沈威

(遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,遼寧 沈陽 110122)

大興安嶺地區(qū)落葉松生物量模型研究

沈威

(遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,遼寧 沈陽 110122)

以不同年齡、不同密度的落葉松(Larixgmelini)人工林為研究對(duì)象，基于標(biāo)準(zhǔn)地37株標(biāo)準(zhǔn)木的樹干解析、枝解析的生物量數(shù)據(jù)，研究胸徑、樹高、冠幅等指標(biāo)與單木各分量(樹干、枝、葉)生物量之間的關(guān)系，通過統(tǒng)計(jì)分析建立了落葉松單木各部分生物量的回歸模型，為了解落葉松人工林生產(chǎn)力，并對(duì)其進(jìn)行合理經(jīng)營提供了科學(xué)依據(jù)。

落葉松；生物量；模型；大興安嶺

Abstract TakingLarixgmeliniplantations with different densities at different ages as research objects,based on the biomass analysis of tree stem analysis and branch analysis for 37 standard trees, relationship among the indices (DBH, tree height, crown) and each component (stem, branch, leaf) were studied.Establishing regression model of biomass of the single tree for each part ofLarixgmeliniiby using statistical analysis can not only understand productivity ofLarixgmeliniplantation, but also provide a scientific basis for its rational management.

Key wordsLarixgmelini; biomass; model；Daxing’anling Region

中國從20世紀(jì)70年代末開始引入森林生物量的概念。潘維儔等在杉木人工林方面的研究開創(chuàng)了國內(nèi)研究森林生物量的先河，之后是馮宗煒關(guān)于馬尾松人工林生物量的研究，以及李文華等在長白山地區(qū)對(duì)當(dāng)?shù)爻＞G闊葉林開展的生物量研究，為后來中國系統(tǒng)建立全國范圍內(nèi)的森林植被碳庫及分析其變化打下了基礎(chǔ)。21世紀(jì)以來，國內(nèi)逐漸加強(qiáng)了對(duì)森林生物量方面的研究。目前應(yīng)用比較廣泛的有以下兩種：第一種是胥輝等建立的相容性模型，該模型是基于各分量獨(dú)立的生物量模型，結(jié)合林木關(guān)系得出相容性模型；第二種是劉琪璟研究出的嵌套回歸方法建立生物量，以枝軸為基本單位，通過枝軸到枝條到單株的步驟, 逐級(jí)擬合林分的生物量模型。

森林生物量占地球總的生物量的九成以上，它能客觀地反映森林的固碳能力，也能反映森林碳的收支情況，是研究很多林業(yè)問題和生態(tài)問題的基礎(chǔ)。特別是在人們?cè)絹碓街匾曁佳h(huán)的今天，森林生物量的研究與估算可以為人們的生產(chǎn)生活提供依據(jù)。

1 樣地設(shè)置及測(cè)量項(xiàng)目

1.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

以不同年齡、不同密度及不同立地條件的落葉松人工林為研究對(duì)象，在具有代表性、未經(jīng)過間伐、生長正常的林分中設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地。在樣地內(nèi)對(duì)喬木層進(jìn)行每木檢尺，測(cè)定落葉松胸徑、樹高、枝下高、冠幅等指標(biāo)；將測(cè)定的結(jié)果，按徑階統(tǒng)計(jì)分組，計(jì)算各徑級(jí)的平均直徑及平均高，以此為標(biāo)準(zhǔn)在標(biāo)準(zhǔn)地外選擇不同大小的林木作為樹干解析和枝解析樣木。所選的樣木應(yīng)生長正常,樹干無分叉、無傾斜。

1.2 樹干生物量的測(cè)定

將樹木伐倒，按1 m區(qū)分段將樹干截?cái)?，稱取各段帶皮的樹干鮮質(zhì)量，單位為kg，精確到0.1 kg，進(jìn)行合計(jì)，求出地上部分的樹干鮮質(zhì)量。

