孫中元，官 靜*，曹蓉芬，王正茂，曲宏輝，曹國玉，楊銘松，衛(wèi)聰聰，司純青，蘇愛鋒

(1.煙臺市自然資源和規(guī)劃局，山東 煙臺 264000；2.煙臺市衛(wèi)正房地產(chǎn)估價有限公司，山東 煙臺 264000)

森林是陸地上最大的生態(tài)系統(tǒng)，對人類的生存、發(fā)展和地球環(huán)境的維持起著至關(guān)重要的作用[1]。森林在其生長過程中不斷地從土壤環(huán)境中吸收N、P、K等營養(yǎng)元素，固定在植物器官內(nèi)，用植物體N、P、K等營養(yǎng)元素的積累量可以來評估森林積累營養(yǎng)物質(zhì)的效益[2-3]。

近年來，林木營養(yǎng)元素研究集中在對目標樹種養(yǎng)分循環(huán)、養(yǎng)分含量與土壤養(yǎng)分含量的關(guān)系、養(yǎng)分積累與生物量生產(chǎn)力的關(guān)系方面[4-6]，這極大促進了森林生態(tài)系統(tǒng)評估領(lǐng)域中林木積累營養(yǎng)評估研究，從實物量轉(zhuǎn)化成價值量，讓人們更加直觀認識到森林在積累營養(yǎng)物質(zhì)方面的價值。在森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能-林木積累營養(yǎng)價值評估方面，專家學者在指標選取、計算公式、生態(tài)監(jiān)測等方面做了大量研究[7-12]?；诖耍瓏伊謽I(yè)局于2008年推出了《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》(LY/T 1721-2008)[13]，對一般喬木林林木積累營養(yǎng)功能評估做了規(guī)范說明，但對受人為施肥影響較重的經(jīng)濟樹種沒有說明，近些年的森林生態(tài)服務(wù)功能評估多集中在較宏觀層次上[2-3，7-8]，大多研究缺乏空間分布研究。

以煙臺市縣級森林資源為對象，研究具體到每一個森林小班，利用森林資源變更數(shù)據(jù)、一類清查數(shù)據(jù)和標準地實測數(shù)據(jù)，評價了煙臺市森林生態(tài)系統(tǒng)積累營養(yǎng)物質(zhì)功能，借助ArcGIS分析了該功能在樹種間、縣區(qū)間、地形間的空間分布特征，以期為森林土壤養(yǎng)分管理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗區(qū)概況 煙臺市處膠東半島，南、北瀕臨黃海、渤海，土地總面積1.38萬km2，海岸線總長909 km，屬低山丘陵區(qū)，只有部分平原分布于濱海地帶及河谷兩岸，低山占比36.6%，丘陵占比39.7%，平原占比23.7%，土壤以棕壤為主。煙臺屬暖溫帶季風型大陸性氣候，受海洋的調(diào)節(jié)，具有雨水適中、空氣濕潤、氣候溫和的特點，市域內(nèi)森林資源分布豐富，覆蓋率常年維持在36%以上(圖1)。公益林資源主要分布在煙臺“屋脊”海拔較高的山區(qū)、丘陵區(qū)以及沿海防護林基干林帶區(qū)域，面積為208 828.34 hm2；用材林主要分布于丘陵區(qū)以及平原區(qū)(以萊陽市、萊州市等為主)，面積為13 961.71 hm2；經(jīng)濟林廣泛分布于煙臺市各縣，以棲霞市、蓬萊市、福山區(qū)、龍口市為代表，面積為293 160.49 hm2。

圖1 煙臺市林種資源分布Fig.1 Distribution of forest species in Yantai city

全市主要有14個優(yōu)勢樹種(組)，主要包括赤松(Pinusdensiflora)、黑松(P.thunbergii)、麻櫟(Quercusacutissima)、刺槐(Robiniapseudoacacia)、楊樹(Populustomentosa)、針闊混交林、板栗(Castaneamollissima)、蘋果(Maluspumila)、梨樹(Pyrusbretschneideri)、櫻桃(Cerasuspseudocerasus)、其他經(jīng)濟樹種(喬化)、其他喬木樹種(榆樹Ulmuspumila、花楸樹Sorbuspohuashanensis等)、灌木等，各優(yōu)勢樹種(組)面積占比由大到小排序蘋果(44.48%)>赤松(16.70%)>黑松(9.00%)>刺槐(5.47%)>櫟類(4.94%)>櫻桃(3.88%)>其他經(jīng)濟樹種(喬化)(3.00%)>楊樹(2.69%)>針闊混(2.33%)>其他喬木樹種(2.18%)>灌木(2.06%)>板栗(1.51%)>梨樹(1.47%)>疏林(0.29%)。

