湖南省馬尾松林生物總量的空間分布與動(dòng)態(tài)變化

徐 曉 ，楊 丹

湖南省馬尾松林生物總量的空間分布與動(dòng)態(tài)變化

徐 曉1，楊 丹2

(1.湖南省農(nóng)林工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究總院, 湖南 長沙 410007；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖南長沙 410004)

根據(jù)湖南省2006～2011年森林資源統(tǒng)計(jì)年報(bào)數(shù)據(jù)，分別采用相對(duì)生長方程和材積源法，估算湖南省馬尾松林生物總量、各地市（州）的分布及動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明：相對(duì)生長方程估算的湖南省2006年的馬尾松林的生物總量為66.87×106t，2011年為71.18×106t，上升了4.31×106t；材積源法估算的全省馬尾松林生物總量由2006年45.15×106t下降到2011年39.12×106t，相對(duì)生長方程估算的平均值50.98 t?hm-2比材積源法的33.36 t?hm-2高。2006～2011年間，全省幼齡林和中齡林的生物總量呈下降趨勢(shì)，近熟林、成熟林和過熟林的生物總量呈上升趨勢(shì)，西南部和南部馬尾松林生物總量較高，北部和東部較小。14個(gè)地市（州）中，懷化市馬尾松林的生物總量最高，2011年達(dá)7.86×106t；衡陽市最小，2011年僅 0.92×106t。2011年湖南省馬尾松林平均單位面積的生物量為31.61 t?hm-2，與2006年相比，下降了0.23 t?hm-2，低于我國森林生物量平均值（86.3 t?hm-2）。如何通過合理經(jīng)營、調(diào)整馬尾松的林分和林齡結(jié)構(gòu)提高林分生物量是林業(yè)生產(chǎn)中需要解決的問題。

森林生物量；材積源法；相對(duì)生長法；馬尾松林；湖南省

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其面積（4.10×109hm2）約占地球陸地面積的1/3，生物量約占整個(gè)陸地生態(tài)系統(tǒng)的90%[1]，生產(chǎn)量約占陸地生態(tài)系統(tǒng)的70%，在調(diào)節(jié)碳平衡、減緩大氣中CO2濃度上升及維護(hù)全球氣候等方面具有不可替代的作用[2-3]。森林生物量是研究森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基本數(shù)據(jù)[4]。準(zhǔn)確估算森林生物量是估算碳貯量的基礎(chǔ)，在全球氣候變化背景下，森林生物量估算已成為全球和區(qū)域碳平衡研究的重要內(nèi)容。

隨著國際氣候變化框架協(xié)議的實(shí)施，迫切需要對(duì)我國各森林樹種的生物量進(jìn)行科學(xué)的估算[5]。我國森林資源清查數(shù)據(jù)由于時(shí)間連續(xù)性強(qiáng)、覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)資料完整，利用這些資料數(shù)據(jù)估算各類森林生物量、碳貯量及時(shí)空變化得到了廣泛應(yīng)用[6]，在國家或區(qū)域尺度上評(píng)估森林資源碳吸存生態(tài)功能發(fā)揮重要作用。李文華[7]在國內(nèi)最先提出用森林資源清查資料估算區(qū)域森林生物量，趙敏[6]、方精云[8]等基于森林資源清查資料估算了我國森林碳貯量。但是，由于數(shù)據(jù)來源的復(fù)雜性導(dǎo)致區(qū)域、國家、全球尺度上對(duì)碳循環(huán)研究有很大不確定性[9]，有必要從不同途徑和方法來估算森林植被的碳貯量以及動(dòng)態(tài)，比較其差異及變動(dòng)范圍，從而提高估算的精度和可靠性。

