CN104820065B - 一种城市单株乔木的碳汇测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市单株乔木的碳汇测算方法，先测量树冠光能利用率G、冠幅D、根呼吸占比B、叶遮光率f和瞬时光合速率P_i，计算出单位叶面积的年净碳量W_a，再将管养系数H及叶面积总量LAT＝S×LAI，S＝π×D²/4，单位叶面积平均接受光强值Y＝1/(f×LAI)，代入公式I即C_L＝H×G×(1‑B)×Wa×LAT×Y，计算单株乔木的碳汇值。本发明在气体交换法的基础上，结合树冠表观特征、光能利用率和管养方式，构建城市单株乔木的碳汇计算模型，进行城市绿地碳汇能力的精准测算，具有针对性强、操作简易、准确度高、不具破坏性、适于城市多异质环境等优点。

Description

一种城市单株乔木的碳汇测算方法

技术领域

本发明属于植物碳汇测算领域，具体涉及一种城市单株乔木的碳汇测算方法。

背景技术

随着1960年国际生物学计划IBP的发布，对森林和城市绿地植物生物量计量方法的研究逐渐受到关注。在城市中建立单木生产力模型是确定绿地碳汇量，实现中小尺度上遥感测汇的基础，相比于传统的森林替代法和林木材积法，该调查方法相对更为准确和科学。具有代表性的方法包括直接收获法和气体交换法(二氧化碳平衡法)。

直接收获法即实测法，是最可靠的植物碳量和生物量计量方法，但由于对植物样株的巨大破坏和需要耗费大量人力物力，所以目前该法主要用于为其它方法定标；气体交换法则通过测试树木绿量和植物叶光合能力便可计算净碳量和生物量，为了保证测试数据的代表性，气体交换法通常要求测试植物的四季光合固碳值，然后可以进一步给出净碳量与植物表观量的统计关系模型。

与收获法相比，气体交换法可以减少砍伐量、降低实验成本和提高工作效率。但比较以往的工作，气体交换法更多应用于自然森林系统，在城市单株乔木领域的测算尚未见详细的文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种城市单株乔木的碳汇测算方法，构建城市单株乔木的碳汇模型，进行城市绿地乔木植株碳汇能力的精准测算，辅助遥感系统在城市中小尺度植物的碳汇监测中使用，具有针对性强、操作简易、准确度高、不具破坏性、适行于城市多异质环境等优点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种城市单株乔木的碳汇测算方法，主要包括如下步骤：

1)测量树冠光能利用率G，其为空白和树林下的平均光强值之差与空白处平均光强值的比值，取值为0.7～1；

2)测量冠幅D，树冠横向和纵向直径测得数值的平均值，单位，m；

3)测量乔木植株的根呼吸占比B，其为根呼吸碳量/净碳量，取值为0.05～0.15；

4)测量叶遮光率f，根据测试植株的种类确定，取值为0.8～0.9；

5)测量瞬时光合速率P_i，单位：μmol·m^-2·s^-1，利用测得的P_i计算单位叶面积的日净碳量W_c：

单位：g·m^-2·d^-1，

式中，MW_c为碳的摩尔分子量，取值0.012g/mmol，T_day为白昼光合时间，取值为8～12h；n为实测光合速率的时段数，取值为3～5；

分别在春、夏、秋、冬四个季节内，选择具有代表性的天气3-5天，得到代表性天气的单位叶面积的日净碳量，对其进行均化处理，分别得到四个季节的单位叶面积的日净碳量W_c春、W_c夏、W_c秋、W_c冬，再进行均化处理，计算全年单位叶面积的日净碳量平均值W_d；

W_d＝(W_c春+W_c夏+W_c秋+W_c冬)/4，单位：g·m^-2·d^-1；

6)由W_d计算单位叶面积的年净碳量W_a；

W_a为光合有效天气的日净碳总量减去夜晚和阴雨天气的耗碳值；

植物在晚上和阴雨天气的暗呼吸消耗量分别为日净碳量的20％和10％；光合总天数＝光合有效天数+阴雨天数；

因此，W_a＝W_d×光合有效天数－(W_d×0.2×光合总天数+W_d×0.1×阴雨天数)；

7)计算植株的碳汇值

将上述测得的G、B、W_a、D和f代入碳汇值计算公式I，计算乔木植株的碳汇值；

C_L＝H×G×(1-B)×W_a×LAT×Y I

其中，H为管养系数，取值为0.5～1.1；

LAT为叶面积总量，LAT＝S×LAI；S＝π×D²/4；LAI为叶面积指数；

Y为单位叶面积平均接受光强的值，Y＝1/(f·LAI)，式中，f为叶遮光率。

进一步，所述的常绿乔木植株的年平均光合有效天数为200天，阴雨天数为165天，总光合总天数365天，根呼吸占比B为0.1，将G、B、W_a、D、f、H、LAT和Y代入碳汇值计算公式I计算常绿乔木植株的年碳汇值，得到公式II：

