湯明華,劉娟,高林,趙金發(fā),樊驥善,余濤

(1.云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院 生態(tài)分院,云南 昆明 650031;2.云南林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,云南 昆明 650224;3.云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,云南 昆明 650051)

隨著城市化進程加快、化石燃料用量增加、土地利用變化加劇,大氣CO2濃度顯著增加,由此引發(fā)的環(huán)境問題日益突出,控制大氣CO2濃度升高成為21世紀國際社會面臨的重大挑戰(zhàn)之一[1]。陸地生態(tài)系統(tǒng)通過光合作用將大氣CO2固定在植被和土壤中。作為重要的碳匯之一,植被和土壤可以有效減緩大氣CO2濃度增加,這已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界普遍認可的觀點[2-3]。鞏固和提升生態(tài)系統(tǒng)碳匯功能是實現(xiàn)我國2030年前碳達峰、2060年前碳中和重要戰(zhàn)略目標(biāo)[4]。

森林生態(tài)系統(tǒng)是維持生物圈和地圈動態(tài)平衡重要的陸地生態(tài)系統(tǒng)類型,也是陸地生態(tài)系統(tǒng)最主要的生產(chǎn)者[5]。森林生物量約占全球陸地植被生物量90%,是森林固碳能力的重要標(biāo)志,同時也是評估森林碳收支的重要參數(shù),森林及其變化對陸地生物圈及其它地表過程有著重要影響[6-10]。在全球應(yīng)對氣候變化的大背景下,由于森林在全球碳循環(huán)中發(fā)揮著重要作用,森林生物量和碳儲量越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注[11]。早在20世紀70年代末80年代初,馮宗煒、李文華等就開始對我國森林生物量測定開展研究[12]?；谏仲Y源清查資料的森林生物量估算是在景觀、區(qū)域甚至全球尺度上評估森林碳收支的重要手段,且在陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和全球變化研究中起著十分重要的作用[13-17]。森林生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性與生產(chǎn)力關(guān)系受環(huán)境因子變化影響很大,其中,氣候和土壤的變異表現(xiàn)最為突出[18-19]。

森林碳儲量是森林碳匯功能的具體表現(xiàn)[20-22]。云南省作為我國林業(yè)大省,森林碳匯功能將為我國應(yīng)對氣候變化做出巨大貢獻。盈江縣隸屬德宏傣族景頗族自治州,地處高黎貢山西坡,是中國唯一具有伊洛瓦底江水系熱帶生物區(qū)系的地區(qū)。轄區(qū)內(nèi)熱帶山地森林生態(tài)系統(tǒng)保存完好,生物多樣性極其豐富,特別是分布著許多獨特的珍稀特有物種;森林資源豐富,森林面積達306 321.4 hm2,蓄積量為36 489 660 m3,生物量為32 426 833.61 t,單位面積生物量為85.55 t/hm2。本研究利用云南省德宏州盈江縣森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)和生物量換算因子連續(xù)函數(shù)法估算該區(qū)域森林生物量,探討區(qū)域森林生物量估計的可行方法。研究結(jié)果可以為縣級生態(tài)效益評價、生態(tài)補償機制中的補償量計算以及二氧化碳排放權(quán)的有償轉(zhuǎn)讓的價值評估等提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

盈江縣位于云南省德宏傣族景頗族自治州西北部,地處喜馬拉雅山延伸橫斷山脈的西南端,為高黎貢山西坡,地勢東北高,西南低,海拔210～3 404.6 m。區(qū)內(nèi)屬南亞熱帶季風(fēng)氣候,熱帶、亞熱帶和溫帶氣候集中于一縣,即北熱帶、亞熱帶、溫帶氣候并存。地貌組合形態(tài)多樣,地勢高低突出,具有“立體氣候”特點。年均氣溫20.6 ℃,年平均相對濕度73%;冬無嚴寒、夏無酷暑,四季難分、春意常濃。全年無霜期長達324.4 d,年均日照時數(shù)2 364.5 h,年均降雨量2 328.1 mm。常年受西南季風(fēng)影響,每年5—10月為雨季,降雨量占全年的89.3%;冬春少雨干燥。研究區(qū)域內(nèi)有磚紅壤、赤紅壤、紅壤、黃壤、黃棕壤、棕壤、亞高山灌叢草甸土7個森林土類,從低海拔到高海拔隨生物條件發(fā)育,依次呈明顯的垂直分布[18-19]。根據(jù)《云南植被》,盈江縣主要有雨林、季雨林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、暖性針葉林、竹林、灌叢7個植被類型。

