青海省祁连圆柏天然林单木生物量模型构建

陈志林,李国兴,侯晓巍,李智华,郝家田,谭智渊,向安民,2*

(1.国家林业和草原局 西北调查规划设计院，陕西 西安 710048；2.旱区生态水文与灾害防治国家林业局重点实验室，陕西 西安 710048)

森林生物量是森林生态系统的基本参数，其大小与森林生态系统生产力、物质循环和能量流动等生态过程密切相关[1-2]。森林生物量的估算，已成为森林生态学研究中的热点之一[3-4]。传统的森林生物量生物量估算方法有收获法、平均标准木法和径级分层标准木法，能直接获得林分的生物量，估算结果精度较高[2]。但因收获过程中费时、费力，且对林分的结构与组成破坏性较大，限制了其应用[5]。随着信息技术的发展，建立林木生物量与其生长指标间的回归模型，已成为森林生物量估算的趋势[6-9]。我国森林生态系统类型多样，树种种类复杂，众多的学者已开展了森林生物量模型的构建工作并已取得了显著的成果，涉及树种包括华北落叶松、兴安落叶松、白桦、山杨、桉树和云南松等[1-2,4-5,7,9-11]。

祁连圆柏(Sabinaprzewalskii)为我国特有的常绿针叶树种，其抗逆性强，耐干旱瘠薄，多以纯林分布于西北地区海拔2 500～3 500 m，甚至4 000 m以上干旱的阳坡与半阳坡[12-14]，其为青藏高原东北部高山生态系统中的优势树种[13]，也是青海省境内分布最广的针叶树种。目前关于祁连圆柏的研究重要集中在树木年轮研究[15-16]、叶挥发成分[17]、气候对祁连圆柏径向生长的影响[18-19]、林线对树木生长的影响[20]、群落学特征[12]、叶片功能性状[13]与生态化学计量特征[19]等方面，有关祁连圆柏生物量模型的构建鲜见报道。本研究基于青海省祁连圆柏整株样木资料，构建了祁连圆柏林木单株生物量模型，旨在为祁连圆柏林乔木层生物量估算提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

祁连圆柏整株样木取自青海省互助土族自治县的北山林场和门源回族自治县珠固乡的天然林中。互助土族自治县北山林场位于该县东北部，地处祁连山东端，黄土高原向青藏高原的过渡地带，地理位置102°06′-102°43′E、36°42′-37°06′N。属温凉型大陆性气候，年均气温3.8℃，年降水量470 mm，年蒸发量1 090 mm，年日照时数2 593.4 h，无霜期150 d。地貌类型为多年冻土山地地貌，祁连圆柏分布于海拔2 600～3 200 m、坡度25°以上的阳坡山地碳酸盐褐色针叶林土上。祁连圆柏多形成单层纯林，胸高年龄为150～240 a，林分郁闭度0.4～0.5，胸径14～24 cm，林分高8～17 m；门源回族自治县地处青藏高原东北隅祁连山东段、青海省东北部，地理位置100°55′40″-102°38′26″E、37°03′10″-38°02′56″N。该县属高原大陆性气候，寒冷干燥。年均气温0.8℃，年均降水量518 mm，年蒸发量100 mm，年日照时2 264.8～2 739.8 h。祁连圆柏分布于海拔2 600～4 300 m的阳坡、半阳坡，多形成大面积稀疏纯林。林分胸高年龄为60～130 a，林分郁闭度0.2～0.5，胸径2.3～32.4 cm，林分高2.4～11 m。

1.2 样品采集

2018年8月3日-9月5日，经现地踏查，选择林相整齐、林木个体分布均匀，无采伐和放牧影响的林分为试验林分。设立面积为30 m×20 m的林分调查样地共33个，记录海拔、坡度、坡向、坡位等地形因子，并开展每木调查工作，记录树高、胸径等生长因子。然后按4 cm一个径阶，对样地内的林木进行分级，每径阶选平均标准木1株进行全株收获，对不同器官(根、干、枝、叶)进行编号、保存，带回室内进行处理、分析，共获得祁连圆柏全株样品63株。

