辽东山区油松人工林生物量研究

刘 平，韩金城，于 磊，荆 欣，王玉涛

（沈阳农业大学 国家林业局油松工程技术研究中心,沈阳 110161）

森林生物量是生态系统结构与功能的最基本特征，反映了森林群落利用自然资源的潜力和能力，不仅是衡量森林生产力的重要指标，也是研究森林生态系统物质循环的基础[1]。森林生物量的测定，对于深入研究森林生态系统生物地球化学循环和碳汇功能，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[2]。近年来，森林在应对环境问题和气候变化等方面的作用受到世界范围的极大关注，森林生物量的研究更加集中于人工林碳增汇能力和技术措施[3]、森林生物量模型[4]、森林生物量分配模式[5-6]、基于遥感影响的森林生物量预测[7-8]、森林生物量计算机模拟系统[9-10]等方面。

油松是辽宁的乡土树种和主要的造林树种，总面积约70万hm2，总蓄积量约3600万m3，其中油松天然林不足1%。油松人工林中幼林约占32%，近成熟林约占68%。油松在辽宁的荒山造林、水土保持、水源涵养、园林绿化、木材供给和林下经济等林业生态环境建设和林业产业发展中发挥了巨大而不可替代的作用。油松近年来的发展势头非常迅猛，造林绿化面积逐年扩大，但由于造林苗木质量较差、立地选择不得当、适地适树未达到、林分结构单一、密度调整不及时、森林经营管理粗放等科学的人工林高效培育技术的缺失，致使辽宁省的油松人工林出现大面积的衰退林分，生长不良的低效低价值林分，林分密度过高且未及时调整的林分，以及凭主观臆断的森林经营措施等现象。因而，研究油松人工林高效培育的关键技术势在必行，其中明确油松人工林生物量的分配模式和区域空间分布格局是关键问题。在油松的主要分布区，已有学者对北京油松人工林生物量分配模式[11]，甘肃油松人工林生物量及与林分密度的关系[12]，内蒙古油松人工林生物量与林分密度的关系[13]，河北油松人工林单株生物量及立地因子的影响[14-15]，山西油松人工林生态系统生物量及其分布[16-17]，陕西省油松人工林的生物量和生产力[18]等进行了研究，但作为油松主要分布区的辽宁，对于油松人工林的生物量分配及模型构建却鲜有报道。因此，本研究在基于辽东山区油松人工林森林资源调查数据和固定样地标准木的大量数据基础上，开展林分密度对油松人工林单株地上生物量的影响，油松人工林单株立木生物量模型构建及其辽东山区油松人工林生物量空间分布格局的研究具有重要的意义，以期为辽东山区油松人工林的科学营造和合理经营，油松人工林生态系统碳汇能力和林分生产力的科学评价提供科学的依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

辽东山区属温带季风气候区，冬季寒冷漫长，夏季短暂多雨。年均降水量700～850mm，年均蒸发量925～1284mm，年均气温4～11℃，无霜期120～139d。该区域属长白山余脉延伸区，海拔高度一般为200～500m，少数山峰超过1000m。土壤以棕壤暗棕壤为主，一般呈酸性或中性壤土和沙壤土。

1.2 样地设置及林分调查

于2018年在辽宁省抚顺市马古林场、温道林场、大伙房林场设置不同林龄、不同密度油松人工林固定样地共27块，每块样地0.06hm2（20m×30m），包括中龄林、成熟林、过熟林3个龄级。每个龄级设置9块样地，3个密度梯度，每一密度梯度间隔250株·hm-2，重复3次。采用胸径尺、皮尺、测高仪等测量油松胸径、树高、枝下高等单木指标以及林分密度、林分年龄等林分指标。样地基本数据见表1。

表1 不同龄级油松人工林基础数Table 1 Basic data of Pinus tabulaeformis plantation under different age class

1.3 林分标准木选择及调查

在每一固定样地内选择两株标准木，每个密度下取6株标准木。用生长锥沿南北方向钻取标准木胸径处木芯（贯穿标准木），共计54个木芯，用直尺测量木芯长度，带回实验室用烘箱恒温80℃烘至恒重。将标准木林冠分成上、中、下3层，每层选取两个标准枝，共6个标准枝，以人工方式截取标准枝并记录每一层内油松枝条数，用弹簧秤称量并记录每一个标准枝重量，去除针叶，再次称量去叶标准枝重量。每个标准枝截取一个样枝，保留一份样叶，分别称重，用信封分别保存并记录样枝、样叶所在标准地编号，所处冠层位置及鲜重。在54株标准木中共收集样枝和样叶共532份，将所有样枝、样叶带回实验室烘箱恒温80℃烘至恒重，分别记录样枝样叶干重。油松标准木基本数据如表2。

