廣東省國家級公益林生物量模型研建

劉金山

(國家林業(yè)和草原局中南調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，長沙 410014)

森林生態(tài)系統(tǒng)因其在改善生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)全球碳平衡及減緩溫室氣體濃度上升中的不可替代的作用而被認為是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體[1]。生物量是指凈生產(chǎn)量的積累量，是生態(tài)系統(tǒng)所累計下來的活的有機質(zhì)總量[2]。森林生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)最基本的數(shù)量特征，是森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)要素之一，也是評價立地生產(chǎn)力高低的重要指標[3-7]。作為估算森林碳收支的重要指標，森林生物量對衡量森林碳匯有著不可替代的作用，也是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量平衡和養(yǎng)分循環(huán)等功能過程中的物質(zhì)載體，對其精確估算是可持續(xù)森林經(jīng)營的必要條件[8-13]。同時，生物量是森林發(fā)揮涵養(yǎng)水源、保育土壤、固碳釋氧、凈化大氣環(huán)境、森林防護、生物多樣性保護和森林游憩等生態(tài)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)。

生物量方程是預(yù)測森林生物量的主要方法，建立合適的生物量方程用于測定樹種的生物量，對于評價森林的生產(chǎn)力以及估測森林碳儲量有著重要意義[14-15]。國內(nèi)外對生物量數(shù)量及空間分布等開展了大量研究，利用解析木數(shù)據(jù)以胸徑和樹高等反映林木大小尺度的因子建立了大量的生物量模型，為生物量的準確計量提供了模型參數(shù)，而在區(qū)域尺度上就生物量變化規(guī)律和變化速度的研究相對較少。由于胸徑、樹高等因子隨時間變化和林木生長實時改變，對于生物量的變化情況需通過兩期森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)進行計量獲取，增加了計量難度和工作量。本文通過建立生物量—林齡模型，對不同樹種的生物量變化規(guī)律進行研究，為森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和更好地發(fā)揮生態(tài)作用提供理論依據(jù)，對森林資源可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)公益林科學(xué)保護修復(fù)管理具有實踐意義。

1 數(shù)據(jù)與方法

根據(jù)廣東省森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查(2018)數(shù)據(jù)，利用全國土地利用、土地利用變化與林業(yè)碳匯計量監(jiān)測建立的生物量模型和參數(shù)，計量國家級公益林小班生物量。利用Origin Pro v8.0軟件，使用空間代替時間的方法，建立不同樹種生物量理論生長方程，掌握不同樹種的生物量增加速度。即在空間尺度上選取不同林齡的林分，表征林分特性隨林齡(時間尺度)的變化規(guī)律。利用全省森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查數(shù)據(jù)，計算每個喬木林小班的生物量密度，采用加權(quán)平均法計算不同樹種(組)每個林齡平均生物量密度。

應(yīng)用廣泛的理論生長方程有：Richards，Logistic，Korf，Gompertz和Mitscherlich 方程等形式[16-17]，利用這些方程可以建立植被生物量密度與林齡的模型。

Richards:M=a(1-e(-bt))c

(1)

(2)

(3)

Mitscherlich:M=a(1-be-ct)

(4)

Gompertz:M=ae(-eb-ct)

(5)

式中:M表示生物量密度(t /hm2)；t表示林齡(a)；a，b和c為擬合參數(shù)。

2 生物量密度模型

根據(jù)廣東省森林資源規(guī)劃設(shè)計調(diào)查數(shù)據(jù)，建立廣東省國家級公益林主要樹種(組)生物量密度—林齡模型。擬合結(jié)果表明，Mitscherlich方程的效果最好，殘差呈現(xiàn)隨機對稱分布，無明顯的系統(tǒng)偏差。以其它硬闊為例，幾種常用理論生長方程生物量密度—林齡擬合曲線見圖1。Mitscherlich方程擬合精度最高，且殘差均勻分布在擬合曲線的兩邊；Richards方程、Logistic和Gompertz方程的擬合效果略差，擬合曲線基本上完全重合在林齡較小(1～10 a)時會過高估計生物量，而林齡在11～20 a時生物量估計值偏低。因此最終選用Mitscherlich方程(公式4)。利用公式(4)得到的不同樹種擬合結(jié)果，詳見表1。

