貴州省林地生物量空間分布格局及其與喀斯特和非喀斯特地貌的關(guān)系

貴州省林地生物量空間分布格局及其與喀斯特和非喀斯特地貌的關(guān)系

森林是世界上最大的生態(tài)系統(tǒng)，其生物量是世界碳環(huán)的重要組成部分。根據(jù)森林調(diào)查數(shù)據(jù)，計算全球和聯(lián)邦森林生物量時，不僅可以更精確地估計區(qū)域植被的生物量，而且可以探索空間分布的特征，為森林生長、功能監(jiān)測和碳環(huán)的研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在美國、加拿大和歐洲的北方森林地區(qū)和俄羅斯，不同時期的森林調(diào)查數(shù)據(jù)用于評估各自的森林生物量和碳儲量，并發(fā)展不同林積累和生物量轉(zhuǎn)換函數(shù)。中國的科技人員使用單期森林調(diào)查數(shù)據(jù)估算全國生物量和生產(chǎn)力，根據(jù)多期森林調(diào)查數(shù)據(jù)估算全國碳儲量和碳環(huán)的特征，并取得了國際成果。然而，該地區(qū)的森林生物量仍需要進(jìn)行精確計算。我國西南地區(qū)是森林集中分布區(qū),多為喀斯特地貌,石漠化等土地退化現(xiàn)象嚴(yán)重.貴州省是我國最大的喀斯特地貌分布區(qū),巖溶面積占全省面積的70%,生態(tài)環(huán)境敏感而脆弱,森林生物量低,土地石漠化嚴(yán)重,且難以恢復(fù).由于喀斯特地區(qū)生物量監(jiān)測困難,至今僅在貴州南部茂蘭地區(qū)開展了常綠落葉闊葉混交林和貴州中部灌叢的生物量野外測量.姚永慧等利用2000年的貴州省森林清查資料,分析了全省森林的組成及空間格局變化;張百平等利用1979—2000年5次森林資源連續(xù)清查報告,從森林資源面積和蓄積量等方面總結(jié)了貴州省20年間森林資源的動態(tài)變化.但是對貴州森林的功能,尤其是生物量的分布特征挖掘不足,有必要對貴州森林的生物量進(jìn)行詳細(xì)的估算和分析,以期更好地保護(hù)和利用當(dāng)?shù)氐纳仲Y源,遏制石漠化現(xiàn)象的擴(kuò)大.為此,本文利用貴州省1996—2000年森林連續(xù)清查資料估算不同森林類型的生物量,根據(jù)森林類型及其分布,分析貴州省森林生物量的空間特征,揭示喀斯特與非喀斯特森林之間生物量的差異,以期為研究喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的維持機(jī)制以及石漠化生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性修復(fù)奠定基礎(chǔ).1研究領(lǐng)域和方法1.1陰山山地氣候條件貴州省地處云貴高原,總面積176128km2,其中92.5%為山地和丘陵,平均海拔1100m,喀斯特地貌發(fā)育占全省國土總面積的70%.該地區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候,受山地地形影響,氣候多變,年均氣溫10℃～18℃,年降水量在1000～1500mm,相對濕度70%以上,全年日照時數(shù)1300h,無霜期270d左右.受氣候、土壤和山地地形的影響,全省植被類型多樣,中部和北部以中亞熱帶常綠闊葉林為主,南部則是具熱帶成分的南亞熱帶常綠闊葉林,在經(jīng)向上,中東部為濕潤性森林,西部為半濕潤性森林;高海拔地區(qū)分布著寒溫性亞高山針葉林,在石灰?guī)r和白云巖山地則為隱域性喀斯特常綠落葉闊葉混交林和次生落葉闊葉林.由于巖溶地貌和人類活動的影響,貴州省的生態(tài)環(huán)境非常脆弱,尤其是喀斯特地區(qū),水土流失嚴(yán)重,石漠化現(xiàn)象突出.