秦嶺南坡針闊混交林喬木層地上生物量空間分布

李 鵬，李衛(wèi)忠，王 慶

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

秦嶺南坡針闊混交林喬木層地上生物量空間分布

李 鵬，李衛(wèi)忠，王 慶

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

為了解秦嶺南坡針闊混交林喬木層地上生物量的空間分布規(guī)律，采用樣地調(diào)查與異速生長方程相結(jié)合的方法，從林分結(jié)構(gòu)與地形因子兩方面對研究區(qū)森林生物量空間分布特征進行了分析。結(jié)果表明：（1）研究區(qū)森林生物量表現(xiàn)出明顯的空間異質(zhì)性，變化范圍為36.78～114.15 t/hm2，總平均生物量為70.62 t/hm2，并且生物量在不同坡向、海拔等級下差異顯著（P＜0.05）；（2）不同林分結(jié)構(gòu)的生物量水平差異明顯；（3）生物量水平和各地形因子具有顯著的相關(guān)性，并分析了各地形因子對生物量空間分布的影響，為研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建提供科學(xué)依據(jù)。

秦嶺南坡；針闊混交林；喬木層地上生物量；空間分布；地形因子

森林是構(gòu)成陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要部分，在全球變化研究中具有重大的現(xiàn)實意義[1]。作為森林生態(tài)系統(tǒng)的基本屬性，森林生物量的大小不僅代表一個地區(qū)森林的固碳能力，而且可以體現(xiàn)區(qū)域森林的碳平衡與穩(wěn)定水平[2]。有關(guān)研究[3-6]表明，森林生物量在空間上隨不同地區(qū)、不同生境條件、不同群落類型等的變化而變化。分析森林生物量在空間上隨地形因子的分布變化情況，對探討生物量在區(qū)域水平上的空間分布規(guī)律，研究生態(tài)服務(wù)功能與森林生產(chǎn)力具有重要價值。

秦嶺是我國重要的林區(qū)之一，具有豐富的森林資源和碳儲量，在維持區(qū)域性碳穩(wěn)定、碳平衡等方面發(fā)揮著重要作用。該地區(qū)地形差異明顯，不同地區(qū)坡向、坡度、海拔的不同導(dǎo)致降水、光照、氣溫等條件產(chǎn)生變化，使該地區(qū)林分生物量表現(xiàn)出一定的空間分布特征。本研究通過對研究區(qū)針闊混交林進行樣地調(diào)查，在利用異速方程計算各樣地平均生物量的基礎(chǔ)上，結(jié)合林分結(jié)構(gòu)（林型、林齡組）與地形因子（坡向、坡度、海拔）對研究區(qū)的森林生物量空間分布開展研究，旨在為秦嶺林區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建以及森林可持續(xù)經(jīng)營管理提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于秦嶺山脈南坡中段，地理坐標為東經(jīng) 107°41′～ 108°10′，北緯 33°16′～ 33°45′。海拔800 m至2 500 m，位于北亞熱帶向暖溫帶過渡的區(qū)域，有顯著的山地森林小區(qū)域氣候特征，年平均氣溫11.5 ℃，年平均降水量938 mm。地形復(fù)雜多樣，環(huán)境差異十分明顯，按地形可以劃分為低山河谷、低山谷坡、中山溝谷、中山陡坡4個自然區(qū)。土壤由低山至亞高山逐漸過渡，依次為黃棕壤（＜1 300 m）、棕壤（1 300～2 500 m）、暗棕壤（2 400～2 800 m）和草甸土（2 600～2 904 m）[7]。本區(qū)森林植被屬北亞熱帶向溫帶過渡的落葉闊葉林和針闊混交林帶，植被類型復(fù)雜多樣，主要針葉林有冷杉林、油松林、華山松林。闊葉林主要有櫟林、常綠落葉混交林、落葉闊葉雜木林、楊樺林，森林建群樹種主要有油松Pinus tabulaeformis、冷杉Abies fabric、華山松Pinus armandi、栓皮櫟Quercus variabilis、銳齒櫟Quercus alienavar.acuteserrata、紅樺Betula albo-sinensis等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地選擇和調(diào)查

