广东省国家级公益林生物量模型研建

刘金山

(国家林业和草原局中南调查规划设计院，长沙 410014)

森林生态系统因其在改善生态环境、调节全球碳平衡及减缓温室气体浓度上升中的不可替代的作用而被认为是陆地生态系统的主体[1]。生物量是指净生产量的积累量，是生态系统所累计下来的活的有机质总量[2]。森林生物量是森林生态系统最基本的数量特征，是森林生态系统结构和功能的基础要素之一，也是评价立地生产力高低的重要指标[3-7]。作为估算森林碳收支的重要指标，森林生物量对衡量森林碳汇有着不可替代的作用，也是森林生态系统物质循环、能量平衡和养分循环等功能过程中的物质载体，对其精确估算是可持续森林经营的必要条件[8-13]。同时，生物量是森林发挥涵养水源、保育土壤、固碳释氧、净化大气环境、森林防护、生物多样性保护和森林游憩等生态功能的物质基础。

生物量方程是预测森林生物量的主要方法，建立合适的生物量方程用于测定树种的生物量，对于评价森林的生产力以及估测森林碳储量有着重要意义[14-15]。国内外对生物量数量及空间分布等开展了大量研究，利用解析木数据以胸径和树高等反映林木大小尺度的因子建立了大量的生物量模型，为生物量的准确计量提供了模型参数，而在区域尺度上就生物量变化规律和变化速度的研究相对较少。由于胸径、树高等因子随时间变化和林木生长实时改变，对于生物量的变化情况需通过两期森林资源调查数据进行计量获取，增加了计量难度和工作量。本文通过建立生物量—林龄模型，对不同树种的生物量变化规律进行研究，为森林生态系统结构优化和更好地发挥生态作用提供理论依据，对森林资源可持续发展和生态公益林科学保护修复管理具有实践意义。

1 数据与方法

根据广东省森林资源规划设计调查(2018)数据，利用全国土地利用、土地利用变化与林业碳汇计量监测建立的生物量模型和参数，计量国家级公益林小班生物量。利用Origin Pro v8.0软件，使用空间代替时间的方法，建立不同树种生物量理论生长方程，掌握不同树种的生物量增加速度。即在空间尺度上选取不同林龄的林分，表征林分特性随林龄(时间尺度)的变化规律。利用全省森林资源规划设计调查数据，计算每个乔木林小班的生物量密度，采用加权平均法计算不同树种(组)每个林龄平均生物量密度。

应用广泛的理论生长方程有：Richards，Logistic，Korf，Gompertz和Mitscherlich 方程等形式[16-17]，利用这些方程可以建立植被生物量密度与林龄的模型。

Richards:M=a(1-e(-bt))c

(1)

(2)

(3)

Mitscherlich:M=a(1-be-ct)

(4)

Gompertz:M=ae(-eb-ct)

(5)

式中:M表示生物量密度(t /hm2)；t表示林龄(a)；a，b和c为拟合参数。

2 生物量密度模型

根据广东省森林资源规划设计调查数据，建立广东省国家级公益林主要树种(组)生物量密度—林龄模型。拟合结果表明，Mitscherlich方程的效果最好，残差呈现随机对称分布，无明显的系统偏差。以其它硬阔为例，几种常用理论生长方程生物量密度—林龄拟合曲线见图1。Mitscherlich方程拟合精度最高，且残差均匀分布在拟合曲线的两边；Richards方程、Logistic和Gompertz方程的拟合效果略差，拟合曲线基本上完全重合在林龄较小(1～10 a)时会过高估计生物量，而林龄在11～20 a时生物量估计值偏低。因此最终选用Mitscherlich方程(公式4)。利用公式(4)得到的不同树种拟合结果，详见表1。

图1 生物量密度拟合曲线

对于林木生长方程来说，有学者基于树木的“S”型曲线生长理论，认为拐点是生长方程的重要特征，具有非常明确的生物学意义，拐点处意味着连年生长的高峰期，因此有拐点的生长方程(Richards，Logistic，Korf和Gompertz)比无拐点的Mitscherlich生长方程拟合精度高[18-21]。广东省国家级公益林生物量累积规律与上述研究结果略有不同(见图2)。随着林龄增加，马尾松、针阔混交林生物量累积速率呈直线增加趋势；其它树种生长均呈现先快后慢的规律，由于优越的气候条件，植被生长速度快，从开始即表现出快速生长的趋势，生长规律与“S”型曲线略有差异，而这与海南省的植被碳累积规律类似[16]。

图2 不同树种生物量密度随林龄的变化趋势

不同树种潜在生物量密度，详见图3。就不同树种的生物量密度累积速率来看，林龄为10 a时，除马尾松外，其它树种生物量密度均大于40 t/hm2，其中桉树生长接近生物量密度最大值；林龄为20 a时，阔叶林和混交林生长表现出优势，生物量密度均大于70 t/hm2，多数树种生物量累积量占潜在最大值的65%以下，未来还有一定的增长潜力；林龄为30 a时，速生相思、木麻黄、其它软阔、其它硬阔、针叶混交林、针阔混交林、阔叶混交林生物量密度均大于90 t/hm2，混交林的生物量累积量占潜在最大值的75%以下；林龄为40 a时，阔叶类、混交林的生物量密度均大于100 t/hm2。