全省的石漠化面積已由1975年的8806km2擴(kuò)大到2000年的38900km2(包括輕度及輕度以上石漠化),占到全省巖溶區(qū)總面積的35.6%,且仍以每年900km2的速度擴(kuò)展.1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1基本檢查內(nèi)容貴州省在1996—2000年間進(jìn)行了第4次森林資源清查復(fù)查,在1∶5萬的地形圖上,按4km×8km點間距,系統(tǒng)布設(shè)了復(fù)查固定樣地5500個,樣地面積為0.067hm2,記錄的條目包括:地理信息(樣地號、縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)、樣地類別、地類、海拔、地貌、坡向、坡度、坡位、土壤名稱、土壤厚度)、林地信息(林種、優(yōu)勢樹種、平均年齡、齡組、平均胸徑、平均樹高、郁閉度、森林分類)、蓄積量(活立木蓄積、林分蓄積、散生蓄積、四旁樹蓄積、枯倒木蓄積、采伐蓄積).其中,樣木蓄積量通過優(yōu)勢樹種或樹種組的一元立木材積式估算獲得,活立木蓄積包括林分蓄積、散生蓄積和四旁樹蓄積,總蓄積量為活立木蓄積、枯倒木蓄積與采伐蓄積的總和.詳細(xì)說明參見貴州省森林資源連續(xù)清查辦公室、貴州省森林資源監(jiān)測中心和貴州省林業(yè)勘察設(shè)計院2000年編制的“貴州省森林資源連續(xù)清查第四次復(fù)查技術(shù)操作細(xì)則”,以及國家林業(yè)局中南森林資源監(jiān)測中心和貴州省林業(yè)廳2001年編制的“貴州省森林資源連續(xù)清查第四次復(fù)查成果”.1.2.2林地蓄積量的計算研究證明,我國森林生物量(B)與蓄積量(V)存在線形回歸關(guān)系:B=aV+b.式中:a和b為常數(shù).將貴州省森林資源清查中涉及的樹種歸并為15個優(yōu)勢樹種(組),其a、b常數(shù)(表1)采用全國森林的參數(shù)值,櫟類的b值修訂為0,由此可根據(jù)蓄積量計算不同森林類型的生物量.首先,按照地類將貴州省的森林分為林地和非林地(農(nóng)地、牧地、水域、石山及其他未利用地)兩大類,林地又分為林分、竹林、灌木林、疏林、經(jīng)濟(jì)林及其他林地(未成林、苗圃、宜林荒山、采伐和火燒跡地、宜林沙荒).林分樣地的生物量根據(jù)優(yōu)勢樹種(組)套用生物量-蓄積量回歸方程(表1)計算,在蓄積量轉(zhuǎn)換為生物量時,根據(jù)樣地面積(0.067hm2)乘以15,生物量單位為t·hm-2(干物質(zhì),下同).經(jīng)濟(jì)林樣地中若有蓄積量數(shù)據(jù),則其生物量為23.7t·hm-2;無蓄積量數(shù)據(jù)的為11.85t·hm-2.林分竹林的生物量按照每株生物量為22.5kg乘以株數(shù)計算,雜竹(竹高<3.5m或胸徑<2.5cm)生物量減半.灌木林地有蓄積量數(shù)據(jù)的,其生物量為19.76t·hm-2,無蓄積量數(shù)據(jù)的則減半.疏林生物量的計算與林分樣地一致,但因林分稀疏,其生物量減半.其他林地和非林地中有蓄積量的樣地,其生物量參照鄰近樣地中的優(yōu)勢樹種(組)及其生物量-蓄積量轉(zhuǎn)換關(guān)系估算,否則生物量按0計算.1.3生物量和生物量森林清查數(shù)據(jù)中,土壤類型為石灰土的樣地為喀斯特樣地,其他為非喀斯特樣地;根據(jù)地類區(qū)分為:林分、竹林、灌木林、疏林、經(jīng)濟(jì)林、其他林地和非林地.在匯總時,每個樣地的生物量乘以3200hm2(樣地所在長方形格點面積為4km×8km),5500個樣地所控制面積總計達(dá)1.76×107hm2,與全省面積176128km2相符.所有統(tǒng)計分析在Excel中完成.2結(jié)果與分析2.1不同林分類型由圖1a可以看出,貴州省森林集中分布在東、東南和北部(黔南州、黔東南州、銅仁地區(qū)、遵義市西北角),面積761.3×104hm2,占全省總面積的43.3%(表2).其中,林分成片分布于東南地區(qū)(黔南州東南角、黔東南州、銅仁地區(qū)南部)和遵義市西北角,占林地總面積的45.2%;竹林主要分布在黔東南州和銅仁地區(qū)的東部以及赤水地區(qū),面積很小;灌木林和疏林呈零星分布,占15.1%;經(jīng)濟(jì)林在東部和黔西南州南部成片分布,占8.7%;其他林地廣布全省,占29.7%,但由于一些未成林、苗圃、宜林荒山、采伐和火燒跡地、宜林沙荒等的利用率不高,實際面積應(yīng)低于此數(shù)字(圖1a).