CN102349420A - 毛竹林碳汇能力的测定与提高碳汇能力的配肥方法 - Google Patents

Abstract

一种毛竹林碳汇能力的测定与提高碳汇能力的配肥方法，按如下六个步骤进行：一是试验设计，对毛竹林样地进行选择，试验小区的设定和处理，再进行取样、测定和计算；二是毛竹林年呼吸碳排放总量的测定与计算，进行土壤呼吸速率的测定、温室气体CO₂排放通量的计算、土壤年累积呼吸中CO₂排放总量的计算和无根呼吸的土壤CO₂排放量的确定；三是毛竹林植被碳贮量的测定与估算；四是土壤碳贮量的测定与计算；五是毛竹林年净固碳量的计算；六是提高毛竹林碳汇能力的最佳配肥方案。按本方法得出的最佳配肥方案进行施肥，能显著提高毛竹林的碳汇能力，为解决大气CO₂浓度增加所产生的温室效应，提供了一种有效又切实可行的新方案。

Description

毛竹林碳汇能力的测定与提高碳汇能力的配肥方法

【技术领域】

本发明涉及林业的碳贮量和碳排放的测定及计算、增加植被碳贮量减少土壤碳排放的配肥方法。

【背景技术】

大气二氧化碳浓度升高会直接导致大气吸收太阳的长波辐射的增加，引起全球性的气温上升，使气候激烈波动。极地永冻冰层的快速融化，大大减少陆地面积，威胁着人类与陆地生物的居住安全。因此，减少二氧化碳排放，成为全球的研究热点。

森林地上部分植被碳库储存了全球80％的地上碳储量，森林土壤碳库储存了全球土壤碳储量的40％左右。因此，森林在调节全球气候、维持全球碳平衡中具有十分重要的作用。

毛竹(Phyllostachys pubescens)是中国南方重要的森林资源。据第6次全国森林资源清查统计，中国毛竹林面积达337.2×104hm²，近7.5×10⁹株，约占全国竹林面积的70％。毛竹林具有生长适应性强，生长快，生物量积累迅速的优点。据资料表明，毛竹林乔木层年固碳量为5.097t hm^-2，是速生阶段杉木的1.46倍、热带山地雨林的1.33倍、苏南27年生杉木林的2.16倍。因此，毛竹被很多学者认为是碳汇林造林的理想树种。

经营管理措施对林木的生长以及森林生态系统的的碳循环具有非常显著的影响。因此，通过对森林生态系统管理模式的调整来提高其对碳的吸收固定能力是促进温室气体减排的一种有效方法。调整林分结构和合理施肥是增加单位面积森林生产力的重要手段。特别是N、P、K合理配比，增施有机肥等措施不仅可以提高森林地上部分林木的碳贮量，还可以增加土壤有机碳的量，是提高森林生态系统CO₂吸收固定量的重要措施。在以往毛竹林肥料试验中大多关注施肥对竹材和竹笋产量的影响，很少涉及到施肥对土壤碳库以及土壤呼吸碳释放的影响研究，更缺少施肥对整个毛竹林生态系统碳汇能力的影响研究。为此，我们通过正交设计试验，研究不同氮磷钾水平配比对毛竹林植被碳贮量、土壤碳贮量以及土壤呼吸CO₂排放的影响，以求得到毛竹林碳汇能力最大化的施肥NPK配方。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一整套有关毛竹林碳汇能力的测定与提高碳汇能力的配肥方法。

解决该技术问题采用的技术方案是：毛竹林碳汇能力的测定与提高碳汇能力的配肥方法按如下步骤进行：

一、试验设计：

(1)毛竹林样地的选择：根据海拔、光照、坡位和坡向选择当地毛竹林代表性地段，选择毛竹林中间位置的地段，排除路边和沟边的地段，在选定的地段中布置试验小区；

(2)试验小区的处理：利用正交设计方法设置小区处理，施肥试验设3个因素，分别为施氮量、施磷量、施钾量，每个因素设3个水平，氮肥，磷肥，钾肥分别以尿素、过磷酸钙、氯化钾形态施入；

