祁連山排露溝流域青海云杉林生物量和凈生產(chǎn)力研究

楊逍虎，敬文茂，趙維俊，牛赟

(甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院,甘肅 張掖 734000)

祁連山排露溝流域青海云杉林生物量和凈生產(chǎn)力研究

楊逍虎，敬文茂，趙維俊，牛赟

(甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院,甘肅 張掖 734000)

選擇祁連山排露溝流域青海云杉林為研究對象，按海拔、坡向、坡度、坡位等設置青海云杉林固定樣地共10塊，開展青海云杉林生物量和凈生產(chǎn)力研究。結(jié)果表明：青海云杉林喬木層平均生物量分別為116.19 t·hm-2，平均凈生產(chǎn)力為1.36 t·hm-2·a-1。海拔2 800 m段是青海云杉林生長的最佳地段，生物量和年凈生產(chǎn)力均為最大；從海拔2 800 m開始，隨著海拔梯度的增加，生物量和凈生產(chǎn)力呈降低趨勢；海拔3 300 m林線處，生物量和凈生產(chǎn)力達到最低。青海云杉林生物量及凈生產(chǎn)力與林分樹高和林齡顯著相關(guān)(P<0.05)，與胸徑相關(guān)性不顯著(P>0.05)。

生物量；凈生產(chǎn)力；青海云杉林；祁連山

青海云杉是我國西北特有樹種，分布于甘肅、寧夏、青海東部、內(nèi)蒙古中部，適應祁連山半濕潤氣候，成為祁連山地主要的森林類型。青海云杉林作為祁連山水源涵養(yǎng)林重要組成部分，在涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)徑流、保持水土、凈化空氣、固碳和維護干旱區(qū)生態(tài)平衡方面起著重要的作用，其植被的動態(tài)變化對流域水資源穩(wěn)定、經(jīng)濟發(fā)展和生態(tài)環(huán)境建設有直接影響。青海云杉林作為溫帶干旱半干旱區(qū)山地森林的典型代表，其林分尺度的生物量及凈生產(chǎn)力研究能夠為進一步深入研究中國內(nèi)陸干旱半干旱區(qū)山地森林碳平衡問題提供基礎數(shù)據(jù)，同時為正確估算森林的生態(tài)效益提供參考。

1 研究區(qū)基本概況

研究區(qū)位于祁連山西水林區(qū)的排露溝流域(100°17′—100°18′ E，38°32′—38°33′ N)，海拔2 620～3 800 m，流域面積為2.73 km2，屬高寒山地森林草原氣候。該研究流域區(qū)域年平均氣溫0.5 ℃，極端最高氣溫28.6 ℃，極端最低氣溫-38.0 ℃，7月平均氣溫10.2～14.6 ℃；年降水350.2～465.8 mm；年均蒸發(fā)量1 033.7 mm；平均相對濕度60%[1]。研究區(qū)域內(nèi)成土母質(zhì)主要是礫巖、泥炭巖、砂頁巖等；有機質(zhì)含量中等，pH值7.2～8.1。研究流域陰坡青海云杉土壤類型為山地森林灰褐土，土層平均厚度50～150 cm，青海云杉是唯一的建群樹種。林下植被主要是林下灌叢，優(yōu)勢種有金露梅(Potentillafruticosa)、鬼箭錦雞兒(Caraganajubata)、吉拉柳(Salixgilashanica)和高山繡線菊(Spiraeaalpina)，林下草本優(yōu)勢種有珠芽蓼(Polygonumviviparum)、苔草(Carextristachya)、莎草(Cyperussp.)、火絨草(Leontopotiumleontopodioides)、馬先蒿(Pedicularissp.)等。

2 材料與方法

2.1 樣地設置

選擇祁連山中段西水林區(qū)典型林分青海云杉林為研究對象，按海拔、坡度等因子設置喬木林固定樣地(20 m×20 m)10個(2 700固定樣地因林班面積小，樣地面積設置大小為12.8 m×25 m)，固定樣地調(diào)查基本信息見表1。在建立的固定樣地內(nèi)，按照研究需要有重點進行相關(guān)的植被特征調(diào)查，樣地調(diào)查因子包括微地形、經(jīng)營歷史、群落結(jié)構(gòu)、葉面積指數(shù)、郁閉度等。

