長白山露水河林區(qū)喬木層生物量及生產(chǎn)力研究

王 亮， 彭琦云， 耿少波

(1.交通運(yùn)輸部 公路科學(xué)研究所, 北京 100088； 2.中國電力工程顧問集團(tuán) 東北電力設(shè)計(jì)院有限公司, 長春 130021)

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長白山露水河林區(qū)喬木層生物量及生產(chǎn)力研究

王 亮1， 彭琦云1， 耿少波2

(1.交通運(yùn)輸部 公路科學(xué)研究所, 北京 100088； 2.中國電力工程顧問集團(tuán) 東北電力設(shè)計(jì)院有限公司, 長春 130021)

基于長白山露水河林區(qū)2003年和2013年兩次森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查中固定樣地資料，利用相對生長法，對長白山露水河林區(qū)各林分類型的喬木層生物量和生產(chǎn)力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：長白山露水河林區(qū)各林分類型喬木層生物量平均為175.07 t/hm2，其中天然林平均喬木層生物量要高于人工林。天然林中針葉樹種和慢闊類樹種積累生物量的能力較強(qiáng)，而人工林中以人工紅松林的喬木層生物量最高。半數(shù)以上林分類型隨著林齡的增長，喬木層生物量逐步升高；其他林分類型變化趨勢不一。長白山露水河林區(qū)各林分類型的喬木層生產(chǎn)力平均5.00 t/(hm2·a)，總體看來，人工林的生產(chǎn)力比天然林高。人工林中喬木層生產(chǎn)力最高的是人工紅松林，這與人為撫育有關(guān)，而天然林中以針葉混交林喬木層生產(chǎn)力最高。

生物量; 生產(chǎn)力; 林分類型; 林齡

生物量和生產(chǎn)力分別是生態(tài)系統(tǒng)積累的有機(jī)質(zhì)總量和能力，是維系生態(tài)系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的能量基礎(chǔ)和物質(zhì)來源[1]。生物量的測算方法主要有相對生長法和收獲法，以相對生長法應(yīng)用比較廣泛；而生產(chǎn)力的測算方法主要有樹干解析法、相對生長法、比值法和氣體交換法，以前兩種方法應(yīng)用較多[1-3]。國內(nèi)對生物量和喬木層生產(chǎn)力的研究很多[2-9]，但是運(yùn)用森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查固定樣地?cái)?shù)據(jù)，對全局所有林分類型不同林齡的喬木層生物量和生產(chǎn)力進(jìn)行的研究尚未見于報(bào)道。

長白山林區(qū)的生物量和生產(chǎn)力在我國森林總生物量和生產(chǎn)力的構(gòu)成中占重要地位[10]。但是近四十年來頻繁的森林經(jīng)營活動(dòng)(包括種子園經(jīng)營、育苗、造林、修路、取土、施肥和病蟲害防治、林參間作、林蛙養(yǎng)殖及森林旅游等)和采伐利用，對該區(qū)的原始闊葉紅松林破壞嚴(yán)重，目前僅保存有少部分原始闊葉紅松林，大部分林地被天然次生林所代替。森林經(jīng)營活動(dòng)對森林的生物量和生產(chǎn)力產(chǎn)生了巨大影響[11-12]。為明確目前長白山林區(qū)各林分類型喬木層生物量和生產(chǎn)力狀況，本研究選取長白山林區(qū)具有代表性的長白山露水河林區(qū)，采用相對生長法，利用兩期森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查中固定樣地資料，以及文獻(xiàn)中關(guān)于該地區(qū)各主要樹種的喬木層生物量模型，對長白山露水河林區(qū)所有林分類型不同林齡的喬木層生物量和生產(chǎn)力進(jìn)行研究，以確定各林分類型的喬木層生物量和生產(chǎn)力，以及各自隨林齡的變化趨勢，為將來合理的進(jìn)行森林經(jīng)營提供參考。林齡的劃分按照《吉林省森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查技術(shù)細(xì)則(2013年)》。

