遼東山區(qū)油松人工林生物量研究

劉 平，韓金城，于 磊，荊 欣，王玉濤

（沈陽農(nóng)業(yè)大學 國家林業(yè)局油松工程技術(shù)研究中心,沈陽 110161）

森林生物量是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的最基本特征，反映了森林群落利用自然資源的潛力和能力，不僅是衡量森林生產(chǎn)力的重要指標，也是研究森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的基礎[1]。森林生物量的測定，對于深入研究森林生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學循環(huán)和碳匯功能，評價人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力與環(huán)境因子之間的關系具有重要的科學價值[2]。近年來，森林在應對環(huán)境問題和氣候變化等方面的作用受到世界范圍的極大關注，森林生物量的研究更加集中于人工林碳增匯能力和技術(shù)措施[3]、森林生物量模型[4]、森林生物量分配模式[5-6]、基于遙感影響的森林生物量預測[7-8]、森林生物量計算機模擬系統(tǒng)[9-10]等方面。

油松是遼寧的鄉(xiāng)土樹種和主要的造林樹種，總面積約70萬hm2，總蓄積量約3600萬m3，其中油松天然林不足1%。油松人工林中幼林約占32%，近成熟林約占68%。油松在遼寧的荒山造林、水土保持、水源涵養(yǎng)、園林綠化、木材供給和林下經(jīng)濟等林業(yè)生態(tài)環(huán)境建設和林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了巨大而不可替代的作用。油松近年來的發(fā)展勢頭非常迅猛，造林綠化面積逐年擴大，但由于造林苗木質(zhì)量較差、立地選擇不得當、適地適樹未達到、林分結(jié)構(gòu)單一、密度調(diào)整不及時、森林經(jīng)營管理粗放等科學的人工林高效培育技術(shù)的缺失，致使遼寧省的油松人工林出現(xiàn)大面積的衰退林分，生長不良的低效低價值林分，林分密度過高且未及時調(diào)整的林分，以及憑主觀臆斷的森林經(jīng)營措施等現(xiàn)象。因而，研究油松人工林高效培育的關鍵技術(shù)勢在必行，其中明確油松人工林生物量的分配模式和區(qū)域空間分布格局是關鍵問題。在油松的主要分布區(qū)，已有學者對北京油松人工林生物量分配模式[11]，甘肅油松人工林生物量及與林分密度的關系[12]，內(nèi)蒙古油松人工林生物量與林分密度的關系[13]，河北油松人工林單株生物量及立地因子的影響[14-15]，山西油松人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量及其分布[16-17]，陜西省油松人工林的生物量和生產(chǎn)力[18]等進行了研究，但作為油松主要分布區(qū)的遼寧，對于油松人工林的生物量分配及模型構(gòu)建卻鮮有報道。因此，本研究在基于遼東山區(qū)油松人工林森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)和固定樣地標準木的大量數(shù)據(jù)基礎上，開展林分密度對油松人工林單株地上生物量的影響，油松人工林單株立木生物量模型構(gòu)建及其遼東山區(qū)油松人工林生物量空間分布格局的研究具有重要的意義，以期為遼東山區(qū)油松人工林的科學營造和合理經(jīng)營，油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力和林分生產(chǎn)力的科學評價提供科學的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

遼東山區(qū)屬溫帶季風氣候區(qū)，冬季寒冷漫長，夏季短暫多雨。年均降水量700～850mm，年均蒸發(fā)量925～1284mm，年均氣溫4～11℃，無霜期120～139d。該區(qū)域?qū)匍L白山余脈延伸區(qū)，海拔高度一般為200～500m，少數(shù)山峰超過1000m。土壤以棕壤暗棕壤為主，一般呈酸性或中性壤土和沙壤土。

