湖南省马尾松林生物总量的空间分布与动态变化

徐 晓 ，杨 丹

湖南省马尾松林生物总量的空间分布与动态变化

徐 晓1，杨 丹2

(1.湖南省农林工业勘察设计研究总院, 湖南 长沙 410007；2.中南林业科技大学 生命科学与技术学院，湖南长沙 410004)

根据湖南省2006～2011年森林资源统计年报数据，分别采用相对生长方程和材积源法，估算湖南省马尾松林生物总量、各地市（州）的分布及动态变化。结果表明：相对生长方程估算的湖南省2006年的马尾松林的生物总量为66.87×106t，2011年为71.18×106t，上升了4.31×106t；材积源法估算的全省马尾松林生物总量由2006年45.15×106t下降到2011年39.12×106t，相对生长方程估算的平均值50.98 t•hm-2比材积源法的33.36 t•hm-2高。2006～2011年间，全省幼龄林和中龄林的生物总量呈下降趋势，近熟林、成熟林和过熟林的生物总量呈上升趋势，西南部和南部马尾松林生物总量较高，北部和东部较小。14个地市（州）中，怀化市马尾松林的生物总量最高，2011年达7.86×106t；衡阳市最小，2011年仅 0.92×106t。2011年湖南省马尾松林平均单位面积的生物量为31.61 t•hm-2，与2006年相比，下降了0.23 t•hm-2，低于我国森林生物量平均值（86.3 t•hm-2）。如何通过合理经营、调整马尾松的林分和林龄结构提高林分生物量是林业生产中需要解决的问题。

森林生物量；材积源法；相对生长法；马尾松林；湖南省

森林生态系统是陆地生态系统的主体，其面积（4.10×109hm2）约占地球陆地面积的1/3，生物量约占整个陆地生态系统的90%[1]，生产量约占陆地生态系统的70%，在调节碳平衡、减缓大气中CO2浓度上升及维护全球气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态系统结构和功能的基本数据[4]。准确估算森林生物量是估算碳贮量的基础，在全球气候变化背景下，森林生物量估算已成为全球和区域碳平衡研究的重要内容。

随着国际气候变化框架协议的实施，迫切需要对我国各森林树种的生物量进行科学的估算[5]。我国森林资源清查数据由于时间连续性强、覆盖范围广、数据资料完整，利用这些资料数据估算各类森林生物量、碳贮量及时空变化得到了广泛应用[6]，在国家或区域尺度上评估森林资源碳吸存生态功能发挥重要作用。李文华[7]在国内最先提出用森林资源清查资料估算区域森林生物量，赵敏[6]、方精云[8]等基于森林资源清查资料估算了我国森林碳贮量。但是，由于数据来源的复杂性导致区域、国家、全球尺度上对碳循环研究有很大不确定性[9]，有必要从不同途径和方法来估算森林植被的碳贮量以及动态，比较其差异及变动范围，从而提高估算的精度和可靠性。

马尾松Pinus massoniana喜光喜温，适合于年均温13～22℃、年降水量800～1 800 mm和最低温度大于-10℃的气候条件，其根系发达、主根明显，有根菌，喜微酸性土壤，在石砾土、沙质土、粘土、山脊和阳坡的冲刷薄地及陡峭石山岩缝里均能生长，是我国南方植被恢复早期及人工造林的主要树种。根据2009年我国森林资源清查数据，马尾松林的面积为1.20×109hm2，森林蓄积量为5.88×1010m3，是我国森林生态系统的重要组成部分，在木材生产、森林固碳、保持水土等方面占有重要地位[10]。然而，马尾松林生物量及碳贮量估算同样存在数据来源和估测方法不同导致估算结果不确定性较大的问题[11-13]。湖南省地处亚热带，森林植被类型丰富，为马尾松主要产区之一，但马尾松林生物量的动态变化、各地区之间分布的研究较少。本研究根据森林资源数据，采用不同方法分析了湖南省马尾松林的生物量，为评价湖南省森林资源生态服务功能提供科学依据。

1 研究区概况

湖南省位于长江中游、洞庭湖南岸, 地处云贵高原向江南丘陵和南岭山脉向江汉平原过渡的地带，东经 108°47′～ 114°15′，北纬 24°38′～ 30°08′间。全省土地总面积 21.18×104km2，境内地貌多样，以山地、丘陵为主，山地占51%，丘陵占29%，素有“七山一水二分田”之称。湖南省属中亚热带季风湿润气候，年平均气温为16～18℃，日照时数1 300～1 800 h，降水量1 200～1 700 mm，山区高达2 000 mm以上，无霜期长达260～310 d。土壤类型多样，包括红壤、山地黄红壤、山地黄壤、山地黄棕壤、山地草甸土5个主要类型。水热条件优越，自然资源丰富，为全省林业生产的发展创造了有利条件，全省林业用地面积为12 477 122.2 hm2，有林地面积为10 029 145.8 hm2，活立木总蓄积量为338 635 938 m3，森林覆盖率达54.32%。

