中國(guó)森林植被凈生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)變化

森林生態(tài)系統(tǒng)是維持生物圈和土壤圈動(dòng)態(tài)平衡的重要生態(tài)系統(tǒng)類型。同時(shí)，也是地球生態(tài)系統(tǒng)的主要制造商。它不僅在促進(jìn)世界物質(zhì)和能源循環(huán)中發(fā)揮著重要作用，而且在調(diào)節(jié)世界碳平衡、維護(hù)全球氣候穩(wěn)定等方面發(fā)揮著不可替代的作用。生物生產(chǎn)力研究是判斷生態(tài)系統(tǒng)是大氣中CO2的源和匯的重要標(biāo)志,也是全球變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響、響應(yīng)和對(duì)策研究的一個(gè)重要方面。自國(guó)際生物圈計(jì)劃(IBP)以及國(guó)際地圈生物圈計(jì)劃(IGBP)開展以來,關(guān)于區(qū)域和全球的生產(chǎn)力格局及其模擬研究已有較多報(bào)道,由于采用的方法不同,估算的結(jié)果存在較大差異,因此,降低生物生產(chǎn)力估算結(jié)果的不確定性,提高估算結(jié)果的精度,對(duì)生物生產(chǎn)力研究而言具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前區(qū)域或全球尺度的生物生產(chǎn)力研究,以氣候模型和遙感模型為主,統(tǒng)計(jì)模型應(yīng)用相對(duì)較少。豐富的森林資源清查資料是了解各類森林材積準(zhǔn)確信息的重要途徑,如果能將這些資源用于估算森林植被的生物量和生產(chǎn)力及其動(dòng)態(tài)變化,不僅對(duì)于科學(xué)地指導(dǎo)森林的經(jīng)營(yíng)管理,而且對(duì)于全球變化的研究,特別是區(qū)域尺度的生產(chǎn)力模型驗(yàn)證,都具有重要意義。李文華最早提出了利用我國(guó)森林資源清查資料編制全國(guó)森林生物產(chǎn)量分布圖的設(shè)想;方精云利用全國(guó)各地的生物生產(chǎn)力研究資料,建立了我國(guó)各類森林植被生產(chǎn)力與生物量之間的函數(shù)關(guān)系,并估算了我國(guó)森林植被的凈生產(chǎn)量。王玉輝根據(jù)我國(guó)落葉松(Larix)林生物量和材積的實(shí)際調(diào)查資料,探討了基于森林資源清查資料(森林材積V和林齡A)估算森林生物量和生產(chǎn)力的方法。方精云基于森林資源清查資料估算生物生產(chǎn)力的這一方法為研究區(qū)域或全球尺度森林植被的生產(chǎn)力提供了一種新的途徑,本文在這些已有研究的基礎(chǔ)上,利用羅天祥博士論文中搜集的中國(guó)不同森林類型的樣地資料,建立中國(guó)不同森林植被類型生物量與蓄積量、生物量與群落生長(zhǎng)量和年凋落量之間的函數(shù)關(guān)系,并基于1973-2003年間中國(guó)6次森林資源清查資料,對(duì)近30年來中國(guó)森林植被的凈生產(chǎn)量及其動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行了初步的分析與評(píng)價(jià)。1數(shù)據(jù)與方法的研究1.1凈第一性生產(chǎn)力npp的構(gòu)成共包括3部分?jǐn)?shù)據(jù)資料:1)1973-2003年間的森林資源清查資料,這些資料記錄了各省市不同森林類型的面積、齡組和蓄積信息;2)羅天祥博士論文中收集的中國(guó)不同森林類型共1266個(gè)樣地資料,這些資料包括了各個(gè)樣地的蓄積、生物量、生產(chǎn)力和林分年齡等信息。其植被凈第一性生產(chǎn)力(NPP)由以下3個(gè)部分構(gòu)成:①喬木層莖、枝、根年凈增長(zhǎng)量。