劉 平，韓金城，于 磊，荊 欣，王玉濤

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 國(guó)家林業(yè)局油松工程技術(shù)研究中心,沈陽(yáng) 110161）

森林生物量是生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的最基本特征，反映了森林群落利用自然資源的潛力和能力，不僅是衡量森林生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，也是研究森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)[1]。森林生物量的測(cè)定，對(duì)于深入研究森林生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)和碳匯功能，評(píng)價(jià)人工林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力與環(huán)境因子之間的關(guān)系具有重要的科學(xué)價(jià)值[2]。近年來，森林在應(yīng)對(duì)環(huán)境問題和氣候變化等方面的作用受到世界范圍的極大關(guān)注，森林生物量的研究更加集中于人工林碳增匯能力和技術(shù)措施[3]、森林生物量模型[4]、森林生物量分配模式[5-6]、基于遙感影響的森林生物量預(yù)測(cè)[7-8]、森林生物量計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)[9-10]等方面。

油松是遼寧的鄉(xiāng)土樹種和主要的造林樹種，總面積約70萬hm2，總蓄積量約3600萬m3，其中油松天然林不足1%。油松人工林中幼林約占32%，近成熟林約占68%。油松在遼寧的荒山造林、水土保持、水源涵養(yǎng)、園林綠化、木材供給和林下經(jīng)濟(jì)等林業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中發(fā)揮了巨大而不可替代的作用。油松近年來的發(fā)展勢(shì)頭非常迅猛，造林綠化面積逐年擴(kuò)大，但由于造林苗木質(zhì)量較差、立地選擇不得當(dāng)、適地適樹未達(dá)到、林分結(jié)構(gòu)單一、密度調(diào)整不及時(shí)、森林經(jīng)營(yíng)管理粗放等科學(xué)的人工林高效培育技術(shù)的缺失，致使遼寧省的油松人工林出現(xiàn)大面積的衰退林分，生長(zhǎng)不良的低效低價(jià)值林分，林分密度過高且未及時(shí)調(diào)整的林分，以及憑主觀臆斷的森林經(jīng)營(yíng)措施等現(xiàn)象。因而，研究油松人工林高效培育的關(guān)鍵技術(shù)勢(shì)在必行，其中明確油松人工林生物量的分配模式和區(qū)域空間分布格局是關(guān)鍵問題。在油松的主要分布區(qū)，已有學(xué)者對(duì)北京油松人工林生物量分配模式[11]，甘肅油松人工林生物量及與林分密度的關(guān)系[12]，內(nèi)蒙古油松人工林生物量與林分密度的關(guān)系[13]，河北油松人工林單株生物量及立地因子的影響[14-15]，山西油松人工林生態(tài)系統(tǒng)生物量及其分布[16-17]，陜西省油松人工林的生物量和生產(chǎn)力[18]等進(jìn)行了研究，但作為油松主要分布區(qū)的遼寧，對(duì)于油松人工林的生物量分配及模型構(gòu)建卻鮮有報(bào)道。因此，本研究在基于遼東山區(qū)油松人工林森林資源調(diào)查數(shù)據(jù)和固定樣地標(biāo)準(zhǔn)木的大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，開展林分密度對(duì)油松人工林單株地上生物量的影響，油松人工林單株立木生物量模型構(gòu)建及其遼東山區(qū)油松人工林生物量空間分布格局的研究具有重要的意義，以期為遼東山區(qū)油松人工林的科學(xué)營(yíng)造和合理經(jīng)營(yíng)，油松人工林生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力和林分生產(chǎn)力的科學(xué)評(píng)價(jià)提供科學(xué)的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

遼東山區(qū)屬溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季短暫多雨。年均降水量700～850mm，年均蒸發(fā)量925～1284mm，年均氣溫4～11℃，無霜期120～139d。該區(qū)域?qū)匍L(zhǎng)白山余脈延伸區(qū)，海拔高度一般為200～500m，少數(shù)山峰超過1000m。土壤以棕壤暗棕壤為主，一般呈酸性或中性壤土和沙壤土。

1.2 樣地設(shè)置及林分調(diào)查

于2018年在遼寧省撫順市馬古林場(chǎng)、溫道林場(chǎng)、大伙房林場(chǎng)設(shè)置不同林齡、不同密度油松人工林固定樣地共27塊，每塊樣地0.06hm2（20m×30m），包括中齡林、成熟林、過熟林3個(gè)齡級(jí)。每個(gè)齡級(jí)設(shè)置9塊樣地，3個(gè)密度梯度，每一密度梯度間隔250株·hm-2，重復(fù)3次。采用胸徑尺、皮尺、測(cè)高儀等測(cè)量油松胸徑、樹高、枝下高等單木指標(biāo)以及林分密度、林分年齡等林分指標(biāo)。樣地基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同齡級(jí)油松人工林基礎(chǔ)數(shù)Table 1 Basic data of Pinus tabulaeformis plantation under different age class