1.1.2 樣地篩選 以樹種、地形、齡組為評價因子確定測算單元，在統(tǒng)計面積比例之后，確定樣地篩選類型(表1)。計算各單元下的蓄積加權(quán)平均數(shù)，操作步驟如下：

1)以某樹種i在某地形j情況下某齡組k平均蓄積Vi為賦分值Mi

2)以某樹種i在某地形j情況下某齡組k面積為權(quán)重Ai

3)蓄積加權(quán)平均值X=(M1A1+M2A2+……)/(A1+A2+……)

不同情況下蓄積加權(quán)平均值確定見表1，在森林資源小班數(shù)據(jù)表中，篩選與表1在樹種、地形、齡組、蓄積、起源相近的小班，每種情況3～4個重復樣地(即3～4個小班)，每個小班連續(xù)面積>10畝。待測小班內(nèi)設(shè)置1畝標準地進行每木檢尺、林木器官采集，灌木林生物量獲取采用樣方收獲法調(diào)查[14]。

表1 煙臺市森林生態(tài)評估基本測算單元Table 1 Basic forest ecological assessment unit in Yantai city

1.1.3 優(yōu)勢樹種采樣 一般喬木林、灌木林分干、枝、葉、根分別采集，確定各器官生物量占比，采樣過程嚴格依據(jù)林業(yè)行業(yè)標準選擇標準木。同一器官取3～4個重復，及時風干處理所采樣品。經(jīng)濟林養(yǎng)分元素積累能力由專家咨詢、查閱文獻、走訪標準果園確定。

1.2 方法

1.2.1 生物量及年凈初級生產(chǎn)力計算 本次研究針對于赤松、黑松、櫟類、刺槐、楊樹、針闊混、其他喬木樹種、板栗林，生物量測算及年凈生產(chǎn)力(以下簡稱NPP)測算采用IPCC推薦使用的生物量轉(zhuǎn)換因子，換算因子公式采用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法為：BEF=a+b/V，即B=BEF·V=aV+b，式中a和b為常數(shù)，B為生物量，BEF為生物量換算因子[15-19]，V為林分蓄積。

1.2.2 養(yǎng)分元素含量測定 養(yǎng)分元素含量測定按標準測定，研磨混合取樣之后測定，全N用半微量凱氏定氮法，全P用分光光度計測定，全K用原子吸收分光光度計測定[20]。

1.2.3 評估方法 森林生態(tài)系統(tǒng)積累營養(yǎng)物質(zhì)功能評估主要依據(jù)《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》(LY/T 1721-2008)[13]。經(jīng)濟林因受施肥影響大，本文采取土壤天然供給養(yǎng)分能力作為積累養(yǎng)分元素能力[21-26]，以去除人為干擾。測算單元指標確定后，應用ArcGIS軟件，對相同的生態(tài)單元進行屬性融合，再進行空間及數(shù)據(jù)分析。積累營養(yǎng)物質(zhì)功能評估公式如下：

1)一般喬木林、灌木林木營養(yǎng)物質(zhì)年積累量：

G氮=A·N營養(yǎng)·B年
G磷=A·P營養(yǎng)·B年
G鉀=A·K營養(yǎng)·B年

(1)

式中：G氮—植被固氮量/(t·a-1)；G磷—植被固磷量/(t·a-1)；G鉀—植被固鉀量/(t·a-1)；N營養(yǎng)—林木氮元素含量/%；P營養(yǎng)—林木磷元素含量/%；K營養(yǎng)—林木鉀元素含量/%；B年—實測林分年凈生產(chǎn)力/(t·hm-2·a-1)；A—林分面積/hm2。

