塔里木河下游胡楊生物量及其空間分布特征

王希義，徐海量，潘存德，凌紅波，苑塏燁

(1 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，烏魯木齊 830052；2 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011)

塔里木河下游胡楊生物量及其空間分布特征

王希義1，徐海量2*，潘存德1，凌紅波2，苑塏燁1

(1 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，烏魯木齊 830052；2 中國科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所，烏魯木齊 830011)

該研究采用野外樣地調(diào)查法，以塔里木河下游地區(qū)的胡楊為研究對象，以胡楊地上生物量與易測因子(胸徑、樹高)之間的關(guān)系模型為基礎(chǔ)，依據(jù)監(jiān)測樣帶胡楊狀況，對研究區(qū)內(nèi)胡楊生物量分布狀況進行分析，并結(jié)合區(qū)域內(nèi)胡楊林面積對胡楊總生物量進行了評估。結(jié)果表明：(1)胡楊生物量模型B=128.09(D2h)0.6318(R2=0.892)，精度較高，并且驗證的實測值與模擬值之間差異不顯著(P> 0.05)，此模型可以用來對胡楊生物量進行評估。(2)隨著離河道距離的增加，胡楊生物量呈減少趨勢；胡楊生物量主要分布在離河道700 m以內(nèi)的范圍，占總生物量的91.37%。(3)塔里木河下游胡楊單位面積生物量為416.613 kg·hm-2，總生物量為2.474×104t。

胡楊；地上生物量；空間分布；塔里木河下游

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體[1]，與其他生態(tài)系統(tǒng)相比具有更為復(fù)雜的層次結(jié)構(gòu)和更長的生命周期，是陸地生物光合產(chǎn)量的主體[2-3]。森林生物量指個體、種群或群落生物質(zhì)數(shù)量的多少，是生態(tài)系統(tǒng)特征的重要指標(biāo)之一，也是森林系統(tǒng)環(huán)境質(zhì)量的綜合體現(xiàn)[4]。生物量不僅反映了生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力水平的高低，也是植被固碳能力的重要標(biāo)志和評估植被碳收支的重要參數(shù)[5-6]，其測定在碳循環(huán)及氣候變化等研究中具有重要意義[7-8]。

自國際生物學(xué)計劃(IBP)實施以來，生物量一直是生態(tài)學(xué)研究的重點[9-10]。在國外，一些學(xué)者針對森林生物量與生產(chǎn)力進行了研究，建立了生物量與碳循環(huán)之間的關(guān)系[11-13]，并對不同區(qū)域的生物量進行了評估[14-15]；國內(nèi)針對熱帶雨林、亞熱帶常綠闊葉林、溫帶針葉林等森林系統(tǒng)的生物量進行了探討，分析了森林生物量的分布規(guī)律與變化特征[16-19]。然而這些研究大都集中于東部濕潤區(qū)或是熱帶亞熱帶地區(qū)，有關(guān)干旱區(qū)森林生物量的研究較為少見。

胡楊是塔里木河下游的植被建群種，對于區(qū)域內(nèi)環(huán)境保護和植被恢復(fù)程度具有最直接的指示作用[20]。針對塔里木河下游胡楊的研究主要集中于胡楊與水資源的關(guān)系[21-22]、胡楊生態(tài)分布[23-25]與胡楊生理特征[26-28]等方面，而有關(guān)生物量模擬評估的研究較少。本研究通過查詢生物量模擬方法，結(jié)合調(diào)查資料，探討了塔里木河下游胡楊生物量的空間分布特征，并對胡楊總生物量進行了評估，以便于人們對胡楊在生活與生產(chǎn)中的作用有一個恰當(dāng)認識，為塔里木河下游植被保護和恢復(fù)以及準(zhǔn)確估算區(qū)域胡楊生物量和碳儲量提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

塔里木河下游是指從大西海子水庫至臺特瑪湖河段(圖1)。本河段位于庫魯克沙漠與塔克拉瑪干沙漠之間，區(qū)域內(nèi)的荒漠河岸林形成了南北長約400 km的綠色走廊。塔里木河下游屬溫帶干旱荒漠氣候，年降水量僅為20～50 mm，而潛在蒸發(fā)量卻高達2 500～3 000 mm[29]。

