生物量是表征植物活动的关键变量，森林生物量研究涉及到生态系统生产力、碳循环，是全球变化研究的基础参数(Dixon et al., 1994)。为了准确评估森林在全球不同尺度地学过程中的作用，在国家或区域尺度上对森林生物量进行监测评价是林学领域研究的重点(Houghton et al., 2001; Falkowski et al., 2000.)。全球碳循环研究表明，北半球中纬度地区是大气CO₂的一个重要碳汇(Tans et al., 1990; Ciais et al., 1995)。北半球中高纬度地区在全球变化与陆地生态系统研究中成为世界各国科学家关注的焦点区(Hansen et al., 1996; Goulden et al., 1998)。新疆占有中国1/6的国土面积，是全球变化比较敏感的区域之一，新疆生物地球化学循环特征对中亚区域陆地生态系统的演化、区域气候和温室气体源、汇总量有较大影响。对于如何选择合适的生物量模型对某一区域环境过程进行研究，还没有形成完整的理论和方法体系。本研究利用遥感数据结合地面调查和森林资源调查数据，构建森林生物量监测模型，利用生物量监测模型和地理信息系统计算分析新疆西天山雪岭云杉(Picea schrenkiana)林生物量的时空规律。

1 研究区概况

研究区位于新疆伊犁地区境内(80°09′42″—84°56′50″ E，42°14′16″—44°55′30″ N)，总面积2.034万km²，其中林业用地面积约占48.8%。以雪岭云杉林为主的西天山森林经营和管护范围包括新疆伊犁地区8个县的9个山区国营林场，主要分布于伊犁河谷大小支流的上游。西天山森林大都分布在山地海拔1 500~2 800 m的阴坡、半阴坡。西天山云杉林面积和蓄积量分别占整个天山林区云杉林的54%和62%(新疆森林编辑委员会, 1989)，整个林区的景观格局具有鲜明的中亚山地森林特征。林地和草地交错分布，成、过熟林比重大，中、幼龄林比重小。林型简单，树种单纯。天山云杉林的林分、林相结构简单，与其他地物的遥感特征差异明显。整个林区全年晴空日数多，大气透明度高，卫星和航空遥感数据的质量很高，这些都为本文的研究提供了比较理想的研究条件。

特克斯河发源于哈萨克斯坦共和国境内，由新疆昭苏县南北山地之间入境，流经昭苏县、特克斯县、巩留县注入伊犁河。特克斯河上游及其大小支流均位于云杉林为主体的山地森林分布区，主要有天山山系的哈尔克山、阿拉喀尔山、那拉提山等山脉。区域年径流量28.54亿m³，区域面积6 184 km²。

喀什河发源于西天山尼勒克林区东部的依连哈比尔尕山，全长302 km，年径流量32.7亿m，从东向西汇入伊犁河。其大小支流位于西天山山系阿吾拉勒山脉北部阴坡、半阴坡和科古琴山、婆罗科努山南部阴坡半阴坡的云杉林分布区内。区域面积3 854 km²。

巩乃斯河发源于安迪乌拉尔山冰川区，自东向西由谷地中部流经新源林区汇入特克斯河。全长258 km，年径流量5.45亿m³，区域面积2 534 km²。

其他流域指除上述大支流以外的伊犁河谷大小支流区域，主要指位于西天山山系的哈尔克山、婆罗科努山、科古尔琴山、科克乔喀山等山脉。西与哈萨克斯坦共和国接壤，伊犁河由此区域的察布查尔县出境流往哈萨克斯坦。区域内水系丰富而分散且无大的干支流，区域内多条支流直接汇入伊犁河，主要有察布查尔河、曲里海、果子沟河及苏阿苏萨依等大小河流20余条，合计年径流量15.65亿m³。本区域地处霍城、查布查尔、伊宁林区，区域面积3 577 km²。本区域云杉林面积和生物量分别占伊犁河流域云杉林的21.12%和20.85%，仅次于特克斯河流域。

2 研究方法

遥感数据：影像数据为覆盖整个西天山1986年9月6—20日、1996年9月21—30日及2007年9月7—18日这3个时间段的TM/ETM+数据和2007-10-14—10-20日的CBERS02B-HR数据(2.4 m分辨率)。

森林资源调查数据：西天山林区历次森林经理调查数据、森林资源连续清查数据及最新区划数据。

实地生物量测定数据：由于国家森林资源保护政策，西天山林区为禁伐区。根据森林经理调查数据计算了部分林分的平均测树因子(树高、胸径等)，以此为据在西天山林区的巩留、尼勒克、特克斯、查布查尔、伊宁与昭苏林场选取少量野外风倒云杉进行了生物量测定，共测定各龄级云杉233株。