1.3 林分標(biāo)準(zhǔn)木選擇及調(diào)查

在每一固定樣地內(nèi)選擇兩株標(biāo)準(zhǔn)木，每個(gè)密度下取6株標(biāo)準(zhǔn)木。用生長(zhǎng)錐沿南北方向鉆取標(biāo)準(zhǔn)木胸徑處木芯（貫穿標(biāo)準(zhǔn)木），共計(jì)54個(gè)木芯，用直尺測(cè)量木芯長(zhǎng)度，帶回實(shí)驗(yàn)室用烘箱恒溫80℃烘至恒重。將標(biāo)準(zhǔn)木林冠分成上、中、下3層，每層選取兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)枝，共6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)枝，以人工方式截取標(biāo)準(zhǔn)枝并記錄每一層內(nèi)油松枝條數(shù)，用彈簧秤稱量并記錄每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)枝重量，去除針葉，再次稱量去葉標(biāo)準(zhǔn)枝重量。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)枝截取一個(gè)樣枝，保留一份樣葉，分別稱重，用信封分別保存并記錄樣枝、樣葉所在標(biāo)準(zhǔn)地編號(hào)，所處冠層位置及鮮重。在54株標(biāo)準(zhǔn)木中共收集樣枝和樣葉共532份，將所有樣枝、樣葉帶回實(shí)驗(yàn)室烘箱恒溫80℃烘至恒重，分別記錄樣枝樣葉干重。油松標(biāo)準(zhǔn)木基本數(shù)據(jù)如表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)木基本數(shù)據(jù)Table 2 Statistical table of sample trees data

1.4 遼東山區(qū)油松人工林森林資源二類清查數(shù)據(jù)

收集整理遼東山區(qū) （撫順市、本溪市、丹東市）2015年油松森林人工林資源二類清查數(shù)據(jù)小班樣地共計(jì)21918塊，油松人工林小班樣地?cái)?shù)據(jù)按齡級(jí)統(tǒng)計(jì)如表3。

表3 遼東山區(qū)油松人工林森林資源清查數(shù)據(jù)Table 3 Forest resources inventory data of pinus tabulaeformis plantation in eastern Liaoning

1.5 樹干生物量的測(cè)定

采用木材密度法求算樹干生物量[19]，其公式為：

式中：V1為標(biāo)準(zhǔn)木材積；B為樹干基本密度。樹干基本密度用木芯基本密度近似代替，基本密度公式為：

式中：M1為木芯干重;V2為木芯體積。

1.6 枝、葉生物量的測(cè)定

為減小從標(biāo)準(zhǔn)枝摘取針葉過程中針葉水分散失帶來的誤差，將截取的標(biāo)準(zhǔn)枝帶葉稱量其鮮重記為M2，去除針葉稱量樹枝鮮重量記為M3，則針葉鮮重為M2-M3，分別選取樣枝、樣葉稱量鮮重后帶回實(shí)驗(yàn)室烘箱恒溫80℃烘至恒重。則枝的生物量：

式中：W2為枝的生物量；M3為標(biāo)準(zhǔn)枝重量；N1為標(biāo)準(zhǔn)枝枝條數(shù)；P1為標(biāo)準(zhǔn)枝含水率（樣枝干重/樣枝鮮重）。葉的生物量計(jì)算公式為：

式中：W3為葉生物量；M2為帶葉標(biāo)準(zhǔn)枝重量；P2為葉含水率（樣葉干重/樣葉鮮重）。

2 結(jié)果與分析

2.1 林分密度對(duì)油松人工林單株地上生物量的影響

由表4可知，無論是中齡林，成熟林還是過熟林均表現(xiàn)出枝條生物量、樹干生物量和單株地上總生物量隨林分密度的增加而減小的趨勢(shì)；相似密度條件下，枝條生物量、樹干生物量和單株地上生物量隨林齡的增加而呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。油松中齡林平均單株枝條生物量、葉生物量、干生物量和地上總生物量分別為36.482，27.288，93.236，157.005kg；油松成熟林平均單株枝條生物量、葉生物量、干生物量和地上總生物量分別為88.078，38.45，131.036，257.563kg；油松過熟林平均單株枝條生物量、葉生物量、干生物量和地上總生物量分別為108.365，42.493，186.798，338.656kg。經(jīng)方差分析，中齡林、成熟林和過熟林林分密度對(duì)單株地上生物量均有顯著影響（p＜0.05）。

