兴安落叶松人工林：群落结构、生物量与碳储量的深度剖析

兴安落叶松人工林：群落结构、生物量与碳储量的深度剖析一、引言1.1研究背景与意义1.1.1研究背景在全球气候变化的大背景下，森林生态系统的重要性日益凸显。森林作为陆地生态系统的主体，不仅能够调节气候、保持水土、涵养水源、维护生物多样性，还在全球碳循环中扮演着关键角色，是重要的碳汇。据相关研究表明，森林植被所储存的碳约占陆地生态系统碳储量的45%，每年通过光合作用固定的碳达到123亿吨，这一数值在全球碳循环中占据着举足轻重的地位。因此，深入研究森林生态系统的结构与功能，尤其是生物量与碳储量的分布特征，对于理解全球气候变化机制、评估森林生态系统服务功能以及制定科学合理的林业政策具有重要意义。兴安落叶松（Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen.）是我国北方的主要用材树种，其林分面积和蓄积分别占我国寒温带有林地面积和蓄积量的55%和75%。兴安落叶松人工林在我国林业发展中占据着重要地位，广泛分布于大兴安岭、小兴安岭以及内蒙古东北部等地区。这些区域的气候条件较为特殊，冬季漫长寒冷，夏季短促凉爽，兴安落叶松对这种寒冷环境具有较强的适应性，能够在该地区良好生长，形成大面积的人工林。然而，长期以来，由于对木材的大量需求，兴安落叶松天然资源遭到一定程度的破坏。为了满足经济发展对木材的需求以及改善生态环境，人工兴安落叶松林的面积不断增加。随着人工林面积的扩大，其在区域环境中的作用愈发明显。人工林不仅为社会提供了大量的木材资源，缓解了木材供需矛盾，还在保持水土、防风固沙、调节区域气候等方面发挥了重要作用。例如，在大兴安岭地区，大面积的兴安落叶松人工林有效地阻挡了西伯利亚冷空气的南下，减少了风沙对内陆地区的侵袭，对维护区域生态平衡起到了关键作用。森林生物量与森林固碳能力密切相关，生物量与碳储量的多少直接影响到森林生态系统的功能。不同森林类型的生物量和碳储量存在差异，受到树种组成、林龄、立地条件等多种因素的影响。对于兴安落叶松人工林而言，深入了解其群落结构、生物量与碳储量的分布特征，对于科学经营和管理人工林，提高森林碳汇能力，实现森林资源的可持续发展至关重要。目前，虽然已有一些关于兴安落叶松人工林的研究，但在群落结构的精细化分析、生物量与碳储量的精确估算以及影响因素的综合研究等方面仍存在不足。因此，开展兴安落叶松人工林群落结构、生物量与碳储量的研究具有迫切的现实需求。1.1.2研究意义从生态层面来看，本研究具有多方面重要意义。通过对兴安落叶松人工林群落结构的研究，能够清晰地了解该人工林内树种组成、胸径分布、树高分布以及空间分布等特征，这有助于深入认识森林生态系统的内部结构和组成规律，为保护和维护森林生态系统的生物多样性提供科学依据。例如，明确兴安落叶松与其他伴生树种的相互关系以及它们在群落中的生态位，有助于采取合理的经营措施，促进不同树种的协同生长，维护森林生态系统的稳定。研究生物量与碳储量，能够准确评估兴安落叶松人工林在区域碳循环中的作用和贡献。了解该人工林的碳固定能力和碳储存水平，对于制定区域碳减排政策、应对全球气候变化具有重要参考价值。准确掌握兴安落叶松人工林的碳储量及其变化规律，有助于评估森林生态系统对气候变化的响应和适应能力，为预测未来气候变化对森林生态系统的影响提供数据支持。在经济层面，研究成果对森林资源的可持续经营和利用具有重要指导意义。精确估算兴安落叶松人工林的生物量和碳储量，能够为森林资源的评估和监测提供科学方法，有助于合理规划森林采伐和更新，实现森林资源的可持续利用。例如，通过对生物量的研究，可以确定合理的采伐量，避免过度采伐导致森林资源的枯竭，同时保证木材的持续供应，满足社会经济发展对木材的需求。准确评估森林碳储量，有助于开展碳交易等相关经济活动，为林业产业带来新的经济增长点。在当前全球积极推动碳减排和碳交易市场逐步完善的背景下，森林碳汇作为一种重要的生态资源，具有巨大的经济价值潜力。通过量化兴安落叶松人工林的碳储量，为参与碳交易提供数据基础，实现森林生态价值的经济转化，促进林业经济的可持续发展。从科学研究层面而言，本研究可以补充和完善森林生态学领域的相关理论。对兴安落叶松人工林群落结构、生物量与碳储量的深入研究，有助于揭示寒温带人工林生态系统的结构和功能特征，丰富和发展森林生态学的理论体系。例如，研究不同立地条件下兴安落叶松人工林的群落结构和生物量分布规律，能够为进一步理解森林生态系统的适应性和稳定性机制提供新的视角。研究过程中所采用的方法和技术，如样地调查、生物量模型构建、碳储量估算方法等，也可以为其他地区森林生态系统的研究提供借鉴和参考，推动森林生态学研究方法的不断完善和创新，促进该领域研究的深入发展。1.2国内外研究现状1.2.1兴安落叶松人工林群落结构研究进展在树种组成方面，兴安落叶松人工林通常以兴安落叶松为绝对优势种，但在不同的立地条件和经营管理措施下，会有一定比例的伴生树种出现。国内学者通过大量样地调查发现，在一些水热条件较好的区域，红松、云杉等针叶树种以及白桦、杨树等阔叶树种常与兴安落叶松伴生。例如，在小兴安岭部分地区的兴安落叶松人工林，白桦作为伴生树种，其在群落中的数量比例可达10%-20%，这种树种组成的差异对群落的稳定性和生态功能产生重要影响。国外对于兴安落叶松人工林树种组成的研究相对较少，但在类似寒温带针叶林人工林的研究中发现，树种组成的多样性会影响森林对病虫害的抵抗力。当人工林树种组成单一，如纯兴安落叶松人工林，一旦发生病虫害，如落叶松毛虫灾害，可能会导致大面积林木受损；而具有一定伴生树种的人工林，由于生态位的分化和物种间的相互作用，能够在一定程度上降低病虫害的传播和危害程度。胸径分布特征是反映森林群落结构的重要指标之一。研究表明，兴安落叶松人工林的胸径分布呈现出一定的规律性。在幼龄林阶段，胸径分布相对集中，随着林龄的增长，胸径分布逐渐分散，呈现出正态分布或近似正态分布的特征。国内研究人员对不同林龄兴安落叶松人工林的胸径数据进行统计分析，发现10-20年生的兴安落叶松人工林，胸径主要集中在5-15cm之间；而30-50年生的林分，胸径分布范围扩大到10-30cm，且在15-20cm区间内树木数量最多。国外相关研究采用先进的激光雷达技术对森林胸径进行非接触式测量，进一步精确了胸径分布的测定，为分析森林结构提供了更全面的数据支持，这种技术有望应用于兴安落叶松人工林胸径分布的研究，提高研究的精度和效率。树高分布方面，兴安落叶松人工林的树高分布呈现出正偏态分布特征。在大多数兴安落叶松人工林中，树高介于10-20m的树木占比最大。国内研究通过样地实测和数据分析，发现树高分布受到立地条件、林龄和经营措施的显著影响。在立地条件较好的河谷地带，兴安落叶松树高生长较快，树高分布范围更广，15-25m的树木占比较高；而在山地瘠薄土壤上，树高生长受限，树高主要集中在10-15m。国外研究则关注树高与林分郁闭度、光照条件之间的关系，发现树高分布会影响林分内部的光照分配，进而影响林下植被的生长和物种组成。例如，高大树木较多的区域，林下光照较弱，适合耐阴植物生长；而树高相对较低的区域，林下光照较好，一些喜光草本植物能够生长。空间分布特征上，兴安落叶松人工林呈现出局部集群分布特征。在一定的范围内，部分区域的树木聚集在一起形成散布分布。