1.2 樣地調(diào)查

本研究采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是盈江縣第九次森林資源清查(云南省第七次復(fù)查)樣地統(tǒng)計資料。2017年3月—2017年7月在盈江縣已設(shè)置好的90塊固定樣地內(nèi)進行野外調(diào)查。樣地海拔在760～3 070 m之間,每個樣地面積為28.28 m×28.28 m(0.08 hm2)。調(diào)查時記錄樣地基本情況,如地貌、海拔、坡向、坡位、坡度、土壤名稱及厚度、腐殖質(zhì)厚度、枯枝落葉厚度、植被類型、灌木覆蓋度及高度、草本覆蓋度及高度、植被總覆蓋度、地類、權(quán)屬、森林類別等62項因子。在每個喬木林樣地中,記錄樣地內(nèi)出現(xiàn)的所有喬木種類,調(diào)查內(nèi)容包括物種名、起源、胸徑、樹高、齡組、年齡、郁閉度、群落結(jié)構(gòu)、樹種結(jié)構(gòu)及林層結(jié)構(gòu)等特征,同時記錄樣地內(nèi)出現(xiàn)的灌木與草本種類。

1.3 生物量估算方法

1.3.1 生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法

生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法是為克服生物量轉(zhuǎn)換因子法將BEF作為常數(shù)的不足而提出的,該方法是將單一不變的生物量平均轉(zhuǎn)換因子改為分齡級的轉(zhuǎn)換因子,以更加準確地估算區(qū)域或國家的森林生物量[2,13,23-24]。fBEF=a+b/V,其中:a和b為參數(shù),fBEF為生物量轉(zhuǎn)換因子,V為林分蓄積。盈江縣主要森林生物量與蓄積量關(guān)系見表1。

表1 生物量和蓄積量轉(zhuǎn)換模型參數(shù)

1.3.2 生物量異速生長模型

根據(jù)盈江縣2012年和2017年森林資源連續(xù)清查固定樣地調(diào)查數(shù)據(jù),選取68個樣地作為本研究中主要森林類型生長量的計算,通過2個不同時間段主要森林類型生物量的增減作為喬木生長量的衡量標(biāo)準。將森林資源連續(xù)清查中樹種分為5類,分別是云南松類、杉木類[25]、樺木類、櫟類及其它闊葉類。其中:杉木類包括柳杉(Cryptomeriafortunei)、禿杉(Taiwaniaflousiana)等;樺木類包括榿木(Alnuscremastogyne)和西南樺(Betulaalnoides)兩個樹種[26];櫟類包括杯狀栲(Castanopsiscalathiformis)、刺栲(C.hystrix)、大果青岡(Cyclobalanopsisrex)、滇青岡(Cy.glaucoides)、短刺栲(C.echidnocarpa)、多變石櫟(Lithocarpusvariolosus)、光葉石櫟(L.mairei)、華南石櫟(L.fenestratus)、黃毛青岡(Cy.delavayi)、栲樹(C.fargesii)、麻櫟(Quercusacutissima)、木果石櫟(L.xylocarpus)、青岡(Cy.glauca)、栓皮櫟(Q.variabilis)、小葉青岡(Cy.myrsinaefolia)、硬斗石櫟(L.hancei)等16個樹種;其他闊葉樹種歸為一類[27]。樣地不同喬木物種適用的生物量異速生長方程見表2。

表2 盈江縣主要森林類型喬木地上生物量計算方程

1.4 影響因子篩選

選取與森林生物量密切相關(guān)的氣候(氣溫、降水)、林分密度、林木個體大小差異及林齡作為森林生物量影響因子。林木大小個體差異為樣地中所有喬木個體胸徑的標(biāo)準差與胸徑的平均值的比值[19,28-29]。本研究所選氣候因子為年平均氣溫與年降雨量。氣候因子從ClimateChina v4.40中提取。ClimateChina是基于PRISM(parameter-elevation regressions on independent slope model)建立起來的氣候模型,采用雙向插值法和偏導(dǎo)海拔調(diào)整方案相結(jié)合的方法,其輸出結(jié)果已經(jīng)在云南省135個氣象站點得到驗證[19,28-29],利用取樣點(地)的經(jīng)度、緯度和海拔數(shù)據(jù)就可以提取氣候因子。

1.5 數(shù)據(jù)分析

通過多元回歸分析年平均降雨量、年平均氣溫、林分密度、林木個體大小差異及林齡對林分生物量的影響,并通過隨機森林模型評估生物因子及非生物因子對林分生物量的貢獻。隨機森林模型無須考慮一般線性回歸分析面臨的共線性問題,不用做變量選擇,現(xiàn)有的隨機森林軟件包都給出了所有變量的重要性[26]。所有分析過程均在R語言4.2.3版本中完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同森林類型生物量大小分布

