福建將樂(lè)林場(chǎng)杉木碳儲(chǔ)量密度控制圖的編制

向玉國(guó)，鄭小賢，劉波云，趙 娜，侯紹梅

(北京林業(yè)大學(xué) 森林資源與環(huán)境管理國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

由于大氣二氧化碳濃度升高而引起的全球氣候變化以及1997年簽訂的《京都議定書》，使碳儲(chǔ)量的研究成為了國(guó)內(nèi)外的熱點(diǎn)，各國(guó)學(xué)者開(kāi)始重視森林碳儲(chǔ)量的研究，測(cè)定了一些樹種的含碳率以及部分典型植被類型的碳儲(chǔ)量[1]。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者利用國(guó)家森林資源清查資料對(duì)我國(guó)森林植被的碳儲(chǔ)量、固碳現(xiàn)狀及潛力進(jìn)行了區(qū)域尺度的估算[2-10]，這些研究在很大程度上推動(dòng)了森林碳儲(chǔ)量的研究，但是有關(guān)碳儲(chǔ)量與林分密度關(guān)系的研究卻不多，尤其是反映不同立地條件碳儲(chǔ)量積累過(guò)程的研究很少。林分密度控制圖能夠有效地反映林分蓄積量和林分因子的生長(zhǎng)過(guò)程，而碳儲(chǔ)量與蓄積量之間關(guān)系緊密，因此通過(guò)編制碳儲(chǔ)量密度控制圖能夠預(yù)測(cè)林分在不同生長(zhǎng)時(shí)期的碳儲(chǔ)量，模擬林分碳儲(chǔ)量的變化過(guò)程。林分密度控制圖編制方法簡(jiǎn)單，使用方便，在森林撫育采伐、森林產(chǎn)量預(yù)測(cè)和森林質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面使用價(jià)值很高。在20世紀(jì)80-90年代，許多學(xué)者研究了林分蓄積量與林分密度的關(guān)系，編制了不同地區(qū)、不同樹種的林分密度控制圖[11-19]，這些研究在林業(yè)生產(chǎn)中有著很高的實(shí)用價(jià)值。但對(duì)不同立地條件下林分密度與森林碳儲(chǔ)量的林分密度控制圖的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究探索了不同地位級(jí)的杉木林分碳儲(chǔ)量與林分密度之間的關(guān)系，編制了杉木林分碳儲(chǔ)量密度控制圖，以期為林業(yè)生產(chǎn)提供可行性強(qiáng)、操作方便的林分碳儲(chǔ)量密度控制圖編制方法。

1 研究區(qū)概況

將樂(lè)國(guó)有林場(chǎng)位于福建省北部的將樂(lè)縣城區(qū)，地處武夷山支脈，屬于閩西北低山丘陵地帶，地理坐標(biāo)為東經(jīng)117°06′，北緯26°26′。將樂(lè)林場(chǎng)平均海拔400～800 m，最高海拔1 203 m，最低海拔140 m，屬于中亞熱帶沿海海洋性季風(fēng)氣候，具有海洋性和大陸性氣候特點(diǎn)，年平均氣溫18.7 ℃，年平均降雨量1 669 mm，雨季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，氣候溫潤(rùn)，雨量充足。全場(chǎng)土地面積7 113.6 hm2，有林地面積6 509.7 hm2，森林總蓄積量87.3萬(wàn)m3。其中，商品用材林面積5 687.7 hm2，主要以杉木與馬尾松人工林為主；生態(tài)公益林612.4 hm2，經(jīng)濟(jì)林73.7 hm2，竹林135.9 hm2，森林覆蓋率94.8%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料來(lái)源

主要數(shù)據(jù)資料有將樂(lè)林場(chǎng)1996年和2007年2期森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)，將所有杉木林小班的相關(guān)數(shù)據(jù)整理后基本信息見(jiàn)表1。另設(shè)調(diào)查樣地22塊，樣地大小20 m×30 m，涉及的杉木人工林類型有：杉木純林(12塊)、杉木-馬尾松混交林(6塊)、杉木-火力楠混交林(1塊)、杉木-毛竹混交林(3塊)。