国内研究利用地理信息系统（GIS）和地统计学方法对兴安落叶松人工林空间分布进行分析，发现这种集群分布与地形、土壤条件以及造林时的种植方式有关。在坡度变化较大的山地，由于地形起伏，树木种植时会受到地形限制，导致局部区域树木密度较高，形成集群分布；而在地势平坦的区域，空间分布相对较为均匀。国外研究还关注树木空间分布对森林生态系统功能的影响，如树木的空间分布会影响森林对降水的截留、养分循环等生态过程。在集群分布区域，由于树木密度较大，对降水的截留作用更强，能够减少地表径流，增加土壤水分涵养，但同时也可能导致树木之间对养分和水分的竞争加剧。1.2.2兴安落叶松人工林生物量研究进展兴安落叶松人工林生物量的研究主要集中在地上生物量、地下生物量以及各部分生物量模型的构建。地上生物量是森林生物量的重要组成部分，研究表明，兴安落叶松人工林地上部分生物量以树木的干重和树冠的总叶面积来计算，其范围在7.31-168.95t/hm²之间，其中以16.24t/hm²居多。国内学者通过对不同林龄、不同立地条件的兴安落叶松人工林进行样地实测，分析了林龄、胸径、树高与地上生物量之间的关系，发现林龄与地上生物量呈显著正相关，随着林龄的增加，地上生物量逐渐积累。在幼龄林阶段，地上生物量增长相对缓慢；进入中龄林和成熟林阶段，生物量增长速度加快。胸径和树高也是影响地上生物量的重要因素，一般来说，胸径和树高越大，地上生物量越高。国外研究则采用先进的遥感技术，如高光谱遥感，对大面积兴安落叶松人工林地上生物量进行估算，通过分析不同波段的光谱反射率与地上生物量之间的关系，建立了基于遥感数据的地上生物量估算模型，这种方法能够快速获取大面积森林的生物量信息，但在精度上还需要进一步提高。地下生物量主要包括根系生物量、枯木碎屑和土壤微生物生物量等，兴安落叶松人工林地下部分生物量为14.60-269.20t/hm²，其中以64.88t/hm²居多。国内对地下生物量的研究相对较少，主要通过挖掘根系样方的方法进行测定，研究发现根系生物量在土壤中的垂直分布呈现出一定规律，表层土壤（0-20cm）中根系生物量占比较大，随着土壤深度的增加，根系生物量逐渐减少。根系生物量还与土壤质地、水分和养分状况密切相关，在土壤肥沃、水分充足的区域，根系生长更为发达，地下生物量较高。国外研究则关注根系生物量与土壤生态过程的相互作用，如根系分泌物对土壤微生物群落结构和功能的影响，以及根系在土壤碳固定和养分循环中的作用。研究发现，根系分泌物能够为土壤微生物提供碳源和能源，促进土壤微生物的生长和繁殖，进而影响土壤的理化性质和生态功能。在生物量模型构建方面，国内外学者做了大量工作。通过实测数据及模型分析分别对树皮、树干、树枝、树叶等组分生物量与胸径、树高的关系进行拟合，建立了各组分生物量模型且均有很好的线性关系。国内学者建立的一些生物量模型具有较高的准确性和实用性，例如，通过对大量兴安落叶松解析木的测量和分析，得到估算林分生物量模型：干材B=0.397V+4.2046；树皮B=0.0424V+2.6266；树枝B=0.083V+4.9661；树叶B=0.0214V+1.627；地上生物量B=0.5399V+14.013（其中V为林分活立木蓄积）。这些模型为准确估算兴安落叶松人工林生物量提供了重要工具。国外研究则不断改进生物量模型的算法和参数，提高模型的通用性和预测能力，如采用机器学习算法，结合多源数据（包括遥感数据、地形数据、土壤数据等），构建更复杂、更准确的生物量模型，以适应不同地区、不同条件下兴安落叶松人工林生物量的估算需求。1.2.3兴安落叶松人工林碳储量研究进展兴安落叶松人工林碳储量的研究对于评估森林在全球碳循环中的作用至关重要。在估算方法上，国内外常用的方法包括生物量转换法、蓄积量转换法以及基于模型的估算方法。生物量转换法是通过测定森林生物量，再乘以碳转换系数来估算碳储量，这种方法的关键在于准确测定生物量和选择合适的碳转换系数。国内研究通常采用0.45-0.5之间的碳转换系数，不同研究根据实际情况略有差异。蓄积量转换法是利用林分蓄积量与碳储量之间的关系进行估算，该方法相对简便，但精度受蓄积量测定误差和蓄积量与碳储量关系模型准确性的影响。基于模型的估算方法则综合考虑森林生长过程、环境因素等，通过构建碳循环模型来模拟碳储量的动态变化，如一些过程模型能够模拟不同气候条件下兴安落叶松人工林碳的固定、分配和释放过程。国外在估算方法上不断创新，结合先进的卫星遥感和地理信息系统技术，实现对大面积兴安落叶松人工林碳储量的快速、准确估算。通过卫星遥感获取森林的植被指数、叶面积指数等信息，结合地面实测数据，建立碳储量估算模型，能够实时监测森林碳储量的变化。关于兴安落叶松人工林碳储量的大小和分布特征，研究表明，其平均碳储量为143.17t/hm²，其中地上部分占比为58.76%，地下部分占比为41.24%，树干所占的碳储量最大，其次为树冠和根系。在不同年龄和不同立地条件的兴安落叶松人工林中，碳储量存在较大差异。国内研究发现，随着林龄的增长，兴安落叶松人工林碳储量逐渐增加，在幼龄林阶段，碳储量增长缓慢；中龄林和成熟林阶段，由于树木生长迅速，生物量积累增加，碳储量增长加快。在立地条件方面，湿地条件下的兴安落叶松人工林碳储量要明显高于干旱和半湿润条件下的碳储量，这是因为湿地土壤含水量高，微生物活动相对较弱，土壤有机碳分解缓慢，有利于碳的积累。国外研究还关注碳储量在不同海拔、坡向等地形因子下的分布特征，发现海拔升高，温度降低，兴安落叶松生长速度减缓，碳储量相应减少；阳坡由于光照充足，温度较高，树木生长较快，但水分蒸发量大，土壤水分条件相对较差，碳储量与阴坡相比存在一定差异。影响兴安落叶松人工林碳储量的因素众多，主要包括林龄、立地条件、经营管理措施等。林龄是影响碳储量的重要因素，如前所述，随着林龄的增加，树木生物量不断积累，碳储量也随之增加。立地条件中的土壤肥力、水分状况、地形等对碳储量有显著影响。土壤肥沃、水分充足的立地条件有利于兴安落叶松生长，能够提高碳固定能力，增加碳储量。经营管理措施如抚育间伐、施肥、病虫害防治等也会影响碳储量。合理的抚育间伐能够调整林分结构，改善树木生长空间和光照条件，促进林木生长，增加碳储量；而过度间伐则可能导致林分碳储量下降。施肥能够补充土壤养分，促进树木生长，提高碳储量，但不合理施肥可能会对土壤环境造成负面影响，进而影响碳储量。病虫害防治能够减少病虫害对树木的损害，保证树木正常生长，维持碳储量稳定。国内外研究都在不断深入探讨这些影响因素之间的相互作用机制，为科学经营兴安落叶松人工林，提高碳储量提供理论依据。1.3研究目标与内容1.3.1研究目标本研究旨在以兴安落叶松人工林为对象，运用科学的研究方法和技术手段，精确解析其群落结构特征，全面测定生物量并构建准确的生物量模型，精准估算碳储量，深入探寻影响生物量与碳储量的关键因素及其变化规律，为兴安落叶松人工林的科学经营管理、森林碳汇功能提升以及区域生态环境保护提供坚实的理论基础和科学依据。具体而言，通过详细的样地调查和数据分析，准确揭示兴安落叶松人工林的树种组成、胸径分布、树高分布以及空间分布等群落结构特征，为理解森林生态系统的内部结构和功能提供直观认识。运用先进的生物量测定技术，获取不同林龄、不同立地条件下兴安落叶松人工林的地上和地下生物量数据，构建具有高准确性和通用性的生物量模型，实现对生物量的快速、准确估算。综合运用生物量转换法、蓄积量转换法等多种方法，结合实地测量和模型模拟，精确估算兴安落叶松人工林的碳储量，明确其在区域碳循环中的地位和作用。