湖南省馬尾松林生物總量的空間分布與動態變化

徐 曉 ，楊 丹

湖南省馬尾松林生物總量的空間分布與動態變化

徐 曉1，楊 丹2

(1.湖南省農林工業勘察設計研究總院, 湖南 長沙 410007；2.中南林業科技大學 生命科學與技術學院，湖南長沙 410004)

根據湖南省2006～2011年森林資源統計年報數據，分別采用相對生長方程和材積源法，估算湖南省馬尾松林生物總量、各地市（州）的分布及動態變化。結果表明：相對生長方程估算的湖南省2006年的馬尾松林的生物總量為66.87×106t，2011年為71.18×106t，上升了4.31×106t；材積源法估算的全省馬尾松林生物總量由2006年45.15×106t下降到2011年39.12×106t，相對生長方程估算的平均值50.98 t?hm-2比材積源法的33.36 t?hm-2高。2006～2011年間，全省幼齡林和中齡林的生物總量呈下降趨勢，近熟林、成熟林和過熟林的生物總量呈上升趨勢，西南部和南部馬尾松林生物總量較高，北部和東部較小。14個地市（州）中，懷化市馬尾松林的生物總量最高，2011年達7.86×106t；衡陽市最小，2011年僅 0.92×106t。2011年湖南省馬尾松林平均單位面積的生物量為31.61 t?hm-2，與2006年相比，下降了0.23 t?hm-2，低于我國森林生物量平均值（86.3 t?hm-2）。如何通過合理經營、調整馬尾松的林分和林齡結構提高林分生物量是林業生產中需要解決的問題。

森林生物量；材積源法；相對生長法；馬尾松林；湖南省

森林生態系統是陸地生態系統的主體，其面積（4.10×109hm2）約占地球陸地面積的1/3，生物量約占整個陸地生態系統的90%[1]，生產量約占陸地生態系統的70%，在調節碳平衡、減緩大氣中CO2濃度上升及維護全球氣候等方面具有不可替代的作用[2-3]。森林生物量是研究森林生態系統結構和功能的基本數據[4]。準確估算森林生物量是估算碳貯量的基礎，在全球氣候變化背景下，森林生物量估算已成為全球和區域碳平衡研究的重要內容。

隨著國際氣候變化框架協議的實施，迫切需要對我國各森林樹種的生物量進行科學的估算[5]。我國森林資源清查數據由于時間連續性強、覆蓋范圍廣、數據資料完整，利用這些資料數據估算各類森林生物量、碳貯量及時空變化得到了廣泛應用[6]，在國家或區域尺度上評估森林資源碳吸存生態功能發揮重要作用。李文華[7]在國內最先提出用森林資源清查資料估算區域森林生物量，趙敏[6]、方精云[8]等基于森林資源清查資料估算了我國森林碳貯量。但是，由于數據來源的復雜性導致區域、國家、全球尺度上對碳循環研究有很大不確定性[9]，有必要從不同途徑和方法來估算森林植被的碳貯量以及動態，比較其差異及變動范圍，從而提高估算的精度和可靠性。

馬尾松Pinus massoniana喜光喜溫，適合于年均溫13～22℃、年降水量800～1 800 mm和最低溫度大于-10℃的氣候條件，其根系發達、主根明顯，有根菌，喜微酸性土壤，在石礫土、沙質土、粘土、山脊和陽坡的沖刷薄地及陡峭石山巖縫里均能生長，是我國南方植被恢復早期及人工造林的主要樹種。根據2009年我國森林資源清查數據，馬尾松林的面積為1.20×109hm2，森林蓄積量為5.88×1010m3，是我國森林生態系統的重要組成部分，在木材生產、森林固碳、保持水土等方面占有重要地位[10]。然而，馬尾松林生物量及碳貯量估算同樣存在數據來源和估測方法不同導致估算結果不確定性較大的問題[11-13]。湖南省地處亞熱帶，森林植被類型豐富，為馬尾松主要產區之一，但馬尾松林生物量的動態變化、各地區之間分布的研究較少。本研究根據森林資源數據，采用不同方法分析了湖南省馬尾松林的生物量，為評價湖南省森林資源生態服務功能提供科學依據。

