极端干旱气候条件下沙漠绿洲田渠林路窄林带节水造林模式为研究对象,针对绿洲田渠路林式农田防护林带根生物量,提出一种新的研究方法,以期为估算节水型农田防护林提供参考依据。

1 试验区概况

试验区位于乌兰布和沙漠东北部磴口绿洲,地理坐标为40°27′28.19″N,106°47′5.47″E。属大陆性季风气候区,全年气候干旱少雨,年均降雨量144mm,蒸发量3 000mm左右,风沙危害较重,主要发生在春季,主害风西风、西北风,是沙尘暴发源地之一。为防风固沙，建设了大面积的农田防护林。由于气候干旱,水资源匮乏,只能发展灌溉林业,才能保证林带正常生长。灌溉方式有引黄河水灌溉和地下水灌溉。由于农田地势高于黄河水位,必须建立以电为动力的扬水站,用抽水机扬水灌溉。所以林带必须与灌溉渠道紧密结合,栽植在灌溉渠道上,结合农田灌溉可保证渠道林带吸收充足水分。但灌溉期毕竟时间太短,在非灌溉时期或黄河缺水期,加之水权置换项目采用渠道衬砌使黄河水引水量总体减少,使得林带建设必须靠近农田,这样林带根系可从林带两侧农田里吸收水分和养分。为便于人行和苗木运输及林业机械运输,以及道路遮阴等因素,农田道路以及电网多与林带相结合。如此便形成了田渠路林模式的农田防护林,且应用广泛(图1)。调查林带为田渠林路式2行新疆杨防护林,株行距2.3m×7.2m,年龄20a生,平均胸径27.75cm,平均树高19.96m,渠道宽4m,渠道边至新疆杨1.6m,新疆杨至路1m。

图1 一种田渠路林式农田防护林带结构

2 研究方法

2.1调查必备工具

该田渠路林式防护林带根生物量调查方法,必须借助小型挖掘机、0.5-1T的电子秤、40kg小勾秤、钢卷尺、游标卡尺、胸径围尺、电锯、手锯、斧头、绳索、记号笔、塑料袋、烘箱、20kg台秤、记录本和笔,以及较多人工方可完成。所用工具均为普通市场工具,便于购买取得,造价成本低。

2.2调查方法

为了弥补现有技术缺陷,提供了一种田渠路林式农田防护林带根生物量调查方法。选择样带是通过如下技术方案实现的。

1) 林带结构参数调查。调查林带胸径、树高、冠幅、株行距等参数指标,为选择目标树种建模提供基础数据。

2) 选取样方。因田渠林路式林带周围分布着渠道、道路、农田,为不破坏基础设施,故根系不能完全挖出,只能在特定的空间选取样方。在选择目标林带,调查胸径、树高基础上,采用空间代替时间的方法,林带按胸径由小到大的顺序选择20棵目标伐倒木。对每一株伐倒木,基于株距2.3m,行距7.2m,样方宽度应小于或等于株行距,以目标伐倒木伐根为中心,选定宽×长×深为2.3m×2.5m×1m的一个样方(图2)。

1-取样方;2-分土层;3-侧根分级称重测量取样;4-主根称重分段取样;5-推算侧根样方外截断根系生物量

图2田渠路林式农田防护林带调查方法结构示意图

Fig.2Schematicdiagramofthesurveymethodsoffarmlandshelterbeltinfarmland-channel-forest-roadmodel

3) 分土层。在样方内分4层进行挖根(0～30cm,30～50cm,50～100cm,100cm以下),边挖边拣出全部侧根根系并冲洗,不要草根。

4) 主根称重分段取样。在挖到1m深时,用挖掘机将主根全部拽出,并将深1m内树根用挖掘机全部挖出(一般根系不会超过2m,到1m深时完全可拽出),保留主根,将1m深以下侧根锯断,根桩部分去掉备用,主根现场称鲜重并测量长度,每隔50cm取圆盘称鲜重并烘干称重,计算干物质含量,再由主根鲜重计算主根干物质的量,即主根生物量。计算公式:主根生物量=主根鲜重×(样品干重/样品鲜重)

5) 侧根分级称重测量取样和建模方法。侧根生物量取样方法:按照土壤分层,将每一层根系(包括1m以下的),按根系粗头直径分级(<0.2cm为细根,0.2～0.5为小根,0.5～2.0cm为中根,2.0～5.0cm为大根,≥5cm为粗根),粗根和大根每一根分别称其鲜重，测量两端直径、长度,并取样供烘干称重,计算干物质含量,粗根和大根称量总鲜重分别计算总的干物质的量；中根、小根、细根分别称量总鲜重,取10～20个称鲜重，测量两端直径、长度,并取样供烘干称重,结合总鲜重分别计算总的干物质含量。计算公式如下:

