祖山林区林分生物量测定方法的研究.pdf

河北林业科技第 2 期2023 年 6 月森林生态系统生物量是森林生态系统最基本数量特征，森林生态系统生物量包括森林（乔木层）生物量，也包括林下植被（灌木和草本层）生物量，森林生物量估算是进行陆地生态系统碳循环和碳动态分析的基础，森林生物量的测算以样地实测法最为准确，但是费时费力，而且破坏性大，多采用生物量模型的方法对森林生物量进行研究1-4。目前的研究都将林分分成乔木林5-9、灌木林10-14和草本层15-18单独进行研究，对整个林分生物量的研究未见报道，现有的研究未能体现林分的实际情况，以祖山林区林分生长特点为例，林分中除油松纯林、落叶松纯林、鹅耳枥纯林中林下植被分布较少可以忽略不计外，绝大多数林分灌木层和草本层都有丰富的分布。按照目前生物量的统计方法，只统计乔木的生物量，导致整个林区的林分生物量被严重低估，不能体现林区生态产品的实际价值。笔者以祖山林区主要乔木树种、灌木树种、草本植物的生物量模型为例，构造了林区内主要乔木树种和主要灌木树种的生物量相容性模型以及草本植物生物量独立模型，模型预估精度较高，基本上解决了林分生物量模型的相容性问题，提出了测算整个林分生物量的测定方法。解决了生态产品价值被严重低估的现象，能够将林区的生态产品价值以更加精准的方式体现出来，体现森林生态系统提供的生态产品价值，将生态优势转化为经济优势；可以更好的落实习近平“二氧化碳排放力争于 2030 年达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”的战略目标；同时也能为各地估算森林生物量提供借鉴，实现森林植收稿日期：2023-05-05第一作者：刘新颖（1986-），女，林业工程师，主要从事森林资源管理工作。E-mail：。*通讯作者：王志杰（1967-），男，本科，林业高级工程师，从事森林资源监测工作。祖山林区林分生物量测定方法的研究刘新颖1，王志杰2*（1.青龙满族自治县都山林场，河北 青龙 066500；2.青龙满族自治县祖山林场，河北 青龙 066501）摘要：以历年林场森林经营中野外调查和林场价值核算外业调查的数据为基础，采用一元回归方程，建立了林区主要乔木树种、主要灌木树种的生物量相容性模型和主要草本植物的生物量独立模型，提出了林分生物量的计算方法，解决了林分生物量被低估的现象，以更加精准的方式体现森林生态系统提供的生态产品价值，同时也能为各地特别是北方地区测算森林生物量提供借鉴，以实现森林植被碳汇的精准测算。关键词：祖山林区；林分；生物量；测定；模型中图分类号：S718.5文献标识码：A文章编号：1002-3356（2023）02-0005-05Study on the determination method of stand biomass in Zushan forest regionLIU Xin-ying1，WANG Zhi-jie2*（1.Dushan Forest Farm，Qinglong Manchu Autonomous County，Qinglong Hebei 066500，China；2.Zushan Forest Farm，Qinglong Manchu Autonomous County，Qinglong，Hebei 066501，China）Abstract：Based on the field survey data of forest farm management and the field survey data of forest farmvalue accounting in recent years，the compatibility model of main tree species and main shrub species and theindependent model of main herb biomass are established by using the univariate regression equation，and thecalculation method of stand biomass is proposed to solve the problem of underestimation of stand biomass，which can more accurately reflect the value of ecological products provided by the forest ecosystem，It can alsoprovide reference for the estimation of forest biomass，especially in the northern region，which can achieveaccurate estimation of forest vegetation carbon sink.Key words：Zushan forest area；stand；biomass；determination；model5-河北林业科技第 2 期2023 年 6 月被碳汇的精准测算。