宁夏宁夏人工酿酒葡萄林生物量分配格局及生物量估测模型研究

宁夏宁夏人工酿酒葡萄林生物量分配格局及生物量估测模型研究

生物量作为生态系统中积累的有机物质总量，是整个生态系统运行的能量基础和养分来源。研究生物量分配规律有助于理解人工林生长格局和资源分配动态。近年来,国内外学者对许多树种的生物量进行了研究,并逐渐扩大研究范围,不仅在个体、种群、群落、生态系统、区域和生物圈等多尺度上开展生物量的研究,而且更加深入地对同一树种的生物量进行研究,包括同一树种不同地理种源、不同发育阶段和不同自然地带的生物量差异,以期建立生物量树种权重指标体系,实现对森林生物量较为精确的估测。利用构件因子来估算人工林生物量,对于人工林生产力、碳储量、碳汇功能的评价及研究全球气候变化和碳平衡具有重要科学意义。通过生物量模型的建立来估测灌木林分生物量的研究已有很多报道,灌木生物量自变量以及模型的选择是多样的,但都与灌木的形态有密切联系,有研究采用冠幅(C)和高度(H)的复合因子CH作为变量对其生物量进行拟合[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25],也有研究采用基径(D)、株高(H)以及复合因子D2H作为自变量对其生物量进行拟合[26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36],均取得理想效果。宁夏贺兰山东麓地区因其独特的土质和气候条件,被国内外专家公认为世界酿酒葡萄生长最佳生态区之一。目前,贺兰山东麓地区优质酿酒葡萄种植总面积近2万hm2,占全国葡萄种植总面积的15%,有着巨大的经济、社会及生态效益。目前,对贺兰山东麓酿酒葡萄研究主要集中在葡萄产量、品质及土壤环境方面[38,39,40,41,42,43],对其生物量在时间序列上的生长和分配规律的研究还鲜见报道,对于生物量估测模型的建立,还不清楚。鉴于此,本研究通过测定贺兰山东麓不同年龄酿酒葡萄人工林地上及地下生物量,利用株高、茎粗等构件因子建立生物量估测模型,旨在研究人工酿酒葡萄林生物量分配变化规律,为该地区酿酒葡萄人工林碳汇功能评价和应对气候变化研究提供科学依据。1半干旱气候、降水、土壤条件本研究区在位于宁夏贺兰山东麓酿酒葡萄集中栽培的玉泉营农场(N38°23′,E106°47′)进行,为贺兰山东麓冲积扇与黄河冲积平原之间的宽阔地带。该地区属温带半干旱气候,年平均气温8.5~9.0℃,≥10℃有效积温3135~3272℃,昼夜温差10~15℃,年平均降水量在180~200mm,无霜期156d左右,年日照时数3032h,日照率67%;土壤为淡灰钙土,土质多为砂壤土。是最适合葡萄生长的地区之一。农场主栽果树大部分以酿酒葡萄为主,目前种植面积约1.8万hm2,林分年龄最长的为13年,80%属于1~6年林分年龄,全部采用滴灌水肥一体化模式管理,平均种植密度为19020株·hm-2,株行距为0.5m×3m。2学习方法2.1样地与调查方法于2011年9月,在宁夏贺兰山东麓玉泉营农场酿酒葡萄人工林地,按照林龄(1a、2a、3a、4a、8a、12a)设立样地,选择立地类型与营林措施基本一致的标准样地(3m×100m)(表1),每个样地设置5个3m×0.5m的样方,每个样方选择1株进行调查,共计33株。利用卷尺量取株高(H)、分枝数(BN)、主蔓长(SH)和新梢长(SYH),用游标卡尺量取茎粗(D)。2.2烘干干重采用全收割法,将每株主蔓、新梢及叶全部称其鲜重后带回实验室,样品放入85℃恒温烘干至恒重后用电子秤称其干重。地下生物量测定采用全收获法。采用1m×1m×3m的标准坑进行挖根,收获所有可见根,洗掉粘连的土壤,晾干后称鲜重,样品放入85℃恒温烘干至恒重后用电子秤称其干重。2.3酿酒葡萄生物量估测的回归分析数据处理与作图采用Excel2003软件,运用SAS8.2进行方差分析、主成分分析和逐步回归分析,采用SPSS17.0的BivariateCorrelation分析法对林分年龄、株高、茎粗、主蔓长、新梢长、分枝数与酿酒葡萄生物量的相关性进行分析,选择最佳估测模型自变量,同时利用CurveEstimation分析法分别对酿酒葡萄树生物量进行拟合,建立生物量估测回归方程。3结果与分析3.1不同林分间株高及新梢生长葡萄树株高(H)、主蔓长(SH)、新梢长(SYH)、分枝数(BN)及茎粗(D)大致随林龄增加而逐渐增大,各构件形态指标在不同林龄间均有差异(表2)。方差分析和LSD检验后结果表明:1a林分株高与2a及2a以上各林分株高均存在极显著性差异,2a林分与3a、4a及12a林分间株高没有极显著性差异,与8a林分下株高有极显著性差异,3a、4a及12a林分间株高没有显著性差异。1a林分主蔓长与其他林分主蔓长间均有极显著性差异,2a与3a及3a与4a林分间主蔓长没有极显著性差异,8a林分主蔓长与12a林分主蔓长没有显著性差异。1a林分新梢长与8a林分新梢长间没有极显著性差异,与其他各林分间均存在极显著差异;但2a、3a、4a与12a林分间新梢长没有差异性。1a林分与2a林分间分枝数没有极显著性差异,与其他林分间存在极显著差异;4a林分分枝数与8a林分间分枝数没有极显著性差异8a林分与12a林分间分枝数没有极显著差异。