将乐国有林场主要针叶林生物量及碳储量
《福建林业科技》杂志 2018年1期
作者：林华忠
(将乐国有林场，福建 将乐 353300)
生物量和生产力作为生态系统中积累的植物有机物总量，是整个生态系统运行的能量基础和营养物质来源[1]。作为陆地生态系统重要碳库，森林生态系统占整个陆地生态系统地上碳库的80%[2]，因此，森林生态系统生物量的研究在全球碳循环中起关键作用，获取准确的森林生物量是研究森林生态系统结构与功能的基础，对深入研究森林生态系统生物地球化学循环、碳汇功能、评价人工林生态系统生产力与环境因子之间的关系具有重要的科学价值[3]。
杉木、马尾松构成了中国南方人工林的主体，南方10省区杉木、马尾松林分别占该区域全部人工林的近30%、40%[4]。根据将乐国有林场二类调查数据显示，杉木、马尾松面积分别约占林场有林地面积的48.3%、30.7%，虽然将乐林场也有相关生物量和碳储量的研究报道，但是系统地对林场在固碳角度所发挥的生态效益的研究较少。本研究以杉木和马尾松的标准木生物量数据以及二类调查数据为基础，对林场针叶林的固碳效益进行分析，以期对以主要发挥经济效益的林场经营过程提供生态效益数据，为林场的可持续经营和多功能经营提供参考。
1 研究地概况
研究区位于福建省三明市将乐县境内的将乐国有林场，将乐县(117°05′—117°40′E、26°26′—27°04′N)位于福建省西北部，属于中亚热带季风区，具有海洋性和大陆性气候特点。境内地势复杂，以中、低山为主，森林资源丰富，森林覆盖率达84.5%，林木蓄积量1598万m3。将乐国有林场地处武夷山脉东南麓、金溪河畔，为低丘陵地带，最高海拔1203 m，最低海拔140 m，年均气温18.7 ℃，年均降水量1669 mm，年均蒸发量1204 mm，年无霜日287 d。土壤以红壤为主，并分布有黄红壤，土层深厚，土壤肥沃，适宜培育以杉木、马尾松为主的用材林和乡土珍贵树种。林场有林地面积6469.3 hm2，其中针叶林面积5114.3 hm2，杉木面积为3126.7 hm2，约占林场有林地面积的48.3%；马尾松面积1987.5 hm2，约占林场有林地面积的30.7%。
2 研究方法
2.1 资料收集与整理
2012—2014年在将乐国有林场，对主要针叶树种杉木、马尾松人工林根据幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林、过熟林5个龄级分别设置标准地，其中马尾松设置6块标准地，杉木设置8块标准地，标准地面积为600 m2，林分基本特征因子见表1。对样地内林木在每木调查的基础上，每块标准地分别选取2～3株平均标准木，共选取39株标准木。
表1 标准地基本信息
2.2 各器官生物量测定
用分层切割法分别实测树干、树皮、树枝、树叶鲜质量，将标准木树干从基部开始按1 m分段，测得每一段树干的带皮鲜重，并截取圆盘作为样品，剥取圆盘的树皮称鲜重作为树皮生物量的样本，估算全段的树皮鲜重。将树干及树皮生物量样品在85 ℃恒温烘干至恒重后称重，计算含水率。将每段树干上的活枝、枯枝全部称重后，按活枝基径和长度选取3～5个标准枝称鲜重，将标准枝的枝、叶分离并分别称鲜重；取少量活枝、枯枝及针叶样品在85 ℃恒温烘干至恒重后称重，计算含水率。根系生物量测定采用全收获法，将根系分为细根、中根、粗根和大根4个等级，依次按0～10、11～20、21～30、31～40、40 cm以下5个土层分层分级称根系的鲜重并取样，样品在85 ℃恒温烘干至恒重后称重，计算含水率。根据各器官的含水率及鲜重估算生物量[5]。
2.3 林分生物量及碳储量的测算
由于标准木生物量与林木胸径、树高有极强的相关性，根据标准木调查数据，以D(胸径)、H(树高)、D2H为变量[5-6]，选用常用的生物量模型W=aDb、W=aDbHc和W=a(D2H)b，以偏差(Bias)、均方根误差(RMSE)和调整后的决定系数(adj-R2)为模型检验指标[7]，选取最优模型，求得标准木各部分生物量模型，根据标准地调查的相关数据，进而求得林分生物量，并乘以各组分的含碳率求得林分碳储量(杉木各器官的含碳率以方晰等[8]所测定的湖南会同的杉木林分各器官含碳率为准，马尾松各器官含碳率以郭文清[9]所测定的湖南会同和怀化的马尾松平均含碳率为准)。
3 结果与分析
3.1 杉木生物量拟合
通过对杉木标准木生物量模型拟合，以偏差(Bias)、均方根误差(RMSE)和调整后的决定系数(adj-R2)为模型指标选取各器官生物量的最优模型，结果见表2。
表2 杉木生物量最优模型
Bias和RMSE表征模型预测值与实测值的差别，adj-R2的大小决定预测值与实际值相关的密切程度，Bias和RMSE的值越接近0而adj-R2的值越接近1，说明模型的精度越高，模型的参考价值越高。从表2可以看出，杉木不同器官的生物量最优模型不同，树干、树皮和树根的生物量模型以W=aDbHc的拟合效果最好，树枝和树叶的生物量以W=a(D2H)b的拟合效果最佳。
3.2 马尾松生物量拟合
通过对马尾松标准木生物量模型拟合，以偏差(Bias)、均方根误差(RMSE)和调整后的决定系数(adj-R2)为模型指标选取各器官生物量的最优模型，结果见表3。从表3可以看出，马尾松不同器官的生物量最优模型不同，树干、树枝的生物量模型以W=aDbHc的拟合效果最好，树皮和树叶的最优模型为W=aDb，树根生物量的最优模型为W=a(D2H)b。
