孫 震， 唐 宇

(吉林森林工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 吉林 長春 130021)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，不但能為生物提供賴以生存的棲息地、為人類社會提供木材資源，而且在改善全球生態(tài)環(huán)境中起著非常重要的作用[1]。作為量化植被能量交換和質(zhì)量大小的關(guān)鍵參數(shù)，凈初級生產(chǎn)力(NPP)被定義為單位時間和空間中綠色植物累計(jì)光合作用產(chǎn)物與自養(yǎng)呼吸的差值。一般而言，森林生態(tài)系統(tǒng)NPP占全球生態(tài)系統(tǒng)的35 %、占陸地生態(tài)系統(tǒng)的65 %，森林生態(tài)系統(tǒng)中NPP的輕微變化將影響大氣中二氧化碳的濃度，從而影響氣候變化。量化森林植被類型NPP的碳儲量和通量有助于更好地檢測二氧化碳的吸收、儲存和釋放過程。因此，采用先進(jìn)的方法評估區(qū)域森林生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力對于減緩全球氣候變化意義重大。目前，關(guān)于森林植被生物量以及生產(chǎn)力現(xiàn)狀的估算與預(yù)測研究較多。我國有不少學(xué)者研究了森林植被生物量，但目前許多模擬森林生產(chǎn)力的過程模型，忽略了人為干擾對森林生態(tài)系統(tǒng)凈初級生產(chǎn)力的影響[2]。

日本落葉松作為我國遼東地區(qū)主要造林樹種，具有重要的生態(tài)價值和經(jīng)濟(jì)價值。但目前關(guān)于遼寧省日本落葉松植被凈初級生產(chǎn)力估算的研究還相對較少，對經(jīng)營方式引起的森林凈初級生產(chǎn)力的研究也相對缺乏。因此，分析和計(jì)算遼東地區(qū)日本落葉松人工林森林植被凈初級生產(chǎn)力與生物量，有助于豐富我國陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的研究成果。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)主要來源于研究區(qū)域內(nèi)2010年遼寧省森林經(jīng)理調(diào)查和野外森林植被調(diào)查數(shù)據(jù)。其中森林經(jīng)理調(diào)查數(shù)據(jù)包括1 014條小班數(shù)據(jù)，主要根據(jù)地貌、立地類型、林齡、樹高、胸徑、小班面積、優(yōu)勢種、土壤類型、土層厚度等調(diào)查因子篩選得出。野外調(diào)查數(shù)據(jù)來源于2017年7月對遼寧省森林經(jīng)營研究所實(shí)驗(yàn)林場日本落葉松人工林長久試驗(yàn)樣地的調(diào)查，分別選取中齡林、近熟林、成熟林3種林齡，對生長狀況、立地條件以及間伐措施一致的同齡日本落葉松人工林進(jìn)行調(diào)查。在各林齡日本落葉松人工林地內(nèi)分別設(shè)置試驗(yàn)樣地，樣地大小為20 m×20 m，共設(shè)置調(diào)查樣地11塊，采集了104棵樹木用于年輪分析。

1.2 CBM-CFS3模型及參數(shù)確定

1.2.1 林分生長參數(shù)估算

研究表明，Richards方程適用性廣泛，在模擬預(yù)測林分蓄積生長表現(xiàn)良好[3]。本研究林分生長參數(shù)采用Richards方程結(jié)合森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)擬合得到，方程的基本形式為：

y=A(1-Be-Kx)(1-m)-1

式中：y為林分蓄積量/m3·hm-2；x為林齡/年；A為林分蓄積生長的極限值/m3·hm-2；B為x=0時y軸的截距；K為蓄積生長速率；m為擬合參數(shù)；e為自然對數(shù)值。

1.2.2 周轉(zhuǎn)階段參數(shù)調(diào)整

CBM-CFS3模型在使用過程中，模型周轉(zhuǎn)參數(shù)根據(jù)研究區(qū)域特征可進(jìn)行靈活更改，可更改的模型參數(shù)主要包括：蓄積-生物量轉(zhuǎn)換參數(shù)、生物量周轉(zhuǎn)參數(shù)以及死亡有機(jī)質(zhì)分解參數(shù)。所采用的蓄積-生物量轉(zhuǎn)換參數(shù)參考付甜的研究結(jié)果[3]，生物量周轉(zhuǎn)參數(shù)以及死亡有機(jī)質(zhì)分解參數(shù)修改均來自前人的研究結(jié)果。

