（环境工程专业论文）高速公路施工对原生植物群落的影响评价研究.pdf

a b s t r a c t c o n s t r u c t i o no ft h ee x p r e s s w a yd e s t r u c t ss e r i o u s l yt h ee c o l o # c a le n v i r o n m e n t w i t h i np r o v e r t yl i n e a n dt h ep l a n t sc a nm o s t l yi n d i c a t et h ec o n d i t i o no ft h e e n v i r o n m e n t 。t h e r e f o r e , r e s e a r c h i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np l a n t sa n de n v i r o n m e n t o a nd i s c u s s e st h e a d a p t a t i o no fp l a n t si n d i f f e r e n ts e g i o u s ，w h i c hw i l ls u p p o r t t h e o r e t i c a l l yf o rt h ea f f o r e s t a t i o na n de c o l o g i c a lr e b u i l d i n go ft h ee x p r e s s w a y b e f o r e r e s e a r c h i n gt h er e l a t i o n s h i p ，i ti sn e e dt ok n o w h o wt oi n v e s t i g a t et h es t a t eo ft h ep l a n t c o m m u n i t i e si nt h eo r i g i n a le c o l o g i c a le n v i r o n m e n ta n dt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c so ft h et o ps o i lw h i c hi si n d i s p e n s a b l et ot h ep l a n t ，a n dt h e ng i v et h e “o r i g i n a lc o o r d i n a t e o ft h ep l a n tc o m m u n i t i e sw h e nr e s e a r c h i n gt h ee x p r e s s w a y c o n s t r u c t i n gi m p a c to nt h eo r i g i n a lp l a n tc o m m u n i t i e s t h er e l a t e ds t u d i e sw e r e c o n d u c t e df r o ma u g u s t ，2 0 0 5t oa p r i l ，2 0 0 6t ot h e s ep r o b l e m sa n dt h em a i nr e s u l t s w e r ea sf o l l o w s ： 1 t h ep a r a m e t e r si n c l u d i n g 嘶g i n a lc o n s t i t u t i o no fp l a n tc o m m u n i t i e s ，d o m a i n p l a n t s ，a g e sa n dh e i g h t so fp l a n t s ，d e n s i t y , b i o m a s s ，c o v e r a g ea n ds p e c i e sd i v e r s i t yo f p l a n tc o m m u n i t i e sa r em e n s u r a t e di nf o u rs a m p l i n gs i t e s ( t h r e es a m p l i n gs i t e sa r e t r e a t i n gs i t e sa n do n es a m p l i n gs i t ei sc h e c k i n gs i t e ) ，w h i c hi n d i c a t e st h ec o n d i t i o no f t h eo r i g i n a lp l a n t sc o m m u n i t i e s 2 t h em a i nr e s u l t sa r es h o w e da c c o r d i n gt oi n v e s t i g a t i o nf o rt h ep h y s i c a la n d