基于森林健康視角的北長山島人工林生物量

池 源,郭 振,石洪華*,沈程程,2,劉永志

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基于森林健康視角的北長山島人工林生物量

池 源1,郭 振1,石洪華1*,沈程程1,2,劉永志3

(1.國家海洋局第一海洋研究所,山東 青島 266061；2.中國海洋大學環境科學與工程學院,山東 青島 266100；3.中國海洋大學數學科學學院,山東 青島 266100)

以山東省長島縣北長山島為研究區,通過現場調查、數學模型和3S技術,分析人工林生物量的總量(全部生物量)、存量(活樹生物量)、失量(死樹生物量)和存量失量比,并探討生物量的影響因子.結果顯示:(1)北長山島人工林生物量總量共5.88萬t,均值為145.8t/hm2,高于全國和山東省的平均水平;生物量存量共3.79萬t,失量共2.09萬t,其均值分別為93.9t/hm2和51.9t/hm2,森林健康問題已經成為影響北長山島人工林生物量的重要因素.(2)隨著林分密度的增加,生物量總量和存量呈現先上升后下降的趨勢,失量持續上升,存量失量比則不斷下降;隨著胸徑的增大,黑松的存量失量比逐漸減小,刺槐則相反;NDVI與生物量總量、存量和存量失量比呈顯著正相關,與失量呈顯著負相關.(3)存量失量比與坡向、土壤含水率、全磷和總氮呈顯著正相關,與海拔、坡度、含鹽量和全鉀呈顯著負相關,與坡位、pH值和總碳關系不明顯.

海島人工林；森林健康；生物量；存量失量比；空間分布特征；北長山島

森林生物量是評估森林碳循環貢獻的基礎[1-3],也是維持森林生態系統穩定性的基底[4-5].近年來,林火、病蟲害、干旱等災害頻發,引發森林規模縮小和質量下降,使得森林健康問題愈發受到重視[6-7].森林健康直接影響著生物量的現存量和增長速度,并可能導致森林由碳匯變為碳源[8].海島是重要生態功能的貯存庫,是人類居住生活的載體,也是保護與利用海洋的支點.由于獨特的自身條件和復雜的外界干擾,海島生態系統具有明顯的脆弱性[9],尤其是我國北方海島大都由基巖構成,土壤貧瘠且氣候條件惡劣,使得原生林木發育不良,20世紀50年代以來開展了持續廣泛的人工林建設,有效增加了海島森林覆蓋率.人工林構成了島陸植被生物量的主體,在海島生物多樣性維持、防風固土、水源涵養、固碳釋氧、景觀美學等方面發揮著至關重要的作用[10].然而,由于惡劣的生長環境和頻發的自然災害,海島人工林健康狀況往往受到較大威脅,且一旦遭到破壞很難恢復,對人工林生物量的組成和分布格局造成嚴重影響,進而對海島生態系統穩定性構成制約.從森林健康的視角出發分析海島人工林生物量,能夠充分判斷海島陸地植被生物量的實際狀況,對揭示海島生態系統生物量及其分布特征具有重要意義.基于森林健康視角的生物量研究中,人工林的全部生物量(總量)實際上包括活樹生物量(存量)和死樹生物量(失量)兩個部分,其所處地位和生態價值具有明顯差別,但均對人工林生態系統具有重要意義.以往的研究大都僅關注生物量總量,近年來部分學者開始關注死樹生物量(失量)的問題,但僅停留在描述和統計層面,對存量和失量的相互關系及變化規律缺乏探討,且尚無完整的評估體系[11-12].與此同時,海島生態系統的人工林生物量研究工作已經得到了初步開展[10,13],但并未將森林健康狀況考慮在內,亟待進一步的完善.

因此,本文基于森林健康視角,選擇人工林建設的典型海島——山東省長島縣北長山島為研究區,在現場調查取樣的基礎上,借助數學模型和3S技術等手段,評估北長山島人工林生物量總量及其構成(存量和失量),闡明海島人工林生物量的空間特征,探討人工林生物量的影響因子,為海島人工林建設和保護提供依據,也為森林生物量研究提供一種新思路.