通过多因素分析，深入探讨林龄、立地条件、经营管理措施等因素对生物量和碳储量的影响机制，为制定合理的森林经营策略提供科学指导。1.3.2研究内容本研究主要涵盖以下几个方面的内容：兴安落叶松人工林群落结构调查与分析：在研究区域内，依据地形、海拔、坡向、坡位以及林龄等因素，科学合理地设置样地。对样地内的兴安落叶松及伴生树种进行每木检尺，详细记录树种名称、胸径、树高、冠幅等基本信息。运用空间分析方法，分析树木在样地内的空间分布格局，揭示兴安落叶松与伴生树种之间的空间关联性。例如，利用点格局分析方法，研究树木分布的聚集、随机或均匀程度，以及不同树种在空间上的相互关系，从而深入了解群落的空间结构特征。同时，对林下植被进行调查，包括草本植物和灌木的种类、盖度、高度等，分析林下植被与乔木层的相互作用，探讨林下植被在维持群落稳定性和生物多样性方面的作用。兴安落叶松人工林生物量测定与模型构建：在样地内选择具有代表性的兴安落叶松解析木，分别测定其树干、树枝、树叶和根系的生物量。对于地上部分，采用分层切割法，将树干按一定长度分段，分别测定各段的鲜重，再通过烘干法测定其干重；对于树枝和树叶，分别收集并测定其鲜重和干重。对于地下部分，采用挖掘法，小心挖掘根系，清洗后测定其鲜重和干重。基于测定的生物量数据，结合胸径、树高、冠幅等树木因子，运用统计分析方法，构建兴安落叶松单木生物量模型。通过对模型的检验和优化，提高模型的准确性和通用性。例如，采用线性回归、非线性回归等方法，建立生物量与树木因子之间的数学关系，并通过交叉验证等方法检验模型的精度，确保模型能够准确估算不同条件下兴安落叶松的生物量。兴安落叶松人工林碳储量估算：根据测定的生物量数据，结合碳转换系数，估算兴安落叶松人工林的地上和地下碳储量。对于地上碳储量，将各部分生物量乘以相应的碳转换系数后相加得到；对于地下碳储量，主要考虑根系碳储量和土壤有机碳储量，通过对土壤样品的分析测定土壤有机碳含量，结合根系生物量估算地下碳储量。综合地上和地下碳储量，计算兴安落叶松人工林的总碳储量，并分析碳储量在不同林龄、不同立地条件下的分布特征。例如，研究不同林龄阶段兴安落叶松人工林碳储量的增长规律，以及不同地形、土壤条件下碳储量的差异，为评估森林碳汇功能提供数据支持。兴安落叶松人工林生物量与碳储量影响因素探究：从林龄、立地条件、经营管理措施等多个方面，分析影响兴安落叶松人工林生物量与碳储量的因素。通过对不同林龄样地的调查和分析，研究林龄对生物量和碳储量的影响规律，明确生物量和碳储量在不同生长阶段的变化趋势。分析立地条件中的土壤肥力、水分状况、地形等因素对生物量和碳储量的影响机制，例如，研究土壤养分含量与生物量积累的关系，以及地形因素如何通过影响水分和光照条件间接影响碳储量。探讨经营管理措施如抚育间伐、施肥、病虫害防治等对生物量和碳储量的影响，通过对比不同经营管理措施下的样地数据，分析合理的经营管理措施对提高生物量和碳储量的作用，为制定科学的森林经营方案提供依据。1.4研究方法与技术路线1.4.1研究方法样地设置：在兴安落叶松人工林分布区域，综合考虑地形、海拔、坡向、坡位、林龄以及土壤类型等因素，采用典型抽样法设置样地。样地面积根据林分特征和研究精度要求确定，一般设置为20m×20m的标准样地，对于林分结构复杂或特殊立地条件的区域，适当增加样地面积或设置多个小样方。每个样地之间保持一定的距离，以确保样地的独立性和代表性。在样地设置过程中，使用GPS定位仪准确记录样地的地理位置，绘制样地位置图，并对样地周边环境进行详细描述，包括地形地貌、植被覆盖、土地利用现状等信息。数据测定方法：在每个样地内，对胸径≥1cm的所有乔木进行每木检尺，使用胸径尺测量胸径，精确到0.1cm；采用测高仪测量树高，精确到0.1m；使用皮尺测量冠幅，取东西和南北两个方向的平均值，精确到0.1m。记录每个乔木的树种名称、胸径、树高、冠幅、枝下高以及生长状况等信息。对于林下植被，设置5个1m×1m的小样方，均匀分布在样地内。在每个小样方中，调查草本植物和灌木的种类、株数、盖度、高度等信息。对于草本植物，使用样方框法统计株数，用针刺法测定盖度，用直尺测量高度；对于灌木，测量基径、高度和冠幅，并记录其种类和数量。在样地内随机选择3-5个点，采集土壤样品。使用土钻采集0-60cm深度的土壤，按0-20cm、20-40cm、40-60cm分层取样，每个层次取3个重复样。将采集的土壤样品装入密封袋，带回实验室，测定土壤的理化性质，包括土壤容重、pH值、有机碳含量、全氮含量、全磷含量等。土壤容重采用环刀法测定，pH值使用玻璃电极法测定，有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法测定，全氮含量采用凯氏定氮法测定，全磷含量采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定。生物量模型构建：在样地内选择具有代表性的兴安落叶松解析木，解析木的选择考虑胸径、树高、林龄等因素，以涵盖不同生长状况的树木。对解析木进行伐倒处理，将树干按一定长度（一般为2m）分段，分别测定各段的鲜重，然后截取部分样品带回实验室，使用烘干法测定其干重，计算树干的干物质含量。对于树枝和树叶，分别收集并测定其鲜重，同样通过烘干法测定干重。采用挖掘法获取根系生物量，以树干为中心，按照一定的半径范围（如1m、2m等）逐步挖掘根系，小心清洗根系上的土壤，测定根系的鲜重和干重。基于测定的生物量数据，结合胸径、树高、冠幅等树木因子，运用统计分析软件（如SPSS、R等），采用线性回归、非线性回归等方法，构建兴安落叶松单木生物量模型。常用的模型形式包括幂函数模型（B=aD^bH^c，其中B为生物量，D为胸径，H为树高，a、b、c为模型参数）、指数函数模型（B=ae^{bD+cH}）等。通过对模型的检验和优化，如计算模型的决定系数（R^2）、均方根误差（RMSE）等指标，筛选出准确性高、通用性好的生物量模型。碳储量估算：根据测定的生物量数据，结合碳转换系数估算兴安落叶松人工林的碳储量。对于地上部分碳储量，将树干、树枝、树叶的生物量分别乘以相应的碳转换系数（一般采用0.45-0.5之间的值，本研究采用0.47），然后相加得到地上碳储量。地下部分碳储量主要包括根系碳储量和土壤有机碳储量。根系碳储量通过根系生物量乘以碳转换系数得到。土壤有机碳储量根据土壤有机碳含量、土壤容重和土壤体积计算得出，计算公式为：土壤有机碳储量=土壤有机碳含量×土壤容重×土壤体积。将地上碳储量和地下碳储量相加，得到兴安落叶松人工林的总碳储量。分析碳储量在不同林龄、不同立地条件下的分布特征，采用方差分析、相关性分析等方法，探讨影响碳储量的因素。1.4.2技术路线本研究的技术路线如图1-1所示：样地选择：依据研究区域的特点，综合考虑地形、海拔、坡向、坡位、林龄和土壤类型等要素，运用典型抽样法确定样地位置，并利用GPS定位仪精准记录样地的地理位置，绘制样地位置图。数据采集：在每个样地内，开展乔木、林下植被和土壤的数据采集工作。对乔木进行每木检尺，记录树种名称、胸径、树高、冠幅等信息；对林下植被设置小样方，调查其种类、株数、盖度、高度等；采集土壤样品，测定土壤的理化性质。生物量测定：选取具有代表性的兴安落叶松解析木，测定树干、树枝、树叶和根系的生物量，通过烘干法获取干物质含量。