常绿乔木植株年碳汇值C_L＝H×G×78W_d×D²/f II。

又，所述的落叶乔木植株的年平均光合有效天数为120天，阴雨天数为96天，合计光合总天数216天，根呼吸碳量消耗为净碳量的10％，将得到的G、B、W_a、D、f、H、LAT和Y代入碳汇值计算公式I计算落叶乔木植株的年碳汇值，得到公式III：

落叶乔木植株年碳汇值C_L＝H×G×48W_d×D²/f III。

植物为了在一天中的任何时刻都能接受阳光和透射光，一般都会保持一定的叶面积指数，同时这也使得在任何时刻，除了垂直光面的叶片，并不是所有的植物叶都能接收到最大光强。

本发明中的叶遮光率f，是指晴朗天气正午太阳光强被单片叶层遮挡的程度，按百分比计算。

城市树木管养方式的不同，将表现在植株单位叶面积的日净碳量的不同，因此，本发明在碳汇值的计算公式中引入管养系数H。将树木的管养方式和植株单位叶面积的日净碳量进行关联性分析，可知，高管养模式(施肥翻土类型)H为1.1、一般管养模式(自然类型)H为1、低管养模式(踩踏和不透水类型)H为0.85，较差管养模式(病虫害类型)H为0.5。

本发明的碳汇值计算公式中，除计算单位叶面积上植株全年的光合固碳值外，引入了树冠光能利用率G和环境管养系数H，以应对城市环境的高异质性，使得模型估算值更加接近城市的现实情况，避免以往按照森林替代法和叶面积估算法得到的数值都往往严重偏高的情况。

本发明的有益效果：

本发明是在气体交换法的基础上，结合树冠表观特征、光能利用率和管养方式等，构建城市单株乔木的碳汇模型，进行城市绿地碳汇能力的精准测算，辅助遥感系统在城市中小尺度上的植物碳汇监测使用。以香樟植物为例，进行直接收获法的标定验证，准确率达到98％，印证了该发明具有针对性强、操作简易、准确度高、不具破坏性、适行于城市多异质环境等优点。

本发明以树冠作为主要特征值，方便日后应用于遥感测算，同时也缺失对环境高异质性的分析。

附图说明

图1为本发明与实际收获法测NPP时获取的香樟植物冠幅与净初级生产力之间的回归模型。

图2为本发明与实际收获法的NPP数据的线性分析比较。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步详细描述本发明的技术方案。

实施例

1.模型简化

为了方便模型参数的实际测试，将公式中的W_a、LAT、Y进行简化处理。

1)树冠光能利用率G的测定

选择城市树种不同年龄段和不同类型种植的健康样本数量，在树冠下选择10-15个随机样点，分别在上午10点，中午12点和下午14点获取空白和树林下的平均光强值，光强被树冠吸收的部分所占空白处的比值即为光能利用率G。

2)树木冠幅D的测定

用皮尺丈量树冠横向和纵向直径，测得数值的平均值为树木冠幅D，单位为m。

3)乔木植株的根呼吸占比B

根呼吸的碳量消耗一般为净碳量的10％，因此B为0.1。

4)叶遮光率f的测定

植物为了在一天中的任何时刻都能接受阳光和透射光，一般都会保持一定的叶面积指数，同时这也使得在任何时刻，除了垂直光面的叶片，并不是所有的植物叶都能接收到最大光强。叶遮光率，其为晴朗天气正午太阳光强被单片叶层遮挡的程度，按百分比计算。

5)管养系数H

城市树木管养方式的不同，表现在植株单位叶面积的日净碳量的不同，将两者进行关联性分析可得，高管养模式(施肥翻土类型)系数为1.1、一般管养模式(自然类型)系数为1、低管养模式(踩踏和不透水类型)系数为0.85，较差管养模式(病虫害类型)系数为0.5。