以卫星数据解译结合抽样调查方法提取云杉林信息(李虎等, 2003)。利用数字化地图(1:50 000)对遥感影像数据进行校正，将森林经理区划的云杉林小班、林班数据进行投影并与影像数据叠合，提取各龄级云杉林植被指数与林区内土地利用动态变化信息。结合林分小班调查数据，反演不同龄级的云杉林植被指数，对各植被指数与各龄级单位面积云杉林蓄积量与生物量进行相关分析。通过分析，选取归一植被指数(NDVI)、比值植被指数(RVI)作为云杉林生物量遥感反演参数。将相关系数最高的植被指数与云杉林蓄积量分别建立一元、多元线性及非线性回归方程，提取筛选相关系数最高、统计显著性最强的方程作为云杉林蓄积量遥感估测模型，模型中Y为云杉林蓄积量(m³·5hm², X_RVI为云杉林比值遥感植被指数，X_NDVI为云杉林归一遥感植被指数(表 1)。

根据历次天西林业局森林资源连续清查数据、森林经理调查数据和实地生物量测定数据，得出西天山云杉林生物量与蓄积量的相关关系：

(1)

式中：B为生物量(t·hm^-2)，V为蓄积量(m³·hm^-2)，相关系数R=0.968(α＝0.05)。

根据多期遥感影像提取云杉林植被指数，利用云杉林蓄积量遥感监测模型和公式(1)计算20年来西天山云杉林各龄级生物量，同时根据抽样原理抽取一定数量的实地森林经理小班调查数据、标准木生物量测定数据对计算结果进行验证和修正。基于遥感和GIS分析，提取1986—2007年天山西部云杉林变化信息，动态分析1986、1996与2007年3期森林生物量监测数据，对西天山云杉林生物量的时空分布变化进行评价分析。

3 结果与分析

3.1云杉林单位面积生物量动态变化

将3期云杉林生物量数据进行平均(表 2)，得出1986—2007年20年间西天山云杉林总体单位面积生物量为142.73 t·hm^-2。其中1986年西天山云杉林的单位面积生物量最高，为143.165 t·hm^-2, 1996年云杉林单位面积生物量下降到141.875 t·hm^-2, 2007年又恢复到143.15 t·hm^-2。20年间全林区云杉林生物量的动态变化呈现出前期(1986—1996)减少、后期(1996—2007)增加、总体略有下降的特点。

根据计算，西天山云杉林单位面积生物量均值的大小依次为过熟林、成熟林、近熟林和中幼林。根据表 2数据分析，20年间西天山云杉林单位面积生物量变化不大。其中近熟林和成熟林的单位面积生物量略有增加, 中龄林、幼龄林及过熟林的单位面积生物量减少。

3.2 西天山林区云杉林面积与生物量动态变化

1986—2007年20年间，西天山云杉林的面积减少了1.9%，生物总量减少了1.92%。其中，1986—1996年间，西天山云杉林的面积减少了2.88%，生物总量减少了3.77%。1998年国家天然林保护工程实施后，西天山林区的天然森林资源得以恢复。1996—2007年西天山云杉林面积增加了1%，生物总量增加了1.91%。以下对西天山林区不同年龄阶段云杉林面积与生物量变化进行分析(表 3)。

3.2.1 幼龄林

1986—1996年，由于人工更新，大量的采伐迹地郁闭为云杉幼龄林，西天山云杉幼龄林面积增加了12.24%，尽管单位面积生物量较1986年有所下降，整个林区幼龄林的生物量较1986年仍增加了11.44%。进入90年代中后期，由于国家天然林保护工程的实施，大规模的林区采伐和更新停止，加上20世纪80年代初期的云杉大苗发育更新云杉幼龄林面积减少了9.7%。相应地，2007年云杉幼龄林生物量比1986年减少了9.6%。20年间西天山云杉幼龄林总体面积增加了1.35%，生物量增加了1.4%。

3.2.2 中龄林

根据表 3数据分析，1986—1996年西天山云杉中龄林的面积增加了7.89%，生物总量增加了6.58%。国家天然林保护工程实施与西天山林区禁伐后，部分云杉中龄林发育为近熟林，此外，病虫害、火灾、盗伐等因素也造成云杉中龄林面积与生物量减少。1996—2007年10年间西天山云杉中龄林面积减少了3.7%，生物总量减少了4.1%。20年间西天山云杉中龄林总体面积增加了3.7%，生物量增加了2.19%。西天山林区中龄林生物量变化说明在天然林保护工程实施后不能仅简单地对云杉林实施禁止采伐，应加强中幼林的管护与保育。

