料慈竹經(jīng)濟(jì)稈材生物量模型

張麗, 馬光良, 趙博, 李相君, 王光劍, 王履娟, 孫鵬

1. 四川省林業(yè)科學(xué)研究院, 四川 成都 610081；

2. 瀘州市林業(yè)科學(xué)研究院, 四川 瀘州 646000；

3. 西南科技大學(xué), 四川 綿陽 621010；

4. 江安縣林業(yè)和竹業(yè)局, 四川 宜賓 644200

料慈竹具有生長快、成材周期短、經(jīng)濟(jì)價值高、用途廣等特點，是生產(chǎn)竹膠合板、制漿造紙和特殊工業(yè)利用的良好材料。同時其竹壁薄、節(jié)間長、劈篾性能好，也是編制竹器、扭制竹纜的上乘材料[1]。

生物量是衡量植物光合作用和林分產(chǎn)量的重要指標(biāo)，竹稈的生物量直接影響著其經(jīng)濟(jì)價值[2]，通常用構(gòu)建生物量模型來預(yù)估[3]。不同竹種生物量模型擬合研究表明，竹子單株生物量與竹齡、胸徑、株高等相關(guān)關(guān)系顯著，不同竹種生物量差異較大[3-16]。以往研究中多以地上生物量、各器官生物量研究居多[2,17-19]，但研究結(jié)果表明，竹稈生物量模型通常具有更高的預(yù)估精度和擬合優(yōu)度，而枝、葉生物量模型尤其是竹葉生物量模型的精度存在較大差異[7]。目前料慈竹利用仍以稈材利用為主，本研究從生產(chǎn)實用性方面考慮，僅探究竹稈去梢后的經(jīng)濟(jì)稈材（最小竹節(jié)中徑≥2 cm）生物量。

既有資料中，吳炳生等[20]采用冪函數(shù)回歸模型對貴州赤水市料慈竹竹稈鮮重進(jìn)行了擬合，使用該模型測算本研究所選料慈竹林分，或因地域原因存在含水率差異，所得結(jié)果與實際竹稈鮮重差距較大。且該文未對竹稈生物量（干物質(zhì)質(zhì)量）進(jìn)行擬合，不能真實反映竹材干物質(zhì)積累，存在一定應(yīng)用局限性。因此，本文在胸徑、株高、竹齡、胸高竹節(jié)長（胸徑所在節(jié)的節(jié)長）4個自變量中探究影響擬合模型效果的主要因子，構(gòu)建并優(yōu)選出料慈竹全竹齡（所有竹齡，適用于竹齡未知立竹）經(jīng)材重和分竹齡（區(qū)分為1-4a+，適用于竹齡已知立竹）經(jīng)材重最佳模型。旨在通過模型為料慈竹林分生產(chǎn)力估測、碳匯計量和提出竹叢利用的最佳竹齡和豐產(chǎn)指標(biāo)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省瀘州市敘永縣北部馬嶺鎮(zhèn)及向林鎮(zhèn)，為四川盆地向云貴高原過渡地帶的中低山區(qū)，土壤成土母質(zhì)為紅色砂巖（丹霞地貌），土壤為紅砂壤，林竹資源豐富，是料慈竹的核心種源區(qū)之一。兩鎮(zhèn)海拔分布在369—1078 m之間，屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，年均溫18℃，無霜期年平均348d，平均年降水量1 225 mm，年平均日照時數(shù)1 220 h。

2 研究方法

2.1 樣地、樣叢、樣竹選擇

分別在敘永縣馬嶺鎮(zhèn)、向林鎮(zhèn)選擇人為經(jīng)營影響較小的料慈竹純林，按照上、中、下坡位共設(shè)置7個400 m2典型樣地，調(diào)查料慈竹竹叢分布特征（共154叢），于每個樣地中各選3叢具林分代表性的樣叢（共21叢），開展立竹每竹檢尺，并在1a、2a、3a、4a+竹齡中選取生長良好、無破損和病蟲害的樣竹進(jìn)行測定（共70株），竹稈年齡根據(jù)竹稈皮色法、籜環(huán)留存刺毛和竹稈被白粉程度以及竹農(nóng)多年經(jīng)驗判定。樣地基本情況見表1。

表1 樣地立地條件及竹叢林分狀況Tab. 1 Site conditions of the sample plots and bamboo forest stand