各區(qū)分段截取圓盤，稱取各圓盤的鮮質(zhì)量，將圓盤在恒溫下干燥，然后稱取圓盤干質(zhì)量。

1.3 枝、葉及根的生物量的測(cè)定

枝及葉的生物量采用平均重量標(biāo)準(zhǔn)枝法進(jìn)行。將每輪輪枝的每個(gè)枝條沿基部截下，逐個(gè)測(cè)量其枝葉總生物量。選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)枝(通常為每輪輪枝中較大的枝條)，稱帶葉枝的鮮質(zhì)量。摘去標(biāo)準(zhǔn)枝上的葉，分別稱枝鮮質(zhì)量及葉鮮質(zhì)量，取枝鮮質(zhì)量與葉鮮質(zhì)量之和應(yīng)該等于帶葉枝鮮質(zhì)量。將枝剪成10 cm左右的小段，混合均勻，從中抽取100 g作為樣品烘干。葉混合均勻后抽取50 g作為樣品烘干?？刹捎酶少|(zhì)量比法計(jì)算樹木干量和每個(gè)枝條的葉量和枝量。稱取樣品烘干后的重量(干質(zhì)量)，通過計(jì)算鮮質(zhì)量與干質(zhì)量的差值即為樹干樣品或枝葉樣品的含水量。然后通過比例法可以算出樹干和葉的干質(zhì)量。用同樣的方法測(cè)得皮干質(zhì)量和去皮干質(zhì)量。由于根的測(cè)量樣本分為0.2～2 cm、2～5 cm、>5 cm三段，所以每段的根干質(zhì)量都必須用對(duì)應(yīng)的樣本數(shù)據(jù)計(jì)算得出(表1)。

表1 生物量計(jì)算方法

2 研究方法

2.1 生物量模型的選取

單木生物量模型是以模擬林分內(nèi)每株樹木各分量(干、枝、葉、皮、根等) 干物質(zhì)重量為基礎(chǔ)的一類模型?？赏ㄟ^以下三種方式進(jìn)行研究：

線性模型(加性誤差) :

Y=β0+β1X1+…+βjXj+ε

非線性模型(加性誤差) :

非線性模型(乘性誤差) :

其中Y表示生物量,Xj表示第j個(gè)變量,βj表示第j個(gè)模型參數(shù),ε表示誤差項(xiàng)。

線性模型通常用最小二乘法的多元線性回歸進(jìn)行估算，非線性模型(加性模型)通常用迭代參數(shù)估計(jì)法的非線性回歸方程進(jìn)行估算。而非線性模型(乘性誤差)通常通過轉(zhuǎn)化，經(jīng)過對(duì)數(shù)變化轉(zhuǎn)換為線性回歸方程，一般如下

lnY= lnβ0+β1lnX1+…+βjlnXj+ lnε

轉(zhuǎn)換后的相對(duì)生長方程容易進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算，同時(shí)經(jīng)對(duì)數(shù)變換后，數(shù)據(jù)滿足線性假設(shè)。

2.2 生物量模型的研究方法

首先對(duì)單木各器官生物量進(jìn)行分析，利用樹高和根總干質(zhì)量、皮總干質(zhì)量、總的去皮干質(zhì)量、枝總干質(zhì)量以及葉總干質(zhì)量的關(guān)系，在Excel中生成離散圖，選擇最合適的趨勢(shì)線，得到曲線方程，并比較相似度。選擇相似度比較高的模型作為單木各器官生物量方程，用同樣的方法對(duì)胸徑進(jìn)行同樣的處理。然后比較，選出最優(yōu)模型。

而對(duì)總的生物量的模型選取了3種模型對(duì)生物量模型進(jìn)行研究，對(duì)線性模型進(jìn)行分析，變量選擇樹高H和胸徑D，生成生物量與樹高的關(guān)系圖以及生物量與胸徑的關(guān)系圖，利用SAS軟件進(jìn)行擬合處理，估算出參數(shù)。然后進(jìn)行誤差分析。例如:

W=a+D*b

W=a+H*b

W=a+D*b+H*c

式中，W表示生物量，a、b、c表示式中的估計(jì)參數(shù)，D表示胸徑，H表示樹高。

對(duì)落葉松樣木生物量擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，與林分調(diào)查因子間相關(guān)關(guān)系的進(jìn)行分析，選擇相關(guān)系數(shù)較大的變量，構(gòu)建一個(gè)回歸模型來預(yù)測(cè)落葉松人工林的各部分生物量。根據(jù)所計(jì)算的各生物量方程的擬合統(tǒng)計(jì)量，選擇相關(guān)系數(shù)較大，并且根據(jù)圖表模型的曲線與實(shí)際趨勢(shì)比較符合的模型來作為生物量方程。