1　研究區(qū)概況

長白山露水河林區(qū)(42°24′—42°49′N,127°29′—128°02′E)位于吉林省撫松縣境內(nèi)，總經(jīng)營面積121 295 km2。全局總坡向?yàn)槲鞅毕?，降水多集中?—8月，年降水量800～1 040 mm。年平均氣溫11.5℃，最高氣溫32.2℃，最低氣溫-44.1℃，≥10℃年積溫2 200℃，海拔700～1 000 m，土壤為山地暗棕色森林土，土壤剖面發(fā)育明顯，平均深度50 cm。研究區(qū)屬溫帶大陸性氣候，冬夏風(fēng)向更替明顯。地帶性植被為闊葉紅松林，林木高大茂密，郁閉度高，層次明顯，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。長白山露水河林區(qū)共區(qū)劃為8個(gè)林場，主要從事木材和鋸材生產(chǎn)。1970年開始森林采伐，經(jīng)營歷史較短，經(jīng)營措施記錄清晰，迄今為止，既有未受干擾保護(hù)完好的原始闊葉紅松林，又有受不同強(qiáng)度采伐，經(jīng)不同恢復(fù)時(shí)間而形成的各種次生林。

2　研究數(shù)據(jù)與方法

本文利用相對生長法求算長白山露水河林區(qū)喬木層生物量和生產(chǎn)力。

數(shù)據(jù)主要來長白山露水河林區(qū)分別于2003年和2013年森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查中固定樣地資料。本研究共收集有效固定樣地1 116塊，剔除異常標(biāo)準(zhǔn)地(包括采伐過量、新建樣地等)，實(shí)際用于長白山露水河林區(qū)林分類型喬木層生物量和喬木層生產(chǎn)力計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)地共計(jì)964塊。

長白山露水河林區(qū)屬于長白山林區(qū)，該地區(qū)的生物量模型很多，利用現(xiàn)有的生物量模型作為長白山露水河林區(qū)林木的生物量模型[13-17]。其中地下生物量的測定是一個(gè)難點(diǎn)。可根據(jù)每一樹種的地上生物量(T)與地下生物量(R)之比，記作T/R。根據(jù)T/R，由地上生物量求算地下生物量。對于紅松(Pinuskoraiensis)、色樹(AcermonoMaxim)、椴樹(Tiliatuan)、柞樹(Quercuspalustris)、水曲柳(Fraxinusmandschurica)等應(yīng)用徐振幫等[13]關(guān)于長白山闊葉紅松林幾種主要樹種的生物量比進(jìn)行推算：各樹種T/R如下：紅松為31∶10，色樹為62.3∶10，椴樹為42.5∶10，柞樹R為45.5∶10，水曲柳為58.8∶10。對于榆樹(UlmuspumilaL.)、樟子松(Pinussylvestnisvar)、落葉松(Larixgmelinii)、云杉(Piceaasperata)、楓樺(BetulacostataTrautv.)、臭松(Abiesnephrolepis)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、黃菠蘿(PhellodendronamurenseRupr.)等樹根生物量通過查閱相關(guān)資料[13-17]獲得。各樹種生物量回歸方程見表1：

3　結(jié)果與分析

3.1長白山露水河林區(qū)不同林分類型喬木層生物量

長白山露水河林區(qū)各林分類型喬木層生物量在58.77～319.17 t/hm2，平均175.07 t/hm2，這與其他學(xué)者[1,12,14,18]所得結(jié)果相吻合(表2)?？傮w看來，天然林平均喬木層生物量(200.03 t/hm2)要高于人工林平均喬木層生物量(136.49 t/hm2)，主要是因?yàn)槿斯ち至铸g要低于天然林林齡，雖然人工林喬木層生產(chǎn)力比天然林高(見表3)，但是人工林喬木層生物量積累的時(shí)間不夠，所以總喬木層生物量要低于天然林。天然林中云杉林和針葉混交林喬木層生物量最高，柞樹林和楓樺林次之，說明天然林中針葉樹種和慢闊類樹種積累喬木層生物量的能力較強(qiáng)。而人工林中以人工紅松林的喬木層生物量最高，且比紅松天然林喬木層生物量要高。這與當(dāng)?shù)貙θ斯ぜt松林的人為撫育有關(guān)，通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，紅松作為當(dāng)?shù)刂饕?jīng)濟(jì)樹種(主要為出產(chǎn)松籽)，人為干擾強(qiáng)烈，林下幾乎沒有灌草，林木極少被采伐，這對林地紅松林喬木層生物量的積累有促進(jìn)作用。

