曾偉生

(國家林業(yè)局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院,北京 100714)

進入21世紀以來,應(yīng)對氣候變化已成為全球的共同關(guān)切。2009年,在聯(lián)合國氣候變化峰會上,中國政府向全世界作出了森林雙增目標的莊嚴承諾[1]；2015年,在氣候變化巴黎大會上,中國政府再一次公開承諾,至2030年中國的森林蓄積量要比2005年增加45億m3[2]。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,是地球上最大的碳庫,對維護全球碳平衡、緩減氣候變暖發(fā)揮著不可替代在作用。其作用和貢獻的大小,取決于森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力,而固碳能力的評估,必須以生物量模型作為計量基礎(chǔ)[3]。

從第八次全國森林資源清查開始,我國組織開展了主要樹種立木生物量的調(diào)查建模工作,并已取得大量研究成果[4-21]。截至目前,在規(guī)范樣本采集方法和模型建立方法[22-23]的基礎(chǔ)上,已經(jīng)編制并頒布了冷杉(Abiesspp.)、云杉(Piceaspp.)、落葉松(Larixspp.)、杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松(Pinusmassoniana)、云南松(P.yunnanensis)、油松(P.tabulaeformis)、濕地松(P.elliottii)、柳杉(Cryptomeriaspp.)、櫟樹(Quercusspp.)、樺樹(Betulaspp.)、木荷(Schimasuperba)、楓香(Liquidambarformosana)等13個主要樹種(組)的立木生物量模型及碳計量參數(shù)行業(yè)標準[24-36],楊樹(Populusspp.)的行業(yè)標準也已編制完成,并將于2018年頒布實施。盡管這14個樹種(組)已經(jīng)涵蓋了全國近70%的森林資源,但要實現(xiàn)全覆蓋森林生物量和碳儲量的準確計量,對其余30%森林資源所涉及的樹種組,也需建立適用的生物量模型。

根據(jù)West等[37-38]的研究成果,林木的地上生物量主要與林木胸徑有關(guān)。而根據(jù)曾偉生等[13]的最新研究成果,林木地上生物量的大小與木材密度高度相關(guān),且其提出的通用性生物量模型M=0.3pD7/3的適用性已經(jīng)得到過驗證[20]。本文基于以上研究成果,利用公開發(fā)表的各樹種木材密度數(shù)據(jù)[24-36,39],建立其相應(yīng)的一元地上生物量模型,再利用全國森林生物量調(diào)查建模項目的實測數(shù)據(jù),對部分樹種的地上生物量模型進行驗證,并分別針葉樹和闊葉樹2個樹種組建立相容性地下生物量模型和根莖比模型,為第九次清查匯總時準確計量全國的森林生物量及碳儲量提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本文所用到的資料包括3部分:一是由中國林業(yè)科學研究院木材工業(yè)研究所公開發(fā)表的200多個樹種的木材基本密度數(shù)據(jù)[39],涉及453組數(shù)據(jù),包含2 687株樣木的信息；二是已經(jīng)或即將頒布實施的14個樹種(組)《立木生物量模型及碳計量參數(shù)》行業(yè)標準中的木材基本密度數(shù)據(jù)及其生物量實測數(shù)據(jù),共包含6 023株樣木的信息；三是森林生物量調(diào)查建模項目采集的138株柏木和100株高山松的木材基本密度數(shù)據(jù),以及其它相關(guān)的文獻資料[40-41]。

1.2 建模方法

根據(jù)全國立木生物量建?？傮w劃分方案[4],將全國的樹種按資源多少分成了34個組,除了已經(jīng)頒布或即將頒布《立木生物量模型及碳計量參數(shù)》行業(yè)標準的14個樹種(組)外,其它20個樹種(組)只能在相關(guān)文獻[40-41]中找到部分可用的生物量模型,且其中的一些模型是二元模型,不便于在國家森林資源連續(xù)清查內(nèi)業(yè)統(tǒng)計中應(yīng)用。本文按以下方法建立基于木材密度的全部34個樹種(組)的一元立木生物量模型。

1.2.1計算平均木材基本密度

利用文獻[40]中全部200多個樹種的木材基本密度數(shù)據(jù),按照文獻[4]中的樹種組劃分方案,分成櫟樹、冷杉、云杉、樺樹、落葉松、杉木、馬尾松、楊樹、云南松、高山松(P.densata)、椴樹(Tiliatuan)、柏木(Cupressusspp.)、水胡黃(Fraxinusmandshurica+Juglansmandshurica+Phellodendronamurense)、木荷、油松、紅松(P.koraiensis)、榆樹(Ulmusspp.)、思茅松(P.khasya)、華山松(P.armandii)、鐵杉(Tsugaspp.)、樟子松(P.sylvestrisvar.mongolica)、楓香、濕地松、柳樹(Salixspp.)、桉樹(Eucalyptusspp.)、柳杉、黃山松(P.taiwanensis)、喬松(P.griffithii)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、泡桐(Paulowniaspp.)、樟檫楠(Cinnamomumspp.+Sassafrasspp.+Phoebespp.)、其它松、其它杉、其它闊34個組,其中其它闊再參照《國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定》分成其它硬闊和其它軟闊2類；然后按木材基本密度和樣木株數(shù),分類計算出各個樹種(組)的加權(quán)平均木材基本密度。對于已經(jīng)頒布或即將頒布行業(yè)標準的14個樹種(組),直接引用標準中的平均木材基本密度數(shù)據(jù)。