由于人類不合理的水土資源開發(fā)和利用，使下游的河道曾經(jīng)長期斷流，生態(tài)嚴重退化，植被長勢極度衰敗，區(qū)域內(nèi)建群植物——胡楊基本為過熟林，中幼齡林基本枯死[30]。基于此，中國政府于2000年5月組織實施了以生態(tài)恢復(fù)和環(huán)境保護為目標(biāo)的塔里木河下游生態(tài)輸水工程。在實施生態(tài)輸水的過程中，地下水位不斷抬升，地下水的響應(yīng)寬度不斷擴大[31]；另外，河道兩岸出現(xiàn)了大范圍河水漫溢現(xiàn)象，激活了土壤種子庫，在漫溢區(qū)萌生了大量幼苗[32]，增加了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在一定程度上緩解了區(qū)域內(nèi)的生態(tài)退化過程。塔里木河下游喬木主要是胡楊(Populuseuphratica)，灌木主要包括檉柳(Tamarixchinensis)、黑刺(Lyciumruthenicum)、鈴鐺刺(Halimodendronhalodendron)等，草本植物包括蘆葦(Phragmitescommunis)、鹿角草(GlossogynetenuifoliaCass)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)、花花柴(Kareliniacaspica)、鹽生草(Halogetonglomeratus)等。

2 資料來源與研究方法

2.1 資料來源

于2016年6月上中旬至7月上旬在塔里木河下游進行胡楊樣地調(diào)查。選取塔里木河下游英蘇、喀爾達依、阿拉干、依干不及麻4個斷面。對于每一個監(jiān)測斷面，選擇具有代表性、未受人類破壞的地段，沿垂直于河道方向設(shè)置一個長2 000 m、寬100 m的樣帶，然后將此樣帶平均分成20個100 m×100 m的大樣方進行監(jiān)測。首先統(tǒng)計各個大樣方內(nèi)胡楊的數(shù)量，然后對每個大樣方內(nèi)的胡楊進行每木檢尺(DBH≥4 cm)，記錄其胸徑、樹高、冠幅等，對于DBH<4 cm的幼苗及幼樹，記錄其數(shù)量和高度。

由于以前沒有開展胡楊生物量的研究，因此在2016年野外調(diào)查時，為了保證實驗的合理性與數(shù)據(jù)的均勻性，并兼顧保護植被稀疏地帶的胡楊不再遭受破壞，本研究在胡楊分布最多的英蘇和阿拉干斷面對胡楊進行取樣。在對胡楊的取樣過程中，首先選取胡楊分布密集且均勻的地區(qū)，一共標(biāo)記60株幼中齡的、長勢良好的標(biāo)準(zhǔn)木，先記錄這些胡楊的胸徑、樹高、冠幅等,然后在地面根基部位鋸斷伐倒并稱重，記錄這60株胡楊的地上生物量。

圖1 塔里木河下游各監(jiān)測斷面狀況Fig.1 Distribution of monitoring sections in the lower reaches of Tarim River

2.2 研究方法

本研究的關(guān)鍵方法是構(gòu)建胡楊生物量估算模型。本文采用唐守正[33]建立的生物量回歸模型計算胡楊單株生物量。

B=a(D2h)b(D為胸徑，h為樹高)

(1)

首先用30株伐倒胡楊(編號1，2，……，30)的相關(guān)數(shù)據(jù)對a與b進行參數(shù)擬合，計算出另外30株(編號31，32，……，60)胡楊生物量，并用T檢驗方法，通過計算P值分析模擬值與實測值之間差異的顯著性，若P< 0.05，則模擬值與實測值差異顯著；若P> 0.05，則模擬值與實測值之間不顯著。然后計算樣方內(nèi)胡楊總生物量，進而推算胡楊單位面積生物量，最后結(jié)合胡楊林總面積計算總生物量。

本研究分析和作圖軟件用SPSS16.0與EXCEL。

3 結(jié)果與分析

3.1 胡楊生物量模型建立與變量統(tǒng)計

3.1.1 胡楊生物量模型構(gòu)建 利用伐倒30株胡楊建立回歸模型(方程(2))，且擬合度達到顯著水平。

B= 128.09(D2h)0.6318(R2= 0.892；F= 285.35)

(2)

之后利用剩余30株胡楊特征數(shù)據(jù)進行驗證，對實測值與模擬值進行對比分析(圖2)。由圖2可知，實測值與模擬值之間沒有顯著差異(P> 0.05)，擬合方程合理。因此可以用方程(2)計算胡楊的生物量。

