向玉國，鄭小賢，劉波云，趙 娜，侯紹梅

(北京林業(yè)大學 森林資源與環(huán)境管理國家林業(yè)局重點實驗室，北京 100083)

由于大氣二氧化碳濃度升高而引起的全球氣候變化以及1997年簽訂的《京都議定書》，使碳儲量的研究成為了國內(nèi)外的熱點，各國學者開始重視森林碳儲量的研究，測定了一些樹種的含碳率以及部分典型植被類型的碳儲量[1]。國內(nèi)許多學者利用國家森林資源清查資料對我國森林植被的碳儲量、固碳現(xiàn)狀及潛力進行了區(qū)域尺度的估算[2-10]，這些研究在很大程度上推動了森林碳儲量的研究，但是有關碳儲量與林分密度關系的研究卻不多，尤其是反映不同立地條件碳儲量積累過程的研究很少。林分密度控制圖能夠有效地反映林分蓄積量和林分因子的生長過程，而碳儲量與蓄積量之間關系緊密，因此通過編制碳儲量密度控制圖能夠預測林分在不同生長時期的碳儲量，模擬林分碳儲量的變化過程。林分密度控制圖編制方法簡單，使用方便，在森林撫育采伐、森林產(chǎn)量預測和森林質(zhì)量評價等方面使用價值很高。在20世紀80-90年代，許多學者研究了林分蓄積量與林分密度的關系，編制了不同地區(qū)、不同樹種的林分密度控制圖[11-19]，這些研究在林業(yè)生產(chǎn)中有著很高的實用價值。但對不同立地條件下林分密度與森林碳儲量的林分密度控制圖的研究還鮮見報道。本研究探索了不同地位級的杉木林分碳儲量與林分密度之間的關系，編制了杉木林分碳儲量密度控制圖，以期為林業(yè)生產(chǎn)提供可行性強、操作方便的林分碳儲量密度控制圖編制方法。

1 研究區(qū)概況

將樂國有林場位于福建省北部的將樂縣城區(qū)，地處武夷山支脈，屬于閩西北低山丘陵地帶，地理坐標為東經(jīng)117°06′，北緯26°26′。將樂林場平均海拔400～800 m，最高海拔1 203 m，最低海拔140 m，屬于中亞熱帶沿海海洋性季風氣候，具有海洋性和大陸性氣候特點，年平均氣溫18.7 ℃，年平均降雨量1 669 mm，雨季持續(xù)時間長，氣候溫潤，雨量充足。全場土地面積7 113.6 hm2，有林地面積6 509.7 hm2，森林總蓄積量87.3萬m3。其中，商品用材林面積5 687.7 hm2，主要以杉木與馬尾松人工林為主；生態(tài)公益林612.4 hm2，經(jīng)濟林73.7 hm2，竹林135.9 hm2，森林覆蓋率94.8%。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)資料來源

主要數(shù)據(jù)資料有將樂林場1996年和2007年2期森林資源規(guī)劃設計調(diào)查數(shù)據(jù)，將所有杉木林小班的相關數(shù)據(jù)整理后基本信息見表1。另設調(diào)查樣地22塊，樣地大小20 m×30 m，涉及的杉木人工林類型有：杉木純林(12塊)、杉木-馬尾松混交林(6塊)、杉木-火力楠混交林(1塊)、杉木-毛竹混交林(3塊)。

表 1 福建將樂林場杉木林小班數(shù)據(jù)基本信息

2.2 數(shù)學建模

利用SPSS 19、Excel 2010等數(shù)據(jù)分析軟件，對所得數(shù)據(jù)進行處理與分析，通過數(shù)學建模的方法來擬合不同立地條件下林分密度與碳儲量之間的關系式，編制杉木林碳儲量林分密度控制圖。

2.2.1 地位級劃分 利用森林資源規(guī)劃設計調(diào)查中的土壤厚度、腐殖質(zhì)厚度、坡度、海拔等數(shù)據(jù)，并結合固定樣地數(shù)據(jù)編制地位級表(表2)。選擇樹高生長方程H=algA+b/A+c(H表示林分平均樹高，A表示林分年齡，a、b、c均為參數(shù))擬合參數(shù)值，得出各地位級杉木樹高生長曲線。

