福建将乐杉木生物量相容性模型分析

吴明晶

(将乐国有林场，福建 将乐 353300)

森林生物量是森林生态系统最基本的数量特征之一[1]。测定森林的生物量费时费力，而建立生物量模型减少外业工作是目前认可的[2]。但在研究方法上，国内外研究者普遍采用的是按林木各器官(干、枝、叶、根)分别进行选择模型，分别拟合各自方程中的参数，即各器官之间的估计都是独立进行的[3]，导致拟合的模型之间不相容。为了解决模型之间不相容的问题，骆期邦等[4]提出用线性联立模型和非线性联合估计模型来解决总量与分量之间的相容性问题；唐守正等[3]利用非线性联合估计方案进行模型拟合，并将结果与比例平差法对比，认为2级代数和拟合分配方案为最佳方案；董利虎等[5]采用比值函数分级联合控制方程组构建了以总生物量为基础的相容性模型来拟合黑龙江省主要树种的生物量相容性模型，模型精度都较高。本文以福建将乐国有林场的杉木为研究对象，采用3级联合控制方案建立生物量相容性模型。

1 研究区概况

本研究分析数据采集于福建将乐国有林场，福建将乐国有林场地处武夷山脉东南部，属亚热带季风气候区，具有海洋性和大陆性气候特点，年均气温18.7 ℃，年均降水量1676 mm，年均蒸发量1204 mm，年无霜期298 d，气候温暖湿润。地貌以低山丘陵为主，海拔140～1403 m，林场森林覆盖率93.5%，主要造林针叶树种为杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)、马尾松(PinusmassonianaLamb.)、湿地松(PinuselliottiiEngelmann)等。

2 材料与方法

2.1 标准木选择和生物量测定

本研究分别龄组共设置杉木标准地14块，其中幼龄林3块，中龄林2块，近熟林3块，成熟林3块，过熟林3块，标准地信息见表1。在每木检尺的基础上，每块标准地选择无断梢、无分叉，生长正常，冠幅、冠长具有代表性的林木2株作为标准木，分别地上部分和地下部分测量生物量，地上分为树干和树冠(树枝和树叶)生物量，地下指树根的生物量。各组分(器官)生物量的测定方法参见文献[6]。

表1 标准地信息表

2.2 生物量独立模型拟合

采用生物量一元、二元模型，拟合整株及各分量(器官)的生物量，分别为：W=aDb(公式1)，W=aDbHc(公式2)，式中：W为生物量；D为标准木胸径；H为标准木树高；a、b、c为方程参数[7]。

2.3 生物量模型检验

2.4 生物量相容性模型拟合

采用3级联合控制方案建立生物量相容性模型：1级控制变量为整株生物量，对整株生物量的独立最优模型进行回归估计，通过1级控制按比例分配使地上部分生物量与树根生物量之和等于整株生物量；2级控制变量为地上部分生物量，通过2级控制按比例分配使地上部分生物量等于树干生物量与树冠生物量之和；3级控制变量为树冠生物量，使树冠生物量等于树枝生物量和树叶生物量之和。

3 结果与分析

3.1 各器官生物量最优模型

根据28株杉木标准木的生物量实测数据，以一元、二元生物量模型对杉木各器官生物量进行拟合，并通过模型检验指标选出各器官的最优独立模型，各检验指标见表2。

表2 各器官一元、二元模型评价指标

从表2可以看出，各器官二元模型的误差、均方根误差都小于一元模型，决定系数都高于一元模型，所以选定以胸径(D)、树高(H)为自变量的二元模型作为各器官生物量的最优模型。

以选出的最优独立模型拟合各器官的生物量，分别计算整株生物量拟合值与树干、树枝、树叶和树根生物量拟合值之和的差异(Δ1)：Δ1=总量-(树干+树枝+树根+树叶)，Δ1(%)=Δ1/总量×100；地上生物量拟合值与树干生物量拟合值和树冠生物量拟合值之和的差异(Δ2)：Δ2=地上部分-(树干+树冠)，Δ2(%)=Δ2/地上部分×100；树冠生物量拟合值与树枝生物量拟合值和树叶生物量拟合值之和的差异(Δ3)：Δ3=树冠-(树枝+树叶)，Δ3(%)=Δ3/树冠×100。结果见表3。

表3 各器官生物量不相容分析

从表3可以看出，整株总量、地上生物量、树冠生物量与其对应的各分量之和间存在着不同程度的误差，这与唐守正等[3]、董利虎等[5]的研究结果一致，主要是由于各器官的模型拟合是独立进行的，导致各器官生物量模型之间是不相容的。

3.2 各器官生物量相容性模型

以得出的各器官生物量独立最优模型为基准，利用3级联合控制方案建立生物量相容性模型；以总生物量为基础联立方程组进行逐级联合估计，具体步骤如下。

表4 相容性联立模型参数估计值

通过对构建的相容性生物量模型进行检验(表5)可以看到，生物量相容性模型在解决整株生物量与各分项生物量以及分项生物量之间相容的基础上，模型的各评价指标都较理想(除树叶外)，模型拟合能力较好。树枝和树叶的生物量模型评价指标较低，一方面可能与树枝、树叶生物量受树冠形状、大小和饱满程度以及树木长势影响，而这些因素又随气候、生境不同而变化有关；另一方面可能是在树枝、树叶外业调查伐倒过程、取样过程中损失了部分生物量有关；导致树冠部分生物量的评价指标较低。

表5 相容性联立模型评价指标

4 结论

本研究用包含胸径的一元模型和包含胸径、树高的二元模型对杉木生物量进行拟合，结果表明包含胸径、树高的二元模型拟合效果更好；在选出各器官最优独立模型的基础上，采用3级联合控制方案建立各器官生物量间的相容性模型。结果表明，以整株生物量为基础建立的相容性方程系统，采用分级联合控制的方法进行拟合，能够有效解决整株生物量与各分项生物量以及分项生物量之间相容的问题，而且除了树叶生物量模型外，其余生物量模型的拟合效果都较好。

本研究中树枝和树叶的生物量模型评价指标较低，一方面可能与树枝、树叶生物量受树冠形状、大小和饱满程度以及树木长势影响，而这些因素又随气候、生境不同而变化有关，另一方面可能是与树枝、树叶在外业调查伐倒、取样过程中损失了部分生物量有关，在今后开展相关工作中应引起重视。