不同林分類型隨林齡的增長，其喬木層生物量變化趨勢也不相同。從圖1A中可以看出，白樺林、胡桃楸林、落葉松林、云杉林、針闊混交林、闊葉混交林、水曲柳林、柞樹林、人工針闊混交林和人工落葉松林等隨著林齡的增長，喬木層生物量逐步升高。其中，云杉林喬木層生物量隨著林齡的增長上升的幅度最大，表現(xiàn)出良好的喬木層生物量積累能力。其他林分類型生物量隨林齡的增長，變化趨勢不一。觀察圖1B可以發(fā)現(xiàn)：針葉混交林隨著林齡的增長，喬木層生物量反而逐漸降低，通過實(shí)地調(diào)查我們認(rèn)為這與采伐和盜采活動(dòng)有關(guān)，采伐嚴(yán)重影響了針葉混交林喬木層生物量的積累；紅松林喬木層生物量表現(xiàn)為先降低再逐步升高的現(xiàn)象，紅松幼齡林內(nèi)林木密度較大，經(jīng)過紅松的自疏作用，紅松中林齡喬木層生物量急劇下降，隨后穩(wěn)步上升，所以，紅松中齡林的喬木密度可以作為紅松合理植苗的依據(jù)。椴樹林、楊樹林、人工楊樹林、人工闊葉混交林喬木層生物量隨林齡變化趨勢沒有一定規(guī)律，這與當(dāng)?shù)氐牟煞セ顒?dòng)有關(guān)。榆樹林從成熟林到過熟林，喬木層生物量有所下降，與榆樹過熟林林木過多枯死有關(guān)。

表1　各樹種生物量回歸方程

表2　長白山露水河林區(qū)各林分類型喬木層生物量

3.2長白山露水河林區(qū)不同林分類型喬木層生產(chǎn)力

長白山露水河林區(qū)各林分類型喬木層生產(chǎn)力在1.84～14.32 t/(hm2·a)，平均5.00 t/(hm2·a)，這與其他研究所得結(jié)果[1,12-13,18-22]吻合。從表3可以看出，人工林的喬木層生產(chǎn)力(6.23 t/(hm2·a))比天然林(4.21 t/(hm2·a))高，但是由于人工林林齡較短，所以其喬木層生物量比天然林要低(表2)。人工林中喬木層生產(chǎn)力最高的是人工紅松林，這與人為撫育有關(guān)，其次是人工云杉林，說明云杉較為適宜在當(dāng)?shù)厣L，從固碳釋氧方面來講，當(dāng)?shù)厝斯ち衷灾苍粕驾^合適。而天然林中以針葉混交林喬木層生產(chǎn)力最高，所以當(dāng)?shù)剌^適合針葉樹種的生長。而白樺林的喬木層生產(chǎn)力無論是人工林還是天然林都僅次于針葉林，也是當(dāng)?shù)剡M(jìn)行固碳釋氧造林的優(yōu)良樹種，另外，白樺還可作為先鋒樹種，可以在受嚴(yán)重干擾立地條件下較好的生長，作為林分進(jìn)一步演替的能量基礎(chǔ)和物質(zhì)來源。榆樹林的喬木層生產(chǎn)力最低，在長白山露水河林區(qū)，榆樹林僅存在兩個(gè)林齡，分別是成熟林和過熟林，其喬木層生產(chǎn)力分別是2.75 t/(hm2·a)和0.93 t/(hm2·a)，過熟林尤為低，說明榆樹過熟林的固碳釋氧能力較弱，只有較低的生產(chǎn)能力。