c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et o ps o i la l o n gt h em i d d l es e c t i o no fs u i z h o u y u e y a n g e x p r e s s w a y ：i nt h ef o r e s te c o l o g i c a la r e a s ( k 7 + 5 0 0 k 4 7 + 0 0 0 ) ，t h et y p eo ft o ps o i l m a i n l yi sy e l l o wu m b e r ，a n dt h et e x t u r ei sa r e n a c e o u s a c c o r d i n gt ot h et e s t e dp h v a l u e s ，t h es o i li sa c i d i co rl i t t l ea c i d i c t h e r ea r el i t t l eo r g a n i s ma n dn i t r o g e nc o n t e n t s i nt h es o i l ，w h i c hi sa l s ob a d l yl o c ko fp h o s p h o r a l t h o u g ht h e r ea r es u f f i c i e n tk a l i n m i ns o f t ，c o n t e n to ft h ea v a i l a b l ek a l i u mi sn o te n o u g ht ot h eg r o w t ho fp l a n t s i n s u m m a r y , t h en u t r i e n tc o n t e n t sa r ed e f i c i e n c ya n dt h es o i li nt h i sa r e ai si n a d e q u a t et o h o l df e r t i l i t y i nt h ea g r i c u l t u r a le c o l o g i c a la r e a s ( k 0 + 0 0 0 k 7 + 5 0 0a n dk 4 7 + 0 0 0 k 1 5 2 + 8 7 7 ，6 ) ，t h et y p eo ft o ps o i lm a i n l yi sp a d d ys o i l ，a n dt h et e x t u r ea r e h e a v yl o a ma n dc i a y w h i c hc o n t a i nal i t t l eg r i t s a c c o r d i n gt ot h et e s t e dp hv a l u e s ，t h e s o i li sa c i d i co rl i t m u s l e s s t h e r ea r eh i g ho r g a n i s ma n dn i t r o g e nc o n t e n t si nt h es o i l w h i c hi sa l s ob a d l yl o c ko fp h o s p h o la l t h o u g ht h e r ea r en o te n o u g hk a l i u mi ns o i l ， c o n t e n to ft h ea v a i l a b l ek a l i u mi ss u f f i c i e n tf o rt h eg r o w t ho fp l a n t s i ns u m m a r y , t h e s o i li nt h i sa r e ai sr i c hi nt h en u t r i e n ta n dc a l lb ee f f i c i e n tt oh o l df e r t i l i t y a n dt h e nt h e t h e s i s p u t s f o r w a r d ss o m e s u g g e s t i o n s a b o u tt h ef e r t i l i z a t i o n s ，m a n a g e m e n t s ， i m p r o v e m e n t so fs o i la c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n te d a p h i cp h y s i c o c h e m i c a lp r o p e r t i e si n t h ef o r e s t e da n da g r i c u l t u r a lc c o t y p i cs e c t i o n s ，s oa st os e l e c tp l a n tt op l a n ts u i t a b