曾偉生

(國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,北京 100714)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,對維持全球生態(tài)平衡發(fā)揮著重要作用。為了應(yīng)對全球范圍的氣候變化,森林生態(tài)系統(tǒng)的固碳能力已逐漸成為關(guān)注焦點(diǎn)[1-2]。今年10月,國務(wù)院印發(fā)了《2030年前碳達(dá)峰行動方案》[3],積極推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和行動已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略。行動方案提出的十大行動中,與林業(yè)碳匯相關(guān)的就是“碳匯能力鞏固提升行動”,特別強(qiáng)調(diào)要加強(qiáng)生態(tài)系統(tǒng)碳匯基礎(chǔ)支撐,要求利用好國家林草生態(tài)綜合監(jiān)測評價(jià)成果,開展森林、草原、濕地等方面碳儲量評估和潛力分析[3]。

森林的碳匯潛力與生長過程有關(guān)。森林生長一般分單木和林分兩種水平,研究單木水平生長的文獻(xiàn)較多[4-9],而研究林分水平生長的文獻(xiàn)相對較少[10-14],目前尚未見到基于區(qū)域尺度研究林分水平碳儲量生長的文獻(xiàn)。主要原因是難以獲取區(qū)域范圍內(nèi)的代表性樣本,尤其是生長模型必須要有林齡序列的信息。而全國森林資源清查資料覆蓋面廣、數(shù)據(jù)翔實(shí),對全國和區(qū)域范圍都具有代表性,為研究林分水平的碳儲量生長提供了可能。

東北地區(qū)是我國森林資源主要集中分布區(qū)域之一,也是重點(diǎn)國有林分布區(qū)和森林覆蓋率最高的林區(qū)。落葉松(Larixspp.)是東北林區(qū)的主要針葉樹種,根據(jù)第九次全國森林資源清查結(jié)果,東北3省的喬木林面積和蓄積中,落葉松林所占比例均超過了10%,而且其天然林和人工林資源基本上各占一半[15]。本文將利用東北3省的森林資源清查落葉松林樣地資料,建立碳儲量生長模型,分析不同起源的落葉松林在固碳能力方面的差異及其影響因素,為提高森林質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)碳匯能力提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

本文所用數(shù)據(jù)為遼寧、吉林和黑龍江3省第九次全國森林資源清查樣地?cái)?shù)據(jù),共包括落葉松林樣地1 091個,其中天然林樣地437個,人工林樣地654個。樣地為方形或矩形,面積800 m2(遼寧)或600 m2(吉林、黑龍江),基于每株樣木胸徑,由一元立木生物量模型及碳計(jì)量參數(shù)[16]計(jì)算樣地每公頃碳儲量,以此作為建模的目標(biāo)變量。碳儲量生長模型的解釋變量主要是林分的平均年齡,其中天然林樣地最大林齡185a,中齡林樣地最多；人工林樣地最大林齡59a,幼齡林樣地最多。樣地?cái)?shù)按起源和齡組的分布情況如表1所示。

表1 樣地?cái)?shù)按起源和齡組統(tǒng)計(jì)表

影響生長的潛在因素包括各類地形地貌和土壤因子。為了保證立地因子有足夠的變動范圍,本研究考慮了坡位、坡度、坡向、土壤厚度、腐殖質(zhì)厚度5項(xiàng)立地因子。其中,坡位分上(含脊)、中、下(含谷和平地)3級；坡度分5°以下、5～14°、15°以上3級；坡向分陰坡(西北、北、東北、東)、陽坡(東南、南、西南、西、無坡向)2級；土壤厚度分厚、中、薄3級；腐殖質(zhì)厚度分厚中、薄2級。樣地?cái)?shù)按起源和立地因子等級的分布情況如表2所示。

表2 樣地?cái)?shù)按起源和立地因子統(tǒng)計(jì)表

1.2 建模方法

基于前述東北3省1 091個落葉松林樣地的每公頃碳儲量與平均林齡數(shù)據(jù),首先分別起源建立總體平均碳儲量生長模型；再采用混合模型方法[17-18],將立地因子的影響以隨機(jī)變量方式作用于每個模型參數(shù),分析立地因子是否對生長參數(shù)有顯著影響；最后再分析起源和立地因子對落葉松林碳儲量生長及固碳能力的影響。

1.2.1總體平均碳儲量生長模型

在眾多的生長模型中,以Richards生長方程適用性最好、應(yīng)用也最廣[7,9]。因此,本文選用Richards生長方程作為碳儲量生長模型,其表達(dá)式如下:

C=a0×(1-exp(-a1×A))a2+ε

(1)

式中:C為單位面積碳儲量(t/hm2),A為平均林齡(a)；ai為模型參數(shù),其相應(yīng)的t值一般應(yīng)大于2或p值小于0.05,否則視為無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,應(yīng)從模型中剔除；ε為誤差項(xiàng),假定其服從均值為0的正態(tài)分布。采用非線性回歸估計(jì)方法求解模型參數(shù)。因碳儲量數(shù)據(jù)與蓄積量類似,具有異方差性,應(yīng)采用加權(quán)回歸估計(jì)方法[19-20]。

