生态环评中森林植被生物量的估算方法

郝 媛，马俊杰

(西北大学城市与环境学院，陕西 西安 710127)

环境影响评价技术导则生态影响中的生态现状调查是生态现状评价、影响预测的基础和依据。导则要求调查的内容和指标应能反映评价工作范围内的生态背景特征的和现存的主要生态问题，其中指出，一级评价应给出采样地样方实测、遥感等方法测定的生物量，二级评价的生物量可依据已有资料推断，或实测一定数量的、具有代表性的样方予以验证。关于二级评价中生物量该如何进行估算，环评导则中并没有给出具体方法。

1 生物量

1.1 生物量的概念

生物量是单位面积上所有生物有机体的干重总量，是生态系统最基本的数量特征，是认识生态系统结构和功能的基础，它不仅反映了生态系统在特定时间段内积累有机物质的能力，也是描述生态系统特征的重要参数。而绿色植物的生物量是整个生态系统的能量基础和物质来源，是生态功能系统最重要的特征和本质的标志。其中森林生物量约占全球陆地植被生物量的90%以上［1］，其是森林固碳能力的重要标志，也是评估森林碳收支的重要参数，是研究很多林业问题和生态问题的基础。

1.2 生物量变化的环境影响

生物量变化的环境影响主要表现在生态金字塔的稳定性、水土流失强度的变化、温室效应强度的变化和景观生态协调性几方面。

生态系统内的初级即第一营养级生物量的增加，必然会导致一级消费者如鸟、兔、鼠、松鼠及野猪等第二营养级生物量和昆虫生物量的增加，从而导致蛇等第三营养级生物量的增加;一般认为，水土流失强度与森林覆盖率相关，然而生物量也是一个重要影响因素;生物量变化对温室效应也有直接影响与间接影响;生物量的变化也会通过影响景观生态类型，从而影响局部地区的生态协调性［2］。

2 生物量的计算方法分析

生物量的估算方法很多，主要有皆伐实测法、标准木法和回归估计法［3］和森林蓄积量与生物量的转换模型四种方法。

2.1 皆伐实测法

皆伐实测法即在林分内选择适当面积的林地，将该林地内所有乔、灌、草等皆伐，测定所有植物的生物量，它们生物量之和即为皆伐林地生物量，再根据全林分面积和皆伐林地面积值计算出全林分生物量。该方法虽然可以较准确地测定林分生物量，但对生态系统的破坏性大且耗时费力，在环境影响评价工作中应用是不可行的，尤其不适合对乔木生物量的测定，这种方法可以用来检验其他测定方法的精度，或者对林分中的灌木、草本等植物生物量的测定更为适合。

2.2 标准木法

标准木法包括平均标准木法和分层标准木法两种方法。

2.2.1 平均标准木法

平均标准木法是以每木调查结果计算出全部立木的平均胸高直径为选择标准木的依据，把最接近于这个平均值的几株立木作为标准木，伐倒称重。然后，用标准木生物量的平均值乘以单位面积上的立木株数，或用标准木生物量的总和乘以单位面积上胸高总断面积与标准木胸高断面积总和之比，求出单位面积上的林分生物量，进而根据林分面积求出全林分生物量。

2.2.2 分层标准木法

分层标准木法是依据胸径级或树高级将林分或标准地林木分成几个层，然后在各层内选测平均标准木，并伐倒称重，得到各层的平均生物量测定值，乘以单位面积各层的立木株数，即得到各层生物量，将各层生物量加和起来，即为单位面积林分生物量总值［4］。

标准木法同皆伐实测法具有相同的特点，即对生态系统具有破坏性，但其破坏性较小。标准木法比较适用于林木大小具有较小或中等离散度正态频率分布的林分，如人工林［5］，是回归估计法的基础方法，在实际的环境影响评价工作中也不太适用。