從地貌類型來看,喀斯特樣地占全省面積的25.7%,非喀斯特樣地占74.3%(表2);喀斯特林地主要連片分布在黔中、黔南與黔西南地區(qū),占全省林地面積的23.3%,非喀斯特林地占76.7%(圖1b).貴州省地處高原,林分、灌木林和其他林地均生長于海拔1000～1200m,竹林、疏林和經(jīng)濟(jì)林生長在海拔800～1000m,喀斯特與非喀斯特林地海拔差異不顯著.林地坡度均較大(20°～45°),尤其是灌木林平均坡度45°.不同林地之間土壤厚度存在差異,但非喀斯特林地為喀斯特林地的1.5～2倍.優(yōu)勢種年齡以林分和疏林較大,胸徑較寬,樹也較高;但貴州森林林齡普遍偏小,以中、幼齡林為主(表2).2.2貴州省森林生物量2.2.1非石化林生物量t由表3可以看出,貴州省林地和非林地中所有林木的總生物量為3.51×108t,其中非喀斯特林木為2.88×108t,占總生物量的82%,喀斯特為0.64×108t,占18%.不同林地類型的生物量有差異,林分生物量最高,占總林地生物量的71.4%,其中天然林生物量為1.15×108t,人工林為0.41×108t,飛播林為0.02×108t;其次為竹林、其他林地、灌木林、經(jīng)濟(jì)林和疏林.非喀斯特林地中仍以林分生物量最高,占所有非喀斯特林地的73.0%,其他依次為竹林、其他林地、經(jīng)濟(jì)林、灌木林和疏林;在喀斯特林地中,林分占總喀斯特林地生物量的63.1%,灌木林、竹林、其他林地、經(jīng)濟(jì)林和疏林分別次之.非林地因散生一些樹木,面積較大,故而也存在較高的蓄積量和生物量.喀斯特林地面積明顯低于非喀斯特林地(表2),其蓄積量和生物量也均明顯偏低(表3).但從單位面積生物量統(tǒng)計來看,竹林生物量密度很高,其中喀斯特地區(qū)的竹林生物量密度明顯高于非喀斯特地區(qū);林分次之,但喀斯特地區(qū)林分稍低于非喀斯特地區(qū);疏林、經(jīng)濟(jì)林和灌木林接近,前二者的喀斯特林地生物量均高于非喀斯特地區(qū),后者則相反;其他林地的生物量密度較低,喀斯特地區(qū)也明顯低于非喀斯特地區(qū)(表3).2.2.2不同類型樹種蓄積量和總生物量由表4可以看出,15類優(yōu)勢種組主要分布于林分、疏林、其他林地和少部分非林地中,總蓄積量以馬尾松和云南松最高,其次為杉木、硬闊類樹種、櫟類和軟闊類等,樟類樹種最小;而總生物量以杉木林最高,硬闊類次之,馬尾松和云南松以及櫟類中等水平,柏木和軟闊類以及其他優(yōu)勢種均較低,樟類樹種為最小;林分生物量分布規(guī)律類似,但以硬闊類為最高.2.2.3不同生物量從行政區(qū)劃來看,黔東南州的林地總生物量和林分生物量均是遵義、銅仁和黔南的2～3倍,且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出黔西南、畢節(jié)、貴陽、安順和六盤水地區(qū);非喀斯特地區(qū)的森林生物量在9個地區(qū)呈現(xiàn)同樣的趨勢,且均高于喀斯特地區(qū),但喀斯特地區(qū)的林地和林分生物量均是黔南州最高,遵義和銅仁地區(qū)次之,貴陽、黔東南、黔西南和畢節(jié)地區(qū)較小,安順和六盤水最低(圖2).從單位面積物質(zhì)產(chǎn)量來看(圖3),高生物量的林地(和少數(shù)非林地)主要分布在黔東南、黔東和黔西北地區(qū),屬于非喀斯特常綠闊葉林的集中分布區(qū),其他地區(qū)生物量較低.其中生物量大于400t·hm-2的樣地集中在黔東南和黔西北角的竹林和林分中,全省最大森林生物量(1462.5t·hm-2)為黔東南的竹林樣地;生物量在200～400t·hm-2的樣地也主要是分布在這些地區(qū)的林分和竹林,少數(shù)分布在黔西南地區(qū);生物量介于100～200t·hm-2的樣地散布全省,但以黔東南、黔東和黔西北為主;較低生物量(30～100t·hm-2)樣地在全省廣布,包括各種林地類型以及部分非林地;低生物量(0～30t·hm-2)樣地廣布于黔東南、黔東和黔西北以外的地區(qū)(圖3),尤其是喀斯特地貌區(qū)的比例較大.3森林覆蓋率低、生物量大且分布不穩(wěn)定.