1.2.2含立地因子的混合生長模型

為了分析立地因子對碳儲量生長的影響,在總體平均模型(1)的基礎(chǔ)上,可進(jìn)一步增加立地因子作為模型的解釋變量。由于表2的立地因子都屬于分類或定性因子,可以將它們作為啞變量對待,采用啞變量建模方法[17]；也可以作為隨機(jī)變量對待,采用混合模型方法[17-18]。由于混合模型方法更便于判定立地因子的統(tǒng)計(jì)顯著性,而啞變量模型方法只能判定每項(xiàng)因子各級參數(shù)的顯著性,因此本研究采用混合模型方法來建立碳儲量生長模型。含單個立地因子的混合模型可表示如下:

C=(a0+∑b0x)×(1-exp(-(a1+∑b1x)×

A))(a2+∑b2x)+ε

(2)

式中:x表示某一立地因子,bi為立地因子的隨機(jī)參數(shù),其他符號的含義如式(1)所示。采用非線性混合模型估計(jì)方法求解模型參數(shù)[21]。同樣,為消除異方差的影響,應(yīng)采用求解(1)式時(shí)的權(quán)函數(shù)對(2)式進(jìn)行轉(zhuǎn)換后再估計(jì)模型參數(shù)。

1.2.3模型評價(jià)檢驗(yàn)

采用確定系數(shù)(R2)、估計(jì)值的標(biāo)準(zhǔn)差(SEE)、總體相對誤差(TRE)和平均預(yù)估誤差(MPE)[22]等4項(xiàng)指標(biāo)對模型進(jìn)行評價(jià)。其中,TRE和MPE的計(jì)算公式如下:

(3)

(4)

模型檢驗(yàn)采用5折法,即:將樣本機(jī)械或隨機(jī)等分成5份,用其中4份建模,用另外1份檢驗(yàn)。根據(jù)5份樣本的檢驗(yàn)結(jié)果,按(3)式計(jì)算總體相對誤差；如果在允許誤差范圍之內(nèi),表示模型是適用的。

1.2.4模型特性分析

所建天然林和人工林碳儲量生長模型,反映了現(xiàn)實(shí)落葉松林分的總體平均生長過程。根據(jù)Richards生長方程的特性,其拐點(diǎn)林齡(即連年生長量最大的林齡)為1/a1×ln(a2)?；谒ㄉL模型,可以繪制碳儲量的連年生長和平均生長曲線,計(jì)算其固碳速率,分析不同起源的落葉松林在固碳能力方面的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 總體平均模型擬合結(jié)果

利用東北落葉松437個天然林樣地和654個人工林樣地的碳儲量和平均林齡數(shù)據(jù),分別采用非線性加權(quán)回歸方法擬合生長模型(1),其擬合結(jié)果和評價(jià)指標(biāo)如表3所示。擬合碳儲量生長模型時(shí)采用的權(quán)函數(shù)w=1/A。

表3 模型(1)的參數(shù)估計(jì)值和評價(jià)指標(biāo)

從表3的結(jié)果看,由于是采用了空間換時(shí)間的方法,將不同空間位置不同林齡的林分視同相同林分的不同生長階段,所以反映總體平均生長過程的碳儲量生長模型,其確定系數(shù)R2較低,天然林模型只有0.123,人工林模型也只有0.450。但是,從擬合效果圖可以看出,表3的模型客觀反映了東北落葉松天然林和人工林碳儲量的平均生長過程(圖1、圖2)。從另外兩項(xiàng)誤差指標(biāo)看,總體相對誤差TRE都趨向于0,平均預(yù)估誤差MPE人工林模型僅3.95%,天然林模型也只有5.07%。根據(jù)5折法交叉檢驗(yàn)結(jié)果,天然林模型的TRE為1.07%,人工林模型的TRE為1.58%,效果很好。

圖1 天然落葉松林碳儲量生長擬合效果

圖2 人工落葉松林碳儲量生長擬合效果

2.2 混合模型擬合結(jié)果

在總體平均模型基礎(chǔ)上,嘗試將表2中的5項(xiàng)立地因子以隨機(jī)變量形式引入,建立混合模型。結(jié)果表明,5項(xiàng)立地因子對人工林模型參數(shù)無顯著影響；僅有1項(xiàng)因子(坡位)對天然林模型的速度參數(shù)a1有顯著影響。如果將天然林混合模型的a0和a2參數(shù)設(shè)定為表3中的數(shù)值,則對應(yīng)于不同坡位等級1,2,3的參數(shù)a1分別為0.046 39,0.037 97和0.030 43,表明:天然落葉松林的早期生長速度,位于上坡(含山脊)的林分要快于位于中坡的林分,位于中坡的林分又要快于位于下坡和坡谷及平地的林分(圖3)。因?yàn)闁|北的天然落葉松林約一半分布在坡度5°以下的緩度地段,位于上坡的林分具有更好的光照條件,可能有助于喜光性樹種落葉松的生長。