1 研究區現狀

1.1 海島概況

北長山島位于山東半島北側,黃、渤海交會處,是山東省長島縣北長山鄉政府所在地.海島面積約7.89km2,岸線長約16.02km.該島所在區域屬于東亞季風氣候區,年均氣溫12.0℃,1月平均氣溫-1.6℃,7月平均氣溫24.5℃;年均降水量約537mm,降水多集中在6~9月;日照較為充足,年均日照時數2612h.北長山島山體眾多,包括嵩山、西大山、北山等,山勢大致呈南北走向,最高點海拔約為190m;土壤主要有棕壤、褐土、潮土3大類,以棕壤土分布面積最大,土層厚度約為30cm,多砂礫,土質較差[10].

1.2 海島人工林建設狀況

北長山島原生林木發育不良,現有森林基本為人工林.與長島縣其他海島相比,北長山島擁有最大的人工林規模,以黑松和刺槐為主要人工林樹種,群落內部夾雜著零星麻櫟、遼東櫟、香椿等原生樹種.截止2014年10月,北長山島人工林面積約4.03km2,占海島總面積50%以上,構成海島的生態屏障.然而,北長山島人工林的生長條件較差,干旱、大風、病蟲害等給人工林健康狀況帶來嚴重影響.目前,北長山島人工林樹木死亡現象普遍,生物量和生態功能受損明顯.

2 材料與方法

2.1 數據來源

2.1.1 現場調查與取樣 2014年9~10月進行人工林群落現場調查與取樣工作.以均勻分布為原則,結合群落類型和地形因素,在北長山島人工林區域共布設32個樣地,樣地大小為20×20m(圖1).運用GPS手持機和羅盤測量各樣地的經緯度和地形信息;記錄并測量樣地內胸徑(DBH)33cm[14]所有活立木和枯立木的種類、胸徑、基徑、樹高、枝下高和冠幅,對于死亡后被砍伐清理剩下的樹木殘樁,測量其基徑,最終統計的樹木中包括活樹(活立木)和死樹(枯立木和殘樁).此外,采用多點混合取土樣方法進行表層土壤取樣,在每個樣地內選取3個取樣點,經均勻混合后作為該樣地的土壤樣品,在實驗室內除去其中草根、大石礫等雜質,過2mm鋼篩并磨細,在105℃高溫下烘至恒重,稱量并計算土壤含水率;pH值采用電位法進行測定,含鹽量采用電導法進行測定,全氮采用半微量開氏法進行測定,全磷采用碳酸鈉熔融法進行測定,全鉀采用氫氧化鈉熔融法進行測定,總碳采用高溫灼燒法進行測定.

2.1.2 遙感影像 采用2014-10-07北長山島所在區域的ETM+遙感影像(分辨率為30m)和Aster GDEM第二版DEM數據(垂直分辨率20m,水平分辨率30m).利用ENVI4.7對ETM+影像進行裁切、輻射定標和波段合成,進而通過ArcGIS10.0進行人機交互解譯,結合現場實地調研進行校正得到北長山島地表覆蓋類型圖(圖2),并計算人工林區域的歸一化植被指數(NDVI);同時由DEM數據提取高程、坡度和坡向.為了建立人工林生物量與遙感數據的關系,選擇ETM+數據中能夠反映植物狀況的B1-B5和B7共6個波段,將其同高程、坡度、坡向一起重采樣為20×20m的像元,提取32個調查點位的6個波段像元值以及高程、坡度和坡向數據;通過ArcGIS10.0的Fishnet工具在北長山島人工林區建立20×20m網格,共劃分7629個黑松林網格和2457個刺槐林網格,并提取每個網格中心點的6個波段像元值以及高程、坡度和坡向值.

2.2 生物量估算

2.2.1 數據處理 整理并統計各樣地的經緯度、地形以及樹木種類、數量、死亡率等.共調查樹木2411棵,其中人工林群落建群種黑松占66.8%,刺槐占30.2%,天然原生樹種麻櫟等占3%;樹木總體死亡率達31.4%,黑松死亡率為33.5%,刺槐為29.8%,天然樹種僅為2.8%.依據信息齊全的樹木數據,建立黑松和刺槐的胸徑-基徑、樹高-基徑、樹高-胸徑回歸方程(表1),進而補全其他樹木的胸徑和樹高信息.天然樹種中死樹極少(2棵),均為自然死亡,呈枯立木狀態,具有樹高和胸徑數據,已滿足生物量估算的數據要求.

表1 樹木生長信息回歸方程 Table 1 Regression equations of Tree Height (TH), Basal Diameter (BD) and Diameter at Breast Height (DBH)

2.2.2 樣地生物量計算 采用環境狀況相似區域且應用成熟的生物量相對生長方程對樹木各組分生物量進行估算(表2),對不同樣地、不同樹種生物量總量、存量、失量以及存量失量比進行統計.

