寧夏寧夏人工釀酒葡萄林生物量分配格局及生物量估測(cè)模型研究

寧夏寧夏人工釀酒葡萄林生物量分配格局及生物量估測(cè)模型研究

生物量作為生態(tài)系統(tǒng)中積累的有機(jī)物質(zhì)總量，是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的能量基礎(chǔ)和養(yǎng)分來源。研究生物量分配規(guī)律有助于理解人工林生長(zhǎng)格局和資源分配動(dòng)態(tài)。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)許多樹種的生物量進(jìn)行了研究,并逐漸擴(kuò)大研究范圍,不僅在個(gè)體、種群、群落、生態(tài)系統(tǒng)、區(qū)域和生物圈等多尺度上開展生物量的研究,而且更加深入地對(duì)同一樹種的生物量進(jìn)行研究,包括同一樹種不同地理種源、不同發(fā)育階段和不同自然地帶的生物量差異,以期建立生物量樹種權(quán)重指標(biāo)體系,實(shí)現(xiàn)對(duì)森林生物量較為精確的估測(cè)。利用構(gòu)件因子來估算人工林生物量,對(duì)于人工林生產(chǎn)力、碳儲(chǔ)量、碳匯功能的評(píng)價(jià)及研究全球氣候變化和碳平衡具有重要科學(xué)意義。通過生物量模型的建立來估測(cè)灌木林分生物量的研究已有很多報(bào)道,灌木生物量自變量以及模型的選擇是多樣的,但都與灌木的形態(tài)有密切聯(lián)系,有研究采用冠幅(C)和高度(H)的復(fù)合因子CH作為變量對(duì)其生物量進(jìn)行擬合[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25],也有研究采用基徑(D)、株高(H)以及復(fù)合因子D2H作為自變量對(duì)其生物量進(jìn)行擬合[26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36],均取得理想效果。寧夏賀蘭山東麓地區(qū)因其獨(dú)特的土質(zhì)和氣候條件,被國內(nèi)外專家公認(rèn)為世界釀酒葡萄生長(zhǎng)最佳生態(tài)區(qū)之一。目前,賀蘭山東麓地區(qū)優(yōu)質(zhì)釀酒葡萄種植總面積近2萬hm2,占全國葡萄種植總面積的15%,有著巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)及生態(tài)效益。目前,對(duì)賀蘭山東麓釀酒葡萄研究主要集中在葡萄產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤環(huán)境方面[38,39,40,41,42,43],對(duì)其生物量在時(shí)間序列上的生長(zhǎng)和分配規(guī)律的研究還鮮見報(bào)道,對(duì)于生物量估測(cè)模型的建立,還不清楚。鑒于此,本研究通過測(cè)定賀蘭山東麓不同年齡釀酒葡萄人工林地上及地下生物量,利用株高、莖粗等構(gòu)件因子建立生物量估測(cè)模型,旨在研究人工釀酒葡萄林生物量分配變化規(guī)律,為該地區(qū)釀酒葡萄人工林碳匯功能評(píng)價(jià)和應(yīng)對(duì)氣候變化研究提供科學(xué)依據(jù)。1半干旱氣候、降水、土壤條件本研究區(qū)在位于寧夏賀蘭山東麓釀酒葡萄集中栽培的玉泉營(yíng)農(nóng)場(chǎng)(N38°23′,E106°47′)進(jìn)行,為賀蘭山東麓沖積扇與黃河沖積平原之間的寬闊地帶。該地區(qū)屬溫帶半干旱氣候,年平均氣溫8.5~9.0℃,≥10℃有效積溫3135~3272℃,晝夜溫差10~15℃,年平均降水量在180~200mm,無霜期156d左右,年日照時(shí)數(shù)3032h,日照率67%;土壤為淡灰鈣土,土質(zhì)多為砂壤土。是最適合葡萄生長(zhǎng)的地區(qū)之一。農(nóng)場(chǎng)主栽果樹大部分以釀酒葡萄為主,目前種植面積約1.8萬hm2,林分年齡最長(zhǎng)的為13年,80%屬于1~6年林分年齡,全部采用滴灌水肥一體化模式管理,平均種植密度為19020株·hm-2,株行距為0.5m×3m。