森林群落第一性生产力的测定与分析

实验十森林群落第一性生产力的测定与分析
一实验原理
通过植物群落光合作用生产的有机物质，称为第一性生产力。

第一性生产又称总生产和净生产两个概念。

生产力通常以单位土地面积和单位时间里，由植物生产的有机物质量（干物质量或除去灰分的干物质量）来表示，也可以用碳量，或者热能量来表示。

总生产量是指一定期间里植物光合作用所产生的有机物同化量。

其中，包括同一期间内植物体因呼吸而失去的有机物质消耗量。

而净生产是指从总生产量（＝总光合量）中，减去植物各器官中呼吸作用消耗的有机物质的量。

此外，净生产量在植物群落中还指植物的全部有机物生产量，包括经济上未必有用途的地下部分。

这应该与经济上有用的部分（例如，牧草的地上部分）的产量和农林牧业中往往称为生产力的产量区别开来。

二实验目的
群落第一性生产力是整个生物圈中生命部分对太阳能第一次固定后，保留在生态系统有机体中能力的描述。

这部分能量是生态系统中能量流动的源泉，在生态系统中具有重要的实用价值。

测定植物第一性生产力，使我们能够了解群落中不同植物种的生长特点，生产力的大小，为我们提供了比较不同植物经济、生态、社会价值的参考依据。

据此，通过分析植物生产力的大小，参考植物在群落中的位置和生态作用，可以揭示不同种植物在群落中的作用，从而为人类利用和改造生态系统提供了理论上的依据。

三仪器与设备
铁铲、锄头、标本夹、记录本、剪刀、海拔仪、光度计、望远镜、GPS，罗盘仪、坡度计、烘干箱、天平、测高仪、电刨、锯刀、放大镜等。

四方法与步骤
1 森林群落现存量的测定与分析
现存量是某一特定观察时刻，某一空间范围内现有有机体的数量。

①确定调查样地
在研究的森林群落中，确定有代表性的样地，面积可取20m×20m或30m×30m等，根据具体群落而定。

选择样地的原则是结构、种类复杂的应大些，一般不应小于群落的最小面积。

在斜坡上可采用长方形的样地，长边和山坡等高线平行。

样地确定后，记录群落的层次结构、郁闭度、板根、藤本、附生植物等，画出群落剖面图。

②样木的每木检尺
测定调查样地的物种，树木的胸径；对样区内全部立木（一般1.5m以上）进行调查，确定种类，测定其胸高直径（或胸围），有条件时可测定高度。

测定时可把样地区分成若干个，以利测定，防治漏测。

在坡地上应统一测上坡一侧离地面1.3m处。

如胸高处有板根，生有枝条或因爱藤本缠绕而影响测定时，可另取合理部位。

③结果记录
将以上的测定结果记录于表1中。

依据每样本调查的结果整理成表2。

选择样木及伐木可据表2。

④抽样测定样木各部位的重量
在每一胸面积级中，根据个体的百分数选择样木的数量，砍下测定。

每级的株数比例可参考其占的百分比适当确定。

级别划分的多少依具体情况决定。

样本应选择生产正常，树形正常的个体。

样木伐倒后测出树高、枝下高等指标，并分
别称出茎、枝、叶的重量。

较大的树干不易称重，可量出两端断面积（S
1及S
2
）
及长度（L），根据公式：V＝[（S
1＋S
2
）/2]×L 求出体积（V），再根据比重计
算鲜重。

枝叶多时，分出全部枝叶费时，可把小枝和叶一起称重，再取部分样品，分别称出枝叶重量，求其比值，据此比值算出枝叶重量。

然后取出一定重量的干、枝、叶鲜样品，在80℃烘箱中烘干至恒重后称出干重。

结果记录于表3中。

根据样本的测定结果，用如下的公式计算茎、枝、叶的重量及总重量。

表1 群落生物量测量的每样木调查表
表2 胸面积级（或高度）划分表
表3 生物量研究的样木测定记录表
⑤森林群落生物量的计算
森林群落生物量的计算有以下两种方法：
平均木法 根据公式计算树干、枝、叶的重量和总量 ）（＝茎茎S S W W '
'
）（＝枝
枝
S S W
W
'
' ）（＝叶
叶
S S W
W '
'
）（＝总总
S
S W W
'
' 式中：S －样地全部植株的胸面积和；W ′、S ′－样木的重量、胸面积。

回归法根据相对生产法，认为现存量与胸径之间有如下关系：
D b
T＝
a
式中：T－现存量；D－胸径；a, b－常数
把上式两边取对数，则lgT＝lga+blgD。