表1 固定樣地基本信息

2.2 生物量和凈生產(chǎn)力測定

采用相關(guān)生長測定法測量喬木層生物量，標準木選定后，按其平均營養(yǎng)面積將其盤根挖倒，記錄胸徑(D)、全高(H)、枝下高(h)。按Monsi分層切割法，按2 m區(qū)分段直接稱取標準木各段樹干(帶皮)、枝葉的鮮質(zhì)量。現(xiàn)場在各組分中均勻取樣，帶回室內(nèi)稱質(zhì)量，并在85 ℃恒溫下烘至恒質(zhì)量，求得各組分干濕比，換算得各組分生物量(干物質(zhì)量W，下同)。根據(jù)林木器官生物量(W)與胸徑(D)和樹高(H)之間的冪函數(shù)關(guān)系W=a(D2H)b建立林木器官生物量相對生長模型[2]，然后用林木器官生物量相對生長關(guān)系模型計算青海云杉林喬木層生物量。在測標準木生物量的同時進行樹干解析，根據(jù)解析資料推算生產(chǎn)量。青海云杉林喬木層生物量與林齡關(guān)系密切，中齡林至過熟林階段呈拋物線變化：

W=-0.007 94A2+2.535 19A+12.677 78R2=0.8239

其中：W—喬木層生物量(t·hm-2)；A—林齡(a)。

根據(jù)公式推算出各樣地生物量，根據(jù)樹干解析木樣本，分析生長過程，并計算林木的年生長率，推算出喬木層的凈生產(chǎn)力。

2.3 數(shù)據(jù)處理

收集完整的野外監(jiān)測數(shù)據(jù)和實驗室內(nèi)分析測試，利用Excel和SPSS數(shù)據(jù)分析軟件進行多元逐步回歸分析。選擇線性、對數(shù)、指數(shù)、冪函數(shù)以及多項式等回歸模型來進行青海云杉林生物量和凈生產(chǎn)力預測模型的建立。

3 結(jié)果與分析

3.1 青海云杉林喬木層生物量及凈生產(chǎn)力分布

由表2可知，青海云杉林喬木層單位面積生物量及年凈生產(chǎn)力最小值分別是25.03 t·hm-2、0.25 t·hm-2·a-1，最大值分別為188.56 t·hm-2、2.61 t·hm-2·a-1。

表2 不同樣地青海云杉林的生物量及年凈生產(chǎn)力

進一步分析表明，G7樣地青海云杉林分布于海拔3 282 m的灌叢交錯帶，是青海云杉林在該區(qū)域集中分布的最高海拔段，由于凍土較厚、氣溫極低致使生長極為緩慢，平均樹高僅5.6 m，單位面積生物量極低，林齡102 a，屬于過熟林，凈生產(chǎn)力極低。G3樣地分布于海拔2 800 m，溫濕度適宜，為季節(jié)性凍土，土壤水分充足，是青海云杉的典型生長區(qū)域，該區(qū)段樣地平均樹高11 m，平均年齡72.3 a，屬成熟林，所以該區(qū)段樣地單位面積生物量和凈生產(chǎn)力達到最大值?？傮w上來看，青海云杉林生物量和凈生產(chǎn)力總體上呈降低趨勢，到海拔3 300 m左右的青海云杉林線處，其生物量和凈生產(chǎn)力達到最低。通過對青海云杉林10個固定樣地生物量和凈生產(chǎn)力的統(tǒng)計分析，得出祁連山中段西水林區(qū)青海云杉林單位面積平均生物量為116.19 t·hm-2，平均年凈生產(chǎn)力為1.36 t·hm-2·a-1。

3.2 青海云杉喬木層生物量及凈生產(chǎn)力與林分因子關(guān)系

對不同海拔青海云杉林林分因子，包括平均樹高、平均胸徑、平均林齡與喬木層生物量及凈生產(chǎn)力進行了曲線回歸分析(表3)，從表3可以看出，青海云杉林林分平均樹高與生物量和凈生產(chǎn)力均顯著相關(guān)(P<0.05)，平均胸徑與生物量和凈生產(chǎn)力均呈不顯著相關(guān)(P>0.05)，林齡與生物量和凈生產(chǎn)力均呈顯著相關(guān)(P<0.05)，該結(jié)論符合林木生長理論。一般來說，林木生物量和凈生產(chǎn)力隨林木個體的高度緊密相關(guān)，本研究回歸分析表明青海云杉林生物量和凈生產(chǎn)力隨樹高的增加而增加；與林木胸徑不相關(guān)，原因是林木胸徑變化與林地生長環(huán)境密切相關(guān)，如高海拔受溫度限制，林木個體呈矮化狀態(tài)；與林齡顯著相關(guān)，隨著林齡的增加，其生物量和凈生產(chǎn)力的增加不斷減小，本研究的曲線回歸分析證明了這一點。在實際工作中，可以根據(jù)林分的樹高和林齡進行青海云杉林生物量和凈生產(chǎn)力估測。