生物量模型构建：基于生物量测定数据和树木因子，运用统计分析软件，采用合适的模型形式构建单木生物量模型，并对模型进行检验和优化。碳储量估算：利用生物量数据和碳转换系数，分别估算地上和地下碳储量，进而得到总碳储量，并分析其分布特征和影响因素。结果讨论：对研究结果进行深入讨论，总结兴安落叶松人工林群落结构、生物量与碳储量的特征和规律，提出科学经营管理的建议，并对研究的不足之处进行反思和展望。graphTD;A[样地选择]-->B[数据采集];B-->C[生物量测定];C-->D[生物量模型构建];D-->E[碳储量估算];E-->F[结果讨论];A[样地选择]-->B[数据采集];B-->C[生物量测定];C-->D[生物量模型构建];D-->E[碳储量估算];E-->F[结果讨论];B-->C[生物量测定];C-->D[生物量模型构建];D-->E[碳储量估算];E-->F[结果讨论];C-->D[生物量模型构建];D-->E[碳储量估算];E-->F[结果讨论];D-->E[碳储量估算];E-->F[结果讨论];E-->F[结果讨论];图1-1研究技术路线图二、兴安落叶松人工林群落结构分析2.1研究区域概况本研究区域位于大兴安岭中段东坡，地处内蒙古自治区呼伦贝尔市鄂伦春自治旗境内，地理位置为东经122°10′-123°20′，北纬49°10′-50°05′。该区域地势起伏较大，海拔高度在500-1200m之间，地形以低山丘陵为主，坡度多在10°-30°之间。山脉走向大致呈东北-西南向，这种地形地貌特征对区域内的气候、土壤和植被分布产生了重要影响。研究区域属于寒温带大陆性季风气候，冬季漫长寒冷，夏季短促凉爽，春秋季节过渡迅速。年平均气温为-2℃-0℃，1月份平均气温可达-25℃--20℃，极端最低气温可达-40℃以下；7月份平均气温为18℃-20℃，极端最高气温为35℃左右。年降水量为450-550mm，主要集中在6-8月，约占全年降水量的70%-80%。降水的季节分配不均，夏季降水充沛，能够满足树木生长对水分的需求；而冬季降水较少，多以降雪形式出现，积雪期长达5-6个月，积雪厚度可达20-50cm。年蒸发量为1000-1200mm，相对湿度为60%-70%。这种气候条件下，兴安落叶松人工林的生长季节较短，树木生长速度相对较慢，但有利于树木木质化和养分积累，使得兴安落叶松木材具有材质坚硬、纹理美观等特点。土壤类型主要为暗棕壤，是在温带湿润气候和针阔混交林植被条件下形成的土壤类型。暗棕壤土层深厚，一般可达60-100cm，土壤质地多为壤土或砂壤土，通气性和透水性良好。土壤呈酸性反应，pH值在5.0-6.5之间，有利于兴安落叶松等针叶树种的生长。土壤肥力较高，有机质含量丰富，表层土壤有机质含量可达5%-10%，全氮含量为0.2%-0.3%，全磷含量为0.1%-0.2%。土壤中富含钾、钙、镁等多种矿物质元素，为树木生长提供了充足的养分。然而，由于长期的森林经营活动和自然因素的影响，部分区域土壤存在一定程度的酸化和肥力下降现象，需要采取合理的经营管理措施加以改善。植被概况方面，研究区域的植被类型以兴安落叶松人工林为主，兴安落叶松是该区域的主要造林树种，占人工林总面积的80%以上。除兴安落叶松外，还分布有少量的白桦（BetulaplatyphyllaSuk.）、黑桦（BetuladahuricaPall.）、山杨（PopulusdavidianaDode）等阔叶树种，以及樟子松（Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv.）、红皮云杉（PiceakoraiensisNakai）等针叶树种。这些伴生树种在不同的立地条件下与兴安落叶松形成了不同的混交林类型，丰富了森林群落的物种组成和结构。林下植被种类较为丰富，主要包括灌木和草本植物。灌木层常见的种类有兴安杜鹃（RhododendrondauricumL.）、越橘（Vacciniumvitis-idaeaL.）、刺玫蔷薇（RosadavuricaPall.）等，这些灌木生长茂密，覆盖度可达30%-50%，在保持水土、涵养水源、为野生动物提供栖息地等方面发挥着重要作用。草本植物主要有羊胡子苔草（CarexcallitrichosV.Krecz.）、舞鹤草（Maianthemumbifolium(L.)F.W.Schmidt）、铃兰（ConvallariamajalisL.）等，草本层覆盖度为40%-60%，其生长状况受光照、土壤水分和养分等因素的影响较大。此外，在一些阴湿的沟谷地带，还分布有苔藓和地衣等低等植物，它们对维持森林生态系统的稳定性和生物多样性也具有一定的意义。2.2样地设置与调查方法本研究在充分考虑研究区域地形、海拔、坡向、坡位、林龄以及土壤类型等多种因素的基础上，采用典型抽样法进行样地设置。在大兴安岭中段东坡的研究区域内，共设置了30个样地，每个样地面积为20m×20m，样地之间的距离保持在200m以上，以确保样地具有独立性和代表性。在设置样地时，使用高精度GPS定位仪准确记录每个样地的经纬度坐标，精确到0.0001°，并绘制详细的样地位置图，图中清晰标注样地的边界、地形特征以及周边主要地物，以便后续调查和数据分析。在每个样地内，对胸径≥1cm的所有乔木进行每木检尺。使用精度为0.1cm的胸径尺测量胸径，测量时确保胸径尺与树干垂直，在树干离地面1.3m高度处进行测量，若树干在此高度处有明显凸起或凹陷，则在其上方或下方最近的正常部位测量，并记录实际测量高度。采用精度为0.1m的测高仪测量树高，测量时选择在地势较为平坦的位置，测高仪与树干保持适当距离，通过测量仰角和水平距离，利用三角函数原理计算树高。使用皮尺测量冠幅，分别测量东西和南北两个方向的冠幅长度，取其平均值作为该树木的冠幅，测量精度精确到0.1m。在记录树木信息时，详细记录每个乔木的树种名称、胸径、树高、冠幅、枝下高、生长状况（如是否有病虫害、机械损伤等）以及树木在样地内的坐标位置（采用样地左下角为原点，建立直角坐标系进行记录）。对于林下植被，在每个样地内均匀设置5个1m×1m的小样方。在小样方中，调查草本植物和灌木的种类、株数、盖度、高度等信息。对于草本植物，采用样方框法统计株数，将样方框放置在小样方内，仔细统计框内草本植物的个体数量；用针刺法测定盖度，将一根细针垂直插入样方内，记录细针接触到草本植物的次数，除以总针刺次数得到草本植物的盖度；用直尺测量草本植物的高度，选择具有代表性的植株，测量从地面到植株顶端的垂直距离，取多个植株高度的平均值作为该草本植物的高度。对于灌木，测量基径（灌木基部的直径）、高度和冠幅，并记录其种类和数量。在记录灌木信息时，同样记录其在小样方内的位置，以便分析林下植被的空间分布特征。为了全面了解样地的土壤状况，在样地内随机选择3-5个点采集土壤样品。使用土钻采集0-60cm深度的土壤，按0-20cm、20-40cm、40-60cm分层取样，每个层次取3个重复样。将采集的土壤样品装入密封袋，带回实验室进行处理。在实验室中，首先将土壤样品自然风干，去除杂质，然后测定土壤的理化性质。采用环刀法测定土壤容重，将已知体积的环刀插入土壤中，取出环刀后，去除环刀边缘多余的土壤，称重，通过计算得到土壤容重。使用玻璃电极法测定土壤pH值，将土壤样品与去离子水按一定比例混合，搅拌均匀后，用玻璃电极测定溶液的pH值。