馬尾松Pinus massoniana喜光喜溫，適合于年均溫13～22℃、年降水量800～1 800 mm和最低溫度大于-10℃的氣候條件，其根系發(fā)達(dá)、主根明顯，有根菌，喜微酸性土壤，在石礫土、沙質(zhì)土、粘土、山脊和陽坡的沖刷薄地及陡峭石山巖縫里均能生長，是我國南方植被恢復(fù)早期及人工造林的主要樹種。根據(jù)2009年我國森林資源清查數(shù)據(jù)，馬尾松林的面積為1.20×109hm2，森林蓄積量為5.88×1010m3，是我國森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在木材生產(chǎn)、森林固碳、保持水土等方面占有重要地位[10]。然而，馬尾松林生物量及碳貯量估算同樣存在數(shù)據(jù)來源和估測(cè)方法不同導(dǎo)致估算結(jié)果不確定性較大的問題[11-13]。湖南省地處亞熱帶，森林植被類型豐富，為馬尾松主要產(chǎn)區(qū)之一，但馬尾松林生物量的動(dòng)態(tài)變化、各地區(qū)之間分布的研究較少。本研究根據(jù)森林資源數(shù)據(jù)，采用不同方法分析了湖南省馬尾松林的生物量，為評(píng)價(jià)湖南省森林資源生態(tài)服務(wù)功能提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

湖南省位于長江中游、洞庭湖南岸, 地處云貴高原向江南丘陵和南嶺山脈向江漢平原過渡的地帶，東經(jīng) 108°47′～ 114°15′，北緯 24°38′～ 30°08′間。全省土地總面積 21.18×104km2，境內(nèi)地貌多樣，以山地、丘陵為主，山地占51%，丘陵占29%，素有“七山一水二分田”之稱。湖南省屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，年平均氣溫為16～18℃，日照時(shí)數(shù)1 300～1 800 h，降水量1 200～1 700 mm，山區(qū)高達(dá)2 000 mm以上，無霜期長達(dá)260～310 d。土壤類型多樣，包括紅壤、山地黃紅壤、山地黃壤、山地黃棕壤、山地草甸土5個(gè)主要類型。水熱條件優(yōu)越，自然資源豐富，為全省林業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，全省林業(yè)用地面積為12 477 122.2 hm2，有林地面積為10 029 145.8 hm2，活立木總蓄積量為338 635 938 m3，森林覆蓋率達(dá)54.32%。

2 數(shù)據(jù)來源和方法

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

本研究的數(shù)據(jù)來源于湖南省林業(yè)廳2006～2011年森林資源數(shù)據(jù)和2009年馬尾松固定樣地?cái)?shù)據(jù)。森林資源數(shù)據(jù)記錄了全省和各地市（州）馬尾松及其各齡級(jí)的面積、蓄積量，2006～2011年湖南省及各地市（州）的馬尾松林分的面積和蓄積數(shù)據(jù)見表1。湖南省馬尾松林分固定調(diào)查樣地共371塊，記錄了馬尾松林的林分年齡、平均胸徑、樹高和林分密度等數(shù)據(jù)。

2.2 相對(duì)生長方程估算方法

該方法主要根據(jù)371塊馬尾松固定樣地的林分年齡、平均胸徑、樹高和林分密度數(shù)據(jù)，用Xiang et al.建立下述馬尾松通用相對(duì)生長方程[14]，計(jì)算樣地平均木的生物量。

式中：B、D、H分別為馬尾松樣地的林分平均木生物量（kg）、胸徑（cm）和樹高（m）。

根據(jù)371塊馬尾松林樣地的林分密度N（株?hm-2），用公式（2）計(jì)算各樣地的生物量W（t?hm-2）：

由于各樣地記錄了林分年齡，可作出不同林齡馬尾松生物量變化圖。根據(jù)馬尾松林的齡級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算各齡級(jí)馬尾松林的單位面積平均生物量（Wi，t?hm-2）：

表1 湖南省2006～2011年馬尾松林的面積和蓄積數(shù)據(jù)Table 1 Total area and volume of P. massioniana forests in Hunan Province from 2006 to 2011