l y 3 t h el i n e a re q u a t i o no fo r g a n i s ma n dn i t r o g e nc o n t e n t si nt h es o i la l o n gt h e e x p r e s s w a yi sy = o 0 6 3 x - - 0 0 8 4 3 ( n = 9 ) ，a n dt h er e l a t i v i t yc o e f f i c i e n ti s0 9 3 1 3 ， w h i c hi l l u m i n a t e s t h a tt h eo r g a n i s mc o n t e n to f t h et o ps o i li sh i g h l yl i n e 叫yr e l a t i v et o n i t r o g e nc o n t e n t 4 g i v eas u g g e s t i o na b o u ts c i e n t i f i c a l l ys e l e c t i n gp l a n t sf o ra f f o r e s t a t i o n a c c o r d i n gt o t h ei n v e s t i g a t i o nt oc o n s t i t u t eo ft h eo r i g i n a lp l a n tc o m m u n i t ya n d p h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h et o ps o i la l o n gt h ee x p r e s s w a y k e yw o r d s ：f r e e w a yc c o l n g yp l a n tc o m m u n i t yp h y s i c a l a n dc h e m i c a l c h a r a c t e r i s t i c so fs o i l i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：粗碡燕日期2 军：苎： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生躲雌翮张邋日期丝弛么 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章研究背景及文献综述 高速公路建设是当前人类改造自然界最主要的活动之一，其分布范围之广和 发展速度之快，都是其它建设工程难以比拟的当道路和各种交通工具为人类社 会带来巨大效益的同时，也对自然生态系统产生了显著影响，有研究表明这种影 响至少涉及到了全球陆地面积的1 5 2 0 i “ 目前高速公路建设的生态影响已经得到了广泛重视，相关研究也得以深入开 展，内容以植被破坏、水土流失、景观破碎、边缘和阻隔效应等为主，并采用指 标分析、野外观测和遥感技术等方法对公路建设引起的水土流失、景观破碎等方 面进行了定量探讨，实现了定性与定量分析的结合【2 】；在进行环保绿化施工建设 方面，各工程单位也逐渐综合考虑影响绿化效果的各种因素，例如，在公路绿化 中，重视本土物种在人工搭建的新植物群落中的适应性以及与背景原生植物群落 的协调性，不再一味追求速生的外来草种来进行绿化等，从整体上提高了绿化工 程的质量【3 j 在进行一项高速公路建设项目以前，对原始的生态状况进行调查是 十分必要的，它可以为评价施工期植物所受的影响提供参照，为评价后期生态恢 复工程的好坏提供参考，为工程绿化选种提供依据就目前的研究结果来看，在 进行这些生态环境背景值的调查时，还存在如下问题： 1 ) 在众多关于陆生植物生物量测定方法的文献中，没有对各种方法进行全 面的总结和归纳，在研究工作中要对植物生物量进行测定时，尚无公认的选定参 数的原则； 2 ) 在对于个选定样方的植物群落进行调查时，在运用多个个体指标如密 度、盖度、频度等的基础上，如何形成综合的指标来反映这个植物群落在逆境胁 迫下的稳定状况没有在相关研究中体现； 3 ) 现有研究很少将公路建设的干扰作用与植物种群分布、群落生物量等生 态变化紧密联系起来，虽然一些研究将生物量、物种多样性等作为了公路建设生 态影响评价的定量指标进行了分析和探讨，但影响范围、影响强度等关键问题一 直没有得到很好解决，其影响机理也有待深入探讨； 4 ) 土壤与植物密不可分，它们是相辅相成的两个方面，目前的施工建设项 目生态环境影响评价中都对原生植物状态进行了调查，但几乎没有对与后期绿化 工程质量息息相关的表土进行原始状态的调查分析这方面的研究十分重要，它 可以为工程绿化时选择植物种类和土壤的施肥情况提供重要参考； 武汉理工大学硕士学位论文 本论文的研究内容是2 0 0 5 年湖北省交通厅课题随岳高速公路湖北省中段路 域陆生生态系统中植物影响和恢复的评价研究的一部分，本文综述部分总结了 众多陆生植物生物量的测定方法，目的在于为以后研究工作中需要测定植物生物 量时提供方法上的参考；实验部分以湖北省随( 州) 岳( 