陳志林,李國(guó)興,侯曉巍,李智華,郝家田,譚智淵,向安民,2*

(1.國(guó)家林業(yè)和草原局 西北調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，陜西 西安 710048；2.旱區(qū)生態(tài)水文與災(zāi)害防治國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048)

森林生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)的基本參數(shù)，其大小與森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力、物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)等生態(tài)過(guò)程密切相關(guān)[1-2]。森林生物量的估算，已成為森林生態(tài)學(xué)研究中的熱點(diǎn)之一[3-4]。傳統(tǒng)的森林生物量生物量估算方法有收獲法、平均標(biāo)準(zhǔn)木法和徑級(jí)分層標(biāo)準(zhǔn)木法，能直接獲得林分的生物量，估算結(jié)果精度較高[2]。但因收獲過(guò)程中費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，且對(duì)林分的結(jié)構(gòu)與組成破壞性較大，限制了其應(yīng)用[5]。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，建立林木生物量與其生長(zhǎng)指標(biāo)間的回歸模型，已成為森林生物量估算的趨勢(shì)[6-9]。我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)類型多樣，樹種種類復(fù)雜，眾多的學(xué)者已開展了森林生物量模型的構(gòu)建工作并已取得了顯著的成果，涉及樹種包括華北落葉松、興安落葉松、白樺、山楊、桉樹和云南松等[1-2,4-5,7,9-11]。

祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)為我國(guó)特有的常綠針葉樹種，其抗逆性強(qiáng)，耐干旱瘠薄，多以純林分布于西北地區(qū)海拔2 500～3 500 m，甚至4 000 m以上干旱的陽(yáng)坡與半陽(yáng)坡[12-14]，其為青藏高原東北部高山生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)樹種[13]，也是青海省境內(nèi)分布最廣的針葉樹種。目前關(guān)于祁連圓柏的研究重要集中在樹木年輪研究[15-16]、葉揮發(fā)成分[17]、氣候?qū)ζ钸B圓柏徑向生長(zhǎng)的影響[18-19]、林線對(duì)樹木生長(zhǎng)的影響[20]、群落學(xué)特征[12]、葉片功能性狀[13]與生態(tài)化學(xué)計(jì)量特征[19]等方面，有關(guān)祁連圓柏生物量模型的構(gòu)建鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究基于青海省祁連圓柏整株樣木資料，構(gòu)建了祁連圓柏林木單株生物量模型，旨在為祁連圓柏林喬木層生物量估算提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

祁連圓柏整株樣木取自青海省互助土族自治縣的北山林場(chǎng)和門源回族自治縣珠固鄉(xiāng)的天然林中?；ブ磷遄灾慰h北山林場(chǎng)位于該縣東北部，地處祁連山東端，黃土高原向青藏高原的過(guò)渡地帶，地理位置102°06′-102°43′E、36°42′-37°06′N。屬溫涼型大陸性氣候，年均氣溫3.8℃，年降水量470 mm，年蒸發(fā)量1 090 mm，年日照時(shí)數(shù)2 593.4 h，無(wú)霜期150 d。地貌類型為多年凍土山地地貌，祁連圓柏分布于海拔2 600～3 200 m、坡度25°以上的陽(yáng)坡山地碳酸鹽褐色針葉林土上。祁連圓柏多形成單層純林，胸高年齡為150～240 a，林分郁閉度0.4～0.5，胸徑14～24 cm，林分高8～17 m；門源回族自治縣地處青藏高原東北隅祁連山東段、青海省東北部，地理位置100°55′40″-102°38′26″E、37°03′10″-38°02′56″N。該縣屬高原大陸性氣候，寒冷干燥。年均氣溫0.8℃，年均降水量518 mm，年蒸發(fā)量100 mm，年日照時(shí)2 264.8～2 739.8 h。祁連圓柏分布于海拔2 600～4 300 m的陽(yáng)坡、半陽(yáng)坡，多形成大面積稀疏純林。林分胸高年齡為60～130 a，林分郁閉度0.2～0.5，胸徑2.3～32.4 cm，林分高2.4～11 m。

1.2 樣品采集

2018年8月3日-9月5日，經(jīng)現(xiàn)地踏查，選擇林相整齊、林木個(gè)體分布均勻，無(wú)采伐和放牧影響的林分為試驗(yàn)林分。設(shè)立面積為30 m×20 m的林分調(diào)查樣地共33個(gè)，記錄海拔、坡度、坡向、坡位等地形因子，并開展每木調(diào)查工作，記錄樹高、胸徑等生長(zhǎng)因子。然后按4 cm一個(gè)徑階，對(duì)樣地內(nèi)的林木進(jìn)行分級(jí)，每徑階選平均標(biāo)準(zhǔn)木1株進(jìn)行全株收獲，對(duì)不同器官(根、干、枝、葉)進(jìn)行編號(hào)、保存，帶回室內(nèi)進(jìn)行處理、分析，共獲得祁連圓柏全株樣品63株。