表2 标准木基本数据Table 2 Statistical table of sample trees data

1.4 辽东山区油松人工林森林资源二类清查数据

收集整理辽东山区 （抚顺市、本溪市、丹东市）2015年油松森林人工林资源二类清查数据小班样地共计21918块，油松人工林小班样地数据按龄级统计如表3。

表3 辽东山区油松人工林森林资源清查数据Table 3 Forest resources inventory data of pinus tabulaeformis plantation in eastern Liaoning

1.5 树干生物量的测定

采用木材密度法求算树干生物量[19]，其公式为：

式中：V1为标准木材积；B为树干基本密度。树干基本密度用木芯基本密度近似代替，基本密度公式为：

式中：M1为木芯干重;V2为木芯体积。

1.6 枝、叶生物量的测定

为减小从标准枝摘取针叶过程中针叶水分散失带来的误差，将截取的标准枝带叶称量其鲜重记为M2，去除针叶称量树枝鲜重量记为M3，则针叶鲜重为M2-M3，分别选取样枝、样叶称量鲜重后带回实验室烘箱恒温80℃烘至恒重。则枝的生物量：

式中：W2为枝的生物量；M3为标准枝重量；N1为标准枝枝条数；P1为标准枝含水率（样枝干重/样枝鲜重）。叶的生物量计算公式为：

式中：W3为叶生物量；M2为带叶标准枝重量；P2为叶含水率（样叶干重/样叶鲜重）。

2 结果与分析

2.1 林分密度对油松人工林单株地上生物量的影响

由表4可知，无论是中龄林，成熟林还是过熟林均表现出枝条生物量、树干生物量和单株地上总生物量随林分密度的增加而减小的趋势；相似密度条件下，枝条生物量、树干生物量和单株地上生物量随林龄的增加而呈现增加的趋势。油松中龄林平均单株枝条生物量、叶生物量、干生物量和地上总生物量分别为36.482，27.288，93.236，157.005kg；油松成熟林平均单株枝条生物量、叶生物量、干生物量和地上总生物量分别为88.078，38.45，131.036，257.563kg；油松过熟林平均单株枝条生物量、叶生物量、干生物量和地上总生物量分别为108.365，42.493，186.798，338.656kg。经方差分析，中龄林、成熟林和过熟林林分密度对单株地上生物量均有显著影响（p＜0.05）。

表4 油松人工林不同林龄不同密度单株生物量表Table 4 Individual treebiomass of Pinus tabulaeformis plantation under different stand density and ageclass

2.2 林分密度对油松人工林生物量分配的影响

由图1～图3可知，中龄林地上部分各器官的生物量分配随林分密度的增大，分配到干与叶的生物量所占比重逐渐增大，分配到枝的生物量所占比重逐渐减小。成熟林的随林分密度增大分配到干的生物量所占比重逐渐减小，分配到枝和叶的生物量所占比重逐渐增加。过熟林分配到干的生物量所占比重逐渐增加，分配到枝和叶的生物量所占比重逐渐减小。中龄林分配到干的生物量比例范围为54.9%～64.1%，成熟林分配到干的生物量比例范围为45.7%～53.9%，过熟林分配到干的生物量比例范围为52.6%～60.3%。中龄林分配到枝的生物量比例范围为16.8%～29.9%，成熟林分配到枝的生物量比例范围为32.8%～36.0%，过熟林分配到枝的生物量比例范围为29.9%～32.7%。中龄林分配到叶的生物量比例范围为15.1%～19.1%，成熟林分配到叶的生物量比例范围为13.3%～18.4%，过熟林分配到叶的生物量比例范围为9.8%～14.7%。

图1 不同林分密度油松中龄林生物量分配Figure 1 Biomass distribution of middle age forest under different stand density

图2 不同林分密度油松成熟林生物量分配Figure 2 Biomass distribution of mature forest under different stand density

图3 不同林分密度油松过熟林生物量分配Figure 3 Biomass distribution of over-mature forest under different stand density

2.3 油松人工林单株地上生物量模型构建

以油松人工林单株地上生物量W为因变量，以胸径D和树高H组合的D2H为自变量，使用直线型、对数函数曲线型、二次函数曲线型、指数函数曲线型、幂函数曲线型五种回归模型对W与D2H进行生物量模型构建。由图4～图7可知，油松中龄林单株地上生物量模型以幂函数曲线型拟合效果最好R2=0.6926，拟合方程为W=0.5752×(D2H)0.6964。油松成熟林单株地上生物量模型以二次函数曲线型拟合效果最好R2=0.8520，拟合方程为W=(5E-06)(D2H)2-0.0326×(D2H)+231.72。油松过熟林单株地上生物量模型以二次函数曲线型拟合效果最好R2=0.8827，拟合方程为W=(-6E-06)(D2H)2+0.1203×(D2H)-314.18。油松人工林全龄级单株地上生物量模型以幂函数拟合效果最好R2=0.8646，拟合方程为W=1.6053(D2H)0.5694。因而，辽东山区油松人工林不同龄级单株地上生物量方程的拟合为准确预估辽东山区油松人工林生物量及生产力提供重要的依据。

