青海省祁連圓柏天然林單木生物量模型構(gòu)建

陳志林,李國興,侯曉巍,李智華,郝家田,譚智淵,向安民,2*

(1.國家林業(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指標(biāo)間的回歸模型，已成為森林生物量估算的趨勢[6-9]。我國森林生態(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以上干旱的陽坡與半陽坡[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圓柏徑向生長的影響[18-19]、林線對(duì)樹木生長的影響[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和門源回族自治縣珠固鄉(xiāng)的天然林中。互助土族自治縣北山林場位于該縣東北部，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的陽坡、半陽坡，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,并通過殘差分析[22]來驗(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SPSS20.0軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣木實(shí)測數(shù)據(jù)的取值區(qū)間

通過對(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)測數(shù)據(jù)范圍見表1。

表1 樣品實(shí)測數(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]基于林分長期固定樣地的監(jiān)測數(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模型，具有觀測指標(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模型，較好地反映了樹種的生長過程，但無法量化單木生物量。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指標(biāo)(樹高、胸徑)并非完全相同，無法根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)建立全株生物量與生長指標(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。