生態環評中森林植被生物量的估算方法

郝 媛，馬俊杰

(西北大學城市與環境學院，陜西 西安 710127)

環境影響評價技術導則生態影響中的生態現狀調查是生態現狀評價、影響預測的基礎和依據。導則要求調查的內容和指標應能反映評價工作范圍內的生態背景特征的和現存的主要生態問題，其中指出，一級評價應給出采樣地樣方實測、遙感等方法測定的生物量，二級評價的生物量可依據已有資料推斷，或實測一定數量的、具有代表性的樣方予以驗證。關于二級評價中生物量該如何進行估算，環評導則中并沒有給出具體方法。

1 生物量

1.1 生物量的概念

生物量是單位面積上所有生物有機體的干重總量，是生態系統最基本的數量特征，是認識生態系統結構和功能的基礎，它不僅反映了生態系統在特定時間段內積累有機物質的能力，也是描述生態系統特征的重要參數。而綠色植物的生物量是整個生態系統的能量基礎和物質來源，是生態功能系統最重要的特征和本質的標志。其中森林生物量約占全球陸地植被生物量的90%以上［1］，其是森林固碳能力的重要標志，也是評估森林碳收支的重要參數，是研究很多林業問題和生態問題的基礎。

1.2 生物量變化的環境影響

生物量變化的環境影響主要表現在生態金字塔的穩定性、水土流失強度的變化、溫室效應強度的變化和景觀生態協調性幾方面。

生態系統內的初級即第一營養級生物量的增加，必然會導致一級消費者如鳥、兔、鼠、松鼠及野豬等第二營養級生物量和昆蟲生物量的增加，從而導致蛇等第三營養級生物量的增加;一般認為，水土流失強度與森林覆蓋率相關，然而生物量也是一個重要影響因素;生物量變化對溫室效應也有直接影響與間接影響;生物量的變化也會通過影響景觀生態類型，從而影響局部地區的生態協調性［2］。

2 生物量的計算方法分析

生物量的估算方法很多，主要有皆伐實測法、標準木法和回歸估計法［3］和森林蓄積量與生物量的轉換模型四種方法。

2.1 皆伐實測法

皆伐實測法即在林分內選擇適當面積的林地，將該林地內所有喬、灌、草等皆伐，測定所有植物的生物量，它們生物量之和即為皆伐林地生物量，再根據全林分面積和皆伐林地面積值計算出全林分生物量。該方法雖然可以較準確地測定林分生物量，但對生態系統的破壞性大且耗時費力，在環境影響評價工作中應用是不可行的，尤其不適合對喬木生物量的測定，這種方法可以用來檢驗其他測定方法的精度，或者對林分中的灌木、草本等植物生物量的測定更為適合。

2.2 標準木法

標準木法包括平均標準木法和分層標準木法兩種方法。

2.2.1 平均標準木法

平均標準木法是以每木調查結果計算出全部立木的平均胸高直徑為選擇標準木的依據，把最接近于這個平均值的幾株立木作為標準木，伐倒稱重。然后，用標準木生物量的平均值乘以單位面積上的立木株數，或用標準木生物量的總和乘以單位面積上胸高總斷面積與標準木胸高斷面積總和之比，求出單位面積上的林分生物量，進而根據林分面積求出全林分生物量。

2.2.2 分層標準木法

分層標準木法是依據胸徑級或樹高級將林分或標準地林木分成幾個層，然后在各層內選測平均標準木，并伐倒稱重，得到各層的平均生物量測定值，乘以單位面積各層的立木株數，即得到各層生物量，將各層生物量加和起來，即為單位面積林分生物量總值［4］。

標準木法同皆伐實測法具有相同的特點，即對生態系統具有破壞性，但其破壞性較小。標準木法比較適用于林木大小具有較小或中等離散度正態頻率分布的林分，如人工林［5］，是回歸估計法的基礎方法，在實際的環境影響評價工作中也不太適用。

