祁连山排露沟流域青海云杉林生物量和净生产力研究

杨逍虎，敬文茂，赵维俊，牛赟

(甘肃省祁连山水源涵养林研究院,甘肃 张掖 734000)

祁连山排露沟流域青海云杉林生物量和净生产力研究

杨逍虎，敬文茂，赵维俊，牛赟

(甘肃省祁连山水源涵养林研究院,甘肃 张掖 734000)

选择祁连山排露沟流域青海云杉林为研究对象，按海拔、坡向、坡度、坡位等设置青海云杉林固定样地共10块，开展青海云杉林生物量和净生产力研究。结果表明：青海云杉林乔木层平均生物量分别为116.19 t·hm-2，平均净生产力为1.36 t·hm-2·a-1。海拔2 800 m段是青海云杉林生长的最佳地段，生物量和年净生产力均为最大；从海拔2 800 m开始，随着海拔梯度的增加，生物量和净生产力呈降低趋势；海拔3 300 m林线处，生物量和净生产力达到最低。青海云杉林生物量及净生产力与林分树高和林龄显著相关(P<0.05)，与胸径相关性不显著(P>0.05)。

生物量；净生产力；青海云杉林；祁连山

青海云杉是我国西北特有树种，分布于甘肃、宁夏、青海东部、内蒙古中部，适应祁连山半湿润气候，成为祁连山地主要的森林类型。青海云杉林作为祁连山水源涵养林重要组成部分，在涵养水源、调节径流、保持水土、净化空气、固碳和维护干旱区生态平衡方面起着重要的作用，其植被的动态变化对流域水资源稳定、经济发展和生态环境建设有直接影响。青海云杉林作为温带干旱半干旱区山地森林的典型代表，其林分尺度的生物量及净生产力研究能够为进一步深入研究中国内陆干旱半干旱区山地森林碳平衡问题提供基础数据，同时为正确估算森林的生态效益提供参考。

1 研究区基本概况

研究区位于祁连山西水林区的排露沟流域(100°17′—100°18′ E，38°32′—38°33′ N)，海拔2 620～3 800 m，流域面积为2.73 km2，属高寒山地森林草原气候。该研究流域区域年平均气温0.5 ℃，极端最高气温28.6 ℃，极端最低气温-38.0 ℃，7月平均气温10.2～14.6 ℃；年降水350.2～465.8 mm；年均蒸发量1 033.7 mm；平均相对湿度60%[1]。研究区域内成土母质主要是砾岩、泥炭岩、砂页岩等；有机质含量中等，pH值7.2～8.1。研究流域阴坡青海云杉土壤类型为山地森林灰褐土，土层平均厚度50～150 cm，青海云杉是唯一的建群树种。林下植被主要是林下灌丛，优势种有金露梅(Potentillafruticosa)、鬼箭锦鸡儿(Caraganajubata)、吉拉柳(Salixgilashanica)和高山绣线菊(Spiraeaalpina)，林下草本优势种有珠芽蓼(Polygonumviviparum)、苔草(Carextristachya)、莎草(Cyperussp.)、火绒草(Leontopotiumleontopodioides)、马先蒿(Pedicularissp.)等。

2 材料与方法

2.1 样地设置

选择祁连山中段西水林区典型林分青海云杉林为研究对象，按海拔、坡度等因子设置乔木林固定样地(20 m×20 m)10个(2 700固定样地因林班面积小，样地面积设置大小为12.8 m×25 m)，固定样地调查基本信息见表1。在建立的固定样地内，按照研究需要有重点进行相关的植被特征调查，样地调查因子包括微地形、经营历史、群落结构、叶面积指数、郁闭度等。