3.1.2 胡楊地上變量統(tǒng)計分析 結(jié)合胡楊生物量估算模型(1)，重點對所調(diào)查胡楊的胸徑和樹高進行統(tǒng)計分析(表1)。由表1可知，胡楊胸徑的最小值和最大值都出現(xiàn)在英蘇斷面。由于胡楊的胸徑反映出了樹齡的大小[34]，因此英蘇斷面的胡楊樹齡寬度最大。依干不及麻斷面胡楊胸徑平均值最低，高度平均值也顯著低于其他3個斷面，這導(dǎo)致胡楊單株平均生物量顯著低于其他斷面。另外，胡楊單株生物量最小值和最大值均出現(xiàn)在英蘇斷面，表明在英蘇斷面胡楊齡級跨度大；依干不及麻斷面胡楊生物量最小值與最大值差異最小，表明該斷面胡楊齡級跨度小。

3.2 胡楊地上生物量空間分布特征

3.2.1 各斷面胡楊單位面積生物量橫向分布特征 生物量橫向分布特征即為隨著離河距離的增加，生物量的變化趨勢。本文將4條樣帶內(nèi)不同離河距離胡楊生物量特征作圖討論(圖3)。

由圖3可知，在離河道700 m以內(nèi)胡楊分布較多，生物量總量較大，占總生物量的91.37%；700 m以外生物量分布較少。這主要是由于隨著離河距離的增加，河水漫溢作用減弱，地下水補給量逐漸減少，水位降低，逐漸鄰近甚至低于胡楊生長的脅迫水位，導(dǎo)致胡楊生長萎靡，生物量降低。對于各個斷面而言，近河岸胡楊生物量高于離河較遠的地區(qū)，最為明顯的是英蘇斷面，其次是依干不及麻斷面?？栠_依斷面的胡楊生物量在離河900 m附近出現(xiàn)一個小高峰，阿拉干斷面在離河600～700 m處胡楊的生物量也相對較高，造成這種現(xiàn)象的原因也許與微地形或是樣帶的隨機設(shè)置有關(guān)，具體原因需要進一步探討。

圖2 胡楊實測值與模擬值對比Fig.2 Comparison of measured values and simulation values of P. euphratica

表1 胡楊地上因子統(tǒng)計

圖3 各斷面不同離河距離上胡楊單位面積生物量分布特征Fig.3 The distribution characteristics of P. euphratica biomass per unit area in different distances from river to each section

表2 各監(jiān)測樣帶內(nèi)胡楊單位面積生物量

3.2.2 胡楊生物量縱向分布特征 生物量縱向分布規(guī)律即在沿河道方向上從上游到下游的變化特征。本文將4條樣帶的胡楊總生物量進行了對比分析(圖4)。

圖4 自上游到下游胡楊生物量特征Fig.4 The distribution characteristics of P. euphratica biomass from upstream to downstream

各樣帶中，英蘇的胡楊生物量最高，阿拉干次之，喀爾達依和依干不及麻的胡楊生物量最小。因為英蘇離放水源最近，斷面內(nèi)河水對地下水和土壤水的轉(zhuǎn)化量較大，可以較好地滿足胡楊的生長需求，因此胡楊的數(shù)量較多，長勢較好；另外，阿拉干斷面位于其文闊爾河與老塔里木河的交匯處，這使得阿拉干斷面水源也很充足，胡楊生物量也較高；在喀爾達依與依干不及麻斷面，河道的過水量較少，導(dǎo)致河水對地下水和土壤水的轉(zhuǎn)化量較低，斷面內(nèi)的水分條件限制了胡楊的生長，使得胡楊的數(shù)量少，長勢差，生物量較低。

3.3 塔里木河下游胡楊生物量估測

3.3.1 胡楊單位面積生物量 由于樣帶設(shè)置的隨機性，樣方內(nèi)所取胡楊特征也具有隨機性。在本研究中，每個樣帶設(shè)置了20個大樣方，但并非所有的樣方內(nèi)都有胡楊。例如阿拉干斷面，在樣帶內(nèi)，離河道1 100 m以內(nèi)有胡楊，遠處沒有胡楊；在樣帶之外離河道1 100 m以外依然有胡楊分布，直至到2 000 m以外的區(qū)域都有胡楊。因此本研究中，計算樣帶內(nèi)胡楊平均生物量(表2)依然使用整條樣帶的面積，而非僅有胡楊分布區(qū)域的面積。