盈江縣組成純林、混交林的主要優(yōu)勢樹種(組)有其他闊葉樹(包括其他硬闊)、櫟類、西南樺、榿木、杉木等22個樹種(組)。本次森林資源清查中未統(tǒng)計蓄積量的不納入生物量的計算。各主要優(yōu)勢樹種(組)面積、蓄積及生物量分布見表3。

表3 盈江縣不同森林類型生物量大小分布

由表3可知,盈江縣森林面積達306 321.4 hm2,蓄積量為36 489 660 m3,生物量為32 426 833.61 t,單位面積生物量為85.55 t/hm2。單位面積生物量最大的類型為櫟類組成的森林類型,達168.3 t/hm2;單位面積生物量最小的類型為核桃(Juglanssigillata)組成的森林類型,為7.10 t/hm2。森林面積最大的是以其他闊葉樹組成的森林類型,同時其蓄積量與生物量也是最大。該類型占總生物量的30.72%,其次是其他硬闊、西南樺、櫟類、榿木及麻櫟等,達到總生物量的96.78%,其他類型的森林所占比例較少,多是人工林,如杉木、柚木(Tectonagrandis)、橡膠(Heveabrasiliensis)、核桃、喜樹(Camptothecaacuminata)等樹種組成的人工林。

2.2 不同齡組喬木林生物量大小分布

2017年盈江縣森林資源連續(xù)清查顯示,盈江縣喬木林面積與蓄積中中齡林與近熟林占比例最大,過熟林的面積最小,而幼齡林的蓄積量最小,生物量的大小順序依次是近熟林>中齡林>成熟林>過熟林>幼齡林(表4)。

表4 不同齡組森林生物量大小分布

2.3 主要植被類型林分生物量及生長量

在2012—2017年盈江縣森林資源連續(xù)清查固定樣地調(diào)查的基礎(chǔ)上,篩選出59個樣地進行森林植被類型林分生物量及生長量的統(tǒng)計。共計分出3個植被類型,基本概括了盈江縣的大部分植被類型,分別是常綠闊葉林、落葉闊葉林及針葉林。其中,常綠闊葉林在2012年、2017年的林分生物量均要高于落葉闊葉林及針葉林,林分生長量也是以常綠闊葉林為最大(表5)。

表5 盈江縣主要森林植被類型的林分生物量及年均生長量

2.4 林分生物量的影響因子

2.4.1 林分生物量及喬木生長量與影響因子的一元線性回歸模型

盈江縣主要森林植被林分生物量與林分密度、林齡、喬木個體大小差異、年均降雨量及年均氣溫的一元線性回歸模型分析結(jié)果(圖1)顯示,林分生物量隨著林齡的增長而增加,隨著喬木個體大小差異的增大而增加,同時,林分生物量隨著年均氣溫的的增大而降低,而隨林分密度及年均降雨量無顯著變化趨勢。

圖1 盈江縣主要森林植被林分生物量與影響因子關(guān)系

盈江縣主要森林植被林分喬木生長量與林分密度、林齡、喬木個體大小差異、年均降雨量及年均氣溫的一元回歸分析結(jié)果(圖2)顯示,各林分喬木生長量與林分密度、喬木個體大小差異及年均降雨量不存在顯著的線性關(guān)系,但隨著林齡的增大而增加,隨著年均氣溫的增大而減小。

2.4.2 林分生物量與影響因子的多元回歸模型

盈江縣主要森林類型林分生物量與林分密度、林齡、喬木個體大小差異、年均降雨量及年均氣溫之間的多元歸回分析結(jié)果(表6)顯示,林分密度與林齡是林分生物量的主要影響因子,尤其是林齡。

表6 林分生物量與影響因子之間的多元回歸模型分析

盈江縣主要森林類型林分喬木生長量與林分密度、林齡、喬木個體大小差異、年均降雨量及年均氣溫之間的多元歸回模型分析結(jié)果見表7。結(jié)果顯示,林齡是影響林分喬木生長量的主要影響因子。

2.4.3 影響因子對林分生物量的貢獻

應(yīng)用隨機森林模型對盈江縣主要森林植被林分生物量的影響因子的貢獻進行定量分析,結(jié)果(圖3)顯示,林齡對盈江縣主要森林植被林分生物量的重要性最大,其相對重要性達16.11%,節(jié)點純度為516 742.5。其次是年均氣溫,盡管年均氣溫在多元回歸模型中對林分生物量無顯著影響,但是作為氣候因子的主要指標(biāo)之一,是影響森林生物量的主要因子,隨機森林模型結(jié)果顯示其對林分生物量具有較大的影響。

