武文昊

(遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃監(jiān)測院,遼寧 沈陽 110122)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在維護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)全球碳平衡、減緩大氣中溫室氣體濃度上升和維護(hù)全球氣候系統(tǒng)等方面具有不可替代的作用[1-2]。森林生物量是森林生態(tài)系統(tǒng)最基本的特征數(shù)據(jù)，是研究森林生態(tài)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)[3-4],對于深入研究森林生態(tài)系統(tǒng)生物地球化學(xué)循環(huán)、水文學(xué)過程、碳循環(huán)和碳管理以及評估系統(tǒng)生產(chǎn)力與環(huán)境的相互關(guān)系等都具有重要的科學(xué)價值[5-6]?；谏仲Y源資料獲得的傳統(tǒng)方法在森林生物量及其動態(tài)的評估中占據(jù)重要位置，隨著研究的深入，許多學(xué)者探討了森林生物量估算方法，主要有基于林分變量的林分生物量模型、基于生物量換算系數(shù)的林分生物量模型和固定生物量換算系數(shù)法[7-11]，已有研究表明林分生物量與一些較易獲得的林分因子(林分平均胸徑、平均樹高、林齡、斷面積等)有密切關(guān)系[9-10]，因此，建立適用的林分生物量模型能較好地解決傳統(tǒng)生物量費時費力、效率低的弊端。本研究整理收集了遼寧省油松林分生物量數(shù)據(jù)，分析了不同林齡油松各分量生物量的分配規(guī)律，并建立了適用于遼寧省油松的生物量模型。

1 研究方法

本研究通過收集整理的遼寧省油松生物量數(shù)據(jù)，共194條樣本數(shù)據(jù)，每條數(shù)據(jù)包括林分特征(林分起源、林齡、平均胸徑、平均樹高、林分密度)、林分生物量(樹干生物量、樹枝生物量、樹葉生物量、樹根生物量)，將數(shù)據(jù)隨機(jī)分成建模擬合數(shù)據(jù)和檢驗數(shù)據(jù)，其中建模數(shù)據(jù)144條，檢驗數(shù)據(jù)50條，對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計，見表1。

按照林齡分別統(tǒng)計各林齡階段林分總生物量、樹干生物量、樹枝生物量、樹葉生物量以及樹根生物量，并計算不同林齡的油松各分量生物量。

董利虎等[12]研究發(fā)現(xiàn)，林分?jǐn)嗝娣e、林分平均高和林齡是預(yù)測林分樹根、樹干的最好變量，林分?jǐn)嗝娣e和林分平均高是預(yù)測林分樹枝、樹葉最好的變量，本研究參考其構(gòu)建的林分生物量模型進(jìn)行擬合。模型具體形式如下：

式中：Wi為第i項分項(樹干、樹枝、樹葉、樹根、林分整體)的生物量(t·hm-2)，G、H、T分別為林分胸高斷面積(m2·hm-2)、林分平均樹高(m)和林齡(a)；a、b、c、d分別為模型參數(shù)。數(shù)據(jù)分析以R軟件的nls模塊實現(xiàn)[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡的油松各分項生物量分配

通過對不同林齡的林分各分項的生物量分配進(jìn)行分析，結(jié)果見圖1。

表1 建模數(shù)據(jù)和檢驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息

圖1 不同齡組油松各器官的生物量變化

從圖1可見，樹干生物量的占比在幼齡林階段為38.56%～64.46%，平均占比48.82%；中齡林占比39.46%～64.84%，平均占比53.65%；近熟林占比59.88%～65.05%，平均占比64.32%；成熟林占比64.89%～65.05%，平均占比為64.98%。隨著林齡的增長，樹干生物量的平均占比在不斷提高，占比分布區(qū)間在不斷縮小，占比標(biāo)準(zhǔn)差在不斷減小。

