生物量测定方法

1树木生物量测定方法

1.1树木生物量的组成

一木树的生物量可以分为地下及地上两部分，地下部分是指树根系的生物量（WR）；地上部分主要包括树干生物量（WS）、枝生物量（WB）和叶生物量（WL）。在生物量的测定中，除称量各部分生物量的干重量外，有时还要计算它们占全树总生物量干重的百分数，此百分数称为分配比。树干占地上部分的分配比最大（一般为65～70%），而枝叶部分的分配比约各占15%左右。

与材积测定相比，生物量测定的对象更为复杂，测定的部分也多，因而使得生物量的测定工作即复杂又困难。但是树木生物量与树木胸径、树高等测树因子之间也有着密切的关系，这些关系也为树木生物量测定提供了依据。在树木生物量测定中，树冠量的大小与形状对枝、叶量的多少有着显著的影响，因此，在实际工作中，要研究反映冠形和冠量的因子，常用的因子有冠长率、树冠圆满度、树冠投影比等因子，这些因子的意义如下：

⑴冠长率是冠长与树高之比

⑵树冠圆满度是冠幅与冠长之比。用以表明树冠的圆满程度，此值愈大愈圆满，反之而树冠狭长。

⑶树冠投影比是冠幅与胸径之比。用以表明树木营养面积的相对大小，此值愈大则树木占有的相对空间愈大。

上述这些因子在枝叶生物量测定、估计及分析比较中起着较大的辅助作用。而且，这些因子与胸径、树高等测树因子之间有着密切的相关关系，这为利用测树因子直接估测树木生物量提供了依据。

1.2树木生物量鲜重和干重的测定

树体在自然状态下含水时的重量称为鲜重，它是砍伐后立即称量的重量。干燥后去掉结晶水的重量称为干重。在外业中只能测得树木的鲜重，然后采用各种方法将鲜重换算为干重，最常用的换算方法是计算树木的干重比（），即，

而 （11-8）

式中可用取样测定获得。

（1） 树干干重的测定方法

①木材密度法

所谓木材密度是指单位体积的质量,即物质的质量与体积之比值（单位：g/cm3或kg/m3），习惯上以单位体积木材的重量表示木材密度。严格的说,质量与重量有着本质不同，质量指物体所含物质的多少,为物体惯性的尺度,系一恒量,单位为克；重量为地球对物体的引力,等于物体质量与重力加速度的乘积,单位为克。仅纬度45海平面处物体的质量与重量数值相等,若物体所处空间或地理位置变化,则重量也随着变化,但变化极少,在应用上一般可以忽略,而将质量和重量的数值视为相等。因此单位体积的质量和重量也视为相等(成俊卿,1985,木材学)。根据含水状况不同,木材密度通常分为四种：

a.基本密度=绝干材质量/生材(或饱和水)体积

b.生材密度= 生材质量/生材(或饱和水)体积

c.气干密度= 气干材质量/气干材体积

d.绝干密度= 绝干材重/绝干材体积

以上四种木材密度以基本密度和气干密度两种最为常用。基本密度常常用于树干干重的计算，气干密度常泛指气干木材任意含水率时的计算，因所处地区木材平衡含水率或气干程度不同，并有一个范围,如通常含水率在8-20%时试验的木材密度,均称为气干密度。在我国常将木材气干密度作为材性比较和生产应用的基本依据。木材密度测定方法通常有：直接量测法、水银测容器法、排水法、快速测定方和饱和含水率法，具体测定方法详见木材学(成俊卿,1985,木材学)。在木材密度已知的条件下,计算树干及大枝干重的方法一般称为木材密度法,常采用两种基本模式:

木材干重＝木材体积×基本密度 （I）

木材干重＝木材体积×绝干密度×绝干收缩率 （II）

（II）式中绝干收缩率不易确定，因此，多采用（I）式。

在测定基本密度时，常常会碰到一对矛盾:若先测定物体绝干重量时，该物体的体积由于烘干后发生收缩，体积变小，浸泡后很难恢复原体积，使得体积测定系统偏小；若先测定物体饱和水体积时，一方面测定绝干重量的时间大大延长,另一方面由于木材和树皮经长时间浸泡后，其部分木材冷水浸提物如:单宁、碳水化合物、无机物等被浸泡出物体外，使得物体绝干重减轻，造成基本密度系统偏低。为了解决这一矛盾，可采用如下处理方法：

首先将样品一分为二，分别称重记作，然后将第一块样品进行烘干，将第二块样品进行浸泡，这样做能保证样品绝干重量和浸泡体积不产生系统偏差。设其对应绝干重和饱和水的体积分别为。