1.2 樣地設置及林分調(diào)查

于2018年在遼寧省撫順市馬古林場、溫道林場、大伙房林場設置不同林齡、不同密度油松人工林固定樣地共27塊，每塊樣地0.06hm2（20m×30m），包括中齡林、成熟林、過熟林3個齡級。每個齡級設置9塊樣地，3個密度梯度，每一密度梯度間隔250株·hm-2，重復3次。采用胸徑尺、皮尺、測高儀等測量油松胸徑、樹高、枝下高等單木指標以及林分密度、林分年齡等林分指標。樣地基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同齡級油松人工林基礎數(shù)Table 1 Basic data of Pinus tabulaeformis plantation under different age class

1.3 林分標準木選擇及調(diào)查

在每一固定樣地內(nèi)選擇兩株標準木，每個密度下取6株標準木。用生長錐沿南北方向鉆取標準木胸徑處木芯（貫穿標準木），共計54個木芯，用直尺測量木芯長度，帶回實驗室用烘箱恒溫80℃烘至恒重。將標準木林冠分成上、中、下3層，每層選取兩個標準枝，共6個標準枝，以人工方式截取標準枝并記錄每一層內(nèi)油松枝條數(shù)，用彈簧秤稱量并記錄每一個標準枝重量，去除針葉，再次稱量去葉標準枝重量。每個標準枝截取一個樣枝，保留一份樣葉，分別稱重，用信封分別保存并記錄樣枝、樣葉所在標準地編號，所處冠層位置及鮮重。在54株標準木中共收集樣枝和樣葉共532份，將所有樣枝、樣葉帶回實驗室烘箱恒溫80℃烘至恒重，分別記錄樣枝樣葉干重。油松標準木基本數(shù)據(jù)如表2。

表2 標準木基本數(shù)據(jù)Table 2 Statistical table of sample trees data

1.4 遼東山區(qū)油松人工林森林資源二類清查數(shù)據(jù)

收集整理遼東山區(qū) （撫順市、本溪市、丹東市）2015年油松森林人工林資源二類清查數(shù)據(jù)小班樣地共計21918塊，油松人工林小班樣地數(shù)據(jù)按齡級統(tǒng)計如表3。

表3 遼東山區(qū)油松人工林森林資源清查數(shù)據(jù)Table 3 Forest resources inventory data of pinus tabulaeformis plantation in eastern Liaoning

1.5 樹干生物量的測定

采用木材密度法求算樹干生物量[19]，其公式為：

式中：V1為標準木材積；B為樹干基本密度。樹干基本密度用木芯基本密度近似代替，基本密度公式為：

式中：M1為木芯干重;V2為木芯體積。

1.6 枝、葉生物量的測定

為減小從標準枝摘取針葉過程中針葉水分散失帶來的誤差，將截取的標準枝帶葉稱量其鮮重記為M2，去除針葉稱量樹枝鮮重量記為M3，則針葉鮮重為M2-M3，分別選取樣枝、樣葉稱量鮮重后帶回實驗室烘箱恒溫80℃烘至恒重。則枝的生物量：

式中：W2為枝的生物量；M3為標準枝重量；N1為標準枝枝條數(shù)；P1為標準枝含水率（樣枝干重/樣枝鮮重）。葉的生物量計算公式為：

式中：W3為葉生物量；M2為帶葉標準枝重量；P2為葉含水率（樣葉干重/樣葉鮮重）。

2 結(jié)果與分析

2.1 林分密度對油松人工林單株地上生物量的影響

由表4可知，無論是中齡林，成熟林還是過熟林均表現(xiàn)出枝條生物量、樹干生物量和單株地上總生物量隨林分密度的增加而減小的趨勢；相似密度條件下，枝條生物量、樹干生物量和單株地上生物量隨林齡的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢。油松中齡林平均單株枝條生物量、葉生物量、干生物量和地上總生物量分別為36.482，27.288，93.236，157.005kg；油松成熟林平均單株枝條生物量、葉生物量、干生物量和地上總生物量分別為88.078，38.45，131.036，257.563kg；油松過熟林平均單株枝條生物量、葉生物量、干生物量和地上總生物量分別為108.365，42.493，186.798，338.656kg。經(jīng)方差分析，中齡林、成熟林和過熟林林分密度對單株地上生物量均有顯著影響（p＜0.05）。

