生態(tài)環(huán)評(píng)中森林植被生物量的估算方法

郝 媛，馬俊杰

(西北大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710127)

環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則生態(tài)影響中的生態(tài)現(xiàn)狀調(diào)查是生態(tài)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、影響預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)和依據(jù)。導(dǎo)則要求調(diào)查的內(nèi)容和指標(biāo)應(yīng)能反映評(píng)價(jià)工作范圍內(nèi)的生態(tài)背景特征的和現(xiàn)存的主要生態(tài)問(wèn)題，其中指出，一級(jí)評(píng)價(jià)應(yīng)給出采樣地樣方實(shí)測(cè)、遙感等方法測(cè)定的生物量，二級(jí)評(píng)價(jià)的生物量可依據(jù)已有資料推斷，或?qū)崪y(cè)一定數(shù)量的、具有代表性的樣方予以驗(yàn)證。關(guān)于二級(jí)評(píng)價(jià)中生物量該如何進(jìn)行估算，環(huán)評(píng)導(dǎo)則中并沒(méi)有給出具體方法。

1 生物量

1.1 生物量的概念

生物量是單位面積上所有生物有機(jī)體的干重總量，是生態(tài)系統(tǒng)最基本的數(shù)量特征，是認(rèn)識(shí)生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)，它不僅反映了生態(tài)系統(tǒng)在特定時(shí)間段內(nèi)積累有機(jī)物質(zhì)的能力，也是描述生態(tài)系統(tǒng)特征的重要參數(shù)。而綠色植物的生物量是整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的能量基礎(chǔ)和物質(zhì)來(lái)源，是生態(tài)功能系統(tǒng)最重要的特征和本質(zhì)的標(biāo)志。其中森林生物量約占全球陸地植被生物量的90%以上［1］，其是森林固碳能力的重要標(biāo)志，也是評(píng)估森林碳收支的重要參數(shù)，是研究很多林業(yè)問(wèn)題和生態(tài)問(wèn)題的基礎(chǔ)。

1.2 生物量變化的環(huán)境影響

生物量變化的環(huán)境影響主要表現(xiàn)在生態(tài)金字塔的穩(wěn)定性、水土流失強(qiáng)度的變化、溫室效應(yīng)強(qiáng)度的變化和景觀生態(tài)協(xié)調(diào)性幾方面。

生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的初級(jí)即第一營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物量的增加，必然會(huì)導(dǎo)致一級(jí)消費(fèi)者如鳥(niǎo)、兔、鼠、松鼠及野豬等第二營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物量和昆蟲(chóng)生物量的增加，從而導(dǎo)致蛇等第三營(yíng)養(yǎng)級(jí)生物量的增加;一般認(rèn)為，水土流失強(qiáng)度與森林覆蓋率相關(guān)，然而生物量也是一個(gè)重要影響因素;生物量變化對(duì)溫室效應(yīng)也有直接影響與間接影響;生物量的變化也會(huì)通過(guò)影響景觀生態(tài)類(lèi)型，從而影響局部地區(qū)的生態(tài)協(xié)調(diào)性［2］。

2 生物量的計(jì)算方法分析

生物量的估算方法很多，主要有皆伐實(shí)測(cè)法、標(biāo)準(zhǔn)木法和回歸估計(jì)法［3］和森林蓄積量與生物量的轉(zhuǎn)換模型四種方法。

2.1 皆伐實(shí)測(cè)法

皆伐實(shí)測(cè)法即在林分內(nèi)選擇適當(dāng)面積的林地，將該林地內(nèi)所有喬、灌、草等皆伐，測(cè)定所有植物的生物量，它們生物量之和即為皆伐林地生物量，再根據(jù)全林分面積和皆伐林地面積值計(jì)算出全林分生物量。該方法雖然可以較準(zhǔn)確地測(cè)定林分生物量，但對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞性大且耗時(shí)費(fèi)力，在環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中應(yīng)用是不可行的，尤其不適合對(duì)喬木生物量的測(cè)定，這種方法可以用來(lái)檢驗(yàn)其他測(cè)定方法的精度，或者對(duì)林分中的灌木、草本等植物生物量的測(cè)定更為適合。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)木法