2.2.3 人工林區域生物量估算 相關分析結果顯示,所選遙感影像數據與北長山島人工林生物量具有密切關系,能夠為整島人工林區域生物量的反演提供支持.根據調查樣地生物量計算結果,結合遙感影像數據進行人工林區域生物量的遙感反演.經分析發現,海島人工林狀態空間差異明顯,活樹和死樹并存,使得其光學特征復雜,回歸模型難以充分反映人工林生物量與遙感數據的關系,人工神經網絡由于具備自適應、自組織性和容錯性對模擬這種較為復雜的關系更為適合[19].本文通過MATLAB R2012b,采用2層BP(Back Propagation)神經網絡模型,結合樣地生物量結果和遙感數據反演北長山島人工林區域的生物量.具體操作為:1)輸入節點數為6(6個波段),輸出節點數為2(存量和失量);2)基于空間分布、群落類型在現有的32個樣地中選擇其中5個作為檢驗樣本,其余27個作為訓練樣本,以檢驗模型精度;3)根據相關經驗,經多次調試后隱藏層節點數取值為10,輸入層采用tansig函數,輸出層采用purelin函數,最大訓練次數取10000,目標均方誤差為10-5,樣本訓練采用Levenberg- Marquardt算法,逐次計算樣本的均方誤差,達到目標后終止訓練,訓練結果顯示模型2達到0.9991;4)輸入檢驗樣本的6個波段值,將模擬數據和實際數據進行對比(表3),模擬存量的相對誤差平均值為7.65%,模擬失量的相對誤差平均值為16.35%,可基本滿足要求;5)輸入整島人工林區域的6個波段值,模擬人工林區域的生物量存量和失量;6)根據人工林區域實際情況,對模擬異常值進行修正,得到北長山島人工林區域生物量結果.

表2 生物量相對生長方程[15-18] Table 2 Biomass Allometric growth equation

注:, 生物量, kg;, 胸徑, cm;, 樹高, m.

表3 生物量模擬相對誤差 Table 3 Relative errors of biomass simulation

2.3 影響因子分析

2.3.1 生物因子 選擇樣地尺度的樹種、林分密度、胸徑和區域尺度的NDVI進行分析.通過單因素方差分析法(One-way ANOVA)探討不同樹種和群落類型生物量的差異和特征;采用相關分析法探討林分密度與生物量的相關關系,進而將林分密度劃分為30~50、50~70、70~90、90~110和110以上(株/樣地)共5個區間,通過單因素方差分析探明不同林分密度區間生物量的差異;分析不同樹種生物量在不同胸徑區間內的變化特征,天然樹種數量僅占全部樹木的3%,不具有統計意義,僅對黑松和刺槐的胸徑-生物量關系進行分析,將胸徑劃分為3~5、5~10、10~15、15~20和20以上(cm)共5個區間進行分析;采用相關分析法對人工林區域生物量與NDVI的關系進行分析.

2.3.2 生境因子 地形和土壤是人工林生物量的主要生境因子.地形因子中對海拔、坡度、坡向進行區域尺度分析,對坡位進行樣地尺度分析.采用相關分析法分析海拔、坡度和坡向與生物量的相關性,采用單因素方差分析法探討不同坡位生物量的差異.原始坡向值按0~360順時針增大,0為正北,180為正南,以向陽性為原則,按照下式進行標準化:

式中:AS為點標準化后的坡向值;A為點原始坡向值.

土壤因子包括含水率、pH值、含鹽量、全氮、全磷、全鉀和總碳7項因子,根據32個樣地的土壤因子結果,借助ArcGIS空間分析模塊中的反距離權重(IDW)內插法進行空間差值,得到人工林區域的土壤因子結果,進而從區域尺度分析土壤因子與生物量的相關性.

3 結果

3.1 生物量估算結果

3.1.1 樣地生物量 各樣地生物量計算結果見表4和圖2.各樣地中,生物量總量最大值為9.66t(樣地15),最小值為2.06t(樣地5),平均值為5.62t;生物量存量最大值為8.96t(樣地15),最小值為1.59t(樣地8),平均值為3.71t;生物量失量最大值為4.73t(樣地24),最小值為0.07t(樣地5),平均值為1.91t.樣地5擁有最大的存量失量比26.79(96.4:3.6),而樣地28、22、29、24、8存量失量比小于1,且按上述順序由大到小排列,所有樣地總體存量失量比為1.95.

