面对全球气候变化及日益突出的环境问题，森林生态系统碳贮存等服务功能已成为研究热点。作为评价森林服务功能的主要指标之一，森林生物量研究越来越受到重视。树木异速生长规律理论的提出为通过胸径（D）和树高（H）等测树因子估算其生物量提供了可能。本研究基于文献发表的生物量方程，采用统一的方法和技术规范建立了一套适合用于全国、省（自治区、直辖市）尺度，涵盖我国主要森林类型、优势树种（或树种组）的生物量估算方法体系和生物量估算方程。根据“森林课题”获取的标准木实测数据，对各类生物量方程的估算结果进行检验，确保估算精度可信。

森林具有生物量、生产力巨大和碳含量高等优点，是陆地生物圈的主要碳储存库，在全球碳循环和应对气候变化中具有重要作用。因此，准确估算树木和森林生物量是评估并追踪森林碳库现状及其变化速率，预测森林在区域和全球碳循环中的作用和反馈，为应对气候变化制定政策提供重要依据。由于估算生物量的重要性，欧洲空间局发布消息称，到2020 年BIOMASS mission 激光雷达将获得世界上森林地上生物量三维结构图，美国国家航空航天局的行动计划（The NASA Missions）也有估算森林生物量的目标。但是，基于遥感技术获得的数据不能直接估算生物量，需要用野外样地调查数据结合生物量异速生长方程对生物量进行校正。迄今，我国生物量方程的研究主要集中在样地、树种和区域特定森林类型上，其结果因研究地的气候、地理、土壤、林地利用历史和经营水平等的差异而难以进行比较，从由样地尺度建立的生物量方程如何扩展到林分甚至更大的地理空间尺度是个巨大的挑战，到目前为止仍然缺乏系统研究。

全球森林面积超过40 亿hm2，占陆地总面积的31%。森林巨大的生物量（占陆地生态系统总生物量的80%）和生产力（占陆地生态系统总生产力的75%）使其成为地球最大的碳库。正因如此，增加森林生态系统碳汇被公认为是最经济可行和环境友好的减缓大气中CO₂ 浓度升高的重要途径。《京都议定书》及后续的一系列国际公约都将提高森林碳储量作为抵消经济发展中碳排放量的主要方式。2015 年12 月巴黎气候大会通过的协议将增汇和减排作为共同减缓全球升温的有效途径，已经被提到了新的政治高度。生物量是生态系统过程和森林管理的一个非常关键的因素，也与木材、薪柴交易等项目息息相关，准确估算森林生物量和碳储量是非常有意义的。

生物量是评估生态系统功能的基本测度指标，一直受到森林生态学家的高度关注。自20 世纪60 年代国际生物学计划（IBP）执行以来，生态学家就开展了大量的关于森林生态系统生物量和净生产力的研究。70 年代由于能源危机，林学工作者开始进行薪炭林的生物量研究。但是，这些研究大多只估算地上部分生物量，甚至有时候不计算枝、叶生物量，且在大空间尺度上对生物量的估算往往是基于材积转换的方法来完成的。这些研究工作为推动森林生态系统生物量估算的研究做出了重要贡献，但对于森林生态系统碳储量及其过程研究而言，仅仅基于材积来推算森林生态系统生物量是不够的，这就需要寻找统一的方法和技术规范来构建森林生物量估算方程。

80 年代后期，随着人们对全球碳循环研究的重视，研究者利用从前的样地乔木生物量和林分面积等统计资料，开始研究因土地利用变化向大气中释放的碳量。近年来，为了科学地评价森林生态系统在全球大气中源和汇的作用，学术界开始关注森林生态系统的潜在生物量及人类活动、自然干扰引起的森林生态系统生物量和生产力动态变化过程的研究。

目前，国内外学者普遍采用相对生长模型W=a(D²H)^b（典型幂函数方程）估算乔木的生物量。该方法是生态学文献和森林生物量估算中运用最广的一种方法，也适用于很多热带混合林。

Mary 和Steven（2001）在研究硬木林的地上生物量和营养时指出，对地上生物量估算最典型的方法是采用相对生长模型，地上生物量的估算值与实测值比较，没有显著差异。不少学者也在积极探索适合国家、区域乃至全球尺度通用的立木生物量估算模型。据文献统计，全世界已经建立的生物量（包括总量和各分量）模型超过2300 个，涉及的树种在100 个以上。例如，Ter-Mikaelian 和Korzukhin（1997）关于北美洲立木生物量方程的综述，就涉及65 个树种和803 个方程。Zianis（2005）对欧洲树干材积和生物量方程做的综述中，生物量方程607 个，涉及39 个树种。

总体而言，用于不同尺度的生物量估算方程，其建模总体的划分是不一样的，但首先都是考虑树种或树种组，然后再考虑年龄、立地等因素。对于大尺度范围的生物量预估，一般都是按树种或树种（组）划分建模总体。例如，Bond 等（2002）建立了加拿大马尼托巴省北方森林6个树种的生物量方程；Jenkins 等（2003）以收集的300 多个与直径相关的生物量方程（涉及100 多个树种）为基础，按10 个树种（组）（6 个针叶树种、4 个阔叶树种）为美国建立了一组国家尺度的地上生物量回归方程；Snorrason 和Einarsson（2006）为冰岛的11 个主要树种建立了立木地上生物量方程；Vallet 等（2006）为改进法国森林资源清查中森林生物量估计方法，为法国的7 个重要树种建立了地上总材积（包括商品材积和树枝）方程；Repola 等（2007）建立了芬兰3 个树种（组）的地上和地下生物量立木模型；Muukkonen（2007）建立了欧洲5 个主要树种的通用性生物量回归方程；Návar（2009）建立了墨西哥西北部10 个树种（组）的生物量相对生长方程。

