基于森林资源清查资料的盈江县森林生物量和生长量分析*

汤明华,刘娟,高林,赵金发,樊骥善,余涛

(1.云南省林业调查规划院 生态分院,云南 昆明 650031;2.云南林业职业技术学院,云南 昆明 650224;3.云南省林业调查规划院,云南 昆明 650051)

随着城市化进程加快、化石燃料用量增加、土地利用变化加剧,大气CO2浓度显著增加,由此引发的环境问题日益突出,控制大气CO2浓度升高成为21世纪国际社会面临的重大挑战之一[1]。陆地生态系统通过光合作用将大气CO2固定在植被和土壤中。作为重要的碳汇之一,植被和土壤可以有效减缓大气CO2浓度增加,这已经成为学术界普遍认可的观点[2-3]。巩固和提升生态系统碳汇功能是实现我国2030年前碳达峰、2060年前碳中和重要战略目标[4]。

森林生态系统是维持生物圈和地圈动态平衡重要的陆地生态系统类型,也是陆地生态系统最主要的生产者[5]。森林生物量约占全球陆地植被生物量90%,是森林固碳能力的重要标志,同时也是评估森林碳收支的重要参数,森林及其变化对陆地生物圈及其它地表过程有着重要影响[6-10]。在全球应对气候变化的大背景下,由于森林在全球碳循环中发挥着重要作用,森林生物量和碳储量越来越受到世界各国的广泛关注[11]。早在20世纪70年代末80年代初,冯宗炜、李文华等就开始对我国森林生物量测定开展研究[12]。基于森林资源清查资料的森林生物量估算是在景观、区域甚至全球尺度上评估森林碳收支的重要手段,且在陆地生态系统碳循环和全球变化研究中起着十分重要的作用[13-17]。森林生态系统的生物多样性与生产力关系受环境因子变化影响很大,其中,气候和土壤的变异表现最为突出[18-19]。

森林碳储量是森林碳汇功能的具体表现[20-22]。云南省作为我国林业大省,森林碳汇功能将为我国应对气候变化做出巨大贡献。盈江县隶属德宏傣族景颇族自治州,地处高黎贡山西坡,是中国唯一具有伊洛瓦底江水系热带生物区系的地区。辖区内热带山地森林生态系统保存完好,生物多样性极其丰富,特别是分布着许多独特的珍稀特有物种;森林资源丰富,森林面积达306 321.4 hm2,蓄积量为36 489 660 m3,生物量为32 426 833.61 t,单位面积生物量为85.55 t/hm2。本研究利用云南省德宏州盈江县森林资源连续清查数据和生物量换算因子连续函数法估算该区域森林生物量,探讨区域森林生物量估计的可行方法。研究结果可以为县级生态效益评价、生态补偿机制中的补偿量计算以及二氧化碳排放权的有偿转让的价值评估等提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

盈江县位于云南省德宏傣族景颇族自治州西北部,地处喜马拉雅山延伸横断山脉的西南端,为高黎贡山西坡,地势东北高,西南低,海拔210～3 404.6 m。区内属南亚热带季风气候,热带、亚热带和温带气候集中于一县,即北热带、亚热带、温带气候并存。地貌组合形态多样,地势高低突出,具有“立体气候”特点。年均气温20.6 ℃,年平均相对湿度73%;冬无严寒、夏无酷暑,四季难分、春意常浓。全年无霜期长达324.4 d,年均日照时数2 364.5 h,年均降雨量2 328.1 mm。常年受西南季风影响,每年5—10月为雨季,降雨量占全年的89.3%;冬春少雨干燥。研究区域内有砖红壤、赤红壤、红壤、黄壤、黄棕壤、棕壤、亚高山灌丛草甸土7个森林土类,从低海拔到高海拔随生物条件发育,依次呈明显的垂直分布[18-19]。根据《云南植被》,盈江县主要有雨林、季雨林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、暖性针叶林、竹林、灌丛7个植被类型。