3.2.3 近熟林

受林分枯损、采伐、盗伐等因素影响，1986—1996年10年间西天山云杉近熟林面积减少了2.56%，生物总量减少了2.05%。西天山林区实施天然林保护工程后，1997年与1986年相比近熟林面积增加了1.1%，生物量增加了1.9%；1986—2007年20年间近熟林总体面积减少了1.48%，生物量减少了0.198%，基本达到了20世纪80年代中后期水平。这说明天然林保护工程使西天山林区的森林资源在一定程度上得到了恢复。

3.2.4 成熟林

成熟林是西天山森林的主体林分，蓄积量和生物量占整个西天山林区的58.75%。受森林主伐影响，1986—1996年10年间西天山云杉成熟林面积减少了6.48%，生物量减少了6.63%。1996—2007年，受天然林保护工程和部分近熟林发育为成熟林等因素影响，云杉成熟林面积与生物量有所恢复，与1996年相比分别增加了3.2%和3.75%。1986—2007年20年间，西天山云杉成熟林面积减少了3.49%，生物量减少了3.13%。

3.2.5 过熟林

西天山云杉过熟林生物总量仅次于成熟林和近熟林且单位面积生物量最高。从面积变化来看，1986—2007年云杉过熟林面积比例分别为5.56%，5.82%与5.7%，由于林分分布、可及度等因素，20世纪80年代的主伐是以成熟林为主要对象的，而对过熟林的采伐强度不高，加之林龄递增等原因使云杉过熟林面积增加。由于云杉属浅根性树种，进入老龄后枯损腐朽率增加而大批风倒，造成了云杉过熟林面积和生物量的减少。1986—1996年，西天山云杉过熟林面积增加了1.55%，生物总量增加了1.37%。1996—2007年，西天山云杉过熟林的面积减少了1.1%，生物量减少了2.54%。1986—2007年20年间，西天山云杉过熟林面积增加了0.43%，由于单位面积生物量的减少和疏林地面积比例的增加，在总体面积增加的情况下西天山云杉过熟林生物量减少了1.2%。

3.3 区域云杉林面积与生物量动态变化 3.3.1 特克斯河流域

特克斯河流域云杉林面积和生物量位居伊犁河流域山地森林之冠(表 4，5，6，7)，分别占49.12%和48.45%。1986—2007年20年间，特克斯河流域云杉林的面积减少了1.93%，生物量减少了1.96%。其中，1986—1996年云杉林的面积减少了2.54%，生物量减少了3.65%。1996—2007年云杉林面积增加了1%，生物量增加了1.75%。

将3期云杉林生物量数据进行平均后得出特克斯河流域云杉林总体单位面积生物量为140.78 t·hm^-2。从不同的年龄阶段分析，特克斯河流域不同龄级云杉林的生物量动态变化趋同于全林区，即遵从前期减少、后期增加的规律。20年间变化比较显著的是中龄林，随后依次为成熟林、近熟林、幼龄林与过熟林。云杉林变化的区域主要集中在流域内的库克苏河、大吉尔格朗河、库克铁勒克河、木扎特河、夏塔河、阿克苏河等支流两岸。

3.3.2 喀什河流域

喀什河流域云杉林面积和生物量(表 5)分别占伊犁河流域云杉林的14.67%和15.31%。喀什河流域云杉林总体单位面积生物量为148.77t·hm^-2，为整个伊犁河流域最高的区域。

1986—1996年因采伐等原因喀什河流域云杉林面积与生物量分别减少了2.91%和3.3%。1986—2007年该区域云杉林总体面积与生物量几乎没有变化，而且最高云杉林总体单位面积生物量出现在2007年(148.99 t·hm^-2)，说明经过近10年的天然林保护工程的休养生息，该流域的云杉林已恢复到1986年时的水平。该区域的云杉林主要分布于喀什河南北两岸的阿勒斯旦、阔尔库、唐巴拉、克达德萨依、乌拉斯台、阿尔撒郎等主要支流。

