福建将乐林场杉木碳储量密度控制图的编制

向玉国，郑小贤，刘波云，赵 娜，侯绍梅

(北京林业大学 森林资源与环境管理国家林业局重点实验室，北京 100083)

由于大气二氧化碳浓度升高而引起的全球气候变化以及1997年签订的《京都议定书》，使碳储量的研究成为了国内外的热点，各国学者开始重视森林碳储量的研究，测定了一些树种的含碳率以及部分典型植被类型的碳储量[1]。国内许多学者利用国家森林资源清查资料对我国森林植被的碳储量、固碳现状及潜力进行了区域尺度的估算[2-10]，这些研究在很大程度上推动了森林碳储量的研究，但是有关碳储量与林分密度关系的研究却不多，尤其是反映不同立地条件碳储量积累过程的研究很少。林分密度控制图能够有效地反映林分蓄积量和林分因子的生长过程，而碳储量与蓄积量之间关系紧密，因此通过编制碳储量密度控制图能够预测林分在不同生长时期的碳储量，模拟林分碳储量的变化过程。林分密度控制图编制方法简单，使用方便，在森林抚育采伐、森林产量预测和森林质量评价等方面使用价值很高。在20世纪80-90年代，许多学者研究了林分蓄积量与林分密度的关系，编制了不同地区、不同树种的林分密度控制图[11-19]，这些研究在林业生产中有着很高的实用价值。但对不同立地条件下林分密度与森林碳储量的林分密度控制图的研究还鲜见报道。本研究探索了不同地位级的杉木林分碳储量与林分密度之间的关系，编制了杉木林分碳储量密度控制图，以期为林业生产提供可行性强、操作方便的林分碳储量密度控制图编制方法。

1 研究区概况

将乐国有林场位于福建省北部的将乐县城区，地处武夷山支脉，属于闽西北低山丘陵地带，地理坐标为东经117°06′，北纬26°26′。将乐林场平均海拔400～800 m，最高海拔1 203 m，最低海拔140 m，属于中亚热带沿海海洋性季风气候，具有海洋性和大陆性气候特点，年平均气温18.7 ℃，年平均降雨量1 669 mm，雨季持续时间长，气候温润，雨量充足。全场土地面积7 113.6 hm2，有林地面积6 509.7 hm2，森林总蓄积量87.3万m3。其中，商品用材林面积5 687.7 hm2，主要以杉木与马尾松人工林为主；生态公益林612.4 hm2，经济林73.7 hm2，竹林135.9 hm2，森林覆盖率94.8%。

2 研究方法

2.1 数据资料来源

主要数据资料有将乐林场1996年和2007年2期森林资源规划设计调查数据，将所有杉木林小班的相关数据整理后基本信息见表1。另设调查样地22块，样地大小20 m×30 m，涉及的杉木人工林类型有：杉木纯林(12块)、杉木-马尾松混交林(6块)、杉木-火力楠混交林(1块)、杉木-毛竹混交林(3块)。

表 1 福建将乐林场杉木林小班数据基本信息

2.2 数学建模

利用SPSS 19、Excel 2010等数据分析软件，对所得数据进行处理与分析，通过数学建模的方法来拟合不同立地条件下林分密度与碳储量之间的关系式，编制杉木林碳储量林分密度控制图。

2.2.1 地位级划分 利用森林资源规划设计调查中的土壤厚度、腐殖质厚度、坡度、海拔等数据，并结合固定样地数据编制地位级表(表2)。选择树高生长方程H=algA+b/A+c(H表示林分平均树高，A表示林分年龄，a、b、c均为参数)拟合参数值，得出各地位级杉木树高生长曲线。

表 2 福建将乐林场杉木林地位级分级表

2.2.2 杉木林碳储量模型 由于森林资源规划设计调查数据中缺少杉木林生物量与碳储量的数据，本研究利用刘国华等[20]的杉木林蓄积量与生物量之间的关系式进行估算，并取杉木的含碳率为0.5，将杉木林蓄积量转化为生物量，再转化成碳储量。