表4 樣地生物量結果 Table 4 Biomass results of sampling plots

3.1.2 區域生物量 北長山島人工林區域生物量結果見表5和圖3.生物量總量總計為5.88萬 t,其中黑松林占82.8%,刺槐林占17.2%;生物量存量總計為3.79萬t,其中黑松林占78.4%,刺槐林占21.6%;生物量失量總計為2.09萬t,其中黑松林占90.9%,刺槐林占9.1%;黑松林的存量失量比為1.56,低于刺槐林的4.33,人工林區域總體存量失量比為1.81.北長山島人工林區域可劃分為東部集中分布區、中西部集中分布區和西北部零散分布區.可以發現,不同區域的存量失量比表現出了明顯差異:中西部集中分布區總體較高,而東部集中分布區和西北部零散分布區則明顯偏低.

表5 北長山島人工林生物量 Table 5 Plantation biomass on Beichangshan Island

3.2 影響因子分析

3.2.1 生物因子分析 (1)樹種:單因素方差分析結果顯示不同樹種生物量表現出了顯著的差異(<0.001),生物量均值黑松>刺槐>其他樹種,標準差則是黑松>其他樹種>刺槐;不同樹種活樹和死樹之間生物量也存在顯著差異(<0.001),生物量均值黑松死樹>黑松活樹>刺槐活樹>其他樹種活樹>刺槐死樹>其他樹種死樹,標準差則是黑松死樹>黑松活樹>其他樹種活樹>刺槐活樹>刺槐死樹>其他樹種死樹(圖4).

表6 林分密度、NDVI與生物量相關分析結果 Table 6 Results of correlation analysis between stand density and biomass, and between NDVI and biomass

注:**.<0.01, *.<0.05,下同.

(2)林分密度:相關分析結果表明,林分密度與生物量總量、存量和失量均顯著正相關,與存量失量比呈顯著負相關(表6).單因素方差分析結果顯示,生物量總量(<0.001)和存量/失量比(=0.021)在不同林分密度區間表現出顯著的差異,存量(=0.080)和失量(=0.098)差異性則不明顯.隨著林分密度的增加,生物量總量和存量均呈現先上升后下降的趨勢,在90~110林分密度區間達到最大值,在110以上林分密度區間有所下降,且存量的下降趨勢更劇烈;生物量失量隨林分密度的增大持續上升,且在110以上區間上升明顯,存量/失量比則與之相反(圖5).

(3)胸徑:黑松的生物量總量和存量在10~15cm胸徑區間達到最大值,失量在15~20cm胸徑區間內最大,隨著胸徑的增大,存量失量比逐漸減小;刺槐生物量總量和存量在15~20cm胸徑區間達到最大值,失量在10~15cm胸徑區間內最大,存量失量比隨著胸徑的增大逐漸增加,與黑松表現出相反的趨勢(圖6).

(4)NDVI:與生物量各指標均顯著相關,其中與總量、存量和存量失量比呈正相關,與失量則呈負相關(表6).

3.2.2 生境因子分析 (1)地形:生物量指標與地形因子大都表現出顯著的相關性(表7).海拔和坡度與生物量總量、存量和失量呈正相關,與存量失量比呈負相關,坡向則與生物量總量和存量呈負相關,與存量失量比呈正相關.同時,海拔、坡度和坡向之間存在一定的相關性.

不同坡位樣地生物量的單因素方差分析結果表明,山脊、坡肩、背坡、坡腳四種坡位相互之間生物量總量(=0.244)、存量(=0.867)、失量(=0.126)和存量失量比(=0.329)均不存在顯著性差異.但對比坡腳與其他坡位類型生物量特征發現,生物量總量(=0.044)和失量(=0.018)存在顯著差異,存量(=0.708)和失量存量比(= 0.064)差異不顯著,坡腳處生物量的失量明顯較小(圖7).

表7 地形因子與生物量相關分析結果 Table 7 Results of correlation analysis between terrain factors and biomass

(2)土壤:生物量與土壤各因子也多具有顯著的相關性(表8).含水率和全磷與生物量總量、存量、存量失量比呈顯著正相關,與失量呈顯著負相關,總氮也基本上表現出該特征,這3項因子與森林健康程度呈正相關;含鹽量與生物量總量、失量和存量失量比呈顯著負相關,全鉀與生物量存量和存量失量比呈顯著負相關,這2項因子與森林健康程度呈負相關;pH值與生物量總量、存量和失量均呈顯著負相關,與存量失量比相關性不顯著,總碳與生物量失量呈正相關,與其他指標未見顯著關系,該2項因子與森林健康程度關系不明顯.