阳) 高速公路中段为依 托，在实地调查研究的基础上弄清原有路域陆生植物群落的状态，为评价高速公 路施工期植物受的影响提供参照；通过实地采样实验室分析，弄清高速公路沿线 原生状态表层土壤的理化性质，为后期工程绿化工作提供数据支撑，也为评价研 究高速公路施工期植物受影响的原因提供参考 1 2 高速公路建设对路域生态系统的影响 “生态系统”是英国生态学家t a n s l e y 于1 9 3 5 年提出的，是指任何一个生物群 落与其周围非生物环境所构成的综合体按照现代生态学的观点，生态系统就是 生命系统和环境系统在特定空间的组合因此，路域内的生命系统和环境系统可 以构成路域生态系统研究和生产实践表明【4 l ，除自然不可抗因素带来的生态环 境破坏以外，人与社会行为产生的基础建设，如高速公路建设、矿山开采、水利 工程等引发的生态问题是涉及面最广、持续时间最长的行为 刘文刚等( 1 9 9 8 ) 1 5 】提出公路对环境的破坏主要表现为：交通噪音、大气污 染、土质影响、生态破坏以及景观失调，社会条件及使用者的需求和自然条件决 定了公路建设对环境的影响程度章家恩( 1 9 9 5 ) 1 6 l 的研究也表明高速公路对生 态环境的影响主要是施工期的占用土地、植被破坏和水土流失，运营期的地面动 物迁移受阻和沿线生物受噪声与尾气污染等；其中，施工期的影响主要是不利的、 短期的、一次性的、明显的、局部的或可逆的。在施工过程中，建筑材料中的石 灰、水泥、粉煤灰等含有大量的粉尘，在运输和施工过程中会产生大量的扬尘， 对周围空气造成污染，施工中使用的便道，特别在干旱季节，经施工车辆碾压后， 路面泥土变成粉末状，也会造成扬尘，对周围的空气和植物造成污染，其中产生 的扬尘及其他有害气体对路边植物的影响不可忽视，还有沥青的熬炼对附近的植 被可造成严重伤害甚至死亡施工设备及材料堆放场、弃渣场、工棚、临时加工 场、仓库、便道、施工单位临时驻地等施工用地因压实、分隔、挖损或践踏等， 表土层与植被受到不同程度的破坏，给路域环境内的植物生长和繁殖也会产生影 响，严重时会导致部分物种的消失，影响生态系统的稳定性公路建设对路域生 态系统的影响途径见下图1 1 ( 胥晓刚，2 0 0 4 ) 7 1 ： 2 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 路域生态系统变化 f i g 1 - 1t h ev a r i a t i o n so fe c o s y s t e mw i t ht h ep r o p e r t yl i n eo ft h ef r e e w a yc o n s t r u c t e d 1 3 高速公路施工对植被群落生态的影响 公路建设对地形的影响，随建设场地的不同差异很大，山岭重丘区建设高速 公路对原地形的破坏大于平原微丘区，在较大程度上改变地形地貌( 廖薪辉、张 阳，1 9 9 9 ) 峭】，公路穿越坡地时可能将原坡一分为二，形成两个阴坡面和两个阳 坡面，阴阳坡面的光照、水分条件的差异，造成其生物组成的差异，某些原有的 植物种类可能由于不适应新的微地环境而生长不良或死亡；大量的喜光树种进 入，而某些常绿树种则从林内消失，这些地带性植被的改变和消失，降低了森林 对环境的适应和调节能力；而处于林缘的施工用地如果将灌木砍伐，将直接使森 林退化成为灌丛或裸地由于植物个体发生了变化，就对植物种群的大小、分布、 密度产生了直接的影响由于植物个体随公路建设而受到胁迫，发生死亡或生长 不良的状况直接影响种群的规模，种群规模小于可存活种群规模时，该种群将逐 渐消亡，即使没有超过最小可存活种群规模限制，种群规模也将稳定在一个新的 水平，与建设前的该种群规模曲线相比将出现差值h ( m a c k e n z i e a s ，1 9 9 8 ) h 可正可负，当公路建设削弱了环境因子的限制作用时，种群数量增加，稳定 在更大的规模上，其值为负：当这些建设活动更加严格地限制了周围的环境时， 种群数量减小，其值为正根据玛他种群理论 9 1 ，公路建设引起的生境破碎程度 与h 呈正比，破碎越严重，植物种群的生存面积越小，h 值越大某一区域 内种群的分布为均匀型、随机型和成群型三种形式分布在公路建设前，该区域 环境状况单一，种群成均匀型分布，密度相同或相近，公路建成后由于地形等因 3 武汉理工大学硕士学位论文 素的改变使得种群的分布和密度发生了变化，由均匀型向成群型分布发展( 刘增 文等，1 9 9 7 ) 【“ 植物的群落是由各个相同个体组成的种群的组合，群落中的各种植物种群之 间相互影响、相互制约根据群落内各种群相互作用及生态位的不同，各个群落 都有特定的先锋种、优势种、建群种、亚优势种和伴生种等植物群落是生态系 统的一个结构单元，它本身具有一定的种群组成外，还具有一系列结构特点，包 括水平结构和垂直结构，具有季节动态、年际动态、演替与演化等运动形式公 路建设对路域范围内植物群落中种群的多样性、群落中物种的相互作用力、群落 结构产生直接和间接影响公路建设较大程度改变了原生境的地形地貌，使植物 分布发生变化，通过影响区域生态平衡，影响生态系统负反馈机制等，最终导致 沿线物种多样性变化公路建设不可避免地破坏沿线自然景观，对区域生态系统 