2.3 回歸估計法

林木生物量回歸估計法是以模擬林分內每株樹木各分量(干、枝、葉、皮、根等)干物質重量為基礎的一種估計方法。它是通過樣本觀測值建立樹木各分量干重與樹木其它測樹因子之間的一個或一組數學表達式，該數學表達式也稱林木生物量模型，其旨在用樹木易測因子的調查結果來估計不易測因子。

林木生物量模型的方程很多，概括起來有三種基本類型:線性模型，非線性模型，多項式模型。在這三類模型中，非線性模型應用最為廣泛，其中相對生長模型最具有代表性，是所有模型中應用最為普遍的一類模型，有三種函數形式:

式中:Y 表示生物量，β0，β1…βi表示模型參數，X1，X2，…Xi為植株形態學變量(如胸徑、樹高)，ε表示誤差項。

相對生長模型實質上屬于先破壞性測量有限數量的標準木，然后建立全部或部分生物量與易于獲得的植株形態學變量(如胸徑、樹高等)間的數量關系的一種回歸估計法，因此，在建模過程中需要測定一定數量樣木的生物量作為基礎數據。同時，自變量數目的增多常使生物量的估算更準確，但也會加大野外調查時基本數據獲取的難度，從而影響相對生長模型的實用性，但是相對生長模型一旦建立，在同類的林分中就可以利用森林資源清查數據來估計整個林分生物量，而且具有一定的精度［5］。目前，我國已階段性整理了特定樹種、立地等條件下的經驗相對生長方程［4］，如王仲鋒［6］在甘肅省小隴山黨川林場測量計算得出全株云杉的相對生長公式。對于已經建立好的樹種相對生長方程，在環境影響評價工作中可以利用森林資源清查數據來進行整個林分生物量的估算。

2.4 森林蓄積量與生物量的轉換模型

在相對生長模型的研究與應用中，各分量模型(總量、樹干、樹皮、樹根、樹枝和樹葉)都是獨立進行的，這種建模方式在生物量模型研究中導致一個嚴重的問題，即各分量模型估計值之和不等于總量模型估計值，也就是各分量模型與總量模型不相容［5］。由于相對生長模型理論上存在的疑點是林木各部分與其總和的關系問題，為了解決生物量模型相容性的問題，唐守正等人［7］引入材積自變量解決了以往生物量估算中各分量模型間不相容的問題，實現了生物量模型和材積模型的兼容，而且還結合了我國現行的森林資源清查方法。這種模型被稱為森林蓄積量與生物量的轉換模型，就是根據樹干材積推算全株(包括樹干、枝、葉和根)的生物量，以及根據某一區域同一樹種的總蓄積量推算其生物量。

目前［8，9］，生物量B和蓄(材)積V的關系模型主要有B=aV型、B=V·γ·BEF型和 B=a+bV型，其中 a，b為待求因子，γ為木材密度，BEF為擴展因子。前兩者實質上是一致的。

對生物量與蓄積量關系的認識經歷了2個階段:(1)生物量與蓄積量之比為常數;(2)生物量與蓄積量的連續函數變化［5］。有兩種研究方法:生物量轉換因子法和生物量轉換因子連續函數法。

2.4.1 生物量轉換因子法

生物量轉換因子法是利用林分生物量與木材材積比值的平均值，乘以該森林類型的總蓄積量，得到該類型森林的總生物量的方法［10］。生物量轉換因子法的不足主要反映在生物量轉換因子，例如木材密度和總生物量與地上生物量的轉換系數均取作常數，而實際情況是林分生物量和蓄積量與森林類型、年齡、立地條件和林分密度等諸多因素有關。相關研究表明，生物量轉換因子法估算的生物量較皆伐法高出20% ～40%。

2.4.2 生物量轉換因子連續函數法

生物量轉換因子連續函數法是為克服生物量轉換因子法將生物量與蓄積量比值作為常數的不足而提出的，其將單一不變的平均換算因子改為分齡級的換算因子，以更準確地估算區域的森林生物量［11］。

