上海市喬木林生物量估算及動(dòng)態(tài)分析

仲啟鋮，傅 煜，張桂蓮

（1.上海市園林科學(xué)規(guī)劃研究院，上海200232；2.上海城市困難立地綠化工程技術(shù)研究中心，上海200232）

森林生物量是指森林群落一定面積內(nèi)現(xiàn)存活有機(jī)體的干物質(zhì)總量，是森林資源的重要測(cè)度指標(biāo)之一，也是衡量森林固碳能力的重要標(biāo)志［1-2］。對(duì)森林生物量及其動(dòng)態(tài)變化的定量估算不僅能為核算森林碳儲(chǔ)量提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，還能為評(píng)價(jià)林業(yè)建設(shè)成效提供依據(jù)，有利于科學(xué)指導(dǎo)森林經(jīng)營(yíng)管理［3-5］。喬木林是森林資源的最重要組分，準(zhǔn)確估算大尺度上的喬木林生物量是測(cè)算區(qū)域森林生物量的前提［6］。為提高生物量估算精度，比較和選擇適合的方法非常必要，也是實(shí)際工作中的要求［3，6-7］。常用的喬木林生物量估算方法有直接測(cè)量和間接估算2種［8］。直接測(cè)量法準(zhǔn)確度高，但破壞性大且耗時(shí)費(fèi)力，缺少較大尺度應(yīng)用可行性。間接估算法利用材積源生物量法、相對(duì)生長(zhǎng)關(guān)系等生物量模型進(jìn)行［4，9］。材積源生物量法也稱生物量轉(zhuǎn)換因子法，利用林分生物量與木材蓄積的比值、基于森林資源數(shù)據(jù)中某類林分的總蓄積量得到生物量，近年來(lái)被廣泛用于區(qū)域乃至國(guó)家尺度上喬木林生物量及其動(dòng)態(tài)變化的評(píng)估［1，10-11］。相對(duì)生長(zhǎng)關(guān)系（如單木異速生長(zhǎng)方程）是植株結(jié)構(gòu)和功能特征指標(biāo)（如材積、生物量等）與植株形態(tài)學(xué)變量（如胸徑、樹(shù)高等）間數(shù)量關(guān)系的統(tǒng)稱［12-13］，通常來(lái)自于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)木的解析，在一定范圍內(nèi)往往有相對(duì)較高的準(zhǔn)確度、可信度和可重復(fù)性［6］，因此可用于局地喬木林生物量估算，并可用于對(duì)材積源生物量法進(jìn)行驗(yàn)證。上海是中國(guó)城市化程度最高的大都市之一，快速城市化過(guò)程導(dǎo)致了環(huán)境污染蔓延，熱島效應(yīng)加劇，生態(tài)安全水平低下等問(wèn)題。作為上海生態(tài)空間的重要組分，城市森林對(duì)于改善城市生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)生態(tài)之城建設(shè)具有關(guān)鍵作用。過(guò)去近20 a，上海森林覆蓋率從1999年的3.17%增加到2016年的15.56%；2016年全市森林面積達(dá)98 687 hm2，其中喬木林占比85.60%。近年來(lái)已有一些研究［14-18］分別以樟樹(shù)Cinnamomum camphora，水杉Metasequoia glyptostroboides，楊樹(shù)Populus，女貞Ligustrum lucidum，杜英Elaeocarpus decipiens，玉蘭Magnolia denudata，欒樹(shù)Koelreuteria paniculata和鵝掌楸Liriodendron chinense等喬木樹(shù)種為對(duì)象，采用生物量轉(zhuǎn)換因子法、相對(duì)生長(zhǎng)關(guān)系法對(duì)上海市喬木林林分水平和區(qū)域水平的生物量或碳儲(chǔ)量進(jìn)行了估算；但未見(jiàn)到在全市水平上采用不同方法對(duì)喬木林生物量進(jìn)行估算的比較分析，對(duì)過(guò)去近20 a全市喬木林生物量的動(dòng)態(tài)變化也并不清楚。鑒于此，本研究以2014年上海市森林資源連清統(tǒng)計(jì)報(bào)告數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法估算了上海全市喬木林生物量；利用2013-2014年喬木林典型樣地的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用單木異速生長(zhǎng)方程法做了同樣的估算。通過(guò)對(duì)2種方法估算出的總生物量、不同樹(shù)種組和齡組的喬木林生物量的比較和分析，定量研究全市1999-2016年喬木林生物量的動(dòng)態(tài)變化。