1.2.2建立一元地上生物量模型

基于文獻[13]建立的通用性地上生物量方程:

Ma=a×D7/3

(1)

式中:Ma為地上生物量(kg)；D為林木胸徑(cm)；a為參數(shù)(a=0.3p);p為木材基本密度(g/cm3)。將前面計算出來的各個樹種組的平均木材基本密度乘以0.3,即可得到(1)式中的參數(shù)a。為了檢驗所建模型的適用精度,對其中已經(jīng)頒布或即將頒布行業(yè)標準的14個樹種(組),采用生物量實測數(shù)據(jù)進行驗證,按下式計算相對誤差:

(2)

1.2.3建立一元地下生物量模型

地下生物量一般常用根莖比模型來推算[6]。由于已經(jīng)頒布或即將頒布行業(yè)標準的14個樹種(組)已經(jīng)占到了全部森林資源的7成,其它20個樹種(組)的地下生物量,擬按針葉樹和闊葉樹2個樹種組來推算。將14個樹種(組)的生物量實測數(shù)據(jù),按針葉樹和闊葉樹分成2組,分別建立以下相容性模型:

(3)

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 地上生物量模型

按上述方法,首先計算34個樹種(組)的平均木材基本密度,其中已經(jīng)頒布或即將頒布行業(yè)標準的14個樹種(組),直接引用行業(yè)標準中的數(shù)據(jù)。因為文獻[39]中缺紅松的數(shù)據(jù),故參考文獻[40]中的紅松一元地上生物量模型,按胸徑D=16cm(約等于文獻[24-36]中建模樣本的平均胸徑)換算成通用性一元地上生物量模型的相應(yīng)數(shù)值；同樣,因為文獻[39]中椴樹的樣木數(shù)較少,也參考文獻[40]中的紫椴生物量模型,按紅松類似的方法算出其相應(yīng)密度值,再計算二者的算術(shù)平均值。文獻[39]中柏木的樣木數(shù)為51株,達到了大樣本要求,但全國森林生物量調(diào)查建模項目已經(jīng)采集了138株柏木的樣本數(shù)據(jù),為了得到更加可靠的數(shù)據(jù),此處采用了二者的加權(quán)平均數(shù)；同樣,高山松的木材基本密度值也是采用了不同來源的106株樣木的加權(quán)平均數(shù)。全部34個樹種(組)(其它闊又細分為其它硬闊和其它軟闊)的平均木材基本密度值及樣木株數(shù)如表1所示。基于木材基本密度p,由(1)式便可以得出各樹種(組)通用性一元地上生物量模型的參數(shù)a(表1)。

表1 各樹種(組)的平均木材基本密度和 通用性一元地上生物量模型參數(shù)值Tab.1 Mean wood basic density and parameter values of the general one-variable aboveground biomass model for all tree species or groups

① 國家林業(yè)局.《立木生物量模型及碳計量參數(shù)——楊樹》行業(yè)標準(征求意見稿).2017.

注:1)高山松的木材基本密度值由文獻[39]中的6株高山松的平均木材基本密度(0.413)和全國森林生物量調(diào)查建模項目采集的100株高山松的平均木材基本密度(0.4754)加權(quán)平均得到；2)椴樹的木材基本密度值由文獻[39]中的10株椴樹的平均木材基本密度(0.343)和文獻[40]中的紫椴一元生物量模型按紅松相同方法的換算密度(0.297)算術(shù)平均得到；3)柏木的木材基本密度值由文獻[39]中的51株柏木的平均木材基本密度(0.482)和全國森林生物量調(diào)查建模項目采集的138株柏木的平均木材基本密度(0.6400)加權(quán)平均得到；4)紅松的木材基本密度值是將文獻[40]中的紅松一元生物量模型按胸徑D=16 cm(約等于文獻[24-36]中建模樣本的平均胸徑)換算而來；5)水胡黃指水曲柳、胡桃楸和黃菠蘿,樟檫楠指樟樹、檫木和楠木；6)本表模型參數(shù)a統(tǒng)一保留4位小數(shù)(3或4位有效數(shù))；7)文獻[24-36]中的木材基本密度值均為4位小數(shù),文獻[39]中的木材基本密度值均為3位小數(shù)； 8)樣木株數(shù)欄目中椴樹和紅松用“u”表示具體數(shù)量不詳。