3 在生態環評中的應用

通過對以上幾種關于生物量的計算方法進行分析可知，皆伐實測法和標準木法對生態系統的破壞較大，故在實際的環境影響評價工作中是不適合的，而回歸估計法中相對生長模型的建立需要做大量的野外調查工作，且目前只有少數的特定樹種建立了此模型，使模型的應用性受到了很大的影響，只有森林蓄積量與生物量的轉換模型在不需破壞森林植被的基礎上，通過模型將森林蓄積量轉換成生物量，有較強的實用性，且對森林植被沒有破壞性，更重要的一點是我國自20世紀70年代開始進行大規模的森林資源清查工作，形成了完善的森林資源一、二、三類調查體系，同時也積累了大量的數據。森林清查資料以獲取森林面積和蓄積為主，蓄積資料包括樹干的材積部分［10］。所以，將森林蓄積量與生物量的轉換模型用在環境影響評價工作的生態環評中來計算生物量是比較易操作的。

本文通過對生態環評中某一項目中涉及到的秦嶺山地某一區域的森林清查資料進行統計分析，見表1，然后用森林蓄積量與生物量的轉換模型對該區域的植被生物量進行估算。

由表1可知，該區域森林的單位面積平均蓄積量中冷杉混交林、樺類混交林和冷杉針葉林最大，分別為107.11 m3/hm2、91.43 m3/hm2、87.33 m3/hm2。其次為華山松混交林76.67 m3/hm2、樺類闊葉林 70.47 m3/hm2、油松混交林68.94 m3/hm2、華山松針葉林 63.57 m3/hm2、硬闊闊葉林 63.45 m3/hm2、油松針葉林 61.46 m3/hm2、櫟類闊葉林 61.22 m3/hm2，單位面積平均蓄積量均在 60～80 m3/hm2之間。單位面積平均蓄積量最小的為軟闊闊葉林、軟闊混交林和硬闊混交林，平均蓄積量分別為 48.46 m3/hm2、39.97 m3/hm2、33.47 m3/hm2。

按照方精云等對《我國森林植被的生物量和凈生產量》一文的計算參數，計算該區域不同森林植被的單位面積生物量，結合其他文獻中灌叢、箭竹和亞高山草甸的實測和計算方法，計算森林之外其他植被的單位面積生物量，最后匯總得出該區域的總生物量，見表2。

由表2可知，評價區總生物量為20.94萬 t，其中闊葉林生物量最大，針闊混交林、針葉林次之，亞高山草甸生物量最小。闊葉林中以樺木林生物量最大，為8.92萬 t，占總生物量的42.61%;針闊混交林中以紅樺松杉針闊混交林生物量最大，為3.69萬噸，占總生物量的17.61%;針葉林中的生物量以人工針葉林為主，為 3.85萬 t，占總生物量的18.37%;亞高山或次生灌叢的生物量為 1.34萬 t，占總生物量的6.40%;箭竹林、亞高山草甸的生物量很小，僅占總生物量的0.39%。

表1 某縣林業資源調查中不同林種和林型的天然林蓄積量 m3/hm2

表2 區域總的生物量

4 結語

由于環境影響評評工作中生物量的測定需要易于操作，這就使得生物量計算方法的選取受到局限。皆伐實測法雖然可以較準確地測定林分生物量，但對生態系統的破壞性大且耗時費力，在關于森林開采項目的環境影響工作中應用是不可行的，尤其不適合對喬木生物量的測定，這種方法可以用來檢驗其他測定方法的精度，或者對林分中的灌木、草本等植物生物量的測定更為適合;標準木法雖同皆伐實測法具有相同的特點，即對生態系統具有破壞性，但其破壞性較小，是回歸估計法的基礎方法，在實際的環境影響評價工作中也不太適用;回歸估計法在建模過程中需要測定一定數量樣木的生物量作為基礎數據，自變量數目的增多常使生物量的估算更準確，但會加大野外調查時基本數據獲取的難度，從而影響相對生長模型的實用性，對于已經建立好的樹種相對生長方程，在環境影響評價工作中可以利用森林資源清查數據來進行整個林分生物量的估算;森林蓄積量與生物量的轉換模型結合了森林資源清查數據，并將森林蓄積量與生物量進行轉換，在有關森林開采項目的環境影響評價工作中用來計算生物量是比較易操作的。