1试验地概况祖山林场位于秦皇岛市西北方，青龙满族自治县东南角，距市中心直线距离 25km。地理坐标为东经 119毅19忆45义119毅30忆01义，北纬 40毅04忆40义40毅11忆15义。祖山是燕山东段一座独立山体，主要是中生代燕山运动时期的花岗岩侵入体，千米以上的山峰有20 多座。祖山地势较高，东南面临渤海，千米以上年平均气温在 4.2益以下，7 月平均气温小于 20益，多年平均降水 700 多毫米，多集中在 68 月。土壤多为山地棕壤，阳坡土层较薄，多为砂砾很多的粗壤土；阴坡土层较厚，一般在 30cm 左右，多为壤土和沙壤土，腐殖质较多。植被茂密，森林类型多，植物物种丰富。乔木阔叶林以柞树（Quercus mongolicaTurcz.）、山杨（Populus davidiana Dode）、椴树（TiliaL.）、桦树（Betula Linn.）、核桃楸（Juglans mand原shurica Maxim.）、鹅耳枥（Carpinus turczaninowiiHance）、白蜡（Fraxinus L.）、色木槭（Acer pictumThunb.）等为主，针叶林以油松（Pinus tabulaeformiscarr.）、落叶松（Larix principis-rupprechtii Mayr.）为主。灌木主要为平榛（Corylus heterophyllaFisch.）、胡枝子（Lespedeza bicolor Turcz.）、映山红（Rhodo原dendron simsii Planch.）、锦带花（Weigela florida（Bunge）A.DC.）、牛 叠 肚（RubuscrataegifoliusBunge）、小 叶 鼠 李（Rhamnus parvifolia Bunge，Enum.）、崖椒（Zathoxvlum schinifolium Sieb.et Za原cc.）、辽东楤木（Aralia elata（Miq.）Seem.）等。草本植物主要有糙苏（Phlomis umbrosa Turcz.）、宽叶苔草（Carex siderosticta Hance）、地榆（Sanguisorba offic原inalis L.）、披碱草（Elymus dahuricus Turcz.）、辽藁本 Ligusticum jeholense（Nakai et Kitagawa）Nakaiet Kitagawa、石防风 Peucedanum terebinthaceum（Fisch.）Fisch.ex Turcz.、山芹 Ostericum sieboldii（Miq.）Nakai、西伯利亚橐吾 Ligularia sibirica（Linn.）Cass.等。2研究方法以历年林场森林经营中野外调查和林场价值核算外业调查的数据为基础。2.1林木生物量的计算2.1.1标准木的选取通过实测计算出样地内的树种组成（蓄积组成），得到样地中的各个优势树种，通过计算胸径得到各个树种的平均胸径，选取的不同树种并且树冠具有代表性的树木为标准木，总数不少于 30 株。2.1.2林木生物量计算（1）树干生物量测定。将测好胸径的标准木伐倒，实测标准木树高，所有一级枝条直径。树干鲜重在野外全部称重，将选出的标准木（径级标准木法）伐倒，按照区分求积法将树干解析，截取各区分段圆盘并现场称重。树干鲜重=各区分段圆盘+各区分段重+梢头。将所有圆盘取回，进行烘干测得各圆盘的干重，计算各圆盘的干重比，推算各区分段的干重，合计得到树干的干重。（2）采用枝、叶生物量测定。采用全数调查法，将树冠中各个枝条砍下，先测定每个枝条的带叶鲜重，再把全部叶片摘掉分别测定叶片鲜重和枝条鲜重。对枝、叶分别采样后烘干得到样品干重和鲜重之比，从而计算样木枝、叶组分的干重。（3）树根生物量测定。以标准木伐根为中心，将树根全部挖出，按粗度分级分别称取鲜重，取样烘干，测干重。树桩单独称重并取样，测干重。2.2灌木层生物量的计算采用标准木法测定样地内的灌木生物量。在样地内设置 5 个样方，样地中心 1 个，四角各 1 个，样方面积 25m2（5m伊5m，距边界 5m 处开始），样方设置好后，记录灌木种类、数量、高度、盖度。每种灌木从小到大选取 30 株作为标准木，调查株高、冠幅、每株灌木地上所有分枝的基径，用以求得每株的总基径。测量完毕后将植株整株挖出，深度为根系分布所达范围。将植株分根、茎、叶三部分分别储存，所有样品烘干测得相应的干质量。2.3草本层的生物量计算采用样方法测定草本植物的生物量，样方设置同灌木调查，样方面积 1m2（1m伊1m），设置好样方后，测算总盖度。