每层侧根粗根生物量=Σ粗根总鲜重×(样品干重/样品鲜重)

每层侧根大根生物量=Σ大根总鲜重×(样品干重/样品鲜重)

每层侧根中根生物量=Σ中根总鲜重×(样品干重/样品鲜重)

每层侧根小根生物量=Σ小根总鲜重×(样品干重/样品鲜重)

每层侧根细根生物量=Σ细根总鲜重×(样品干重/样品鲜重)

6) 累加计算根生物量。将以上计算的主根干物质的量和侧根干物质的量累加得到根总干物质的量,即根系总生物量。

根系总生物量=主根生物量+侧根生物量

2.3侧根生物量建模方法

在样方内,按照土壤分层在每层所得截断侧根称量鲜重,按照步骤“5)”计算各级侧根干物质含量,在测量鲜重的同时测量两端直径、长度,将样方内截断侧根近似看成圆台,利用圆台体积公式计算样方内不同直径侧根密度,再根据样方内截断侧根末端直径作为样方外的侧根基径,将样方外的侧根近似看成圆锥体,按照圆锥体积计算公式和侧根密度公式((3)式)计算样方外侧根鲜重,然后各级侧根鲜重累计与相应干鲜比相乘得到各级侧根生物量,再将各级侧根生物量累加得到侧根总生物量。其计算过程如下:

W0=W1+W2

(1)

式中:W0为整根侧根鲜重,W1为样方内截断的侧根鲜重,W2为样方外截断侧根鲜重。

W1样方内侧根形状接近圆台,根据圆台体积公式,计算样方内侧根鲜重((2)式)。

(2)

式中:d1为样方内侧根起始端直径,d2为样方截断处侧根末端直径,l1为样方内侧根长度,ρ为样方内侧根密度。

(3)

W2为样方外截断的侧根部分可近似地看成圆锥体,根据圆锥体体积公式结合密度得到:

(4)

式中:d2为样方内侧根末端直径,l2为样方外侧根系长度,ρ为样方外侧根密度。

将(3)式代入(4)式得:

(5)

l1,l2,d1,d2围成的两个三角形应为相似三角形,根据三角形相似原理,可得:

(6)

(7)

(8)

将(7)式代入(1)式得:

(9)

式中:W0为单个侧根鲜重,W1为样方内单个侧根鲜重,d1为样方内侧根起始端直径,d2为样方内侧根末端直径,l1为样方内侧根长度,l2为样方外侧根长度。

再将计算的各级单个侧根鲜重累加与相应干物质含量(即干鲜比)相乘得到各级侧根干物质量((10)式)。

∑W01=∑W0×ε

(10)

式中:∑W01为各级侧根的干物质量,∑W0为各级侧根鲜重,ε为各级侧根干鲜比。

再将各级侧根干物质的量累加求和得到侧根生物量((11)式)。

(11)

2.4具体实施方式

1) 图2为本设计的一种具体实例。如图2中数字所示，该田渠路林式农田防护林带生物量调查方法,包括6个步骤,即取样方—分土层—侧根分级称重测量取样—主根称重分段取样—推算侧根样方外截断根系生物量—累加计算根生物量。在具体实施时按照以上6个步骤,逐一进行即可。其特征是:所进行的生物量调查在选定样方内进行挖掘,不会破坏地面的基础设施,如渠道、道路、农田、电网等,以保证安全性。

2) 该田渠路林式农田防护林带生物量调查方法使用时,在进行样方选定的时候，宽必须与株距保持一致,长不能影响到渠道、道路、农田、电网,深达1m时,用挖掘机可拽出；根系称量前应先冲洗掉泥土,以免有误差；在挖土时借助挖掘机方便快捷；称鲜重所用秤,其称量值范围应在500～1 000kg之内(精度±20g)；测量侧根鲜重、直径、长度需用到小型秤(最大称量40kg,精度±1g),游标卡尺、围尺、盒尺等工具；侧根取样时需用到塑料带或信封袋,用于装根,样品需及时烘干,以防霉变。该调查方法简单,易操作。