表8 土壤因子與生物量相關分析結果 Table 8 Results of correlation analysis between soil factors and biomass

4 討論

4.1 研究思路與方法探討

(1)研究思路探討: 在以往的森林生物量研究中,往往是大區域的生物量格局及其影響因子探討[20-21]或者是特定區域和群落的生物量估算[22-23],鮮有基于森林健康視角的生物量研究.森林健康狀況與生態功能和生物量的關系十分密切,樹木在健康狀況下擁有的各類生態功能,隨著健康狀況的惡化不斷削弱;本研究區中,樹木遭遇病蟲害死亡后,經砍伐、清理、運輸后通過焚燒等形式銷毀,將生命周期內固定的碳重新釋放入大氣中,其生物量意義已經大打折扣.實際上,這部分的生物量是“喪失”或“丟失”的,將死樹和活樹一概而論地作為森林生物量是不合適的,但死樹代表著森林曾經擁有的生物量,且部分死樹可以作為鳥類、小型獸類的棲息地,其生物量是森林生物量總量中獨特的組成部分,忽略掉這部分生物量顯然也是不恰當的,因此,本文以北長山島人工林生物量為研究對象,將生物量總量劃分為存量和失量,探討生物量各組分及其比例的變化特征和影響因子,以期闡明基于森林健康視角的人工林生物量.

(2)研究方法探討:本文以現場調查為基礎,結合遙感影像為研究提供數據支撐,采用的回歸分析、方差分析、相關分析以及生物量相對生長方程均基于目前成熟的研究.由于條件限制,現場調查過程中并未進行標準木實測,采用了環境狀況相似區域、相同樹木的相對生長方程對生物量進行計算.這些方程均基于大量的標準木實測,能夠達到較高的擬合優度.本文黑松和刺槐的生物量相對生長方程分別采用許景偉等[15]對煙臺牟平沿海黑松林和畢君等[16]對太行山坡地刺槐林的研究,與本研究區緯度較為一致,環境條件相似(沿海或山地),且在前期長島地區人工林生物量研究中已經得到應用并取得了良好的效果[10].麻櫟等天然樹種較少,調查的2411棵樹中天然樹種僅占2.8%,本文對天然樹種中數量相對較多的麻櫟采用單獨的、針對性強的方程進行計算,對于出現頻率較小的樹種則采用通用的、適應面廣的方程進行計算.總體而言,所采用方程在本研究區具有適用性,可以保證生物量計算的科學性和準確性.此外,在條件允許時,開展黑松和刺槐的標準木實測進而建立北長山島人工林的相對生長方程,能夠進一步完善海島人工林生物量的研究.

人工林區域生物量采用調查數據和ETM+遙感影像,通過BP神經網絡模型進行模擬.采用的遙感影像獲取時間與現場調查時間一致,能夠客觀地反映海島人工林區域實際狀況,并與現場調查形成良好的契合.然而,由于遙感影像像元大小與調查樣地面積大小不同,本文將30m的分辨率重采樣為分辨率更高的20m以保證與調查樣地面積一致,增加了誤差出現的可能性.不過,通過32個點位生物量與所在像元6個波段value值的相關分析可以發現,生物量與各波段及其組合表現出了顯著的相關性,這說明所選遙感影像及其重采樣后的數據用作人工林區域生物量反演是可行的.神經網絡模型在生態學領域已有較多應用,對于光譜特征復雜的地物與遙感數據之間的關系建立具有獨到的優勢,且在已有研究中得到驗證[19,24].本文研究采用2層BP神經網絡模型,經反復調試后,檢驗樣本的平均模擬精度達到存量90%以上和失量80%以上,鑒于海島人工林的特殊性,特別是死樹光譜特征的復雜性,在現有的研究條件下,采用該模型估算北長山島人工林區域生物量及其空間特征是可行的.在下一步的工作中,應通過現場采集人工林不同組分的實際光譜特征,結合高分辨率和高光譜遙感影像以得到更高精度的人工林生物量模擬結果.