1 研究區概況

湖南省位于長江中游、洞庭湖南岸, 地處云貴高原向江南丘陵和南嶺山脈向江漢平原過渡的地帶，東經 108°47′～ 114°15′，北緯 24°38′～ 30°08′間。全省土地總面積 21.18×104km2，境內地貌多樣，以山地、丘陵為主，山地占51%，丘陵占29%，素有“七山一水二分田”之稱。湖南省屬中亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫為16～18℃，日照時數1 300～1 800 h，降水量1 200～1 700 mm，山區高達2 000 mm以上，無霜期長達260～310 d。土壤類型多樣，包括紅壤、山地黃紅壤、山地黃壤、山地黃棕壤、山地草甸土5個主要類型。水熱條件優越，自然資源豐富，為全省林業生產的發展創造了有利條件，全省林業用地面積為12 477 122.2 hm2，有林地面積為10 029 145.8 hm2，活立木總蓄積量為338 635 938 m3，森林覆蓋率達54.32%。

2 數據來源和方法

2.1 基礎數據來源

本研究的數據來源于湖南省林業廳2006～2011年森林資源數據和2009年馬尾松固定樣地數據。森林資源數據記錄了全省和各地市（州）馬尾松及其各齡級的面積、蓄積量，2006～2011年湖南省及各地市（州）的馬尾松林分的面積和蓄積數據見表1。湖南省馬尾松林分固定調查樣地共371塊，記錄了馬尾松林的林分年齡、平均胸徑、樹高和林分密度等數據。

2.2 相對生長方程估算方法

該方法主要根據371塊馬尾松固定樣地的林分年齡、平均胸徑、樹高和林分密度數據，用Xiang et al.建立下述馬尾松通用相對生長方程[14]，計算樣地平均木的生物量。

式中：B、D、H分別為馬尾松樣地的林分平均木生物量（kg）、胸徑（cm）和樹高（m）。

根據371塊馬尾松林樣地的林分密度N（株?hm-2），用公式（2）計算各樣地的生物量W（t?hm-2）：

由于各樣地記錄了林分年齡，可作出不同林齡馬尾松生物量變化圖。根據馬尾松林的齡級劃分標準，計算各齡級馬尾松林的單位面積平均生物量（Wi，t?hm-2）：

表1 湖南省2006～2011年馬尾松林的面積和蓄積數據Table 1 Total area and volume of P. massioniana forests in Hunan Province from 2006 to 2011

式中：n、Wij（t?hm-2）分別為某一齡級的樣地總數和生物量。

然后用湖南省森林資源數據中各齡級馬尾松林的面積，計算2006～2009年全省及各地（市、州）馬尾松林的生物量。

2.3 材積源法

該方法也叫材積源生物量法，即用林分生物量與材積之間的轉換關系計算森林生物量。本研究根據焦秀梅等[15]建立的馬尾松林分蓄積與生物量關系式，根據2006～2009年森林資源數據，用公式（4）計算全省及各地（市、州）馬尾松林生物總量Wv（t）：

式中：V為森林資源數據中各齡級馬尾松林蓄積量（m3）；A為各齡級的面積（hm2）。

3 結果與分析

3.1 不同年齡和齡級馬尾松林分生物量

根據2009年馬尾松的樣地數據，相對生長方程計算出不同年齡馬尾松林的生物量見圖1。從圖1可看出，馬尾松林分生物量隨林齡增加而增大，但同一林齡的林分生物量差異較大，特別是林齡大的林分，這可能與不同的立地條件和經營活動有關。根據馬尾松齡級和齡組的劃分標準，計算出馬尾松林各齡組的平均林分生物量，馬尾松林的林分隨著齡組的增大而增大，從幼齡林的5.37 t?hm-2增加到熟林的 336.57 t?hm-2（見表 2）。

圖1 馬尾松林生物量隨林齡變化Fig. 1 Changes of Pinus massoniana forests biomass with stand age

將材積源法計算的各齡組馬尾松林生物總量除以對應的面積，計算出馬尾松林各齡組單位面積林分生物量（見表2）。與相對生長方程估算的結果相比，除幼齡林結果高于相對生長法計算的結果，其他各齡組則都低于相對生長法計算的結果（見表2）。