2)經(jīng)濟林林木營養(yǎng)物質(zhì)年積累量：

G養(yǎng)=G標-V·R

(2)

式中：G養(yǎng)—單位面積土壤供應林木養(yǎng)分(N、P、K)數(shù)值；G標—標準產(chǎn)量吸收元素量；V—平均施肥量；R—肥料利用率。

3) 林木營養(yǎng)a積累價值：

采取把營養(yǎng)物質(zhì)折合成磷酸二銨化肥和氯化鉀化肥方法計算林木營養(yǎng)積累價值，計算公式為：

(3)

式中：U營養(yǎng)—實測林分N、P、K a增加價值/(元·a-1)；N營養(yǎng)—林木氮元素含量/%；P營養(yǎng)—林木磷元素含量/%；K營養(yǎng)—林木鉀元素含量/%；R1—磷酸二銨化肥含氮量/%；R2—磷酸二銨化肥含磷量/%；R3—氯化鉀化肥含鉀量/%；C1—磷酸二銨化肥價格/(元·t-1)；C2—氯化鉀化肥價格/(元·t-1)；B—實測林分年凈生產(chǎn)力/(t·hm-2·a-1)；d—貼現(xiàn)率；A—林分面積/hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹種積累營養(yǎng)物質(zhì)功能實物量、價值量分析

煙臺市25個生態(tài)測算單元積累營養(yǎng)物質(zhì)功能實物量-價值量統(tǒng)計匯總見表3。

表3 各優(yōu)勢樹種-生態(tài)單元積累營養(yǎng)物質(zhì)統(tǒng)計Table 3 Statistical tables of dominant species-ecological units for nutrient accumulation

從林木N、P、K元素含量來看，一般喬木林中楊樹、刺槐、其他喬木、灌木、針闊混、疏林、丘陵區(qū)櫟類的元素含量在1%～1.68%，赤松、黑松、板栗以及低山區(qū)櫟類的元素含量在0.65%～1%；從單位面積NPP來看，所有測算單元的平均NPP為8.09 t·hm-2·a-1，單位面積NPP排序為，經(jīng)濟樹種(櫻桃、蘋果、梨樹、其他經(jīng)濟樹種)>楊樹>針闊混交林>其他喬木樹種>刺槐>櫟類>黑松>赤松>灌木、疏林；所有測算單元每公頃積累元素量的平均值為21.48 kg·hm-2·a-1，針闊混交林、楊樹、其他喬木樹種、板栗、刺槐較高，赤松處于平均偏低水平，經(jīng)濟林樹種從土壤中吸收積累元素能力偏弱，不到7 kg·hm-2·a-1。

總量上來看，每年N、P、K元素實物量達到11 190.5，N占比60.65%，P占比6.93%，K占比32.42%，低山、丘陵、平原森林資源積累元素實物量分別占比11.65%、81.30%、7.05%，各樹種年積累元素實物量排序為刺槐>赤松>蘋果>黑松>楊樹>針闊混>櫟類>其他喬木樹種>灌木>板栗>櫻桃>其他經(jīng)濟樹種>疏林>梨樹；每年積累N、P、K元素價值量達到16 794.83萬元，N占比84.87%，P占比3.23%，K占比11.9%，低山區(qū)、丘陵區(qū)、平原區(qū)森林資源積累價值量分別占比11.81%、81.40%、6.79%，各樹種年積累元素價值量排序為刺槐>赤松>蘋果>黑松>楊樹>櫟類>針闊混>其他喬木樹種>板栗>灌木>櫻桃>其他經(jīng)濟樹種>梨樹>疏林；單位面積積累N、P、K元素價值量為322.2元·hm-2·a-1，楊樹、櫟類、刺槐、其他喬木樹種、灌木林、針闊混、板栗、疏林以及低山丘陵區(qū)黑松在平均值之上，低山丘陵區(qū)赤松、平原區(qū)黑松以及丘陵區(qū)經(jīng)濟林樹種的每公頃積累N、P、K元素價值量在平均值之下。

