浙江省森林生物量和生產(chǎn)力的估計(jì)

浙江省森林生物量和生產(chǎn)力的估計(jì)

該方法主要包括兩種類型：基于森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)的估計(jì)方法和基于遙感技術(shù)的估計(jì)方法（徐新良等，2006；郭志華等，2002；哈雷德奧爾德，1997；托克郡奧爾德，2003；增長(zhǎng)?；谏仲Y源清查數(shù)據(jù)的方法包括平均生物量法(Brownetal.,1984;1989)、生物量轉(zhuǎn)換因子法(Kauppietal.,1992;Birdseyetal.,1993;Brownetal.,1992)和生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法(variablebiomassexpansionfactorfunction,variableBEFF)(Fangetal.,2001;方精云等,1996;2002)。目前,這些方法在森林生物量/碳估算及全球碳循環(huán)研究中被廣泛使用。大尺度的區(qū)域森林生物量的估算方法一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn),自20世紀(jì)70年代以來(lái)很多學(xué)者根據(jù)國(guó)際生物學(xué)計(jì)劃(IBP)時(shí)代在全球各地的實(shí)測(cè)資料,采用平均生物量的方法開始對(duì)全球范圍內(nèi)的生物量進(jìn)行估測(cè)(Woodwelletal.,1978;Walkeretal.,1997),然而由于當(dāng)時(shí)各類森林的實(shí)測(cè)資料較少,而且實(shí)測(cè)生物量都普遍偏高,使得平均生物量偏大,最終導(dǎo)致全球和區(qū)域生物量的估算結(jié)果偏高(方精云等,1996)。與此同時(shí),人們開始嘗試通過(guò)生物量與材積的比值將森林資源蓄積轉(zhuǎn)化為森林生物量。在這種簡(jiǎn)易方法中,比值被看作是一恒定的常數(shù)(Liethetal.,1975),但實(shí)際情況并非如此,它隨著材積的變化而變化,只有當(dāng)材積很大時(shí)該值才逐步趨于穩(wěn)定(方精云等,2001),換算因子連續(xù)函數(shù)法是材積源方法的改進(jìn)。對(duì)于區(qū)域森林生物量或森林生產(chǎn)力估計(jì),大范圍連續(xù)的地面調(diào)查數(shù)據(jù)極為重要。我國(guó)國(guó)家級(jí)森林資源監(jiān)測(cè)體系已有30多年的歷史,在這期間積累了豐富的以省為總體的森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)。目前,森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)除用于統(tǒng)計(jì)國(guó)家林業(yè)行政主管部門規(guī)定的報(bào)表以外,很少用于相關(guān)科學(xué)研究(張茂震等,2008)和進(jìn)一步的決策分析。利用森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域森林生物量和生產(chǎn)力進(jìn)行估計(jì),將進(jìn)一步拓展森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)在科學(xué)研究和管理決策領(lǐng)域的應(yīng)用,對(duì)區(qū)域森林碳儲(chǔ)量估算、區(qū)域CO2源匯功能評(píng)價(jià)具有重要意義。本文利用森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)和生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法估計(jì)浙江省森林生物量和生產(chǎn)力,探討大區(qū)域森林生物量和生產(chǎn)力估計(jì)的可行方法。