為了能充分反映該地區(qū)針闊混交林生物量的空間分布特征，通過查閱佛坪縣森林資源分布圖、森林經(jīng)營資料，并通過實地考察，在研究區(qū)布設(shè)樣地30個（30 m×20 m）。樣地在垂直梯度上每隔100 m布設(shè)2個，并且在不同坡度（＜40°）和坡向上盡可能分布均勻，以確保樣地的代表性。對各樣地林分中胸徑在5 cm以上的喬木全部進行每木檢尺，以測取各樹木的樹高、胸徑以及冠幅。調(diào)查記錄樣地的基本資料還有坐標、海拔、坡度、坡向、坡位、林分郁閉度、人為干擾強度及土壤類型等。林分的平均年齡是在采用生長錐鉆取各優(yōu)勢樹種2～3株平均木木芯的基礎(chǔ)上，利用加權(quán)平均的方法測算取得。灌木層、草本層及地下根系生物量因受實際因素限制沒有測算。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)各樣地實測數(shù)據(jù)，采用異速生長方程測算單株地上各器官生物量，將每株干、枝、葉生物量求和后得到單株生物量。然后將樣地內(nèi)所有樹木的單株生物量相加得到樣地總生物量，進而根據(jù)樣地面積換算成單位林地面積生物量。各樹種本地區(qū)或附近地區(qū)生物量生長方程見表1。

表1 研究區(qū)各優(yōu)勢樹種生物量模型?Table 1 Biomass models of dominant species in study area

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)分別計算各齡組及不同林型的平均生物量，通過SPSS軟件進行單因素分析以檢驗其差異顯著性。根據(jù)研究區(qū)具體地形特征分別將海拔劃為5個等級，將坡度劃分為6個等級，將坡向分為陰坡、半陰坡、陽坡、半陽坡4個坡向，然后比較各坡向、海拔等級、坡度等級的林分單位面積生物量，以分析各地形因子對林分生物量分布的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 林分喬木層地上生物量空間分布特征

通過對30個樣地生物量進行分析可知，研究區(qū)單位面積生物量的變化范圍為36.78～114.15 t/hm2，總平均生物量為70.62 t/hm2。從表2中可以看出，研究區(qū)喬木層地上生物量在不同坡向分布變化差異大，其中陰坡（92.63 t/hm2）生物量積累水平最高，其它坡向由大到小依次為半陰坡、半陽坡、陽坡，生物量在各坡向上分布變化差異顯著（P＜0.05）。同樣由表2可知，生物量在不同海拔等級分布變化差異顯著（P＜0.05），其中在中低海拔生物量水平最高，不同海拔梯度生物量水平由高到低依次為：中低海拔＞中海拔＞低海拔＞中高海拔＞高海拔。從坡度上看，生物量的分布變化整體不顯著（P＞0.05），其中在陡坡（15°～25°）和急坡（26°～35°）生物量積累較高，而在平地和大于36°的急坡積累水平較低。

2.2 不同林分結(jié)構(gòu)生物量的分布比較

2.2.1 生物量在不同齡組的分布

研究區(qū)林分生物量在不同齡組的分布各異，由大到小為成熟林（80.87 t/hm2）＞過熟林（78.37 t/hm2）＞近熟林（76.98 t/hm2）＞中齡林（69.16 t/hm2）＞幼齡林（56.56 t/hm2）。其中，針葉類樹種（45.19 t/hm2）在近熟林階段的生物量積累最多，由圖1可知針葉類各齡組平均生物量積累水平由多到少為近熟林＞成熟林＞過熟林＞中齡林＞幼齡林；而闊葉類樹種呈現(xiàn)出不一樣的分布特征，平均生物量由大到小為過熟林＞成熟林＞近熟林＞中齡林＞幼齡林?？傮w來看，研究區(qū)林分以近成熟林為主，其生物量所占比例較高。

表2 不同地形下生物量的差異性顯著檢驗?Table 2 Test of biomass significant at different terrain differences

圖1 研究區(qū)各齡組的生物量分布Fig.1 Biomass distribution of each age group in study area

2.2.2 生物量在不同林型的分布

根據(jù)研究區(qū)森林結(jié)構(gòu)的特點，將林型主要劃分為油松櫟類混交林、落葉松櫟類混交林、云冷杉紅樺混交林、華山松櫟類混交林。由圖2可知，研究區(qū)4種林型森林地上生物量水平各異，各林型生物量水平由大到小依次為油松櫟類混交林（79.18 t/hm2）＞華山松櫟類混交林（73.86 t/hm2）＞云冷杉紅樺混交林（67.78 t/hm2）＞落葉松櫟類混交林（64.89 t/hm2）。其中油松櫟類混交林與落葉松櫟類混交林、云冷杉紅樺混交林平均生物量變化差異顯著（P＜0.05）。