式中：n、Wij（t?hm-2）分別為某一齡級(jí)的樣地總數(shù)和生物量。

然后用湖南省森林資源數(shù)據(jù)中各齡級(jí)馬尾松林的面積，計(jì)算2006～2009年全省及各地（市、州）馬尾松林的生物量。

2.3 材積源法

該方法也叫材積源生物量法，即用林分生物量與材積之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算森林生物量。本研究根據(jù)焦秀梅等[15]建立的馬尾松林分蓄積與生物量關(guān)系式，根據(jù)2006～2009年森林資源數(shù)據(jù)，用公式（4）計(jì)算全省及各地（市、州）馬尾松林生物總量Wv（t）：

式中：V為森林資源數(shù)據(jù)中各齡級(jí)馬尾松林蓄積量（m3）；A為各齡級(jí)的面積（hm2）。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同年齡和齡級(jí)馬尾松林分生物量

根據(jù)2009年馬尾松的樣地?cái)?shù)據(jù)，相對(duì)生長方程計(jì)算出不同年齡馬尾松林的生物量見圖1。從圖1可看出，馬尾松林分生物量隨林齡增加而增大，但同一林齡的林分生物量差異較大，特別是林齡大的林分，這可能與不同的立地條件和經(jīng)營活動(dòng)有關(guān)。根據(jù)馬尾松齡級(jí)和齡組的劃分標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算出馬尾松林各齡組的平均林分生物量，馬尾松林的林分隨著齡組的增大而增大，從幼齡林的5.37 t?hm-2增加到熟林的 336.57 t?hm-2（見表 2）。

圖1 馬尾松林生物量隨林齡變化Fig. 1 Changes of Pinus massoniana forests biomass with stand age

將材積源法計(jì)算的各齡組馬尾松林生物總量除以對(duì)應(yīng)的面積，計(jì)算出馬尾松林各齡組單位面積林分生物量（見表2）。與相對(duì)生長方程估算的結(jié)果相比，除幼齡林結(jié)果高于相對(duì)生長法計(jì)算的結(jié)果，其他各齡組則都低于相對(duì)生長法計(jì)算的結(jié)果（見表2）。

湖南省馬尾松林的林分平均生物量為31.61t?hm-2，低于中國森林植被的平均生物量 (86.3 t?hm-2)[16]，表明湖南省馬尾松林生物量較低，可能與成熟林和過熟林占的比重較小和經(jīng)營管理水平不高有關(guān)。

表2 2種方法估算馬尾松林不同齡級(jí)的平均林分生物量Table 2 Average stand biomass estimated by allometric equation and volume conversion function for P. massoniana forests of different age-class groups

3.2 相對(duì)生長法估算的湖南省馬尾松生物總量分布與動(dòng)態(tài)變化

表3列出了用相對(duì)生長方程估算的2006年和2011年間湖南省及各地市（州）馬尾松林生物總量。2006年全省馬尾松林的生物總量為66.87×106t，2011年為 71.18×106t，上升了 4.31×106t。馬尾松林生物總量上升的主要原因是近熟林和成熟林的面積呈增加趨勢(shì)，2006～2011年湖南省馬尾松林的近熟林面積由379 085.2 hm2增加到469 459.2 hm2，成熟林的面積由127 438.2 hm2增加到152 027 hm2。不同齡級(jí)馬尾松林生物量不同，從幼齡林到中齡林、近熟林的生物總量增長較快，到成熟林、過熟林階段增長十分緩慢，原因是成熟林面積所占比例有所下降。

表3 相對(duì)生長法估算的湖南省及各地市（州）馬尾松林生物總量Table 3 Total biomass estimated by allometric equation for P. massioniana forests of different age-class groups in 14 cities at prefecture level in Hunan province 106 t

2006年近熟林的生物總量最大，幼齡林的生物總量最低，到2011年近熟林的生物總量最大，幼齡林的生物總量最低。僅6 a間，幼齡林、中齡林的生物總量呈下降趨勢(shì)，分別下降了0.65%和14.39%，近熟林、成熟林、過熟林的生物總量整體呈上升趨勢(shì)，占全省馬尾松林生物量的百分比上升趨勢(shì)明顯，分別上升了6.33%、3.92%和4.80%。因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，幼齡林、中齡林的面積逐年下降，而近熟林、成熟林、過熟林的面積呈逐年上升趨勢(shì)。