表 2 福建將樂林場杉木林地位級分級表

2.2.2 杉木林碳儲量模型 由于森林資源規(guī)劃設計調(diào)查數(shù)據(jù)中缺少杉木林生物量與碳儲量的數(shù)據(jù)，本研究利用劉國華等[20]的杉木林蓄積量與生物量之間的關系式進行估算，并取杉木的含碳率為0.5，將杉木林蓄積量轉(zhuǎn)化為生物量，再轉(zhuǎn)化成碳儲量。

B=0.399 9M+22.541 0，

C=B×Cc。

式中：B為生物量(t/hm2)，M為森林蓄積量(m3/hm2)，C為碳儲量(t/hm2)，Cc為含碳率(取值0.5)。

2.2.3 碳儲量密度控制圖的相關模型 通過對已有的杉木林密度控制圖相關模型的研究，得出杉木林碳儲量密度控制圖的相關模型如下：

(1)等樹高線：C=[0.399 9(a11×Hb11+a12×Hb12×N-1)-1+22.541 0]×0.5。

(2)最大密度線：C=[0.399 9(K2×N1+K1)+22.541 0]×0.5。

(3)等疏密度線：C=[(Kp×N1+K1)+22.541 0]×0.5。

(5)等直徑線：C=[0.399 9(a×Db×Nc)+22.541 0]×0.5。

式中：C為碳儲量(t/hm2)，H為樹高(m)，N為林分密度(株/hm2)，D為林分平均直徑(cm)，a11、b11、a12、b12、Kp、K1、K2、K3、K4、N0、a、b、c均為參數(shù)。

2.2.4 杉木碳儲量密度控制圖的繪制 利用上述不同立地條件、不同林分密度的碳儲量預估模型，繪制不同立地條件下的杉木碳儲量密度控制圖。繪圖時縱坐標為杉木林的碳儲量，橫坐標為林分密度，曲線分別為等樹高線、等直徑線、等疏密度線、最大密度線以及自然稀疏線的系列曲線。

3 福建將樂林場杉木碳儲量密度控制圖的編制

3.1 地位級劃分

對福建將樂林場杉木森林資源規(guī)劃設計調(diào)查數(shù)據(jù)進行擬合，選擇樹高生長方程H=algA+b/A+c擬合參數(shù)值(表3)，并得出杉木樹高生長曲線(圖1)。

表 3 福建將樂林場不同地位級杉木樹高生長方程的參數(shù)值

圖 1 福建將樂林場不同地位級杉木樹高生長曲線

3.2 杉木碳儲量密度控制圖相關模型的參數(shù)值

通過非線性回歸分析，可求得各模型在不同立地條件下的參數(shù)值，詳見表4。

表 4 福建將樂林場不同地位級杉木碳儲量密度模型參數(shù)表

3.3 杉木碳儲量密度控制圖的繪制

通過對碳儲量預估模型的研究，繪制了不同立地條件下的碳儲量密度控制圖如圖2-4所示。杉木碳儲量密度控制圖建立在雙對數(shù)坐標中，該圖縱坐標為杉木林的碳儲量，單位為“t/hm2”；橫坐標為林分密度，單位為“株/hm2”。圖中包括等樹高線、等直徑線、等疏密度線、最大密度線和自然稀疏線。

圖 2 福建將樂林場Ⅰ地位級的杉木碳儲量密度控制圖

圖 3 福建將樂林場Ⅱ地位級的杉木碳儲量密度控制圖

4 杉木碳儲量密度控制圖的應用

如果已知杉木人工林林分的地位等級、平均直徑和林分密度時，可利用杉木碳儲量密度控制圖進行碳儲量估計。例如，已知某Ⅱ地位級的杉木人工林平均直徑D=14cm，密度N=2 000株/hm2，預估此林分的碳儲量及其成熟齡，可按以下步驟進行估算：

(1) 從圖1得該林分在15，20，25，30年生時相應的林分平均高度分別為12.7，14.4，15.7和16.8m。

(2) 根據(jù)林分平均高度，找到Ⅱ地位級碳儲量密度控制圖(圖3)上直徑為14cm的等直徑線與林分密度為2 000株/hm2對應的相交點，通過此交點得到通過該點的自然稀疏線的初始密度為2 230 株/hm2，在此自然稀疏線上查得相應15～30年生的碳儲量分別為48.9，57.4，64.1和69.5t/hm2。

