2014, Vol. 50
文章信息
- 巩文, 巩垠熙, 沈晓燕
- Gong Wen, Gong Yinxi, Shen Xiaoyan
- 百年柿树经济系数模型研建及应用
- Establishment and Application of Economic Coefficient Model of Over 100-Year-Old Persimmons
- 林业科学, 2014, 50(10): 140-145
- Scientia Silvae Sinicae, 2014, 50(10): 140-145.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20141019
-
文章历史
- 收稿日期：2014-01-11
- 修回日期：2014-06-03
-
作者相关文章
2. 国家测绘地理信息局第一航测遥感院 西安 710054
2. The First Institute of Photo-Grammetry and Remote Sensing, State Bureau of Surveying and Mapping Xi'An 710054
经济系数(economic coefficient，EC)是农作物栽培研究中的一个常用指标，是经济产量与生物学产量之比，反映农作物有机物转化为人们所需要产品的能力。经济系数越大，越符合人们栽培的目的。经济系数因植物种类、品种、自然条件和栽培措施不同而异，在指导作物育种、栽培与施肥等方面都有非常重要的意义。利用经济系数，可以在已知经济产量的条件下对植物的生物学产量做出估算，因此，经济系数对经济林生物量的研究十分有用。纵观森林碳汇的研究，可以发现，作为森林五大林种之一的经济林的生物量极少有报道(方精云等，1996)，无论是国家级尺度(方精云等，1996； 郭兆迪等，2013； 徐冰等，2010)、省级尺度的森林碳汇研究(张茂震等，2008； 温小荣等，2014)，还是经济林生态系统服务功能的研究(王兵等，2011)等，对经济林生物量均未做出精确的估算，甚至忽略。为此，何方等(1996)、林清山等(2010)、陈世清等(2000)、王泽等(2012)、梁智等(2012)分别对柑橘(Citrus reticulata)、油茶(Camellia oleifea)、矮密栽培红枣(Ziziphus jujuba)、核桃(Juglans regia)等个体(或林分)果实产量(经济生物量)与树高、基径、树龄等进行建模研究，进一步提升了经济林生物量的研究水平，弥补了经济林生物量研究的不足。但这些研究只涉及经济林木的年经济生物量，而未考虑累计的经济生物量，这对反映经济林木一生经济生物量的贡献是不完整的。在现实中，经济林木的果实每年被采摘，不可能像非果实部分那样积累，导致果实部分生物量难以估算。事实上，只要像森林资源监测一样长期对经济林的年产果量进行调查记录，研究果实累积特点和规律，建立相应的估算模型，果实和非果实部分的生物量估算问题就可以得到很好解决。基于这种考虑，本文利用校园内有百年柿树(Diospyros kaki)、实训基地多柿树幼树及学校周边大量栽培柿树这一优势，对柿树经济系数模型研建及其应用进行初步探讨，以便为经济林木的生物量及碳汇研究提供借鉴。
1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况研究区位天水市麦积区甘肃林业职业技术学院校园，地理坐标为34°29′04.89″N，105°54′33.07″E(以学院中心大道图书雕塑中心点坐标为准)，海拔1 160 m，年平均气温11.5 ℃，年平均降水量518 mm。该校1982年由平凉搬迁到现址，当年周边百年柿树呈小片状分布，校园内原有23株，现余7株。现存杮树树龄很大，树势衰弱，每年新生枝条量少而细弱，产量明显下降，并逐年死亡，百年柿树资源越来越少。
1.2 研究方法将校园内2013年死亡的1株百年柿树(树龄184年)伐倒，测其长度，按1 m区分段进行树干解析，称出解析树干质量及直径小于15 cm的树枝质量，截取断面圆盘;将13年生幼树伐倒后，测其长度、胸径，称干枝质量，并挖出全部树根称重；按3 cm厚在H1.3，H1/2，H3/4高处及二级侧根上分别截取干、枝、根的小圆盘，称重，在实验室用烘箱在(103±2)℃烘干至恒重，测定其干生物量。