圖1　不同林分類型喬木層生物量隨林齡變化趨勢表3　長白山露水河林區(qū)各林分類型喬木層生產(chǎn)力

林分類型喬木層生產(chǎn)力/(t·hm-2·a-1)林分類型喬木層生產(chǎn)力/(t·hm-2·a-1)榆樹林1.84人工胡桃楸林4.76落葉松林2.75針闊混交林4.80水曲柳林2.94柞樹林4.88其他闊葉林3.03云杉林5.32椴樹林3.20臭松林5.40人工水曲柳林3.24人工落葉松林5.48紅松林3.53人工闊葉混交林5.53人工樟子松林3.89白樺林5.93楓樺林4.03人工針闊混交林5.99楊樹林4.03針葉混交林6.48色樹林4.17人工白樺林6.86人工針葉混交林4.19人工云杉林9.83人工楊樹林4.45人工紅松林14.32胡桃楸林4.61平均5.00闊葉混交林4.66

長白山露水河林區(qū)東與白河林區(qū)相鄰，兩個(gè)林業(yè)局環(huán)境條件和采伐程度基本一致，郭志偉于2003年運(yùn)用材積元法對白河林區(qū)各林分類型的生產(chǎn)力進(jìn)行了估算，估算結(jié)果為2.45 t/(hm2·a)，與本研究結(jié)果[5.0 t/(hm2·a)]相比，材積源法對生產(chǎn)力的估計(jì)偏低，與本文用相對生長法計(jì)算的結(jié)果偏低約50%。

從表4可以看出：各林分類型不同林齡喬木層生產(chǎn)力變化趨勢沒有一定規(guī)律，每種林分類型固有的生長模式是一方面的原因，另外，采伐活動(dòng)也對其喬木層生產(chǎn)力造成了一定影響[12,23]。各林分類型喬木層生產(chǎn)力隨林齡的變化趨勢中，僅柞樹林、人工落葉松林和人工針闊混交林的生產(chǎn)力是隨林齡增長逐步上升；白樺林的幼齡林和近熟林具有較高的生產(chǎn)力，成熟林較低，隨著林齡的升高，生產(chǎn)力有所降低；椴樹林近熟林生產(chǎn)力較高，成熟林最低，過熟林有所提高，這是因?yàn)殚矘溥^熟林林隙較大，有利于其他樹種的生長，所以其生產(chǎn)力較成熟林開始升高；紅松林成熟林生產(chǎn)力最高，中齡林最低；胡桃楸林和闊葉混交林生產(chǎn)力變化趨勢不明顯；落葉松林、榆樹林和水曲柳林林齡發(fā)育不完整，僅有兩個(gè)林齡，各自生產(chǎn)力都較低；楊樹林中齡林生產(chǎn)力最高，其他林齡生產(chǎn)力變化不大；云杉林中成熟林擁有極高的生產(chǎn)力，高達(dá)9.77 t/(hm2·a)，高出平均水平約一倍，其他林齡均低于平均水平，其中幼齡林生產(chǎn)力最低；針闊混交林生產(chǎn)力變化趨勢也不明顯，中齡林稍高于其他林齡；針葉混交林四個(gè)林齡生產(chǎn)力都較高，其中幼齡林最高，為8.18 t/(hm2·a)，遠(yuǎn)高于平均水平；人工闊葉混交林中除了中齡林生產(chǎn)力低于平均水平外，其他林齡生產(chǎn)力均高于平局水平，且變化趨勢不明顯，其中近熟林生產(chǎn)力較高；人工楊樹林各林齡中成熟林生產(chǎn)力較高，幼齡林最低。

表4　各林分類型喬木層生產(chǎn)力隨林齡變化趨勢　t/(hm2·a)