圖 4 福建將樂林場Ⅲ地位級的杉木碳儲量密度控制圖

(3) 計算林分碳儲量的連年生長量和年平均生長量，確定兩者相等時(也是林分碳儲量平均生長量最大時)的年齡，即為該杉木林分碳儲量的成熟齡。在此例中，通過計算得出林分碳儲量成熟齡為20年，此時林分碳儲量為57.4t/hm2，碳儲量的年平均生長量為2.87t/hm2，平均胸徑為18.7cm。

5 結論與討論

利用傳統(tǒng)的林分密度控制圖編制方法，分別在不同立地條件下建立等樹高線、等直徑線、最大密度線、自然稀疏線與碳儲量之間的相關模型，編制不同立地條件、不同林分密度的杉木人工林碳儲量密度控制圖，為杉木人工林碳儲量預估提供了實用工具，也為人工林碳匯經(jīng)營提供了技術支撐，具有實際應用價值。

本研究使用的數(shù)據(jù)主要為森林資源設計調(diào)查數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)擬合精度相對不高，因為森林資源設計調(diào)查數(shù)據(jù)中缺少生物量和碳儲量數(shù)據(jù)，二者是利用已有的較為成熟的杉木林生物量、碳儲量與蓄積量關系模型換算得到的，選擇的公式中對蓄積量小的林分的碳儲量轉(zhuǎn)換有較大誤差。因此在以后的研究中，可以調(diào)查林分的生物量與碳儲量，以擬合更合理的碳儲量模型。

[參考文獻]

[1] 周玉榮，于振良，趙士洞.中國主要森林生態(tài)系統(tǒng)的碳貯量與碳平衡 [J].植物生態(tài)學報，2000，24(5):518-522.

ZhouYR,YuZL,ZhaoSD.CarbonstorageandbudgetofmajorChineseforesttypes[J].ActaPhyioecologicalSinica,2000,24(5):518-522.(inChinese)

[2] 陶玉華，馮金朝，曹書閣，等.廣西沙塘林場馬尾松和杉木人工林的碳儲量研究 [J].西北農(nóng)林科技大學學報:自然科學版，2012(5):38-44.

TaoYH,FengJC,CaoSG,etal.StudyoncarbonstorageofPinus massoniana,Cunninghamia lanceolataplantationsatShatangGuangxiProvince[J].JournalofNorthwestA&FUniversity:NatSciEd，2012(5):38-44.(inChinese)

[3] 王效科，馮宗煒，歐陽志云.中國森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳儲量和碳密度研究 [J].應用生態(tài)學報，2001,12(1):13-16.

WangXK,FengZW,OuyangZY.VegetationcarbonstorageanddensityofforestecosystemsinChina[J].ChineseJournalofAppliedEcology,2001,12(1):13-16.(inChinese)

[4]FangJY,ChenAP.ChangesinforestbiomasscarbonstorageinChinabetween1949and1998 [J].Science,2001(292):2320-2322.

[5] 趙 敏，周廣勝.中國森林生態(tài)系統(tǒng)的植物碳貯量及其影響因子分析 [J].地理科學，2004(1):50-54.

ZhaoM,ZhouGS.Carbonstorageofforestvegetationanditsrelationshipwithclimaticfactors[J].ScientiaGeographicaSinica,2004(1):50-54.(inChinese)

[6] 方精云，劉國華，徐嵩齡.中國森林植被的生物量和生產(chǎn)力 [J].生態(tài)學報，1996,16(5):497-508.

FangJY,LiuGH,XuSL.BiomassandnetproductionofforestvegetationinChina[J].ActaEcologicaSinica,1996,16(5):497-508.(inChinese)

[7] 張 萍.北京森林碳儲量研究 [D].北京：北京林業(yè)大學，2009.

ZhangP.StudyonforestcarbonstockinBeijingofChina[D].Beijing:BeijingForestryUniversity,2009.(inChinese)

[8] 李 燕.福建邵武杉木成熟林碳儲量研究 [D].北京：中國林業(yè)科學研究院，2010.

LiY.CarbonstorageofCunninghamia lanceolatamatureplantationinShaowu,FujianProvince[D].Beijing:ChineseAcademyofForestry,2010.(inChinese)

[9] 王 兵，魏文俊，李少寧，等.中國杉木林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量研究 [J].中山大學學報:自然科學版，2008(2):93-98.