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近年来，我国从转变经济发展模式和保护生态环境的需要出发，制定了“调整经济发展模式、促进节能减排技术进步、增强生态系统碳汇功能”的战略思路，在节能减排和生态工程建设方面取得了举世瞩目的成绩。然而，随着经济进一步发展和人民生活水平持续提升，中国面临的在未来的气候变化谈判中国际社会对中国温室气体减排或限排要求的压力日益增大。在此前提下，准确评估森林固碳现状、速率和潜力不仅是制定碳汇清单的需求，也是评价生态工程固碳效应的需求，同时可以服务于面向提高森林固碳能力的管理实践。

我国有关森林生物量的研究始于20 世纪70 年代，主要基于单个或独立样点或研究地，所建立的生物量方程不适合于大的地理空间尺度上森林生物量的估算。这些样地尺度的研究工作积累了丰富的生物量数据，为评估森林生物量和生产力做出了极大贡献，但受研究尺度的局限。另外，多数研究针对某一特定区域或特定森林类型，缺乏统一的估算方法和标准，给区域和全国尺度森林生物量的估算带来困难和不确定性。

目前比较通用的做法是：选用树木胸径（D）、树高（H）及D2H 为自变量来间接评估生物量，即一是采用生物量换算因子法；二是采用生物量方程。两种方法都包含林木水平和林分水平，然而林木水平因子的重要性正在不断提升，新的研究将更可能偏好林木水平因子或方程的使用。

国家林业局的森林资源连续清查资料能够提供区域和全国尺度的森林材积或蓄积量，很多学者尝试通过材积源生物量法来估算区域尺度森林生物量。但这种方法的理论基础是树干生物量与立木材积之间存在紧密相关关系，在深入探讨森林固碳潜力，面向国家提高碳汇需求等方面略显不足。此外，由于对森林地下部分的收获非常困难，大部分生物量方程仅仅估算地上部分的生物量，地下部分生物量的估算一直存在很大的不确定性，而这种不确定性很大程度上归因于缺乏准确的实测数据及有效的估算方法。

Fang 等以森林资源清查资料为基础，建立了我国21 个树种的材积生物量转换参数来估算全国森林生物量。不少研究表明，以5 年为复查周期的森林资源清查资料能很好地反映森林生物量的动态变化。尽管如此，以往关于生物量的研究归纳起来存在如下不足：

①在地下部分难以直接测定获取的情况下，采用根冠比粗略推算地下生物量的方法可能存在误差传递问题，而且这种方法与通过拟合根系与胸径或树高的异速生长方程估算地下生物量的方法相比，哪种方法更准确，没有明确研究。

②已有的生物量模型大多针对某一特定地区或特定森林类型，是否能拓展用于更大区域范围或其他不同的森林类型尚未有研究验证。

③我国森林类型和树种十分丰富，即使在同属内也有多个甚至几十个种类，针对某一树种建立的生物量方程能否推广到属内其他树种也没有研究验证。

④对于天然林，由于大径级（胸径>50 cm）个体样木生物量实测数据难于获取，基于中小径级个体建立的估算方程在估算大径级树木生物量时可能产生偏差甚至错误。

⑤研究方法、建模方法的不统一，导致模型估算结果难以进行比较。

森林生物量及生产力大小是评价森林碳循环贡献的基础，森林生物量约50%以碳形式储存，碳交易、森林生物能源的收获管理也是要通过准确预测生物量来实现的。通常，生物量可以通过树木材积（或蓄积）乘以木材密度进行估算得到。但在实践中，为了简便和提高估计精度，常常通过建立整株树木或不同器官生物量与胸径（D）、树高（H）或D2H 等测树因子之间的异速生长模型来估算生物量。这种方法是学术界认可且在全球得到广泛应用的生物量估算方法。

然而，基于单个研究点或局部研究区域建立的生物量方程的样本数量有限，当这些方程用于对研究地以外的其他区域或不同种类和不同径级大小树木的生物量估算时，估算精度可能下降。我国地域、气候跨度大，树种丰富，森林类型、结构多样而复杂，区域经营管理水平不均衡。因此，基于全国样地尺度上标准木大样本实测数据资料开展森林生物量的监测是最重要的基础工作，进一步按省（自治区、直辖市）和优势树种建立的生物量方程将成为提高我国森林碳储量估算精度的关键依据和重要途径。

由此可见，我国基于林木和林分水平的生物量方程研究最多，资料积累得最丰富，但关于跨区域大尺度和复杂多样的树种的生物量方程的资料是相对缺乏的，故本研究将重点针对大尺度和不同树种的生物量估算方程进行研究。

本文摘编自周国逸、尹光彩、唐旭利等著《中国森林生态系统碳储量：生物量方程》绪论部分内容，略有删减改动。

《中国森林生态系统碳储量：生物量方程》

作者：周国逸 尹光彩 唐旭利　等

责任编辑：王静 李迪

北京：科学出版社，2018.6

ISBN：978-7-5088-5392-5

《中国森林生态系统碳储量：生物量方程》是“中国陆地生态系统碳收支研究丛书”的一个分册，根据全国7800 个典型森林生态系统样地的野外实测数据，对收集到的国内已发表的生物量方程进行赋值，并运用最小二乘支持向量机（LSSVM）对文献中方程进行迭代优化，拟合出涵盖省（自治区、直辖市）和全国两种尺度优势树种［W=aD^b 和W=a(D²H)^b］的生物量方程，并运用样地标准木实测数据对各类方程进行检验，估算误差在10%以内。本书是我国第一本系统科学地运用统一的方法构建森林生物量估算方程的著作。

（本期编辑：小文）

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