表1 固定样地基本信息

2.2 生物量和净生产力测定

采用相关生长测定法测量乔木层生物量，标准木选定后，按其平均营养面积将其盘根挖倒，记录胸径(D)、全高(H)、枝下高(h)。按Monsi分层切割法，按2 m区分段直接称取标准木各段树干(带皮)、枝叶的鲜质量。现场在各组分中均匀取样，带回室内称质量，并在85 ℃恒温下烘至恒质量，求得各组分干湿比，换算得各组分生物量(干物质量W，下同)。根据林木器官生物量(W)与胸径(D)和树高(H)之间的幂函数关系W=a(D2H)b建立林木器官生物量相对生长模型[2]，然后用林木器官生物量相对生长关系模型计算青海云杉林乔木层生物量。在测标准木生物量的同时进行树干解析，根据解析资料推算生产量。青海云杉林乔木层生物量与林龄关系密切，中龄林至过熟林阶段呈抛物线变化：

W=-0.007 94A2+2.535 19A+12.677 78R2=0.8239

其中：W—乔木层生物量(t·hm-2)；A—林龄(a)。

根据公式推算出各样地生物量，根据树干解析木样本，分析生长过程，并计算林木的年生长率，推算出乔木层的净生产力。

2.3 数据处理

收集完整的野外监测数据和实验室内分析测试，利用Excel和SPSS数据分析软件进行多元逐步回归分析。选择线性、对数、指数、幂函数以及多项式等回归模型来进行青海云杉林生物量和净生产力预测模型的建立。

3 结果与分析

3.1 青海云杉林乔木层生物量及净生产力分布

由表2可知，青海云杉林乔木层单位面积生物量及年净生产力最小值分别是25.03 t·hm-2、0.25 t·hm-2·a-1，最大值分别为188.56 t·hm-2、2.61 t·hm-2·a-1。

表2 不同样地青海云杉林的生物量及年净生产力

进一步分析表明，G7样地青海云杉林分布于海拔3 282 m的灌丛交错带，是青海云杉林在该区域集中分布的最高海拔段，由于冻土较厚、气温极低致使生长极为缓慢，平均树高仅5.6 m，单位面积生物量极低，林龄102 a，属于过熟林，净生产力极低。G3样地分布于海拔2 800 m，温湿度适宜，为季节性冻土，土壤水分充足，是青海云杉的典型生长区域，该区段样地平均树高11 m，平均年龄72.3 a，属成熟林，所以该区段样地单位面积生物量和净生产力达到最大值。总体上来看，青海云杉林生物量和净生产力总体上呈降低趋势，到海拔3 300 m左右的青海云杉林线处，其生物量和净生产力达到最低。通过对青海云杉林10个固定样地生物量和净生产力的统计分析，得出祁连山中段西水林区青海云杉林单位面积平均生物量为116.19 t·hm-2，平均年净生产力为1.36 t·hm-2·a-1。

3.2 青海云杉乔木层生物量及净生产力与林分因子关系

对不同海拔青海云杉林林分因子，包括平均树高、平均胸径、平均林龄与乔木层生物量及净生产力进行了曲线回归分析(表3)，从表3可以看出，青海云杉林林分平均树高与生物量和净生产力均显著相关(P<0.05)，平均胸径与生物量和净生产力均呈不显著相关(P>0.05)，林龄与生物量和净生产力均呈显著相关(P<0.05)，该结论符合林木生长理论。一般来说，林木生物量和净生产力随林木个体的高度紧密相关，本研究回归分析表明青海云杉林生物量和净生产力随树高的增加而增加；与林木胸径不相关，原因是林木胸径变化与林地生长环境密切相关，如高海拔受温度限制，林木个体呈矮化状态；与林龄显著相关，随着林龄的增加，其生物量和净生产力的增加不断减小，本研究的曲线回归分析证明了这一点。在实际工作中，可以根据林分的树高和林龄进行青海云杉林生物量和净生产力估测。