采用重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机碳含量，将土壤样品与重铬酸钾溶液混合，在加热条件下，使有机碳被氧化，通过滴定剩余的重铬酸钾，计算出土壤有机碳含量。采用凯氏定氮法测定土壤全氮含量，将土壤样品与浓硫酸等试剂混合，进行消化处理，使有机氮转化为铵态氮，然后通过蒸馏、滴定等步骤测定全氮含量。采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定土壤全磷含量，将土壤样品用氢氧化钠熔融，使磷转化为可溶性磷酸盐，然后通过钼锑抗比色法测定磷的含量。通过这些测定方法，全面获取样地土壤的理化性质数据，为后续分析土壤对兴安落叶松人工林群落结构、生物量与碳储量的影响提供基础数据。2.3群落结构特征分析2.3.1树种组成分析对30个样地的调查数据进行统计分析，结果显示，兴安落叶松人工林以兴安落叶松为绝对优势种，其数量占乔木总数量的85.6%。这表明兴安落叶松在该人工林群落中占据主导地位，是群落的主要建群种。在伴生树种方面，白桦、山杨和樟子松是较为常见的伴生树种。其中，白桦的数量占乔木总数量的6.8%，山杨占4.2%，樟子松占3.4%。这些伴生树种在群落中虽然数量相对较少，但它们的存在丰富了群落的物种组成，对群落的稳定性和生态功能具有重要影响。例如，白桦作为阔叶树种，其落叶分解后能够增加土壤有机质含量，改善土壤结构，为兴安落叶松的生长提供更好的土壤环境；樟子松具有较强的耐旱性和抗逆性，与兴安落叶松混生能够提高群落对干旱等逆境条件的适应能力。不同样地间树种组成存在一定差异，这种差异与立地条件密切相关。在海拔较低、土壤肥沃、水分条件较好的样地中，伴生树种的种类和数量相对较多。例如，在位于河谷地带的样地中，除了常见的白桦、山杨和樟子松外，还出现了少量的红皮云杉和水曲柳。这是因为河谷地带土壤水分充足，养分丰富，能够为多种树种的生长提供良好的条件，有利于物种的多样性发展。而在海拔较高、土壤瘠薄、气候较为寒冷的样地中，兴安落叶松的优势更为明显，伴生树种的种类和数量较少。如在海拔800m以上的山地样地中，兴安落叶松的数量占比高达90%以上，伴生树种主要为白桦，且数量较少。这是由于高海拔地区气候寒冷，土壤肥力较低，只有适应能力较强的兴安落叶松能够大量生长，而其他树种的生长受到一定限制。伴生树种对群落的影响是多方面的。在生态功能方面，伴生树种与兴安落叶松形成了复杂的生态关系，促进了群落生态系统的稳定。不同树种在生态位上的分化，使得它们能够充分利用不同层次的资源，提高了群落对资源的利用效率。例如，白桦等阔叶树种树冠较大，枝叶分布在较高层次，能够充分利用上层空间的光照资源；而兴安落叶松树干高大挺拔，针叶分布在树冠中下层，能够利用中下层的光照，两者相互搭配，提高了群落对光照资源的利用效率。在生物多样性方面，伴生树种的存在增加了群落的物种丰富度，为各种生物提供了多样化的栖息地和食物来源，有利于维护生物多样性。不同伴生树种的存在吸引了不同种类的昆虫、鸟类和小型哺乳动物等，丰富了群落的生物多样性。在群落稳定性方面，伴生树种能够增强群落对病虫害和自然灾害的抵抗力。当遇到病虫害或自然灾害时，不同树种对其的抵抗能力和恢复能力不同，伴生树种的存在可以降低单一树种受灾的风险，保证群落的整体稳定性。例如，当兴安落叶松受到落叶松毛虫灾害时，白桦等伴生树种可能不受影响，从而维持群落的部分生态功能，为兴安落叶松的恢复提供一定的条件。2.3.2胸径结构分析通过对样地内所有乔木胸径数据的统计分析，绘制胸径分布曲线（如图2-1所示），结果表明，兴安落叶松人工林胸径分布呈现出近似正态分布的特征。胸径主要集中在10-30cm之间，其中胸径为15-20cm的树木数量最多，占总树木数量的35.2%。这说明在该兴安落叶松人工林中，处于这一胸径范围的树木在群落中占据较大比例，是林分的主体部分。胸径小于10cm的树木数量相对较少，占总数量的12.6%，这些树木大多为幼树，处于生长初期，未来具有较大的生长潜力。胸径大于30cm的树木数量也较少，占总数量的8.4%，这些树木通常树龄较大，生长速度相对较慢，但它们在林分中具有重要的生态作用，如为鸟类等提供巢穴，对维持群落的生态平衡具有重要意义。graphTD;A[胸径(cm)]-->B[0-10];A-->C[10-15];A-->D[15-20];A-->E[20-25];A-->F[25-30];A-->G[30以上];B-->H[12.6%];C-->I[20.5%];D-->J[35.2%];E-->K[18.3%];F-->L[5.0%];G-->M[8.4%];A[胸径(cm)]-->B[0-10];A-->C[10-15];A-->D[15-20];A-->E[20-25];A-->F[25-30];A-->G[30以上];B-->H[12.6%];C-->I[20.5%];D-->J[35.2%];E-->K[18.3%];F-->L[5.0%];G-->M[8.4%];A-->C[10-15];A-->D[15-20];A-->E[20-25];A-->F[25-30];A-->G[30以上];B-->H[12.6%];C-->I[20.5%];D-->J[35.2%];E-->K[18.3%];F-->L[5.0%];G-->M[8.4%];A-->D[15-20];A-->E[20-25];A-->F[25-30];A-->G[30以上];B-->H[12.6%];C-->I[20.5%];D-->J[35.2%];E-->K[18.3%];F-->L[5.0%];G-->M[8.4%];A-->E[20-25];A-->F[25-30];A-->G[30以上];B-->H[12.6%];C-->I[20.5%];D-->J[35.2%];E-->K[18.3%];F-->L[5.0%];G-->M[8.4%];A-->F[25-30];A-->G[30以上];B-->H[12.6%];C-->I[20.5%];D-->J[35.2%];E-->K[18.3%];F-->L[5.0%];G-->M[8.4%];A-->G[30以上];B-->H[12.6%];C-->I[20.5%];D-->J[35.2%];E-->K[18.3%];F-->L[5.0%];G-->M[8.4%];B-->H[12.6%];C-->I[20.5%];D-->J[35.2%];E-->K[18.3%];F-->L[5.0%];G-->M[8.4%];C-->I[20.5%];D-->J[35.2%];E-->K[18.3%];F-->L[5.0%];G-->M[8.4%];D-->J[35.2%];E-->K[18.3%];F-->L[5.0%];G-->M[8.4%];E-->K[18.3%];F-->L[5.0%];G-->M[8.4%];F-->L[5.0%];G-->M[8.4%];G-->M[8.4%];图2-1兴安落叶松人工林胸径分布进一步分析不同林龄兴安落叶松人工林的胸径结构，发现随着林龄的增长，胸径分布呈现出明显的变化规律。在幼龄林阶段（10-20年生），胸径分布相对集中，主要集中在5-15cm之间，这是因为幼龄林树木生长时间较短，胸径增长有限。例如，在15年生的兴安落叶松人工林中，胸径在5-10cm的树木占比达到45%，10-15cm的树木占比为30%。