百年柿树产果量计算方法如下：171~184年树龄的产果量通过2000—2012年的实际产果量记录计算；幼树期的产果量以校内实训基地21株13年生幼树产果记录的平均值作为10 龄级的产果量参考值；20~170年树龄的产果量，采用走访+测定的调查方法确定，对校区附近的崖湾、白石、甘泉、大柳树、曲家坪、杨家河6个村有柿树的农户调查其2013年的产果量、树龄，测定胸径，对树龄不清的柿树用生长锥测定其树龄，共调查柿树62株。
将测定结果按10年1个龄级分组整理(表 1)，按年产果量、龄级产果量及累计产果量分别计算经济系数，然后在Excel中建立树龄与年产果量、累计产果量、总生物量及胸径与年产果量、累计产果量、总生物量、经济系数的散点图。根据散点图用SPSS 19.0分别建立树龄与总生物量、累计产果量、年产果量、经济系数及胸径与年产果量、累计产果量、总生物量、经济系数的模拟模型。
|
图 1表明，柿树的果实、非果实(不包括叶)及总生物量随树龄呈3次多项式关系，分别由模型1，2和3表示(表 2)。3个模型的回归系数高度相关，模型1，3的判定系数R2达到1.000，模型2达到0.997。3个模型预测值与实测值在Excel图中十分吻合，拟合效果理想。
 |
图 1 树龄与BHF，CFPC及TB的关系 Fig. 1 The relationship of age and BNF, CFPC and TB |
|
|
果实部分的生物量较非果实部分大得多，在总生物量中非果实部分只占11.82%，果实部分占88.18%，二者比例为1:7.463。
2.1.2 生物量按胸径估算模型图 2表明，胸径与果实(模型4)、非果实(模型5)及总生物量(模型6)间分别呈高度相关的3次多项式关系，R2均大于0.995。
 |
图 2 DBH与BNF，CFPC及TB的关系 Fig. 2 The Relationship of DBH and BNF，FPC and TB |
胸径易测且精度高，这便于用模型4，5，6估算柿树的生物量。
2.1.3 年经济生物量(年果实生物量)按树龄、胸径估算模型图 3，4表明，年经济生物量与树龄间呈4次多项式关系(模型7)，R2为0.975；年经济生物量与胸径间呈3次多项式关系(模型8)，R2为0.953。两模型拟合效果良好。模型8 R2值的降低、模型7回归项次的增多，以及图 3，4曲线趋势的变化，均反映出年经济生物量波动较大这一特性。
 |
图 3 树龄与AFPCD的关系 Fig. 3 The relationship between age and AFPCD |
 |
图 4 DBH与AFPCD的关系 Fig. 4 The relationship between DBH and AFPCD |
柿树总生物量的平均增长量(mean increase of TB，MITB)与连年增长量(annual increase of TB，AITB)变化曲线及模拟预测的连年增长量(predicted AITB，PAITB)曲线(图 5)表明，该曲线反映柿树龄80年时生物量的连年增长量最大，80年后连年增长量逐渐降低。
 |
图 5 MITB与AITB及PAITB的比较 Fig. 5 The comparison of MITB, AITB and PAITB |
图 5，6，7表明，全树平均生物量最大时的树龄为126年，果实部分生物量平均值最大时的树龄为141年，非果实部分生物量平均值最大时的树龄为108年。按森林经营学的观点，该柿树的数量成熟龄为126年，经济生物量的数量成熟龄为141年，而非果实部分生物量的数量成熟龄为108年，即果实部分的数量成熟龄(图 6)较非果实部分的数量成熟龄(图 7)晚33年，较总生物量的数量成熟龄晚15年。这种差异是柿树自身生物学特性的客观反映。在柿树的生长过程中，当树干材积生长达到数量成熟后，树木生长趋缓并逐步衰老，树干病腐，木材密度降低，单位体积的生物量减少;而韧皮部仍处于良好的生理状态，树木所需养分和营养物质输送畅通，树冠生长正常，结实依旧。生活中所看到的百年柿树主干腐朽成空，但仍正常产果，就是这种原因。