1 研究區(qū)域和研究方法

1.1 研究區(qū)域

上海市（30°40′～31°50′N， 120°50′～121°53′E）地處長(zhǎng)江三角洲東緣， 東瀕東海， 南臨杭州灣， 西接江蘇、浙江，北界為長(zhǎng)江入?？冢恍姓^(qū)域陸地總面積約6 340.5 km2。屬北亞熱帶季風(fēng)性氣候，四季分明，日照充分，雨水充沛，全年平均氣溫為17.6℃，年日照時(shí)數(shù)為1 885.9 h，年均降水量為1 173.4 mm。境內(nèi)除西南部有少數(shù)丘陵山脈外，整體為坦蕩低平的平原。土壤主要由潮間帶土壤發(fā)育而來(lái)，多為中偏堿性，有機(jī)質(zhì)含量偏低。

因人類活動(dòng)頻繁，上海地帶性自然森林植被不足1.0%，主要為分布在松江佘山地區(qū)和大金山島的常綠落葉闊葉混交林。根據(jù)2014年上海市森林資源連續(xù)統(tǒng)計(jì)報(bào)告，全市林業(yè)用地面積為101 916 hm2，森林面積為89 022 hm2，森林覆蓋率為14.0%；喬木林面積為72 343 hm2，竹林面積為3 087 hm2，特灌林（灌木經(jīng)濟(jì)林）面積為13 605 hm2；活立木總蓄積量為6.643 2×106m3，森林蓄積量為4.495 9×106m3。

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)收集 喬木林?jǐn)?shù)據(jù)為1999，2004，2009和2014年上海市森林資源連續(xù)清查統(tǒng)計(jì)報(bào)告以及2012，2016年上海市森林資源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)報(bào)告的匯總數(shù)據(jù)。喬木林按優(yōu)勢(shì)樹(shù)種分為其他松類，柳杉Cryp-

tomeria fortunei，水杉，池杉Taxodium ascendens，柏木Cupressus funebris，其他杉類，針葉混，樟樹(shù)，榆樹(shù)Ulmus pumila，楓香Liquidambar formosana，其他硬闊類，楊樹(shù)，柳樹(shù)Salix，銀杏Ginkgo biloba，其他軟闊類，闊葉混和針闊混等森林類型（樹(shù)種組），并按齡組統(tǒng)計(jì)面積和蓄積量。2012年，根據(jù)國(guó)家林業(yè)局統(tǒng)一安排，上海作為試點(diǎn)納入林業(yè)碳匯計(jì)量監(jiān)測(cè)體系；該體系基于森林資源連續(xù)清查體系，采用典型抽樣方法布設(shè)樣地，以不同森林類型比例、喬木林主要樹(shù)種組和齡組面積比和蓄積比等特征隨機(jī)篩選，在連續(xù)清查所有永久有林地樣地中選擇了100個(gè)面積為25.83 m×25.83 m的典型樣地，其中其他松類4個(gè)，柳杉3個(gè)，水杉8個(gè)，池杉1個(gè)，柏木1個(gè)，樟樹(shù)6個(gè)，楓香1個(gè)，其他硬闊類15個(gè)，楊樹(shù)7個(gè)，其他軟闊類11個(gè)，闊葉混10個(gè)，針闊混4個(gè)，共71個(gè)喬木林樣地。本研究同時(shí)采用2013-2014年這71個(gè)樣地所有喬木每木檢尺的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