2.2 樣竹各指標(biāo)的測定及樣本采集

將選取的樣竹從基部伐倒測量全竹高度（株高），去除經(jīng)濟(jì)稈材上部梢頭及枝葉后測量其胸徑、胸高竹節(jié)長以及經(jīng)濟(jì)材重量，并從樣竹基部伐口上數(shù)第二節(jié)（第一節(jié)因土壤擠壓變形，第二節(jié)較穩(wěn)定）、中間節(jié)、經(jīng)濟(jì)材倒數(shù)第二節(jié)取20cm長樣品（共210節(jié)），現(xiàn)場稱重后帶回。將采集的樣品置于烘箱105℃殺青2 h[4]，再由85℃烘干至恒重，即為干物質(zhì)質(zhì)量，計算含水率。含水率計算公式為[7]：

式中：P為含水率；mf為樣品鮮重；md為樣品干重。

根據(jù)上中下節(jié)樣品含水率，用加權(quán)平均數(shù)計算竹稈平均含水率，根據(jù)經(jīng)濟(jì)稈材鮮重及平均含水率計算干物質(zhì)質(zhì)量，即為經(jīng)材重。

考慮竹叢立竹結(jié)構(gòu)受采伐經(jīng)營措施等因素的影響帶來竹齡間稈數(shù)、經(jīng)材重差異，宜采用稈粗經(jīng)材重（立竹經(jīng)材重/相應(yīng)立竹胸徑）進(jìn)行竹齡間經(jīng)材重差異性比較。

2.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel和IBM SPSS Statistics（IBM，USA）進(jìn)行統(tǒng)計分析，Origin Pro（Originlab，USA）軟件制圖。

2.4 偏相關(guān)性分析

分別將若干個自變量單獨與因變量求偏相關(guān)，同時控制其他因素的影響，然后比較相關(guān)系數(shù)，按自變量對因變量影響程度的大小排序，選出影響最大的變量。

2.5 經(jīng)材重模型的構(gòu)建與優(yōu)選

根據(jù)經(jīng)材重與各變量相關(guān)性分析結(jié)果，將全竹齡及1-4a+經(jīng)材重作為因變量，胸徑、株高、胸高竹節(jié)長及其組合形式作為自變量，分別用一元線性回歸、多元線性回歸和曲線回歸的11種常見的本質(zhì)線性模型（線性、二次方曲線、復(fù)合曲線、增長曲線、對數(shù)曲線、立方曲線、S曲線、指數(shù)曲線、逆模型、冪函數(shù)、邏輯函數(shù)），構(gòu)建經(jīng)材重估測模型，用評價回歸模型優(yōu)劣程度的重要指標(biāo)決定系數(shù)(R2)反映模型擬合優(yōu)度，均方根誤差(RMSE)衡量觀測值與真值之間的偏差，R2數(shù)值越接近1表示對回歸的貢獻(xiàn)程度越高，RMSE越小模型擬合效果越好。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同竹齡的料慈竹單株經(jīng)濟(jì)稈材含水率及稈粗經(jīng)材重特征

料慈竹不同竹齡的含水率和稈粗經(jīng)材重存在差異（圖1）。

圖1 不同竹齡料慈竹經(jīng)濟(jì)稈材含水率和稈粗經(jīng)材重特征Fig. 1 Characteristics of moisture content and stalk diameter economic stalk biomass in different ages of Bambusa distegia

各竹齡平均含水率表現(xiàn)為1a＞3a＞2a＞4a+，分別為64.77±4.42%，50.62±5.45%，50.56±4.45%，46.2±3.70%。含水率2a、3a、4a+比1a顯著下降，2a與3a、3a與4a+間無顯著差異，4a+比2a顯著下降，有竹稈含水率隨稈齡降低的趨勢。稈材水分承擔(dān)著體內(nèi)輸送物資效能，含水率逐年下降暗示著立竹生命力的下降。

立竹稈粗經(jīng)材重表現(xiàn)為2a＞3a＞4a+＞1a，分別為0.46 kg/cm、0. 68 kg/cm、0.60 kg/cm、0.52 kg/cm。1a與4a+間有顯著差異，其余各竹齡的稈粗經(jīng)材重相互間差異不顯著。