产生分割( s e p a r a t i o n ) 和破碎( f r a g m e n t a t i o n ) 作用，对路域生态系统的分割形 成了许多“生态岛屿”，从而限制了某种物种的生长，也促进了适宜该类型生境物 种的大量增加，使得植物种群的多样性减小取石场、弃渣场以及大桥施工设施 的拌和场、预制场、材料堆场和施工营地等临时占地将对森林群落及植被产生直 接的破坏作用，公路建设初期的采伐和土方挖填作用破坏了原生植物群落内的优 势种、建群种，形成了影响群落结构的干扰，造成非生物环境和植物空间的异质 性，对路域环境各种原生植被的破坏使植物水平、垂直结构发生改变，造成群落 水平上形成镶嵌结构，垂直结构趋于简单化，导致群落物种多样性、群落结构、 群落物种关系的改变，群落发生逆向演替，降低群落自身稳定性( 黄建辉，1 9 9 5 ) i l l l 有研究表明( 陈灵芝、陈伟烈，1 9 9 5 ) 1 2 1 ，公路建设造成气候因子的变化范 围相对整个公路建设影响区域很小，程度不大，不会导致公路沿线路域范围的气 候变迁，因此，公路沿线植物群落的变化不会是气候变迁的原因而造成 另外，人为活动也对项目周围地区植被有着严重的影响施工过程，特别是 大桥施工会有大量的人流和车流的进入，如果施工管理不善，对乔木层、灌木层 和草本层都会造成破坏，特别是对灌木层及草本层的破坏，甚至导致其消失，造 成植物群落的层次缺失，使植物群落的垂直结构发生较大改变乔木层由于缺乏 下木及灌木的保护和促进作用，对环境的抵抗能力下降，易感染病害和遭受风折， 使整个森林生态系统对环境的适应能力和调节能力降低，群落的稳定性下降另 外，由于对乔木层、下木层、灌木层和草本层的破坏，并引起群落结构的变化和 群落层次的缺失，将直接影响群落的演替 1 4 陆生植物生物量测定方法综述 随着国际生物学计划( i b p ：i n t e r n a t i o n a lb i o l o g i c a lp r o g r a m m e ，1 9 6 5 1 9 7 4 ) 的开 4 武汉理工大学硕士学位论文 展，继后“人与生物圈”( m a b ) 的实施，各国的研究者( 我国始于7 0 年代末) 把 生物量的研究推上了顶峰，使得研究方法更加多样化，精确度也逐渐提高，研究 领域也已逐渐趋向于解决实际问题，而不再是早期单纯的对植物群落的生产力进 行估计环境生态方面，生物量成为了公路建设生态影响评价的定量指标，出现 了高速公路建设对沿线植物生物量影响的研究；林业方面，展开了林地可利用养 分含量与生物量关系的研究：农业方面，开展了灌溉施肥对生物量的影响研究， 这些都表明生物量已密切地联系到了很多领域，有了更广阔的意义和前景【埘 陆地生态系统植物生物量的研究是关于生态系统功能研究和生态环境研究 联系的纽带，几十年来一直是生态学界研究的热点，因其研究对象、研究方法和 手段多样，也使生物量的测定存在不少难点本文总结和讨论了陆生植物生态系 统的生物量测定方法，希望能够对生物量模型的实际应用和简化生物量的测定工 作提供帮助 1 4 1 陆生植物地上部分生物量的测定 目前，国内外陆生植物生物量测定方法有：收获法、标准木法、相对生长法、 材积源法，基于遥感数据生物量估算法 1 ) 收获法( h a r v e s t r 、rm e t h o d ) 在样地内选取一定面积的小样方，将样方内的所有乔木、灌木、草本收割、 烘干、分别进行称量，而后估计整个样地内的植物生物量这可能是最古老的测 定生物量的方法，不过，这种方法相比起来比较简单，测得的结果从某种程度上 来说也比较精确，所需的工具也很简单但这种方法很费人力，因此使用的人不 是很多，但在国内却用得比较普遍，特别是在对草本植物的生物量进行估算时使 用较多 2 ) 标准木法( a v e r a g e t r e em e t h o d ) 对乔木而言，该法是根据标准地胸高断面积、各径阶株树比例或植株直径各 等级中断面积选择标准木；对于灌木，将全样地中的植株根据植株高( h ) 、地 径( d ) 、高径之和( d + 哪三种指标分别分为三级，然后每级选标准木【“l ，对一定 数量的标准木进行收割、烘干、称量来估算样地内的植物生物量这种方法虽然 目前还在使用，但是受到不少研究者的指责，他们认为，根据某一测树学指标( 例 如根据胸高直径) 确定的标准木，对于另外的测树学指标( 例如林冠) 来说，就 不代表平均情况，不能作为其他测树学指标的标准木，这种方法会对同一个植物 群落测出不同的植物生物量 5 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 相对生长法( a l l o m c t r vm e t h o d ) 也称维量分析法( d i m e n s i o na n a l y s i s ) ，回归式法或相关曲线法，是通过测 定测树因子带入经标准木拟合得到的指数或对数关系方程( 相对生长模型c a r ( c o n s t a n t a l l o m e t r i cr a t i o ) ) 来估算生物量的一种测定方法k i t t r e d g t ( 1 9 4 4 ) 首次 将c a r 模型引入到树木上，并成功估计了叶的重量，随后许多研究者纷纷应用 该模型估计林木其它器官的重量，他们使用的回归模型基本都是在经典的c a r 模型的基础上建立起来的 相对生长法测定植物生物量的方法研究主要集中在如何选择c a r 模型中的 自变量进行植物各器官生物量的估算在建立乔木的回归方程时，普遍采用的自 变量为胸高直径( d b h ) 或胸径的平方与树高的乘积( d b h 2 h ) ，但理论认为， 模型中除胸径( d b h ) 外，加入树高( h ) 变量后，能消除同一树种不同林分问 的差异，实际的研究结果也表明w a ( d b h 2 h ) b 是目前估算乔木生物量最好的 回归式相对生长式在实际的样本拟合过程中，也被赋予了不同的形式( 见表 1 - 1 ) 近年来的研究【纸1 6 1 7 1 8 1 表明利用w a ( d b h 2 日r 估算树干的生物量相关性 极高，但对枝、叶的生物量估算效果并不理想b r o w n ( 1 9 8 4 ) 等许多研究者拟合了 叶、枝条的估算式( 见表1 - 1 ) ，根据拟合的精度来看，当在枝、叶的估算方程因 子中加入反映枝叶特征的冠幅c w 、树冠比率c r 等参数后，同w a ( d b h 2 日1 6 方 程相比，在精度上提高了许多，这与s a t o o ( 1 9 5 5 ) t ”】认为的根据多个林分样木得 到的树冠重量估测方程应包括反映林木竞争程度的因子的观点相一致，这就意味 着要提高模型的精度，就不能用一个单一的方程进行各个器官生物量的估算，而 应该分树干、枝、叶等具体部位分别进行估算方程的拟合，因为树枝和树叶的重 量受树木自身大小、林分密度等因素影响很大，在生物量模型中，仅靠一二个自 变量很难控制模型的估计精度在以往的研究中也有利用叶面积来进行叶生物 量的估计，但是回归拟合的结果并不理想瑚1 灌木层生物量的测定是植被生物量研究中的难点，因为灌木具有特殊的个体 形态和群落结构，使得植物量既不同于乔木，也不同于草本植物，就立体结构来 说，灌木比乔木低，丛生、主干不明显，因此，在实际的测量工作中，采用较多 的还是传统的收获法，但目前也有很多学者采用相对生长法，在c a r 模型的基 础上，建立了相关测量因子与灌木生物量的回归方程，该研究的重点在于寻找与 灌木生物量存在最大相关性的测量因子 6 武汉理工大学硕士学位论文 表1 - 1 乔木各器官生物量回归方程一览 t a b 1 1t h er e g r e s s i o ne q u a t i o n s 限q ) o ft h ep a r t so f a r b o r o u sb i o m a s s 参数意义： a 、b 估计参数； d b h 一胸高直径； h 一树高； d 一枝条基郁( 离分枝点2 5 c m 处) 直径： h 一分枝点高度； c i - 冠幅长 c 0 冠幅宽 c ，树冠比率( 活树冠长度c ，树高h ) 万里强等( 2 0 0 1 ) 2 1 j 研究了1 3 种灌木的生物量与植株冠幅的相关规律发现， 灌木当年生枝叶产量及地上生物量与植株冠幅呈显著( p 0 0 1 ) 的正相关；赵成义 等( 2 0 0 4 ) 2 2 】的研究发现，利用冠幅( c 矸，c ) 作为变量对低矮灌丛生物量进行估 测是简便可行，估算其地上生物量估测值与实测值的相对误差在4 7 9 加1 2 之间；王蕾等( 2 0 0 4 ) 1 2 3 j 采用冠幅直径( d ) 和植株高度( m 两个易测因子用数理统 计方法构建了该灌木地上生物量和枝、叶生物量的估测模型；曾珍英( 2 0 0 5 ) 2 4 1 分析了灌木的测树因子：高度、地径、冠幅、枝下高两两之间存在的相关性方程， 同时也分析模拟了枝条、树叶、根以及总生物量之间存在的相关关系从这些研 究的结果来看，采用冠幅直径和植株高度作为易测因子较地径好，因为体积和生 物量的关系要比面积与生物量的关系更紧密( l y o n ( 1 9 6 8 ) ) 由于收获法、标准木法存在着一定的局限性，标准木法虽然比较简单，但受 到不少研究者的指责，而采用相对生长法来测定则无异议，因此它是目前在生态 7 武汉理工大学硕士学位论文 学研究中测定森林生物产量时应用最多的种方法 4 ) 材积源生物量法( v o l u m e - d e r i v e dm e t h o d ) 材积源法是近十几年来才发展起来的测定区域陆生植物生物量的一种方法， 测定时只需要测出样方内植物的材积，就能根据生物量( w ) 和材( 蓄) 积( v ) 的关系模型估算样地内植物的地上部分生物量最早由b r o w n l u g o 孤2 6 j 用来 根据1 9 8 4 年联合国粮农组织提供的主要森林类型材积量资料估算全球森林地上 生物量由于我国从2 0 世纪7 0 年代开始就进行了大规模森林资源清查工作，形 成了完善的森林资源一、二、三类体系，获取了丰富的森林材积资料，如何根据 这些已有的资料推算出林木( 包括树干、枝、叶和根) 生物量，成为了近几年来 的研究热点 树木的材积只反映了树干情况，而在树木的生物量的组成当中。