1.2.2 生物量估算方法 分別采用轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法（conversion factor continuous function method，以下簡(jiǎn)稱CM法）和單木異速生長(zhǎng)方程法（allometric growth equation method，以下簡(jiǎn)稱AM法）對(duì)2014年上海全市水平的喬木林生物量進(jìn)行估算。①轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法（CM法）。FANG等［19］基于全國(guó)各地生物量和蓄積量的758組數(shù)據(jù)，把中國(guó)森林分成了21類，每類森林類型的生物量轉(zhuǎn)換因子（FBE）與蓄積量的關(guān)系為FBE＝a+b/V；轉(zhuǎn)化為生物量與蓄積量的簡(jiǎn)單線性關(guān)系為B＝a×V+b。其中：B為某一樹(shù)種組的單位面積生物量（t·hm-2），a和b均為轉(zhuǎn)換因子參數(shù)，V為某一樹(shù)種組的單位面積蓄積量（m3·hm-2）。本研究不同樹(shù)種組采用的轉(zhuǎn)換因子參數(shù)見(jiàn)表1。②單木異速生長(zhǎng)方程法（AM法）。松類、杉類及楓香采用林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中適用于上海地區(qū)的立木生物量二元模型（直徑大于5 cm）；硬闊、軟闊樹(shù)種則采用近年來(lái)上海本地或鄰近地區(qū)構(gòu)建的女貞、杜英、欒樹(shù)、樟樹(shù)、鵝掌楸、玉蘭、銀杏和楊樹(shù)等樹(shù)種的立木生物量一元模型（表2）。分別計(jì)算每個(gè)喬木林典型樣地的地上部分、地下部分和總生物量，并按照樹(shù)種組和齡組外推獲得上海全市喬木林生物量。

表1 喬木林蓄積量與生物量轉(zhuǎn)換因子參數(shù)Table 1 Parameters of biomass conversion factor between volume and biomass of arbor forests

2 結(jié)果與分析

2.1 喬木林生物量總量

CM法和AM法對(duì)2014年上海全市水平喬木林總生物量的估算結(jié)果較為接近（圖1），分別為4.828×106和4.805×106t，前者僅比后者高0.47%。CM法和AM法估算的上海市喬木林地下/地上生物量比分別為0.274和0.289，前者比后者低5.47%。2種方法對(duì)2014年上海市喬木林平均單位面積生物量的估算結(jié)果同樣比較一致，分別為66.7（CM法）和66.4 t·hm-2（AM法）。

2.2 不同樹(shù)種組喬木林生物量

如表3所示：按樹(shù)種組來(lái)分，樟樹(shù)、其他硬闊類、闊葉混、水杉、其他軟闊類和楊樹(shù)是上海市喬木林生物量的主要貢獻(xiàn)者，CM法和AM法分別估算出這6個(gè)樹(shù)種組生物量之和為總生物量的88.7%和85.7%。在喬木林優(yōu)勢(shì)樹(shù)種中，樟樹(shù)總生物量最高，CM法估算為2 294.404×103t，AM法估算為2 333.854×103t；第2位為其他硬闊類，CM法和AM法估算其總生物量分別為706.992×103和634.780×103t； 排名第3位的樹(shù)種，CM法估算為水杉（492.825×103t）， AM法為闊葉混（380.639×103t）。 針葉混對(duì)上海市喬木林生物量的貢獻(xiàn)最小，CM法和AM法估算其總生物量?jī)H分別為1.534×103t和1.586×103t。

表2 喬木林單木異速生長(zhǎng)方程Table 2 Single-tree allometric growth equations of arbor forests