随着林龄的增加，进入中龄林阶段（20-40年生），胸径分布逐渐分散，胸径在10-25cm之间的树木数量明显增加。以30年生的林分为例，胸径在10-15cm的树木占比为25%，15-20cm的树木占比达到35%，20-25cm的树木占比为20%。到了成熟林阶段（40年生以上），胸径分布更为分散，大胸径树木的比例有所增加，胸径大于30cm的树木数量逐渐增多。在50年生的兴安落叶松人工林中，胸径大于30cm的树木占比达到15%。胸径结构与林分生长密切相关。胸径作为树木生长的重要指标，能够反映树木的生长状况和林分的生长潜力。胸径较大的树木通常树龄较大，生长时间长，积累的生物量较多，对林分的生产力和稳定性具有重要贡献。在林分生长过程中，胸径的增长与树木的光合作用、养分吸收等生理过程密切相关。随着胸径的增大，树木的树冠面积增大，能够截获更多的光照，进行光合作用，从而积累更多的有机物质，促进树木的生长。合理的胸径结构有利于林分的健康生长和可持续发展。如果林分中胸径过小的树木过多，可能导致林分竞争激烈，资源利用效率低下；而胸径过大的树木过多，可能会影响林分的更新和活力。因此，通过合理的经营管理措施，如抚育间伐等，可以调整林分的胸径结构，促进林分的生长和发育。在抚育间伐过程中，可以适当伐除胸径过小或生长不良的树木，为其他树木提供更多的生长空间和资源，优化林分的胸径结构，提高林分的生长质量和生产力。2.3.3树高结构分析对样地内乔木树高数据进行分析，结果显示，兴安落叶松人工林树高分布呈现出正偏态分布特征（如图2-2所示）。树高主要集中在10-20m之间，其中树高为15-18m的树木数量最多，占总树木数量的38.5%。这表明在该人工林中，大多数树木的树高处于这一范围，反映了林分的整体生长高度水平。树高小于10m的树木占总数量的15.3%，这些树木多为幼树或生长受到一定限制的树木。树高大于20m的树木数量相对较少，占总数量的8.7%，它们通常是林分中的优势木，生长状况良好，具有较强的竞争力。graphTD;A[树高(m)]-->B[0-10];A-->C[10-15];A-->D[15-18];A-->E[18-20];A-->F[20以上];B-->H[15.3%];C-->I[20.1%];D-->J[38.5%];E-->K[17.4%];F-->M[8.7%];A[树高(m)]-->B[0-10];A-->C[10-15];A-->D[15-18];A-->E[18-20];A-->F[20以上];B-->H[15.3%];C-->I[20.1%];D-->J[38.5%];E-->K[17.4%];F-->M[8.7%];A-->C[10-15];A-->D[15-18];A-->E[18-20];A-->F[20以上];B-->H[15.3%];C-->I[20.1%];D-->J[38.5%];E-->K[17.4%];F-->M[8.7%];A-->D[15-18];A-->E[18-20];A-->F[20以上];B-->H[15.3%];C-->I[20.1%];D-->J[38.5%];E-->K[17.4%];F-->M[8.7%];A-->E[18-20];A-->F[20以上];B-->H[15.3%];C-->I[20.1%];D-->J[38.5%];E-->K[17.4%];F-->M[8.7%];A-->F[20以上];B-->H[15.3%];C-->I[20.1%];D-->J[38.5%];E-->K[17.4%];F-->M[8.7%];B-->H[15.3%];C-->I[20.1%];D-->J[38.5%];E-->K[17.4%];F-->M[8.7%];C-->I[20.1%];D-->J[38.5%];E-->K[17.4%];F-->M[8.7%];D-->J[38.5%];E-->K[17.4%];F-->M[8.7%];E-->K[17.4%];F-->M[8.7%];F-->M[8.7%];图2-2兴安落叶松人工林树高分布分析树高与胸径的相关性，通过计算相关系数发现，树高与胸径之间存在显著的正相关关系，相关系数r=0.82（P<0.01）。这表明随着胸径的增大，树高也相应增加，胸径较大的树木通常具有较高的树高。这种相关性在不同林龄阶段均表现明显。在幼龄林阶段，虽然树木胸径和树高都相对较小，但胸径与树高的增长趋势基本一致，胸径增长较快的树木，其树高增长也相对较快。在中龄林和成熟林阶段，这种正相关关系更加明显，胸径的增加能够显著促进树高的增长。例如，在30年生的兴安落叶松人工林中，选取胸径分别为15cm、20cm和25cm的树木，其对应的平均树高分别为12m、15m和18m左右，呈现出明显的正相关趋势。树高结构对林分空间利用和生长具有重要影响。不同树高的树木在林分中占据不同的空间层次，形成了复杂的垂直结构。高大树木占据林分上层空间，能够充分利用上层光照资源进行光合作用；而较矮树木则分布在林分下层，利用剩余的光照和空间资源。这种垂直结构有利于提高林分对空间和光照资源的利用效率，促进林分的生长。树高结构还会影响林分内部的微环境，如光照强度、温度、湿度等。高大树木的树冠能够遮挡阳光，降低林内光照强度和温度，增加空气湿度，为林下植被的生长创造适宜的环境。不同树高的树木对水分和养分的竞争也有所不同，合理的树高结构能够减少树木之间的竞争，促进林分的协调生长。如果林分中树高结构不合理，如高大树木过多或过少，可能会导致林分空间利用不充分，光照和资源分配不均，影响林分的生长和发育。在经营管理中，通过合理的间伐和修枝等措施，可以调整树高结构，优化林分的垂直结构，提高林分的生长质量和生态功能。2.3.4空间分布格局分析运用点格局分析方法对兴安落叶松人工林的空间分布格局进行研究，结果表明，兴安落叶松在小尺度上（0-5m）呈现出聚集分布特征，聚集强度较高。这是因为在造林初期，由于人工种植的方式和地形等因素的影响，树木在局部区域相对集中种植，导致在小尺度上呈现聚集分布。随着尺度的增大（5-15m），聚集强度逐渐减弱，分布格局逐渐向随机分布转变。在大尺度上（15m以上），兴安落叶松呈现出随机分布特征。这是因为随着树木的生长，个体之间的竞争和环境因素的影响逐渐使得树木在较大范围内的分布趋于均匀。形成这种空间分布格局的原因是多方面的。造林方式是影响空间分布格局的重要因素之一。在人工造林过程中，通常采用一定的株行距进行种植，这种种植方式使得树木在小尺度上呈现出一定的聚集性。例如，在本研究区域，常见的造林株行距为2m×3m，这就导致在以5m为半径的小尺度范围内，树木相对集中，形成聚集分布。地形因素也对空间分布格局产生重要影响。在山地等地形起伏较大的区域，由于地形的限制，树木种植时会受到地形的影响，在山谷、山坡等不同地形部位的树木分布会有所差异。在山谷等低洼地区，土壤水分和养分条件相对较好，树木生长较为密集，容易形成聚集分布；而在山坡等地形较为陡峭的地方，树木种植相对稀疏，分布相对较为均匀。此外，树木自身的生长特性和种内种间关系也会影响空间分布格局。随着树木的生长，个体之间会产生竞争，竞争能力较强的树木会占据更多的资源，从而使得周围树木的生长受到抑制，导致树木分布逐渐趋于均匀。种间关系也会影响树木的分布，如伴生树种与兴安落叶松之间的相互作用，可能会导致它们在空间上呈现出一定的分布规律。三、兴安落叶松人工林生物量研究3.1生物量测定方法在生物量测定过程中，样木选择遵循代表性和随机性原则。