大兴安岭地区落叶松生物量模型研究

2017-07-07沈威

防护林科技 2017年2期

关键词：单木去皮落叶松

沈威

(辽宁省林业调查规划院,辽宁沈阳 110122)

大兴安岭地区落叶松生物量模型研究

沈威

(辽宁省林业调查规划院,辽宁沈阳 110122)

以不同年龄、不同密度的落叶松(Larixgmelini)人工林为研究对象，基于标准地37株标准木的树干解析、枝解析的生物量数据，研究胸径、树高、冠幅等指标与单木各分量(树干、枝、叶)生物量之间的关系，通过统计分析建立了落叶松单木各部分生物量的回归模型，为了解落叶松人工林生产力，并对其进行合理经营提供了科学依据。

落叶松；生物量；模型；大兴安岭

Abstract TakingLarixgmeliniplantations with different densities at different ages as research objects,based on the biomass analysis of tree stem analysis and branch analysis for 37 standard trees, relationship among the indices (DBH, tree height, crown) and each component (stem, branch, leaf) were studied.Establishing regression model of biomass of the single tree for each part ofLarixgmeliniiby using statistical analysis can not only understand productivity ofLarixgmeliniplantation, but also provide a scientific basis for its rational management.

Key wordsLarixgmelini; biomass; model；Daxing’anling Region

中国从20世纪70年代末开始引入森林生物量的概念。潘维俦等在杉木人工林方面的研究开创了国内研究森林生物量的先河，之后是冯宗炜关于马尾松人工林生物量的研究，以及李文华等在长白山地区对当地常绿阔叶林开展的生物量研究，为后来中国系统建立全国范围内的森林植被碳库及分析其变化打下了基础。21世纪以来，国内逐渐加强了对森林生物量方面的研究。目前应用比较广泛的有以下两种：第一种是胥辉等建立的相容性模型，该模型是基于各分量独立的生物量模型，结合林木关系得出相容性模型；第二种是刘琪璟研究出的嵌套回归方法建立生物量，以枝轴为基本单位，通过枝轴到枝条到单株的步骤, 逐级拟合林分的生物量模型。

森林生物量占地球总的生物量的九成以上，它能客观地反映森林的固碳能力，也能反映森林碳的收支情况，是研究很多林业问题和生态问题的基础。特别是在人们越来越重视碳循环的今天，森林生物量的研究与估算可以为人们的生产生活提供依据。

1 样地设置及测量项目

1.1 标准地设置

以不同年龄、不同密度及不同立地条件的落叶松人工林为研究对象，在具有代表性、未经过间伐、生长正常的林分中设置标准地。在样地内对乔木层进行每木检尺，测定落叶松胸径、树高、枝下高、冠幅等指标；将测定的结果，按径阶统计分组，计算各径级的平均直径及平均高，以此为标准在标准地外选择不同大小的林木作为树干解析和枝解析样木。所选的样木应生长正常,树干无分叉、无倾斜。

1.2 树干生物量的测定

将树木伐倒，按1 m区分段将树干截断，称取各段带皮的树干鲜质量，单位为kg，精确到0.1 kg，进行合计，求出地上部分的树干鲜质量。

各区分段截取圆盘，称取各圆盘的鲜质量，将圆盘在恒温下干燥，然后称取圆盘干质量。

1.3 枝、叶及根的生物量的测定

枝及叶的生物量采用平均重量标准枝法进行。将每轮轮枝的每个枝条沿基部截下，逐个测量其枝叶总生物量。选择一个标准枝(通常为每轮轮枝中较大的枝条)，称带叶枝的鲜质量。摘去标准枝上的叶，分别称枝鲜质量及叶鲜质量，取枝鲜质量与叶鲜质量之和应该等于带叶枝鲜质量。将枝剪成10 cm左右的小段，混合均匀，从中抽取100 g作为样品烘干。叶混合均匀后抽取50 g作为样品烘干。可采用干质量比法计算树木干量和每个枝条的叶量和枝量。称取样品烘干后的重量(干质量)，通过计算鲜质量与干质量的差值即为树干样品或枝叶样品的含水量。然后通过比例法可以算出树干和叶的干质量。用同样的方法测得皮干质量和去皮干质量。由于根的测量样本分为0.2～2 cm、2～5 cm、>5 cm三段，所以每段的根干质量都必须用对应的样本数据计算得出(表1)。

表1 生物量计算方法

2 研究方法

2.1 生物量模型的选取

单木生物量模型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类模型。可通过以下三种方式进行研究：

线性模型(加性误差) :