1.2.3 干擾模擬設(shè)置

CBM-CFS3模型默認(rèn)設(shè)置火災(zāi)為林分演替的主要因素，因此，模型中火災(zāi)為林分默認(rèn)干擾類型。但本次研究對象是日本落葉松人工林，為人工經(jīng)營與管理下的林分，林分火災(zāi)事故發(fā)生的概率并不大，模型中火災(zāi)設(shè)置與區(qū)域的實(shí)際情況設(shè)置較為不同，因此，本研究中干擾類型設(shè)置為自然演替，最近一次干擾類型設(shè)置為間伐干擾，并重點(diǎn)計(jì)算最近一次干擾后的數(shù)值。

1.3 數(shù)據(jù)處理和分析

數(shù)據(jù)擬合分析在Origin 8.5軟件中進(jìn)行，采用非線性回歸分析擬合得出日本落葉松蓄積生長方程。CBM-CFS3模型結(jié)果相關(guān)圖表制作在Origin 8.5軟件中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 林齡-蓄積生長方程

林分水平上的生長和產(chǎn)量預(yù)測是基于林分水平的變量來反映林分蓄積生長的特征，Richards方程是擬合度較好的生長模型。利用林分水平上的調(diào)查數(shù)據(jù)，得到以下生長方程：

式中：y為森林植被公頃蓄積量/m3·hm-2；x為森林植被林齡/年；e為自然對數(shù)。

方程系數(shù)、決定系數(shù)(R2)見圖1。

從圖1中可以看出，遼東山區(qū)日本落葉松人工林林分蓄積生長極限值為193.08 m3·hm-2。方程中e的系數(shù)為負(fù)值，說明只有林分生長到一定林齡才會有蓄積量積累。R2為0.69，擬合效果理想。

圖1 日本落葉松人工林林齡-蓄積量生長方程

2.2 日本落葉松人工林森林凈初級生產(chǎn)力的估算

由CBM-CFS3模型模擬日本落葉松人工林凈初級生產(chǎn)力顯示，日本落葉松人工林NPP隨林齡而變化，起初增長迅速，當(dāng)林齡20年左右時達(dá)到最大值，為5.87 tC·m-2·a-1，之后隨著林齡增長而降低，在林齡為60年左右時趨于穩(wěn)定，約為3.5 tC·m-2·a-1。凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力(NEP)生長曲線表明，隨著林齡增長NEP前期迅速增長，林齡為5年之前，NEP為負(fù)值，林齡為20年左右時，NEP達(dá)到最大值，為3.70 tC·m-2·a-1，隨后NEP曲線呈下降趨勢，林齡為50年左右時趨于穩(wěn)定，為0.34 tC·m-2·a-1(圖2)。

圖2 日本落葉松人工林NPP與NEP

2.3 日本落葉松人工林地上生物量碳儲量的估算

地上生物量主要包括商品材、其他木和樹葉3個子碳庫。CBM-CFS3模型對遼東山區(qū)日本落葉松地上生物量碳庫進(jìn)行模擬。其中商品材碳儲量最大，其他木碳儲量次之，樹葉碳儲量最小。商品材碳儲量隨著林齡增長而增加，林齡為50年左右時達(dá)到最大值，約為48 tC·hm-2。其他木碳儲量也隨林齡增長而增加，林齡為50年左右時達(dá)到最大值，約為29 tC·hm-2。樹葉生物量碳儲量所占比例最少，也隨林齡增長而增加，林齡為50年左右時達(dá)最大值，約為3.6 tC·hm-2。因此，地上生物量碳儲量表現(xiàn)為隨林齡增長而增加，林齡為50年左右時達(dá)到最大值，約為81 tC·hm-2(圖3)。