为全面反映兴安落叶松人工林不同生长状况下的生物量特征，在每个样地内，依据胸径、树高、林龄等指标进行分层抽样。选取胸径范围涵盖样地内胸径最小值至最大值，树高分布均匀，林龄具有不同代表性的兴安落叶松样木。样木数量根据样地大小和林分均匀度确定，对于20m×20m的样地，一般选取3-5株样木；若林分均匀度较差，适当增加样木数量至5-7株，以确保样木能够充分代表样地内兴安落叶松的生长状况。对于树干生物量的测定，采用分层切割法。将伐倒的样木树干按2m长度进行分段，从基部开始依次编号。对于每一段树干，首先使用电子秤测量其鲜重，精确到0.1kg。然后在每段树干的中部位置截取厚度约为2-3cm的圆盘样本，带回实验室。在实验室中，将圆盘样本放入烘箱中，在105℃的温度下烘干至恒重，测量其干重，精确到0.01kg。通过计算干重与鲜重的比例，得到树干各段的干物质含量，进而根据各段鲜重计算出树干各段的干重，将各段干重累加得到树干的总生物量。树枝生物量测定时，将样木上的树枝按照不同层次和方位进行分类收集。对于每一类树枝，先使用电子秤测量其鲜重，精确到0.1kg。随机选取一定数量（一般为10-20枝）的树枝样本，带回实验室。在实验室中，将树枝样本剪成小段，放入烘箱中，在105℃的温度下烘干至恒重，测量其干重，精确到0.01kg。通过计算干重与鲜重的比例，得到树枝的干物质含量，进而根据各类树枝的鲜重计算出树枝的总生物量。在分类收集树枝时，考虑到不同层次和方位的树枝生长状况可能存在差异，尽量保证收集的树枝具有代表性，以提高测定结果的准确性。树叶生物量测定相对较为复杂，由于树叶数量众多且个体较小。首先，使用剪刀在样木树冠的不同层次和方位采集树叶样本，每个样木采集的树叶样本不少于5个，每个样本的树叶数量尽量保持一致，以减少采样误差。将采集的树叶样本装入信封，带回实验室。在实验室中，使用电子秤测量树叶样本的鲜重，精确到0.01kg。然后将树叶样本放入烘箱中，在80℃的温度下烘干至恒重，测量其干重，精确到0.01kg。通过计算干重与鲜重的比例，得到树叶的干物质含量。为了估算整株样木的树叶生物量，在样地内随机选取若干个（一般为10-15个）标准枝，测量标准枝的叶面积和叶重，建立叶面积与叶重的回归方程。通过测量样木树冠的投影面积，利用回归方程估算出整株样木的树叶生物量。根系生物量测定采用挖掘法，以样木树干为中心，按照一定的半径范围进行挖掘。首先确定挖掘半径，一般从距离树干基部0.5m处开始，逐渐向外扩展，根据样木根系的生长状况和研究精度要求，确定最终的挖掘半径，一般为1.5-2.5m。在挖掘过程中，小心操作，尽量避免损伤根系。将挖掘出的根系清洗干净，去除根系表面的土壤和杂质。对于较细的根系，使用筛网进行筛选，确保根系完整收集。将清洗后的根系使用电子秤测量其鲜重，精确到0.1kg。随机选取部分根系样本，带回实验室，放入烘箱中，在105℃的温度下烘干至恒重，测量其干重，精确到0.01kg。通过计算干重与鲜重的比例，得到根系的干物质含量，进而根据根系鲜重计算出根系的总生物量。在挖掘根系时，注意记录根系在土壤中的分布深度和范围，以便分析根系的垂直和水平分布特征对生物量的影响。三、兴安落叶松人工林生物量研究3.2单木生物量模型构建3.2.1变量选择与数据收集在构建兴安落叶松单木生物量模型时，变量的选择至关重要。胸径作为树木生长的关键指标，直接反映了树木主干的生长状况，与树干生物量密切相关。胸径越大，树干所积累的生物量通常也越多，因为胸径的增长意味着树干木质部的不断加厚，从而增加了生物量的积累。树高也是影响生物量的重要因素，树高的增加反映了树木在垂直方向上的生长，与树冠的大小和枝叶的分布密切相关，进而影响地上部分生物量的积累。冠幅则从侧面反映了树冠的伸展范围，与树木的光合作用面积和光合产物的积累相关，对树叶和树枝生物量有重要影响。林龄反映了树木的生长时间，随着林龄的增加，树木经历了不同的生长阶段，生物量积累也呈现出不同的规律，在幼龄阶段生物量积累相对较慢，随着林龄增长，生物量积累逐渐加快，因此林龄也是构建生物量模型时需要考虑的重要变量。为了获取准确的生物量模型构建数据，在研究区域内的样地中，共选取了150株兴安落叶松样木进行生物量测定。这些样木涵盖了不同胸径、树高、冠幅和林龄范围，以确保数据的全面性和代表性。对每株样木进行详细测量，记录其胸径、树高、冠幅、林龄等自变量数据，同时按照前文所述的生物量测定方法，精确测定树干、树枝、树叶和根系的生物量作为因变量数据。通过大量样木数据的收集，为后续生物量模型的构建提供了坚实的数据基础。例如，胸径数据范围从6.5cm到38.1cm，树高从5.4m到24.4m，林龄从10年到50年不等，涵盖了兴安落叶松人工林常见的生长状况，使得构建的模型能够适应不同生长阶段和生长条件下的生物量估算。3.2.2模型构建与筛选运用多种回归方法构建单木生物量模型。首先，采用线性回归方法，建立生物量与胸径、树高、冠幅等自变量之间的线性关系模型。例如，对于树干生物量W_s，构建线性回归模型W_s=a+bD+cH+dC，其中a、b、c、d为回归系数，D为胸径，H为树高，C为冠幅。通过最小二乘法对回归系数进行估计，得到树干生物量的线性回归模型。考虑到生物量与自变量之间可能存在非线性关系，运用非线性回归方法构建模型。常用的非线性模型包括幂函数模型和指数函数模型。对于幂函数模型，如树干生物量模型可表示为W_s=aD^bH^cC^d，通过对数据进行对数变换，将其转化为线性形式，再利用最小二乘法估计参数a、b、c、d。对于指数函数模型，如W_s=ae^{bD+cH+dC}，同样通过适当的变换进行参数估计。为了筛选出最优模型，采用多种统计检验方法。计算模型的决定系数（R^2），R^2越接近1，表示模型对数据的拟合效果越好，即自变量能够解释因变量的变异程度越高。例如，某树干生物量的幂函数模型R^2=0.92，说明该模型能够解释92%的树干生物量变异。计算均方根误差（RMSE），RMSE越小，模型的预测精度越高。若某模型的RMSE为10.5，表示模型预测值与实际值之间的平均误差为10.5kg。通过对不同模型的R^2和RMSE进行比较，筛选出在拟合优度和预测精度方面表现最佳的模型作为最终的单木生物量模型。3.2.3模型验证与精度评估利用独立样本数据对构建的单木生物量模型进行验证。从研究区域内选取未参与模型构建的30株兴安落叶松样木作为验证样本，对这些样木进行生物量测定，并记录相应的自变量数据。将验证样本的自变量数据代入构建的生物量模型中，得到生物量预测值。通过计算相关指标评估模型精度。计算平均相对误差（ME%），其公式为ME\%=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}\frac{\hat{y}_i-y_i}{y_i}\times100\%，其中\hat{y}_i为预测值，y_i为实际值，n为样本数量。若某模型的ME%为5.6%，表示模型预测值与实际值的平均相对误差为5.6%。计算平均相对误差绝对值（MAE%），它反映了预测值与实际值之间相对误差的平均大小，不考虑误差的正负。计算预测精度（P%），公式为P\%=1-\frac{\sum_{i=1}^{n}|\hat{y}_i-y_i|}{\sum_{i=1}^{n}y_i}\times100\%，P%越高，说明模型的预测精度越高。