1.2 样地调查

本研究采用的基础数据是盈江县第九次森林资源清查(云南省第七次复查)样地统计资料。2017年3月—2017年7月在盈江县已设置好的90块固定样地内进行野外调查。样地海拔在760～3 070 m之间,每个样地面积为28.28 m×28.28 m(0.08 hm2)。调查时记录样地基本情况,如地貌、海拔、坡向、坡位、坡度、土壤名称及厚度、腐殖质厚度、枯枝落叶厚度、植被类型、灌木覆盖度及高度、草本覆盖度及高度、植被总覆盖度、地类、权属、森林类别等62项因子。在每个乔木林样地中,记录样地内出现的所有乔木种类,调查内容包括物种名、起源、胸径、树高、龄组、年龄、郁闭度、群落结构、树种结构及林层结构等特征,同时记录样地内出现的灌木与草本种类。

1.3 生物量估算方法

1.3.1 生物量转换因子连续函数法

生物量转换因子连续函数法是为克服生物量转换因子法将BEF作为常数的不足而提出的,该方法是将单一不变的生物量平均转换因子改为分龄级的转换因子,以更加准确地估算区域或国家的森林生物量[2,13,23-24]。fBEF=a+b/V,其中:a和b为参数,fBEF为生物量转换因子,V为林分蓄积。盈江县主要森林生物量与蓄积量关系见表1。

表1 生物量和蓄积量转换模型参数

1.3.2 生物量异速生长模型

根据盈江县2012年和2017年森林资源连续清查固定样地调查数据,选取68个样地作为本研究中主要森林类型生长量的计算,通过2个不同时间段主要森林类型生物量的增减作为乔木生长量的衡量标准。将森林资源连续清查中树种分为5类,分别是云南松类、杉木类[25]、桦木类、栎类及其它阔叶类。其中:杉木类包括柳杉(Cryptomeriafortunei)、秃杉(Taiwaniaflousiana)等;桦木类包括桤木(Alnuscremastogyne)和西南桦(Betulaalnoides)两个树种[26];栎类包括杯状栲(Castanopsiscalathiformis)、刺栲(C.hystrix)、大果青冈(Cyclobalanopsisrex)、滇青冈(Cy.glaucoides)、短刺栲(C.echidnocarpa)、多变石栎(Lithocarpusvariolosus)、光叶石栎(L.mairei)、华南石栎(L.fenestratus)、黄毛青冈(Cy.delavayi)、栲树(C.fargesii)、麻栎(Quercusacutissima)、木果石栎(L.xylocarpus)、青冈(Cy.glauca)、栓皮栎(Q.variabilis)、小叶青冈(Cy.myrsinaefolia)、硬斗石栎(L.hancei)等16个树种;其他阔叶树种归为一类[27]。样地不同乔木物种适用的生物量异速生长方程见表2。

表2 盈江县主要森林类型乔木地上生物量计算方程

1.4 影响因子筛选

选取与森林生物量密切相关的气候(气温、降水)、林分密度、林木个体大小差异及林龄作为森林生物量影响因子。林木大小个体差异为样地中所有乔木个体胸径的标准差与胸径的平均值的比值[19,28-29]。本研究所选气候因子为年平均气温与年降雨量。气候因子从ClimateChina v4.40中提取。ClimateChina是基于PRISM(parameter-elevation regressions on independent slope model)建立起来的气候模型,采用双向插值法和偏导海拔调整方案相结合的方法,其输出结果已经在云南省135个气象站点得到验证[19,28-29],利用取样点(地)的经度、纬度和海拔数据就可以提取气候因子。

1.5 数据分析

通过多元回归分析年平均降雨量、年平均气温、林分密度、林木个体大小差异及林龄对林分生物量的影响,并通过随机森林模型评估生物因子及非生物因子对林分生物量的贡献。随机森林模型无须考虑一般线性回归分析面临的共线性问题,不用做变量选择,现有的随机森林软件包都给出了所有变量的重要性[26]。所有分析过程均在R语言4.2.3版本中完成。