6)单位叶面积的日净碳量平均值W_c测定

在春夏秋冬四季中，选择较晴稳并具有代表性的天气4-5天，使用LI-6400便携式光合测量仪对香樟植物叶片进行光合测定。

选取枝条顶端第一片完全展开的成熟叶片，且无病虫害，每株测定10-15片，测定时段分别为7:00、9:00、11:00、13:00、15:00和17:00。

由实测的光合速率，求得植物单位叶面积的日净碳量，通常用下式计算，即：

式中，W_c为单位叶面积的日净碳量，单位：g·m^-2·d^-1；P_i是实测的瞬时光合速率，单位：μmol·m^-2·s^-1；n为实测光合速率的时段数，对于该实验n＝5；MW_c是C的克分子量，对于本实施例MW_c＝0.012g/mmol；T_day白昼光合时间，单位：h，对于本实施例T_day＝10。

7)全年单位叶面积上的净固碳值W_a

全年单位叶面积上的净碳量W_a，实际测试中是以晴朗天气为准，因此公式中W_a为有效天气的日净碳总量减去夜晚和阴雨天气的耗碳值。根据上海地区历史气象数据表明，上海的平均光合有效天数为200天，阴雨天气为165天，而一般植物阴雨天气和晚上的暗呼吸消耗量分别为日净碳量的10％和20％，由此计算常绿植物单位叶面积的年净固碳量W_a＝W_d×200-(W_d×0.2×365+W_d×0.1×165)＝110.5W_d；落叶植物单位叶面积的年净固碳量W_a＝W_d×120-(W_d×0.2×210+W_d×0.1×96)＝68.4W_d。

8)将上述测定并计算的数值代入碳汇计算公式I计算碳汇值

C_L＝H×G×(1-B)×W_a×LAT×Y I

其中，LAT＝S·LAI(S为树冠投影面积＝π·D²/4(D为冠幅))；Y＝1/

(f×LAI)

简化后的计算公式如下：

常绿乔木植株年碳汇值C_L＝H×G×78W_d×D²/f II

落叶乔木植株年碳汇值C_L＝H×G×48W_d×D²/f III。

2.验证

以上海城市常绿香樟植物为例，选取上海植物园苗圃内的香樟作为研究对象。参与实验的林地共有8片，每片林地取10m×10m的样地。样地的栽培密度主要有0.5m×0.5m；2m×2m；4m×4m三种。对各样地选择标准木进行每木检尺。标准木需符合树干直、健康、无病虫害等要求。标准木大小依胸径选定。胸径分布于3～23cm(25cm以上的大树砍伐较难有合适对象或难以审批)，每2cm为一个径级，每个径级取一株标准木，共11株标准木。测定的表观量包括：胸径(DBH；1.3m处)、树高(H)、冠幅(D)、基径、叶面积总量(LAT)等(表1)。

表1 香樟标准木的基本参数特征

2.1.本发明的气体交换法构建城市香樟单株碳汇测算模型

经过测试，11株香樟白天的平均单位叶面积的日净碳量(W_c)春夏秋冬分别是4.03g﹒m^-2﹒d^-1、3.84g﹒m^-2﹒d^-1、3.40g﹒m^-2﹒d^-1和3.10g﹒m^-2﹒d^-1，均值为3.59g﹒m^-2﹒d^-1；香樟叶的遮光率(f)为0.9；香樟树冠光能利用率(G)平均值为94％；苗圃地香樟的管养模式为自然类型，管养系数为1。

根据本发明常绿乔木植株树种碳汇计算公式II计算，得C_L＝0.32D²

植物生物量与碳量的转换系数比值在不同的植物之间不同，国际上一般取0.45。因此，以本发明光合模型构建的单株乔木净初级生产力模型：NPP＝0.7D²(NPP为净初级生产力)。

2.2.直接收获法构建城市香樟单株碳汇标准模型

香樟净初级生产力(NPP)和地上净初级生产力(ANPP)数据是以“基径测量法”获得的。该法首先建立标准木树干基径(D_T)与生物量AVB的统计相关方程(式a)。

AVB＝0.11D_T ^2.27 式a

然后通过测量树干基部样本盘，得到各标准木树干基径年生长变化。将测量时段选为3年，推算出3年前各标准木的AVB为AVB_-3，设测量起点年份的AVB为AVB₀，则ANPP的值可以按式b估算。