按不同地區(qū)和樹種相應(yīng)的材積生長(zhǎng)率模型計(jì)算林木近期年齡階段(3~5年)材積生長(zhǎng)率,分別乘上相應(yīng)的莖、枝、根生物量即得莖、枝、根的年凈增長(zhǎng)量,不同數(shù)據(jù)年凈增長(zhǎng)量合計(jì)得到全林的莖、枝、根年凈增長(zhǎng)量;②葉年凈增長(zhǎng)量。以不同樹種的葉生物量除以葉子宿存年齡得到樹種葉年凈增長(zhǎng)量,不同樹種合計(jì)得到全林葉年凈增長(zhǎng)量;③灌木草本層年凈增長(zhǎng)量。根據(jù)灌木和草本植物生物量與喬木生物量的關(guān)系間接推算測(cè)樹樣地的灌草生物量,并以灌木和草本的平均年齡估算灌草植物的平均凈第一性生產(chǎn)力。3)補(bǔ)充搜集的83個(gè)不同森林類型年凋落量樣地資料(文獻(xiàn)過多,未列出)。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1蓄積量相關(guān)關(guān)系國(guó)家或區(qū)域尺度森林生物量的推算大多使用森林資源清查資料,由該資料推算森林生物量,首先要建立生物量與木材蓄積量之間的換算關(guān)系,即生物量換算因子(BiomassExpansionFaction,BEF),通常認(rèn)為蓄積與生物量之間存在線性相關(guān)關(guān)系,因此生物量換算因子BEF可表示為:BEF=BV=a+bV(1)但王玉輝通過對(duì)落葉松林的研究認(rèn)為,蓄積與生物量之間的相關(guān)關(guān)系表現(xiàn)為雙曲線變化,其生物量換算因子BEF可表示為:BEF=BV=1a+bV(2)式中:B為單位面積生物量;V為單位面積蓄積。(2)式與(1)式的不同之處在于將林分任一生長(zhǎng)階段的生物量隨蓄積的變化由線性變化變?yōu)殡p曲線變化。本文基于羅天祥的樣地?cái)?shù)據(jù)分別按公式(1)和公式(2)建立蓄積與生物量之間的函數(shù)關(guān)系,通過比較發(fā)現(xiàn),兩種函數(shù)關(guān)系都顯著相關(guān),說明公式(2)對(duì)于其它森林類型也是適用的,并且公式(2)的相關(guān)性要稍好于公式(1)。本文在此依據(jù)公式(2)建立我國(guó)不同森林類型蓄積與生物量之間的函數(shù)關(guān)系,用于計(jì)算不同森林類型單位面積生物量。1.2.2不同森林類型的年凋落量和凈第一性生產(chǎn)力植被凈第一性生產(chǎn)力由3個(gè)部分組成:即群落生長(zhǎng)量(ΔY)、年凋落量(ΔL)和被食量(ΔG)。由于不同森林類型被食量數(shù)據(jù)不易獲得且所占比重不大,本文在此忽略不計(jì)。因此,生產(chǎn)力估算主要是對(duì)群落生長(zhǎng)量和枯死凋落量的估算。王玉輝和MinZhao的研究表明,植被凈第一性生產(chǎn)力和生物量?jī)粼隽筷P(guān)系密切,呈雙曲線關(guān)系:ΝΡΡ=ABΙc+dABΙ(3)ABI是一定時(shí)間內(nèi)生物量的凈增量。由于生物量?jī)粼隽繑?shù)據(jù)不易獲得,可用年均生物量代替,因此,計(jì)算NPP的公式可表示為:ΝΡΡ=BcA+dB(4)其中:B為單位面積生物量;A為林分年齡;c、d為對(duì)應(yīng)森林類型常數(shù)。該方程建立了植被凈第一性生產(chǎn)力和生物量之間的聯(lián)系,不足之處在于沒有充分考慮年凋落量估算的不同之處。一般來說,森林年凋落量隨生物量的增加而增加,但這種增加并不是線性的,當(dāng)生物量較小(幼林齡)時(shí),年凋落量也較小,當(dāng)生物量較大(成樹林)時(shí),年凋落量趨于一個(gè)穩(wěn)定值,森林年凋落量與生物量之間的關(guān)系可表示為:L=1e/B+f(5)其中:L為單位面積年凋落量;B為單位面積生物量;e、f為對(duì)應(yīng)森林類型常數(shù)。