表4 油松人工林不同林齡不同密度單株生物量表Table 4 Individual treebiomass of Pinus tabulaeformis plantation under different stand density and ageclass

2.2 林分密度對(duì)油松人工林生物量分配的影響

由圖1～圖3可知，中齡林地上部分各器官的生物量分配隨林分密度的增大，分配到干與葉的生物量所占比重逐漸增大，分配到枝的生物量所占比重逐漸減小。成熟林的隨林分密度增大分配到干的生物量所占比重逐漸減小，分配到枝和葉的生物量所占比重逐漸增加。過熟林分配到干的生物量所占比重逐漸增加，分配到枝和葉的生物量所占比重逐漸減小。中齡林分配到干的生物量比例范圍為54.9%～64.1%，成熟林分配到干的生物量比例范圍為45.7%～53.9%，過熟林分配到干的生物量比例范圍為52.6%～60.3%。中齡林分配到枝的生物量比例范圍為16.8%～29.9%，成熟林分配到枝的生物量比例范圍為32.8%～36.0%，過熟林分配到枝的生物量比例范圍為29.9%～32.7%。中齡林分配到葉的生物量比例范圍為15.1%～19.1%，成熟林分配到葉的生物量比例范圍為13.3%～18.4%，過熟林分配到葉的生物量比例范圍為9.8%～14.7%。

圖1 不同林分密度油松中齡林生物量分配Figure 1 Biomass distribution of middle age forest under different stand density

圖2 不同林分密度油松成熟林生物量分配Figure 2 Biomass distribution of mature forest under different stand density

圖3 不同林分密度油松過熟林生物量分配Figure 3 Biomass distribution of over-mature forest under different stand density

2.3 油松人工林單株地上生物量模型構(gòu)建

以油松人工林單株地上生物量W為因變量，以胸徑D和樹高H組合的D2H為自變量，使用直線型、對(duì)數(shù)函數(shù)曲線型、二次函數(shù)曲線型、指數(shù)函數(shù)曲線型、冪函數(shù)曲線型五種回歸模型對(duì)W與D2H進(jìn)行生物量模型構(gòu)建。由圖4～圖7可知，油松中齡林單株地上生物量模型以冪函數(shù)曲線型擬合效果最好R2=0.6926，擬合方程為W=0.5752×(D2H)0.6964。油松成熟林單株地上生物量模型以二次函數(shù)曲線型擬合效果最好R2=0.8520，擬合方程為W=(5E-06)(D2H)2-0.0326×(D2H)+231.72。油松過熟林單株地上生物量模型以二次函數(shù)曲線型擬合效果最好R2=0.8827，擬合方程為W=(-6E-06)(D2H)2+0.1203×(D2H)-314.18。油松人工林全齡級(jí)單株地上生物量模型以冪函數(shù)擬合效果最好R2=0.8646，擬合方程為W=1.6053(D2H)0.5694。因而，遼東山區(qū)油松人工林不同齡級(jí)單株地上生物量方程的擬合為準(zhǔn)確預(yù)估遼東山區(qū)油松人工林生物量及生產(chǎn)力提供重要的依據(jù)。

圖4 全齡級(jí)油松人工林單株地上生物量模型Figure 4 Individual tree above-ground biomass model in total aged forest

圖5 中齡油松人工林單株地上生物量模型Figure 5 Individual tree above-ground biomass model in middle aged forest

2.4 遼東山區(qū)油松人工林喬木層生物量空間分布格局

圖6 成熟油松人工林單株地上生物量模型Figure 6 Individual tree above-ground biomass model in mature forest

圖7 過熟油松人工林單株地上生物量模型Figure 7 Individual tree above-ground biomass model in over-mature forest