樟樹(shù)、楊樹(shù)、榆樹(shù)、柳杉、水杉和池杉的單位面積生物量相對(duì)較高。CM法估算出單位面積生物量較高的 3 個(gè)樹(shù)種組依次為楊樹(shù)（103.1 t·hm-2）， 水杉（97.2 t·hm-2）和樟樹(shù)（82.7 t·hm-2）； AM 法估算出單位面積生物量最高的為池杉（131.4 t·hm-2）， 其次為樟樹(shù)（84.2 t·hm-2）和楊樹(shù)（76.2 t·hm-2）。 柏木的單位面積生物量相對(duì)最低，CM法和AM法估算結(jié)果僅分別為21.6和40.9 t·hm-2（表3）。

表3 上海市不同樹(shù)種組喬木林總生物量和單位面積生物量Table 3 Total biomass and biomass per unit area of different tree species groups of arbor forest in Shanghai

表4 上海市各齡組喬木林總生物量Table 4 Total biomass of different tree species groups of arbor forests in Shanghai

2.3 不同齡組喬木林生物量

如表4所示：不同齡組喬木林總生物量隨齡組增加而降低，從大到小依次為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過(guò)熟林，其中幼、中齡林是喬木林總生物量的主體部分。CM法和AM法分別估算出幼、中齡林2個(gè)齡組生物量之和占所有齡組的86.2%和79.3%。

在不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種組中，樟樹(shù)和其他硬闊類的生物量主要來(lái)自幼齡林，CM法和AM法分別估算出該齡組樟樹(shù)生物量占比為59.6%和71.6%，其他硬闊類占比為85.2%和92.5%。水杉、闊葉混和其他軟闊類的生物量主要來(lái)自中齡林，CM法和AM法分別估算出該齡組生物量占比為30.3%和40.7%，73.0%和67.4%以及29.3%和34.4%；楊樹(shù)的生物量則主要來(lái)自近熟林，CM法和AM法分別估算出其近熟林生物量占比為49.3%和46.9%。

圖1 上海市喬木林生物量總量Figure 1 Total biomass of arbor forest in Shanghai

2.4 上海市喬木林生物量動(dòng)態(tài)變化

盡管CM法和AM法對(duì)不同樹(shù)種組和齡組喬木林生物量的估算結(jié)果存在一定差異，但對(duì)總生物量的估算結(jié)果較為接近。鑒于此，本研究基于CM法，采用前后6期喬木林資源調(diào)查報(bào)告的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分析了1999-2016年上海市喬木林總生物量的動(dòng)態(tài)變化。

如圖2所示：自1999年起上海市喬木林總生物量持續(xù)快速增長(zhǎng)，至2016年接近6.400×106t。1999-2016年，喬木林總生物量年均增長(zhǎng)率為19.2%，超過(guò)同期喬木林面積的年均增長(zhǎng)率（16.8%）。喬木林單位面積生物量總體上同樣呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；1999-2004年，喬木林單位面積生物量從54.0 t·hm-2下降到32.1 t·hm-2；但自2004年起持續(xù)穩(wěn)定上升，年均增長(zhǎng)率為7.4%；2009，2012，2014和2016年分別為 47.2， 59.0， 66.7 和 75.7 t·hm-2。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同方法估算的上海喬木林生物量

