華北落葉松人工林生物量估算參數(shù)及其區(qū)域分異

華北落葉松人工林生物量估算參數(shù)及其區(qū)域分異

森林固碳量約占總土壤固碳量的82.5%（sabietal.，2004），森林生物量是評(píng)估森林固碳能力和各森林收支的重要指標(biāo)（ipcc，2003；2006）。森林生物量的估算方法主要有生物量相對(duì)生長方程、生物量估算參數(shù)、3S技術(shù)等(Somogyietal.,2007)。常用的生物量估算參數(shù)包括生物量轉(zhuǎn)擴(kuò)因子(biomassconversionandexpansionfactor,BCEF)、木材密度(wooddensity,WD)、生物量擴(kuò)展因子(biomassexpansionfactor,BEF)和根莖比(root∶shootratio,R/S)(IPCC,2003;2006)。華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)是我國暖溫帶亞高山森林類型的主要構(gòu)成樹種,也是華北亞高山地區(qū)重要的造林樹種(中國森林編輯委員會(huì),1999)。目前,不同林分起源、立地和經(jīng)營措施下華北落葉松的生長規(guī)律、生物量、生產(chǎn)力、營養(yǎng)元素循環(huán)以及碳貯量均有報(bào)道(劉志剛等,1992;張峰等,1992a;1992b;劉再清等,1995;韓有志等,1997;柴寶峰等,1999;謝會(huì)成等,2002;吳建國等,2006;羅云建等,2009),但尚未見到生物量估算參數(shù)方面的研究。羅云建等(2007)初步分析了中國北方落葉松林的生物量估算參數(shù),但對(duì)華北落葉松人工林生物量估算參數(shù)及其區(qū)域分異的情況仍不清楚。另外,很多研究表明不同樹種的生物量估算參數(shù)值存在很大的差異(Levyetal.,2004;Lehtonenetal.,2004;Teobaldellietal.,2009)。因此,本研究以華北落葉松人工林為對(duì)象,利用大量的生物量實(shí)測數(shù)據(jù),分析不同區(qū)域的生物量估算參數(shù)(BCEF,BEF和R/S)值及其變化規(guī)律,為區(qū)域森林生物量估算提供必要的估算參數(shù)。1陰山山脈下山區(qū)地貌華北落葉松人工林集中分布于山西和河北兩省,北京、內(nèi)蒙古、青海等地也有小片分布(中國森林編輯委員會(huì),1999)。山西省以關(guān)帝山、五臺(tái)山、恒山和管涔山為主分布區(qū)(山西森林編輯委員會(huì),1992),河北省以塞罕壩林區(qū)為主分布區(qū)(中國森林編輯委員會(huì),1999;黃金祥等,1996)。在全面踏查上述分布區(qū)的基礎(chǔ)上,選定關(guān)帝山、五臺(tái)山和塞罕壩3個(gè)林區(qū)作為研究區(qū),其中五臺(tái)山林區(qū)又可分為中山區(qū)和盆地區(qū)。關(guān)帝山林區(qū)位于山西省西部呂梁山脈的中段(111°18′—112°18′E,37°20′—38°20′N)。全區(qū)山體陡峭,溝壑縱橫,平均坡度20.8°,平均海拔1927.4m,最低海拔1000m。成土母巖以花崗巖、片麻巖、石英巖和角閃巖為主,土壤類型主要有淡褐土、山地淋溶褐土、山地棕壤和亞高山草甸土。年均氣溫4℃,年降水量600mm,年日照2800h,全年無霜期100天。五臺(tái)山林區(qū)位于山西省東北部太行山山脈(112°48′—113°55′E,38°27′—39°15′N),可分為中山區(qū)和盆地區(qū)2個(gè)亞區(qū)。成土母質(zhì)以變質(zhì)巖、石英巖、白云巖為主,土壤類型主要有褐土、山地褐土、山地淋溶褐土、山地棕壤、亞高山草甸土和高山草甸土。全區(qū)位于暖溫帶濕潤半濕潤氣候區(qū),山頂屬于高寒氣候,年均氣溫-4.2℃,極端最低氣溫-44.8℃,年降水量966.3mm,全年無霜期72天。塞罕壩林區(qū)位于河北省最北部(116°51′—117°39′E,42°02′—42°36′N),地跨壩上與接壩山區(qū)2個(gè)地貌單元。壩上屬內(nèi)蒙古高原東南緣,海拔在1500m以上,至高點(diǎn)大光頂子海拔1936m;接壩山區(qū)系陰山山脈與大興安嶺余脈的交匯地帶,海拔1300～1700m。