4.2 生物量結果探討

北長山島人工林區域生物量總量均值為145.8t/hm2,高于全國平均水平74.7t/hm2[21]和山東省的69.05t/hm2(由碳儲量推算)[25],說明人工林建設有效改善了海島的生態環境.需要注意的是,區域生物量失量均值達到51.9t/hm2,森林健康問題已經成為影響北長山島人工林生物量的重要因素.黑松林生物量總量均值為159.6t/hm2,存量和失量均值分別為97.2t/hm2和62.4t/hm2,總量高于山東沿海黑松人工林生物量95.1t/hm2,存量與之基本持平[26];總量、存量和失量均高于安徽蚌埠市郊黑松人工林生物量64.6t/hm2[27];總量高于福建平潭島黑松防護林125.7t/hm2[28],但存量和失量與之相比較低.刺槐林生物量總量均值為102.9t/hm2,存量和失量均值分別為83.6t/hm2和19.3t/hm2,均低于甘肅退耕還林地刺槐人工林生物量129.7t/hm2[29],也低于陜西渭北荒坡地刺槐人工林生物量134.4t/hm2[30],但總量略高于河南中部刺槐人工林生物量81.35t/hm2[31],遠高于太行山刺槐人工林生物量23.4t/hm2[32].這說明北長山島黑松人工林的建設取得了明顯的成效,但其健康狀況對生物量帶來明顯制約;刺槐作為除黑松之外北長山島最主要的樹種,生物量與國內其他區域相比并不高,但對于維護海島生態系統穩定性具有重要作用.

以往的研究大都以死亡率判斷森林健康狀況[33-34],死亡率指的是死亡樹木株數占樹木總株數的比例,對樹木個體是無差別對待的,無法體現死樹的狀況以及在群落中的地位,特別是對于北長山島這種常年持續開展人工林建設的區域,同一群落中不同樹木的樹齡有差別,個體差異明顯,單以死亡率來判斷北長山島人工林健康狀況是不全面的.因此,本文嘗試提出了生物量總量、存量、失量和存量失量比的概念,不僅能夠表示人工林的生物量構成,同時可以反映死亡樹木的整體特征和個體差異,比死亡率包含更多的信息.本文調查結果顯示樹木總體死亡率達31.4%,黑松死亡率為33.5%,刺槐為29.8%,黑松林和刺槐林死亡率均較高,且相差不大.生物量評估結果顯示,黑松林失量占比達到39.1%,存量失量比為1.56;刺槐林失量占比為18.8%,存量失量比為4.33;人工林區域生物量失量占比為35.6%,存量失量比為1.81.研究表明,成熟林死體生物量一般占總生物量的10%~20%[35],可以發現,黑松林生物量失量明顯偏高,刺槐林則處于相對正常的水平,總體上,北長山島人工林生物量已經受到較大的損失.黑松死亡的主要原因為松材線蟲病的干擾,其死樹多為徑級較大的樹木,而干旱是刺槐死亡的主要原因,其死樹多為小樹,在森林生態系統中,大樹能夠發揮更重要的生態功能,是生態系統的主體,大樹的死亡對整個森林生態系統的影響更為強烈.事實上,北長山島及周邊海島的黑松林病蟲害已經成為長島縣海島生態環境面臨的嚴重問題,常年開展的病蟲害防治工作耗費了大量的精力,但目前仍無法完全控制松材線蟲病的蔓延;刺槐林作為北長山島人工林的重要組成,雖然其死亡率也較高,但死樹多為小樹,并未對生態系統功能帶來嚴重威脅.因此,相比死亡率而言,生物量指標能夠更全面地反映海島人工林健康的實際狀況.

4.3 影響因子探討

人工林健康狀況及生物量特征同時受到生物因子和生境因子的共同作用.樹種、林分密度、胸徑、NDVI等因子屬于生物因子,是人工林健康狀況和生物量的基礎;氣候、地形、土壤屬于人工林生境因子,由于海島生態系統屬于小空間尺度的研究區,區域性的氣候條件相對均一,而地形可以通過改變小氣候條件或制約人類活動影響人工林生長,土壤因子能夠通過影響根系與土壤的生理生化作用進而作用于植被生長[10],地形和土壤成為海島人工林的主要生境因子.

(1)生物因子: 不同樹種生物量分析顯示,黑松生物量總量、存量和失量均處于相對較高的水平,表明黑松原本是海島人工林建設的理想物種,但其健康狀況面臨較大威脅;刺槐生物量總量均值與黑松相比較低,但其失量更低,說明刺槐林健康狀況相對較好,已經成為海島人工林建設不可或缺的組成部分;天然原生樹種生物量均值處于較低的水平,但其健康狀況良好,對于維持海島生物多樣性具有重要意義.