由表5可知，遼東山區(qū)油松人工林喬木層總生物量為1.96×107t，其中撫順市油松人工林喬木層總生物量最大，為1.79×107t；本溪市次之，喬木層總生物量為1.37×106t；丹東市最少，喬木層總生物量為1.05×106t。本溪市幼齡林喬木層總生物量為3.74×104t，中齡林喬木層總生物量為1.07×105t，近熟林喬木層總生物量為4.58×105t，成熟林喬木層總生物量為7.59×105t，過熟林喬木層總生物量為1.73×104t。丹東市幼齡林喬木層總生物量為2.36×104t，中齡林喬木層總生物量為1.33×105t，近熟林喬木層總生物量為3.62×104t，成熟林喬木層總生物量為6.47×104t，過熟林喬木層總生物量為7.88×103t。撫順市幼齡林喬木層總生物量為3.76×104t，中齡林喬木層總生物量為2.07×105t，近熟林喬木層總生物量為2.43×106t，成熟林喬木層總生物量為1.51×107t，過熟林喬木層總生物量為 1.56×105t。

表5 遼東山區(qū)油松人工林生物量空間分布Table 5 Spatial biomass distribution of Pinus tabulaeformis plantation in eastern Liaoning

3 討論與結(jié)論

生物量是林分凈第一性生產(chǎn)力的全面體現(xiàn)，不僅充分反映林分的光合生產(chǎn)能力，而且對(duì)于用材林的收獲利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[20]。遼東山區(qū)既是遼寧省的重要生態(tài)安全綠色屏障[21]，也是重要的商品林培育區(qū)域，明確該區(qū)域油松人工林的生物量分配及其區(qū)域空間分布特征對(duì)于油松人工林生態(tài)系統(tǒng)合理結(jié)構(gòu)的形成和優(yōu)良功能的發(fā)揮具有重要的意義。以往對(duì)林分生物量的研究通常需要伐倒樣地的標(biāo)準(zhǔn)木，采用分層截取法或全部稱重法測(cè)定生物量，這種方式精確度較高，但對(duì)林木破壞性較強(qiáng)，外業(yè)工作量巨大，費(fèi)時(shí)費(fèi)力[22]。本試驗(yàn)采用木材密度法計(jì)算樹干生物量[19]，采用分層截取樣枝法測(cè)算枝葉生物量，這種方式對(duì)林木破壞性較低，工作量較小，更切合生產(chǎn)實(shí)際，而且同樣能較準(zhǔn)確的估計(jì)林木生物量，在本研究中，構(gòu)建的單株地上生物量預(yù)測(cè)模型的絕對(duì)值R2也非常高，在0.6926～0.8827之間，與大量采用伐倒木構(gòu)建的生物量模型絕對(duì)系數(shù)非常接近[14,18]。

通過對(duì)遼東山區(qū)油松人工林固定樣地標(biāo)準(zhǔn)木和森林資源二類清查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，遼東山區(qū)油松人工林隨林分年齡的增加，單株地上總生物量呈增加的趨勢(shì)，在中齡林時(shí)為157.005kg·株-1，成熟林時(shí)為257.563kg·株-1，過熟林時(shí)為338.656kg·株-1；且隨林分密度的增加，油松人工林單株地上總生物量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。遼東山區(qū)油松人工林各器官生物量分配比例，在不同林分密度和不同齡級(jí)中均表現(xiàn)為樹干＞樹枝＞樹葉，這與一些學(xué)者對(duì)其他地區(qū)油松人工林生物量分配研究結(jié)論一致[14,18]。隨著單株地上總生物量的不斷增加，樹干的生物量分配比率有緩慢降低的趨勢(shì)，樹枝和樹葉的生物量分配比率則呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)。而且無論油松個(gè)體林木的樹高、胸徑如何變化，樹干所占的生物量分配比例都最大，樹葉所占的生物量分配比例最小。樹干與樹枝、樹葉的生物量分配比率變化趨勢(shì)相反，即樹干的生物量分配比率上升時(shí)，樹葉、樹枝的生物量分配比率則會(huì)下降，反之則上升；樹枝與樹葉的生物量分配比率變化趨勢(shì)一致，即枝條的生物量分配比率上升時(shí)，樹葉也隨之上升，反之則下降。采用冪函數(shù)和二次函數(shù)曲線型方程構(gòu)建了較高精度的油松不同齡級(jí)的單株地上部分生物量模型，為遼東山區(qū)油松人工林生物量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和便捷應(yīng)用提供了重要的依據(jù)。本研究明確了遼東山區(qū)油松人工林喬木層總生物量為 1.96×107t，其中撫順市 1.79×107t，本溪市為 1.37×106t，丹東市為 1.05×106t；以及同一地區(qū)不同齡級(jí)下油松人工林喬木層的空間分布格局，這為遼東山區(qū)油松人工林固碳能力和生產(chǎn)力評(píng)價(jià)提供重要的參考。