2學(xué)習(xí)方法2.1樣地與調(diào)查方法于2011年9月,在寧夏賀蘭山東麓玉泉營(yíng)農(nóng)場(chǎng)釀酒葡萄人工林地,按照林齡(1a、2a、3a、4a、8a、12a)設(shè)立樣地,選擇立地類型與營(yíng)林措施基本一致的標(biāo)準(zhǔn)樣地(3m×100m)(表1),每個(gè)樣地設(shè)置5個(gè)3m×0.5m的樣方,每個(gè)樣方選擇1株進(jìn)行調(diào)查,共計(jì)33株。利用卷尺量取株高(H)、分枝數(shù)(BN)、主蔓長(zhǎng)(SH)和新梢長(zhǎng)(SYH),用游標(biāo)卡尺量取莖粗(D)。2.2烘干干重采用全收割法,將每株主蔓、新梢及葉全部稱其鮮重后帶回實(shí)驗(yàn)室,樣品放入85℃恒溫烘干至恒重后用電子秤稱其干重。地下生物量測(cè)定采用全收獲法。采用1m×1m×3m的標(biāo)準(zhǔn)坑進(jìn)行挖根,收獲所有可見根,洗掉粘連的土壤,晾干后稱鮮重,樣品放入85℃恒溫烘干至恒重后用電子秤稱其干重。2.3釀酒葡萄生物量估測(cè)的回歸分析數(shù)據(jù)處理與作圖采用Excel2003軟件,運(yùn)用SAS8.2進(jìn)行方差分析、主成分分析和逐步回歸分析,采用SPSS17.0的BivariateCorrelation分析法對(duì)林分年齡、株高、莖粗、主蔓長(zhǎng)、新梢長(zhǎng)、分枝數(shù)與釀酒葡萄生物量的相關(guān)性進(jìn)行分析,選擇最佳估測(cè)模型自變量,同時(shí)利用CurveEstimation分析法分別對(duì)釀酒葡萄樹生物量進(jìn)行擬合,建立生物量估測(cè)回歸方程。3結(jié)果與分析3.1不同林分間株高及新梢生長(zhǎng)葡萄樹株高(H)、主蔓長(zhǎng)(SH)、新梢長(zhǎng)(SYH)、分枝數(shù)(BN)及莖粗(D)大致隨林齡增加而逐漸增大,各構(gòu)件形態(tài)指標(biāo)在不同林齡間均有差異(表2)。方差分析和LSD檢驗(yàn)后結(jié)果表明:1a林分株高與2a及2a以上各林分株高均存在極顯著性差異,2a林分與3a、4a及12a林分間株高沒有極顯著性差異,與8a林分下株高有極顯著性差異,3a、4a及12a林分間株高沒有顯著性差異。1a林分主蔓長(zhǎng)與其他林分主蔓長(zhǎng)間均有極顯著性差異,2a與3a及3a與4a林分間主蔓長(zhǎng)沒有極顯著性差異,8a林分主蔓長(zhǎng)與12a林分主蔓長(zhǎng)沒有顯著性差異。1a林分新梢長(zhǎng)與8a林分新梢長(zhǎng)間沒有極顯著性差異,與其他各林分間均存在極顯著差異;但2a、3a、4a與12a林分間新梢長(zhǎng)沒有差異性。1a林分與2a林分間分枝數(shù)沒有極顯著性差異,與其他林分間存在極顯著差異;4a林分分枝數(shù)與8a林分間分枝數(shù)沒有極顯著性差異8a林分與12a林分間分枝數(shù)沒有極顯著差異。1a林分莖粗與其他各林分間有極顯著差異;2a林分莖粗與3a林分莖粗沒有差異性,與8a、12a林分莖粗間有極顯著性差異;8a林分與12a林分間莖粗也有極顯著性差異。3.2不同林齡的葡萄牙生物量和分配3.2.1釀酒葡萄樹地上生物量圖1為不同林齡釀酒葡萄樹地上生物量、各構(gòu)件生物量及分配圖。結(jié)果表明:隨著林齡的增加,釀酒葡萄樹地上生物量以及其各構(gòu)件生物量也隨之增加,其中1a釀酒葡萄樹地上生物量平均為18.78g,葉、主蔓、新梢的生物量(平均)分別為9.80g、4.86g和4.12g;12a釀酒葡萄樹地上生物量與葉、主蔓、新梢的生物量(平均)分別為1154.14g、241.89g、750.93g和161.31g,其中主蔓生物量的相差值最大差距為154.5倍,而相差最小的葉生物量也達(dá)到24.6倍。根據(jù)方差分析和LSD檢驗(yàn)結(jié)果表明:不同林齡釀酒葡萄樹的地上生物量以及地上各構(gòu)件生物量間均有差異。從地上單叢生物量看,1a林分釀酒葡萄樹地上生物量與4a、8a及12a林分間均有極顯著性差異,與2a林分及3a林分間沒有極顯著差異性;2a與3a林分地上生物量間也沒有顯著性差異;4a與12a林分地上生物量有極顯著差異;8a與12a林分地上生物量沒有極顯著性差異。從各構(gòu)件生物量上看,1a林分葉生物量與除2a林分外其他各年份林分葉生物量均存在極顯著性差異;1a林分主蔓生物量與8a及12a林分間均存在極顯著性差異,與2a、3a及4a林分間沒有極顯著性差異,2a與3a及4a林分主蔓生物量沒有顯著性差異,而8a和12a林分間主蔓生物量存在極顯著性差異;1a林分新梢生物量與2a、3a及12a林分間沒有極顯著性差異,與4a及8a林分間有極顯著差異。