羅天祥的樣地資料中沒有年凋落量數(shù)據(jù),但可以通過葉的年凈增長(zhǎng)量推算森林年凋落量。葉生物量除以葉壽命近似于葉的年凋落量,該值常用來表示葉的年凈增長(zhǎng)量,用以降低因凋落量缺測(cè)引起的植被凈第一性生產(chǎn)力低估。本文在此將羅天祥樣地?cái)?shù)據(jù)中的葉年凈增長(zhǎng)量視為森林年凋落量的一部分,根據(jù)本文收集的83個(gè)不同森林類型年凋落量樣地資料顯示,葉凋落量與總凋落量之間呈線性關(guān)系(見圖1,R2=0.8588,P<0.001),基于該方程,本文對(duì)羅天祥博士論文中的年凋落量數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算?；诠?4)和公式(5),結(jié)合羅天祥的樣地?cái)?shù)據(jù),可以考慮分兩個(gè)部分來估算森林植被的植被凈第一性生產(chǎn)力,一是用群落生長(zhǎng)量(喬木層莖、枝、根年凈增長(zhǎng)量和灌木草本層年凈增長(zhǎng)量之和)代替植被凈第一性生產(chǎn)力,依據(jù)公式(4)建立群落生長(zhǎng)量與生物量之間的函數(shù)關(guān)系,用以估算區(qū)域尺度不同森林類型的群落生長(zhǎng)量;一是根據(jù)葉的年凈增長(zhǎng)量推算森林年凋落量,依據(jù)公式(5)建立年凋落量與生物量之間的函數(shù)關(guān)系,用以估算區(qū)域尺度不同森林類型的年凋落量。兩者之和即為總的植被凈第一性生產(chǎn)力。根據(jù)公式(4)和公式(5)以及森林資源清查資料,計(jì)算我國(guó)不同森林類型凈生產(chǎn)量和平均生產(chǎn)力的公式可表示為:ˉBij=ˉVija+bˉVij(6)ΝΡΡt=30∑i16∑jSij(ˉBijcAij+dˉBij+ˉBije+fˉBij)(7)ΝΡΡj-ave=1Gj30∑iSij(ˉBijcAij+dˉBij+ˉBije+fˉBij)(8)其中:ˉVij、ˉBij、Sij和Aij分別為森林類型j(j=1,2,…,16)在第i(i=1,2,…,30)省份(不包括臺(tái)灣)的單位面積蓄積、單位面積生物量、面積和林分年齡;NPPt為總NPP;a、b、c、d、e、f為對(duì)應(yīng)森林類型常數(shù)。NPPj-ave為森林類型j的平均NPP;Gj為森林類型j的總面積。由于計(jì)算中國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力時(shí),主要是利用森林資源清查資料,而該資料只有各優(yōu)勢(shì)樹種的齡級(jí)組成,沒有具體的數(shù)據(jù),因此,按照我國(guó)林業(yè)對(duì)森林不同樹種齡級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn),取平均值表示不同森林類型的林分年齡(表1)。2結(jié)果與分析2.1蓄積量估算函數(shù)表2列出了16種森林類型蓄積和生物量之間的函數(shù)關(guān)系,其中高山櫟林和樟子松林P值小于0.05,其余各樹種P值小于0.001,相關(guān)系數(shù)(r)均大于0.85,蓄積和生物量之間的函數(shù)關(guān)系顯著,可以用來根據(jù)蓄積估算中國(guó)森林植被的生物量。從平均BEF可以看出,闊葉林與針葉林的BEF有較明顯的區(qū)別,闊葉林的BEF>0.85,針葉林的BEF<0.85,闊葉林單位蓄積的生物量要高于針葉林。2.2生物量估算函數(shù)表3列出了16種森林類型生物量與群落生長(zhǎng)量和凋落量之間的函數(shù)關(guān)系,在根據(jù)生物量推算群落生長(zhǎng)量的函數(shù)關(guān)系中,熱帶林P值小于0.1,其余各樹種P值小于0.001;在根據(jù)生物量推算凋落量的函數(shù)關(guān)系中,柏木、高山櫟林和熱帶林的P值小于0.05,其余各樹種P值小于0.001。