1全省氣候、植被現(xiàn)狀浙江省位于中國(guó)東南沿海(118°01′—123°10′E,27°06′—31°11′N),地勢(shì)西南部高,東北部低,自西南向東北傾斜,呈梯級(jí)下降;東北部為沖積平原,中部以丘陵為主,西南部為平均海撥800m的山區(qū),全省最高海拔1929m。全省陸域面積10.18萬(wàn)km2,海域面積26萬(wàn)km2。浙江屬亞熱帶季風(fēng)氣候,地處南亞熱帶和北亞熱帶過(guò)渡地帶,日照充足,年平均氣溫17℃,年平均降水量1319.7mm;全省土壤以丘陵山地紅壤、黃壤等地帶性土壤和海島飽和紅壤為主,植被類型有常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、常綠落葉針葉混交林、山地矮林和山地草叢灌叢。有高等植物288科、1471屬、4600余種,其中,木本植物107科、423屬、1407種。根據(jù)第5次森林資源連續(xù)清查資料統(tǒng)計(jì),全省林地面積667.97hm2,活立木蓄積1.938億m3,森林覆蓋率為57.4%,林業(yè)用地面積占總面積的65.6%,幼中齡林面積占森林面積的88.2%。2學(xué)習(xí)方法2.1調(diào)查內(nèi)容和標(biāo)準(zhǔn)本研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)自浙江省1994,1999和2004年森林資源連續(xù)清查。浙江省森林資源連續(xù)清查采用正方形樣地,面積0.08hm2。1994,1999和2004年,樣地?cái)?shù)分別為4222,4249和4252個(gè),樣木數(shù)分別為121610,149681和207091株。各期調(diào)查的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)基本統(tǒng)一。各期調(diào)查均包含的樹種/樹種組有柏木(Cupressusspp.)、黑松(Pinusthunbergii)、馬尾松(Pinusmassoniana)、黃山松(Pinustaiwanensis)、杉木(Cunninghamialanceolata)、柳杉(Cryptomeriaspp.)、櫟類(Quercusspp.)、硬闊類、檫木(Sassafrastsumu)和軟闊類共10個(gè)。2004年增加針葉混交林、針闊混交林、闊葉混交林3個(gè)樹種組。每木檢尺記錄立木類型、檢尺類型、樹種和胸徑。樣地優(yōu)勢(shì)樹種/樹種組劃分與樹種/樹種組劃分標(biāo)準(zhǔn)相同。2.2不同樹種生物量和生長(zhǎng)情況全省森林生物量估計(jì)采用換算因子連續(xù)函數(shù)法(Fangetal.,2001),其森林生物量估計(jì)回歸方程為:B=aV+b,式中:B為單位面積生物量(t·hm-2),V為單位面積蓄積量(m3·hm-2),a和b為參數(shù)。表1列出了12組森林蓄積量-生物量轉(zhuǎn)換模型參數(shù)(Fangetal.,2001),分別對(duì)應(yīng)1個(gè)或多個(gè)樹種/樹種組,其中,針葉混交林、針闊混交林和闊葉混交林3個(gè)樹種組采用了曾偉生(2005)的參數(shù)。在森林資源連續(xù)清查中,蓄積調(diào)查只針對(duì)經(jīng)濟(jì)林以外的喬木林、疏林以及散生木和四旁樹進(jìn)行。因此,本研究中經(jīng)濟(jì)林、灌木林和竹林的生物量采用非蓄積轉(zhuǎn)換方法估計(jì)。其中,經(jīng)濟(jì)林和灌木林采用Fang等(2001)的方法估計(jì),竹林采用周國(guó)模(2006)的方法估計(jì)。疏林、散生木及四旁樹的林木生物量均由立木蓄積推算。具體計(jì)算方法和參數(shù)如下。竹林:用單株平均生物量與總株數(shù)估計(jì),單株平均生物量取10.4423kg(周國(guó)模,2006)。經(jīng)濟(jì)林:用單位面積生物量平均值與總面積估計(jì),單位面積生物量平均值取23.70t·hm-2。