從不同林齡釀酒葡萄樹地上各構(gòu)件生物量分配比例上看,1~4a林分為葉生物量>新梢生物量>主蔓生物量,1~4a林分葉生物量是地上生物量的主體,所占比例平均為48.03%,4~12a林分為主蔓生物量>新梢生物量>葉生物量,1~12a主蔓生物量所占比例由19.60%逐漸遞增。3.2.2不同林分間地下生物量的變化由圖2可知,地下生物量隨林齡增加而逐漸增加,1a林分地下生物量與2a及2a以上林分地下生物量間均存在極顯著差異;2a與3a林分地下生物量間沒有顯著性差異,與4a、8a及12a林分間存在極顯著差異;2a與3a及4a與8a林分間地下生物量差異不顯著,而與12a林分間有極顯著性差異;8a與12a林分間地下生物量也存在極顯著性差異。地下生物量占總生物量比例隨林齡增加而有增有減,除1a林分地下生物量>地上生物量外,2~12a林分地上生物量>地下生物量,12a林分地下生物量占總生物量比例最小(32%),8a林分地下生物量所占總生物量比例最大(46%)。3.3釀酒葡萄樹地上生物量及其分配模型與各構(gòu)件生物量具有顯著相關(guān)關(guān)系基礎(chǔ)上。本文依據(jù)生物量與各構(gòu)件因子間的相關(guān)性分析,對(duì)各構(gòu)件生物量進(jìn)行相關(guān)顯著性分析(表3),結(jié)果表明:林分年齡(A)與莖粗(D)、D2H(H為株高)、D2、DH、地上生物量及地下生物量都有極顯著相關(guān)性;D與地上生物量和地下生物量都具有顯著性相關(guān)關(guān)系;H僅與主蔓長(zhǎng)有極顯著性相關(guān)關(guān)系,D2H與地上生物量和地下生物量具有極顯著相關(guān)關(guān)系。通過因子分析及主成分分析,并用逐步回歸法篩選,釀酒葡萄樹地上部分生物量與其構(gòu)件指標(biāo)相關(guān)系數(shù)最大的是D2H,相關(guān)系數(shù)為0.927(P<0.01),地下部分生物量與D2H相關(guān)系數(shù)為0.729(P<0.01),均達(dá)到極顯著水平。由生物量回歸方程散點(diǎn)圖(圖3)可以看出,主蔓生物量和地上生物量建立的估測(cè)模型最好,其模型相關(guān)系數(shù)為0.938和0.939,均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),葉生物量和地下生物量次之,其模型相關(guān)系數(shù)為0.850和0.892,均達(dá)到極顯著水平(P<0.01),新梢生物量最差,其模型相關(guān)系數(shù)為0.805,且P<0.01。從各組分生物量回歸方程散點(diǎn)圖看出,冪函數(shù)與各構(gòu)件生物量間的擬合均取得理想效果。4討論和結(jié)論4.1不同枝齡葡萄的冠幅和生物量釀酒葡萄樹地上部各構(gòu)件指標(biāo)隨林齡增加而逐漸增大,其中分枝數(shù)的增加值最大,12a林分為1a林分的10倍,較多的分枝數(shù)使賀蘭山東麓釀酒葡萄林的冠幅相應(yīng)增大,而且在幼齡期的葡萄林處于生長(zhǎng)旺盛期,從而分枝數(shù)對(duì)地上生物量的增加有很大貢獻(xiàn)。8a葡萄林地上各構(gòu)件形態(tài)指標(biāo)較12a葡萄林各構(gòu)件指標(biāo)值大,老年葡萄林分枝數(shù)明顯減少,說明12a葡萄林處于衰退期,分枝數(shù)對(duì)地上部分的貢獻(xiàn)也開始下降。4.2地上生物量的轉(zhuǎn)移對(duì)于地上生物量來說,隨著林齡增加,釀酒葡萄樹地上生物量及其各組分生物量逐漸增大,各組分生物量占總生物量的比重也隨之發(fā)生變化。1~4a林分葉生物量是地上生物量的主體,到4a后地上生物量由葉及新梢逐漸向主蔓轉(zhuǎn)移,這體現(xiàn)了干旱區(qū)在有限的灌水量下,隨著林齡的增加,地上生物量由光合器官逐漸向非光合器官轉(zhuǎn)移,從而在有限水資源條件下,能保證光合器官所需水分供給,是一種生態(tài)適應(yīng)策略。從2a開始,地下生物量占總生物量的比重逐漸下降,這與種植釀酒葡萄的土質(zhì)是沙壤土和礫質(zhì)沙土有關(guān),沙壤土質(zhì)地粗、富含礫石、土壤結(jié)構(gòu)弱、水下滲速度及水蒸發(fā)速度快、漏水漏肥,因此根系所需水分不足,根伸長(zhǎng)生長(zhǎng)受水分限制。4.3酒葡萄人工林生物量本研究采用釀酒葡萄樹株高(H)與