3.3.3 巩乃斯河流域

巩乃斯河流域云杉林面积和生物量(表 6)分别占伊犁河流域云杉林的15.06%和15.37%，云杉林总体单位面积生物量为145.73 t·hm^-2。

1986—2007年20年间，巩乃斯河流域云杉林的面积减少了1.49%，生物量减少了1.18%。1986—1996年云杉林面积减少了2.74%，生物量减少了3.06%。1996—2007年巩乃斯河流域云杉林面积增加了1.29%，生物量增加了1.94%。就各龄级云杉林而言，20年间巩乃斯河流域的幼龄林、中龄林和过熟林的面积和生物量均处于增长状态，近熟林与成熟林因采伐等原因在1986—1996年间处于减少状态，经过近10年的恢复，面积和生物量有所增加，2007年云杉林总体单位面积生物量达到20年最高点(146.18 t·hm^-2。)

3.3.4 其他流域

本区域云杉林总体单位面积生物量为140.91 t·hm^-2(表 7)，为整个伊犁河流域最低的区域。1986—1996年，本区域云杉林面积和生物量分别减少了3.7%和4.83%，10年间减少的幅度在伊犁河流域云杉林中位居首位。1996—2007年本区域云杉林面积和生物量分别增加了0.6%和1.58%，10年间增加的幅度低于其他区域。1986—2007年20年间，本区域云杉林面积和生物量分别减少了3.06%和3.33%。本区域云杉林面积和生物量动态变化的主因为该区域交通便利且接近人口稠密地区，人为活动对森林干扰强度较大，在一定程度上影响了云杉林的保育与恢复。另一方面，本区域的森林立地环境较差，恢复程度相应地也较差。

4 结论与讨论

20年间西天山林区云杉林生物量的动态变化呈现出前期(1986—1996)减少、后期(1996—2007)增加、总体略有下降的特点，主要表现如下。1) 1986—2007年20年间西天山云杉林总体单位面积生物量为142.73 t·hm^-2。其中1986年西天山云杉林的单位面积生物量最高为143.165 t·hm^-2, 1996年下降到141.875 t·hm^-2, 2007年又恢复到143.15 t·hm^-2。不同年龄阶段云杉林的面积变化也与云杉林单位面积生物量的变化趋势相同。2)西天山云杉林单位面积生物量均值的大小依次为过熟林、成熟林、近熟林和中幼林。20年间西天山云杉林单位面积生物量变化不大。其中近熟林和成熟林的单位面积生物量略有增加, 中幼林、过熟林的单位面积生物量减少。3) 1986—2007年20年间，西天山云杉林的面积减少了1.9%，生物总量减少了1.92%。其中，1986—1996年间，西天山云杉林的面积减少了2.88%，生物总量减少了3.77%。1996—2007年西天山云杉林面积增加了1%，生物总量增加了1.91%。4)就不同区域云杉林生物量动态变化而言，喀什河流域云杉林总体单位面积生物量最高，随后依次为巩乃斯河流域、特克斯河流域及其他流域。1986—2007年20年间，特克斯河流域云杉林的面积减少了1.93%，生物量减少了1.96%；喀什河流域云杉林的面积减少了0.6%，生物量减少了1%；巩乃斯河流域云杉林的面积减少了1.49%，生物量减少了1.18%；其余流域云杉林的面积减少了3.06%，生物量减少了3.33%。

天山云杉林是天山山地最主要的地带性植被，是构成天山乃至新疆森林生态系统的主体。选取该区域开展森林生物量的相关研究，可以填补我国对于中亚地区山地森林生物量和森林生态系统生产力研究的不足。利用NDVI进行大范围的植被生物量与NPP的估算和动态监测，国内外已有大量实例(Brown et al., 1989)，对于多尺度森林生物量的整合研究，多时空数据和整合模型是最重要的2个方面。数据来源复杂、缺乏约束体系都会影响结果的科学性和准确性，是森林生物量研究今后需要着力解决的问题。本文基于遥感测量和地面调查相结合的研究思路，对西天山林区不同龄级的云杉林生物量测算方法及其动态变化进行了研究，为基于不同尺度森林生物量模型的构建提供了可行方法。研究结果对于解决临界指标可比性差和模型参数不准确等问题具有借鉴作用。

以下问题还需在后续研究中解决：1)生物量转换因子BEF虽在全国范围比较通用，但对于不同龄级的云杉还需在实测生物量的基础上再次调整；2)对所建立的不同龄级的云杉生物量遥感模型，在进行后续研究时应考虑更多生物量影响因子，如将森林立地类型、立地指数与气象因子等要素与生物量进行相关研究分析，并对遥感生物量模型的系数再次修正和不断优化；同时结合土地覆盖与土地利用变化，进一步研究森林生物量动态变化、森林碳储量及能量流动的方式。