1a林分茎粗与其他各林分间有极显著差异;2a林分茎粗与3a林分茎粗没有差异性,与8a、12a林分茎粗间有极显著性差异;8a林分与12a林分间茎粗也有极显著性差异。3.2不同林龄的葡萄牙生物量和分配3.2.1酿酒葡萄树地上生物量图1为不同林龄酿酒葡萄树地上生物量、各构件生物量及分配图。结果表明:随着林龄的增加,酿酒葡萄树地上生物量以及其各构件生物量也随之增加,其中1a酿酒葡萄树地上生物量平均为18.78g,叶、主蔓、新梢的生物量(平均)分别为9.80g、4.86g和4.12g;12a酿酒葡萄树地上生物量与叶、主蔓、新梢的生物量(平均)分别为1154.14g、241.89g、750.93g和161.31g,其中主蔓生物量的相差值最大差距为154.5倍,而相差最小的叶生物量也达到24.6倍。根据方差分析和LSD检验结果表明:不同林龄酿酒葡萄树的地上生物量以及地上各构件生物量间均有差异。从地上单丛生物量看,1a林分酿酒葡萄树地上生物量与4a、8a及12a林分间均有极显著性差异,与2a林分及3a林分间没有极显著差异性;2a与3a林分地上生物量间也没有显著性差异;4a与12a林分地上生物量有极显著差异;8a与12a林分地上生物量没有极显著性差异。从各构件生物量上看,1a林分叶生物量与除2a林分外其他各年份林分叶生物量均存在极显著性差异;1a林分主蔓生物量与8a及12a林分间均存在极显著性差异,与2a、3a及4a林分间没有极显著性差异,2a与3a及4a林分主蔓生物量没有显著性差异,而8a和12a林分间主蔓生物量存在极显著性差异;1a林分新梢生物量与2a、3a及12a林分间没有极显著性差异,与4a及8a林分间有极显著差异。从不同林龄酿酒葡萄树地上各构件生物量分配比例上看,1~4a林分为叶生物量>新梢生物量>主蔓生物量,1~4a林分叶生物量是地上生物量的主体,所占比例平均为48.03%,4~12a林分为主蔓生物量>新梢生物量>叶生物量,1~12a主蔓生物量所占比例由19.60%逐渐递增。3.2.2不同林分间地下生物量的变化由图2可知,地下生物量随林龄增加而逐渐增加,1a林分地下生物量与2a及2a以上林分地下生物量间均存在极显著差异;2a与3a林分地下生物量间没有显著性差异,与4a、8a及12a林分间存在极显著差异;2a与3a及4a与8a林分间地下生物量差异不显著,而与12a林分间有极显著性差异;8a与12a林分间地下生物量也存在极显著性差异。地下生物量占总生物量比例随林龄增加而有增有减,除1a林分地下生物量>地上生物量外,2~12a林分地上生物量>地下生物量,12a林分地下生物量占总生物量比例最小(32%),8a林分地下生物量所占总生物量比例最大(46%)。3.3酿酒葡萄树地上生物量及其分配模型与各构件生物量具有显著相关关系基础上。本文依据生物量与各构件因子间的相关性分析,对各构件生物量进行相关显著性分析(表3),结果表明:林分年龄(A)与茎粗(D)、D2H(H为株高)、D2、DH、地上生物量及地下生物量都有极显著相关性;D与地上生物量和地下生物量都具有显著性相关关系;H仅与主蔓长有极显著性相关关系,D2H与地上生物量和地下生物量具有极显著相关关系。通过因子分析及主成分分析,并用逐步回归法筛选,酿酒葡萄树地上部分生物量与其构件指标相关系数最大的是D2H,相关系数为0.927(P<0.01),地下部分生物量与D2H相关系数为0.729(P<0.01),均达到极显著水平。由生物量回归方程散点图(图3)可以看出,主蔓生物量和地上生物量建立的估测模型最好,其模型相关系数为0.938和0.939,均达到极显著水平(P<0.01),叶生物量和地下生物量次之,其模型相关系数为0.850和0.892,均达到极显著水平(P<0.01),新梢生物量最差,其模型相关系数为0.805,且P<0.01。从各组分生物量回归方程散点图看出,幂函数与各构件生物量间的拟合均取得理想效果。4讨论和结论4.1不同枝龄葡萄的冠幅和生物量酿酒葡萄树地上部各构件指标随林龄增加而逐渐增大,其中分枝数的增加值最大,12a林分为1a林分的10倍,较多的分枝数使贺兰山东麓酿酒葡萄林的冠幅相应增大,而且在幼龄期的葡萄林处于生长旺盛期,从而分枝数对地上生物量的增加有很大贡献。8a葡萄林地上各构件形态指标较12a葡萄林各构件指标值大,老年葡萄林分枝数明显减少,说明12a葡萄林处于衰退期,分枝数对地上部分的贡献也开始下降。4.2地上生物量的转移对于地上生物量来说,随着林龄增加,酿酒葡萄树地上生物量及其各组分生物量逐渐增大,各组分生物量占总生物量的比重也随之发生变化。1~4a林分叶生物量是地上生物量的主体,到4a后地上生物量由叶及新梢逐渐向主蔓转移,这体现了干旱区在有限的灌水量下,随着林龄的增加,地上生物量由光合器官逐渐向非光合器官转移,从而在有限水资源条件下,能保证光合器官所需水分供给,是一种生态适应策略。从2a开始,地下生物量占总生物量的比重逐渐下降,这与种植酿酒葡萄的土质是沙壤土和砾质沙土有关,沙壤土质地粗、富含砾石、土壤结构弱、水下渗速度及水蒸发速度快、漏水漏肥,因此根系所需水分不足,根伸长生长受水分限制。4.3酒葡萄人工林生物量本研究采用酿酒葡萄树株高(H)与