圖3 不同坡位天然落葉松林碳儲量生長擬合效果

2.3 模型的比較分析

對表3中的天然林和人工林碳儲量生長模型作進(jìn)一步對比分析可知,天然林的拐點(diǎn)林齡約為18a,此時(shí)連年生長量達(dá)到最大值0.94 t/hm2；人工林的拐點(diǎn)林齡約為12a,連年生長量的最大值為2.70 t/hm2；天然林和人工林平均生長量達(dá)到最大時(shí)的林齡分別為32a和20a,其對應(yīng)的平均生長量分別為0.78 t/hm2和1.85 t/hm2(圖4)。也就是說,落葉松人工林比天然林的連年生長量峰值來得早,生長量也要大些。林齡為30a時(shí),人工落葉松林的平均碳儲量為49.36t/hm2,比天然落葉松林的23.37t/hm2要高出111%；林齡為50a時(shí),人工落葉松林的平均碳儲量為55.47t/hm2,比天然落葉松林的36.30t/hm2要高出53%。因此,落葉松人工林的固碳能力顯著高于天然林。

對位于上、中、下3類坡位的天然落葉松林進(jìn)行分析,其拐點(diǎn)林齡分別為14,17,21a,平均生長量最大林齡分別為25,30,38a；林齡為30a時(shí),其平均碳儲量分別為29.79,24.69,19.43t/hm2；林齡為50a時(shí),其平均碳儲量分別為41.97,37.59,32.08t/hm2(圖3、圖5)。

圖4 落葉松林碳儲量連年生長和平均生長曲線

圖5 不同坡位天然落葉松林碳儲量生長曲線

3 結(jié)論與討論

1)本文所建東北3省落葉松天然林和人工林碳儲量生長模型,其平均預(yù)估誤差MPE在5%左右,模型自檢的總體相對誤差均趨向于0,獨(dú)立交叉檢驗(yàn)的總體相對誤差均在2%以內(nèi),客觀反映了現(xiàn)實(shí)林分碳儲量的總體平均生長過程。

2)東北落葉松人工林早期生長快于天然林,人工林碳儲量的連年生長量和平均生長量分別在12a和20a達(dá)到峰值,而天然林分別在18a和32a達(dá)到峰值；30a和50a生的人工林碳儲量要分別比天然林高出111%和53%,人工林的固碳能力顯著高于天然林。

3)基于混合模型方法分析了立地因子對落葉松生長過程的影響,僅坡位對天然林的生長過程有顯著影響,所有立地因子對人工林的生長過程均無顯著影響。

盡管本研究采用了東北3省森林資源連續(xù)清查的幾乎全部落葉松林樣地,對現(xiàn)實(shí)林分生長狀況應(yīng)該具有足夠的代表性。但是,由于采用了空間換時(shí)間的方法,所建碳儲量生長模型的確定系數(shù)較低,這也是很正常的現(xiàn)象。如果將相同林齡的樣地取平均數(shù)再建模,天然林的確定系數(shù)可以達(dá)到0.4以上,人工林的確定系數(shù)可以達(dá)到0.8以上。此外,由于森林資源清查樣地上存在正常的撫育、采伐等經(jīng)營活動,現(xiàn)實(shí)林分的碳儲量并不是整個生長過程的固碳總量,因此,所建碳儲量生長模型所反映的平均生長量或固碳速率應(yīng)該比實(shí)際值偏低。

其次,考慮到人工落葉松林的最大林齡只有59a,而天然落葉松林的最大林齡達(dá)到185a,擔(dān)心其生長曲線是否會受到大齡林分的影響而造成與人工落葉松林不可比。為此,將天然林?jǐn)?shù)據(jù)中林齡大于60a的樣地全部剔除后,利用剩下的193個樣地也擬合了碳儲量生長模型。盡管重新擬合的模型與表3中的模型有所差異,但30a和50a時(shí)的碳儲量估計(jì)值(分別為20.17 t/hm2和37.79 t/hm2)與表3中的模型相差不大,不影響與人工林的對比分析結(jié)論。

另外,根據(jù)本研究的結(jié)果,眾多立地因子對落葉松人工林的生長均無顯著影響,僅坡位對天然林的生長有顯著影響,這一結(jié)論應(yīng)該是與空間換時(shí)間的方法有關(guān)。因?yàn)樗Ｐ捅旧砭拖喈?dāng)于總體平均模型,其建模樣本來自各種立地條件。只有當(dāng)不同立地條件下的樣地?cái)?shù)量足夠多,且均能構(gòu)成完整的生長過程時(shí),才可能對不同立地因子對生長過程的影響做出比較客觀真實(shí)的評價(jià)。