表 1 福建將樂(lè)林場(chǎng)杉木林小班數(shù)據(jù)基本信息

2.2 數(shù)學(xué)建模

利用SPSS 19、Excel 2010等數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，通過(guò)數(shù)學(xué)建模的方法來(lái)擬合不同立地條件下林分密度與碳儲(chǔ)量之間的關(guān)系式，編制杉木林碳儲(chǔ)量林分密度控制圖。

2.2.1 地位級(jí)劃分 利用森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查中的土壤厚度、腐殖質(zhì)厚度、坡度、海拔等數(shù)據(jù)，并結(jié)合固定樣地?cái)?shù)據(jù)編制地位級(jí)表(表2)。選擇樹高生長(zhǎng)方程H=algA+b/A+c(H表示林分平均樹高，A表示林分年齡，a、b、c均為參數(shù))擬合參數(shù)值，得出各地位級(jí)杉木樹高生長(zhǎng)曲線。

表 2 福建將樂(lè)林場(chǎng)杉木林地位級(jí)分級(jí)表

2.2.2 杉木林碳儲(chǔ)量模型 由于森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)中缺少杉木林生物量與碳儲(chǔ)量的數(shù)據(jù)，本研究利用劉國(guó)華等[20]的杉木林蓄積量與生物量之間的關(guān)系式進(jìn)行估算，并取杉木的含碳率為0.5，將杉木林蓄積量轉(zhuǎn)化為生物量，再轉(zhuǎn)化成碳儲(chǔ)量。

B=0.399 9M+22.541 0，

C=B×Cc。

式中：B為生物量(t/hm2)，M為森林蓄積量(m3/hm2)，C為碳儲(chǔ)量(t/hm2)，Cc為含碳率(取值0.5)。

2.2.3 碳儲(chǔ)量密度控制圖的相關(guān)模型 通過(guò)對(duì)已有的杉木林密度控制圖相關(guān)模型的研究，得出杉木林碳儲(chǔ)量密度控制圖的相關(guān)模型如下：

(1)等樹高線：C=[0.399 9(a11×Hb11+a12×Hb12×N-1)-1+22.541 0]×0.5。

(2)最大密度線：C=[0.399 9(K2×N1+K1)+22.541 0]×0.5。

(3)等疏密度線：C=[(Kp×N1+K1)+22.541 0]×0.5。

(5)等直徑線：C=[0.399 9(a×Db×Nc)+22.541 0]×0.5。

式中：C為碳儲(chǔ)量(t/hm2)，H為樹高(m)，N為林分密度(株/hm2)，D為林分平均直徑(cm)，a11、b11、a12、b12、Kp、K1、K2、K3、K4、N0、a、b、c均為參數(shù)。

2.2.4 杉木碳儲(chǔ)量密度控制圖的繪制 利用上述不同立地條件、不同林分密度的碳儲(chǔ)量預(yù)估模型，繪制不同立地條件下的杉木碳儲(chǔ)量密度控制圖。繪圖時(shí)縱坐標(biāo)為杉木林的碳儲(chǔ)量，橫坐標(biāo)為林分密度，曲線分別為等樹高線、等直徑線、等疏密度線、最大密度線以及自然稀疏線的系列曲線。

3 福建將樂(lè)林場(chǎng)杉木碳儲(chǔ)量密度控制圖的編制

3.1 地位級(jí)劃分

對(duì)福建將樂(lè)林場(chǎng)杉木森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，選擇樹高生長(zhǎng)方程H=algA+b/A+c擬合參數(shù)值(表3)，并得出杉木樹高生長(zhǎng)曲線(圖1)。