3 结果分析

3.1田渠林路式新疆杨防护林带径级分布

对2行田渠林路农田防护林带156m,共122株新疆杨进行调查,统计不同径级的数量,得到林带不同径级新疆杨的数量分布(图3),其回归方程的形式为多项式分布((12)式)。

(12)

式中:N变量为不同胸径内的数量,单位株；D1.3自变量为胸径,单位cm；相关系数R=0.9096,平均胸径27.75cm。

图3 田渠林路式新疆场林带不同径级数量分布图

3.2林带根生物量模型

林带根生物量模型有2种计算方法:方法1,可通过胸径和主根、侧根分别建模,计算主根、侧根生物量,然后进行累加计算根生物量；方法2,也可通过胸径和总生物量直接建模计算根生物量。

3.2.1田渠林路式2行新疆杨主根生物量建模

据调查,新疆杨主根一般不超过2m,质地坚硬,密度较大,含水率50%左右,基本涵盖了一半左右根生物量,所以主根生物量在根生物量中所占比重较大。将20株新疆杨按照胸径由小到大,由胸径和与胸径相对应的主根干物质的量建立多个模型方程,有指数方程、线性方程、多项式方程、对数方程、幂函数方程,经过认真比较后发现幂函数分布方程相关系数最高,拟合较好(图4)。2行田渠林路农田防护林带新疆杨胸径与主根生物量关系方程为:

图4 新疆场林带主根生物量趋势图

W=0.0268D1.32.1717

(13)

式中:W为主根生物量,单位kg；D1.3为胸径,单位cm；相关系数R=0.9804。对模型((13)式)进行t分布的假设检验。经查表,自由度18的t0.01=2.878,|t|=21.08>t0.01,表明胸径与主根生物量有回归关系,且模型((13)式)b=2.1717,回归关系极显著。

田渠林路式2行新疆杨20株按照胸径由小到大,由胸径、树高与相对应的主根生物量建模,选择相关系数最高的幂函数模型,则由胸径、树高与主根生物量建模为:

(14)

式中:W为根生物量,单位kg；D1.3为胸径,单位cm；H为树高,单位m；相关系数R=0.9751。对模型((14)式)进行t分布的假设检验。经查表,自由度18的t0.01=2.878,|t|=18.65>t0.01,表明胸径、树高与主根生物量有回归关系,且模型((14)式)b=0.7363,回归关系极显著。

采用模型(13)式、(14)式,可由胸径和树高计算主根生物量,这为主根生物量的计算提供了方便。

3.2.2田渠林路式2行新疆杨侧根生物量建模

根据调查数据显示,侧根作为根系的重要组成部分,在根生物量中占有另外50%左右的比例。在干旱的沙漠绿洲,水因子是林带健康生长的第一限制因子,故林带侧根根系的分布多具有向水性,因所调查的新疆杨林带为田渠林路模式配置,林带侧根根系会向渠道和林带两侧的农田延伸生长,汲取水分和养分以保证林带正常生长。将20株新疆杨按照胸径由小到大,由胸径和与胸径相对应的侧根生物量建立的模型方程,如指数方程、线性方程、多项式方程、对数方程、幂函数方程中,幂函数方程相关系数最高,拟合较好(图5)。2行新疆杨胸径和侧根生物量的方程选用幂函数方程形式((15)式)。

W=0.0191D1.32.1346

(15)

式中:W变量为侧根生物量(kg),D1.3自变量为胸径(cm),相关系数R=0.9588。对模型((15)式)进行t分布的假设检验。经查表,自由度18的t0.01=2.878,|t|=14.31>t0.01,表明胸径和侧根生物量有回归关系,且模型((15)式)b=2.1346,回归关系极显著。

图5 新疆杨侧根生物量变化趋势图

田渠林路式2行新疆杨20株按照胸径由小到大,由胸径、树高与相对应的侧根生物量建模,选择相关系数最高的幂函数模型,则由胸径、树高与侧根生物量建模为:

(16)

式中:W为根生物量,单位kg；D1.3为胸径,单位cm；H为树高,单位m；相关系数R=0.9677。对模型((16)式)进行t分布的假设检验。经查表,自由度18的t0.01=2.878,|t|=16.28>t0.01,表明胸径、树高与侧根生物量有回归关系,且模型((16)式)b=0.7344,回归关系极显著。

模型(15)式、(16)式,可由胸径和树高计算侧根生物量,这为侧根生物量计算提供了方便。

3.2.3田渠林路式2行新疆杨根生物量直接建模

田渠林路式2行新疆杨20株按照胸径由小到大,由胸径和与胸径相对应的根生物量直接建模,在模型方程(线性方程、指数方程、对数方程、多项式方程、幂函数方程)中选择相关系数最高的幂函数模型,拟合较好(图6)。则由胸径与根生物量直接建模，方程式为:

W=0.0465D1.32.1557

(17)

式中:W为根生物量,单位kg；D1.3为胸径,单位cm；相关系数R=0.9805。对模型((17)式)进行t分布的假设检验。经查表,自由度18的t0.01=2.878,|t|=21.14>t0.01,表明胸径与根生物量有回归关系,且模型(17)b=2.1557,回归关系极显著。

图6 新疆杨根生物量变化趋势图

田渠林路式2行新疆杨20株按照胸径由小到大,由胸径、树高与相对应的根生物量直接建模,选择相关系数最高的幂函数模型,则由胸径、树高与根生物量直接建模，方程式为:

(18)

式中:W为根生物量,单位kg；D1.3为胸径,单位cm；H为树高,单位m；相关系数R=0.9808。对模型((18)式)进行t分布的假设检验。经查表,自由度18的t0.01=2.878,|t|=21.35>t0.01,表明胸径、树高与根生物量有回归关系,且模型(18)b=0.7351,回归关系极显著。

4 结论与讨论

表1列出了相关文献与本文所得的新疆杨单株根生物量回归方程。

表1 田渠林路式2行新疆杨单株根生物量的回归方程

1)胡莎莎等[32]、魏艳敏[31]、桑巴叶[33]等推算的新疆杨生物量模型与本文模型结构基本一致,但参数差异较大,其原因是新疆与内蒙地域气候立地条件差异较大、林分类型差异较大、所选新疆杨胸径差异较大、样本容量不同造成的。本文所选的新疆杨是针对内蒙西部沙漠绿洲磴口地区,对该区新疆杨生物量估算更具实际指导意义。本文所选研究对象是2行窄林带结构的新疆杨林带,这对于发展节水型窄林带农田防护林并估算其生物量有着重要的参考意义；本文所选目标伐倒木的胸径范围包含10～41.97cm,这对于中龄林、成熟林的生物量估算更有实际参考价值,样本容量是文献[31-33]中的2～3倍,更具有说服性和可靠性。陈章水等[42]推算的新疆杨生物量模型是对新疆南部疏勒地区的人工新疆杨片林生物量进行调查,得出的生物量方程模型略有差异,方程的相关系数也较本文低,与本文推算模型差异原因是地域的差异、片林和窄林带差异,以及模型参数不同造成的。

2)田渠路林式农田防护林带根生物量调查方法产生的有益效果是:针对干旱区节水模式农田防护林带提出的根生物量调查方法,其简单方便,省去了很多繁琐的工序,如修复渠道、农田、道路等,大大降低了调查成本,为绿洲农田防护林生物量的计算提供了研究方法,进而为碳储量和碳汇价值计算提供了便利条件,达到了林业实验要求；为西北乃至三北防护林等林业工程中,如对类似田渠林路模式防护林生物量进行调查的工程项目,提供了参考；给林业科研工作者提供方便,便于大范围推广。

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InvestigationMethodofRootBiomassofOasisFarmlandShelterbelt

ZHAO Yingming1,2,3,LEI Yuancai4,YANG Wenbin1,BAO Chunyan5,GAO Junliang1,2,3,HUANG Yaru2,3,ZHANG Hongyi2,3

(1.InstituteofDesertificationStudies,CAF,Beijing100091,China; 2.ExperimentalCenterofDesertForestry,CAF,Dengkou,InnerMongolia015200,China;3.InnerMongoliaDengkouDesertEcosystemResearchStation,StateForestryAdministration,Dengkou,InnerMongolia015200,China;4.ResearchInstituteofForestResourceInformationTechniques,CAF,Beijing100091,China;5.Bayannao'erTechnologyBureau,Linhe,InnerMongolia,015000,China)

root biomass,farmland-channel-forest-road model,farmland shelterbelt,oasis,desert

S792.11

A

1002-6622(2017)05-0078-08

2017-08-09；

2017-09-27

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(CAFYBB2017MB002,CAFYBB2014MA016,CAFYBB2012003)

赵英铭(1980-),男,内蒙古人,高工,在读博士,主要从事水土保持与荒漠化防治方面的研究。

Email：zhaoyingming2004@aliyun.com

杨文斌(1959-),男,内蒙古人,研究员,博导,研究方向为防沙治沙。Email：nmlkyywb@163.com

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.05.014