。

V

其中：是实际烘干的重量；是实际浸泡体积；M样品总干重；V样品总体积。

②全称重法

所谓全称重法就是将树木伐倒，摘除全部枝叶称其树干鲜重，采样烘干得到样品干重与鲜重之比（PW），从而计算样木树干的干重。这种方法是测定树木干重最基本的方法，它的工作量极大，但获得的数据可靠。本方法干重比可用很多方法进行估计，视不同情况而定。另外，还可将树木的鲜重根据相应的含水率，换算出树木的绝干重。根据国内一些研究表明(张治强1981)，树干以鲜重为基础的气干含水率Pf为

（11-9）

式中Wad为气干重，而气干含水率Pf随着树干部位的不同而变化。以气干重为基础的绝干含水率Pad为

（11-10）

式中Wod为绝干重，而绝干含水率Pad不随树干部位的不同而变化。在实际测定中，可先测得样品的气干重（Wad），再通过以气干重为基础的绝干含水率（Pad）换算成以鲜重为基础的绝干含水率（Pf），即

（11-11）

据此，可以计算出所有样品的绝干含水率，并计算出平均绝干含水率后利用（11-7）式计算各部分的干重。

(2).枝、叶重量测定方法

测定林木枝、叶生物量有两种主要方法。一种标准枝法；另一种方法是全称重法。

①标准枝法

所谓标准枝法是指在树木上选择具有平均枝基径与平均枝长的枝条，测其枝、叶重用于推算整株树枝、叶的重量。根据标准枝的抽取方式，该法又可分为：平均标准枝法和分级标准枝法。

a.平均标准枝法

(i)树木伐倒后，测定所有枝的基径和枝长,求二者的算术平均值即和。

(ii)以和为标准，选择标准枝，标准枝的个数根据调查精度确定，同时要求标准枝上的叶量是中等水平。

(iii)分别称其枝、叶鲜重，并取样品。

(iv)按下式计算全树的枝重和叶重。

（11-12）

式中：--全树的枝数；

---- --标准枝数；

-----标准枝的枝鲜重或叶鲜重；

b.分层标准枝法

在树冠上部与下部的枝粗长度、叶量变动较大时，可将树冠分为上、中、下三层，在每一层抽取标准枝，根据每层标准枝算出各层枝、叶的鲜重重量，然后将各层枝、叶重量相加，得到树木枝、叶鲜重。由于将树冠分为上、中、下三层分别抽取标准枝，因此该方法能够较好地反映出树冠上、中、下枝和叶的重量，对树冠枝和叶的重量估计较平均标准枝法准确。另外，在测算过程中，可以通过烘干的方法，测得枝、叶生物量的干重。

②全称重法

具体方法与树干重量的全称重法相同。

(3) 树根重量测定方法

树根重量的测定方法可分为两类：一类是测定一株或几株树木的根重量以推算单位面积的重量；另一类是测定已知面积内的根生物量用面积换算为林分的生物量。前一种方法要求在根的伸展范围内，能明确区分出哪些根是应测定的；后一种方法则测定已知面积内全部根量，而不论它属于那一株树。下面简单介绍两种方法：

①第一类方法

以所选样木树干基部为中心向四周辐射，将该样木所有根系挖出，并量测挖掘面积，称量挖出根系的鲜重，随后取样带回烘干，计算含水率，推算单位面积的生物量。

②第二类方法

a.样方的设置

第一步：样方的水平区划 以伐桩为中心，作边长等于平均株距（S）的正方形的样方内依次作半径为及的同心圆，小圆的编号为“1”，大圆编号为“2”，样方的其它部分编号为“3”。

第二步：样方的垂直区划由地表向下划分层次，各层的厚度可以不相等，上层较薄（10—15cm），下面的层可较厚（30—50cm）。各层的编号由上而下分别为I、II…V…。

b.根的分级

按直径的粗细将根分为五级，每级的距离和名称见表11-4，中根（大于0.5cm）以上全部称重，细根（小于0.2cm）及小根（0.2-0.5cm）其重量虽不大但数量极多，很容易遗漏，可于样方内建一定大小的土柱，在土柱内仔细称量这两类根的重量。

表11-4 根 的 分 级

级 别

细 根

小 根

中 根

大 根

粗 根

直径（cm）

<0.2

0.2-0.5

0.5-2.0

2.0-5.0

>5.0

c.根重量的测定

从每个区划中仔细地挖出根，清除泥土，按标准分级，小根及细根所带泥土较多，应放于土壤筛中筛去泥土，将清理后的根带回室内，用水冲洗阴干至初始状称鲜重，采样，烘干求得干重。