圖3 日本落葉松人工林地上生物量碳儲量

3 討論

本研究以森林調(diào)查數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)來源，與野外調(diào)查數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，擬合出林齡-蓄積生長模型，并利用各部分周轉(zhuǎn)速率對模型參數(shù)進(jìn)行修改、初始化，模擬遼東山區(qū)日本落葉松人工林植被的生產(chǎn)力狀況。研究基于區(qū)域日本落葉松人工林調(diào)查數(shù)據(jù)與Richards方程，擬合日本落葉松林齡-蓄積量生長方程。Richards方程所建立的林齡-蓄積量生長方程各參數(shù)擬合效果良好，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.69。這與前人對我國森林生物量與林齡關(guān)系的研究結(jié)果相近[4]。說明Richards方程較適用于模擬針葉樹種，可以廣泛應(yīng)用于針葉樹種的生物量估算中。遼寧省日本落葉松人工林林齡與蓄積量之間的關(guān)系表明，日本落葉松在林齡約為50年時蓄積量達(dá)到成熟，這與前人研究結(jié)果相一致[5]。

利用CBM-CFS3模型模擬遼東山區(qū)日本落葉松人工林NPP表明，遼東山區(qū)日本落葉松人工林NPP隨林齡增長呈現(xiàn)先上升后降低最后趨于平穩(wěn)趨勢，在林齡為20年左右時固碳速率最大，達(dá)5.87 tC·m-2·a-1。甄偉對遼東山區(qū)森林植被進(jìn)行估算，模擬出遼東山區(qū)森林植被林齡為15年左右時固碳速率達(dá)到最大值，為1.1 tC·m-2·a-1[5]。這與本研究結(jié)果有所差異，主要是因?yàn)檎鐐サ热斯浪愕纳种脖还烫妓俾手邪殿?、油松、刺槐等其他樹種，這些樹種多為速生樹種，其樹木達(dá)到最大固碳速率時間短于日本落葉松。此外，日本落葉松屬于速生豐產(chǎn)樹種，其固碳速率較高[6]，因此，本次模型模擬中日本落葉松最大固碳速率要高于遼寧省森林植被平均固碳速率。

森林植被碳儲量對于評估森林生長狀況、了解森林生產(chǎn)力具有重要意義。CBM-CFS3模型中生物量組分模擬得出日本落葉松商品材為地上生物量碳儲量最大組成成分，其次是其他木生物量碳儲量，樹葉生物量碳儲量所占比例最少。這與皇寶林[1]對云南云杉地上部分生物量組分的研究結(jié)果一致。日本落葉松地上部分生物量碳儲量均隨著林齡的增長而增大，林齡為50年左右時達(dá)到最大值，約為81 tC·hm-2，說明日本落葉松50年左右已經(jīng)成熟。與甄偉[5]估算的生物量相似，甄偉利用CBM-CFS3模型模擬遼東山區(qū)森林植被碳儲量研究中，得出遼東山區(qū)日本落葉松中齡林生物量碳儲量為31.19 tC·hm-2，約為本研究中日本落葉松生物量碳儲量最大值的一半。

本研究中模型模擬得到的NPP與生物量只能大致反映遼東山區(qū)日本落葉松生長情況，與實(shí)際計(jì)算可能存在差異，可能是由于以下2個因素造成的，一是研究中模擬公頃蓄積量與地面數(shù)據(jù)的立木蓄積量之間存在差異，為區(qū)域小環(huán)境因素如當(dāng)?shù)匦夂?、土壤營養(yǎng)狀況和土壤質(zhì)地等的差異造成的[7]；二是數(shù)據(jù)缺乏可能導(dǎo)致計(jì)算森林生長的蓄積方程有誤差。因此，關(guān)于未來森林植被生產(chǎn)力的研究，需進(jìn)一步增加樣本數(shù)據(jù)以減少模擬中的不確定性。

4 結(jié)論

利用森林經(jīng)理調(diào)查數(shù)據(jù)對遼東山區(qū)日本落葉松人工林生產(chǎn)力進(jìn)行模擬，Richards模型對林齡-蓄積生長模擬效果較好；日本落葉松人工林NPP隨著林齡增長呈現(xiàn)先增加后降低趨勢，最后趨于穩(wěn)定，林齡為20年左右時達(dá)最大值；日本落葉松地上生物量碳儲量隨林齡增長呈增加趨勢，林齡為50年左右時達(dá)最大值。