為了評估表1中地上生物量模型的適用性,利用已經(jīng)頒布或即將頒布行業(yè)標準的14個樹種(組)的地上生物量實測數(shù)據(jù),按(2)式計算相對誤差,結(jié)果如表2所示。從表2可以看出,14個樹種(組)中有11個的總體相對誤差在±10%以內(nèi),只有柳杉、木荷、楓香3個樹種(組)的總體相對誤差超出±10%,但都在±20%以內(nèi)。經(jīng)匯總統(tǒng)計,14個樹種(組)的總相對誤差為-2.10%,在常用允許誤差±3%以內(nèi)；相對誤差絕對值的平均數(shù)為6.37%,在地上生物量模型允許誤差10%以內(nèi)[22]。因此,表1中其它20個樹種(組)的生物量模型,盡管單個樹種(組)的預(yù)估結(jié)果會存在一定程度的不確定性,但其總體預(yù)估誤差應(yīng)該在允許誤差范圍內(nèi),對宏觀層面的森林生物量估計是適用的。

表2 14個樹種(組)的通用性一元地上 生物量模型適用性檢驗結(jié)果Tab.2 Test results on applicability of the general one-variable aboveground biomass models for 14 tree species or groups

2.2 地下生物量模型

利用前述14個樹種(組)的生物量實測數(shù)據(jù),按針葉樹和闊葉樹分成2組。實測了地上和地下生物量的樣木2 021株,其中針葉樹1 150株,闊葉樹871株。分別按(3)式建立相容性地下生物量模型及根莖比模型,其參數(shù)估計結(jié)果如表3所示。從表3可以看出,針葉樹的根莖比模型第2個參數(shù)b2接近于0,在統(tǒng)計上與0無顯著差異,也即根莖比幾乎與胸徑大小無關(guān),接近于常數(shù)。因此,對于針葉樹可以采用根莖比的平均值0.248來推算地下生物量。經(jīng)計算,闊葉樹根莖比的平均值為0.294,要比針葉樹的根莖比大18.5%。但闊葉樹的根莖比與胸徑顯著相關(guān),因此采用根莖比模型計算地下生物量更為準確。

表3 針葉樹和闊葉樹相容性地下生物量模型的擬合結(jié)果Tab.3 Fitting results of compatible belowground biomass models for coniferous and broadleaved tree species groups

為了評估表3中地下生物量模型和根莖比模型的預(yù)估效果,利用前述14個樹種(組)的地下生物量實測數(shù)據(jù),按(2)式計算各個樹種(組)的相對誤差,結(jié)果如表4所示。從表4可以看出,14個樹種(組)中有12個的總體相對誤差在±20%以內(nèi),只有云南松、柳杉2個針葉樹種的總體相對誤差超出±20%。據(jù)分析,云南松和柳杉的根莖比分別為0.160和0.348,在表4的9個針葉樹種(組)中剛好位于下限和上限,所以才出現(xiàn)這么大誤差。如果按針葉樹和闊葉樹2組進行匯總統(tǒng)計,其總相對誤差分別為4.81%和0.15%,都在±5%以內(nèi)；相對誤差絕對值的平均數(shù)分別為14.85%和13.45%,均在地下生物量模型允許誤差15%以內(nèi)[22]。因此,采用表3中的模型來估計前述14個樹種(組)以外的其它針葉樹和闊葉樹的地下生物量,盡管單個樹種(組)的預(yù)估結(jié)果會存在一定程度的不確定性,但其總體預(yù)估誤差應(yīng)該在允許范圍內(nèi),對宏觀層面的森林生物量估計是適用的。

3 結(jié)論與討論

基于近年研究提出的通用性生物量模型M=0.3pD7/3,利用公開發(fā)表的各樹種木材基本密度數(shù)據(jù),建立了我國全部34個樹種(組)的一元地上生物量模型；還利用全國生物量調(diào)查建模項目的實測數(shù)據(jù),建立了針葉樹和闊葉樹2個樹種組的相容性地下生物量模型。根據(jù)14個樹種(組)的驗證結(jié)果,本文所建一元立木生物量模型對各個樹種(組)地上生物量和地下生物量估計的相對誤差絕對值平均數(shù)均未超過其相應(yīng)的允許誤差10%和15%,可用于宏觀層面的森林生物量估計,是近年頒布實施的生物量模型系列行業(yè)標準的重要補充。

由于國家森林資源連續(xù)清查的森林蓄積量估計都是基于一元材積表/模型,森林生物量估計應(yīng)盡可能采用與材積相容的一元生物量模型或生物量轉(zhuǎn)換因子模型和根莖比模型。近年頒布實施的14個樹種(組)的立木生物量模型行業(yè)標準,為我國近7成森林生物量的準確計量奠定了堅實基礎(chǔ)。其它20個樹種(組)只占全部森林資源的3成多,在其立木生物量模型行業(yè)標準出臺之前,可以利用本文建立的一元地上生物量模型及針葉樹和闊葉樹的一元根莖比模型,計算其地上和地下生物量。由于喬松的樣本量過少,為穩(wěn)妥起見,在實際應(yīng)用中建議暫采用高山松的生物量模型。

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