树干( 材积) 只是其中的一部分，并且所占的比率因树种和立地条件不同而有很大的差异因 此，为了推算某一树种的生物量，还必须知道根、茎、枝、叶等部分的生物量研 究表明，树干的生物量与其它器官的生物量存在很强的相关关系，因此用树干材 积推算森林总生物量是可行的 ( 1 ) 一般估算模型 生物量( w ) 和材( 蓄) 积( v ) 关系的一般模型为： w 一口v ： w = v t b e f ： w aj b v 式中：口、b 待测因子： y 木材密度( 干绝干重干体积) ； b e f 扩展因子，取作常数 z h o u 等( 2 0 0 2 ) 【2 7 】在总结前人对生物量和材积量研究的基础之上，利用收 集到的全国3 4 组落叶松林实地测量资料，其中包括总生物量和材积量，建立了 生物量( w ) 和材积量( v ) 的双曲线关系模型： 矽。y ( o 9 3 9 9 + 0 0 0 2 6 v 、 ( r 一0 9 4 0 3 ，n 一3 4 ) 目前，该模型仅对小兴安岭落叶松进行了拟合，是否适用于其它的森林类型， 还有待进一步研究 王仲锋和冯仲科( 2 0 0 6 ) l 冽用相对生长公式导出了由单木材积推算单木生物 量的一种新模型，即w - c v 。模型，简称为c v d 模型，通过样木实例分析表明 c v d 转换模型优于w a v 型和w a + b v 型，但在枝、叶的生物量估计上精度 8 武汉理工大学硕士学位论文 较差树冠部分的生物量受树冠的形状、大小和饱满程度以及树木长势的影响很 大，而这些因素是随气候、生境的不同而变化的：另外，在生物量调查中，树冠 部分的数据采集采用的是抽样方法由于抽样误差的存在，使数据的变动范围增 大，也会影响模型的拟合和估计效果，因此，该模型的使用具有明显的地域性而 缺乏一定的普适性，该模型与以往模型相比其优劣性也还有待使用更多不同区域 的样本数据进行研究证实 ( 2 ) 联合估计模型 由于在生物量估计领域总量与分量不兼容的问题一直没有得到很好的解决， 换句话说，就是木材、枝、叶等各部分干重之和不等于总量，枝和叶的干重之和 不等于树冠干重，甚至有的估计结果相差很远为解决这个问题，目前精度最好， 使用最广泛的就是非线性联合估计法【执弧3 1 3 2 1 经过精度比较，目前效果最好 的建模方式是将枝重、叶重和总重的函数表达式记为 w f ( d b h 、h 、c 0 、c l 少，而树干、木材、树皮仅考虑胸高和树高因子，模 型的一般结构式为：w f ( o b h 、h y ，将f ( d b h 、h 、c 、q 少和 f ( d b h 、h 少表示为各自变量或组合变量幂函数相乘的形式首先依次对这各 种组合形式的模型w f ( d b h 、h 、c 0 、c l 少或w f ( d b h 、h 少进行加权 回归估计，将其中参数估计值小、变动系数大( 5 0 以上) 的变量从模型中剔除， 再进行加权估计，观察评价指标的变化，经过多次筛选，使之达到参数变动系数 较小，各项评价指标较优，此模型就被列为备选模型，再以各个被选模型为基础， 进行总量与各分量之问的非线性联合估计 5 ) 基于遥感数据生物量估算法( r e m o t es e n s i n g d e r i v e dm e t h o d ) 由于收割法等传统的测定方法在需要精确推测大面积林分生物量和生产力 时，待测的林分林木每木检尺数据往往难以获得，目前许多研究基于遥感图像光 谱信息良好的综合性和现势性，且与森林生物量之间存在相关性的特点，建立了 基于遥感数据的植物生物量估算模型1 3 3 、孙3 5 眠3 7 目前主要的航天被动遥感数 据源如n o a a a v h r r 、l a n d s a t m s s 、l a n d s a t t m 、s p o t 、c b e r s c c d 等具 有时间分辨率高、成像面积大等优点，被广泛用于植被生物量动态监测、趋势分 析等领域；t m 图像虽然时间分辨率差，但具有相对较高的空间分辨率，也被应 用于局部地区中小尺度生物量的精确估测 用于区域植物生物量估测的遥感模型基础，是从光合作用即植被生产力形成 的生理过程出发，在建立模型的过程中，根据植物对太阳辐射的吸收、反射、透 射及其辐射在植被冠层内及大气中的传输，结合植被生产力的生态影响因子，最 后在卫星接收到的信息之间建立完整的数学模型及其解析式，模型一般是描述性 9 武汉理工大学硕士学位论文 的，不涉及机理问题，主要是对观测数据进行经验性的统计描述或者是通过相关 分析如将植被指数n d v i 等与生物量产量进行回归分析，从而得到建立适当的估 算经验式，这些回归式有线性、幂函数和对数形式，而且系数也各不相同，这类 模型通常被称作经验模型在这类模型中，虽然遥感技术、g p s 等先进技术的引 进，增加了与生物量相关的环境因子，使得生物量的估计结果更接近真实值，但 也存在不少问题，例如：虽然我们可用卫星资料来判别植被的疏密度、木材产量 以及森林类型，但这种分类方法大都是根据统计学方法得到的，而不是基于生物 物理学的原则进行的，因此，分析和模拟的结果只适用于特定的研究区域，而不 具备普适性 虽然近几年国外学者研究出了基于植被二向反射特性的物理模型如考虑辐 