(3)取样与测定：施肥处理后的每个月上旬选择一天，测定土壤呼吸速率，试验历时1年，在试验开始前和结束后，测定毛竹林植被碳贮量和土壤碳贮量，根据试验前后毛竹林植被碳贮量、土壤碳贮量的变化结合全年土壤呼吸释放碳量来计算整个毛竹林生态系统年净固定CO₂的量，即毛竹林的碳汇能力大小；

二、毛竹林年土壤呼吸碳排放总量的测定与计算：

(1)土壤呼吸速率的测定：采用静态箱-气相色谱法测定，用装有氢焰离子化检测器的HP5890型气相色谱仪分析气样中CO₂浓度；

(2)温室气体CO₂排放通量的计算：温室气体CO₂排放通量计算方法如下所示：

$F=\mathrm{\ρ}\frac{V}{A}\frac{P}{P_0}\frac{T_0}{T}\frac{d{C}_t}{d_t}$

式中，F为CO₂排放通量，V为箱体体积，A为箱体底面积，

为单位时间取样箱内CO₂浓度的变化量，ρ为标准状态下CO₂的浓度，T₀和P₀分别为标准状态下的空气绝对温度和气压，P和T为测定时箱内的实际气压和气温；

(3)土壤年累积呼吸中CO₂排放总量的计算：土壤年累积呼吸中CO₂排放总量的计算方法如下：

M＝∑(F_i+1+F_i)/2×(t_i+1-t_i)×24

式中，M为土壤年累积呼吸中CO₂排放总量，F为CO₂排放通量，i为采样次数，t为采样日期；

(4)无根呼吸的土壤CO₂排放量的确定为R_S＝0.6×R_SO，其中R_SO为有根呼吸的土壤CO₂排放量；

三、毛竹林植被碳贮量的测定与估算：

测定试验小区里面每根毛竹的胸径和竹龄，采用毛竹单株二元生物量模型估算毛竹地上部生物量，根据毛竹地下部与地上部生物量比率乘以地上部生物量得到毛竹地下部生物量；公知经学者实测和计算毛竹平均碳密度为0.5042，将求得的毛竹林生物量转换为毛竹林植被碳储量；

四、土壤碳贮量的测定与计算：在每个试验小区里，建立3个土壤剖面，采集0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-100cm土层土壤样品，测定每个土层土壤样品的容重和有机碳含量指标；其中容重用环刀法测定，有机碳含量用碳氮元素分析仪测定；

根据4个土层的土壤有机碳含量和土壤容重，计算每个土层土壤有机碳储量SOC＝h×ρ×C

式中：SOC为土壤有机碳储量(吨/公顷)即(t hm^-2)，h为土层厚度(米)，ρ为土壤容重(g cm^-3)，C为土壤有机碳含量(％)；

五、毛竹林年净固碳量的计算：

毛竹林年净固碳量＝植被碳贮量年净增量+土壤碳贮量年净增量-土壤呼吸年碳排放总量×0.6；

六、提高毛竹林碳汇能力的最佳配肥方案：

分别计算施氮量、施磷量和施钾量三个因素各个水平条件下的毛竹林年净固碳量并进行比较，确定每个因素在哪个水平条件下毛竹林碳汇能力最佳，得出提高毛竹林碳汇能力的配肥方案。

本发明的有益效果是通过对毛竹林植被碳储量、土壤碳贮量和土壤呼吸碳排放量的测定，根据肥料三要素施入量与毛竹林碳汇能力高低的对比试验结果得出最佳配肥方案，用最佳配肥方案所配的肥料进行施肥，能显著提高毛竹林的碳汇能力，减少CO₂排放，为世界各国关注的这一热点问题，提供一整套切实可行的处理方法。