在各样方内记录各草本的物种、草丛的丛径、数量、高度。将草本植物连根挖出，地上部分和地下部分全部收割，并称重、取样，在室内将样本烘干称重，通过面积折算出地上、地下部分生物量和总生物量。2.4林分生物量模型的建立将采集到的数据用 Excel、SPSS 软件进行处理和生物量模型的拟合。2.4.1乔木生物量模型的建立生物量模型有一元回归和二元回归，二元回归6-河北林业科技第 2 期2023 年 6 月由于树高很少采用实际测量，所以对提高生物量预估精度影响小，二元方程在实际工作中应用实际意义不大，故采用一元回归进行生物量测算，一元方程的基本形式为：W=aDb，W 为生物量，D 为胸径，a 和 b 为常数。2.4.2灌木层生物量模型的建立取样点灌木群落类型为林下灌木群落，灌木生物量模型有幂函数或线性函数，总基径平方与树高乘积（Dt2H）是生物量方程的最佳预测变量11-12，14，故采用幂函数进行拟合，其模型方程为：W=a（D2H）b，W 为灌木生物量，D 为灌木总基径，H 为灌木高度，a、b 为常数。2.4.3草本层生物量模型的建立幂函数方程能较好地拟合草本植物总生物量模型，用 D2H 复合因子拟合效果较好18，其模型方程为：W=a（D2H）b，W 为草本植物生物量，D 为草本植物总丛径，H 为草本层层高，a、b 为常数。2.5相容性模型的建立生物量模型存在总体模型和各组分模型之和不相等的问题，建立相容性模型可以有效解决这种问题。以树干生物量为基础，构造联合方程，使树木的生物量和各组分的生物量相等。2.6模型精度检验为检验模型值和实际值的误差，采用总相对误差（Ra）、参数标准误（PSE）、相关系数（R2）及预测精度（P）等指标进行检验10。3结果与分析3.1林分内主要乔木树种、灌木树种、草本植物生物量模型的建立3.1.1主要乔木树种相容性模型将数据按照一元回归方程进行拟合，通过计算得到主要乔木树种一元回归模型。由于总量和各分量模型之间存在不相容现象，将得到的一元回归模型进行相容性拟合，计算出统一的参数，用这个参数模型进行调整，得到乔木树种总量的相容性模型，将结果列入表 1。从表 1 中可以看出：对林区内主要乔木树种相树种柞树白蜡山杨桦树椴树核桃楸鹅耳枥油松落叶松组分总量总量总量总量总量总量总量总量总量模型表达式W=0.1587D2.3491W=0.1349D2.0145W=0.1871D2.2984W=0.1647D2.1962W=0.2877D2.0721W=0.5529D1.9516W=0.3245D2.0149W=0.1515D2.3109W=0.1678D2.4426PSE12.36411.25710.67313.47011.56314.16312.32410.24811.354R20.9830.9540.9810.9390.9830.9690.9970.9750.917F 值6.985*7.195*8.963*8.234*9.163*11.392*10.576*9.629*8.473*精度P0.9520.9240.9160.9470.9350.9240.9430.9330.956表 1主要乔木树种相容性生物量模型评估指标*：P0.05；*：P0.01，W 为总生物量，D 为胸径。容性模型的拟合效果都达到极显著差异水平，精度达到 90%以上，表明模型的效果比较理想，能够准确测算主要乔木树种生物量。3.1.2主要灌木树种相容性生物量模型按照同样的方法，计算出祖山林区主要灌木的生物量独立模型，然后进行相容性系数调整，得到主要灌木树种相容性模型，将结果列于表 2。从表 2 中可以看出：主要灌木树种的生物量相容性模型拟合效果较好（P0.01），精度均在 90%以上。林分郁闭度不同，灌木生长情况也不同，郁闭度小的灌木生长茂盛，量取灌木总基径就相对容易，反之可能会有部分误差，从而影响拟合效果。3.1.3草本植物（草本层）生物量模型在野外调查中发现，草本植物在林下分布极不均匀，呈块状分布，相对而言在林分中占比较小，所以只建立了主要草本植物生物量的独立模型，未进行相容性校正，将主要草本植物生物量模型列于表 3。从表 3 中可以看出：除了宽叶苔草和披碱草的拟合效果不太好，精度在 60%以上，显著性检验为显著差异，其它草本植物的拟合效果都比较理想，精度达到 90%以上。宽叶苔草和披碱草的拟合效果不7-河北林业科技第 2 期2023 年 6 月好，主要是这两种植物没有明显的主茎或主茎较细，测量起来误差较大，应对没有明显主茎或主茎细的草本植物进行研究，以更好的测量这类植物的生物量。3.2林区内林分生物量的测定林分内主要乔木、灌木树种、草本植物的生物量模型建立以后，林分内乔木层的生物量按照林分蓄积树种组成占比伊树种的生物量模型，如：9 油 1落，乔木层生物量W乔计算公式为：W乔=0.9伊W油+0.1伊W落，W油为油松的生物量模型，W落为落叶松的生物量模型。