在毛竹单株生物量模型及其林分特征的基础上,构建基于非空间结构的毛竹林固碳潜力模型,并阐述模型的生物学意义; 应用Matlab提供的Linprog函数与Solve函数,对所建模型在满足约束条件下进行优化求解,结果表明,当1度竹、2度竹、3度竹和≥4度竹占毛竹样地总株数的百分比均为0.25,毛竹林分立竹度为4 363 株·hm-2,平均胸径为12.169 1 cm时,毛竹林碳储量达到最大,其值为42 220.214 9 kg·hm-2; 根据优化结果与2004年浙江省毛竹林结构现状,提出增加毛竹林固碳量的一些措施。
A model was constructed with a non-spatial structure to estimate carbon sequestration potential of a moso bamboo (Phyllostachys edulis) forest on the basis of a biomass estimation model of individual Moso bamboo and the forest stand characteristics. The biological implications of the model were described in detail. The optimum solution of the model was solved by using Linprog and Solve functions in Matlab software under specified constraint conditions. Results showed that moso bamboo forest carbon storage reached a maximum value of 42 220.214 9 kg·hm-2 when percentage of bamboo in 1du,2du,3du,and ≥4du is 0.25 respectively,stem density is 4 363 stem·hm-2, and mean diameter at breast height is 12.169 1 cm. Some measures were proposed to increase carbon sequestration of a moso bamboo forest according to the optimized results from this study and the forest stand structure.
全 文 :第 !" 卷 第 ## 期
年 ## 月
林 业 科 学
&’()*+(, &(-.,) &(*(’,)
./01!"!*/1##
*/23!
收稿日期" 4#9# 修回日期" 4#% 4#9基金项目"浙江省重点科技创新团队项目′%#h#%%9 4%( #国家自然科学基金项目’9%659;\# 9%6%%#6%( ﹡周国模为通讯作者
基于非空间结构的浙江省毛竹林固碳潜力!
刘恩斌:施拥军:李永夫:周国模
’浙江省森林生态系统碳循环与固碳减排重点实验室:浙江农林大学环境与资源学院:临安 9##9%%(
摘:要! :在毛竹单株生物量模型及其林分特征的基础上!构建基于非空间结构的毛竹林固碳潜力模型!并阐述模
型的生物学意义# 应用 [=S0=N 提供的 -A>EC/H函数与 &/02B函数!对所建模型在满足约束条件下进行优化求解!结
果表明!当 # 度竹)度竹)9 度竹和#! 度竹占毛竹样地总株数的百分比均为 %1;!毛竹林分立竹度为 ! 9\9 株+
-AI )>NA>:&
I160*)1;1+′5′1/<9)4*=7=01=9!R>@0’12 :T8J106∗90+/4509( O/CBFS/> S
A> #QI!QI!9QI!=>Q #!QI AF%1; CBFEBRSA2B0L!FSBDQB>FASLAF! 9\9 FSBD+
8,2 9"&5(" :D/F/N=DN//# R=CN/> FBkIBFSC=SA/> E/SB>SA=0# O/CBFS>/>?FE=SA=0FSCIRSICB
::毛竹’D>%5)9+’=>%9/4509(是我国南方最重要)最典型的竹林资源类型!占全国竹林面积的5%%6(浙江省是我国毛竹分布最丰富的省份之一!%## 年全省毛竹林面积为 591%! 万
毛竹林具有独特的林分特征与经营措施" #(所有毛
竹林分都是异龄)速生的# (采伐和挖笋是经营毛竹林的必要手段 由于毛竹林分特有的生物学特性与
经营措施!使毛竹林的固碳量达到一定程度就不再增
加!而其他类型森林的固碳量一般随着林分平均年龄
的变大而增多目前对森林固碳潜力的研究大多是基于国家尺度对全国森林碳储量进行估算′G<=>H+
’5B!%%"(!或是对单个省的森林固
碳潜力进行研究’张骏等! 因此在全球气候变化与
全球碳循环受到国内外学者广泛关注的大背景下!研
究毛竹林固碳潜力有着非常重要的意义合理的毛竹林分结构是充分发挥毛竹林碳汇功能的基础′−=T+’5B! %%!(研 究表明毛竹林生态系统在未遭受严重干扰的情况 林 业 科 学 !" 卷: 下!都具有特定的林分结构规律 ’孟宪宇!#66\ (
但近年来!由于片面追求经济效益!许多毛竹林由天
然粗放经营转变为集约经营’徐秋芳等! %%!(与毛竹林生态效益的
充分发挥!研究毛竹林分结构规律对提高毛竹林碳
汇功能及毛竹林的可持续经营具有非常重要的理论
与实践意义毛竹林分结构的调控是提高毛竹林碳汇功能必要手段 到目前为止!已有林分结构调整
的研究其目的大多是合理的采伐与经营森林’陈双
林等! +’5B! +’5B!