图3 不同树种潜在生物量密度

3 分区域生物量密度模型

3.1 非岩溶地区

利用Mitscherlich方程，建立广东省非岩溶地区国家级公益林主要树种(组)生物量密度—林龄模型，见表2。

非岩溶地区不同树种生物量密度随林龄的变化趋势，详见图4。在非岩溶地区，随着林龄增加，马尾松、针阔混交林生物量累积速率呈直线增加趋势；针叶混交林呈逐渐上升的趋势；其它树种生长均呈现先快后慢的规律，桉树生长速度虽然最快，在林龄10 a时其生物量基本上达到峰值，后续无明显变化，最终在50 a时，其生物量累积量仅为针叶混交林的48%。

图4 非岩溶地区不同树种生物量密度随林龄的变化趋势

非岩溶地区不同树种潜在生物量密度，详见图5。就不同树种的生物量密度累积速率来看，林龄为10 a时，除马尾松外的其它树种生物量密度均大于40 t/hm2，其中桉树生长接近生物量密度最大值，生物量累积量占潜在最大值的98%；林龄为20 a时，除了桉树和湿地松，其他树种的生物量累积量占潜在最大值的65%以下，随着时间的推移，后续仍有较大的生长空间；林龄为30 a时，所有树种的生物量密度均高于60 t/hm2，此后阔叶类和混交林表现出优势，明显高于其他树种；林龄为40 a时，针叶混交林、针阔混交林、阔叶混交林、其它软阔和其它硬阔生物量密度均大于100 t/hm2，针叶混交林的生物量累积量占潜在最大值的72%；林龄为50 a时，除了马尾松、湿地松和桉树，其他树种的生物量累积量均大于100 t/hm2。

图5 非岩溶地区不同树种潜在生物量密度

3.2 岩溶地区

利用Mitscherlich方程，建立广东省岩溶地区国家级公益林主要树种(组)生物量密度—林龄模型，详见表3。

岩溶地区不同树种生物量密度随林龄的变化趋势，详见图6。在岩溶地区，随着林龄增加，所有树种的生长均呈现先快后慢的规律，其中在前10 a，桉树的生物量生长速率最快，最先出现“拐点”。

图6 岩溶地区不同树种生物量密度随林龄的变化趋势

岩溶地区不同树种潜在的生物量密度，详见图7。就不同树种的生物量密度累积速率来看，林龄为10 a时，除马尾松和其他硬阔外，其它树种生物量密度均大于40 t/hm2，其中桉树生长接近生物量密度的最大值，此时其生物量累积量占到潜在最大值的94%；林龄为20 a时，桉树和混交林生物量密度均大于80 t/hm2；林龄为30 a时，杉木、针阔混交林和湿地松出现峰值，接近生物量密度最大值；林龄为40 a时，所有树种的生物量累积量占潜在最大值的85%以上，接近于潜在最大值，后续生长没有明显变化；林龄为50 a时，其它软阔、其它硬阔、针叶混交林和阔叶混交林的生物量密度均大于100 t/hm2。

图7 岩溶地区不同树种潜在生物量密度

4 结论与讨论

就不同树种的国家级公益林来看，针阔混交林、针叶混交林、速生相思、阔叶混交林具有较大的生物量潜力，其中速生相思前期生长较快，林龄在20 a后生物量累积速度变慢；软阔类与硬阔类生物量累积速度基本一致；针叶林生物量累积速度较慢。在提升生态公益林林分质量时，应优先选用阔叶树种和混交树种，提升未来生物量潜力。在岩溶地区，推荐混交林为该地区更新造林选用树种，前期生物量增长较快，且生长潜力较大。

通过对岩溶地区和非岩溶地区的生物量密度进行对比分析，对同一树种，非岩溶地区的生物量密度明显高于岩溶地区，具体体现在当树种林龄为50 a时，非岩溶地区的树种生物量密度区间为69～143 t/hm2，岩溶地区的树种生物量密度区间为62～110 t/ hm2。但前期(1～20 a)时，岩溶地区生物量密度更大。此外，岩溶地区的生物量增长潜力明显低于非岩溶地区，体现在当树种林龄为20 a时，非岩溶地区除了湿地松、桉树，其他树种的生物量累积量占潜在最大值的65%以下，有较大的增长潜力，而岩溶地区只有其它软阔的生物量累积量占潜在最大值的65%以下。

对广东省国家级公益林而言，随着林龄增加，生物量密度呈增加趋势。由于上世纪人为干扰等因素的影响，全省国家级公益林中幼林面积以中幼林为主，占到72.34%，但经过生态公益林的保护与恢复，生物量将持续增长且潜力巨大。

需要指出的是，建立生物量密度—林龄模型时，由于林龄的调查数据不可避免会产生误差，使用林龄平均法来抵消调查误差，即使用的数据为某一林龄下的生物量密度平均值。此外，建立的模型可以代表某一树种(组)生物量生长曲线的平均水平，但未考虑自然条件、立地条件等差异对生物量的具体影响。