表3 马尾松生物量最优模型
3.3 针叶林生物量计算
根据将乐国有林场2010年的二类调查数据，参照杉木和马尾松的各器官生物量最优模型，推算林场主要针叶林的生物量，计算结果见表4。
表4 将乐国有林场针叶林生物量分配
从表4可以看出，杉木生物量为393898.05 t，其中树干生物量为206025.70 t，占总生物量的52.30%；树皮生物量为34539.02 t，占总生物量的8.77%；树枝生物量为48182.18 t，占总生物量的12.23%；树叶生物量为26047.60 t，占总生物量的6.61%；树根生物量为79103.60 t，占总生物量的20.08%。马尾松生物量为516985.30 t，其中树干生物量为262229.02 t，占总生物量的50.72%；树皮生物量为37953.15 t，占总生物量的7.34%；树枝生物量为129472.27 t，占总生物量的25.04%；树叶生物量为27490.52 t，占总生物量的5.32%；树根生物量为59840.35 t，占总生物量的11.57%。
3.4 针叶林碳储量计算
根据方晰等[8]、郭文清[9]的含碳率测定结果，杉木各器官的含碳率分别是树干0.4744，树皮0.5003，树枝0.4605，树叶0.4916，树根0.4724；马尾松各器官的含碳率分别是树干0.5029，树皮0.4523，树枝0.4828，树叶0.5959，树根0.4919。推算将乐林场针叶林的碳储量，结果见表5。
表5 将乐国有林场针叶林碳储量
从表5可以看出，树干的固碳量最大，杉木树干的固碳量为97738.57 t，占比为51.66%；马尾松的树干固碳量为131874.97 t，占比为51.24%，均超过总固碳量的50%。树叶的固碳量最少，只占总固碳量6.37%～6.50%，杉木树根的固碳量为39575.53 t，占总固碳量的20.92%；马尾松树枝的固碳量为62509.21 t，占比为24.29%。杉木的总固碳量为189210.56 t，马尾松的总固碳量为257367.46 t，将乐林场2种针叶树种的固碳量为446578.02 t。
4 结论与讨论
本研究根据杉木、马尾松的标准木生物量数据，以常见的生物量模型对2种针叶树种的各器官生物量进行拟合，并以偏差(Bias)、均方根误差(RMSE)和调整后的决定系数(adj-R2)为模型检验指标，选取最优模型，根据二类调查数据，对将乐林场针叶林的生物量进行估算。林场针叶林总生物量为910883.35 t，其中杉木生物量为393898.05 t，马尾松生物量为516985.30 t，并以2种树种各器官的固碳率对林场针叶林的固碳能力进行估算，将乐林场针叶林总固碳量为446578.02 t，杉木总固碳量为189210.56 t，马尾松总固碳量为257367.46 t。其中均以树干的固碳量最大，杉木的树干固碳量为97738.57 t，占杉木固碳总量的51.66%；马尾松树干固碳量为131874.97 t，占马尾松总固碳量的51.24%。
在以发挥经济效益为主体的将乐林场的经营过程中，本研究从森林固碳的角度出发，对将乐林场所发挥的生态效益进行估算，但仅是推算主要针叶树种的生态效益，并没有对林场所有树种的固碳能力都进行分析，同时也仅仅采用二类调查的数据，没有采取连续的数据对林场碳储量动态变化进行分析，还有待进一步深入研究。
参考文献：
[1]冯宗炜，王效科，吴刚.中国森林生态系统的生物量和生产力[M].北京：科学出版社，1999.
[2]Waring R H，Running S W.Forest Ecosystems：Analysis at Multiple Scales[M].San Diego，California：Academic Press，1998.
[3]Garkoti S C.Estimates of biomass and primary productivity in a high-altitude maple forest of the west central Himalayas[J].Ecological Research，2008，23(1)：41-49.
[4]State Forestry Administration.Report of Forest Resources in China：the Seventh Check[M].Beijing：Chinese Forestry Publishing House，2009.
[5]涂宏涛，孙玉军，刘素真，等.亚热带杉木人工林生物量及其碳储量分布——以福建将乐县杉木人工林为例[J].中南林业科技大学学报，2015，35(7)：94-99.
[6]王天博.福建将乐马尾松人工林单木生物量模型研究[D].北京：北京林业大学，2012.
[7]张鹏，王新杰，许昊.将乐地区马尾松标准树高曲线的研究[J].中南林业科技大学学报，2015，35(3)：69-73.
[8]方晰，田大伦.速生阶段杉木人工林碳素密度、贮量和分布[J].林业科学，2002，38(3)：14-19.
[9]郭文清.马尾松纯林全林整体生物量模型及碳储量计算[D].长沙：中南林业科技大学，2013.