2.3 各地形因子對林分生物量分布的影響

2.3.1 坡向?qū)ι锪靠臻g分布的影響

圖2 研究區(qū)各林型的生物量Fig.2 Biomass of each forest type in the study area

林分生物量水平隨坡向的改變表現(xiàn)出明顯的分布特征，在圖3（a）中可以看出，隨著太陽輻射方位角度數(shù)的增大，生物量水平先下降后上升。在秦嶺南坡潮濕的山谷云冷杉櫟類混交林與云冷杉紅樺混交林分布較多，因此生物量水平較高，當坡向到達200°左右的陽坡時，生物量出現(xiàn)最低谷。一般情況下，陰坡地區(qū)的土壤含水量高于陽坡，該坡向接受太陽輻射少，蒸發(fā)量低，土壤水分條件好，這為積累林分生物量奠定了基礎(chǔ)。因此，在研究區(qū)陰暗潮濕的環(huán)境下林分生物量積累較多，而在干、熱條件下生物量積累較少。

2.3.2 海拔對生物量空間分布的影響

由圖3（b）可知生物量水平最開始隨著海拔的逐漸增加而升高，當海拔到達1 300 m左右時生物量水平上升到最大值，為80 t/hm2；當海拔達到1 300 m后生物量逐漸降低。生物量的這種變化規(guī)律與海拔的改變導(dǎo)致的溫度差異和人為干擾強度的變化有著緊密的聯(lián)系。隨著海拔梯度的不斷升高，盡管研究區(qū)立地條件變差，但因為道路交通條件不便利，森林資源狀況受居民生產(chǎn)經(jīng)營活動的影響相對較小，所以生物量逐漸增大；到中高海拔階段以后，隨著海拔的升高，溫度不斷下降，立地條件較差，因此森林生物量便顯出逐漸下降的趨勢。

2.3.3 坡度對生物量空間分布的影響

由圖3（c）可以看出，當坡度低于25°時，生物量隨坡度的增大而增加。研究區(qū)小坡度地區(qū)土層厚度大，林地生產(chǎn)力條件較好。然而坡度較緩地區(qū)的農(nóng)田、居民點、殘次疏林等低生物量林地要素占據(jù)了多數(shù)土地，森林受到不同程度的人為干擾，而且成為坡度小于25°階段時影響生物量變化的主要因素，所以當坡度變大，人為干擾強度減小，生物量水平逐漸升高。而當坡度達到25°以上后，隨著坡度的增加，人類活動減少，徑流量增大，土壤對降水的保持率低，立地條件變差。由圖3（c）可以看出該坡度范圍生物量逐漸下降，說明這個區(qū)域影響生物量積累的兩個因素中立地條件的變化占主導(dǎo)因素。

圖3 生物量隨坡向、海拔、坡度的變化Fig.3 Biomass changes along different slope, altitude and slope

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié) 論

（1）研究區(qū)生物量空間分布具有明顯的異質(zhì)性，林分生物量變化范圍為50.69～92.63 t/hm2，總平均生物量為70.62 t/hm2。其中生物量水平在不同坡向和海拔等級上分布變化差異顯著（P＜0.05），而在不同坡度等級生物量變化差異不顯著（P＞0.05）。

（2）林分生物量水平在各林齡組和林型的分布不一樣。隨著齡級的增加，研究區(qū)闊葉類樹種生物量水平從幼齡林到過熟林逐漸升高，而隨著齡級的增加，針葉類樹種平均生物量水平在近熟林階段達到最高，為40.43 t/hm2。油松櫟類混交林在研究區(qū)4中主要林型中生物量水平最高，而落葉松與櫟類混交生長，平均年齡較小，生物量水平最低。

（3）地形因子主要通過改變水熱條件來影響生物量的累積，使生物量表現(xiàn)出一定的空間分布特征：研究區(qū)生物量水平隨海拔的升高表現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，其中在海拔1 300 m處達到最高；在坡向上，隨著太陽輻射方位角的增加，平均生物量先降低后增加，在200°時生物量水平最低；而生物量水平隨著坡度的增加先增加后降低，在坡度為25°左右時達到最大。