灌木林:用單位面積生物量平均值乘以總面積估計(jì),單位面積生物量平均值取19.76t·hm-2(Fangetal.,2001)。疏林、散生木及四旁樹:以該省同期平均單位生物量(t·hm-2)與單位蓄積量(m3·hm-2)比值(t·m-3)推算相應(yīng)類型的生物量。2.3森林生產(chǎn)力測(cè)算方法森林生產(chǎn)力的估算方法可分為遙感和實(shí)測(cè)2類。前者基于森林光合作用機(jī)制進(jìn)行模型模擬,后者基于森林某一時(shí)刻實(shí)際生物量的測(cè)定。本文采用換算因子連續(xù)函數(shù)法估算,屬于后者。在已知森林蓄積的情況下:B1=aV1+b?(1)式中:B1為第n1年單位面積生物量(t·hm-2),V1為第n1年單位面積蓄積量(m3·hm-2),a,b為參數(shù)。B2=aV2+b?(2)式中:B2為第n2年單位面積生物量(t·hm-2),V2為第n2年單位面積蓄積量(m3·hm-2),a,b為參數(shù)。第n1年和第n2年單位面積生物量之差即為間隔期內(nèi)單位面積的總生產(chǎn)力,令Δn=n2-n1,ΔB為單位面積單位時(shí)間生物量的增長(zhǎng)量,則有:ΔB=(B2-B1)/Δn?(3)即ΔB為間隔期內(nèi)年均單位面積生產(chǎn)力。由(3)式可以導(dǎo)出:ΔB=a(V2-V1)/Δn。(4)公式(3)和(4)的ΔB是一個(gè)Δn年的平均值。當(dāng)Δn不是太大時(shí),2個(gè)公式均可以較好地反映森林生產(chǎn)力,但2式有一定區(qū)別。公式(3)用2期生物量之差計(jì)算,而(4)式直接用蓄積量之差計(jì)算,后者沒用到參數(shù)b。在總體沒有人為干擾的情況下,可用上述方法計(jì)算生產(chǎn)力。但在大范圍內(nèi),干擾不可避免。利用森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)估算森林生產(chǎn)力,森林的采伐和枯損的因素必須考慮。因此,公式(3)和(4)分別有修正式:ΔB=(B2′-B1)/Δn?(5)式中:B′2為B2的修正值,且B′2=a[V2+(Vc+Vd)(1+p)Δm]+b,其中Δm為采伐木和枯損木從最后1次調(diào)查到被采伐或枯損時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間(年)。取Δm=Δn/2,Vc,Vd分別為間隔期Δn年內(nèi)采伐和枯損蓄積,p為年平均生長(zhǎng)率。[(Vc+Vd)(1+p)Δm]為Δn年內(nèi)的包括未測(cè)生長(zhǎng)量(按Δm年計(jì)算)的消耗量。將B′2代入(5)式,有:ΔB=a[V2+(Vc+Vd)(1+p)Δm-V1]/Δn。(6)本研究森林生產(chǎn)力計(jì)算采用修正式(5)和(6)。3結(jié)果與分析3.1林分生物量及森林總生物量根據(jù)森林生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法的回歸方程和表1,浙江省林分生物量計(jì)算結(jié)果如表2。表2顯示,1994,1999和2004年浙江省林分生物量分別為0.951億,1.006億和1.511億t,林分單位面積平均生物量分別為27.59,27.83和38.40t·hm-2。1994—1999年間,林分生物量年均增長(zhǎng)3.18%,林分面積年均遞增1.07%;1999—2004年間,林分總生物量年均增長(zhǎng)27.95%,林分面積年均遞增1.68%,面積年均增長(zhǎng)速度略有提高,但生物量增幅較大。從林分生物量與林分面積增長(zhǎng)的速率可看出:1994—1999年間森林面積增長(zhǎng)以幼齡林和中齡林為主,林分質(zhì)量較低;1999—2004年間,林分生物量年均增長(zhǎng)速度大大超過(guò)林分面積增長(zhǎng)速度,表明林分質(zhì)量得到大幅度改善。林分生物量(表2)與經(jīng)濟(jì)林、竹林、灌木林、疏林、散生木和四旁樹生物量共同構(gòu)成全省森林總生物量(表3)。