 |
图 6 CFPC平均增长量(MICFPC)与AFPCD连年增长量(AIAFPCD)的比较 Fig. 6 The comparison of mean increase of CFPC (MICFPC) and annual increase of AFPCD(AIAFPCD) |
 |
图 7 BNF平均增长量(MIBNF)与BNF连年增长量(AIBNF)的比较 Fig. 7 The comparison of mean increase of BNF (MIBNF) and annual increase of BNF(AIBNF) |
为进一步了解生物量连年增长量最大时的树龄，对模型3求二阶导数，并求解，得t≈92，即得连年增长量最大时的树龄约为92年。
按上述同样方法，对模型2及模型1求二阶导数，得知该柿树连年果实产量增长量最大时的树龄为97年，非果实部分(不含叶生物量)增长量最大时的树龄为73年。
从柿树果实、非果实及总生物量的连年增长量最大值时的树龄和数量成熟树龄出现的时间看，连年增长量最大值出现得早，其衰老得也早。因此，良好的立地条件和集约的经营措施对延长数量成熟十分有益。
2.3 经济系数EC估算模型图 8，9反映了百年柿树一生的经济系数EC随胸径及树龄的变化，有如下特点：
 |
图 8 EC与DBH的关系 Fig. 8 The relationship between EC and DBH |
 |
图 9 EC与树龄的关系 Fig. 9 The relationship between EC and age |
1)以年产果量与累计生物量之比计算的经济系数EC1随树树龄的增长、胸径的增粗呈逐渐降低趋势，EC1与胸径 、树龄之间可呈现良好的双曲线关系、对数关系和指数关系。从数据验证看，双曲线关系模型更符合实际。胸径、树龄与EC1的模型分别为模型9和模型10，模型拟合效果良好，R2分别为0.929和0.797(表 2)。模型9的预测前推周期为70 cm，即当胸径大于70 cm时，EC1就小于1，而模型10不受预测周期前推的影响。
2)以龄级为时段的产果量与该龄级生物量之比计算的经济系数EC2，与EC1相似，即随树龄的增长、胸径的增粗而降低，但变化速率较EC1趋缓，EC2与树龄、胸径间呈6次多项式关系(模型11)，R2达到0.998(表 2)。
3)以累计产果量与累计生物量之比计算的经济系数EC3随树龄、胸径的增长变化进一步趋缓，相对比较稳定，其平均值为0.846，标准偏差为0.036。总体看，柿树EC变化随观察时间点的不同有很大差异，以年为单位时变化最大，以龄级为单位时变化次之，以一个生命周期为单位时趋于稳定。与农作物的EC相比，EC3的稳定性与农作物的EC特点一致。当把植物的一生看作一个生命周期时，农作物的生命周期接近1年，而多年生的木本植物的一个生命周期少则几年，多则上百年，在这个长周期内，木本植物自身有机物的累积特征与1年生农作物的有机物的累积具有同样机制。因此，对木本植物来说，不论其生长多长时间，在相应时段内EC3只能因品种、栽培条件、经营管理水平等因素有波动，总体上保持稳定，这符合生物自身特性。对同一木本植物整个生命周期中的某个时间点来说，植物个体转化有机物产品的量不等，加之植物个体有机物的累积量随生存时间的延长而增加，EC1呈现有规律地降低。
2.4 树龄估算模型树龄与胸径间呈2次多项式关系：
| $ \begin{array}{l} t = 19.674{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 9 - 1.168{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 3DBH + 0.083{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} 2DB{H^2},\\ {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {R^2} = 0.093 。 \end{array} $ | (12) |
该模型可较好地解决百年以上柿树树龄不容易测定问题，同时也可解决用模型9预测经济系数时胸径前推周期受限于70 cm的问题。