1.3 樣品處理

將采集的祁連圓柏不同器官的樣品置于烘箱內(nèi)，在85℃下烘至恒重[22]，然后把樣品稱重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用祁連圓柏50株樣品的胸徑、樹高與其各器官生物量進(jìn)行回歸模擬，用13株樣品的數(shù)據(jù)對(duì)模型精度進(jìn)行檢驗(yàn)，采用模型修正判斷系數(shù)R2來(lái)評(píng)價(jià)回歸方程的優(yōu)劣,篩選出擬合度最好、相關(guān)性最密切的數(shù)學(xué)模型建立它們之間的相關(guān)方程,并通過(guò)殘差分析[22]來(lái)驗(yàn)證方程的準(zhǔn)確性和適用性。

殘差分析中的指標(biāo)均方根(root mean squareerror,RMSE)、模型有效性(modeling efficiency,ME)和殘差系數(shù)((coefficient of residual mass,CRM)[22]按下式進(jìn)行計(jì)算。

(1)

模型模擬及精度檢驗(yàn)通過(guò)SPSS20.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣木實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的取值區(qū)間

通過(guò)對(duì)獲得的祁連圓柏63株樣木數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，其樹高、胸徑、樹干生物量、葉生物量，枝條生物量、根生物量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)范圍見(jiàn)表1。

表1 樣品實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的范圍Table 1 Range of measured values from collected samples

2.2 祁連圓柏不同器官生物量模型

表2 祁連圓柏器官生物量與生長(zhǎng)指標(biāo)間的關(guān)系Table 2 Relationship among organ biomass,height (H) and DBH (D) of Sabina przewalskii

2.3 祁連圓柏不同器官生物量模型精度檢驗(yàn)

殘差分析表明，祁連圓柏根生物量模型的RSME和ME分別為最小和最大(表3)，表明模型估計(jì)精度最高，CRM為-0.01，表明模型模擬值較實(shí)測(cè)值偏高；樹干和枝生物量模型的RSME和ME分別為較小和較大，表明模型估計(jì)精度較高，其CRM分別為0.05和-0.66，與實(shí)測(cè)值相比，模型低估了樹干生物量，高估了枝生物量；葉生物量模型的RSME和ME分別為0.69和0.80，表明模型估計(jì)精度可靠，其CRM為0.15，表明模型模擬值較實(shí)測(cè)值偏低。

表3 模型檢驗(yàn)Table 3 Models tested

3 結(jié)論與討論

基于祁連圓柏樣木全株數(shù)據(jù)，在一定生長(zhǎng)指標(biāo)和器官生物量范圍內(nèi)，建立的器官生物量和樹高、胸徑的回歸模型，具有較高精度，且模型中的變量數(shù)據(jù)較易獲取，便于直接應(yīng)用。

董利虎等[2]基于林分長(zhǎng)期固定樣地的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了大興安嶺東部主要林分類型的喬木層生物量模型，可較好地估算林木總生物量、地上生物量和樹干生物量，但林木枝、葉生物量估算精度較差。李巍等[7]和郭金堂等[9]分別建立了興安落葉松和華北落葉松生物量與林木胸徑的生長(zhǎng)模型，具有觀測(cè)指標(biāo)易獲取、應(yīng)用方便等特點(diǎn)，但林木器官的生物量除受胸徑影響外，還與樹高有關(guān)。N.M.Datsenkoetal[23]采用特征分析方法，基于樹木的年輪寬度和最大晚材密度記錄，建立了高海拔地區(qū)祁連圓柏、歐洲常綠松類及落葉松的通用生長(zhǎng)模型，較好地反映了樹種的生長(zhǎng)過(guò)程，但無(wú)法量化單木生物量。X.Tianetal[24]基于遙感數(shù)據(jù)，模擬了祁連山青海云杉林地上部分生物量動(dòng)態(tài)，但因驗(yàn)證樣地設(shè)置和觀測(cè)指標(biāo)較復(fù)雜，難以在祁連圓柏林生物量估算中直接應(yīng)用。本研究在分析祁連圓柏樹高、胸徑與器官生物量相關(guān)性的基礎(chǔ)上，建立了祁連圓柏器官生物量與生長(zhǎng)指標(biāo)的估算模型，估算結(jié)果更可靠。但因影響祁連圓柏不同器官生物量的生長(zhǎng)指標(biāo)(樹高、胸徑)并非完全相同，無(wú)法根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)建立全株生物量與生長(zhǎng)指標(biāo)的回歸模型。同時(shí)，本次采樣中未對(duì)樣木按齡組分級(jí)，樣木中包含了祁連圓柏更新幼樹，加之該樹種在較大樹齡時(shí)樹皮易脫落，采樣中未涉及樹皮。為進(jìn)一步提高模型的估計(jì)精度，在今后研究中應(yīng)關(guān)注樣木的胸高年齡與樹皮。