綜上可見，料慈竹立竹稈材生物量積累4年間即完成上升、峰值、衰退周期。1a竹稈含水量最高，立竹稈材生物量積累最低，不適宜砍伐材用；2a稈材即達(dá)到制漿工藝成熟，且含水率下降，生物量積累達(dá)到峰值；3a稈材含水量與生物量積累相較于2a竹略低，但仍處峰值區(qū)間；4a+經(jīng)濟(jì)稈材含水率較低，稈材組織已完善且生物量積累有所損失，表明立竹進(jìn)入衰退期，大部分應(yīng)盡早伐除。

3.2 不同胸徑徑級的料慈竹單株經(jīng)材重變化

已調(diào)查的料慈竹胸徑分布在2～11 cm范圍內(nèi)，以1 cm為1個徑級，共分為9個徑級。經(jīng)測量，各徑級平均經(jīng)材重分別為0.78 kg、1.23±0.19 kg、1.87±0.65 kg、2.60±1.04 kg、3.83±1.65 kg、5.43±1.23 kg、7.30±1.34 kg、9.48±1.69 kg、11.04 kg，大部分徑級間平均經(jīng)材重差異達(dá)到顯著水平。從圖2可看出，隨著徑級的增加，平均經(jīng)材重也在穩(wěn)步上升，10.1～11.0 cm徑級的平均經(jīng)材重達(dá)到最大，說明利用優(yōu)良的竹林立地環(huán)境，培養(yǎng)大徑竹材是提高竹林產(chǎn)量的有效途徑。也說明，胸徑與經(jīng)材重存在顯著相關(guān)性，是構(gòu)建生物量模型的較佳自變量。

圖2 不同徑級的料慈竹經(jīng)材重變化Fig. 2 Variation of economic stalk biomass in different diameter classes of Bambusa distegia

3.3 料慈竹單株經(jīng)材重模型的構(gòu)建和優(yōu)選

3.3.1 經(jīng)材重與各變量偏相關(guān)分析

表2顯示，在全竹齡和1-4a+料慈竹單株經(jīng)材重偏相關(guān)分析中，胸徑的偏相關(guān)系數(shù)除了在1a經(jīng)材重中排第二位，在其余齡級中都排首位，與經(jīng)材重顯著相關(guān)。在全竹齡中經(jīng)材重中，胸徑與生物量偏相關(guān)系數(shù)較高且顯著相關(guān)，株高與胸高竹節(jié)長與生物量相關(guān)性不顯著。相關(guān)系數(shù)越大，相關(guān)性越強(qiáng)，因此，胸徑可作為構(gòu)建料慈竹單株生物量模型的最佳變量，株高、胸高竹節(jié)長次之。

表2 料慈竹經(jīng)材重與各變量的偏相關(guān)分析Tab. 2 Partial correlation analysis of economic stalk biomass of Bambusa distegia with variables

3.3.2 經(jīng)材重模型的構(gòu)建與優(yōu)選

經(jīng)材重估測模型構(gòu)建完成后去除R2小于0.85的曲線估計模型（R2小于0.85表明自變量不能單獨說明經(jīng)材重變化的大部分信息），形成37個包括3種函數(shù)類型、5種自變量的經(jīng)材重模型，最終根據(jù)決定系數(shù)R2和均方根誤差RMSE優(yōu)選形成全竹齡模型1個，分竹齡模型4個（表3加粗顯示行）。優(yōu)選模型的決定系數(shù)均在0.87以上，顯著性（**）均小于0.01，表明模型具有較強(qiáng)的適用性和較好的可信度，可用于相似生長條件下的料慈竹生物量估測。

表3 料慈竹不同竹齡的經(jīng)材重模型Tab. 3 Economic stalk biomass model for different bamboo ages of Bambusa distegia

在胸徑、株高、胸高竹節(jié)長及其組合形式的5種自變量中，擬合結(jié)果最終無一例外都為胸徑最佳。胸徑是竹叢種群結(jié)構(gòu)表征性狀，不僅易測，且是能與其他性狀建立較好估測模型的重要因子[21]。一元線性回歸、多元線性回歸、曲線估計3種函數(shù)模型中，總體上模擬效果排序為曲線估計＞多元線性回歸＞一元線性回歸。曲線估計中絕大部分二次方曲線模型效果最好，且在生產(chǎn)實踐中比立方曲線計算更為簡便快捷，故優(yōu)選形成的5個模型全為二次方曲線模型。