表3 林分因子與生物量和凈生產(chǎn)力曲線回歸分析

4 結(jié)論與討論

4.1 祁連山中段西水林區(qū)排露溝流域2 800 m海拔段是該區(qū)青海云杉生長最佳地段，生物量和年凈生產(chǎn)力都達到最大；從海拔2 800 m開始，隨著海拔的增高，單位面積生物量和年凈生產(chǎn)力呈下降趨勢，到海拔3 300 m左右的青海云杉林線交錯帶其生物量和凈生產(chǎn)力為最低。研究還表明祁連山排露溝流域青海云杉林生物量均值為116.19 t·hm-2，凈生產(chǎn)力均值為1.36 t·hm-2·a-1。另外回歸分析表明，青海云杉林林分生物量及凈生產(chǎn)力與林分因子樹高和林齡顯著相關(guān)，與胸徑相關(guān)性不顯著。

4.2 通過對祁連山青海云杉林生物量及凈生產(chǎn)力研究，雖然初步得出了生物量和凈生產(chǎn)力隨海拔梯度的分布規(guī)律，但關(guān)于海拔梯度和緯度的變化對青海云杉生物量及凈生產(chǎn)力影響的研究仍然較少，此外緯度以及海拔高度的變化對于青海云杉林生物量的影響方面的研究因地域等方面的原因比較缺乏。以往的研究僅僅局限于某一個較小的區(qū)域，甚至是基于一個固定樣地，關(guān)于坡面、流域、區(qū)域尺度以及全國甚至全球尺度上的研究極其缺乏[3]。隨著對祁連山青海云杉林生物量及凈生產(chǎn)力研究的重視，這方面的研究在充足的客觀條件下可能會成為研究的發(fā)展趨勢之一。

此外，由于各種因素，本研究采用樣地標準木解析確定青海云杉林的生物量和凈生產(chǎn)力，用以推算單位面積或整體的生物量，其樣本數(shù)量較少，獲取的各樣地生物量及凈生產(chǎn)力有一定的差異性。林木解析法雖然簡單易行，但增加了野外調(diào)查的工作量，且林木解析對植被造成嚴重破壞，使其短時間內(nèi)很難恢復，大大降低了青海云杉林的生態(tài)水文效應。

[1] 牛赟, 劉賢德, 敬文茂, 等. 祁連山排露溝流域氣溫,凍土凍融與河川徑流特征[J].林業(yè)科學,2014,50(1):27-31

[2] 王金葉,車克鈞.祁連山青海云杉林碳平衡研究[J].西北林學院學報,2000,15(1):9-14

[3] 王培娟,謝東輝,張佳華,等.基于過程模型的長白山自然保護區(qū)森林植被凈第一性生產(chǎn)力空間尺度轉(zhuǎn)換方法[J].生態(tài)學報,2007,27(8):3215-3223

Biomass and Net Primary Productivity ofPiceacrassifoliaPlantation in the Pailugou Basin of Qilian Mountains

Yang Xiaohu ,Jing Wenmao,Zhao Weijun，Niu Yun

(Academy of Water Resources Conservation Forests in Qilian Mountains of Gansu Province, Zhangye 734000,China)

TakingPiceacrassifoliaplantation in the Pailugou basin of Qilian Mountains as the research object, 10 fixed sample plots ofPiceacrassifoliaplantation were set according to the elevation, slope direction, slope and slope positions;research about biomass and net productivity ofPiceacrassifoliaplantation were conducted.Result shows that the average biomass ofPiceacrassifoliaplantation is 116.19 t·hm-2and the average net productivity is 1.36 t·hm-2·a-1.The optimal district for growth ofPiceacrassifoliaplantation is at 2 800 m; the biomass & net productivity are all the largest. From the altitude of 2 800 m, the biomass and net productivity are decreasing with the altitude increasing. The biomass and net productivity reach the lowest at 3 300 m(the timberline ofPiceacrassifoliaplantation).The biomass and net productivity ofPiceacrassifoliaplantation are significantly relate to tree height & forest age (P<0.05),but not relate to the size of DBH (P>0.05).

biomass; net productivity;Piceacrassifoliaplantation; Qilian Mountains

1005-5215(2017)08-0001-03

2017-06-15

楊逍虎(1973-)，男，甘肅張掖人，大學，工程師，主要從事林業(yè)生態(tài)環(huán)境工程與管理研究，Email: 66620742@qq.com

敬文茂(1976-)，男，甘肅榆中人，碩士，助理研究員，主要從事森林生態(tài)研究，Email：maodanjing@126.com

S718.556

A

10.13601/j.issn.1005-5215.2017.07.001