表4 油松人工林不同林齡不同密度單株生物量表Table 4 Individual treebiomass of Pinus tabulaeformis plantation under different stand density and ageclass

2.2 林分密度對油松人工林生物量分配的影響

由圖1～圖3可知，中齡林地上部分各器官的生物量分配隨林分密度的增大，分配到干與葉的生物量所占比重逐漸增大，分配到枝的生物量所占比重逐漸減小。成熟林的隨林分密度增大分配到干的生物量所占比重逐漸減小，分配到枝和葉的生物量所占比重逐漸增加。過熟林分配到干的生物量所占比重逐漸增加，分配到枝和葉的生物量所占比重逐漸減小。中齡林分配到干的生物量比例范圍為54.9%～64.1%，成熟林分配到干的生物量比例范圍為45.7%～53.9%，過熟林分配到干的生物量比例范圍為52.6%～60.3%。中齡林分配到枝的生物量比例范圍為16.8%～29.9%，成熟林分配到枝的生物量比例范圍為32.8%～36.0%，過熟林分配到枝的生物量比例范圍為29.9%～32.7%。中齡林分配到葉的生物量比例范圍為15.1%～19.1%，成熟林分配到葉的生物量比例范圍為13.3%～18.4%，過熟林分配到葉的生物量比例范圍為9.8%～14.7%。

圖1 不同林分密度油松中齡林生物量分配Figure 1 Biomass distribution of middle age forest under different stand density

圖2 不同林分密度油松成熟林生物量分配Figure 2 Biomass distribution of mature forest under different stand density

圖3 不同林分密度油松過熟林生物量分配Figure 3 Biomass distribution of over-mature forest under different stand density

2.3 油松人工林單株地上生物量模型構(gòu)建

以油松人工林單株地上生物量W為因變量，以胸徑D和樹高H組合的D2H為自變量，使用直線型、對數(shù)函數(shù)曲線型、二次函數(shù)曲線型、指數(shù)函數(shù)曲線型、冪函數(shù)曲線型五種回歸模型對W與D2H進行生物量模型構(gòu)建。由圖4～圖7可知，油松中齡林單株地上生物量模型以冪函數(shù)曲線型擬合效果最好R2=0.6926，擬合方程為W=0.5752×(D2H)0.6964。油松成熟林單株地上生物量模型以二次函數(shù)曲線型擬合效果最好R2=0.8520，擬合方程為W=(5E-06)(D2H)2-0.0326×(D2H)+231.72。油松過熟林單株地上生物量模型以二次函數(shù)曲線型擬合效果最好R2=0.8827，擬合方程為W=(-6E-06)(D2H)2+0.1203×(D2H)-314.18。油松人工林全齡級單株地上生物量模型以冪函數(shù)擬合效果最好R2=0.8646，擬合方程為W=1.6053(D2H)0.5694。因而，遼東山區(qū)油松人工林不同齡級單株地上生物量方程的擬合為準確預估遼東山區(qū)油松人工林生物量及生產(chǎn)力提供重要的依據(jù)。

圖4 全齡級油松人工林單株地上生物量模型Figure 4 Individual tree above-ground biomass model in total aged forest

圖5 中齡油松人工林單株地上生物量模型Figure 5 Individual tree above-ground biomass model in middle aged forest

2.4 遼東山區(qū)油松人工林喬木層生物量空間分布格局

圖6 成熟油松人工林單株地上生物量模型Figure 6 Individual tree above-ground biomass model in mature forest

圖7 過熟油松人工林單株地上生物量模型Figure 7 Individual tree above-ground biomass model in over-mature forest