2.3 回归估计法

林木生物量回归估计法是以模拟林分内每株树木各分量(干、枝、叶、皮、根等)干物质重量为基础的一种估计方法。它是通过样本观测值建立树木各分量干重与树木其它测树因子之间的一个或一组数学表达式，该数学表达式也称林木生物量模型，其旨在用树木易测因子的调查结果来估计不易测因子。

林木生物量模型的方程很多，概括起来有三种基本类型:线性模型，非线性模型，多项式模型。在这三类模型中，非线性模型应用最为广泛，其中相对生长模型最具有代表性，是所有模型中应用最为普遍的一类模型，有三种函数形式:

式中:Y 表示生物量，β0，β1…βi表示模型参数，X1，X2，…Xi为植株形态学变量(如胸径、树高)，ε表示误差项。

相对生长模型实质上属于先破坏性测量有限数量的标准木，然后建立全部或部分生物量与易于获得的植株形态学变量(如胸径、树高等)间的数量关系的一种回归估计法，因此，在建模过程中需要测定一定数量样木的生物量作为基础数据。同时，自变量数目的增多常使生物量的估算更准确，但也会加大野外调查时基本数据获取的难度，从而影响相对生长模型的实用性，但是相对生长模型一旦建立，在同类的林分中就可以利用森林资源清查数据来估计整个林分生物量，而且具有一定的精度［5］。目前，我国已阶段性整理了特定树种、立地等条件下的经验相对生长方程［4］，如王仲锋［6］在甘肃省小陇山党川林场测量计算得出全株云杉的相对生长公式。对于已经建立好的树种相对生长方程，在环境影响评价工作中可以利用森林资源清查数据来进行整个林分生物量的估算。

2.4 森林蓄积量与生物量的转换模型

在相对生长模型的研究与应用中，各分量模型(总量、树干、树皮、树根、树枝和树叶)都是独立进行的，这种建模方式在生物量模型研究中导致一个严重的问题，即各分量模型估计值之和不等于总量模型估计值，也就是各分量模型与总量模型不相容［5］。由于相对生长模型理论上存在的疑点是林木各部分与其总和的关系问题，为了解决生物量模型相容性的问题，唐守正等人［7］引入材积自变量解决了以往生物量估算中各分量模型间不相容的问题，实现了生物量模型和材积模型的兼容，而且还结合了我国现行的森林资源清查方法。这种模型被称为森林蓄积量与生物量的转换模型，就是根据树干材积推算全株(包括树干、枝、叶和根)的生物量，以及根据某一区域同一树种的总蓄积量推算其生物量。

目前［8，9］，生物量B和蓄(材)积V的关系模型主要有B=aV型、B=V·γ·BEF型和 B=a+bV型，其中 a，b为待求因子，γ为木材密度，BEF为扩展因子。前两者实质上是一致的。

对生物量与蓄积量关系的认识经历了2个阶段:(1)生物量与蓄积量之比为常数;(2)生物量与蓄积量的连续函数变化［5］。有两种研究方法:生物量转换因子法和生物量转换因子连续函数法。

2.4.1 生物量转换因子法

生物量转换因子法是利用林分生物量与木材材积比值的平均值，乘以该森林类型的总蓄积量，得到该类型森林的总生物量的方法［10］。生物量转换因子法的不足主要反映在生物量转换因子，例如木材密度和总生物量与地上生物量的转换系数均取作常数，而实际情况是林分生物量和蓄积量与森林类型、年龄、立地条件和林分密度等诸多因素有关。相关研究表明，生物量转换因子法估算的生物量较皆伐法高出20% ～40%。

2.4.2 生物量转换因子连续函数法

生物量转换因子连续函数法是为克服生物量转换因子法将生物量与蓄积量比值作为常数的不足而提出的，其将单一不变的平均换算因子改为分龄级的换算因子，以更准确地估算区域的森林生物量［11］。