表3 林分因子与生物量和净生产力曲线回归分析

4 结论与讨论

4.1 祁连山中段西水林区排露沟流域2 800 m海拔段是该区青海云杉生长最佳地段，生物量和年净生产力都达到最大；从海拔2 800 m开始，随着海拔的增高，单位面积生物量和年净生产力呈下降趋势，到海拔3 300 m左右的青海云杉林线交错带其生物量和净生产力为最低。研究还表明祁连山排露沟流域青海云杉林生物量均值为116.19 t·hm-2，净生产力均值为1.36 t·hm-2·a-1。另外回归分析表明，青海云杉林林分生物量及净生产力与林分因子树高和林龄显著相关，与胸径相关性不显著。

4.2 通过对祁连山青海云杉林生物量及净生产力研究，虽然初步得出了生物量和净生产力随海拔梯度的分布规律，但关于海拔梯度和纬度的变化对青海云杉生物量及净生产力影响的研究仍然较少，此外纬度以及海拔高度的变化对于青海云杉林生物量的影响方面的研究因地域等方面的原因比较缺乏。以往的研究仅仅局限于某一个较小的区域，甚至是基于一个固定样地，关于坡面、流域、区域尺度以及全国甚至全球尺度上的研究极其缺乏[3]。随着对祁连山青海云杉林生物量及净生产力研究的重视，这方面的研究在充足的客观条件下可能会成为研究的发展趋势之一。

此外，由于各种因素，本研究采用样地标准木解析确定青海云杉林的生物量和净生产力，用以推算单位面积或整体的生物量，其样本数量较少，获取的各样地生物量及净生产力有一定的差异性。林木解析法虽然简单易行，但增加了野外调查的工作量，且林木解析对植被造成严重破坏，使其短时间内很难恢复，大大降低了青海云杉林的生态水文效应。

[1] 牛赟, 刘贤德, 敬文茂, 等. 祁连山排露沟流域气温,冻土冻融与河川径流特征[J].林业科学,2014,50(1):27-31

[2] 王金叶,车克钧.祁连山青海云杉林碳平衡研究[J].西北林学院学报,2000,15(1):9-14

[3] 王培娟,谢东辉,张佳华,等.基于过程模型的长白山自然保护区森林植被净第一性生产力空间尺度转换方法[J].生态学报,2007,27(8):3215-3223

Biomass and Net Primary Productivity ofPiceacrassifoliaPlantation in the Pailugou Basin of Qilian Mountains

Yang Xiaohu ,Jing Wenmao,Zhao Weijun，Niu Yun

(Academy of Water Resources Conservation Forests in Qilian Mountains of Gansu Province, Zhangye 734000,China)

TakingPiceacrassifoliaplantation in the Pailugou basin of Qilian Mountains as the research object, 10 fixed sample plots ofPiceacrassifoliaplantation were set according to the elevation, slope direction, slope and slope positions;research about biomass and net productivity ofPiceacrassifoliaplantation were conducted.Result shows that the average biomass ofPiceacrassifoliaplantation is 116.19 t·hm-2and the average net productivity is 1.36 t·hm-2·a-1.The optimal district for growth ofPiceacrassifoliaplantation is at 2 800 m; the biomass & net productivity are all the largest. From the altitude of 2 800 m, the biomass and net productivity are decreasing with the altitude increasing. The biomass and net productivity reach the lowest at 3 300 m(the timberline ofPiceacrassifoliaplantation).The biomass and net productivity ofPiceacrassifoliaplantation are significantly relate to tree height & forest age (P<0.05),but not relate to the size of DBH (P>0.05).

biomass; net productivity;Piceacrassifoliaplantation; Qilian Mountains

1005-5215(2017)08-0001-03

2017-06-15

杨逍虎(1973-)，男，甘肃张掖人，大学，工程师，主要从事林业生态环境工程与管理研究，Email: 66620742@qq.com

敬文茂(1976-)，男，甘肃榆中人，硕士，助理研究员，主要从事森林生态研究，Email：maodanjing@126.com

S718.556

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.07.001