2 结果与分析

2.1 不同森林类型生物量大小分布

盈江县组成纯林、混交林的主要优势树种(组)有其他阔叶树(包括其他硬阔)、栎类、西南桦、桤木、杉木等22个树种(组)。本次森林资源清查中未统计蓄积量的不纳入生物量的计算。各主要优势树种(组)面积、蓄积及生物量分布见表3。

表3 盈江县不同森林类型生物量大小分布

由表3可知,盈江县森林面积达306 321.4 hm2,蓄积量为36 489 660 m3,生物量为32 426 833.61 t,单位面积生物量为85.55 t/hm2。单位面积生物量最大的类型为栎类组成的森林类型,达168.3 t/hm2;单位面积生物量最小的类型为核桃(Juglanssigillata)组成的森林类型,为7.10 t/hm2。森林面积最大的是以其他阔叶树组成的森林类型,同时其蓄积量与生物量也是最大。该类型占总生物量的30.72%,其次是其他硬阔、西南桦、栎类、桤木及麻栎等,达到总生物量的96.78%,其他类型的森林所占比例较少,多是人工林,如杉木、柚木(Tectonagrandis)、橡胶(Heveabrasiliensis)、核桃、喜树(Camptothecaacuminata)等树种组成的人工林。

2.2 不同龄组乔木林生物量大小分布

2017年盈江县森林资源连续清查显示,盈江县乔木林面积与蓄积中中龄林与近熟林占比例最大,过熟林的面积最小,而幼龄林的蓄积量最小,生物量的大小顺序依次是近熟林>中龄林>成熟林>过熟林>幼龄林(表4)。

表4 不同龄组森林生物量大小分布

2.3 主要植被类型林分生物量及生长量

在2012—2017年盈江县森林资源连续清查固定样地调查的基础上,筛选出59个样地进行森林植被类型林分生物量及生长量的统计。共计分出3个植被类型,基本概括了盈江县的大部分植被类型,分别是常绿阔叶林、落叶阔叶林及针叶林。其中,常绿阔叶林在2012年、2017年的林分生物量均要高于落叶阔叶林及针叶林,林分生长量也是以常绿阔叶林为最大(表5)。

表5 盈江县主要森林植被类型的林分生物量及年均生长量

2.4 林分生物量的影响因子

2.4.1 林分生物量及乔木生长量与影响因子的一元线性回归模型

盈江县主要森林植被林分生物量与林分密度、林龄、乔木个体大小差异、年均降雨量及年均气温的一元线性回归模型分析结果(图1)显示,林分生物量随着林龄的增长而增加,随着乔木个体大小差异的增大而增加,同时,林分生物量随着年均气温的的增大而降低,而随林分密度及年均降雨量无显著变化趋势。

图1 盈江县主要森林植被林分生物量与影响因子关系

盈江县主要森林植被林分乔木生长量与林分密度、林龄、乔木个体大小差异、年均降雨量及年均气温的一元回归分析结果(图2)显示,各林分乔木生长量与林分密度、乔木个体大小差异及年均降雨量不存在显著的线性关系,但随着林龄的增大而增加,随着年均气温的增大而减小。

2.4.2 林分生物量与影响因子的多元回归模型

盈江县主要森林类型林分生物量与林分密度、林龄、乔木个体大小差异、年均降雨量及年均气温之间的多元归回分析结果(表6)显示,林分密度与林龄是林分生物量的主要影响因子,尤其是林龄。

表6 林分生物量与影响因子之间的多元回归模型分析

盈江县主要森林类型林分乔木生长量与林分密度、林龄、乔木个体大小差异、年均降雨量及年均气温之间的多元归回模型分析结果见表7。结果显示,林龄是影响林分乔木生长量的主要影响因子。

2.4.3 影响因子对林分生物量的贡献

应用随机森林模型对盈江县主要森林植被林分生物量的影响因子的贡献进行定量分析,结果(图3)显示,林龄对盈江县主要森林植被林分生物量的重要性最大,其相对重要性达16.11%,节点纯度为516 742.5。其次是年均气温,尽管年均气温在多元回归模型中对林分生物量无显著影响,但是作为气候因子的主要指标之一,是影响森林生物量的主要因子,随机森林模型结果显示其对林分生物量具有较大的影响。