图4 全龄级油松人工林单株地上生物量模型Figure 4 Individual tree above-ground biomass model in total aged forest

图5 中龄油松人工林单株地上生物量模型Figure 5 Individual tree above-ground biomass model in middle aged forest

2.4 辽东山区油松人工林乔木层生物量空间分布格局

图6 成熟油松人工林单株地上生物量模型Figure 6 Individual tree above-ground biomass model in mature forest

图7 过熟油松人工林单株地上生物量模型Figure 7 Individual tree above-ground biomass model in over-mature forest

由表5可知，辽东山区油松人工林乔木层总生物量为1.96×107t，其中抚顺市油松人工林乔木层总生物量最大，为1.79×107t；本溪市次之，乔木层总生物量为1.37×106t；丹东市最少，乔木层总生物量为1.05×106t。本溪市幼龄林乔木层总生物量为3.74×104t，中龄林乔木层总生物量为1.07×105t，近熟林乔木层总生物量为4.58×105t，成熟林乔木层总生物量为7.59×105t，过熟林乔木层总生物量为1.73×104t。丹东市幼龄林乔木层总生物量为2.36×104t，中龄林乔木层总生物量为1.33×105t，近熟林乔木层总生物量为3.62×104t，成熟林乔木层总生物量为6.47×104t，过熟林乔木层总生物量为7.88×103t。抚顺市幼龄林乔木层总生物量为3.76×104t，中龄林乔木层总生物量为2.07×105t，近熟林乔木层总生物量为2.43×106t，成熟林乔木层总生物量为1.51×107t，过熟林乔木层总生物量为 1.56×105t。

表5 辽东山区油松人工林生物量空间分布Table 5 Spatial biomass distribution of Pinus tabulaeformis plantation in eastern Liaoning

3 讨论与结论

生物量是林分净第一性生产力的全面体现，不仅充分反映林分的光合生产能力，而且对于用材林的收获利用具有重要的现实意义[20]。辽东山区既是辽宁省的重要生态安全绿色屏障[21]，也是重要的商品林培育区域，明确该区域油松人工林的生物量分配及其区域空间分布特征对于油松人工林生态系统合理结构的形成和优良功能的发挥具有重要的意义。以往对林分生物量的研究通常需要伐倒样地的标准木，采用分层截取法或全部称重法测定生物量，这种方式精确度较高，但对林木破坏性较强，外业工作量巨大，费时费力[22]。本试验采用木材密度法计算树干生物量[19]，采用分层截取样枝法测算枝叶生物量，这种方式对林木破坏性较低，工作量较小，更切合生产实际，而且同样能较准确的估计林木生物量，在本研究中，构建的单株地上生物量预测模型的绝对值R2也非常高，在0.6926～0.8827之间，与大量采用伐倒木构建的生物量模型绝对系数非常接近[14,18]。

通过对辽东山区油松人工林固定样地标准木和森林资源二类清查数据发现，辽东山区油松人工林随林分年龄的增加，单株地上总生物量呈增加的趋势，在中龄林时为157.005kg·株-1，成熟林时为257.563kg·株-1，过熟林时为338.656kg·株-1；且随林分密度的增加，油松人工林单株地上总生物量呈现降低的趋势。辽东山区油松人工林各器官生物量分配比例，在不同林分密度和不同龄级中均表现为树干＞树枝＞树叶，这与一些学者对其他地区油松人工林生物量分配研究结论一致[14,18]。随着单株地上总生物量的不断增加，树干的生物量分配比率有缓慢降低的趋势，树枝和树叶的生物量分配比率则呈现缓慢上升的趋势。而且无论油松个体林木的树高、胸径如何变化，树干所占的生物量分配比例都最大，树叶所占的生物量分配比例最小。树干与树枝、树叶的生物量分配比率变化趋势相反，即树干的生物量分配比率上升时，树叶、树枝的生物量分配比率则会下降，反之则上升；树枝与树叶的生物量分配比率变化趋势一致，即枝条的生物量分配比率上升时，树叶也随之上升，反之则下降。采用幂函数和二次函数曲线型方程构建了较高精度的油松不同龄级的单株地上部分生物量模型，为辽东山区油松人工林生物量的准确预测和便捷应用提供了重要的依据。本研究明确了辽东山区油松人工林乔木层总生物量为 1.96×107t，其中抚顺市 1.79×107t，本溪市为 1.37×106t，丹东市为 1.05×106t；以及同一地区不同龄级下油松人工林乔木层的空间分布格局，这为辽东山区油松人工林固碳能力和生产力评价提供重要的参考。