灌木层的生物量按照调查中的盖度和灌木种类、每一种灌木所占比例进行计算，比如调查中灌木盖度为 25%，灌木种类为映山红（占 40%）和胡枝子（60%），W灌计算公式为：W灌=25%伊 （W映伊40%）+（W胡伊60%），W映为映山红的生物量模型，W胡为胡枝子的生物量模型。草本层的生物量计算和灌木层的生物量计算方法相同。将乔木层、灌木层、草本层的生物量加在一起就是每个小班的林分生物量，进而计算出整个林区的林分生物量。4结论与讨论（1）林分的生物量测定通常采用模型法进行测定3-4，同时生物量模型存在总体模型和各组分模型之和不相等的现象。为此，建立了祖山林区主要乔木树种和主要灌木树种的相容性模型，拟合效果均达到极显著差异水平，精度在 90%以上；由于草本层在林分生物量中占比相对较小，所以只建立了主要草本植物生物量的独立模型，精度达到 60%以上，能够满足测定林分生物量的要求，能够较精准测定祖山林区的林分生物量。（2）以往测算林分生物量都是只统计乔木层的生物量3-4，采用将每个小班的乔木层、灌木层、草本层的生物量加在一起，作为每个小班的林分生物量的计算方法，可以更加准确的计算出整个林区的生物量；完美解决采用材积源生物量法通过森林蓄积量增量来推算森林碳汇量的方法13导致的缺陷，更准确测算出碳汇值，解决森林系统碳汇能力被低估的现象，能够更加准确地进行森林生态系统的服务价值系统评估，能够核算清楚祖山林区生态系统价值，实现森林资源资产化，实现生态产品价值。树种平榛胡枝子映山红锦带花牛叠肚小叶鼠李崖椒辽东楤木组分总量总量总量总量总量总量总量总量模型表达式W=0.1541（D2H）0.6426W=0.0986（D2H）0.2179W=0.0648（D2H）0.6871W=0.1348（D2H）0.6423W=0.0324（D2H）0.5482W=0.0763（D2H）0.5473W=0.0483（D2H）0.3674W=0.1128（D2H）0.5473PSE11.48310.28614.31312.34810.25711.58910.24712.658R20.9140.9420.9360.9540.9310.9250.9470.952F 值8.451*7.946*9.631*8.752*10.476*12.124*7.368*8.962*精度P0.9030.9120.9240.9420.9270.9120.9230.915表 2主要灌木树种生物量模型评估指标*：P0.05；*：P0.01，W 为总生物量，D 为灌木植物总基径，H 为灌木植物高。草本植物糙苏宽叶苔草地榆披碱草辽藁本石防风山芹西伯利亚橐吾组分总量总量总量总量总量总量总量总量模型表达式W=0.0024（D2H）0.3541W=0.0012（D2H）0.1477W=0.0457（D2H）0.2574W=0.0019（D2H）0.1546W=0.0521（D2H）0.3257W=0.0395（D2H）0.4272W=0.0257（D2H）0.3647W=0.0184（D2H）0.4197PSE12.34729.35414.24531.25711.67112.34511.32712.751R20.9230.6430.9410.6170.9140.9040.9110.922F 值9.147*25.372*7.354*27.376*9.470*10.275*8.478*10.421*精度P0.9140.6290.9080.6050.9140.9270.9140.907表 3主要草本植物生物量模型评估指标*：P0.05；*：P0.01，W 为总生物量，D 为草本植物总基径，H 为草本植物高。8-河北林业科技第 2 期2023 年 6 月（3）采用整个小班生物量（包含乔木层、灌木层、草本层生物量）计算方法，建立不同地区森林系统生物量模型，就可以通过森林资源二类调查快速准确的测算出各个地区的森林系统的生物量，为落实国家碳达峰、碳中和战略、碳汇交易、林业可持续发展提供更加准确、科学的数据支撑。参考文献1 胥辉，张会儒.林木生物量模型的研究 M.昆明：云南出版社，2002.2 王维枫，雷渊才，王雪峰，等.森林生物量模型综述 J.西北林学院学报，2008，23（2）：58-63.3 冯宗炜，王效科，吴刚.中国森林生态系统的生物量和生产力 M.北京：科学出版社，1999：25-33.4 刘洪愕.关于森林生物量及其研究 J.浙江林学院科技通讯，1981（2）：67-77.5 邢艳秋，王立海.基于森林调查数据的长白山天然林相容性生物量模型 J.应用生态学报，2007，18（1）：1-8.6 汤翠文，陈银萍，陶玲，等.森林生物量和净生长量测算方法综述 J.干旱区研究，2008，23（2）：58-63.7 孙玉军，张俊，韩爱惠，等.兴安落叶松幼中龄林的生物量与碳汇功能 J.生态学报，2007（5）：1756-1762.8 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