图3 建立在随机森林模型上影响因子对林分生物量的重要性

应用随机森林模型对盈江县主要森林植被林分乔木生长量的影响因子的贡献进行定量分析,森林随机模型的解释率有60.41%(图4)。结果显示,林龄对盈江县主要森林植被林分乔木生长量的重要性最大,其相对重要性达13.84%,节点纯度为95 307.47。其次是年均气温,年均气温也是影响森林乔木生长的主要因子。

图4 建立在随机森林模型上影响因子对林分乔木生长量的重要性

3 讨论与结论

盈江县森林面积达306 321.4 hm2,蓄积量为36 489 660 m3,生物量为32 426 833.61 t,单位面积生物量为85.55 t/hm2;中龄林与近熟林占总生物量的比例最大。本研究中单位面积生物量最大的类型为栎类组成的森林类型(单位面积生物量为168.3 t/hm2),与张钦云对盈江县主要森林类型碳汇功能研究[30]、张修玉等[31]对西双版纳森林植被碳储量研究中的相关结论一致。盈江县属南亚热带季风气候,湿热湿润,雨量充沛,日照长,优越的气候条件适宜植物的生长,该区域保存了许多古老原始的动植物种类,是我国印缅热带生物地理区系中资源最集中、最典型的区域[32]。根据2005年森林资源二类调查统计,森林覆盖率为69.8%[33],根据2016年最新的森林资源二类调查统计,盈江县的森林覆盖率已达到75.6%,盈江县森林植被起到了重要的碳汇功能,且其碳汇功能呈上升趋势。

盈江县主要森林的乔木生长量在7.86～13.61 t/(hm2·a),其中常绿阔叶林的林分生物量为13.61 t/(hm2·a)及生长量要高于落叶阔叶林及针叶林,成为盈江县森林生物量的主要组成部分。根据第六次森林资源清查结果,云南省林分单位面积平均生产力为3.09 t/(hm2·a),阔叶林分乔木生长量为4.37 t/(hm2·a)[24],盈江县的主要森林林分乔木生长均高于云南省平均水平。盈江县分布的婆罗双(Shoreaassamica)林,是我国少有的热带单优森林群落之一,这类森林林木高大,树龄古老[34]。热带雨林在全球碳循环中起着非常重要的作用,其生物量现存量较大,但其碳汇能力相对较弱,其碳汇为0.56 t/(hm2·a),或者其乔木增长量相对缓慢。尽管本研究将热带雨林纳入到常绿阔叶林中进行生物量的统计分析,然而其林分生长量的贡献不大。盈江县还分布有大面积的季风常绿阔叶林,该植被是我国森林生态系统中生产力最高、生物多样性最丰富及生态系统功能高的类型之一,贡献了盈江县常绿阔叶林林分乔木生长量的大部分。林分生物量包括了乔木、灌木、草本及凋落物生物量,本研究仅针对林分的生物量进行了分析,而忽略了其他组成的贡献,同时限于试验条件及经费预算,也未考虑土壤碳储量的贡献,因而在今后的研究工作中,应补充完善这方面的工作,以充实研究结论。

在影响林分生物量的因子中,林龄、林分密度及年均气温具有较大的影响,尤其是林龄是最主要的影响因子。林龄和年均气温也是影响林分乔木生长量的主要影响因子。林龄是影响森林林分生物量的重要因子[17],森林生物量随着林龄的增大而增大。幼龄林阶段,树木的树叶、树枝、树根生物量和养分储量所占比例较大,随着时间的推移,生物量和养分含量向树干分配比例逐渐增大,老龄阶段由于稀疏过程,树干的营养积累比例达到最大,生物量积累也最大。本研究发现,各林分乔木生长量也随林龄增大而增加。各林分乔木生长量随着年均气温的增大而下降,主要是由于年均气温较高的区域是人为活动较为频繁,原生植被多数被破坏,现在更新的多是中幼龄林,影响到乔木林分的生产力。