早期的材積源生物量法將生物量與蓄積量之比設(shè)為常數(shù)［27］； FANG 等［28］提出了蘊(yùn)涵林分和年齡關(guān)系的轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法，并建立了與林齡無(wú)關(guān)的生物量蓄積量線性關(guān)系。自此之后，線型關(guān)系、改進(jìn)型線型關(guān)系以及其他關(guān)系模型（如雙曲線模型、指數(shù)模型和冪函數(shù)模型）常被用于國(guó)家和省域尺度上的森林生物量及碳儲(chǔ)量評(píng)估［19-20，29-31］。 有研究指出［6-7，10］：CM法在中小尺度上的適用性相對(duì)較差，可能會(huì)高估森林生物量；相比之下，AM法直接運(yùn)用單株立木生物量模型測(cè)算樣木生物量，并運(yùn)用系統(tǒng)/典型抽樣調(diào)查方法，統(tǒng)計(jì)估測(cè)局部地區(qū)或區(qū)域森林生物量，計(jì)算精度相對(duì)較高，精度保障可靠，具可重復(fù)性［6］，是全國(guó)林業(yè)碳匯計(jì)量監(jiān)測(cè)體系推薦的方法之一［32］；但AM法需要在樣地尺度進(jìn)行每木檢尺，且選擇不同異速生長(zhǎng)方程也會(huì)對(duì)估算結(jié)果產(chǎn)生較大影響。本研究中，除松類、杉類及楓香采用了林業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的立木生物量二元模型外，其他樹(shù)種均選用了近年來(lái)上海及周邊地區(qū)報(bào)道的一元生物量模型。張茂震等［1］和曾偉生等［6］發(fā)現(xiàn)，與基于胸徑和樹(shù)高的二元模型相比，僅基于胸徑的一元模型估算結(jié)果偏高。因此，下一步應(yīng)研究上海地區(qū)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種（特別是樟樹(shù)、水杉、楊樹(shù)）的二元生物量模型，從而增強(qiáng)采用AM法估算區(qū)域和林分喬木林生物量的準(zhǔn)確性。

圖2 1999-2016年上海市喬木林總生物量和單位面積生物量的動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Dynamic of total biomass and per unit area biomass of arbor forests in Shanghai during 1999-2016

作為林分水平的生物量模型，F(xiàn)ANG等［19］的CM法估算精度低于樣木水平的AM法［6］，但在大空間尺度、長(zhǎng)時(shí)間序列上進(jìn)行森林生物量動(dòng)態(tài)分析時(shí)，通過(guò)樣地調(diào)查獲得的樣木水平數(shù)據(jù)往往比較有限，而基于森林資源調(diào)查成果，利用CM法來(lái)估算森林生物量的區(qū)域時(shí)空變化則更容易實(shí)現(xiàn)。本研究中，CM法和AM法估算的2014年上海市喬木林總生物量較為接近（約4.800×106t），反映2種方法在總生物量估算方面具有相對(duì)較好的一致性，與張茂震等［1］結(jié)果一致。因此，在無(wú)法采用AM法實(shí)現(xiàn)年際動(dòng)態(tài)分析的時(shí)候，CM法也能較好地反映上海市喬木林總生物量的動(dòng)態(tài)變化。

前期也有一些研究對(duì)上海市區(qū)域水平的喬木林生物量進(jìn)行了估算。王美霞等［15］基于2009年森林資源清查資料，利用線性和雙曲線CM法，對(duì)上海市8種主要喬木林（樟樹(shù)、水杉、楊樹(shù)、柏類、柳杉、刺槐、馬尾松和杉木）的總生物量進(jìn)行了估算，結(jié)果分別是1.696×106和1.698×106t。這一結(jié)果低于本研究采用CM法（線性）估算的2009年喬木林生物量（2.056×106t），可能原因是王美霞等［15］的研究沒(méi)有包含上海市的所有優(yōu)勢(shì)樹(shù)種。同樣基于森林資源清查資料，聶祥永等［33］采用加權(quán)生物量回歸模型法估算出上海市2009年喬木林生物量為2.173×106t，略高于本研究，反映出2項(xiàng)研究在生物量估算方法上的差異。另外，本研究中2種方法估算出2014年上海市喬木林的平均單位面積生物量均超過(guò)66.0 t·hm-2；這一數(shù)值低于采用CM法估算的1989-1993年全國(guó)平均水平（77.4 t·hm-2）［34］，但高于采用加權(quán)生物量回歸模型法估算的2004-2010年長(zhǎng)江三角洲地區(qū)喬木林的平均單位面積生物量（54.2 t·hm-2）［33］，表明上海喬木林的總體質(zhì)量已接近區(qū)域平均水平。