在全國范圍內(nèi),森林覆蓋率較低,在全國范圍較本研究結(jié)果表明,貴州省1996—2000年間全部林木的總生物量為3.51×108t,如果按照干物質(zhì)含碳量45%計算,貴州森林地上碳儲量為0.158PgC(1Pg=1015g),其中非喀斯特林木為0.130PgC,喀斯特林木為0.028PgC.在貴州省森林組成中,針葉林(包括杉木、馬尾松、云南松和柏木等)占據(jù)很大比重,且多為人工林.雖然其生物量相對闊葉林高,但成分單一,易發(fā)生病蟲害,是今后需要改造的林分之一.灌木林、經(jīng)濟(jì)林和疏林雖然生物量較低,但分布面積較大,尤其是在喀斯特地貌和石漠化比較嚴(yán)重的地區(qū),具有很高的發(fā)展?jié)摿?也是受損植被重建和石漠化治理的首選類型.貴州省林地生物量總量和密度的空間分布與地貌緊密相關(guān),非喀斯特地貌區(qū)明顯高于喀斯特地貌區(qū),但生物量分布與石漠化的關(guān)系仍需要進(jìn)一步的研究.貴州省地處中亞熱帶,水熱條件良好,但由于山地和高原的影響,其生物量總體偏低,低于東北三省和內(nèi)蒙,以及四川、云南、西藏和廣西等省(區(qū)).貴州全省森林覆蓋率較低(25%,不含疏林、灌木林和未成林造林地),地理分布不均,地帶性常綠闊葉林破壞嚴(yán)重,林齡小,次生性強(qiáng),灌木林和針葉林比重大.尤其是喀斯特地貌在省內(nèi)分布比較廣泛,中部和西南地區(qū)石漠化現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致這些地區(qū)森林覆蓋率和生物量都很低,無論是從生物量總量還是密度來看,喀斯特森林均明顯低于非喀斯特森林;野外觀測也表明,喀斯特地區(qū)的土壤頂極群落——常綠落葉闊葉混交林的生物量明顯低于中亞熱帶典型常綠闊葉林,貴州中部地區(qū)灌叢的生物量也較低.20世紀(jì)70年代至80年代末期,貴州森林面積與蓄積量呈下降趨勢,1984—1988年間貴州省的森林生物量僅為1.55×108t.1990年以來,由于實施了“長江防護(hù)林工程”、“珠江防護(hù)林工程”等,森林衰退趨勢得到遏制,促進(jìn)了貴州省森林資源的持續(xù)穩(wěn)定增長,生態(tài)環(huán)境得到良好改善.但今后的森林保育工作仍任重道遠(yuǎn).因此,加強(qiáng)貴州省的森林撫育,尤其是在森林恢復(fù)潛力巨大的喀斯特石漠化地區(qū)開展各種措施的植樹造林,不僅可恢復(fù)重建石漠化植被,改善區(qū)域環(huán)境和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展,也對提高貴州省的森林生物量和生產(chǎn)力具有重要的現(xiàn)實意義.利用森林連續(xù)清查資料估算生物量也存在不足.首先,林業(yè)上的樹木分類較粗糙,獲取的森林蓄積量有一定誤差,實際工作中,不同樹種的蓄積量-生物量關(guān)系研究不足,樣本量低,所建立的蓄積量-生物量轉(zhuǎn)換函數(shù)存在缺陷,如本文使用的櫟類生物量與蓄積量回歸方程的參數(shù)b值僅有3個統(tǒng)計樣本,其值為-3.8990,這樣估算的很多低蓄積量樣地的生物量為負(fù)值,雖然我們將其設(shè)定為0,但與實際情況仍不一定符合.因此,今后需要研究更精確的林業(yè)樹種分類和更詳盡的不同樹種生物量與蓄積量回歸方程.其次,由于區(qū)域基礎(chǔ)研究的缺乏,往往利用全國的蓄積量-生物量轉(zhuǎn)換函數(shù)來估算區(qū)域尺度的森林生物量,但區(qū)域森林植被有其獨特性,與全國大尺度的情況存在較大差異,尤其是貴州地區(qū)喀斯特地貌下發(fā)育的亞熱帶常綠落葉闊葉混交林,與典型的亞熱帶常綠闊葉林差異很大,如果完全套用亞熱帶一些典型樹種的參數(shù),則會產(chǎn)生較大的誤差.因此,發(fā)展區(qū)域代表性植被和樹種的獨特蓄積量-生物量轉(zhuǎn)換函數(shù)