標(biāo)準(zhǔn)木法包括平均標(biāo)準(zhǔn)木法和分層標(biāo)準(zhǔn)木法兩種方法。

2.2.1 平均標(biāo)準(zhǔn)木法

平均標(biāo)準(zhǔn)木法是以每木調(diào)查結(jié)果計(jì)算出全部立木的平均胸高直徑為選擇標(biāo)準(zhǔn)木的依據(jù)，把最接近于這個(gè)平均值的幾株立木作為標(biāo)準(zhǔn)木，伐倒稱(chēng)重。然后，用標(biāo)準(zhǔn)木生物量的平均值乘以單位面積上的立木株數(shù)，或用標(biāo)準(zhǔn)木生物量的總和乘以單位面積上胸高總斷面積與標(biāo)準(zhǔn)木胸高斷面積總和之比，求出單位面積上的林分生物量，進(jìn)而根據(jù)林分面積求出全林分生物量。

2.2.2 分層標(biāo)準(zhǔn)木法

分層標(biāo)準(zhǔn)木法是依據(jù)胸徑級(jí)或樹(shù)高級(jí)將林分或標(biāo)準(zhǔn)地林木分成幾個(gè)層，然后在各層內(nèi)選測(cè)平均標(biāo)準(zhǔn)木，并伐倒稱(chēng)重，得到各層的平均生物量測(cè)定值，乘以單位面積各層的立木株數(shù)，即得到各層生物量，將各層生物量加和起來(lái)，即為單位面積林分生物量總值［4］。

標(biāo)準(zhǔn)木法同皆伐實(shí)測(cè)法具有相同的特點(diǎn)，即對(duì)生態(tài)系統(tǒng)具有破壞性，但其破壞性較小。標(biāo)準(zhǔn)木法比較適用于林木大小具有較小或中等離散度正態(tài)頻率分布的林分，如人工林［5］，是回歸估計(jì)法的基礎(chǔ)方法，在實(shí)際的環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中也不太適用。

2.3 回歸估計(jì)法

林木生物量回歸估計(jì)法是以模擬林分內(nèi)每株樹(shù)木各分量(干、枝、葉、皮、根等)干物質(zhì)重量為基礎(chǔ)的一種估計(jì)方法。它是通過(guò)樣本觀測(cè)值建立樹(shù)木各分量干重與樹(shù)木其它測(cè)樹(shù)因子之間的一個(gè)或一組數(shù)學(xué)表達(dá)式，該數(shù)學(xué)表達(dá)式也稱(chēng)林木生物量模型，其旨在用樹(shù)木易測(cè)因子的調(diào)查結(jié)果來(lái)估計(jì)不易測(cè)因子。

林木生物量模型的方程很多，概括起來(lái)有三種基本類(lèi)型:線(xiàn)性模型，非線(xiàn)性模型，多項(xiàng)式模型。在這三類(lèi)模型中，非線(xiàn)性模型應(yīng)用最為廣泛，其中相對(duì)生長(zhǎng)模型最具有代表性，是所有模型中應(yīng)用最為普遍的一類(lèi)模型，有三種函數(shù)形式:

式中:Y 表示生物量，β0，β1…βi表示模型參數(shù)，X1，X2，…Xi為植株形態(tài)學(xué)變量(如胸徑、樹(shù)高)，ε表示誤差項(xiàng)。

相對(duì)生長(zhǎng)模型實(shí)質(zhì)上屬于先破壞性測(cè)量有限數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)木，然后建立全部或部分生物量與易于獲得的植株形態(tài)學(xué)變量(如胸徑、樹(shù)高等)間的數(shù)量關(guān)系的一種回歸估計(jì)法，因此，在建模過(guò)程中需要測(cè)定一定數(shù)量樣木的生物量作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。同時(shí)，自變量數(shù)目的增多常使生物量的估算更準(zhǔn)確，但也會(huì)加大野外調(diào)查時(shí)基本數(shù)據(jù)獲取的難度，從而影響相對(duì)生長(zhǎng)模型的實(shí)用性，但是相對(duì)生長(zhǎng)模型一旦建立，在同類(lèi)的林分中就可以利用森林資源清查數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)整個(gè)林分生物量，而且具有一定的精度［5］。目前，我國(guó)已階段性整理了特定樹(shù)種、立地等條件下的經(jīng)驗(yàn)相對(duì)生長(zhǎng)方程［4］，如王仲鋒［6］在甘肅省小隴山黨川林場(chǎng)測(cè)量計(jì)算得出全株云杉的相對(duì)生長(zhǎng)公式。對(duì)于已經(jīng)建立好的樹(shù)種相對(duì)生長(zhǎng)方程，在環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中可以利用森林資源清查數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行整個(gè)林分生物量的估算。