【具体实施方式】

下面，本发明结合实施例予以详述：本毛竹林碳汇能力的测定与提高碳汇能力的配肥方法按如下步骤进行：

一、试验设计：

现以在浙江省临安市青山镇的一丘陵红壤毛竹林地选择试验小区的试验为例进行介绍：

(1)毛竹林样地的选择：根据海拔、光照、坡位和坡向选择当地毛竹林代表性地段，选择毛竹林中间位置的地段，排除路边和沟边的地段，在选定的地段中布置试验小区；

(2)试验小区的处理：利用正交设计方法设置小区处理。施肥试验设3个因素，分别为施氮量、施磷量、施钾量，每个因素设3个水平(如表1所示)，采用L₉(3⁴)正交表，正交设计试验方案如表2所示。

表1毛竹林施肥正交设计试验的因素水平

表2毛竹林施肥正交设计试验方案

本试验共设计9个处理，因此布置9个试验小区。每个小区面积为600m²，每个小区间隔3m。根据处理的具体内容，于2009年5月15日对小区进行施肥，氮肥、磷肥、钾肥分别以尿素(含N 46.5％)、过磷酸钙(含P₂O₅ 16％)、氯化钾(含K₂O 57％)形态施入，施肥以后进行适度翻耕；

(3)取样与测定：施肥处理后的每个月上旬选择一天，测定土壤呼吸速率，试验历时1年。在试验开始前和结束后，测定毛竹林植被碳贮量和土壤碳贮量。根据试验前后毛竹林植被碳贮量、土壤碳贮量的变化结合全年土壤呼吸释放碳量来计算整个毛竹林生态系统年净固定CO₂的量，即毛竹林的碳汇能力大小；

二、毛竹林年土壤呼吸碳排放总量的测定与计算：

(1)土壤呼吸速率的测定：采用静态箱-气相色谱法测定。采样箱为组合式，即由底座、顶箱组成，均用PVC板做成；面积为30cm×30cm，高度为30cm。采集气体时，将采集箱插入底座凹槽(凹槽内径和深度均为5cm)中，用蒸馏水密封，分别于关箱后0、10、20、30min，用注射器抽样60mL，密封带回实验室，用装有氢焰离子化检测器的HP5890气相色谱仪分析气样中CO₂浓度；

(2)温室气体CO₂排放通量的计算：温室气体CO₂排放通量计算方法如下所示：

$F=\mathrm{\ρ}\frac{V}{A}\frac{P}{P_0}\frac{T_0}{T}\frac{d{C}_t}{d_t}$

式中，F为CO₂排放通量，V为箱体体积，A为箱体底面积，

为单位时间取样箱内CO₂浓度的变化量，ρ为标准状态下CO₂的浓度，T₀和P₀分别为标准状态下的空气绝对温度和气压，P和T为测定时箱内的实际气压和气温；

这里所说的CO₂排放通量是指单位时间单位面积土壤表面CO₂排放总量，严格意义上讲是指未扰动土壤中单位时间单位面积产生的CO₂的所有排放量，包括单位时间单位面积土壤通过三个生物学过程(土壤微生物呼吸、根系呼吸、土壤动物呼吸)和一个非生物学过程(含碳矿物质的化学氧化作用)产生的CO₂排放总量；