表 3 福建將樂(lè)林場(chǎng)不同地位級(jí)杉木樹高生長(zhǎng)方程的參數(shù)值

圖 1 福建將樂(lè)林場(chǎng)不同地位級(jí)杉木樹高生長(zhǎng)曲線

3.2 杉木碳儲(chǔ)量密度控制圖相關(guān)模型的參數(shù)值

通過(guò)非線性回歸分析，可求得各模型在不同立地條件下的參數(shù)值，詳見(jiàn)表4。

表 4 福建將樂(lè)林場(chǎng)不同地位級(jí)杉木碳儲(chǔ)量密度模型參數(shù)表

3.3 杉木碳儲(chǔ)量密度控制圖的繪制

通過(guò)對(duì)碳儲(chǔ)量預(yù)估模型的研究，繪制了不同立地條件下的碳儲(chǔ)量密度控制圖如圖2-4所示。杉木碳儲(chǔ)量密度控制圖建立在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，該圖縱坐標(biāo)為杉木林的碳儲(chǔ)量，單位為“t/hm2”；橫坐標(biāo)為林分密度，單位為“株/hm2”。圖中包括等樹高線、等直徑線、等疏密度線、最大密度線和自然稀疏線。

圖 2 福建將樂(lè)林場(chǎng)Ⅰ地位級(jí)的杉木碳儲(chǔ)量密度控制圖

圖 3 福建將樂(lè)林場(chǎng)Ⅱ地位級(jí)的杉木碳儲(chǔ)量密度控制圖

4 杉木碳儲(chǔ)量密度控制圖的應(yīng)用

如果已知杉木人工林林分的地位等級(jí)、平均直徑和林分密度時(shí)，可利用杉木碳儲(chǔ)量密度控制圖進(jìn)行碳儲(chǔ)量估計(jì)。例如，已知某Ⅱ地位級(jí)的杉木人工林平均直徑D=14cm，密度N=2 000株/hm2，預(yù)估此林分的碳儲(chǔ)量及其成熟齡，可按以下步驟進(jìn)行估算：

(1) 從圖1得該林分在15，20，25，30年生時(shí)相應(yīng)的林分平均高度分別為12.7，14.4，15.7和16.8m。

(2) 根據(jù)林分平均高度，找到Ⅱ地位級(jí)碳儲(chǔ)量密度控制圖(圖3)上直徑為14cm的等直徑線與林分密度為2 000株/hm2對(duì)應(yīng)的相交點(diǎn)，通過(guò)此交點(diǎn)得到通過(guò)該點(diǎn)的自然稀疏線的初始密度為2 230 株/hm2，在此自然稀疏線上查得相應(yīng)15～30年生的碳儲(chǔ)量分別為48.9，57.4，64.1和69.5t/hm2。

圖 4 福建將樂(lè)林場(chǎng)Ⅲ地位級(jí)的杉木碳儲(chǔ)量密度控制圖

(3) 計(jì)算林分碳儲(chǔ)量的連年生長(zhǎng)量和年平均生長(zhǎng)量，確定兩者相等時(shí)(也是林分碳儲(chǔ)量平均生長(zhǎng)量最大時(shí))的年齡，即為該杉木林分碳儲(chǔ)量的成熟齡。在此例中，通過(guò)計(jì)算得出林分碳儲(chǔ)量成熟齡為20年，此時(shí)林分碳儲(chǔ)量為57.4t/hm2，碳儲(chǔ)量的年平均生長(zhǎng)量為2.87t/hm2，平均胸徑為18.7cm。

5 結(jié)論與討論

利用傳統(tǒng)的林分密度控制圖編制方法，分別在不同立地條件下建立等樹高線、等直徑線、最大密度線、自然稀疏線與碳儲(chǔ)量之間的相關(guān)模型，編制不同立地條件、不同林分密度的杉木人工林碳儲(chǔ)量密度控制圖，為杉木人工林碳儲(chǔ)量預(yù)估提供了實(shí)用工具，也為人工林碳匯經(jīng)營(yíng)提供了技術(shù)支撐，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本研究使用的數(shù)據(jù)主要為森林資源設(shè)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)擬合精度相對(duì)不高，因?yàn)樯仲Y源設(shè)計(jì)調(diào)查數(shù)據(jù)中缺少生物量和碳儲(chǔ)量數(shù)據(jù)，二者是利用已有的較為成熟的杉木林生物量、碳儲(chǔ)量與蓄積量關(guān)系模型換算得到的，選擇的公式中對(duì)蓄積量小的林分的碳儲(chǔ)量轉(zhuǎn)換有較大誤差。因此在以后的研究中，可以調(diào)查林分的生物量與碳儲(chǔ)量，以擬合更合理的碳儲(chǔ)量模型。

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