射传输的3 d 模型、几何光学的间隙率模型等，综合了以往模型的优点，通常使 用很少的但多少具有一定的物理学意义的参数建立起来的半经验模型如r o s s 表 层核、r o u j c a n 模型、v e r s t r a e t e 模型、w a n n e r 核驱动模型等，借助遥感信息和 植被信息、气象因子建立起来的，包含了更多的信息量，可以更加精确地反映植 被的生物物理参数的综合模型如p r i n c e 等【3 8 1 提出的基于光能利用率的全遥感 g l o - p e m 模型等，而且这些模型也具有一定的应用前景，但是目前仍然还处于 研究阶段，在实际的测定工作中应用较少近十年来，国内也开始利用遥感技术 进行陆生植物生物量的测定【3 9 蚰4 1 1 ，但起步尚晚，有待进一步的提高 遥感资料获取的信息来自地面辐射，当林分郁闭度大于o 8 时，下木下草的 有效辐射将大部被林冠散射和反射，造成估测的偏差，所以推测此时遥感信息与 生物量之间的相关关系会减弱，因此，采用遥感数据估测草地生态系统的植物生 物量较传统的测定方法有很大的优点，精度上也有较大的提高，但在估测森林生 态系统的植物生物量时，精确度就会相应降低，如何根据遥感资料精确估算复杂 的森林生态系统的植物生物量是一个急需解决的问题：另外，遥感的地面分辨率 可从l m 到l k m ，使用哪一种遥感资料应视研究区域的大小和研究目的而定，在 大区域内用高分辨率的遥感资料不一定能得出好结果，反而在计算上浪费了许多 时间，相反，在小区域用低分辨率的遥感数据又往往达不到研究要求的精度，损 失掉很多的信息 陆生植物地上生物量的估测方法多种多样，采用多时相、多波段和多极化的 雷达遥感，加以典型的样方调查、g p s 定位和非破坏性采样技术，将是陆生植物 生物量研究的趋势所在但是由于遥感技术的普及度较小，所以目前使用最广的 还是基于手工测量的收获法、标准木法、相对生长法、材积源法，手工测量中许 多方面存在的误差也使得目前无公认的标准来对这些方法之间的优劣性进行评 判，除了关于这方面的研究有待进一步的提高而外，测量者应根据拥有的仪器水 平、技术条件、待测定的样地大小等情况选择适合的生物量测定方法，在缺乏遥 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 感数据的地区，尽可能地通过采用一些数字化、自动化、精准化的现代测树仪器 及工具例如微型二极管激光雷达等来测定测树因子，避免手工测量造成的人为误 差 1 4 2 陆生植物地下部分生物量的测定 地下部分根系的调查和测定，一般比较困难，需要花费大量的劳动和时间， 特别是大径级的树木，往往非常困难，不得不被省略植物根系的生物量测定主 要有：收获法、钻土芯法、内生长土芯法、平衡法、根观测实验室法、土壤碳平 衡法、挖土块法、间接法和微根区管法等，从最近几年对根系的研究来看，研究 方法本身并没有什么创新，但由于新的技术的应用，一些方法得到了不同程度的 改进，例如将一些手工的操作用机器来代替，用机器钻取土芯，用机器来冲洗根， 节省了不少人力，但这种帮助事实上却非常有限另外计算机可以接上传感器， 如摄像机、扫描仪、各种探头等，构成一个数据影像分析系统，可以长时间地跟 踪观察根的生长，也可以监测根的呼吸1 4 2 1 ，但此法也不能直接测定根的生物量， 只能通过根的长度来估计因此，在根的研究方法上需要进一步的探索 目前还没有出现将遥感数据应用于地下生物量估算的研究，有一些根量在整 株树的生物量中占较大比例( 如春榆3 0 4 0 ) ，这个现象能否在植物叶绿素含 量、有效吸收光合辐射等机理性指标上体现，并与遥感信息存在相关性，目前尚 无具体研究，所以基于遥感数据的植物地下生物量估测也是生物量遥感估测亟待 解决的问题 1 4 3 研究展望 迄今为止，国内外陆生植物生物量的测定方法在实际应用上尚局限于经典的 手工方法，工作量大、过程复杂、周期长、代表性差、难以大面积开展、具有一 定的破坏性，测定技术没有形成体系，从整体上不重视现代高新技术的应用在 各树种的生物量研究方面，同一种的生物量研究更加深入，出现了同一树种不同 地理种源生物量差异的研究，同一树种不同发育阶段生物量差异的研究，同一树 种不同自然地带生物量变异的研究等 未来的生物量测定方法的研究重点包括以下几个方面： 1 ) 与林木材积量调查一样，在全国范围内建立各种树种( 包括乔木、灌木、 草本) 、各个区域的生物量最佳估计模型库，并形成统一的相关测树因子的测定 标准和规范，以增加全国各地生物量测定结果的可比性； 2 ) 在以后的生物量测定中尽量将测树因子直接带入从模型库中选出的模型 进行计算，而不再需要先砍伐标准木进行模型参数的校正( 或者是提出非破坏性 武汉理工大学硕士学位论文 的校正方法) ，避免对需要进行长期观测的样方内的植物进行破坏，使生物量模 型有着更广泛的应用范围和使用价值： 3 ) 不同地区的同一树种，由于立地条件和气候条件等因素的影响，树木个 体问生物量差异很大，可通过研究同一树种不同地区的变化规律，建立不同地区 同一树种的简便转换模型，使得模型的研究成果可以直接运用于实际的测定过程 中对于植物生物量的测定方法，只有解决了不同植物群落的同种树种的