2.4 森林蓄積量與生物量的轉(zhuǎn)換模型

在相對(duì)生長(zhǎng)模型的研究與應(yīng)用中，各分量模型(總量、樹(shù)干、樹(shù)皮、樹(shù)根、樹(shù)枝和樹(shù)葉)都是獨(dú)立進(jìn)行的，這種建模方式在生物量模型研究中導(dǎo)致一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，即各分量模型估計(jì)值之和不等于總量模型估計(jì)值，也就是各分量模型與總量模型不相容［5］。由于相對(duì)生長(zhǎng)模型理論上存在的疑點(diǎn)是林木各部分與其總和的關(guān)系問(wèn)題，為了解決生物量模型相容性的問(wèn)題，唐守正等人［7］引入材積自變量解決了以往生物量估算中各分量模型間不相容的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了生物量模型和材積模型的兼容，而且還結(jié)合了我國(guó)現(xiàn)行的森林資源清查方法。這種模型被稱(chēng)為森林蓄積量與生物量的轉(zhuǎn)換模型，就是根據(jù)樹(shù)干材積推算全株(包括樹(shù)干、枝、葉和根)的生物量，以及根據(jù)某一區(qū)域同一樹(shù)種的總蓄積量推算其生物量。

目前［8，9］，生物量B和蓄(材)積V的關(guān)系模型主要有B=aV型、B=V·γ·BEF型和 B=a+bV型，其中 a，b為待求因子，γ為木材密度，BEF為擴(kuò)展因子。前兩者實(shí)質(zhì)上是一致的。

對(duì)生物量與蓄積量關(guān)系的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了2個(gè)階段:(1)生物量與蓄積量之比為常數(shù);(2)生物量與蓄積量的連續(xù)函數(shù)變化［5］。有兩種研究方法:生物量轉(zhuǎn)換因子法和生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法。

2.4.1 生物量轉(zhuǎn)換因子法

生物量轉(zhuǎn)換因子法是利用林分生物量與木材材積比值的平均值，乘以該森林類(lèi)型的總蓄積量，得到該類(lèi)型森林的總生物量的方法［10］。生物量轉(zhuǎn)換因子法的不足主要反映在生物量轉(zhuǎn)換因子，例如木材密度和總生物量與地上生物量的轉(zhuǎn)換系數(shù)均取作常數(shù)，而實(shí)際情況是林分生物量和蓄積量與森林類(lèi)型、年齡、立地條件和林分密度等諸多因素有關(guān)。相關(guān)研究表明，生物量轉(zhuǎn)換因子法估算的生物量較皆伐法高出20% ～40%。

2.4.2 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)換因子法將生物量與蓄積量比值作為常數(shù)的不足而提出的，其將單一不變的平均換算因子改為分齡級(jí)的換算因子，以更準(zhǔn)確地估算區(qū)域的森林生物量［11］。

3 在生態(tài)環(huán)評(píng)中的應(yīng)用

通過(guò)對(duì)以上幾種關(guān)于生物量的計(jì)算方法進(jìn)行分析可知，皆伐實(shí)測(cè)法和標(biāo)準(zhǔn)木法對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞較大，故在實(shí)際的環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中是不適合的，而回歸估計(jì)法中相對(duì)生長(zhǎng)模型的建立需要做大量的野外調(diào)查工作，且目前只有少數(shù)的特定樹(shù)種建立了此模型，使模型的應(yīng)用性受到了很大的影響，只有森林蓄積量與生物量的轉(zhuǎn)換模型在不需破壞森林植被的基礎(chǔ)上，通過(guò)模型將森林蓄積量轉(zhuǎn)換成生物量，有較強(qiáng)的實(shí)用性，且對(duì)森林植被沒(méi)有破壞性，更重要的一點(diǎn)是我國(guó)自20世紀(jì)70年代開(kāi)始進(jìn)行大規(guī)模的森林資源清查工作，形成了完善的森林資源一、二、三類(lèi)調(diào)查體系，同時(shí)也積累了大量的數(shù)據(jù)。森林清查資料以獲取森林面積和蓄積為主，蓄積資料包括樹(shù)干的材積部分［10］。所以，將森林蓄積量與生物量的轉(zhuǎn)換模型用在環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作的生態(tài)環(huán)評(píng)中來(lái)計(jì)算生物量是比較易操作的。