林分密度是影響人工林生物量的重要因子[36],研究結果顯示人工林生物量總量和存量隨著林分密度的上升呈先增加后減少的趨勢,這與王曉麗等[13]的研究結果相一致.同時,生物量失量隨著林分密度的上升持續增大,存量失量比則顯著減小.林分密度的增大直接表示了群落樹木數量的增加,使得種間競爭越發激烈,部分個體生長受到限制[37].本研究中各樣地平均胸徑與林分密度表現出顯著的負相關關系(Sig.=-0.749,<0.01),在低于110株/樣地的林分密度區間,人工林群落種間競爭相對不明顯,生態條件相對適宜,群落生物量總量、存量和失量隨著密度的增加而提高;在大于110株/樣地的林分密度區間,由于種間競爭的激烈,環境條件趨于惡劣,單株樹木生物量下降明顯,造成生物量總量和存量的減小,同時失量進一步增加,存量失量比持續降低.

人工林生物量在不同徑級區間內具有較大差異.黑松和刺槐分別在10~15cm和15~20cm達到生物量最大值,說明10~20cm是北長山島人工林生物量最大的胸徑區間.此外,隨著胸徑的增大,黑松的存量失量比逐漸減小,刺槐則相反.黑松失量集中在較大徑級內,這是由于大樹相比小樹更容易受到病蟲害的影響[38],且大樹的生殖成熟和水分赤字引起較高的木質部空穴化和栓塞化[38-39],加劇了大樹的死亡;對刺槐而言,越小徑級區間內存量失量比越低,干旱是北長山島顯著的自然特點,而干旱引起的死亡主要集中在小樹[39],這可能是刺槐生物量徑級分布的原因.

NDVI是植被生長狀況的重要表征因子,研究結果顯示了NDVI與生物量總量、存量和存量失量比呈顯著正相關,與失量呈顯著負相關,表示了NDVI較高的位置其生物量較高,且人工林健康狀況較好.由于NDVI具有較為便捷的獲取通道,因此NDVI可作為表征人工林生物量以及健康狀況時空特征的重要指標.

(2)生境因子:在大區域或大地形梯度的研究中,地形通過改變氣候條件進而影響植物生物量[40],而北長山島面積較小,最高點海拔不足200m,地形分異梯度不明顯,造成的氣候條件差異也不顯著.但是,北長山島人工林建設的樹種選擇受到地形的制約,通常在海拔較低、坡度較小的坡腳位置種植刺槐林,而在海拔較高、坡度較大的其他位置更多地種植黑松,隨著海拔、坡度和坡位的上升,群落類型按照刺槐林-黑松林的順序逐漸轉變.由上文分析可知,黑松林生物量總量、存量和失量均較高,同時存量失量比較低,刺槐林則與此相反,從而造成了不同海拔、坡度和坡位人工林的生物量出現顯著差異.一般而言,坡向越接近正南能夠獲得更多的太陽輻射,從而擁有較高的生物量[41],但南向也更容易受到干旱的脅迫,對植物生長帶來限制[42],這可能是坡向與生物量總量和存量呈負相關的原因.

土壤因子直接影響著植物群落的組成與生理活力,對植物的生長起著關鍵性的作用[43].北長山島匯水區面積小,淡水缺乏,土壤含水率總體偏低[44],干旱是制約人工林健康狀況的重要因素,因此土壤含水率與人工林健康程度呈顯著正相關;北長山島土壤本身較為貧瘠,肥力較差[9],全磷和總氮為植物生長提供必須的營養元素,同樣與人工林健康程度呈顯著正相關.土壤鹽漬化是海島生態系統面臨的常見漸變性災害[44],土壤鹽分過高會對植物健康生長構成制約,使得含鹽量成為森林健康的負面因子.一般認為,大多數土壤養分在酸性環境下具有更強的有效性[45],北長山島pH值總體均處于偏低水平;同時,總碳往往與凋落物的多寡具有密切關系[46],而北長山島人工林死樹的處理方式并未對群落凋落物帶來明顯影響,這可能是pH值和總碳對人工林健康狀況影響不顯著的原因.此外,土壤鉀通常被認為是植物生長的重要營養元素,在本研究區的實際條件下,應當對人工林健康具有正面作用,但分析結果顯示,全鉀與存量失量比呈顯著負相關,其原因目前尚不清楚,應當通過進一步的調查和分析來進行論證.