壩上以風(fēng)沙土為主兼有草甸土和沼澤土,接壩山區(qū)多為灰色森林土及棕壤,少部分為褐土。主要成土母質(zhì)為風(fēng)積物、殘積物、堆積物及沖積物等。全區(qū)位于干旱半濕潤氣候區(qū),年氣溫-1.4℃,極端低溫-42.8℃,極端高溫30.9℃,年均降水量437.8mm,年蒸發(fā)量1350mm,全年無霜期約60天。2學(xué)習(xí)方法2.1華北落葉松人工林密度和胸徑生長情況在全面踏查的基礎(chǔ)上,選擇具有代表性的地段,相同林齡至少3個(gè)重復(fù),設(shè)置了20m×20m的臨時(shí)樣地共計(jì)89塊,其中關(guān)帝山18塊、五臺(tái)山中山區(qū)15塊、五臺(tái)山盆地區(qū)24塊、塞罕壩林區(qū)32塊。在整個(gè)華北落葉松人工林的調(diào)查區(qū)域,林下灌木和草本都較為少見,在五臺(tái)山中山區(qū)林下則只有少量草本。各區(qū)域樣地的基本情況見表1。在每個(gè)樣地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺,按徑級(jí)記錄株數(shù),計(jì)算平均胸徑,并依此平均胸徑選取1～3株標(biāo)準(zhǔn)木。將標(biāo)準(zhǔn)木伐倒,地上部分采用分層切割法,根系采用全挖法,測定各器官(帶皮樹干、樹枝、樹葉和樹根)的鮮質(zhì)量,同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)木各器官的典型部位采集器官樣品各200g帶回實(shí)驗(yàn)室,在85℃恒溫下烘干至恒質(zhì)量,計(jì)算各器官的含水率和干質(zhì)量。2.2木材密度b利用生物量估算參數(shù)估算森林生物量B(t·hm-2)有2種計(jì)算途徑:B=V?BCEF?(1+R/S);(1)B=V?WD?BEF?(1+R/S)。(2)B=V?BCEF?(1+R/S);(1)B=V?WD?BEF?(1+R/S)。(2)式中:V為蓄積量(m3·hm-2);BCEF為生物量轉(zhuǎn)擴(kuò)因子,即地上生物量與蓄積量之比(t·m-3);BEF為生物量擴(kuò)展因子,即地上生物量與樹干生物量之比,無量綱;R/S為根莖比,即地下生物量與地上生物量之比,無量綱;WD為木材密度(t·m-3)。理論上,BCEF=BEF·WD。利用蓄積量、樹干生物量、地上生物量和地下生物量的實(shí)測值,首先計(jì)算每個(gè)參數(shù)(BCEF,BEF和R/S)的值,然后分析它們與林分測量指標(biāo)(林齡、平均胸徑、林分密度和蓄積量)的關(guān)系。2.3處理數(shù)據(jù)相關(guān)性分析、方差分析和回歸分析采用SPSS16.0,圖形制作采用SigmaPlot11.0。3結(jié)果與分析3.1生物量估算參數(shù)的變化規(guī)律關(guān)帝山林區(qū)和五臺(tái)山林區(qū)的BCEF平均值間無顯著差異(P>0.05),但都大于塞罕壩林區(qū)(P<0.05);關(guān)帝山林區(qū)、五臺(tái)山盆地區(qū)和塞罕壩林區(qū)的BEF平均值間無顯著差異(P>0.05),但都小于五臺(tái)山中山區(qū)(P<0.05);4個(gè)區(qū)域的R/S平均值間無顯著差異(P>0.05)(表2)。故而,合并估算參數(shù)值無顯著差異的區(qū)域后,再分析生物量估算參數(shù)的變化規(guī)律。合并區(qū)域的生物量估算參數(shù)值也列在表2中。3.2林齡、密度和蓄積量與bcef和bef的關(guān)系BCEF和BEF與林齡、平均胸徑和蓄積量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)(表3)。除塞罕壩林區(qū)BCEF與林分密度顯著正相關(guān)(P<0.05)外,其余區(qū)域BCEF均與林分密度無顯著相關(guān)性(P>0.05)(表3)。4個(gè)區(qū)域BEF均與林分密度無顯著相關(guān)性(P>0.05)(表3)。R/S與林齡和平均胸徑極顯著正相關(guān)(P<0.01),與林分密度和蓄積量無顯著相關(guān)性(P>0.05)(表3)。