3.2 討 論

研究區(qū)針葉類樹種不同于闊葉類樹種林分生物量在不同齡組的分布，在近熟林齡階段的生物量積累最多，這與其所處的演替階段有關(guān)系。該區(qū)針葉類樹種主要有油松、華山松、云冷杉和落葉松等，基本上都處在演替的初期階段，因此林分在近成熟齡階段的生物量相對集中。而研究區(qū)闊葉類林分主要為樺木和櫟類，基本上都為過熟林，所以其所占的生物量比重較大。

坡向主要通過改變熱量的分配來影響植被在不同區(qū)域的分布狀況[12]。研究區(qū)位于秦嶺南坡，整體光照強度良好，土壤水分成為影響植物生長的重要因素，陰坡區(qū)域太陽輻射強度小，土壤水分充足，因此生物量積累較高。海拔主要是通過影響溫度和降水量，從而影響土壤濕度、溫度以及光照。研究區(qū)夏季多年平均氣溫隨著海拔的上升逐漸降低，海拔每升高100 m溫度降低約0.5 ℃[13]。溫度的改變會對各種植物的生長代謝產(chǎn)生直接影響，從而引起生物量積累水平發(fā)生變化[14]。多項研究得出生物量水平會隨著海拔的不斷升高而下降的結(jié)論[15-17]，而本次研究中得出生物量水平隨海拔的逐漸升高呈現(xiàn)出先增加后減少的變化規(guī)律，這主要是因為該地區(qū)海拔較低的地方林分受人為干擾的影響很大。坡度對生物量分布的影響主要是通過影響土壤含水率和人為干擾強度兩個因素來實現(xiàn)的[18]，這兩方面因素相互影響，使得林分生物量隨坡度的變化規(guī)律比較復(fù)雜。坡度大的地方土層一般較薄，保持水分能力比較差，而比較平緩的地方，土壤層較厚，土壤水分含量較多，也不易流失。另一方面，坡度大小直接影響到人為對森林的干擾破壞程度。

秦嶺地區(qū)森林正處于大規(guī)模的恢復(fù)當中，研究林分生物量的空間布信息對該區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建具有重要的基礎(chǔ)作用。針對研究區(qū)森林生物量空間分布特點，建議林業(yè)相關(guān)部門采取一系列有效的經(jīng)營措施：對于低海拔的和坡度較小的區(qū)域采取強有力的森林保護措施，減少人為對森林的干擾；采取“栽針保闊”的辦法，增加針葉林中闊葉樹的比例，使病蟲害情況得到防止或緩解；著力于改善林地生產(chǎn)力，強化林分的防護能力，按時開展撫育間伐工作，把林分的密度控制在合理范圍之內(nèi)；選擇生物量水平高、立地條件好的地段進行植樹造林，并且加強對低效林的改造，加快研究區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和重建。

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Spatial distribution characteristics of arbor layer aboveground biomass of coniferous-broadleaved mixed forest on southern slope of Qinling Mountains, northwestern China

LI Peng, LI Wei-zhong, WANG Qing
(College of Forestry, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, Shaanxi, China)

In order to understand the biomass spatial distribution rules of coniferous and broad-leaved mixed forest on the southern slope of Qinling Mountains, the spatial distribution characteristics of forest biomass in the study area were investigated and analyzed by using the data from fi eld survey and allometric equation, and from aspects of the stand structure and topography factor. The results reveal that(1) the biomass of this region varied obviously, the variation range were from 36.78 to 114.15 t/hm2, the average biomass was 75.15 t/hm2in study area; and the biomass varied signif i cantly with the changes of altitude and aspect (P＜ 0.05);（2）the biomass differences of different type and age groups were obvious; (3) there was a signif i cant correlation between the biomass level and terrain factors, and the change rules of biomass along with aspects, slopes and altitudes were analyzed. The findings provide a scientific guidance for the restoration and reconstruction of forest ecosystem.

southern slope of Qinling Mountains; coniferous and broad-leaved mixed forest; aboveground biomass of arbor layer;spatial distribution; terrain factors

S718.55+6

A

1673-923X(2014)09-0081-05

2014-01-20

國家林業(yè)局“948”項目（2009-4-45）

李 鵬（1987-），男，湖南岳陽人，博士生，主要研究方向：全球變化生態(tài)學(xué)；E-mail：lipeng_gz@126.com

李衛(wèi)忠（1964-），男，陜西蒲城人，副教授，主要研究方向：森林可持續(xù)經(jīng)營及評價；E-mail：weizhong_li@hotmail.com

[本文編校：謝榮秀]