基于林分生物量的中国阔叶林立地质量评价模型构建与应用

本文推荐了一项基于国家森林清查数据（NFIs）的中国阔叶林立地质量评价研究。作者创新性地以林分生物量替代传统树高指标，构建了基于Richards模型的广义立地生产力指数模型（SPI），其平均决定系数（R2）达0.91，精度超过90%。该模型成功实现了不同树种立地质量的标准化评价，揭示了2003-2018年间中国阔叶林立地生产力持续提升的趋势（I-II类林地增加4.78%），为碳中和战略下的森林碳汇管理和可持续经营提供了重要技术支撑。

　　

引言：立地质量评价的科学价值与挑战

立地质量（Site Quality）是衡量特定立地条件下植物生物量或木材体积生产能力的重要指标。在全球气候变化背景下，准确的立地生产力评估不仅关乎木材产量预测，更是量化森林碳汇潜力、模拟生态系统响应和环境变化、指导气候适应性森林管理的关键。传统高度基评价方法（如优势木高-胸径关系）易受经营措施和气候波动影响，在混交林、异龄林或复层林中等复杂条件下表现不佳。

生物量基评价方法作为替代方案，能更全面反映森林生产力。中国缺乏全国尺度的标准化立地质量评价体系，特别是在"碳达峰、碳中和"战略背景下，亟需建立适用于多样化森林生态系统的大尺度评价模型。本研究旨在构建中国主要阔叶林类型的生物量基立地生产力指数模型，为全国尺度森林生产力评估提供基础工具。

数据来源与统计描述

研究数据源自第六至九次国家森林清查（NFI）的永久样地数据，涵盖1999-2018年四个周期。根据主要阔叶树种优势度（体积占比>65%），确定了18个树种组，包括栎类（Quercus spp.）、桦木（Betula spp.）、水胡黄（FJPh）、樟类（Cinnamomum spp.）等硬阔类，以及杨树（Populus spp.）、柳树（Salix spp.）、桉树（Eucalyptus spp.）等软阔类。筛选冠层密度≥0.7且未受采伐影响的样地，采用国家碳计量专用异速生长模型计算生物量，缺失参数时使用生物量扩展因子法转换。

最终建模使用22,622个样地，其中栎类样地最多（9,229个），楠木（Phoebe spp.）最少（仅55个）。林分平均年龄5-55年，森林生物量33.8-132.3 t/ha，体现了中国阔叶林的高度多样性。

研究方法：模型构建与验证体系

指导曲线拟合是立地生产力指数模型的基础。研究比较了Richards、Logistic和Korf三种生长模型，其方程分别为：

B_T = a·(1-e^-b·A)^c (1)

B_T = a/(1+b·e^c·A) (2)

B_T = a·e^b/Ac (3)

参考年龄（A_R）通过林分生物量和生产力变差系数（CV）的稳定性和敏感性确定，范围5-60年。热带亚热带速生树种（如桉树、相思）参考年龄较低（5-10年），硬阔叶树种普遍较高。

采用相对系数法编制立地生产力指数表，通过±3倍标准差原则确定五级生产力等级的上下限曲线。广义生产力指数模型通过树种间转换系数实现：

B_ij(G) = (f_S/B_0k(S))·[(1-e^{-b_(G)·A_ij(G)})^c_(G)/(1-e^{-b_(G)·A_re(G)})^c_(G)] (7)

模型检验包括散点检验和适用性检验。散点检验要求90%以上数据点落在曲线簇范围内；适用性检验要求不同清查期间立地等级波动率低于5%。空间分析采用克里金插值法（Kriging）：

?(x) = Σλ_iZ(x_i) (9)

研究结果：模型性能与动态变化

指导曲线拟合结果显示，Richards模型平均R²=0.91，SEE=12.88 t/ha，优于Logistic（R²=0.90，SEE=12.98 t/ha）和Korf模型（R²=0.89，SEE=13.53 t/ha）。尽管Richards模型普遍适用，但在刺槐（Robinia spp.）等树种中出现参数偏离生物学规律的情况，需改用Logistic模型。

散点检验通过率全部超过90%（桦木最高96.53%，其他软阔最低90.03%），样本量越大通过率越高。广义模型与树种特异性模型的Spearman相关系数>0.99，仅1.41%样地（318个）发生等级变化（主要发生在年轻林分），证明了广义模型的可靠性。

构建的广义阔叶林立地生产力分级表显示：参考年龄50年时，I-V级中位生物量分别为228.7、178.7、128.7、78.7和28.7 t/ha。表中年幼林分（5年）生物量0.7-10.5 t/ha，成熟林分（130年）达388.9-484.3 t/ha，代表了广义平均水平。

动态分析表明2003-2018年间阔叶林立地生产力持续改善：I-II类林地比例从30.57%增至35.35%（增加4.78%），IV-V类从39.84%降至35.16%（减少4.69%）。虽然2003-2008年间出现轻微退化波动，但整体呈上升趋势。空间上，生产力提升区域主要集中在年降水量400 mm以上地区，但热带亚热带地区生产力水平并非普遍高于温带地区。云南、贵州、四川和广西等省份在特定时段出现轻微下降。

讨论：方法论创新与应用前景

本研究开发的广义立地生产力指数模型实现了大区域尺度不同阔叶树种立地质量的标准化评价。15年数据周期对于检测环境变异引起的立地质量趋势变化可能较短，但模型表现出了良好的稳定性和准确性。

研究强调应主要关注中龄林和近熟林进行评估，减少年轻林和过熟林的不确定性。热带亚热带速生树种（如杨树、桉树）因经营目的常提前采伐，82.41%杨树样本年龄<30年，缺乏自然成熟林数据。这些树种的评价方法应与常规立地质量评估区别对待。

立地生产力指数反映的是实现的生产力而非固有立地质量。观测到的波动部分源于方法学不确定性（生物量模型误差传递、样地测量误差、年龄极端值模型稳健性有限等）。真正的立地质量受稳定土壤和地形因素控制，不会快速变化。持续的高质量立地（I-II类）增加趋势可能源于经营实践改善，但需要整合土壤理化性质和气候数据建立更机械的模型，区分长期立地潜力和短期生产力波动。

与传统高度基方法相比，生物量基评价能更直接反映立地生产能力，减少林分密度和经营措施的影响偏差。虽然生物量数据获取比高度数据困难，且假设林分能达到完全立木度（冠层密度1.0）的理想条件，但本研究通过设置冠层密度>0.70和无采伐条件的前置要求，有效提升了评估的实用性。

结论：技术突破与管理意义

本研究基于年龄-生物量关系建立了主要阔叶林分的立地生产力指数模型，并通过转换系数构建了广义模型。统计验证证实了广义模型的可行性，适用于林业管理和预测应用。2003-2018年NFI样地数据分析表明，尽管5年间隔期存在因方法学不确定性引起的波动，但阔叶林立地生产力呈现持续改善趋势。

广义立地生产力指数模型在传统林业之外的现代生态和环境管理中具有重要应用价值：可整合到大规模碳预算模型中提供更准确的区域碳汇估算；作为评估森林气候变化脆弱性的关键变量；为决策者提供森林恢复项目的目标资源分配指导，确保投资投向具有最高生物量积累和碳捕获潜力的地区。这一技术突破为中国的碳中和战略和森林可持续经营提供了科学依据和技术支撑。