隨著林齡、平均胸徑和蓄積量的增加,BCEF和BEF的值逐漸減小并趨于穩(wěn)定(圖1和2)。生物量估算參數(shù)(y)與林分測量指標(biāo)(x)(林齡、平均胸徑、蓄積量)的函數(shù)關(guān)系采用二項(xiàng)式模型y=a+b·x+c·x2、倒數(shù)模型y=a+b/x、冪函數(shù)模型y=a·xb、對(duì)數(shù)模型y=a+b·ln(x)、指數(shù)模型Ⅰy=a·exp(b·x)和指數(shù)模型Ⅱy=a+b·exp(-c·x)等常用模型描述,其中a,b和c為回歸系數(shù)?；貧w分析后發(fā)現(xiàn),BEF與林齡的關(guān)系用冪函數(shù)模型描述較好,R/S與林齡和平均胸徑的關(guān)系用指數(shù)模型Ⅰ描述較好,其余用指數(shù)模型Ⅱ描述較優(yōu)(表4)。但是,R/S與林齡和平均胸徑的回歸效果都很差(圖3,表4),不能用于預(yù)測根莖比的值。4生長和生長空間的關(guān)系不同區(qū)域的BCEF和BEF平均值間存在一定的差異(表2)。很多學(xué)者給出的BCEF和BEF定義不盡相同(Lehtonenetal.,2004;Levyetal.,2004;IPCC,2006),因此,橫向比較時(shí)應(yīng)特別留意。不同區(qū)域BCEF和BEF的值隨林齡、平均胸徑和蓄積量等的增加而逐漸減小(表2,圖1),這與很多研究的結(jié)論類似(Brownetal.,1999;Fangetal.,2001;Lehtonenetal.,2004;Levyetal.,2004;IPCC,2006;羅云建等,2007;Teobaldellietal.,2009)。因此,建議按區(qū)域選擇BCEF和BEF值,并盡可能用它們與林分測量指標(biāo)的函數(shù)關(guān)系來確定。不同區(qū)域R/S的平均值無顯著差異(表2),但均小于IPCC缺省值(0.337)。R/S值隨著林齡和平均胸徑的增加有增加的趨勢,而與林分密度和蓄積量無顯著相關(guān)性(表2),這與以往研究結(jié)論不太一致(Mokanyetal.,2006;Wangetal.,2008;羅云建等,2007)。Mokany等(2006)和Wang等(2008)都發(fā)現(xiàn)R/S值隨林齡和平均胸徑的增加而減小,隨林分密度的增加而增加,Wang等(2008)還發(fā)現(xiàn)R/S值隨蓄積量的增加而減小;羅云建等(2007)發(fā)現(xiàn)我國北方落葉松人工林的R/S與林齡、平均胸徑和林分密度無顯著相關(guān)性。造成這種差異的原因很可能與研究尺度的不同、研究區(qū)內(nèi)森林類型的差異、未對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(如按優(yōu)勢樹種分類)等有關(guān)。BCEF體現(xiàn)了林分生物量和蓄積量間的關(guān)系,而BEF和R/S則體現(xiàn)了器官生物量的分配情況。為適應(yīng)不同的生長環(huán)境,植物采用不同的生態(tài)策略,具體表現(xiàn)在生長速率和生物量分配等方面(Westoby,1998;Westobyetal.,2002)。本研究4個(gè)研究區(qū)域間的差異主要表現(xiàn)在生長環(huán)境和管理措施上,其中生長環(huán)境的差異主要由海拔引起,五臺(tái)山中山區(qū)的海拔最高,關(guān)帝山林區(qū)次之,五臺(tái)山盆地區(qū)和塞罕壩林區(qū)最低;在關(guān)帝山林區(qū)和五臺(tái)山林區(qū)以粗放式管理為主,塞罕壩林區(qū)則以集約式管理為主(表1)。隨著海拔的增加,環(huán)境梯度基本上呈現(xiàn)從干熱到冷濕的變化,導(dǎo)致樹木光合作用增強(qiáng)、蒸騰速率增加、植物形態(tài)改變和凈初級(jí)生產(chǎn)力下降。生長在不同海拔的華北落葉松的生物量分配規(guī)律存在較大差異,海拔高的區(qū)域樹干生物量比例較低,枝葉生物量比例較高。五臺(tái)山中山區(qū)海拔在2000m以上,已接近華北落葉松分布的海拔上限(王戰(zhàn)等,1992),樹干生物量的比例明顯低于其他區(qū)域(羅云建等,2009)