(3)土壤年累积呼吸中CO₂排放总量的计算：土壤年累积呼吸中CO₂排放总量的计算方法如下：

M＝∑(F_i+1+F_i)/2×(t_i+1-t_i)×24

式中，M为土壤年累积呼吸中CO₂排放总量，F为CO₂排放通量，i为采样次数，t为采样日期；

不同肥料处理下毛竹林土壤年累积呼吸中CO₂排放总量的比较如表3所示：

表3不同肥料处理下毛竹林土壤年累积呼吸中CO₂排放总量的比较

注：表中hm²表示公顷，a表示年。

(4)无根呼吸的土壤CO₂排放量的确定：土壤通过呼吸把其微生物贮存的碳素和土壤自身及枯落物分解放出的CO₂排放到大气中，但根的碳素消耗(根呼吸量)已经在计算毛竹林植被碳贮量净增量时考虑了，因此，在计算土壤呼吸量时应该除去。根据以往的研究报道，土壤呼吸放出的CO₂(R_SO)的C只有60％来自土壤有机物的分解，而40％来自根的新陈代谢。因此无根时土壤呼吸量R_S＝0.6×R_SO。

三、毛竹林植被碳贮量的测定与估算：

测定试验小区里面每株毛竹的胸径和竹龄，采用毛竹单株二元生物量模型估算毛竹地上部生物量，毛竹单株二元生物量模型如下：

$M=747.787D^{2.771}{\left(\frac{0.148A}{0.028+A}\right)}^{5.555}+3.772$

式中：M表示生物量(干重)、D表示胸径、A表示竹龄。

根据毛竹地下部与地上部生物量比率0.603乘以地上部生物量得到毛竹地下部生物量。利用毛竹植株平均碳密度为0.5042，将求得的毛竹林生物量转换为毛竹林植被碳储量。在试验开始前和结束后，测定毛竹林植株碳贮量，两者相减得到毛竹林植被碳贮量年净增量。不同肥料处理下毛竹林植被碳贮量年净增量的比较如表4所示：

表4不同施肥水平对毛竹林植被碳贮量年净增量的影响

四、土壤碳贮量的测定与计算：在每个试验小区里，建立3个土壤剖面，采集0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-100cm土层土壤样品。测定每个土层土壤样品的容重和有机碳含量指标。其中容重用环刀法测定；有机碳含量用碳氮元素分析仪测定。

根据4个土层的土壤有机碳含量和土壤容重，计算每个土层土壤有机碳储量SOC＝h×ρ×C

式中：SOC为土壤有机碳储量(thm^-2)，h为土层厚度(米)，ρ为土壤容重(g·cm^-3)，C为土壤有机碳含量(％)。

在试验开始前和结束后，测定毛竹林土壤碳贮量，两者相减得到毛竹林土壤碳贮量年净增量。不同肥料处理下毛竹林土壤碳贮量年净增量的比较如表5所示。

表5不同肥料处理下毛竹林土壤碳贮量年净增量的比较

五、毛竹林年净固碳量的计算：毛竹林年净固碳量的计算公式如下：

毛竹林年净固碳量＝植被碳贮量年净增量+土壤碳贮量年净增量-土壤呼吸CO₂年排放总量×0.6。

不同肥料处理下毛竹林年净固碳量的比较如表6所示。

表6不同肥料处理下毛竹林年净固碳量的比较

六、提高毛竹林碳汇能力的最佳配肥方案：

分别计算施氮量、施磷量和施钾量三个因素各个水平条件下毛竹林年净固碳量，结果如表7所示。

表7试验处理组合的碳汇功能与各水平平均数比较

由表7可见，为了达到毛竹林碳汇功能的最大化，各因素的最优水平分别为：A2(施氮量为125kg N hm^-1)、B2(施磷量为40kg P₂O₅hm^-1)和C3(施钾量为100kg K₂O hm^-1)。因此，提高本试验地毛竹林碳汇能力的最佳配肥方案是：施氮量125kg N hm^-2、施磷量40kg P₂O₅hm^-2和施钾量100kgK₂O hm^-2。

本试验所指的施肥量是指毛竹林初夏时期的一次施肥量。若有志者结合毛竹林各生长期的需肥特征，参照本方法进行对应的试验、测定和计算，得出毛竹林各生长期的最佳配肥方案，进行分次施肥，效果更好。

Claims (1)