湖南省馬尾松林的林分平均生物量為31.61t?hm-2，低于中國森林植被的平均生物量 (86.3 t?hm-2)[16]，表明湖南省馬尾松林生物量較低，可能與成熟林和過熟林占的比重較小和經營管理水平不高有關。

表2 2種方法估算馬尾松林不同齡級的平均林分生物量Table 2 Average stand biomass estimated by allometric equation and volume conversion function for P. massoniana forests of different age-class groups

3.2 相對生長法估算的湖南省馬尾松生物總量分布與動態變化

表3列出了用相對生長方程估算的2006年和2011年間湖南省及各地市（州）馬尾松林生物總量。2006年全省馬尾松林的生物總量為66.87×106t，2011年為 71.18×106t，上升了 4.31×106t。馬尾松林生物總量上升的主要原因是近熟林和成熟林的面積呈增加趨勢，2006～2011年湖南省馬尾松林的近熟林面積由379 085.2 hm2增加到469 459.2 hm2，成熟林的面積由127 438.2 hm2增加到152 027 hm2。不同齡級馬尾松林生物量不同，從幼齡林到中齡林、近熟林的生物總量增長較快，到成熟林、過熟林階段增長十分緩慢，原因是成熟林面積所占比例有所下降。

表3 相對生長法估算的湖南省及各地市（州）馬尾松林生物總量Table 3 Total biomass estimated by allometric equation for P. massioniana forests of different age-class groups in 14 cities at prefecture level in Hunan province 106 t

2006年近熟林的生物總量最大，幼齡林的生物總量最低，到2011年近熟林的生物總量最大，幼齡林的生物總量最低。僅6 a間，幼齡林、中齡林的生物總量呈下降趨勢，分別下降了0.65%和14.39%，近熟林、成熟林、過熟林的生物總量整體呈上升趨勢，占全省馬尾松林生物量的百分比上升趨勢明顯，分別上升了6.33%、3.92%和4.80%。因為隨著時間的推移，幼齡林、中齡林的面積逐年下降，而近熟林、成熟林、過熟林的面積呈逐年上升趨勢。

3.3 材積源法估算的湖南省馬尾松林生物總量分布與動態變化

材積源法計算的2006年和2011年湖南省馬尾松林生物總量見表4。2006年全省馬尾松林的生物總量為 45.15×106t，2011年為 39.12×106t，下降了6.03×106t。各地市（州）由于馬尾松林面積存在較大的差異，其馬尾松林生物總量差異較為明顯，在0.92×106～7.86×106t之間變化。2006年各地市（州）馬尾松林生物總量在0.82×106～9.23×106t 之間變化，邵陽市的最大，為9.23×106t；益陽市最低，為0.82×106t。2011 年各地市（州）馬尾松林生物總量在0.92×106～7.86×106t 之間變化，懷化市的最大，為7.86×106t；衡陽市最低，為 0.92×106t。

表4 材積源法估算的湖南省及各地市（州）馬尾松林生物總量Table 4 Total biomass estimated by volume conversion function for P. massioniana forests in 14 cities at prefecture level in Hunan province

全省馬尾松林生物總量表現出南高( 生物量密度以高于全省平均生物量的市為主) 北低( 生物量密度以低于全省平均生物量的市為主)，從西到東未呈明顯變化規律。就全球陸地生態系統而言，地上植被生物量和碳貯量隨緯度的降低而增加[17]。周玉榮等[18]對我國主要森林生態系統的碳貯量和碳平衡通量進行估算后得出，我國主要森林生態系統植被的平均碳密度隨緯度的增加而減小。本研究結果與以上報道表現出相似的變化規律。

3.4 2種估算方法計算湖南省馬尾松林生物總量比較

圖2給出了2種方法估算的各齡組馬尾松林生物總量，各齡級馬尾松生物總量存在一定的差異，中齡林估算的生物量比較接近，幼齡林沒有差別，近熟林和過熟林用相對生長法估算生物量高于材積源法估算的結果，可能與相對生長方法利用的調查樣地均為保護較好林分，近熟林、過熟林分蓄積量達到了實際估測的成熟林水平，導致林分被低估。