由表2和表3可知,浙江省1994,1999和2004年森林總生物量分別為1.496億,1.615億和2.244億t,平均單位面積森林生物量分別為14.69,15.87和22.04t·hm-2。森林總生物量變化呈上升趨勢(shì),與林分生物量變化趨勢(shì)相同。1994—1999年間,森林生物量年均增長(zhǎng)1.60%,而在1999—2004年間,這一增長(zhǎng)率達(dá)7.78%,說(shuō)明全省森林生物量在20世紀(jì)90年代穩(wěn)步增長(zhǎng),進(jìn)入21世紀(jì)以后這一增長(zhǎng)加速,林分質(zhì)量穩(wěn)步提高,灌木林得到較好的保護(hù),竹林等森林資源成分的消耗相對(duì)減少。但與其他省比較(曾偉生,2005;光增云,2006),無(wú)論是全省森林總平均單位面積生物量還是林分平均單位面積生物量都顯著偏低。3.2林分生產(chǎn)力分析根據(jù)公式(5)可得,1994—1999年間全省林分平均生產(chǎn)力為1.557t·hm-2a-1,其中針葉林為1.426t·hm-2a-1,闊葉林為2.367t·hm-2a-1。1999—2004年間全省林分平均生產(chǎn)力為2.060t·hm-2a-1,其中針葉林為1.844t·hm-2a-1,闊葉林為2.280t·hm-2a-1。分別用公式(5)和(6)計(jì)算的各優(yōu)勢(shì)樹種/樹種組平均生產(chǎn)力見表4。結(jié)果顯示:公式(5)和(6)的計(jì)算結(jié)果基本一致。1994—1999年間平均單位面積林分生產(chǎn)力與1999—2004年間平均單位面積林分生產(chǎn)力差別明顯,總體上呈上升趨勢(shì)。浙江省1994—2004年間森林生產(chǎn)力有了顯著提升,但與其他省份(曾偉生,2005;光增云,2006)相比,單位面積生物量和生產(chǎn)力2項(xiàng)指標(biāo)仍顯著偏低。4b=a能夠vd與全國(guó)林分生物量(方精云等,1996)比較,1994年浙江省林分生物量占1.71%,而同期活立木蓄積浙江省占全國(guó)的1.33%,二者吻合較好,說(shuō)明用換算因子連續(xù)函數(shù)法估計(jì)區(qū)域森林生物量具有較高的可信度。換算因子連續(xù)函數(shù)法是估計(jì)大尺度森林生物量和生產(chǎn)力的有效方法,但是,采用其對(duì)單位蓄積量很低的總體進(jìn)行估計(jì),誤差可能較大?；谏仲Y源連續(xù)清查的區(qū)域生產(chǎn)力估計(jì)有生物量差函數(shù)和蓄積量差函數(shù)2種方法,前者形如ΔB=(B2-B1)/Δn,后者形如ΔB=a(V2-V1)/Δn。雖原理相同,但估計(jì)結(jié)果有一定差別。當(dāng)2期林分變化較大或出現(xiàn)極端情況時(shí),2種方法的結(jié)果差別顯著。這里,計(jì)算B2或V2需要考慮現(xiàn)有森林存量和2次調(diào)查之間的采伐利用或自然損失。在本研究中,由于后期有1/3的樣地移動(dòng)位置,其間的采伐等消耗情況無(wú)法得知,以至于生產(chǎn)力有可能被低估。而后式是根據(jù)單位蓄積變化量推算生物量,不確定因素較前者少,但其未用到模型的b參數(shù),估計(jì)結(jié)果也可能會(huì)偏低。結(jié)果證明,在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分布正常的情況下,b參數(shù)的影響程度不大,采用ΔB=a(V2-V1)/Δn估算的森林生產(chǎn)力結(jié)果較前者更可靠。用換算因子連續(xù)函數(shù)法估算生產(chǎn)力必然涉及2次調(diào)查之間的未測(cè)消耗量,如果直接采用森林資源連續(xù)清查成果提供的生長(zhǎng)率,則由于其采用普雷斯勒式計(jì)算,計(jì)算未測(cè)消耗量不能直接用復(fù)利公式進(jìn)行。另外,森林資源連續(xù)清查中的未測(cè)生長(zhǎng)率只代表了相鄰2次調(diào)查之間林木生長(zhǎng)率的一半,而計(jì)算生產(chǎn)力時(shí)