本研究以林分非
空间结构为基础!对毛竹林固碳潜力进行估测与
调控!其目的是" #(揭示毛竹林碳储量达到最大时
所具有的非空间结构#(以现有毛竹林为基础!提出一种以固碳潜力为目标的毛竹林经营模式!为充分发挥毛竹林的固碳功能提供技术支持
#:基于非空间结构的毛竹林分固碳潜力模
型构建
:;:<毛竹林分特征分析
在我国!毛竹是一种特殊的地域性植物!与其他
植物不同的是" #(毛竹的胸径生长与高生长在第 #
年内完成# (毛竹林多有隔年出笋成竹即大小年习性!因此!毛竹林林分年龄结构按 年划分 # 个龄
级# 9(对单株毛竹而言!当胸径生长与高生长完成
后!胸径与竹高不再发生变化!但其生物量还在变
化!这种变化主要是由年龄引起的# !(毛竹林是一
种异龄林!故除胸径外!年龄也是其林分结构的重要
特征# ;( 毛竹林分密度是影响毛竹林生长的重要
因子之一!在植株各年龄)各胸径阶段都制约着林分
地上和地下部分的生长!造成植株间对资源的竞争
或相互干扰’+ICPA>HS/> +′5B!%%;(!且林分密度控
制又是营林措施的一个有效手段!因此林分密度的
调整对毛竹林的固碳量影响很大基于以上对毛竹林分特征的分析!本研究选择林分密度)林分年龄和林分胸径作为影响毛竹林碳储量的基础指标 在本
研究中!用林分平均胸径表示毛竹林分胸径!用立竹
度表示林分密度!考虑到平均年龄不能准确描述毛
竹林分年龄!故用林分中各龄级所占比例来表示毛
竹林分年龄:;=<毛竹林"样地#生物量模型 单株毛竹生物量采用公式 ’#(计算!该模型是 根据常用生物量模型与毛竹的生长规律!结合浙江 省毛竹生物量调查数据建立的! 模型的相关系数 < d%1695!在 %1%; 置信水平下的预估精度为
6\1!9e!总系统误差为 4%1%#e!符合生物量估算 精度要求’周国模!%%\(QL5!5B5"5NB55# %B#!" !:
%B%"()P:;B;;;P9B55’#( 式中" Q为单株毛竹生物量’ PH(!:为单株毛竹年 龄’度(!N为单株毛竹胸径’RD( 在计算单株毛竹
生物量的基础上!通过累加样地中所有毛竹的生物
量即可得毛竹林分生物量毛竹林分平均胸径 NH可用下式计算" NH L # K" K 0L# /槡 0′(
式中" K为林分立竹度! /0为第 0株毛竹的胸径令"为!度及以上竹的度数!′ !’9 !
’! !’; 为参数!F# !F!F9 !F! 分别为 # 度竹) 度竹)9
度竹和#! 度竹所占毛竹样地总株数的百分比!则
由’#(式推导得毛竹林分 ’样地 (生物量 Q+/S=0模
型为"
Q+/S=0L ’%N
’#
H
’’9 P ( )# ’! P’[ ]; F#KP ’%N ’# H’′9P() ’! P’[ ]; FKP′
’9 P
( )9 ’! P’[ ]; F9KP
’%N
’#
H
"’′9P()"′!P′[];F!KQ+/S=0L’=#F# P=F P=9F9 P=!F!(N
=;
HKP
K’;! ’9(
::对’9(式进行改进得’!(式"
Q+/S=0L’=#F# P=F P=9F9 P=!F!(N
=;
HK
=$ ’!(
式中" =#!=!=9!=! 均为#% 的参数! =;!=\ 均为 U# 的参数 公式 ’!(的生物学意义在于" # ( =#F# P
=F P=9F9 P=!F!!NH和 K是影响毛竹林分生物量的
9 个基本因素!分别表示毛竹林分年龄)林分平均胸
径和林分立竹度!且公式’!(所示结构与常用生物
量模型’曾慧卿等! %%\(也相匹
配#(在毛竹林中存在挖笋)采伐)自然死亡等现 象!这样就会使毛竹林分生物量)林分年龄)林分平 均胸径 NH和立竹度 K发生改变!而公式’!(所示结 构能反映毛竹林分的相互变化关系#9( =#F# P=FP =9F9 P=!F! 反映出毛竹林是异龄林#!(当 =#!=!=9!=!