2 数据来源和方法

2.1 基础数据来源

本研究的数据来源于湖南省林业厅2006～2011年森林资源数据和2009年马尾松固定样地数据。森林资源数据记录了全省和各地市（州）马尾松及其各龄级的面积、蓄积量，2006～2011年湖南省及各地市（州）的马尾松林分的面积和蓄积数据见表1。湖南省马尾松林分固定调查样地共371块，记录了马尾松林的林分年龄、平均胸径、树高和林分密度等数据。

2.2 相对生长方程估算方法

该方法主要根据371块马尾松固定样地的林分年龄、平均胸径、树高和林分密度数据，用Xiang et al.建立下述马尾松通用相对生长方程[14]，计算样地平均木的生物量。

式中：B、D、H分别为马尾松样地的林分平均木生物量（kg）、胸径（cm）和树高（m）。

根据371块马尾松林样地的林分密度N（株•hm-2），用公式（2）计算各样地的生物量W（t•hm-2）：

由于各样地记录了林分年龄，可作出不同林龄马尾松生物量变化图。根据马尾松林的龄级划分标准，计算各龄级马尾松林的单位面积平均生物量（Wi，t•hm-2）：

表1 湖南省2006～2011年马尾松林的面积和蓄积数据Table 1 Total area and volume of P. massioniana forests in Hunan Province from 2006 to 2011

式中：n、Wij（t•hm-2）分别为某一龄级的样地总数和生物量。

然后用湖南省森林资源数据中各龄级马尾松林的面积，计算2006～2009年全省及各地（市、州）马尾松林的生物量。

2.3 材积源法

该方法也叫材积源生物量法，即用林分生物量与材积之间的转换关系计算森林生物量。本研究根据焦秀梅等[15]建立的马尾松林分蓄积与生物量关系式，根据2006～2009年森林资源数据，用公式（4）计算全省及各地（市、州）马尾松林生物总量Wv（t）：

式中：V为森林资源数据中各龄级马尾松林蓄积量（m3）；A为各龄级的面积（hm2）。

3 结果与分析

3.1 不同年龄和龄级马尾松林分生物量

根据2009年马尾松的样地数据，相对生长方程计算出不同年龄马尾松林的生物量见图1。从图1可看出，马尾松林分生物量随林龄增加而增大，但同一林龄的林分生物量差异较大，特别是林龄大的林分，这可能与不同的立地条件和经营活动有关。根据马尾松龄级和龄组的划分标准，计算出马尾松林各龄组的平均林分生物量，马尾松林的林分随着龄组的增大而增大，从幼龄林的5.37 t•hm-2增加到熟林的 336.57 t•hm-2（见表 2）。

图1 马尾松林生物量随林龄变化Fig. 1 Changes of Pinus massoniana forests biomass with stand age

将材积源法计算的各龄组马尾松林生物总量除以对应的面积，计算出马尾松林各龄组单位面积林分生物量（见表2）。与相对生长方程估算的结果相比，除幼龄林结果高于相对生长法计算的结果，其他各龄组则都低于相对生长法计算的结果（见表2）。

湖南省马尾松林的林分平均生物量为31.61t•hm-2，低于中国森林植被的平均生物量 (86.3 t•hm-2)[16]，表明湖南省马尾松林生物量较低，可能与成熟林和过熟林占的比重较小和经营管理水平不高有关。

表2 2种方法估算马尾松林不同龄级的平均林分生物量Table 2 Average stand biomass estimated by allometric equation and volume conversion function for P. massoniana forests of different age-class groups

3.2 相对生长法估算的湖南省马尾松生物总量分布与动态变化

表3列出了用相对生长方程估算的2006年和2011年间湖南省及各地市（州）马尾松林生物总量。2006年全省马尾松林的生物总量为66.87×106t，2011年为 71.18×106t，上升了 4.31×106t。马尾松林生物总量上升的主要原因是近熟林和成熟林的面积呈增加趋势，2006～2011年湖南省马尾松林的近熟林面积由379 085.2 hm2增加到469 459.2 hm2，成熟林的面积由127 438.2 hm2增加到152 027 hm2。不同龄级马尾松林生物量不同，从幼龄林到中龄林、近熟林的生物总量增长较快，到成熟林、过熟林阶段增长十分缓慢，原因是成熟林面积所占比例有所下降。

表3 相对生长法估算的湖南省及各地市（州）马尾松林生物总量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年近熟林的生物总量最大，幼龄林的生物总量最低，到2011年近熟林的生物总量最大，幼龄林的生物总量最低。仅6 a间，幼龄林、中龄林的生物总量呈下降趋势，分别下降了0.65%和14.39%，近熟林、成熟林、过熟林的生物总量整体呈上升趋势，占全省马尾松林生物量的百分比上升趋势明显，分别上升了6.33%、3.92%和4.80%。因为随着时间的推移，幼龄林、中龄林的面积逐年下降，而近熟林、成熟林、过熟林的面积呈逐年上升趋势。