2林分生物量测定方法

2.1皆伐实测法

为较准确地测定林分生物量，或者为检验其他测定方法的精度，往往采用小面积皆伐实测法，即在林分内选择适当面积的林地，将该林地内所有乔、灌、草等皆伐，测定所有植物的生物量（Wi），它们生物量之和（∑Wi）即为皆伐林地生物量，并接下式计算全林分生长量（W）：

（11-13）

式中：A——全林分面积

S——皆伐林地面积

该方法对林分中的灌木、草本等植物生物量的测定更为适合。

2.2标准木法

(1).平均标准木法

即以每木调查结果计算出全部立木的平均胸高直径为选择标准木的依据，把最接近于这个平均值的几株立木作为标准木，伐倒称重。然后，用标准木的平均值（）乘单位面积上的立木株数（N），或用标准木生物量（Wi）的总和（）乘单位面积上胸高总断面积（G）与标准木胸高断面积（g）总和（）之比，求出单位面积上的林分生物量（W），即：

（11-14）

或 （11-15）

(2).分层标准木法

依据胸径级或树高级将林分或标准地林木分成几个层，然后在各层内选测平均标准木，并伐倒称重，得到各层的平均生物量测定值（），乘以单位面积各层的立木株数（Ni），即得到各层生物量（Wi），各层生物量之和，即为单位面积林分生物量总值（W），即

（11-16）

（11-17）

2.3回归估计法

林木生物量回归估计法是以模拟林分内每株树木各分量（干、枝、叶、皮、根等）干物质重量为基础的一种估计方法。它是通过样本观测值建立树木各分量干重与树木其它测树因子之间的一个或一组数学表达式，该数学表达式也称林木生物量模型。表达式一定要尽量反映和表征树木各分量干重与其它测树因子之间内在关系，从而达到用树木易测因子的调查结果，来估计不易测因子的目的。

林木生物量模型的方程很多，概括起来有三种基本类型：线性模型，非线性模型，多项式模型。线性模型和非线性模型根据自变量的多少，又可分为一元或多元模型。非线性模型应用最为广泛，其中相对生长模型最具有代表性，是所有模型中应用最为普遍的一类模型。 (1).相对生长模型（非线性模型）

相对生长模型是指用指数或对数关系反映林木维量之间按比例协调增长(Harmonious growth)的模型。作为比例变化协调增长的这些指数或对数关系被称为相对生长。

（11-18）

式中：E为随机误差

（11-18）式两边取对数为

（11-19）

假设:和的生长率成比例，即 其中b称为相对生长系数，两边积分结果为： (为积分常数)

则Y=aXb (11-20)

在（11-18）式中b为相对生长系数，当b>1时，与表示为正的相对生长关系，的生长快于生长；当b<1时，则表示为负的相对生长关系，的生长慢于生长；当b=1时，为等速生长。

Kittredgt(1944)首次将相对生长模型引入到树木上，并成功地估计了叶的重量。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，直到Ruard（1987）等人对该模型提出了不同见解。他们认为林木各维量之间相对生长率随林木大小的变化有可能不是一个常数，提出和的生长率与大小呈线性关系，即

两边积分得

lnY+K1=blnX+CX+K2

即 （11-21）

令 时

则有 Y=aXbeCX （11-22）

在林分生物量估测中，经常采用林木胸径（D）、树高（H）等测树因子建立林木生物量回归估计方程，如

W=aDb (11-23)

或 ln(W)=ln(a)+bln(D) (11-24)

W=a(D2H)b (11-25)

或 ln(W)=ln(a)+bln(D2H) (11-26)

式中W——林木生物量

D——林木胸径

H——林木树高

a、b——回归常数

(2)．多项式模型

W=a+bD+cD2 (11-27)

式中符号意义同前

在实践工作中，为了简便和提高估计精度，经常分别林木组成的分量与测树因子的关系，建立各分量的回归估计模型。各分量生物量之和即为林木生长量的估计值。建立树干生物量估计模型时，常选用的林木胸径（D）、树高（H）及（D2H）为自变量。建立树冠生物量估计模型时，常选用林木胸径、树高、冠幅、冠长率、冠下径（即树冠基径）等因子为自变量。建立树根生物量估计模型时，常选用林木胸径及根径等因子为自变量。

回归估计法是林分生物量测定中经常采用的方法之一，此外，可根据测定的目的及学科专业的特点，往往还采用光合作用测定法及CO2测定法。另外，对于大面积森林的生物量测定，可采用以遥感技术为基础的估计方法