4　結(jié) 論

森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查固定樣地?cái)?shù)據(jù)詳實(shí)可靠，對其有效利用可以產(chǎn)生事半功倍的效果。目前，利用其數(shù)據(jù)對研究區(qū)生物量和生產(chǎn)力進(jìn)行詳盡論述的研究并不多見。本研究的長白山露水河林區(qū)各林分類型喬木層生物量在58.77～319.17 t/hm2，平均175.07 t/hm2。與其他研究結(jié)果相比較，例如徐振邦對長白山地區(qū)林齡為100～200 a之間闊葉紅松林的生物量研究結(jié)果為199.9～370.2 t/hm2，姜萍利用長白山闊葉紅松林25 hm2大樣地得出的結(jié)果294.8 t/hm2，與本文中混交林在該年齡段的生物量數(shù)據(jù)相近。說明利用森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查固定樣地?cái)?shù)據(jù)對林分生物量的估算值較為真實(shí)可靠，

本文研究還發(fā)現(xiàn)天然林平均喬木層生物量(200.03 t/hm2)要高于人工林平均喬木層生物量(136.49 t/hm2)。另外，不同林分類型隨林齡的增長，其喬木層生物量變化趨勢也不相同。半數(shù)林分類型隨著林齡的增長，喬木層生物量逐步升高；其他林分類型變化趨勢不一。長白山露水河林區(qū)各林分類型的喬木層生產(chǎn)力在1.84～14.32 t/(hm2·a)，平均5.00 t/(hm2·a)。也與徐振邦對長白山地區(qū)林齡為100～200a闊葉紅松林研究得出生產(chǎn)力(6.59 t/(hm2·a))相近，說明該方法的準(zhǔn)確性較高。生產(chǎn)力的研究一直備受關(guān)注，目前，森林生物多樣性等與生產(chǎn)力之間關(guān)系的研究[24]也是熱點(diǎn)之一。各地區(qū)森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查固定樣地?cái)?shù)據(jù)都已積累多年，這對林分生產(chǎn)力的研究是極好的資源。

本研究還發(fā)現(xiàn)，人工林的喬木層生產(chǎn)力(6.23 t/(hm2·a))比天然林(4.21 t/(hm2·a))高。另外，本文與郭志偉運(yùn)用材積源法得到的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)材積源法對生產(chǎn)力的估計(jì)偏低，比本文用相對生長法計(jì)算的結(jié)果偏低約50%。

總之，對森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查固定樣地?cái)?shù)據(jù)的有效利用，一方面減少了科研的工作量；另一方面可以更大程度的發(fā)揮該數(shù)據(jù)的價(jià)值，建議在以后的科研中能引起足夠的重視。

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Study on Tree Layer Biomass and Productivity in Forest in Lushihe Forest Bureau of Changbai Mountains

WANG Liang1， PENG Qiyun1， GEN Shaobo2

(1.ResearchInstituteofHighway,MinistryofTransport,Beijing100088,China; 2.ChinaPowerEngineeringConsulting(Group)CorporationNortheastElectricPowerDesignInstitute,Changchun130021,China)

Based on the forest management inventories in Lushihe Forest Bureau of Changbai Mountains in 2003 and 2013, and by using relative growth method, we analyzed the biomass and productivity of various forest types in Lushihe Forest Bureau. The results showed that the average of biomass was 175.07 t/hm2, and the natural forest biomass was higher than the plantations. Conifer species and the slow accumulation of broad tree species in natural forest have strong capabilities to yield biomass, while biomass of artificial Korean pine forest is the highest, which is on the red pine plantation. With the growth of different types of forest age of stand, biomass trend was different. With age increase of more than half of the growth forest types, biomass gradually increased; other forest types changed irregularly. Average productivity of all forest types in Lushihe Forest Bureau was 5.00 t/(hm2·a), and the natural forest biomass was lower than the plantations. The most productive plantation is artificial Korean pine forest, which is related to nursing, while the productivity of natural coniferous forest is the highest.

biomass; productivity; forest age; stand type

2015-07-02

2015-07-16

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“黃土地區(qū)公路邊坡綠地條件對綠化植被生長及演替的影響機(jī)理研究”(2013319223200)

王亮(1985—),男,遼寧阜新人,碩士,工程師,主要從事水土保持、工程綠化、生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域的科研工作。E-mail：liushao9901@163.com

S718.55+6

A

1005-3409(2016)04-0277-05