圖1 生物量密度擬合曲線

對于林木生長方程來說，有學(xué)者基于樹木的“S”型曲線生長理論，認為拐點是生長方程的重要特征，具有非常明確的生物學(xué)意義，拐點處意味著連年生長的高峰期，因此有拐點的生長方程(Richards，Logistic，Korf和Gompertz)比無拐點的Mitscherlich生長方程擬合精度高[18-21]。廣東省國家級公益林生物量累積規(guī)律與上述研究結(jié)果略有不同(見圖2)。隨著林齡增加，馬尾松、針闊混交林生物量累積速率呈直線增加趨勢；其它樹種生長均呈現(xiàn)先快后慢的規(guī)律，由于優(yōu)越的氣候條件，植被生長速度快，從開始即表現(xiàn)出快速生長的趨勢，生長規(guī)律與“S”型曲線略有差異，而這與海南省的植被碳累積規(guī)律類似[16]。

圖2 不同樹種生物量密度隨林齡的變化趨勢

不同樹種潛在生物量密度，詳見圖3。就不同樹種的生物量密度累積速率來看，林齡為10 a時，除馬尾松外，其它樹種生物量密度均大于40 t/hm2，其中桉樹生長接近生物量密度最大值；林齡為20 a時，闊葉林和混交林生長表現(xiàn)出優(yōu)勢，生物量密度均大于70 t/hm2，多數(shù)樹種生物量累積量占潛在最大值的65%以下，未來還有一定的增長潛力；林齡為30 a時，速生相思、木麻黃、其它軟闊、其它硬闊、針葉混交林、針闊混交林、闊葉混交林生物量密度均大于90 t/hm2，混交林的生物量累積量占潛在最大值的75%以下；林齡為40 a時，闊葉類、混交林的生物量密度均大于100 t/hm2。

圖3 不同樹種潛在生物量密度

3 分區(qū)域生物量密度模型

3.1 非巖溶地區(qū)

利用Mitscherlich方程，建立廣東省非巖溶地區(qū)國家級公益林主要樹種(組)生物量密度—林齡模型，見表2。

非巖溶地區(qū)不同樹種生物量密度隨林齡的變化趨勢，詳見圖4。在非巖溶地區(qū)，隨著林齡增加，馬尾松、針闊混交林生物量累積速率呈直線增加趨勢；針葉混交林呈逐漸上升的趨勢；其它樹種生長均呈現(xiàn)先快后慢的規(guī)律，桉樹生長速度雖然最快，在林齡10 a時其生物量基本上達到峰值，后續(xù)無明顯變化，最終在50 a時，其生物量累積量僅為針葉混交林的48%。

圖4 非巖溶地區(qū)不同樹種生物量密度隨林齡的變化趨勢

非巖溶地區(qū)不同樹種潛在生物量密度，詳見圖5。就不同樹種的生物量密度累積速率來看，林齡為10 a時，除馬尾松外的其它樹種生物量密度均大于40 t/hm2，其中桉樹生長接近生物量密度最大值，生物量累積量占潛在最大值的98%；林齡為20 a時，除了桉樹和濕地松，其他樹種的生物量累積量占潛在最大值的65%以下，隨著時間的推移，后續(xù)仍有較大的生長空間；林齡為30 a時，所有樹種的生物量密度均高于60 t/hm2，此后闊葉類和混交林表現(xiàn)出優(yōu)勢，明顯高于其他樹種；林齡為40 a時，針葉混交林、針闊混交林、闊葉混交林、其它軟闊和其它硬闊生物量密度均大于100 t/hm2，針葉混交林的生物量累積量占潛在最大值的72%；林齡為50 a時，除了馬尾松、濕地松和桉樹，其他樹種的生物量累積量均大于100 t/hm2。