3.3 材积源法估算的湖南省马尾松林生物总量分布与动态变化

材积源法计算的2006年和2011年湖南省马尾松林生物总量见表4。2006年全省马尾松林的生物总量为 45.15×106t，2011年为 39.12×106t，下降了6.03×106t。各地市（州）由于马尾松林面积存在较大的差异，其马尾松林生物总量差异较为明显，在0.92×106～7.86×106t之间变化。2006年各地市（州）马尾松林生物总量在0.82×106～9.23×106t 之间变化，邵阳市的最大，为9.23×106t；益阳市最低，为0.82×106t。2011 年各地市（州）马尾松林生物总量在0.92×106～7.86×106t 之间变化，怀化市的最大，为7.86×106t；衡阳市最低，为 0.92×106t。

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

全省马尾松林生物总量表现出南高( 生物量密度以高于全省平均生物量的市为主) 北低( 生物量密度以低于全省平均生物量的市为主)，从西到东未呈明显变化规律。就全球陆地生态系统而言，地上植被生物量和碳贮量随纬度的降低而增加[17]。周玉荣等[18]对我国主要森林生态系统的碳贮量和碳平衡通量进行估算后得出，我国主要森林生态系统植被的平均碳密度随纬度的增加而减小。本研究结果与以上报道表现出相似的变化规律。

3.4 2种估算方法计算湖南省马尾松林生物总量比较

图2给出了2种方法估算的各龄组马尾松林生物总量，各龄级马尾松生物总量存在一定的差异，中龄林估算的生物量比较接近，幼龄林没有差别，近熟林和过熟林用相对生长法估算生物量高于材积源法估算的结果，可能与相对生长方法利用的调查样地均为保护较好林分，近熟林、过熟林分蓄积量达到了实际估测的成熟林水平，导致林分被低估。

图2 2种方法估算湖南省各龄级马尾松林生物量比较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

从2006 年到2011年，全省马尾松林的生物总量变化趋势是先下降再上升。2种方法的比较结果如图3所示。表明全省的马尾松林的生物总量变化趋势较一致，均是先下降再上升，这与全省的马尾松林的面积变化一致。

4 结 论

（1）相对生长法估算2011年湖南省马尾松林生物总量为71.18×106t。不同龄组马尾松林生物量不同，从幼龄林到中龄林、近熟林的碳贮量增长较快，到成熟林、过熟林阶段增长十分缓慢，这一变化趋势与不同龄组单位面积生物量、各龄组的面积总量有关。

图3 2种不同方法估算湖南省马尾松林生物总量的变化趋势Fig. 3 Total biomass changes of P. massioniana forests in Hunan province during period from 2006 to 2011

（2）材积源法估算2011年湖南省马尾松林生物总量为39.12×106t。各地市（州）由于马尾松林面积存在较大的差异，其马尾松林生物总量差异较为明显，在0.92×106～7.86×106t之间变化。2006年各地市（州）马尾松林生物总量在0.82×106～9.23×106t 之间变化，邵阳市的最大，为9.23×106t；益阳市最低，为0.82×106t。2011 年各地市（州）马尾松林生物总量在0.92×106～7.86×106t 之间变化，怀化市的最大，为7.86×106t；衡阳市最低，为 0.92×106t。

（3）2种方法估算全省马尾松林生物总量、各龄组马尾松林生物总量存在一定的差异，中龄林估算的生物量比较接近，幼龄林没有差别，近熟林和过熟林用相对生长法估算生物量高于材积源法估算的结果，可能与相对生长方法利用的调查样地均为保护较好林分，近熟林、过熟林分蓄积量达到了实际估测的成熟林水平，导致林分被低估。相对生长方程估算森林生物量需要结合森林资源清查的样地数据，材积源法可用于森林资源清查的年度报告中面积和蓄积数据，但在省级尺度上估算森林生物量采用什么方法需要根据数据和估算精度来确定。

（4）2006～2011年间湖南省马尾松林生物总量呈先下降再上升，这与全省的马尾松林的面积变化一致。湖南省马尾松林的林分平均生物量为31.61t•hm-2，低于中国森林植被的平均生物量(86.3 t•hm-2)[15]，表明湖南省马尾松林生物量较低，可能与成熟林和过熟林占的比重较小和经营管理水平不高有关。如何通过合理经营、调整马尾松的林分和林龄结构提高林分生物量是林业生产中需要解决的问题。

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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

国家林业局项目“2012年湖南省森林碳汇计量监测体系建设”（2012HN-01）

徐 晓（1966-），男，湖南长沙人，高级工程师，主要从事森林资源调查、规划与设计工作

S718.55+6；S791.248

A

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

[本文编校：谢荣秀]