4 討論

全竹齡及分竹齡的經(jīng)材重模型公式形成后，代入7個料慈竹樣地的竹齡、胸徑等數(shù)據(jù)，估算出各樣地不同模型的估測每公頃經(jīng)材重結(jié)果，并與實際每公頃經(jīng)材重結(jié)果作對比計算差值。從表4中可看出，不論全竹齡還是分竹齡模型，估測經(jīng)材重都低于實際值，其中分竹齡的估測生物量與實際生物量差值更小，比全竹齡更準(zhǔn)確，這結(jié)論與表3中分竹齡模型R2和RMSE平均值與全竹齡相比擬合效果更佳的結(jié)論相同。生產(chǎn)實踐中若經(jīng)驗豐富，可準(zhǔn)確識別竹齡，使用分竹齡模型預(yù)測生物量大小更為準(zhǔn)確。通過模型估算可實時掌握林分生物量存量數(shù)據(jù)，為料慈竹竹林豐產(chǎn)培育和科學(xué)營林提供決策指導(dǎo)。

表4 不同模型的料慈竹林分經(jīng)材重估算結(jié)果Tab. 4 Estimation of economic stalk biomass for different bamboo model of Bambusa distegia stand

對實際每公頃經(jīng)材重與海拔、立竹密度/平均竹齡、平均胸徑進(jìn)行偏相關(guān)分析（表5），探究對生物量影響最大的因素，可發(fā)現(xiàn)生物量與平均竹齡、平均胸徑、海拔顯著相關(guān)，與立竹密度相關(guān)性不顯著。偏相關(guān)系數(shù)平均竹齡＞平均胸徑＞海拔＞立竹密度。可得出，竹齡平均值越接近于3a，平均胸徑越大，海拔越低，單位面積林分經(jīng)濟(jì)稈材總生物量越高。

表5 不同變量與料慈竹實際每公頃經(jīng)材重的偏相關(guān)分析Tab. 5 Partial correlation analysis of actual per hectare economic stem biomass of Bambusa distegia stands with variables

用單因素方差分析探討4種不同坡向的光照對料慈竹單株經(jīng)材重的影響，結(jié)果顯示陰坡經(jīng)材重平均值（7.86 kg）顯著高于半陰坡（東坡）平均值（4.30 kg）、半陽坡（西坡）[21]平均值（3.63 kg）和陽坡平均值（3.17 kg），其余坡向間差異不顯著。結(jié)合生物學(xué)特性分析，說明料慈竹在溫度許可的環(huán)境中，陰坡水濕條件有利于竹子生長，產(chǎn)量更高。

為探討水分對單株經(jīng)材重的影響，用獨立樣本T檢驗比較水分條件較好和較差的立竹單株經(jīng)材重，結(jié)果顯示水分條件較好的立竹平均單株經(jīng)材重為4.72 kg，較差為2.12 kg，兩樣本均值有顯著性差異。說明水分條件越好，經(jīng)材重越高。

合理擇伐、采育兼顧是調(diào)整竹齡結(jié)構(gòu)、優(yōu)化竹林組成、實現(xiàn)豐產(chǎn)培育的重要手段[22]。2a、3a齡級竹經(jīng)材重較高，大量伐除可在短期內(nèi)獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益；4a+齡竹或因水分流失時帶走可溶性物質(zhì)導(dǎo)致生物量損失，應(yīng)盡早伐除。但上述齡級竹仍通過竹蔸與新筍相連，過度伐除會刺激新筍萌發(fā)過多而使稈徑變小，影響林分后續(xù)的生長、更新和產(chǎn)出量，故砍伐時仍應(yīng)合理留養(yǎng)，不可盡數(shù)伐除。參考前人研究成果[21,23,24]，為保持原料林的穩(wěn)定健康生長，取得最佳豐產(chǎn)指標(biāo)，竹叢立竹年齡結(jié)構(gòu)比1a∶2a∶3a∶4a+保持在3∶3∶3∶1較為合適。

本研究構(gòu)建的擬合模型主要討論如何估算料慈竹經(jīng)濟(jì)稈材烘干重，僅對制漿造紙企業(yè)的參考意義較大，后續(xù)可繼續(xù)研究經(jīng)濟(jì)稈材鮮重的擬合模型，以更好地適應(yīng)農(nóng)戶、合作社等群體的生產(chǎn)經(jīng)營需求。