本文通過(guò)對(duì)生態(tài)環(huán)評(píng)中某一項(xiàng)目中涉及到的秦嶺山地某一區(qū)域的森林清查資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)表1，然后用森林蓄積量與生物量的轉(zhuǎn)換模型對(duì)該區(qū)域的植被生物量進(jìn)行估算。

由表1可知，該區(qū)域森林的單位面積平均蓄積量中冷杉混交林、樺類(lèi)混交林和冷杉針葉林最大，分別為107.11 m3/hm2、91.43 m3/hm2、87.33 m3/hm2。其次為華山松混交林76.67 m3/hm2、樺類(lèi)闊葉林 70.47 m3/hm2、油松混交林68.94 m3/hm2、華山松針葉林 63.57 m3/hm2、硬闊闊葉林 63.45 m3/hm2、油松針葉林 61.46 m3/hm2、櫟類(lèi)闊葉林 61.22 m3/hm2，單位面積平均蓄積量均在 60～80 m3/hm2之間。單位面積平均蓄積量最小的為軟闊闊葉林、軟闊混交林和硬闊混交林，平均蓄積量分別為 48.46 m3/hm2、39.97 m3/hm2、33.47 m3/hm2。

按照方精云等對(duì)《我國(guó)森林植被的生物量和凈生產(chǎn)量》一文的計(jì)算參數(shù)，計(jì)算該區(qū)域不同森林植被的單位面積生物量，結(jié)合其他文獻(xiàn)中灌叢、箭竹和亞高山草甸的實(shí)測(cè)和計(jì)算方法，計(jì)算森林之外其他植被的單位面積生物量，最后匯總得出該區(qū)域的總生物量，見(jiàn)表2。

由表2可知，評(píng)價(jià)區(qū)總生物量為20.94萬(wàn) t，其中闊葉林生物量最大，針闊混交林、針葉林次之，亞高山草甸生物量最小。闊葉林中以樺木林生物量最大，為8.92萬(wàn) t，占總生物量的42.61%;針闊混交林中以紅樺松杉針闊混交林生物量最大，為3.69萬(wàn)噸，占總生物量的17.61%;針葉林中的生物量以人工針葉林為主，為 3.85萬(wàn) t，占總生物量的18.37%;亞高山或次生灌叢的生物量為 1.34萬(wàn) t，占總生物量的6.40%;箭竹林、亞高山草甸的生物量很小，僅占總生物量的0.39%。

表1 某縣林業(yè)資源調(diào)查中不同林種和林型的天然林蓄積量 m3/hm2

表2 區(qū)域總的生物量

4 結(jié)語(yǔ)

由于環(huán)境影響評(píng)評(píng)工作中生物量的測(cè)定需要易于操作，這就使得生物量計(jì)算方法的選取受到局限。皆伐實(shí)測(cè)法雖然可以較準(zhǔn)確地測(cè)定林分生物量，但對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的破壞性大且耗時(shí)費(fèi)力，在關(guān)于森林開(kāi)采項(xiàng)目的環(huán)境影響工作中應(yīng)用是不可行的，尤其不適合對(duì)喬木生物量的測(cè)定，這種方法可以用來(lái)檢驗(yàn)其他測(cè)定方法的精度，或者對(duì)林分中的灌木、草本等植物生物量的測(cè)定更為適合;標(biāo)準(zhǔn)木法雖同皆伐實(shí)測(cè)法具有相同的特點(diǎn)，即對(duì)生態(tài)系統(tǒng)具有破壞性，但其破壞性較小，是回歸估計(jì)法的基礎(chǔ)方法，在實(shí)際的環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中也不太適用;回歸估計(jì)法在建模過(guò)程中需要測(cè)定一定數(shù)量樣木的生物量作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，自變量數(shù)目的增多常使生物量的估算更準(zhǔn)確，但會(huì)加大野外調(diào)查時(shí)基本數(shù)據(jù)獲取的難度，從而影響相對(duì)生長(zhǎng)模型的實(shí)用性，對(duì)于已經(jīng)建立好的樹(shù)種相對(duì)生長(zhǎng)方程，在環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中可以利用森林資源清查數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行整個(gè)林分生物量的估算;森林蓄積量與生物量的轉(zhuǎn)換模型結(jié)合了森林資源清查數(shù)據(jù)，并將森林蓄積量與生物量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在有關(guān)森林開(kāi)采項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作中用來(lái)計(jì)算生物量是比較易操作的。