西南地區(qū)的云冷杉林、樟子松林和針闊混交林年凋落量與生物量關(guān)系不顯著,在此取平均值。總的來說,生物量與群落生長(zhǎng)量和凋落量之間的函數(shù)關(guān)系比較顯著,可以用來估算中國(guó)森林植被的凈第一性生產(chǎn)力。2.3凈再生產(chǎn)分配根據(jù)1999-2003年間森林資源清查資料以及不同森林類型生物量與群落生長(zhǎng)量和年凋落量之間的函數(shù)關(guān)系,計(jì)算中國(guó)不同齡級(jí)森林植被的凈生產(chǎn)量以及不同森林類型的平均生產(chǎn)力,結(jié)果如表4和表5所示。中國(guó)森林植被凈生產(chǎn)量為1360.64×106t/a,其中群落生長(zhǎng)量為892.27×106t,占總量的66.58%,年凋落量為468.36×106t/a,占總量的34.42%。從凈生產(chǎn)量的齡級(jí)分布來看,幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林分別占總量的30.15%、33.66%、15.76%、13.62%和6.82%,森林植被凈生產(chǎn)量構(gòu)成以幼齡林和中齡林為主。從不同齡級(jí)群落生長(zhǎng)量和年凋落量占對(duì)應(yīng)齡級(jí)凈生產(chǎn)量的比例來看,隨著齡級(jí)的增加,群落生長(zhǎng)量占凈生產(chǎn)量的比重逐漸降低,而年凋落量占凈生產(chǎn)量的比重則逐漸增加。中國(guó)森林植被平均生產(chǎn)力差異較大,其中熱帶林平均生產(chǎn)力最高(18.29t/(hm2·a)),油松林平均生產(chǎn)力最低(4.26t/(hm2·a))。中國(guó)闊葉林、針闊混交林和針葉林的平均生產(chǎn)力分別為11.66t/(hm2·a),9.52t/(hm2·a)和7.05t/(hm2·a),均低于世界平均水平15t/(hm2·a),13t/(hm2·a)以及8.5t/(hm2·a)。2.4森林植被凈生產(chǎn)率與平均生產(chǎn)力根據(jù)1999-2003年間森林資源清查資料結(jié)果,分省區(qū)計(jì)算中國(guó)森林植被凈生產(chǎn)量及其平均生產(chǎn)力,結(jié)果如表6所示。中國(guó)森林植被凈生產(chǎn)量在各省市間的分布不均衡,從各省市構(gòu)成來看,黑龍江植被凈生產(chǎn)量最大,占全國(guó)的13.19%;其次為云南和內(nèi)蒙古,分別占全國(guó)的11.42%和10.35%。各省市的平均生產(chǎn)力差異也較大,江蘇的平均生產(chǎn)力最高,其次是海南和山東。江蘇和山東是我國(guó)楊樹重要的種植基地,因此有著較高的植被生產(chǎn)力;海南地處我國(guó)熱帶地區(qū),豐富的水熱資源為林木生長(zhǎng)提供了良好的自然條件。圖2為森林植被凈生產(chǎn)量與平均生產(chǎn)力的區(qū)域分布格局,西南和東北地區(qū)森林資源較多,植被凈生產(chǎn)量較高;而遼闊的西北地區(qū)以及人口稠密經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的華北、華東地區(qū),森林資源分布較少,植被凈生產(chǎn)量相對(duì)較小。植被平均生產(chǎn)力以西南和東北地區(qū)較高,其它地區(qū)則沒有明顯的差異,這與根據(jù)氣候模擬的中國(guó)森林植被生產(chǎn)力由東南向西北遞減的分布格局不同。由于我國(guó)東部暖溫帶和亞熱帶、熱帶地區(qū)的天然次生林和人工林長(zhǎng)期以來受人為干擾和森林經(jīng)營(yíng)活動(dòng)影響,因此從模擬氣候生產(chǎn)力所反映的森林生產(chǎn)潛力與我國(guó)現(xiàn)實(shí)的森林生產(chǎn)力尚有出入。