3 結(jié)果與分析

3.1 樹木各器官生物量模型的建立

隨著樹高和胸徑增加，單木各器官生物量也隨之增加，兩者之間可能存在一定的線性或非線性關(guān)系。本研究分別對(duì)生物量與樹高、胸徑的關(guān)系進(jìn)行估算，最后選擇出最優(yōu)模型。

樹高與生物量模型的擬合關(guān)系圖(圖1～圖5)：

圖1 樹高與根總干量關(guān)系圖

圖2 樹高與皮總干量關(guān)系圖

圖3 樹高與去皮總干量關(guān)系

圖4 樹高與枝總干量關(guān)系

圖5 樹高與葉總干量關(guān)系圖

abR2根總干量y=axb1.77313.28100.1895皮總干量y=abx0.1250e0.26080.6394去皮總干量y=axb0.00703.52100.5404枝總干量y=axb0.00083.30200.1836葉總干量y=axb0.001053.25870.1910

通過對(duì)落葉松散點(diǎn)圖的分布及趨勢(shì)的分析，樹高與生物量存在著非線性關(guān)系。通過比較相關(guān)系數(shù)(R2)我們發(fā)現(xiàn)皮總干量和去皮總干量的相關(guān)系數(shù)較高，都大于0.5，而根總干量、枝總干量、和葉總干量與樹高的非線性關(guān)系并不明顯，相關(guān)系數(shù)較低(表2)。但總的趨勢(shì)是隨著樹高的增加，單木各部分的生物量隨之增加。

由上面的統(tǒng)計(jì)量可得針對(duì)皮總干量和去皮總干量我們可以利用與樹高的模型對(duì)其進(jìn)行估測(cè)。而對(duì)于其他干量，由于相關(guān)系數(shù)太低，線性關(guān)系不太明顯，我們可以通過建立其與胸徑之間的關(guān)系進(jìn)行擬合、估測(cè)。

胸徑與生物量模型擬合關(guān)系圖如下(圖6～圖10):

圖6 胸徑與根總干量關(guān)系圖

圖7 胸徑與皮總干量關(guān)系圖

圖8 胸徑與去皮總干量關(guān)系圖

圖9 胸徑與枝總干量關(guān)系圖

圖10 胸徑與葉總干量關(guān)系圖

abR2根總干量y=axb15.5292.46820.4887皮總干量y=axb0.02322.12090.8382去皮總干量y=axb0.10752.48040.7888枝總干量y=axb0.00722.48540.4824葉總干量y=axb0.00822.45200.4895

通過對(duì)落葉松散點(diǎn)圖的分布及趨勢(shì)的分析，選擇胸徑與根總干質(zhì)量、皮總干質(zhì)量、總的去皮干質(zhì)量、枝總干質(zhì)量以及葉總干質(zhì)量最優(yōu)的非線性模型關(guān)系。發(fā)現(xiàn)最優(yōu)的非線性模型為y=axb ，其中a、b為參數(shù)，x表示胸徑。我們發(fā)現(xiàn)胸徑與皮總干量和去皮總干量的非線性關(guān)系比較明顯，相關(guān)系數(shù)較高，而胸徑與其他干量非線性模型的相關(guān)系數(shù)大多在0.5左右。對(duì)于枝總干量和葉總干量，運(yùn)用胸徑建立模型進(jìn)行估算會(huì)適當(dāng)優(yōu)于采用樹高對(duì)其進(jìn)行估算。而對(duì)于根總干量，樹高和胸徑與之的非線性關(guān)系相似，采用任一自變量即可。

4 結(jié)論

通過以上研究，我們發(fā)現(xiàn)單木胸徑和單木樹高越大，樹干的生物量越大，枝的生物量也與單木胸徑存在一定的關(guān)系?？傊S著單木的增長，單木的總生物量顯著提高。

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Biomass Model ofLarixgmeliniiin Daxing’anling Region

Shen Wei

(Liaoning Forestry Investigation and Planning Institute 110122)

1005-5215(2017)02-0029-04

2016-11-23

沈威(1982-)，男，遼寧本溪人，工程師，現(xiàn)從事林業(yè)調(diào)查規(guī)劃工作.

S791.22

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.02.010