3 结论与讨论1)生物量是研建经济系数模型的基础和关键。柿树的总生物量包括果实和非果实2部分，本研究样木果实部分的生物量是非果实部分的7.4倍，这表明经济林生物量的研究应对累计产果量给予充分考虑，才能客观真实地反映经济林木一生的贡献。
2)百年柿树树龄与总生物量、累计产果量以及胸径与累计产果量的关系均呈3次多项式关系，高度相关，R2达到1.000。EC1与树龄及胸径间分别呈双曲线关系，拟合良好，相关紧密，这为利用经济系数估算不同树龄、不同胸径柿树的生物量提供了方便。
3)柿树EC变化随观察时间点的不同有很大差异，以年为单位时，EC1变化最大，以一个生命周期为单位时，EC3趋于稳定，其值为0.846，标准偏差为0.036。
4)利用树龄、胸径与总生物量、果实部分生物量及非果实部分生物量的模型可方便地对柿树的生物量进行估算。但随着树龄的增大，树木木质部分的生长趋于停止，年轮紧密，难以区分，加之生长锥钻取样条时挤压变形以及树干心腐等因素，造成年轮判断不准，从而导致生物量估算偏差；对小于非果实部分生物量数量成熟时的柿树，胸径易测定，且精度高，对估算生物量很有用，在树势衰弱或生长停止时，胸径难以真实反映出柿树生长状况，不宜用胸径估测生物量；而经济生物量能真实反映经济林木生长状态，无论树龄几何，胸径多大，只要结实，就可依产果量的多少直接判断该树的长势。另外，经济林生物量又是人们最关心的部分，凡是种植经济林树木的农户，都清楚各自年产果量的情况。因此，利用经济系数建立的柿树经济系数模型，可方便地估算出柿树个体生物量，这对经济林生物量研究将提供有益的启示。
5)经济林木的最优经济系数，应包括研究对象一个生命周期中所有果实的贡献，本文只利用该树一生中近10多年的实际采果记录，其余时期的产果量用同立地条件下的调查值，因此拟合的模型虽在校园内的其他百年柿树上应用时表现良好，但在不同立地条件下的适用性如何还需要进一步验证。要准确计算某一经济林木的经济系数，需要进行长期艰苦细致的工作甚至几代人的努力才能完成(张继澍等，2002)。
| [1] |
陈世清,王永安,冯宗炜. 2000. 不同经营措施对油茶林生物产量的影响.经济林研究,18(1):17-19.( 1)
|
| [2] |
方精云,刘国华,徐嵩龄. 1996,我国森林植被的生物量和净生产量.生态学报,16(5):497-508.(1)
|
| [3] |
郭兆迪,胡会峰,李 品.等. 2013.1977—2008年国森林生物量碳汇的时空变化.中国科学:生命科学, 43(5):421-431.(1)
|
| [4] |
何 方,王义强,吕芳德,等.1996,油茶林生物量与养分生物循环的研究.林业科学,32(5):403-410.(1)
|
| [5] |
梁 智,周 勃,邹耀湘. 2012. 核桃树体生物量构成及矿质营养元素累积特性研究. 果树学报, 29(1):139-142.(1)
|
| [6] |
林清山,洪 伟,吴承祯,等. 2010.柑橘林碳汇潜力和生态服务价值研究.福建农林大学学报,39(2):190-195.(1)
|
| [7] |
王 兵,魏江生,胡 文. 2011. 中国灌木林-经济林-竹林的生态系统服务功能评估.生态学报,31(7):1936-1945.(1)
|
| [8] |
王 泽,盛建东,陈波浪,等. 2012. 矮密栽培红枣树生物量及养分积累动态研究. 植物营养与肥料学报,18(1):169-175.(1)
|
| [9] |
温小荣,蒋丽秀,刘 磊,等. 2014.江苏省森林生物量与生产力估算及空间分布格局分析. 西北林学院学报,29(1):36-40.(1)
|
| [10] |
徐 冰,郭兆迪,朴世龙,等.2010. 2000—2050年中国森林生物量碳库:基于生物量密度与林龄关系的预测. 中国科学:生命科学, 40(7):587-594.(1)
|
| [11] |
张继澍,葛秀荣,黄 森,等. 2002,柿树资源的开发利研究. 粮油加工与食品机械, (10):12-15.(1)
|
| [12] |
张茂震,王广兴. 2008.浙江省森林生物量动态.生态学报,28(11):5665-5674.(1)
|