2.5森林植被生產(chǎn)力增加根據(jù)1973-2003年間六次森林資源清查資料結(jié)果,計(jì)算中國(guó)不同時(shí)期森林植被凈生產(chǎn)量及其平均生產(chǎn)力,結(jié)果如表7所示。中國(guó)森林植被凈生產(chǎn)量由第一次森林資源清查時(shí)的790.13×106t增加到1999—2003年間的1360.64×106t,增加了72%,年均增加43.18~263.78×106t/a不等,其中1994—2003年間中國(guó)森林植被凈生產(chǎn)量增幅較大。由于第六次全國(guó)森林資源清查的森林包括國(guó)家特別規(guī)定的灌木林,這將使得1999-2003計(jì)算結(jié)果相對(duì)偏高。1973-2003年間中國(guó)森林植被平均生產(chǎn)力的變化與凈生長(zhǎng)量的變化不同,20世紀(jì)50年代初期到70年代末期的森林采伐,使得中國(guó)成過熟林消耗量激增,生態(tài)系統(tǒng)齡級(jí)構(gòu)成發(fā)生變化,平均生產(chǎn)力增加,之后國(guó)家開始重視生態(tài)建設(shè),森林開始恢復(fù),植被的平均生產(chǎn)力逐步降低。20世紀(jì)90年代末期,由于六大林業(yè)重點(diǎn)工程啟動(dòng),大量退耕還林、植樹造林的林地出現(xiàn),森林的平均生產(chǎn)力又有了較大增加,1999—2003年間達(dá)到9.53t/(hm2·a)。從中國(guó)森林植被生物量和生產(chǎn)力的動(dòng)態(tài)變化可以看出,雖然我國(guó)森林資源曾遭受巨大破壞,但第六次森林資源清查結(jié)果與第一次相比,無論是生物量還是生產(chǎn)力都提高了很多,這與我國(guó)積極開展的植樹造林活動(dòng)是密不可分的。由于堅(jiān)持開展人工造林,中國(guó)的森林面積、蓄積量和覆蓋率持續(xù)增長(zhǎng),人工造林保存面積已居世界首位,保存面積已達(dá)4600×104hm2,約占世界人工林面積的1/3。3凈生產(chǎn)率與中國(guó)森林植被凈生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的關(guān)系研究1)區(qū)域尺度森林植被凈第一性生產(chǎn)力的估算一直是人們研究的熱點(diǎn),本文在已有研究的基礎(chǔ)上,提出分群落生長(zhǎng)量和年凋落量?jī)蓚€(gè)部分估算森林植被的凈第一性生產(chǎn)力,并根據(jù)我國(guó)不同森林類型共1266個(gè)樣地的生物量、生產(chǎn)力和蓄積量資料,建立了中國(guó)主要森林類型生物量與蓄積量、生物量與群落生長(zhǎng)量和年凋落量之間的函數(shù)關(guān)系,同時(shí)利用1973—2003年間中國(guó)6次森林資源清查資料,研究了中國(guó)森林植被凈生產(chǎn)量及其動(dòng)態(tài)變化。根據(jù)第六次森林資源清查資料計(jì)算結(jié)果,中國(guó)森林面積和植被凈生產(chǎn)量分別占全球(31.3×108hm2和48.68×109t/a)的4.45%和3.06%,其平均生產(chǎn)力只相當(dāng)全球平均生產(chǎn)力的67%,這主要是因?yàn)槲覈?guó)熱帶雨林的面積很小,而全球熱帶雨林的凈初級(jí)生產(chǎn)力很高,占全球森林總生產(chǎn)力的66%以上。2)關(guān)于中國(guó)森林植被凈生產(chǎn)量的研究報(bào)道很多,方精云根據(jù)第三次森林資源清查資料計(jì)算中國(guó)森林植被的凈生產(chǎn)量為1004.61×106t/a,高出本文研究結(jié)果(910.41×106t/a)約10%。陳利軍在遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)支持下,以1990年遙感影像為數(shù)據(jù)源,對(duì)中國(guó)