3.3 材積源法估算的湖南省馬尾松林生物總量分布與動(dòng)態(tài)變化

材積源法計(jì)算的2006年和2011年湖南省馬尾松林生物總量見表4。2006年全省馬尾松林的生物總量為 45.15×106t，2011年為 39.12×106t，下降了6.03×106t。各地市（州）由于馬尾松林面積存在較大的差異，其馬尾松林生物總量差異較為明顯，在0.92×106～7.86×106t之間變化。2006年各地市（州）馬尾松林生物總量在0.82×106～9.23×106t 之間變化，邵陽市的最大，為9.23×106t；益陽市最低，為0.82×106t。2011 年各地市（州）馬尾松林生物總量在0.92×106～7.86×106t 之間變化，懷化市的最大，為7.86×106t；衡陽市最低，為 0.92×106t。

表4 材積源法估算的湖南省及各地市（州）馬尾松林生物總量Table 4 Total biomass estimated by volume conversion function for P. massioniana forests in 14 cities at prefecture level in Hunan province

全省馬尾松林生物總量表現(xiàn)出南高( 生物量密度以高于全省平均生物量的市為主) 北低( 生物量密度以低于全省平均生物量的市為主)，從西到東未呈明顯變化規(guī)律。就全球陸地生態(tài)系統(tǒng)而言，地上植被生物量和碳貯量隨緯度的降低而增加[17]。周玉榮等[18]對(duì)我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)的碳貯量和碳平衡通量進(jìn)行估算后得出，我國主要森林生態(tài)系統(tǒng)植被的平均碳密度隨緯度的增加而減小。本研究結(jié)果與以上報(bào)道表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。

3.4 2種估算方法計(jì)算湖南省馬尾松林生物總量比較

圖2給出了2種方法估算的各齡組馬尾松林生物總量，各齡級(jí)馬尾松生物總量存在一定的差異，中齡林估算的生物量比較接近，幼齡林沒有差別，近熟林和過熟林用相對(duì)生長法估算生物量高于材積源法估算的結(jié)果，可能與相對(duì)生長方法利用的調(diào)查樣地均為保護(hù)較好林分，近熟林、過熟林分蓄積量達(dá)到了實(shí)際估測(cè)的成熟林水平，導(dǎo)致林分被低估。

圖2 2種方法估算湖南省各齡級(jí)馬尾松林生物量比較Fig. 2 Comparison of total biomass estimated by allometric equation and volume conversion function for P.massioniana forests of different age-class group in Hunan province

從2006 年到2011年，全省馬尾松林的生物總量變化趨勢(shì)是先下降再上升。2種方法的比較結(jié)果如圖3所示。表明全省的馬尾松林的生物總量變化趨勢(shì)較一致，均是先下降再上升，這與全省的馬尾松林的面積變化一致。

4 結(jié) 論

（1）相對(duì)生長法估算2011年湖南省馬尾松林生物總量為71.18×106t。不同齡組馬尾松林生物量不同，從幼齡林到中齡林、近熟林的碳貯量增長較快，到成熟林、過熟林階段增長十分緩慢，這一變化趨勢(shì)與不同齡組單位面積生物量、各齡組的面積總量有關(guān)。

圖3 2種不同方法估算湖南省馬尾松林生物總量的變化趨勢(shì)Fig. 3 Total biomass changes of P. massioniana forests in Hunan province during period from 2006 to 2011

（2）材積源法估算2011年湖南省馬尾松林生物總量為39.12×106t。各地市（州）由于馬尾松林面積存在較大的差異，其馬尾松林生物總量差異較為明顯，在0.92×106～7.86×106t之間變化。2006年各地市（州）馬尾松林生物總量在0.82×106～9.23×106t 之間變化，邵陽市的最大，為9.23×106t；益陽市最低，為0.82×106t。2011 年各地市（州）馬尾松林生物總量在0.92×106～7.86×106t 之間變化，懷化市的最大，為7.86×106t；衡陽市最低，為 0.92×106t。