3.2 不同樹(shù)種組和齡組的喬木林生物量

從樹(shù)種結(jié)構(gòu)來(lái)看，樟樹(shù)、硬闊類、水杉、闊葉混、其他軟闊類和楊樹(shù)生物量的貢獻(xiàn)比例較大，合計(jì)占8成以上，表明闊葉樹(shù)種是目前上海喬木林生物量的主要貢獻(xiàn)者。而1999年的森林資源連續(xù)清查資料顯示，當(dāng)時(shí)上海市主要樹(shù)種為水杉等針葉樹(shù)種，闊葉樹(shù)種僅占很小比例。因此，能否穩(wěn)步提升這些新增闊葉林的生物量，將直接決定上海喬木林生物量能否實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)。在不同闊葉樹(shù)種組中，樟樹(shù)生物量貢獻(xiàn)比例最大，和王美霞等［15］的研究一致。另外，CM法和AM法在估算不同樹(shù)種組的單位面積生物量時(shí)存在一定差異，這反映了2種方法在模型、參數(shù)和計(jì)算過(guò)程等方面的區(qū)別。其中，樟樹(shù)、楊樹(shù)和水杉的面積、總生物量和單位面積生物量均相對(duì)較高，特別需要加強(qiáng)經(jīng)營(yíng)管理。

從齡組結(jié)構(gòu)來(lái)看，幼、中齡林是上海喬木林生物量的最重要貢獻(xiàn)齡組，同時(shí)，樟樹(shù)、其他硬闊類、水杉、闊葉混和其他軟闊類等優(yōu)勢(shì)樹(shù)種組的主要貢獻(xiàn)者也是幼、中齡林。這一現(xiàn)象在浙江、江蘇等周邊省份同樣存在［29，35］。這反映出過(guò)去近20 a，上海盡管在城市森林建設(shè)方面取得了巨大成就，但林齡仍相對(duì)偏低，喬木林總生物量有待進(jìn)一步提升。另外，鑒于幼、中齡林的生物量占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，若后續(xù)經(jīng)營(yíng)管理得當(dāng)，上海市喬木林總生物量預(yù)期將持續(xù)穩(wěn)定增加。

3.3 上海市喬木總生物量的動(dòng)態(tài)變化

從1999-2016年的發(fā)展趨勢(shì)看，上海市喬木林總生物量持續(xù)快速增長(zhǎng)，年均增長(zhǎng)率達(dá)到了19.2%，在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)尤為突出。同樣采用CM法估算的江蘇省2000-2005年以及浙江省1999-2004年林分生物量的年均增長(zhǎng)率則分別為4.9%［35］和10.1%［1］。盡管這一時(shí)期的快速增長(zhǎng)與期初（1999年）森林資源基數(shù)較低有一定關(guān)系，但仍反映了過(guò)去近20 a上海城市森林資源的跨越式發(fā)展。

近20 a上海市喬木林單位面積生物量總體上也呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。1999-2004年的階段性下降主要是由于大量新造林的蓄積量較低。自2004年起，這些新造林的生長(zhǎng)使單位面積生物量止跌回升并持續(xù)增加。至2016年，采用CM法估算出單位面積生物量達(dá)75.7 t·hm-2，已接近全國(guó)平均水平77.4 t·hm-2［34］，且仍存在一定上升空間。

1999-2016年上海喬木林總生物量和單位面積生物量的同步顯著增加表明，在國(guó)土資源極其有限的情況下，上海城市森林資源在數(shù)量和質(zhì)量方面都得到了顯著提升。這不僅增強(qiáng)了上海城市森林在應(yīng)對(duì)區(qū)域氣候變化中的作用，對(duì)于改善大都市環(huán)境污染狀況，提升城市生態(tài)安全水平也至關(guān)重要。