ANPP＝(AVB₀-AVB_-3)/3 式b

通常可以在ANPP的基础上附加根系和凋落物的生物量来估算NPP，因此本实验按照式c估算香樟的NPP。

NPP＝ANPP(1+0.2/0.8)+L_w/2 式c

其中，L_w为叶生物量。

以冠幅D作为表观量与NPP的测量或估算值做非线性拟合，可以得到如式d所示的相关方程。

NPP＝0.57D^2.10 式d

2.3.模型对比

参见图1～图2，将利用本发明的香樟净初级生产力和实际砍伐获得的光合理论数值做验证比较，图1为通过本发明模拟计算NPP和实际收获法测NPP时获取的香樟植物冠幅与净初级生产力之间的回归模型比较，可见，两种方法计算的回归曲线一致，将本发明的单株乔木的年碳汇值公式套用到实际砍伐的香樟木标准模型中计算，得到线性方程y＝0.979x-0.274，两者的线性误差率仅为2％，平均准确率为98％，R²＝0.94，见图2。

可见，本发明的碳汇测算模型在和标准模型具有高度的拟合程度，不仅操作流程简单，无破坏性，同时还能反映城市不同环境下的树木固碳差异。

Claims (5)

1.一种城市单株乔木的碳汇测算方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)测量树冠光能利用率G，其为空白和树林下的平均光强值之差与空白处平均光强值的比值，G的取值为0.7～1；

2)测量冠幅D，树冠横向和纵向直径测得数值的平均值，单位，m；

3)测量乔木植株的根呼吸占比B，其为根呼吸碳量/净碳量，B的取值为0.05～0.15；

4)测量叶遮光率f，根据测试植株的种类确定；

5)测量瞬时光合速率P_i，单位：μmol·m^-2·s^-1，利用测得的P_i计算单位叶面积的日净碳量W_c：

单位：g·m^-2·d^-1，式中，MW_c为碳的摩尔分子量，取值0.012g/mmol，T_day为白昼光合时间，取值为8～12h；n为实测光合速率的时段数，取值为3～5；

分别在春、夏、秋、冬四个季节内，选择具有代表性的天气3-5天，得到代表性天气的单位叶面积的日净碳量W_c，对其进行均化处理，分别得到四个季节的单位叶面积的日净碳量W_c春、W_c夏、W_c秋、W_c冬，再进行均化处理，计算全年单位叶面积的日净碳量平均值W_d；W_d＝(W_c春+W_c夏+W_c秋+W_c冬)/4，单位：g·m^-2·d^-1；

6)由W_d计算单位叶面积的年净碳量W_a

W_a为光合有效天气的日净碳总量减去夜晚和阴雨天气的耗碳值；植物在晚上和阴雨天气的暗呼吸消耗量分别为日净碳量的20％和10％；光合总天数＝光合有效天数+阴雨天数；

因此，W_a＝W_d×光合有效天数－(W_d×0.2×光合总天数+W_d×0.1×阴雨天数)；

7)计算单株乔木的年碳汇值

将上述得到的G、B、W_a、D和f代入碳汇值计算公式I，计算单株乔木的年碳汇值；

C_L＝H×G×(1-B)×W_a×LAT×Y I；

其中，H为管养系数，取值为0.5～1.1；

LAT为叶面积总量，LAT＝S×LAI；S＝π×D²/4；LAI为叶面积指数；

Y为单位叶面积平均接受光强的值，Y＝1/(f·LAI)，式中，f为叶遮光率。

2.根据权利要求1所述的城市单株乔木的碳汇测算方法，其特征在于，叶遮光率f的取值为0.8～0.9。

3.根据权利要求1所述的城市单株乔木的碳汇测算方法，其特征在于，所述的乔木植株为常绿乔木植株或落叶乔木植株。

4.根据权利要求3所述的城市单株乔木的碳汇测算方法，其特征在于，所述的常绿乔木植株的年平均光合有效天数为200天，阴雨天数为165天，总光合总天数365天，根呼吸占比B为0.1，将G、B、W_a、D、f、H、LAT和Y代入碳汇值计算公式I计算常绿乔木植株的年碳汇值，得到公式II：

常绿乔木植株年碳汇值C_L＝H×G×78W_d×D²/f II。

5.根据权利要求3所述的城市单株乔木的碳汇测算方法，其特征在于，所述的落叶乔木植株的年平均光合有效天数为120天，阴雨天数为96天，合计光合总天数216天，根呼吸碳量消耗为净碳量的10％，将得到的G、B、W_a、D、f、H、LAT和Y代入碳汇值计算公式I计算落叶乔木植株的年碳汇值，得到公式III：

落叶乔木植株年碳汇值C_L＝H×G×48W_d×D²/f III。