（3）2種方法估算全省馬尾松林生物總量、各齡組馬尾松林生物總量存在一定的差異，中齡林估算的生物量比較接近，幼齡林沒有差別，近熟林和過熟林用相對(duì)生長法估算生物量高于材積源法估算的結(jié)果，可能與相對(duì)生長方法利用的調(diào)查樣地均為保護(hù)較好林分，近熟林、過熟林分蓄積量達(dá)到了實(shí)際估測(cè)的成熟林水平，導(dǎo)致林分被低估。相對(duì)生長方程估算森林生物量需要結(jié)合森林資源清查的樣地?cái)?shù)據(jù)，材積源法可用于森林資源清查的年度報(bào)告中面積和蓄積數(shù)據(jù)，但在省級(jí)尺度上估算森林生物量采用什么方法需要根據(jù)數(shù)據(jù)和估算精度來確定。

（4）2006～2011年間湖南省馬尾松林生物總量呈先下降再上升，這與全省的馬尾松林的面積變化一致。湖南省馬尾松林的林分平均生物量為31.61t?hm-2，低于中國森林植被的平均生物量(86.3 t?hm-2)[15]，表明湖南省馬尾松林生物量較低，可能與成熟林和過熟林占的比重較小和經(jīng)營管理水平不高有關(guān)。如何通過合理經(jīng)營、調(diào)整馬尾松的林分和林齡結(jié)構(gòu)提高林分生物量是林業(yè)生產(chǎn)中需要解決的問題。

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Spatial distribution and dynamic changes of total biomass quantity of Pinus massoniana forests in Hunan province

XU Xiao1, YANG Dan2
(1. Hunan Provincial Institute of Agriculture, Forestry and Industry Inventory and Planning, Changsha 410007, Hunan, China; 2. School of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Pinus massoniana forests play an important role in carbon storage and sequestration of regional and national scale because of their large forest area in China. Both general allometric equation and volume conversion function were used to estimate total stand biomass and average stand biomass of P. massoniana forests in Hunan Province, based on the data from forest resource inventory during the period from 2006 to 2011. The results show that total stand biomass of P. massoniana forests in Hunan estimated by allometric equation increased from 66.87×106t in 2006 to 71.18×106t in 2011, but the values estimated by volume conversion function decreased from 45.15×106t?hm-2in 2006 to 39.12×106t?hm-2in 2011. Average total stand biomass estimated by allometric equation was higher than that estimated by volume conversion function. The differences in the values estimated by two methods could be attributed to the increase in area of mature and over-mature stands and the underestimated stand biomass by volume conversion function. Total stand biomass of young and immature age-class forests decreased while those of near-mature, mature, and over-mature age-class forests increased during the period from 2006 to 2011. Spatially, total stand biomass of P. massoniana forests tended to decreased from southwest and south parts to north and east part. Among 14 cities at prefecture level in Hunan province, Huaihua had the largest total forest biomass (7.86×106t?hm-2) of P. massoniana forests in 2011, and Hengyang had the smallest total forest biomass (0.92×106t?hm-2) of P.massoniana forests in 2011. Average stand biomass of P. massoniana forests (31.61 t?hm-2) in Hunan in 2011 was lower than the average stand biomass of the forests (86.3 t?hm-2) in the whole country. To raise stand biomass of P. massoniana forests through forest structure adjustment and appropriate management is of fundamental for the forestry practices in Hunan Province.

forest biomass; volume conversion function; general allometric equation; Pinus massoniana forest; Hunan province

2012-09-22

國家林業(yè)局項(xiàng)目“2012年湖南省森林碳匯計(jì)量監(jiān)測(cè)體系建設(shè)”（2012HN-01）

徐 曉（1966-），男，湖南長沙人，高級(jí)工程師，主要從事森林資源調(diào)查、規(guī)劃與設(shè)計(jì)工作

S718.55+6；S791.248

A

1673-923X(2012)11-0073-06

[本文編校：謝榮秀]