5 結論

5.1 北長山島人工林生物量總量共5.88萬t,均值為145.8t/hm2,高于全國和山東省的平均水平,人工林建設有效改善了海島生態環境;生物量存量共3.79萬t,失量共2.09萬t,其平均值分別為93.9t/hm2和51.9t/hm2,森林健康問題已經成為影響北長山島人工林生物量的重要因素.

5.2 黑松林生物量總量占比82.8%,均值為159.6t/hm2,存量和失量均值分別為97.2t/hm2和62.4t/hm2,黑松構成了北長山島人工林生物量的主體,但其健康狀況面臨較大威脅;刺槐林生物量總量占比僅17.2%,均值為102.9t/hm2,存量和失量均值分別為83.6t/hm2和19.3t/hm2,其生物量與國內其他區域相比并不高,但對于維護海島生態系統穩定性具有重要作用.

5.3 隨著林分密度的增加,生物量總量和存量呈現先上升后下降的趨勢,生物量失量持續上升,存量失量比則不斷下降;不同徑級區間的生物量具有較大差異,10~20cm是人工林生物量最大的胸徑區間,隨著胸徑的增大,黑松的存量失量比逐漸減小,刺槐則相反;NDVI與生物量總量、存量和存量失量比呈顯著正相關,與失量呈顯著負相關.

5.4 海拔和坡度與生物量總量、存量和失量呈顯著正相關,與存量失量比呈顯著負相關,坡向則與生物量總量和存量呈顯著負相關,與存量失量比呈顯著正相關;不同坡位的生物量不存在顯著差異,但坡腳位置的生物量失量相對較小.土壤含水率和全磷與生物量總量、存量、存量失量比呈顯著正相關,與失量呈顯著負相關,總氮也基本上表現出該特征;含鹽量與生物量總量、失量和存量失量比呈顯著負相關,全鉀與生物量存量和存量失量比呈顯著負相關;pH值與生物量總量、存量和失量均呈顯著負相關,與存量失量比相關性不顯著,總碳與生物量失量呈正相關,與其他指標未見顯著關系.

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* 責任作者, 副研究員, shihonghua@fio.org.cn

The plantation biomass on Beichangshan Island based on forest health

CHI Yuan1, GUO Zhen1, SHI Hong-hua1*, SHEN Cheng-cheng1,2, LIU Yong-zhi3

(1.The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China；2.College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China；3.College of Mathematics Science, Ocean University of China, Qingdao 266100, China)., 2016,36(8)：2522~2535

In this study, Beichangshan Island in Changdao County of Shandong Province was used as the research area. On the basis of field investigation, the methods of mathematic model and 3S technology were adopted. The plantation biomass was classified as total biomass (TB), existent biomass (EB), and lost biomass (LB), which represents the biomasses of all trees, living trees and dead trees, respectively. The ratio of existent biomass to lost biomass (EB/LB) was used to describe the relationship between different components of biomass and to reflect the plantation health condition from a new perspective. Then, the spatial distribution patterns and the impacting factors of plantation biomass were discussed. The results revealed that TB of plantation on Beichangshan Island summed to 58.8 kt, with the average value of 145.8t/hm2, which was higher than that of the whole country and Shandong Province. EB summed to 37.9 kt with the average value of 93.9t/hm2, and LB summed to 20.9 kt with the average value of 51.9t/hm2, indicating that the health condition of plantation has been an important factor impacting the plantation biomass. With the increase in stand density, both TB and EB firstly increased and then decreased, while LB kept an increasing trend, whereas EB/LB showed the opposite trend. The diameter at breast height (DBH) of 10~20cm accounted for the most biomass, and with the increase in DBH, EB/LB oftended to decrease, while EB/LB ofshowed the opposite trend. The normalized difference vegetation index (NDVI) was significantly positively correlated with TB, EB and EB/LB, but negatively correlated with LB. EB/LB was significantly positively correlated with slope aspect, soil moisture content, total phosphorus and total nitrogen but negatively correlated with altitude, slope, soil salinity and total potassium, and had no significant correlations with slope position, soil pH and total carbon.

island plantation；forest health；biomass；the ratio of existent biomass to lost biomass；spatial distribution characteristics；Beichangshan Island

X826,Q948

A

1000-6923(2016)08-2522-14

池 源(1988-),男,河南南陽人,助理研究員,碩士,主要從事海島生態系統分析與評估等方面研究.發表論文10余篇.

2016-01-07

海洋公益性行業科研專項(201505012);中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金資助項目(2015G13)