2.2 各縣市區(qū)積累營養(yǎng)實物量、價值量分析

各縣市區(qū)積累N、P、K元素功能實物量及價值量統(tǒng)計見表4。

表4 各縣森林資源積累營養(yǎng)物質(zhì)統(tǒng)計Table 4 Statistical table on the nutrient accumulation of forest resources in each county

各縣市區(qū)森林資源積累N、P、K元素總實物量及總價值量呈現(xiàn)一致規(guī)律，棲霞市、牟平區(qū)、海陽市在積累元素總量上處于前列，開發(fā)區(qū)、長島縣、芝罘區(qū)在積累N、P、K元素總量上處于弱勢。從價值量上看，棲霞市最高為0.284億元·a-1，開發(fā)區(qū)最低為0.014億元·a-1，總的貢獻占比排序為棲霞市(16.90%)>牟平區(qū)(14.78%)>海陽市(12.40%)>招遠市(11.36%)>萊州市(9.90%)>蓬萊市(9.04%)>龍口市(7.36%)>萊陽市(5.75%)>福山區(qū)(3.98%)>萊山區(qū)(2.87%)>昆崳區(qū)(1.96%)>芝罘區(qū)(1.63%)>長島縣(1.24%)>開發(fā)區(qū)(0.83%)。

各縣市區(qū)單位面積積累N、P、K元素實物量在13.45～41.43 kg·hm-2·a-1之間，價值量在202.21～634.12元·hm-2·a-1之間。萊陽市、昆崳區(qū)、蓬萊市、福山區(qū)、棲霞市單位面積實物量及價值量分別低于平均值21.48 kg·hm-2·a-1、322.2元·hm-2·a-1。

2.3 單位面積積累營養(yǎng)物質(zhì)功能實物量空間分析

《森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評估規(guī)范》(LY/T 1721-2008)積累營養(yǎng)物質(zhì)功能用年凈生產(chǎn)力乘以林木養(yǎng)分含量來衡量，該公式適用于受一般喬木林、灌木林，比如麻櫟林、針葉樹、針闊混、楊樹、刺槐等，卻不適應于經(jīng)濟樹種。經(jīng)濟樹種因重視產(chǎn)量、質(zhì)量因素，大量施肥造成器官元素含量偏高，實際上相當部分價值是果農(nóng)投資部分，如果算進去，會造成重復計算，不能體現(xiàn)自然狀態(tài)下土壤供給作用。以蘋果為例，丘陵區(qū)土壤有機質(zhì)含量偏低，維持在10.0～10.5 g·kg-1，土壤天然供給N、P、K能力較弱。咨詢本地農(nóng)業(yè)部門生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合已有研究[21-26]，果樹元素吸收量=施肥量×肥料利用率+土壤天然供給量，確定煙臺市蘋果林土壤供給N、P、K元素的量分別為3.6、0.6、2.0 kg·hm-2，相較其他優(yōu)勢樹種偏低。總體分析，單位面積積累養(yǎng)分元素能力大小排序為針闊混交林>楊樹林>刺槐>板栗>櫟類>灌木>針葉樹>經(jīng)濟樹種。

本研究以森林資源小班為基本單位，把單位面積(每公頃)所積累的N、P、K元素實物量合并計算制圖，實物量空間分布見圖2。5.0～7.0 kg·hm-2·a-1的區(qū)域覆蓋了主要經(jīng)濟樹種(蘋果、梨樹、櫻桃、其他經(jīng)濟樹種(喬化))分布區(qū)，占據(jù)了煙臺市森林資源面積的52.83%，因土壤天然供給元素能力差，積累營養(yǎng)元素的能力較低；15.0～27.5 kg·hm-2·a-1區(qū)域覆蓋了低山、丘陵區(qū)的赤松，以及低山、丘陵沿海防護林帶的黑松，面積占比25.70%；35.0～42.5 kg·hm-2·a-1區(qū)域覆蓋了丘陵區(qū)灌木、疏林樹種以及低山、丘陵區(qū)的櫟類、櫟灌，面積占比7.29%；51.0～58.0 kg·hm-2·a-1區(qū)域覆蓋了沿海防護林、丘陵區(qū)、低山區(qū)的刺槐林以及生長在丘陵、低山地帶的板栗林，面積占比6.98%；60.0～75.0 kg·hm-2·a-1區(qū)域覆蓋了低山、丘陵區(qū)的其他喬木樹種(榆樹、楸樹等)，面積占比1.78%；79.0～96.0 kg·hm-2·a-1區(qū)域覆蓋了平原、丘陵地帶的楊樹林、針闊混交林，以及平原上的其他喬木樹種，面積占比5.41%。