Y=β0+β1X1+…+βjXj+ε

非线性模型(加性误差) :

非线性模型(乘性误差) :

其中Y表示生物量,Xj表示第j个变量,βj表示第j个模型参数,ε表示误差项。

线性模型通常用最小二乘法的多元线性回归进行估算，非线性模型(加性模型)通常用迭代参数估计法的非线性回归方程进行估算。而非线性模型(乘性误差)通常通过转化，经过对数变化转换为线性回归方程，一般如下

lnY= lnβ0+β1lnX1+…+βjlnXj+ lnε

转换后的相对生长方程容易进行统计运算，同时经对数变换后，数据满足线性假设。

2.2 生物量模型的研究方法

首先对单木各器官生物量进行分析，利用树高和根总干质量、皮总干质量、总的去皮干质量、枝总干质量以及叶总干质量的关系，在Excel中生成离散图，选择最合适的趋势线，得到曲线方程，并比较相似度。选择相似度比较高的模型作为单木各器官生物量方程，用同样的方法对胸径进行同样的处理。然后比较，选出最优模型。

而对总的生物量的模型选取了3种模型对生物量模型进行研究，对线性模型进行分析，变量选择树高H和胸径D，生成生物量与树高的关系图以及生物量与胸径的关系图，利用SAS软件进行拟合处理，估算出参数。然后进行误差分析。例如:

W=a+D*b

W=a+H*b

W=a+D*b+H*c

式中，W表示生物量，a、b、c表示式中的估计参数，D表示胸径，H表示树高。

对落叶松样木生物量拟合数据进行整理，与林分调查因子间相关关系的进行分析，选择相关系数较大的变量，构建一个回归模型来预测落叶松人工林的各部分生物量。根据所计算的各生物量方程的拟合统计量，选择相关系数较大，并且根据图表模型的曲线与实际趋势比较符合的模型来作为生物量方程。

3 结果与分析

3.1 树木各器官生物量模型的建立

随着树高和胸径增加，单木各器官生物量也随之增加，两者之间可能存在一定的线性或非线性关系。本研究分别对生物量与树高、胸径的关系进行估算，最后选择出最优模型。

树高与生物量模型的拟合关系图(图1～图5)：

图1 树高与根总干量关系图

图2 树高与皮总干量关系图

图3 树高与去皮总干量关系

图4 树高与枝总干量关系

图5 树高与叶总干量关系图

abR2根总干量y=axb1.77313.28100.1895皮总干量y=abx0.1250e0.26080.6394去皮总干量y=axb0.00703.52100.5404枝总干量y=axb0.00083.30200.1836叶总干量y=axb0.001053.25870.1910

通过对落叶松散点图的分布及趋势的分析，树高与生物量存在着非线性关系。通过比较相关系数(R2)我们发现皮总干量和去皮总干量的相关系数较高，都大于0.5，而根总干量、枝总干量、和叶总干量与树高的非线性关系并不明显，相关系数较低(表2)。但总的趋势是随着树高的增加，单木各部分的生物量随之增加。

由上面的统计量可得针对皮总干量和去皮总干量我们可以利用与树高的模型对其进行估测。而对于其他干量，由于相关系数太低，线性关系不太明显，我们可以通过建立其与胸径之间的关系进行拟合、估测。

胸径与生物量模型拟合关系图如下(图6～图10):

图6 胸径与根总干量关系图

图7 胸径与皮总干量关系图

图8 胸径与去皮总干量关系图

图9 胸径与枝总干量关系图

图10 胸径与叶总干量关系图

abR2根总干量y=axb15.5292.46820.4887皮总干量y=axb0.02322.12090.8382去皮总干量y=axb0.10752.48040.7888枝总干量y=axb0.00722.48540.4824叶总干量y=axb0.00822.45200.4895

通过对落叶松散点图的分布及趋势的分析，选择胸径与根总干质量、皮总干质量、总的去皮干质量、枝总干质量以及叶总干质量最优的非线性模型关系。发现最优的非线性模型为y=axb ，其中a、b为参数，x表示胸径。我们发现胸径与皮总干量和去皮总干量的非线性关系比较明显，相关系数较高，而胸径与其他干量非线性模型的相关系数大多在0.5左右。对于枝总干量和叶总干量，运用胸径建立模型进行估算会适当优于采用树高对其进行估算。而对于根总干量，树高和胸径与之的非线性关系相似，采用任一自变量即可。