圖2 2種方法估算湖南省各齡級馬尾松林生物量比較Fig. 2 Comparison of total biomass estimated by allometric equation and volume conversion function for P.massioniana forests of different age-class group in Hunan province

從2006 年到2011年，全省馬尾松林的生物總量變化趨勢是先下降再上升。2種方法的比較結果如圖3所示。表明全省的馬尾松林的生物總量變化趨勢較一致，均是先下降再上升，這與全省的馬尾松林的面積變化一致。

4 結 論

（1）相對生長法估算2011年湖南省馬尾松林生物總量為71.18×106t。不同齡組馬尾松林生物量不同，從幼齡林到中齡林、近熟林的碳貯量增長較快，到成熟林、過熟林階段增長十分緩慢，這一變化趨勢與不同齡組單位面積生物量、各齡組的面積總量有關。

圖3 2種不同方法估算湖南省馬尾松林生物總量的變化趨勢Fig. 3 Total biomass changes of P. massioniana forests in Hunan province during period from 2006 to 2011

（2）材積源法估算2011年湖南省馬尾松林生物總量為39.12×106t。各地市（州）由于馬尾松林面積存在較大的差異，其馬尾松林生物總量差異較為明顯，在0.92×106～7.86×106t之間變化。2006年各地市（州）馬尾松林生物總量在0.82×106～9.23×106t 之間變化，邵陽市的最大，為9.23×106t；益陽市最低，為0.82×106t。2011 年各地市（州）馬尾松林生物總量在0.92×106～7.86×106t 之間變化，懷化市的最大，為7.86×106t；衡陽市最低，為 0.92×106t。

（3）2種方法估算全省馬尾松林生物總量、各齡組馬尾松林生物總量存在一定的差異，中齡林估算的生物量比較接近，幼齡林沒有差別，近熟林和過熟林用相對生長法估算生物量高于材積源法估算的結果，可能與相對生長方法利用的調查樣地均為保護較好林分，近熟林、過熟林分蓄積量達到了實際估測的成熟林水平，導致林分被低估。相對生長方程估算森林生物量需要結合森林資源清查的樣地數據，材積源法可用于森林資源清查的年度報告中面積和蓄積數據，但在省級尺度上估算森林生物量采用什么方法需要根據數據和估算精度來確定。

（4）2006～2011年間湖南省馬尾松林生物總量呈先下降再上升，這與全省的馬尾松林的面積變化一致。湖南省馬尾松林的林分平均生物量為31.61t?hm-2，低于中國森林植被的平均生物量(86.3 t?hm-2)[15]，表明湖南省馬尾松林生物量較低，可能與成熟林和過熟林占的比重較小和經營管理水平不高有關。如何通過合理經營、調整馬尾松的林分和林齡結構提高林分生物量是林業生產中需要解決的問題。

[1] Dixon R K, Brown S, Houghton T A, et al. Carbon pools and flux of global forest ecosystems [J]. Science, 1994, 263: 185-190.

[2] Brown S, Sathaye J, Canell M, et al. Mitigation of carbon emission to the atmosphere by forest Management [J].Commonwealth Forestry Review, 1996, 75: 80-91.

[3] Brown S, Lugo A E. The storage and production of organic matter in tropical forests and their role in the global carbon cycle [J].Biotropica, 1982, 14: 61-187.

[4] 王新凱. 喀斯特城市森林生物量及其碳吸存功能研究[D]. 長沙:中南林業科技大學, 2011:9.

[5] 劉雯雯,項文化,田大倫,等. 區域尺度杉木生物量通用相對生長方程[J]. 中南林業科技大學學報, 2010, 30(4): 7-14.

[6] 趙 敏,周廣勝. 基于森林資源清查資料的生物量估算模式及其發展趨勢[J]. 應用生態學報, 2004, 8: 1468-1472.

[7] 李文華. 森林生物生產量的概念及其研究的基本途徑[J]. 自然資源, 1978, (1): 71-92.

[8] Fang J Y, Liu G H, Xu S L. Forest biomass of China: an estimation based on the biomass-volume relationship[J].Ecological Applications, 1998, 8: 1084-1091.