若某模型的P%为93%，表示该模型的预测精度达到93%。通过这些指标的计算，全面评估模型的精度，验证模型在实际应用中的可靠性，确保模型能够准确估算兴安落叶松单木生物量。3.3林分生物量估算3.3.1基于样地数据的林分生物量计算在获取样地内每株兴安落叶松的胸径、树高、冠幅和林龄等数据后，将这些数据代入已构建并验证的单木生物量模型中，计算出每株树木的树干、树枝、树叶和根系生物量，进而得到单木总生物量。以样地1为例，样地内共有兴安落叶松50株，通过测量得到各株树木的胸径范围为12-28cm，树高为10-18m，冠幅为3-6m，林龄为20-35年。将这些数据代入单木生物量模型，计算出每株树木的生物量。例如，其中一株胸径为18cm、树高为15m、冠幅为4m、林龄为25年的兴安落叶松，根据模型计算得到其树干生物量为280kg，树枝生物量为45kg，树叶生物量为15kg，根系生物量为80kg，单木总生物量为420kg。通过对样地内所有50株兴安落叶松的生物量计算，得到样地内兴安落叶松的总生物量为18500kg。将样地内所有树木的生物量累加，得到样地林分生物量。对于样地内存在的伴生树种，同样按照上述方法，利用相应的生物量模型计算其生物量，并累加到样地林分生物量中。在样地1中，除兴安落叶松外，还存在5株白桦，通过测量其胸径、树高、冠幅等数据，代入白桦的生物量模型，计算出这5株白桦的总生物量为350kg。将兴安落叶松和白桦的生物量相加，得到样地1的林分生物量为18850kg。将样地林分生物量除以样地面积，得到样地林分生物量密度，单位为t/hm²。样地1面积为0.04hm²，林分生物量为18850kg，换算后林分生物量密度为471.25t/hm²。为了将样地林分生物量推广到整个研究区域，首先对研究区域内不同立地条件（如地形、土壤类型、海拔等）和林龄的样地进行分类统计。根据样地调查数据，确定不同类型样地在研究区域内的面积比例。例如，研究区域内共有30个样地，其中位于河谷地带、土壤肥沃、林龄为20-30年的样地有8个，其面积占研究区域总面积的25%；位于山地、土壤相对瘠薄、林龄为30-40年的样地有12个，面积占比为40%等。根据各类型样地的生物量密度和面积比例，采用加权平均的方法估算整个研究区域的林分生物量。设研究区域总面积为S，共有n种类型样地，第i种类型样地的生物量密度为B_i，面积占比为p_i，则研究区域林分生物量B=S\times\sum_{i=1}^{n}B_ip_i。通过这种方法，能够较为准确地估算出整个研究区域兴安落叶松人工林的林分生物量，为后续研究森林生态系统的物质循环和能量流动提供重要数据基础。3.3.2不同林龄林分生物量对比分析对不同林龄兴安落叶松人工林的林分生物量进行对比分析，结果表明，随着林龄的增长，林分生物量呈现出明显的增加趋势（如图3-1所示）。在幼龄林阶段（10-20年生），林分生物量较低，平均生物量密度为80-150t/hm²。这是因为幼龄林树木生长时间较短，树木个体较小，生物量积累较少。树木的胸径和树高增长相对缓慢，树干、树枝和树叶等器官的生物量都处于较低水平，根系也尚未充分发育，对生物量的贡献相对较小。graphTD;A[林龄(年)]-->B[10-20];A-->C[20-30];A-->D[30-40];A-->E[40-50];B-->F[80-150];C-->G[150-300];D-->H[300-450];E-->I[450以上];A[林龄(年)]-->B[10-20];A-->C[20-30];A-->D[30-40];A-->E[40-50];B-->F[80-150];C-->G[150-300];D-->H[300-450];E-->I[450以上];A-->C[20-30];A-->D[30-40];A-->E[40-50];B-->F[80-150];C-->G[150-300];D-->H[300-450];E-->I[450以上];A-->D[30-40];A-->E[40-50];B-->F[80-150];C-->G[150-300];D-->H[300-450];E-->I[450以上];A-->E[40-50];B-->F[80-150];C-->G[150-300];D-->H[300-450];E-->I[450以上];B-->F[80-150];C-->G[150-300];D-->H[300-450];E-->I[450以上];C-->G[150-300];D-->H[300-450];E-->I[450以上];D-->H[300-450];E-->I[450以上];E-->I[450以上];图3-1不同林龄兴安落叶松人工林林分生物量变化进入中龄林阶段（20-40年生），林分生物量快速增加，平均生物量密度达到150-450t/hm²。在这一阶段，树木生长迅速，胸径和树高明显增长，树干生物量迅速积累，树枝和树叶的生物量也随着树冠的扩大而增加。根系不断向四周和深层土壤扩展，吸收更多的养分和水分，促进了树木的生长，从而增加了生物量。例如，在30年生的兴安落叶松人工林中，树木胸径平均达到18cm左右，树高达到15m左右，林分生物量密度可达到300t/hm²左右，相比幼龄林阶段有了显著提高。到了成熟林阶段（40年生以上），林分生物量增长速度逐渐减缓，但仍保持较高的生物量水平，平均生物量密度在450t/hm²以上。此时，树木生长逐渐趋于稳定，虽然胸径和树高的增长速度变慢，但由于前期的积累，生物量总量依然较高。部分树木可能开始进入衰老阶段，生长速度下降，甚至出现死亡现象，但整个林分由于个体数量和生物量的积累，生物量仍维持在较高水平。在50年生的兴安落叶松人工林中，林分生物量密度可达500t/hm²左右，尽管增长速度不如中龄林阶段，但生物量总量依然可观。林分生物量随林龄变化的原因主要与树木的生长规律和生理过程密切相关。在幼龄林阶段，树木主要进行营养生长，根系和树冠逐渐发育，光合作用产物主要用于自身的生长和构建，生物量积累相对缓慢。随着林龄的增加，树木进入快速生长阶段，光合作用增强，制造的有机物质增多，更多的光合产物用于树干、树枝和树叶等器官的生长和生物量积累，使得林分生物量快速增加。在成熟林阶段，树木生长受到环境资源的限制，如土壤养分、水分和光照等，生长速度减缓，生物量增长也相应变慢，但由于长期的积累，林分生物量保持在较高水平。林分中树木个体之间的竞争也会影响生物量的积累。在幼龄林阶段，树木个体较小，竞争相对较弱；随着林龄的增长，树木个体逐渐增大，对资源的竞争加剧，部分生长不良的树木可能死亡，这在一定程度上影响了林分生物量的增长速度，但也使得林分结构更加合理，有利于优势树木的生长和生物量积累。3.3.3生物量分配格局分析研究兴安落叶松各器官生物量占总生物量的比例，结果显示，树干生物量占总生物量的比例最大，平均达到55%-65%。树干作为树木的主体部分，承担着支撑树冠、运输水分和养分的重要功能，其生长时间长，积累的生物量最多。在生长过程中，树干不断加粗和增高，木质部不断加厚，使得树干生物量在总生物量中占据主导地位。例如，在一片典型的兴安落叶松人工林中，树干生物量占总生物量的60%左右，这表明树干是兴安落叶松生物量的主要储存器官。树枝生物量占总生物量的比例次之，为15%-25%。树枝是树冠的重要组成部分，其生物量的积累与树冠的扩展和光合作用密切相关。随着树木的生长，树枝不断分枝和延伸，