3 在生态环评中的应用

通过对以上几种关于生物量的计算方法进行分析可知，皆伐实测法和标准木法对生态系统的破坏较大，故在实际的环境影响评价工作中是不适合的，而回归估计法中相对生长模型的建立需要做大量的野外调查工作，且目前只有少数的特定树种建立了此模型，使模型的应用性受到了很大的影响，只有森林蓄积量与生物量的转换模型在不需破坏森林植被的基础上，通过模型将森林蓄积量转换成生物量，有较强的实用性，且对森林植被没有破坏性，更重要的一点是我国自20世纪70年代开始进行大规模的森林资源清查工作，形成了完善的森林资源一、二、三类调查体系，同时也积累了大量的数据。森林清查资料以获取森林面积和蓄积为主，蓄积资料包括树干的材积部分［10］。所以，将森林蓄积量与生物量的转换模型用在环境影响评价工作的生态环评中来计算生物量是比较易操作的。

本文通过对生态环评中某一项目中涉及到的秦岭山地某一区域的森林清查资料进行统计分析，见表1，然后用森林蓄积量与生物量的转换模型对该区域的植被生物量进行估算。

由表1可知，该区域森林的单位面积平均蓄积量中冷杉混交林、桦类混交林和冷杉针叶林最大，分别为107.11 m3/hm2、91.43 m3/hm2、87.33 m3/hm2。其次为华山松混交林76.67 m3/hm2、桦类阔叶林 70.47 m3/hm2、油松混交林68.94 m3/hm2、华山松针叶林 63.57 m3/hm2、硬阔阔叶林 63.45 m3/hm2、油松针叶林 61.46 m3/hm2、栎类阔叶林 61.22 m3/hm2，单位面积平均蓄积量均在 60～80 m3/hm2之间。单位面积平均蓄积量最小的为软阔阔叶林、软阔混交林和硬阔混交林，平均蓄积量分别为 48.46 m3/hm2、39.97 m3/hm2、33.47 m3/hm2。

按照方精云等对《我国森林植被的生物量和净生产量》一文的计算参数，计算该区域不同森林植被的单位面积生物量，结合其他文献中灌丛、箭竹和亚高山草甸的实测和计算方法，计算森林之外其他植被的单位面积生物量，最后汇总得出该区域的总生物量，见表2。

由表2可知，评价区总生物量为20.94万 t，其中阔叶林生物量最大，针阔混交林、针叶林次之，亚高山草甸生物量最小。阔叶林中以桦木林生物量最大，为8.92万 t，占总生物量的42.61%;针阔混交林中以红桦松杉针阔混交林生物量最大，为3.69万吨，占总生物量的17.61%;针叶林中的生物量以人工针叶林为主，为 3.85万 t，占总生物量的18.37%;亚高山或次生灌丛的生物量为 1.34万 t，占总生物量的6.40%;箭竹林、亚高山草甸的生物量很小，仅占总生物量的0.39%。

表1 某县林业资源调查中不同林种和林型的天然林蓄积量 m3/hm2

表2 区域总的生物量

4 结语

由于环境影响评评工作中生物量的测定需要易于操作，这就使得生物量计算方法的选取受到局限。皆伐实测法虽然可以较准确地测定林分生物量，但对生态系统的破坏性大且耗时费力，在关于森林开采项目的环境影响工作中应用是不可行的，尤其不适合对乔木生物量的测定，这种方法可以用来检验其他测定方法的精度，或者对林分中的灌木、草本等植物生物量的测定更为适合;标准木法虽同皆伐实测法具有相同的特点，即对生态系统具有破坏性，但其破坏性较小，是回归估计法的基础方法，在实际的环境影响评价工作中也不太适用;回归估计法在建模过程中需要测定一定数量样木的生物量作为基础数据，自变量数目的增多常使生物量的估算更准确，但会加大野外调查时基本数据获取的难度，从而影响相对生长模型的实用性，对于已经建立好的树种相对生长方程，在环境影响评价工作中可以利用森林资源清查数据来进行整个林分生物量的估算;森林蓄积量与生物量的转换模型结合了森林资源清查数据，并将森林蓄积量与生物量进行转换，在有关森林开采项目的环境影响评价工作中用来计算生物量是比较易操作的。