由表2可知，英蘇斷面胡楊單位面積生物量最高，阿拉干次之，喀爾達依斷面最小，這與圖4相對應(yīng)。另外，塔里木河下游胡楊單位面積平均生物量取4個斷面單位面積生物量的平均值，即416.613 kg/hm2。

3.3.2 區(qū)域內(nèi)胡楊總生物量 本研究利用計算得出的胡楊單位面積生物量，然后結(jié)合塔里木河下游胡楊林總面積，可得塔里木河下游胡楊總生物量。在本研究中，根據(jù)2013年的調(diào)查結(jié)果，塔里木河下游林地總面積約為593.8 km2[35]，即59 380 hm2，得胡楊總生物量為2.474×107kg(416.613 kg/hm2×59 380 hm2)。

4 討 論

喬木生物量估測是森林生物量評估中重要組成部分，其模型中變量的選擇有多種形式，其中最常用的是以胸徑和高度作為模型的變量；另外董道瑞[36]建立了冠幅與生物量之間的關(guān)系模型，曾慧卿[37]以冠幅和高度之積為自變量擬合了喬木生物量估測模型，精度均較高，都在0.8左右。本研究中，以胸徑平方與樹高之積作為變量，與胡楊的地上生物量建立了關(guān)系模型，精度高于冠幅與生物量間關(guān)系模型，并且利用此模型計算的估測值接近實測值，這與Lyon[38]揭示的體積與生物量的關(guān)系比面積與生物量關(guān)系更為緊密的結(jié)論相一致。在實施生態(tài)輸水以前，塔里木河下游各個斷面胡楊都十分衰敗，自開展生態(tài)輸水以來，胡楊大面積復(fù)蘇[39]。英蘇斷面離放水地點較近，地下水位較高，并且河水漫溢作用較強，大大促進了各齡級胡楊的生長發(fā)育，胡楊平均生物量也最高。另外，塔里木河下游生態(tài)輸水是其文闊爾河和老塔里木河雙河道輸水，兩個河道在阿拉干斷面匯合，使得阿拉干斷面水量也較多，胡楊長勢較好，平均生物量也較高，這與本研究成果相吻合。依干不及麻斷面胡楊齡級跨度小，長勢較差，這是由于依干不及麻斷面離水源較遠，地下水位低，漫溢作用弱，抑制了胡楊的生長發(fā)育[40]。

植被的生長發(fā)育與生態(tài)環(huán)境之間存在著一定的關(guān)系，生態(tài)環(huán)境的變化影響著植被的組成、結(jié)構(gòu)、形成以及動態(tài)分布等，而植被的變化又會反過來作用于生態(tài)環(huán)境[41]。在干旱區(qū)，植被地上生物量與地下水間的關(guān)系十分顯著[42-43]。在離河道近處，地下水埋深較淺，植物根系與地下水的接觸面積相對較大，水分較為充足，漫溢作用較強，植被長勢較好，單位面積生物量較大；隨著與河距離的增加，地下水埋深加大，植物根系與地下水的接觸面積越來越小，水分條件逐漸變差，植被長勢逐漸衰弱，單位面積生物量減小，這正與本研究的結(jié)果相符合。本研究所布設(shè)的樣帶內(nèi)，胡楊大都分布在離河道1 000 m的范圍內(nèi)，1 000 m以外胡楊分布很少。在離河道700 m以內(nèi)胡楊分布較多，生物量總量較大，700 m以外生物量分布較少。另外，具體到每一個監(jiān)測樣帶，胡楊生物量分布沒有明顯規(guī)律，如喀爾達依斷面胡楊生物量在離河900 m出現(xiàn)一個小高峰，阿拉干斷面在離河600～700 m處胡楊的生物量也較高，這也許與胡楊在荒漠環(huán)境中呈斑塊狀分布[44]有關(guān)，或是受到微地形或樣帶隨機設(shè)置的影響，具體原因需要進一步探討。