B=0.399 9M+22.541 0，

C=B×Cc。

式中：B为生物量(t/hm2)，M为森林蓄积量(m3/hm2)，C为碳储量(t/hm2)，Cc为含碳率(取值0.5)。

2.2.3 碳储量密度控制图的相关模型 通过对已有的杉木林密度控制图相关模型的研究，得出杉木林碳储量密度控制图的相关模型如下：

(1)等树高线：C=[0.399 9(a11×Hb11+a12×Hb12×N-1)-1+22.541 0]×0.5。

(2)最大密度线：C=[0.399 9(K2×N1+K1)+22.541 0]×0.5。

(3)等疏密度线：C=[(Kp×N1+K1)+22.541 0]×0.5。

(5)等直径线：C=[0.399 9(a×Db×Nc)+22.541 0]×0.5。

式中：C为碳储量(t/hm2)，H为树高(m)，N为林分密度(株/hm2)，D为林分平均直径(cm)，a11、b11、a12、b12、Kp、K1、K2、K3、K4、N0、a、b、c均为参数。

2.2.4 杉木碳储量密度控制图的绘制 利用上述不同立地条件、不同林分密度的碳储量预估模型，绘制不同立地条件下的杉木碳储量密度控制图。绘图时纵坐标为杉木林的碳储量，横坐标为林分密度，曲线分别为等树高线、等直径线、等疏密度线、最大密度线以及自然稀疏线的系列曲线。

3 福建将乐林场杉木碳储量密度控制图的编制

3.1 地位级划分

对福建将乐林场杉木森林资源规划设计调查数据进行拟合，选择树高生长方程H=algA+b/A+c拟合参数值(表3)，并得出杉木树高生长曲线(图1)。

表 3 福建将乐林场不同地位级杉木树高生长方程的参数值

图 1 福建将乐林场不同地位级杉木树高生长曲线

3.2 杉木碳储量密度控制图相关模型的参数值

通过非线性回归分析，可求得各模型在不同立地条件下的参数值，详见表4。

表 4 福建将乐林场不同地位级杉木碳储量密度模型参数表

3.3 杉木碳储量密度控制图的绘制

通过对碳储量预估模型的研究，绘制了不同立地条件下的碳储量密度控制图如图2-4所示。杉木碳储量密度控制图建立在双对数坐标中，该图纵坐标为杉木林的碳储量，单位为“t/hm2”；横坐标为林分密度，单位为“株/hm2”。图中包括等树高线、等直径线、等疏密度线、最大密度线和自然稀疏线。

图 2 福建将乐林场Ⅰ地位级的杉木碳储量密度控制图

图 3 福建将乐林场Ⅱ地位级的杉木碳储量密度控制图

4 杉木碳储量密度控制图的应用

如果已知杉木人工林林分的地位等级、平均直径和林分密度时，可利用杉木碳储量密度控制图进行碳储量估计。例如，已知某Ⅱ地位级的杉木人工林平均直径D=14cm，密度N=2 000株/hm2，预估此林分的碳储量及其成熟龄，可按以下步骤进行估算：

(1) 从图1得该林分在15，20，25，30年生时相应的林分平均高度分别为12.7，14.4，15.7和16.8m。

(2) 根据林分平均高度，找到Ⅱ地位级碳储量密度控制图(图3)上直径为14cm的等直径线与林分密度为2 000株/hm2对应的相交点，通过此交点得到通过该点的自然稀疏线的初始密度为2 230 株/hm2，在此自然稀疏线上查得相应15～30年生的碳储量分别为48.9，57.4，64.1和69.5t/hm2。

图 4 福建将乐林场Ⅲ地位级的杉木碳储量密度控制图

(3) 计算林分碳储量的连年生长量和年平均生长量，确定两者相等时(也是林分碳储量平均生长量最大时)的年龄，即为该杉木林分碳储量的成熟龄。在此例中，通过计算得出林分碳储量成熟龄为20年，此时林分碳储量为57.4t/hm2，碳储量的年平均生长量为2.87t/hm2，平均胸径为18.7cm。

5 结论与讨论

利用传统的林分密度控制图编制方法，分别在不同立地条件下建立等树高线、等直径线、最大密度线、自然稀疏线与碳储量之间的相关模型，编制不同立地条件、不同林分密度的杉木人工林碳储量密度控制图，为杉木人工林碳储量预估提供了实用工具，也为人工林碳汇经营提供了技术支撑，具有实际应用价值。

本研究使用的数据主要为森林资源设计调查数据，数据拟合精度相对不高，因为森林资源设计调查数据中缺少生物量和碳储量数据，二者是利用已有的较为成熟的杉木林生物量、碳储量与蓄积量关系模型换算得到的，选择的公式中对蓄积量小的林分的碳储量转换有较大误差。因此在以后的研究中，可以调查林分的生物量与碳储量，以拟合更合理的碳储量模型。

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