圖2 單位面積森林資源林木積累營養(yǎng)實物量空間分布Fig.2 Spatial distribution of nutrient accumulation quality of forest resources per unit area

由表4可見，對各縣森林資源單位面積積累元素實物量進行排序為長島縣>芝罘區(qū)>開發(fā)區(qū)>海陽市>萊州市>招遠市>萊山區(qū)>牟平區(qū)>龍口市>昆崳區(qū)>萊陽市>蓬萊市>福山區(qū)>棲霞市。各縣積累元素能力與樹種組成、比例有直接關(guān)系，長島縣、芝罘區(qū)、開發(fā)區(qū)分布有較大比例的針闊混交林、用材樹種，同時經(jīng)濟林資源占比極?。粭际?、福山區(qū)、蓬萊市經(jīng)濟林占比過大，經(jīng)濟樹種天然積累養(yǎng)分元素能力差。結(jié)果顯示，長島縣、芝罘區(qū)單位面積森林積累元素實物量較大，均>34 kg·hm-2·a-1，棲霞市、福山區(qū)均<18.0 kg·hm-2·a-1。

2.4 單位面積積累營養(yǎng)物質(zhì)功能價值量空間分析

各縣森林資源單位面積積累元素價值量空間分布見圖3，90.0～110.0元·hm-2的區(qū)域占據(jù)資源面積的52.83%，覆蓋了主要的經(jīng)濟樹種，以棲霞市、福山區(qū)、蓬萊市為典型；200.0～350.0元·hm-2的區(qū)域占比18.52%，覆蓋了主要的針葉樹種分布區(qū)；420.0～520.0元·hm-2的區(qū)域占比11.01%，覆蓋了山區(qū)、丘陵櫟灌分布區(qū)，同時也包括了部分海防林黑松帶；640.0～800.0元·hm-2的區(qū)域占比5.93%，覆蓋了丘陵區(qū)刺槐、板栗、麻櫟，以棲霞市、海陽市、萊陽市為典型；850.0～1 100.0元·hm-2的區(qū)域占比6.29%，覆蓋了丘陵、平原地帶的刺槐林，以及低山丘陵區(qū)其他喬木樹種；850.0～1 100.0元·hm-2的區(qū)域占比5.41%，覆蓋了平原、丘陵區(qū)的楊樹林、針闊混交林。

圖3 單位面積森林資源積累營養(yǎng)物質(zhì)價值量空間分布Fig.3 Spatial distribution of accumulated nutrient value of forest resources per unit area

實物量決定價值量，對各個縣市區(qū)森林資源單位面積積累元素價值量進行研究發(fā)現(xiàn)，長島縣、芝罘區(qū)森林資源單位面積積累元素價值量在500.0～650.0元·hm-2；招遠市、萊州市、海陽市、開發(fā)區(qū)單位面積價值量在400.0～500.0元·hm-2；昆崳區(qū)、萊陽市、龍口市、牟平區(qū)、萊山區(qū)單位面積價值量300.0～400.0元·hm-2；棲霞市、福山區(qū)、蓬萊市單位面積價值在200.0～300.0元·hm-2。從空間分析來看，不同樹種、不同縣市區(qū)的森林資源林木積累營養(yǎng)物質(zhì)功能方面有著較大的差異。

3 結(jié)論與討論

煙臺市森林生態(tài)系統(tǒng)年積累元素總實物量為11 190.5 t，其中年積累N量為6 787.29 t，積累P量為776.04 t，積累K量為3 627.16 t；積累元素的總價值量為16 794.83萬元，其中積累N價值14 253.36萬元，P價值543.23萬元，K價值1 998.24萬元。