由表5可知，遼東山區(qū)油松人工林喬木層總生物量為1.96×107t，其中撫順市油松人工林喬木層總生物量最大，為1.79×107t；本溪市次之，喬木層總生物量為1.37×106t；丹東市最少，喬木層總生物量為1.05×106t。本溪市幼齡林喬木層總生物量為3.74×104t，中齡林喬木層總生物量為1.07×105t，近熟林喬木層總生物量為4.58×105t，成熟林喬木層總生物量為7.59×105t，過熟林喬木層總生物量為1.73×104t。丹東市幼齡林喬木層總生物量為2.36×104t，中齡林喬木層總生物量為1.33×105t，近熟林喬木層總生物量為3.62×104t，成熟林喬木層總生物量為6.47×104t，過熟林喬木層總生物量為7.88×103t。撫順市幼齡林喬木層總生物量為3.76×104t，中齡林喬木層總生物量為2.07×105t，近熟林喬木層總生物量為2.43×106t，成熟林喬木層總生物量為1.51×107t，過熟林喬木層總生物量為 1.56×105t。

表5 遼東山區(qū)油松人工林生物量空間分布Table 5 Spatial biomass distribution of Pinus tabulaeformis plantation in eastern Liaoning

3 討論與結(jié)論

生物量是林分凈第一性生產(chǎn)力的全面體現(xiàn)，不僅充分反映林分的光合生產(chǎn)能力，而且對于用材林的收獲利用具有重要的現(xiàn)實意義[20]。遼東山區(qū)既是遼寧省的重要生態(tài)安全綠色屏障[21]，也是重要的商品林培育區(qū)域，明確該區(qū)域油松人工林的生物量分配及其區(qū)域空間分布特征對于油松人工林生態(tài)系統(tǒng)合理結(jié)構(gòu)的形成和優(yōu)良功能的發(fā)揮具有重要的意義。以往對林分生物量的研究通常需要伐倒樣地的標準木，采用分層截取法或全部稱重法測定生物量，這種方式精確度較高，但對林木破壞性較強，外業(yè)工作量巨大，費時費力[22]。本試驗采用木材密度法計算樹干生物量[19]，采用分層截取樣枝法測算枝葉生物量，這種方式對林木破壞性較低，工作量較小，更切合生產(chǎn)實際，而且同樣能較準確的估計林木生物量，在本研究中，構(gòu)建的單株地上生物量預測模型的絕對值R2也非常高，在0.6926～0.8827之間，與大量采用伐倒木構(gòu)建的生物量模型絕對系數(shù)非常接近[14,18]。

通過對遼東山區(qū)油松人工林固定樣地標準木和森林資源二類清查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，遼東山區(qū)油松人工林隨林分年齡的增加，單株地上總生物量呈增加的趨勢，在中齡林時為157.005kg·株-1，成熟林時為257.563kg·株-1，過熟林時為338.656kg·株-1；且隨林分密度的增加，油松人工林單株地上總生物量呈現(xiàn)降低的趨勢。遼東山區(qū)油松人工林各器官生物量分配比例，在不同林分密度和不同齡級中均表現(xiàn)為樹干＞樹枝＞樹葉，這與一些學者對其他地區(qū)油松人工林生物量分配研究結(jié)論一致[14,18]。隨著單株地上總生物量的不斷增加，樹干的生物量分配比率有緩慢降低的趨勢，樹枝和樹葉的生物量分配比率則呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢。而且無論油松個體林木的樹高、胸徑如何變化，樹干所占的生物量分配比例都最大，樹葉所占的生物量分配比例最小。樹干與樹枝、樹葉的生物量分配比率變化趨勢相反，即樹干的生物量分配比率上升時，樹葉、樹枝的生物量分配比率則會下降，反之則上升；樹枝與樹葉的生物量分配比率變化趨勢一致，即枝條的生物量分配比率上升時，樹葉也隨之上升，反之則下降。采用冪函數(shù)和二次函數(shù)曲線型方程構(gòu)建了較高精度的油松不同齡級的單株地上部分生物量模型，為遼東山區(qū)油松人工林生物量的準確預測和便捷應用提供了重要的依據(jù)。本研究明確了遼東山區(qū)油松人工林喬木層總生物量為 1.96×107t，其中撫順市 1.79×107t，本溪市為 1.37×106t，丹東市為 1.05×106t；以及同一地區(qū)不同齡級下油松人工林喬木層的空間分布格局，這為遼東山區(qū)油松人工林固碳能力和生產(chǎn)力評價提供重要的參考。