中的 # 个或 个为零时表明毛竹林中没有零参数所%%6(!而 NH与 K的幂
=; !=\ 能反映毛竹林的这一特点# \ (由于 NH与 K
对毛竹林分生物量的影响比 F# !F!F9 !F! 大!所以 模型中的 =; 和 =\ 大于 # 而 F# !F !F9 !F! 的幂为 #可见公式′!(具有明确的生物学意义!经检验公式′!(的拟合精度′< d%166!(高于公式’9( ’<d
毛竹林分生物量 Q+/S=0乘以毛竹碳转化系数
%1;%! ′周国模等!%%! ( 后!就可得毛竹林固
碳量:;@<毛竹林固碳潜力模型要构建毛竹林固碳潜力模型!首先要建立毛竹林分立竹度)胸径的约束条件!即建立株数)胸径之间的对应关系 据研究!异龄林株数按径级的分布
可用 负 指 数 分 布 表 示 ’[BLBC! #6;# 汤 孟 平!%%!(!毛竹林分立竹度与胸径的约束条件为"
KLGBM’NH′;(式中"G!′为参数!为了使公式′;(适应范围更广!现对模型加以改进!改进后的模型为"KLGBM′NHP( ’\(
式中" (为参数其次要建立年龄约束条件 毛竹林分的年龄具
有如下特点" #(毛竹林是异龄林# (林分中低龄级 毛竹的株数比高龄级的要多# 9(从生物量的角度来 考虑!对某一毛竹林而言!林分的年龄越大其吸收固 定 ’c的量就越多综合考虑这9方面的因素!即可建立毛竹林分年龄的约束条件!即公式′"(的约束条件
结合以上的分析!可得基于非空间结构的毛竹
林分最大生物量 D=VQ+/S=0模型"
D=VQ+/S=0L’=#F# P=F P=9F9 P=!F!(N
=;
HK
=$
F3S
F# PFPF9 PF! L# KLGBM’NHP( F# # F
F# F9 F9 # F! F! # F9 F9 # F
F# F# F#!F!F9!F! U%
; % NH% #;
KU
%
:::::::′5(::毛竹林分最大生物量D=VQ+/S=0乘以毛竹碳转化系数’周国模等! 毛竹林分最大生物量D=VQ+/S=0可分为 部分
第 # 部分为"
D=VQ# L=#F# P=F P=9F9 P=!F!F# PF PF9 PF! L#
F# # FF # F9
F9 # F!
F! # F9
F9 # FF # F#
F#!F!F9!F!U ’"(
::第 部分为"D=VQ LN
=;
HK
=KLGBM’NHP(
; % NH% #;
KU%
{
’6( ::采用 [=S0=N 提供的 -A>EC/H函数可对第 # 部分 进行优化求解!具体优化过程按 -A>EC/H函数语法规 则进行 根据函数极值求解原理!应用 [=S0=N 提供
的 &/02B函数可对第 部分进行优化求解!具体优化 步骤如下" #(把 KLGBM’NHP(代入公式’6(中#(
QQQNHL″GNHMG(BVE′M′NH(M(L LN
=;
HK
=\ 可得 Q的最大值
:模型应用 =;:<研究区概况 浙江省位于我国东南沿海 ’##" %^#_*#9 #^%_
)!5 浙江
省是我国毛竹分布最丰富的省份之一! 5#; 株+
=;=<数据来源
11#:全省毛竹连续清查样地:浙江省于 #656 年
##
林 业 科 学 !" 卷:
建立了森林资源连续清查体系!以 ; 年为 # 个复查
周期共设置固定样地!;% 个!样点格网为
! PDa\ PD!样地形状为正方形!边长 "1" D!本
研究利用 !; 块!每块样地毛竹胸径 ; ‘#; RD!毛竹
株数 #" ‘!#\ 株样地内 ; RD以上的竹子均要调 查记载!调查内容主要有胸径和年龄 ’当年生竹记 为 # 度竹# ‘9 年生竹记为 度竹!!‘;年生竹记为9度竹!依此类推(
11:典型毛竹调查样地:由于本研究的目标是 毛竹的固碳潜力!考虑到全省毛竹连续清查样地中 包含的毛竹林分结构不够全面!故在临安市与安吉 县不同立地条件的毛竹林中选择了与连续清查样地 无重复的 #;% 块典型调查样地!其大小)调查方法与 毛竹连续清查样地全完一致
=;@<浙江省毛竹林分结构现状分析
将 !;块毛竹样地的胸径)年龄数据合并!并计算浙江省某径阶)某龄级的毛竹概率!再应用二元最大熵函数测量全省毛竹胸径)年龄联合分布信息′刘恩斌等!%#%(!结果表明测量精度很高 ’回归
离差平方和为 6165\ "B4%;!<d 从图 # 可以看出" #(# 度毛竹在 6
径阶附近株数最多!度毛竹在 " 径阶附近株数最 多!9 度毛竹在 " 径阶附近株数最多!#! 度毛竹在 6 径阶附近株数最多#(# ‘度)胸径 " ‘6 RD的毛 竹株数最多!随着年龄)胸径的增大毛竹株数在逐渐 的减少#9(对于同一径阶的毛竹!其株数的变化趋 势是先增后减
再对上述 96; 块毛竹样地实测数据进行统计!