各樹種對比來看，刺槐、赤松、蘋果、黑松、楊樹在實物量、價值量上處于優(yōu)勢，櫻桃、梨樹和其他經(jīng)濟樹種、疏林在數(shù)量上處于劣勢。平均單位面積N、P、K實物量合計為21.48 kg·hm-2·a-1，單位面積價值量為322.2元·hm-2·a-1。針闊混、楊樹、灌木林、櫟類、刺槐、其他喬木樹種、板栗、疏林以及低山丘陵區(qū)黑松在平均值之上，低山丘陵區(qū)赤松、平原區(qū)黑松以及丘陵區(qū)所有經(jīng)濟林樹種在平均值之下。

各個縣市區(qū)對比來看，總實物量、價值量排序為棲霞市>牟平區(qū)>海陽市>招遠市>萊州市>蓬萊市>龍口市>萊陽市>福山區(qū)>萊山區(qū)>昆崳區(qū)>芝罘區(qū)>長島縣>開發(fā)區(qū)。單位面積實物量、價值量排序為長島縣>芝罘區(qū)>開發(fā)區(qū)>海陽市>萊州市>招遠市>萊山區(qū)>牟平區(qū)>龍口市>萊陽市>昆崳區(qū)>蓬萊市>福山區(qū)>棲霞市。

就地形分布上來看，低山區(qū)、丘陵區(qū)、平原區(qū)森林資源積累實物量分別占比11.65%、81.30%、7.05%，價值量分別占比11.81%、81.40%、6.79%；低山區(qū)、丘陵區(qū)、平原區(qū)單位面積積累元素實物量量分別為25.68、19.99、51.13 kg·hm-2·a-1，價值量分別為390.75、300.42、739.17元·hm-2·a-1。

如前所述，一般喬木林單位面積的積累元素能力與樹種NPP、樹種元素含量、立地條件有著較強的關(guān)聯(lián)，土層深厚、土壤養(yǎng)分水分充足、生產(chǎn)力旺盛，決定了較高的積累養(yǎng)分能力[4-6，26]，本研究中針闊混交林、闊葉林在積累養(yǎng)分元素方面強于黑松、赤松等純林。各縣市區(qū)、不同地形在總量及單位面積功能分析來看，存在較大差異，這與樹種結(jié)構(gòu)、面積比例、NPP、立地條件、人為干擾等等因素有著極大的關(guān)聯(lián)性。棲霞市、蓬萊市等森林資源面積較大，但是經(jīng)濟林資源占比過大，土壤受人為干擾較重，雖然年生產(chǎn)力高、撫育措施精細，但是森林結(jié)構(gòu)單一，生態(tài)系統(tǒng)不完整，土壤有機質(zhì)少，過度依賴外部施肥，土壤團粒結(jié)構(gòu)較差，土壤自身對于林木積累養(yǎng)分元素的貢獻較少，能力較差，因此應加強土壤養(yǎng)分管理[24-27]。本研究在經(jīng)濟樹種年凈生產(chǎn)力及林木積累元素能力評定方面，采用了標準果園實地調(diào)查、專家論證，不同于方精云等[16]、王兵等[10]、叢日征等[12]在宏觀價值評估時采用平均值的辦法，更接近地方實際。

本研究所統(tǒng)計到的喬木林中，87.3%的森林資源分布于丘陵地帶，而且其中絕大部分是以蘋果、櫻桃為代表的經(jīng)濟林，林木積累養(yǎng)分能力相對偏低；只有近3%的森林資源分布于沿海平原地帶，以楊樹、刺槐、針闊混、灌木林、黑松為主，雖然立地條件好、生產(chǎn)力旺盛，但是面積有限；不到10%的森林資源分布于低山區(qū)域，以赤松、櫟類、黑松、針闊混、灌木林等為主，區(qū)域土壤瘠薄，屬粗骨質(zhì)土，樹種常年面對惡劣的適生環(huán)境，單位面積、生物量低生產(chǎn)力偏低，也決定了積累營養(yǎng)功能弱化?；诖?，筆者認為，借助ArcGIS進行森林資源的積累營養(yǎng)物質(zhì)功能評估，能夠幫助人們理性認識各類森林資源生態(tài)效益，明確不同區(qū)域、樹種、地形的分布差異，能為市縣級森林分類經(jīng)營、土壤管理等提供參考。