圖3 建立在隨機森林模型上影響因子對林分生物量的重要性

應(yīng)用隨機森林模型對盈江縣主要森林植被林分喬木生長量的影響因子的貢獻進行定量分析,森林隨機模型的解釋率有60.41%(圖4)。結(jié)果顯示,林齡對盈江縣主要森林植被林分喬木生長量的重要性最大,其相對重要性達13.84%,節(jié)點純度為95 307.47。其次是年均氣溫,年均氣溫也是影響森林喬木生長的主要因子。

圖4 建立在隨機森林模型上影響因子對林分喬木生長量的重要性

3 討論與結(jié)論

盈江縣森林面積達306 321.4 hm2,蓄積量為36 489 660 m3,生物量為32 426 833.61 t,單位面積生物量為85.55 t/hm2;中齡林與近熟林占總生物量的比例最大。本研究中單位面積生物量最大的類型為櫟類組成的森林類型(單位面積生物量為168.3 t/hm2),與張欽云對盈江縣主要森林類型碳匯功能研究[30]、張修玉等[31]對西雙版納森林植被碳儲量研究中的相關(guān)結(jié)論一致。盈江縣屬南亞熱帶季風(fēng)氣候,濕熱濕潤,雨量充沛,日照長,優(yōu)越的氣候條件適宜植物的生長,該區(qū)域保存了許多古老原始的動植物種類,是我國印緬熱帶生物地理區(qū)系中資源最集中、最典型的區(qū)域[32]。根據(jù)2005年森林資源二類調(diào)查統(tǒng)計,森林覆蓋率為69.8%[33],根據(jù)2016年最新的森林資源二類調(diào)查統(tǒng)計,盈江縣的森林覆蓋率已達到75.6%,盈江縣森林植被起到了重要的碳匯功能,且其碳匯功能呈上升趨勢。

盈江縣主要森林的喬木生長量在7.86～13.61 t/(hm2·a),其中常綠闊葉林的林分生物量為13.61 t/(hm2·a)及生長量要高于落葉闊葉林及針葉林,成為盈江縣森林生物量的主要組成部分。根據(jù)第六次森林資源清查結(jié)果,云南省林分單位面積平均生產(chǎn)力為3.09 t/(hm2·a),闊葉林分喬木生長量為4.37 t/(hm2·a)[24],盈江縣的主要森林林分喬木生長均高于云南省平均水平。盈江縣分布的婆羅雙(Shoreaassamica)林,是我國少有的熱帶單優(yōu)森林群落之一,這類森林林木高大,樹齡古老[34]。熱帶雨林在全球碳循環(huán)中起著非常重要的作用,其生物量現(xiàn)存量較大,但其碳匯能力相對較弱,其碳匯為0.56 t/(hm2·a),或者其喬木增長量相對緩慢。盡管本研究將熱帶雨林納入到常綠闊葉林中進行生物量的統(tǒng)計分析,然而其林分生長量的貢獻不大。盈江縣還分布有大面積的季風(fēng)常綠闊葉林,該植被是我國森林生態(tài)系統(tǒng)中生產(chǎn)力最高、生物多樣性最豐富及生態(tài)系統(tǒng)功能高的類型之一,貢獻了盈江縣常綠闊葉林林分喬木生長量的大部分。林分生物量包括了喬木、灌木、草本及凋落物生物量,本研究僅針對林分的生物量進行了分析,而忽略了其他組成的貢獻,同時限于試驗條件及經(jīng)費預(yù)算,也未考慮土壤碳儲量的貢獻,因而在今后的研究工作中,應(yīng)補充完善這方面的工作,以充實研究結(jié)論。

在影響林分生物量的因子中,林齡、林分密度及年均氣溫具有較大的影響,尤其是林齡是最主要的影響因子。林齡和年均氣溫也是影響林分喬木生長量的主要影響因子。林齡是影響森林林分生物量的重要因子[17],森林生物量隨著林齡的增大而增大。幼齡林階段,樹木的樹葉、樹枝、樹根生物量和養(yǎng)分儲量所占比例較大,隨著時間的推移,生物量和養(yǎng)分含量向樹干分配比例逐漸增大,老齡階段由于稀疏過程,樹干的營養(yǎng)積累比例達到最大,生物量積累也最大。本研究發(fā)現(xiàn),各林分喬木生長量也隨林齡增大而增加。各林分喬木生長量隨著年均氣溫的增大而下降,主要是由于年均氣溫較高的區(qū)域是人為活動較為頻繁,原生植被多數(shù)被破壞,現(xiàn)在更新的多是中幼齡林,影響到喬木林分的生產(chǎn)力。