得浙江省毛竹林分’样地(平均胸径为 "1\5# 9 RD)
林分平均株数为 !; 株+
把 从表 # 可以看出!模型’!(的拟
合参 数 值 为" ’=#!=!=9!=!!=;!=\(L′!% !!
%1; ;!%1!;# 5!#15%! !!#1%#\ ;(! 此时
<d d%16"#!说明毛竹林分生物量模型的拟合
精度与检验精度都非常高用 96; 块毛竹样地与 &Y&& 软件的非线性回归功 能!对模型’\(进行拟合!其参数值为" ’G!’!(( L ’# #59B"96 #!%B%96 ;! 495\B6;9(! 此 时 < d
%16;" 5#
:第 ## 期 刘恩斌等" 基于非空间结构的浙江省毛竹林固碳潜力
表 :<最后 F 次迭代过程
+%7>:
9## "%519#% " %1!% ! %1; % %1! %1;# # #15%9 \ #1%#\ ; 9%; #!61##9 \ %1!;;!% ;# 5 #15%9 \ #1%#\ ;
9!% ! %1; ; %1! %1;# 5 #15%9 \ #1%#\ ; 9%; #!61%6# \ %1!;;!% ;# 5 #15%9 \ #1%#\ ;
=;F<浙江省毛竹分固碳潜力
在模型参数拟合结果的基础上!由 [=S0=N 提供
的 -A>EC/H函数对第 # 部分进行求解!其结果为" 当
F#!F!F9和F!均为; 时!目标函数值 Q#达到最
大应用 [=S0=N 提供的 &/02B函数对第 部分进行
求解!其结果为" 当 K为 ! 9\9 株+
"9 5951%9" 5 PH+
果!用 [=S0=N 软件作函数Q+/S=0L’=#F# P=F P=9F9 P
=!F!(N
=;
HK
=\ 的图像’图 ( 从图 可以看出" #(毛 竹林分碳储量随着林分平均胸径的增大与样地株数 的增加迅速增加#(林分平均胸径对毛竹林分碳储
量的影响比样地株数要小#9(林分平均胸径大的曲
线斜率比林分平均胸径小的曲线斜率要大!株数大
的曲线斜率比株数小的曲线斜率要大但由于各种条件的限制!在实际中不存在图 所示毛竹林分碳
储量的最大值图:毛竹样地碳储量变化趋势
ZAH3:′=CN/>FS/C=HBSCB>Q/OD/F/N=DN//F=DE0BE0/SF%%! 年 毛 竹 林 分 ’ 样 地 ( 平 均 碳 储 量 为
#9 %%$1956 5 PH+
固碳潜力巨大=;O<浙江省毛竹林固碳潜力调控措施 本研究表明!当 F#!F!F9 和 F! 均为 %B$;!K为
! 9\9 株+
要使毛竹林分固碳量达到最大!应采取如下调控措
施" #(不挖笋不采伐)增加毛竹株数是毛竹林初始
的经营模式!但当样地中毛竹株数超过 ! 9\9 株+
看出!林分株数对毛竹林分固碳的影响最大!林分平
均胸径次之!从 =%!=#!=!=9 参数值及第 # 部分的优 化结果可以看出!各度竹所占比例对毛竹林分固碳 的影响最小!因此要提高毛竹林固碳量!首先要保证 林分中有一定数量的毛竹!其次要保留林分中龄级 较小且胸径较大的毛竹# 9(在实际毛竹林分中!# 度竹的株数最多!从各度竹株数所占比例相等可知! 挖笋是减少毛竹林分株数的最主要手段!且地径较 小的笋是选择的主要对象# !(龄级较大)胸径较小 的毛竹是择伐的主要对象
9:结论与讨论
综合以上分析!可以得出如下结论" #(本文构
建了具有生物学意义的毛竹林分生物量模型!从拟
合结果与检验结果可以看出本研究构建的模型精度
很高!在此基础上!结合毛竹林分特征!构建了毛竹
林分固碳潜力模型# (当 F#!F!F9 和 F! 均为 %1$;!