塔里木河下游荒漠河岸林衰敗、老化與退化現(xiàn)象嚴重[45]，胡楊平均生物量僅為416.613 kg·hm-2，遠遠低于中國東部地區(qū)，如貢嘎山區(qū)[46]森林單位面積生物量最高達568 t·hm-2，是塔里木河下游的十幾倍；又如浙江林分單位面積生物量雖遠低于全國平均水平[47]，但是依然高于塔里木河下游。這一方面說明塔里木河下游胡楊生物量與生產(chǎn)力都很低，另一個方面也反映了胡楊恢復(fù)還有很大發(fā)展?jié)摿?。但是，在所設(shè)立的樣帶內(nèi)，不僅僅分布有胡楊，還有檉柳、駱駝刺、花花柴、鹿角草等灌木和草本植物，胡楊的生長發(fā)育與這些林下植被有密切關(guān)系，如胡楊根系提水作用促進灌草的生長[48]，而灌草的物種多樣性維持了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[49]等，以后應(yīng)加強此方面的研究。另外，就本研究的取樣方式而言，也存在著一些誤差和不確定性，如取樣選取的是幼中齡胡楊并建立模型，用此模型模擬老齡胡楊生物量時就存在誤差。本研究采用每木檢尺、實地采伐測量的方式，從理論上來講，對于所取的胡楊樣品實測的各項數(shù)據(jù)應(yīng)該沒有誤差。但是在實際的操作過程中，由于受到人為、儀器等因素的影響，計算出的結(jié)果也存在著一定誤差。但是與機械角規(guī)樣地實測法、樣圓實測法、角規(guī)典型選樣調(diào)查法等方法相比，精度是最高的[50]，結(jié)果可信。因此，在以后的研究中應(yīng)深入分析模型誤差的范圍、來源及影響因素，提高建模過程中各個環(huán)節(jié)的精確度。

綜上所述，本研究構(gòu)建了胡楊生物量估測模型：B= 128.09(D2h)0.6318(R2= 0.892；F= 285.35)，且實測值與模擬值之間沒有顯著差異(P> 0.05)；英蘇斷面胡楊樹齡跨度大，各齡級胡楊分布多，依干不及麻斷面胡楊樹齡跨度小。胡楊大都分布在離河道1 000 m的范圍內(nèi)，1 000 m以外胡楊分布很少；在離河道700 m以內(nèi)胡楊生物量占總生物量的91.37%；700 m以外生物量較少。根據(jù)調(diào)查結(jié)果，塔里木河下游胡楊單位面積生物量約為416.613 kg·hm2，胡楊總生物量約為2.474×104t。

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(編輯:裴阿衛(wèi))

Spatial Distribution ofPopuluseuphraticaBiomass in the Lower Reaches of Tarim River

WANG Xiyi1，XU Hailiang2*，PAN Cunde1，LING Hongbo2，YUAN Kaiye1

(1 Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052; 2 Xinjiang Institute of Ecology and Geography,Chinese Academy of Sciences,Urumqi 830011,China)

Based on sample-plot survey to thePopuluseuphraticain the lower reaches of Tarim River, we established the model between biomass and factors such as DBH and height; Besides, the distribution of biomass ofP.euphraticawas analyzed in the district; Finally, the total biomass was assessed based on the area ofP.euphraticaforest in the lower reaches of Tarim River. The results are as follows: (1) biomass model ofP.euphratica:B=128.09(D2h)0.6318(R2=0.892)，which was high in precision, and the discrepancy between measured value and simulated value was non-significant (P>0.05), thus the model could be used to assess the biomass ofP.euphratica. (2) The biomass presented a trend that the biomass declining was relevant to the distance from river;P.euphraticadistributed within 700 m of river; and the biomass of this area accounted for 91.37% of total. (3) The biomass per unit area was 416.613 kg·hm-2in the lower reaches of Tarim river and the total biomass was 2.474×104t.

Populuseuphratica；biomass；spatial distribution；lower reaches of Tarim River

1000-4025(2016)11-2314-08

10.7606/j.issn.1000-4025.2016.11.2314

2016-07-27;修改稿收到日期:2016-09-21

國家自然科學(xué)基金(31370551，41471099， 31400466)；中國科學(xué)院“西部之光”人才培養(yǎng)計劃(XBBS-2014-13)；中國科學(xué)院特色研究所主要服務(wù)項目2課題2(TSS-2015-014-FW-2-2)

王希義(1987-)，男，在讀博士研究生，主要從事生態(tài)需水與恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究。E-mail:binzhouwxy@163.com.

*通信作者:徐海量，博士，研究員，碩士生導(dǎo)師，主要從事恢復(fù)生態(tài)學(xué)研究。E-mail：xuhl@ms.xjb.ac.cn

Q948.11;Q948.15+6

A