圖5 非巖溶地區(qū)不同樹種潛在生物量密度

3.2 巖溶地區(qū)

利用Mitscherlich方程，建立廣東省巖溶地區(qū)國家級公益林主要樹種(組)生物量密度—林齡模型，詳見表3。

巖溶地區(qū)不同樹種生物量密度隨林齡的變化趨勢，詳見圖6。在巖溶地區(qū)，隨著林齡增加，所有樹種的生長均呈現(xiàn)先快后慢的規(guī)律，其中在前10 a，桉樹的生物量生長速率最快，最先出現(xiàn)“拐點”。

圖6 巖溶地區(qū)不同樹種生物量密度隨林齡的變化趨勢

巖溶地區(qū)不同樹種潛在的生物量密度，詳見圖7。就不同樹種的生物量密度累積速率來看，林齡為10 a時，除馬尾松和其他硬闊外，其它樹種生物量密度均大于40 t/hm2，其中桉樹生長接近生物量密度的最大值，此時其生物量累積量占到潛在最大值的94%；林齡為20 a時，桉樹和混交林生物量密度均大于80 t/hm2；林齡為30 a時，杉木、針闊混交林和濕地松出現(xiàn)峰值，接近生物量密度最大值；林齡為40 a時，所有樹種的生物量累積量占潛在最大值的85%以上，接近于潛在最大值，后續(xù)生長沒有明顯變化；林齡為50 a時，其它軟闊、其它硬闊、針葉混交林和闊葉混交林的生物量密度均大于100 t/hm2。

圖7 巖溶地區(qū)不同樹種潛在生物量密度

4 結(jié)論與討論

就不同樹種的國家級公益林來看，針闊混交林、針葉混交林、速生相思、闊葉混交林具有較大的生物量潛力，其中速生相思前期生長較快，林齡在20 a后生物量累積速度變慢；軟闊類與硬闊類生物量累積速度基本一致；針葉林生物量累積速度較慢。在提升生態(tài)公益林林分質(zhì)量時，應(yīng)優(yōu)先選用闊葉樹種和混交樹種，提升未來生物量潛力。在巖溶地區(qū)，推薦混交林為該地區(qū)更新造林選用樹種，前期生物量增長較快，且生長潛力較大。

通過對巖溶地區(qū)和非巖溶地區(qū)的生物量密度進行對比分析，對同一樹種，非巖溶地區(qū)的生物量密度明顯高于巖溶地區(qū)，具體體現(xiàn)在當(dāng)樹種林齡為50 a時，非巖溶地區(qū)的樹種生物量密度區(qū)間為69～143 t/hm2，巖溶地區(qū)的樹種生物量密度區(qū)間為62～110 t/ hm2。但前期(1～20 a)時，巖溶地區(qū)生物量密度更大。此外，巖溶地區(qū)的生物量增長潛力明顯低于非巖溶地區(qū)，體現(xiàn)在當(dāng)樹種林齡為20 a時，非巖溶地區(qū)除了濕地松、桉樹，其他樹種的生物量累積量占潛在最大值的65%以下，有較大的增長潛力，而巖溶地區(qū)只有其它軟闊的生物量累積量占潛在最大值的65%以下。

對廣東省國家級公益林而言，隨著林齡增加，生物量密度呈增加趨勢。由于上世紀人為干擾等因素的影響，全省國家級公益林中幼林面積以中幼林為主，占到72.34%，但經(jīng)過生態(tài)公益林的保護與恢復(fù)，生物量將持續(xù)增長且潛力巨大。

需要指出的是，建立生物量密度—林齡模型時，由于林齡的調(diào)查數(shù)據(jù)不可避免會產(chǎn)生誤差，使用林齡平均法來抵消調(diào)查誤差，即使用的數(shù)據(jù)為某一林齡下的生物量密度平均值。此外，建立的模型可以代表某一樹種(組)生物量生長曲線的平均水平，但未考慮自然條件、立地條件等差異對生物量的具體影響。