K为 ! 9\9 株+
PH+
和临安)安吉的典型调查资料!不能够涵盖全省所有
毛竹林分的立地状况!这样就降低了回归关系式的
使用效果!从而使固碳潜力估算与林分结构调整结
果在某些地区偏差较大参考文献陈双林!萧江华!薛建辉3%%!3竹林水文生态效应研究综述3林业科
9#
林 业 科 学 !" 卷:
学研究! #5’9( " 966 4!%!3
陈双林!萧江华!邹:跃3%%3速生阶段杉木人工林碳素密度)贮量 和分布3林业科学! 9"’9( " #! 4#63 李意德!吴仲民!曾庆波! 等3#66"3尖峰岭热带山地雨林生态系统碳 平衡的初步研究3生态学报! #"’!( " 95# 495"3 刘恩斌!周国模!姜培坤!等3%%63生物量统一模型构建及非线性偏
最小二乘辨识***以毛竹为例3生态学报!6 ’ #% ( " ;;\# 4 ;;\63 刘恩斌!周国模!施拥军!等3%#%3测树因子二元概率分布" 以毛竹
为例3林业科学!!\’#%( " 6 49\3 孟宪宇3#66\3测树学3北京" 中国林业出版社3 漆良华!刘广路!范少辉!等3%%63不同抚育措施对闽西毛竹林碳密
度)碳贮量与碳格局的影响3生态学杂志!"’"( " #!" 4#!""3
阮宏华!姜志林!高苏铭3#6653苏南丘陵主要森林类型碳循环研
究***含量与分布规律3生态学杂志! #\ ’\( " #5 4#3 唐守正!张会儒!胥:辉3%%\3相容性生物量模型的建立及其估计方
法研究3林业科学!9\’G#( " #6 453吴庆标!王效科!段晓男!等3%%"3中国森林生态系统植被固碳现状
和潜力3生态学报!"′( " ;#5 4;!3徐秋芳!徐建明!姜培坤3%%93集约经营毛竹林土壤活性有机碳库研
究3水土保持学报! #5’!( " #; 4#53
曾慧卿! 刘琪璟!冯宗炜3#"; 4#6%3 张建国!段爱国!童书振3%%!3林分直径结构模拟与预测研究概述3
林业科学研究!#5’\( " 5"5 456;3
张:骏!袁位高!葛:滢!等3%%\3毛竹林生态系统中碳储量)固定及其分配与分布的研
究3浙江大学博士学位论文3
周国模!姜培坤3+’53$%%93’<=>HBFA> R=CN/> FS/C=HB
=>Q O0IVBFA> =R
7A/0/HL! 6’!( " ;#% 4;!3−IAF87!′=C0/Fh3%%93Z/CBFSD=>=HBDB>S/ESADAF=SA/> D/QB0FT
R=CN/> R=ESICBQ AFR/>FAQBCBQ" =H/=0EC/HC=DDA>H=EEC/=R<3Z/CBFS
)R/0/HL=>Q [=>=HBDB>S!#5!’# 49( " !!5 4!;53
[BLBCJ,3#6;3&SCIRSICB!HC/TS=Q QC=A> A> N=0=>RBQ I>B2B>?=HBQ O/CBFSF3jZ/CBFSCL!;%" "; 463
+ICPA>HS/> h! K/0QNBCH8)! @
HC/TS< A> ST/R/DDI>ASABF/O=>>I=0E0=>SF3j/IC>=0/O,CAQ
)>2AC/>DB>SF! \#’9( " 955 496\3
.B>BD=J 8! ’=0=D=AY J! ZABHIS< Y3 %%93Y/SB>SA=0R=CN/> FBkIBFSC=SA/> A> ’=_F
O/CBFSF3)>2AC/>DB>S=0&RAB>RBmY/0ARL! \’;( " !# 4!93
!责任编辑:于静娴"
!#