WangB,WeiWJ,LiSN,etal.CarbonstorageofChineseFirforestecosysteminChina[J].ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisSunyatseni:NatSciEd,2008(2):93-98.(inChinese)

[10] 張國斌，李秀芹，佘新松，等.安徽嶺南優(yōu)勢樹種(組)生物量特征 [J].林業(yè)科學,2012(5):136-140.

ZhangGB,LiXQ,SheXS,etal.Biomasscharacteristicsofdominanttreespecies(group)atLingnanforestfarminAnhuiprovence[J].ScientiaSilvaeSinicae,2012(5):136-140.(inChinese)

[11] 尹泰龍，韓福慶，遲金城，等.林分密度控制圖的編制與應用 [J].中國林業(yè)科學，1978(3):1-11.

YinTL,HanFQ,ChiJC,etal.Establishmentandapplicationofstanddensitycontrolchart[J].ChineseScientiaSilvaeSinicae,1978(3):1-11.(inChinese)

[12] 洪玲霞.由全林整體生長模型推導林分密度控制圖的方法 [J].林業(yè)科學研究，1993(5):510-516.

HongLX.Anapproachtoderivestanddensitycontrolchartfromtheintegratedstandgrowthmodel[J].ForestResearch，1993(5):510-516.(inChinese)

[13] 周本林，姜志林，葉鏡中，等.杉木林分密度管理圖的編制與應用 [J].南京林業(yè)大學學報:自然科學版，1980(2):22-30.

ZhouBL,JiangZL,YeJZ,etal.DensitycontroldiagramsforCunninghamia lanceolata(Lamd.)Hook[J].JournalofNanjingForestryUniversity:NaturalScienceEdition,1980(2):22-30.(inChinese)

[14] 靳愛仙，周國英，史大林，等. 馬尾松人工林碳儲量密度控制圖的編制 [J].西北林學院學報，2009(3):54-57.

JinAX,ZhouGY,ShiDL,etal.EstablishmentofthePinus massonianacarbonstoragedensitycontrolgraph[J].JournalofNorthwestForestryUniversity,2009(3):54-57.(inChinese)

[15] 解開宏.廣南縣杉木人工林林分密度控制圖的編制 [J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，2006(3):37-41.

XieKH.MappingofstanddensitycontrolofChinaFirartificialforestofGuangnanCounty[J].ForestInventoryandPlanning,2006(3):37-41.(inChinese)

[16] 王篤治，吳 敬，施遵燦，等.閩北杉木林分密度控制圖的編制及其應用 [J].福建林業(yè)科技，1985(1):1-11.

WangDZ,WuJ,ShiZC,etal.EstablishmentandapplicationofstanddensitycontrolchartofChinaFiroftheNorthernFujian[J].JournalofFujianForestryScienceandTechnology,1985(1):1-11.(inChinese)

[17] 廖世濤.ANN在林分密度控制圖及森林資產(chǎn)評估中的應用 [D].福州：福建農(nóng)林大學，2010.

LiaoST.ApplicationofANNinforeststanddensitycontorlchartandforestassetassessment[D].Fuzhou:FujianAgricultureandForestryUniversity,2010.(inChinese)

[18] 杜小惠.漳平市杉木林分密度控制圖的編制 [J].福建林學院學報，1996(4):378-381.

DuXH.EstablishmentofstanddensitycontroldiagramsforCunninghamia lanceolataofZhangping[J].JournalofFujianCollegeofForestry,1996(4):378-381.(inChinese)

[19] 史大林.碳匯林經(jīng)營數(shù)表編制的探索 [D].北京:北京林業(yè)大學，2008.

ShiDL.Theresearchonorganizationofmanagementstatisticsandtablesofcarbonsequestrationforest[D].Beijing:BeijingForestryUniversity,2008.(inChinese)

[20] 劉國華，傅伯杰，方精云.中國森林碳動態(tài)及其對全球碳平衡的貢獻 [J].生態(tài)學報，2000(5):733-740.

LiuGH,FuBJ,FangJY.CarbondynamicsofChineseforestsanditscontributiontoglobalcarbonbalance[J].ActaEcologicaSinica,2000(5):733-740.(inChinese)