[9] 黃湘南,童 潔. 湖南省杉木林植被C貯量動態特征[J]. 中南林業科技大學學報, 2011, 31(12):80-84,123.

[10] 國家林業局.第七次全國森林資源清查取得重大進展[EB/OL].2009-11-19 http://www.gov.cn/gzdt/2009-11/19/ content_1468182. htm.

[11] 羅天祥. 中國主要森林類型生物生產力格局及其數學模型[D].北京:中國科學院, 1996:7-10.

[12] 方精云, 陳安平, 趙淑清,等. 中國森林生物量的估算:對Fang等Science一文(Science, 2001, 291: 2320-2322) 的若干說明[J]. 植物生態學報, 2002, 26(2): 243-249.

[13] 趙 敏. 中國主要森林生態系統碳儲量和碳收支評估[D]. 北京:中國科學院植物研究所, 2004.

[14] Xian Wenhuag, Liu Shaohui, Deng Xiangwen, et al. General allometric equations and biomass allocation of Pinus massoniana trees on a regional scale in southern China[J]. Ecological Research, 2011, 26: 697-711.

[15] 焦秀梅, 項文化, 田大倫. 湖南省森林植被的碳貯量及其地理分布規律[J]. 中南林學院學報, 2005,25(1): 4-8.

[16] 趙 敏,周廣勝. 中國森林生態系統的植物碳貯量及其影響因子分析[J]. 地理科學,2004,24(1): 50-54.

[17] Lal R. Forest soils and carbon sequestration [J]. Forest Ecology and Management, 2005, 220: 242-258.

[18] 周玉榮,于振良,趙士洞. 我國主要森林生態系統碳貯量和碳平衡[J]. 植物生態學報, 2000, 24(5): 518-522.

Spatial distribution and dynamic changes of total biomass quantity of Pinus massoniana forests in Hunan province

XU Xiao1, YANG Dan2
(1. Hunan Provincial Institute of Agriculture, Forestry and Industry Inventory and Planning, Changsha 410007, Hunan, China; 2. School of Life Science and Technology, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

Pinus massoniana forests play an important role in carbon storage and sequestration of regional and national scale because of their large forest area in China. Both general allometric equation and volume conversion function were used to estimate total stand biomass and average stand biomass of P. massoniana forests in Hunan Province, based on the data from forest resource inventory during the period from 2006 to 2011. The results show that total stand biomass of P. massoniana forests in Hunan estimated by allometric equation increased from 66.87×106t in 2006 to 71.18×106t in 2011, but the values estimated by volume conversion function decreased from 45.15×106t?hm-2in 2006 to 39.12×106t?hm-2in 2011. Average total stand biomass estimated by allometric equation was higher than that estimated by volume conversion function. The differences in the values estimated by two methods could be attributed to the increase in area of mature and over-mature stands and the underestimated stand biomass by volume conversion function. Total stand biomass of young and immature age-class forests decreased while those of near-mature, mature, and over-mature age-class forests increased during the period from 2006 to 2011. Spatially, total stand biomass of P. massoniana forests tended to decreased from southwest and south parts to north and east part. Among 14 cities at prefecture level in Hunan province, Huaihua had the largest total forest biomass (7.86×106t?hm-2) of P. massoniana forests in 2011, and Hengyang had the smallest total forest biomass (0.92×106t?hm-2) of P.massoniana forests in 2011. Average stand biomass of P. massoniana forests (31.61 t?hm-2) in Hunan in 2011 was lower than the average stand biomass of the forests (86.3 t?hm-2) in the whole country. To raise stand biomass of P. massoniana forests through forest structure adjustment and appropriate management is of fundamental for the forestry practices in Hunan Province.

forest biomass; volume conversion function; general allometric equation; Pinus massoniana forest; Hunan province

2012-09-22

國家林業局項目“2012年湖南省森林碳匯計量監測體系建設”（2012HN-01）

徐 曉（1966-），男，湖南長沙人，高級工程師，主要從事森林資源調查、規劃與設計工作

S718.55+6；S791.248

A

1673-923X(2012)11-0073-06

[本文編校：謝榮秀]