1.3 样品处理

将采集的祁连圆柏不同器官的样品置于烘箱内，在85℃下烘至恒重[22]，然后把样品称重。

1.4 数据分析

用祁连圆柏50株样品的胸径、树高与其各器官生物量进行回归模拟，用13株样品的数据对模型精度进行检验，采用模型修正判断系数R2来评价回归方程的优劣,筛选出拟合度最好、相关性最密切的数学模型建立它们之间的相关方程,并通过残差分析[22]来验证方程的准确性和适用性。

残差分析中的指标均方根(root mean squareerror,RMSE)、模型有效性(modeling efficiency,ME)和残差系数((coefficient of residual mass,CRM)[22]按下式进行计算。

(1)

模型模拟及精度检验通过SPSS20.0软件完成。

2 结果与分析

2.1 样木实测数据的取值区间

通过对获得的祁连圆柏63株样木数据进行整理，其树高、胸径、树干生物量、叶生物量，枝条生物量、根生物量实测数据范围见表1。

表1 样品实测数据的范围Table 1 Range of measured values from collected samples

2.2 祁连圆柏不同器官生物量模型

表2 祁连圆柏器官生物量与生长指标间的关系Table 2 Relationship among organ biomass,height (H) and DBH (D) of Sabina przewalskii

2.3 祁连圆柏不同器官生物量模型精度检验

残差分析表明，祁连圆柏根生物量模型的RSME和ME分别为最小和最大(表3)，表明模型估计精度最高，CRM为-0.01，表明模型模拟值较实测值偏高；树干和枝生物量模型的RSME和ME分别为较小和较大，表明模型估计精度较高，其CRM分别为0.05和-0.66，与实测值相比，模型低估了树干生物量，高估了枝生物量；叶生物量模型的RSME和ME分别为0.69和0.80，表明模型估计精度可靠，其CRM为0.15，表明模型模拟值较实测值偏低。

表3 模型检验Table 3 Models tested

3 结论与讨论

基于祁连圆柏样木全株数据，在一定生长指标和器官生物量范围内，建立的器官生物量和树高、胸径的回归模型，具有较高精度，且模型中的变量数据较易获取，便于直接应用。

董利虎等[2]基于林分长期固定样地的监测数据，建立了大兴安岭东部主要林分类型的乔木层生物量模型，可较好地估算林木总生物量、地上生物量和树干生物量，但林木枝、叶生物量估算精度较差。李巍等[7]和郭金堂等[9]分别建立了兴安落叶松和华北落叶松生物量与林木胸径的生长模型，具有观测指标易获取、应用方便等特点，但林木器官的生物量除受胸径影响外，还与树高有关。N.M.Datsenkoetal[23]采用特征分析方法，基于树木的年轮宽度和最大晚材密度记录，建立了高海拔地区祁连圆柏、欧洲常绿松类及落叶松的通用生长模型，较好地反映了树种的生长过程，但无法量化单木生物量。X.Tianetal[24]基于遥感数据，模拟了祁连山青海云杉林地上部分生物量动态，但因验证样地设置和观测指标较复杂，难以在祁连圆柏林生物量估算中直接应用。本研究在分析祁连圆柏树高、胸径与器官生物量相关性的基础上，建立了祁连圆柏器官生物量与生长指标的估算模型，估算结果更可靠。但因影响祁连圆柏不同器官生物量的生长指标(树高、胸径)并非完全相同，无法根据现有数据建立全株生物量与生长指标的回归模型。同时，本次采样中未对样木按龄组分级，样木中包含了祁连圆柏更新幼树，加之该树种在较大树龄时树皮易脱落，采样中未涉及树皮。为进一步提高模型的估计精度，在今后研究中应关注样木的胸高年龄与树皮。