该式表明，胸径对数与现存量对数呈直线相关。

据此每一样本的胸径对数及其重量对数形成数据对。

以上式作为回归式，用最小二乘法将样本的数据进行回归，可求得常数a, b。

把a,b代入上式，便是所求得的回归方程。

它反映了每一立木的胸径和重量之间的关系。

只要测得每一立木的胸径，便可求得其重量。

把样地中所有立木的重量相加，即为样地立木层的现存量。

如果样地胸径差异很大，最好分成2～3个等级，分别求出每个等级的回归方程。

有条件时，可用D2H （H为树高）代替上式中的D，结果会更准确些。

灌木层生物量的测定，可在样地内以一定规则取2m×2m（或5m×5m,5m×2m 等）面积5块，把其中1.5m以下的灌木及幼树全部砍下称重，并取样品烘干称干重。

据此推算单位面积上的灌木层鲜重和干重。

草本层生物量的测定可选择1m×1m样方5个，将其全部剪下称重，并取样品烘干称干重，据此推算出单位面积草本层的鲜重和干重。

生物量的测量可在样木收获后，把样木粗根系全部挖出，除去泥土称鲜重。

细根采用挖土取样，用水清洗去泥土获得。

一般土样可采用10m×5m剖面分层进行，每层应有10个以上的土样。

取一定量根的样品，烘干称干重。

采用平均木法或回归法，求出单位面积根的现存量。

整个生物量测定结果记录于表4中。

表4 生物量测定记录表
2 森林群落生产量的测量与分析
生产量即净第一性生产量（P n ），包括生物量增量（△B ），柘死、凋落物量（L ）、动物采食量（H ）、细根生产量（P fr ）以及树冠淋溶量（CL ），可用下式表示：
CL H L B P P
fr n
++++∆= （1）
（1）取样
生产量研究以收获技术为主。

在森林群落可分别通过不同层次样木的分析来获得有关生产量的数据。

一般地，在乔木层可砍伐样木若干株，然后在各样木的基部、离基部1.3m 及向上每2m 截取圆盘（圆盘厚约3～4cm ），然后用电刨或手刨刨平后，再用砂布磨光滑，数清年轮，测出最完整5年年轮宽度。

灌木层除皆伐外，还可砍伐1～2.5m 高样木若干株，量出其茎、高度、称出干、枝、叶、根各器官重量。

细根生产量可根据细根生物量和转换率计算。

它的取样可用土钻法、取若干个钻点，分层（每层20cm ）钻至1m 深。

1～5m 深的细根生物量，可根据10m ×5m 土壤剖面的线根样统计。

（2）计算
根据取样，可按几个层次来分别计算
①乔木层：乔木层按树木和枝叶根生物量和增量现况两部分来计算 样木树干每木段体积年增量（△V ）据下式计算
) H(21
S S S S V 121211111++=
) H(21S S S S V 525251512++= )-(5
1
V V V 12=∆
式中：V 1、V 2－分别是5年前和5年后木段的体积； S 11、S 51－木段大头圆盘相应时期的截面积； S 12、S 52－木段小头圆盘相应时期的截面积； H －木段长（2m 或1.3m ）.
每一样木体积年增量（△V p ）即为各木段体积增量之和
∑∆=∆V V P
对样木树干年增量和胸径（D ）进行回归分析，根据样木D 的大小把样木分为3组：
a. D ≥10cm
b. 3.2cm ≤D<10cm
c. D ＞3.2cm
然后建立两者的回归模式。

最后根据样地的每木调查资料，将样地中全部个体的胸径代入回归方程，即可求得相应个体的生物量年增量。

而树干的生物量年增量（△B ）即为每一个体年增量（△V p ）之和减去树干的年枯死量（D ′）及风倒量（F ），即：
F D B V p -'-∆=∆∑
相似的枝叶根的生物量增量可根据枝叶根的生物量与胸径D 的回归方程来求得。

假定在两年间生物量与胸径的回归关系不变，则每一样木一年前各器官的生物量（B 1）为：B 1＝f （D ）。

式中f （D ）表示枝叶根各自与胸径的回归关系，则一年后的生物量（B 2）为：
)(2
D D f B
∆+=
式中：△D －样木最近5年胸径平均年增量。

因此生物量增量为：
B B B 1
2
1
－＝∆
每一个体的生物量△B 1之和，减去风倒量，枯死量，即为森林的枝叶或根的生物量增量。

② 灌木层
与乔木层枝叶根的生物量计算相似，将灌木层的样木各器官生物量与基径建立回归方程，再根据基径的年增量计算出各器官生物量增量。

③ 草本层
草本层生产量的计算，可简单地将生物量除以平均年龄（如3年）而得出。

④ 细根
细根生产量＝细茛生物量×转换率
最后，根据（1）式，就可计算出森林净第一性生产量。

其中树干生产量是树干生物量增量加上枯死、风倒量；枝叶生产量为生物量增量加上调落量及动物采食量（叶）；果的生产量可以调落量估计；根生产量为根生物量增量和枯死、倒树根量及细根生产量之和。