1.一种毛竹林碳汇能力的测定与提高碳汇能力的配肥方法，其特征是按如下步骤进行：

一、试验设计：

(1)毛竹林样地的选择：根据海拔、光照、坡位和坡向选择当地毛竹林代表性地段，选择毛竹林中间位置的地段，排除路边和沟边的地段，在选定的地段中布置试验小区；

(2)试验小区的处理：利用正交设计方法设置小区处理，施肥试验设3个因素，分别为施氮量、施磷量、施钾量，每个因素设3个水平，氮肥，磷肥，钾肥分别以尿素、过磷酸钙、氯化钾形态施入；

(3)取样与测定：施肥处理后的每个月上旬选择一天，测定土壤呼吸速率，试验历时1年，在试验开始前和结束后，测定毛竹林植被碳贮量和土壤碳贮量，根据试验前后毛竹林植被碳贮量、土壤碳贮量的变化结合全年土壤呼吸释放碳量来计算整个毛竹林生态系统年净固定CO₂的量，即毛竹林的碳汇能力大小；

二、毛竹林年土壤呼吸碳排放总量的测定与计算：

(1)土壤呼吸速率的测定：采用静态箱-气相色谱法测定，用装有氢焰离子化检测器的HP5890型气相色谱仪分析气样中CO₂浓度；

(2)温室气体CO₂排放通量的计算：温室气体CO₂排放通量计算方法如下所示：

$F=\mathrm{\ρ}\frac{V}{A}\frac{P}{P_0}\frac{T_0}{T}\frac{d{C}_t}{d_t}$

式中，F为CO₂排放通量，V为箱体体积，A为箱体底面积，

为单位时间取样箱内CO₂浓度的变化量，ρ为标准状态下CO₂的浓度，T₀和P₀分别为标准状态下的空气绝对温度和气压，P和T为测定时箱内的实际气压和气温；

(3)土壤年累积呼吸中CO₂排放总量的计算：土壤年累积呼吸中CO₂排放总量的计算方法如下：

M＝∑(F_i+1+F_i)/2×(t_i+1-t_i)×24

式中，M为土壤年累积呼吸中CO₂排放总量，F为CO₂排放通量，i为采样次数，t为采样日期；

(4)无根呼吸的土壤CO₂排放量的确定为R_S＝0.6×R_SO，其中R_SO为有根呼吸的土壤CO₂排放量；

三、毛竹林植被碳贮量的测定与估算：

测定试验小区里面每根毛竹的胸径和竹龄，采用毛竹单株二元生物量模型估算毛竹地上部生物量，根据毛竹地下部与地上部生物量比率乘以地上部生物量得到毛竹地下部生物量；公知经学者实测和计算毛竹平均碳密度为0.5042，将求得的毛竹林生物量转换为毛竹林植被碳储量；

四、土壤碳贮量的测定与计算：在每个试验小区里，建立3个土壤剖面，采集0-20cm、20-40cm、40-60cm、60-100cm土层土壤样品，测定每个土层土壤样品的容重和有机碳含量指标；其中容重用环刀法测定，有机碳含量用碳氮元素分析仪测定；

根据4个土层的土壤有机碳含量和土壤容重，计算每个土层土壤有机碳储量SOC＝h×ρ×C

式中：SOC为土壤有机碳储量，单位：吨/公顷即thm^-2；h为土层厚度，单位：米；ρ为土壤容重，单位：g cm^-3；C为土壤有机碳含量百分数；

五、毛竹林年净固碳量的计算：

毛竹林年净固碳量＝植被碳贮量年净增量+土壤碳贮量年净增量-土壤呼吸年碳排放总量×0.6；

六、提高毛竹林碳汇能力的最佳配肥方案：

分别计算施氮量、施磷量和施钾量三个因素各个水平条件下的毛竹林年净固碳量并进行比较，确定每个因素在哪个水平条件下毛竹林碳汇能力最佳，得出提高毛竹林碳汇能力的配肥方案。