樹枝生物量在幼齡林占比9.73%～21.59%，標(biāo)準(zhǔn)差0.046，平均占比18.02%；中齡林占比9.90%～21.47%，平均占比17.13%；近熟林占比11.95%～16.59%，平均占比12.90%；成熟林占比12.04%～12.86%，標(biāo)準(zhǔn)差0.003，平均占比12.49%。隨著林齡的增加，樹枝生物量的平均占比在不斷減小，占比分布范圍在不斷縮小，占比標(biāo)準(zhǔn)差在不斷減小。

樹葉生物量在幼齡林占比3.79%～19.08%，標(biāo)準(zhǔn)差0.035，平均占比9.64%；中齡林占比3.94%～14.04%，平均占比9.23%；近熟林占比4.32%～9.95%，標(biāo)準(zhǔn)差0.019，平均占比5.18%；成熟林占比范圍進(jìn)一步縮小到4.34%～4.52%，標(biāo)準(zhǔn)差0.001，平均占比4.44%。隨著林齡的增加，樹葉生物量的平均占比在不斷減小，占比分布范圍在不斷縮小集中。

樹根生物量在幼齡林占比17.46%～28.21%，標(biāo)準(zhǔn)差0.024，平均占比23.52%；中齡林占比12.62%～27.42%，平均占比19.98%；近熟林占比范圍縮小到12.86%～18.86%，平均占比17.60%；成熟林占比范圍進(jìn)一步縮小到17.57%～18.73%，標(biāo)準(zhǔn)差0.004，平均占比18.09%。隨著林齡的增加，樹根生物量平均占比在不斷減小，占比分布范圍在不斷縮小集中。

在各生長階段，樹干生物量的占比最大，樹葉生物量的占比最小，各分項所占比例排序為樹干>樹根>樹枝>樹葉，隨著林齡的增加，樹干生物量占比呈現(xiàn)持續(xù)增加趨勢，而樹枝、樹葉、樹根生物量占比都呈現(xiàn)不同程度的降低。

2.2 林分生物量模型擬合與檢驗

通過以林齡、胸高斷面積和林分平均樹高為自變量，林分總生物量、樹干生物量、樹枝生物量、樹葉生物量和樹根生物量為因變量，以模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果見表2。

表2 模型參數(shù)及評價指標(biāo)

從表2可見，以林分胸高斷面積、平均樹高和林齡構(gòu)建的模型對林分總生物量、樹干生物量、樹枝生物量、樹葉生物量和樹根生物量的擬合效果都比較理想，模型誤差都接近0，adj-R2都大于0.84。

為了進(jìn)一步驗證模型的預(yù)測能力，以平均誤差、平均絕對誤差和均方根誤差3個指標(biāo)對模型進(jìn)行檢驗，檢驗結(jié)果見表3。

表3 模型檢驗指標(biāo)

從表3可見，不管是預(yù)測總生物量還是擬合各分量的生物量，模型的預(yù)測能力都較高，平均誤差在-5.49E-09～-1.12E-07，平均絕對誤差在0.68～3.98，均方根誤差在0.98～5.18，模型能夠很好地預(yù)測遼寧省油松生物量。

3 結(jié)論與討論

對不同林齡的油松林分各分項生物量分配進(jìn)行分析，隨著林齡的增長，樹干生物量所占比例呈現(xiàn)增加趨勢，樹枝、樹葉和樹根生物量的占比都呈不同程度的降低。在各生長階段，各分項所占平均比例排序都是樹干>樹根>樹枝>樹葉。隨著林齡的增加，各分項生物量的所占比例區(qū)間在不斷縮小，這說明到了一定生長階段，各分項生物量占比趨于固定，本文研究在成熟林階段已基本形成固定比例。由于缺乏過熟林?jǐn)?shù)據(jù)，在以后還需要深入研究。

隨著林齡的增加，林分總生物量及各分項生物量都呈現(xiàn)不斷增加趨勢，以林分胸高斷面積、平均樹高和林齡的模型對林分總生物量、樹干生物量、樹枝生物量、樹葉生物量和樹根生物量進(jìn)行擬合和檢驗，模型具有良好的擬合效果，這將對當(dāng)?shù)亻_展油松林分生物量普查有重要指導(dǎo)和參考意義。