基于市縣聯(lián)動監(jiān)測的縣域森林植被生物量評估

項(xiàng)茂林，陶吉興，季碧勇，張國江，姚鴻文，王劍武

（浙江省森林資源監(jiān)測中心，浙江 杭州 310020）

森林植被碳庫是林業(yè)碳匯的重要計(jì)量對象，目前，無論在森林群落或森林生態(tài)系統(tǒng)尺度上還是在區(qū)域、國家尺度上，IPCC等國際組織以及世界各國普遍采用的森林植被碳儲量估算方法是直接或間接測定森林生物量，再乘以生物量中碳元素含量（含碳系數(shù)）推算而得[1～2]。因此，各類森林植被生物量評估，是計(jì)量碳儲量的關(guān)鍵。杭州市從2008年開始，每年綜合運(yùn)用固定樣地監(jiān)測、森林資源檔案更新、補(bǔ)充調(diào)查、復(fù)位調(diào)查、模型更新、馬爾科夫轉(zhuǎn)移模型估計(jì)、線性回歸估計(jì)等監(jiān)測方法，構(gòu)建了設(shè)區(qū)市森林資源市縣聯(lián)動年度監(jiān)測體系[3]，獲取了同一時段市縣兩級森林資源數(shù)據(jù)，并連續(xù)公布了全市的森林植被總生物量[4～6]。2010年，浙江省采用2009年森林資源連續(xù)清查第一手野外調(diào)查數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，以樣地為評估基本單元，建立了森林植被生物量評估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，測算了全省各類森林植被喬木層、下木層、灌木層、草本層的地上及地下生物量[7～8]，查清了浙江省森林植被生物量現(xiàn)狀和變化動態(tài)。但是，由于采用的是以市域或省域?yàn)榭傮w的抽樣調(diào)查方法，生物量測算結(jié)果不能分解到各縣。本文利用杭州市已公告使用的2010年度各縣域森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查（簡稱“二類調(diào)查”）更新數(shù)據(jù)（其中拱墅、濱江、江干為最新調(diào)查數(shù)據(jù)）為基礎(chǔ)，根據(jù)布設(shè)于杭州市范圍內(nèi)的樣地生物量數(shù)據(jù)庫建立喬木生物量模型，充分利用有關(guān)生物量評估參數(shù)，測算了杭州市各縣域森林植被生物量現(xiàn)存量，以期為設(shè)區(qū)市開展縣域森林植被生物量評估提供一種評估方法。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

2010年，杭州市繼續(xù)開展了森林資源市縣聯(lián)動監(jiān)測。從監(jiān)測層級上，分為市級抽樣控制調(diào)查監(jiān)測體系和縣級二類調(diào)查動態(tài)監(jiān)測體系[3]。其中市級抽樣控制調(diào)查監(jiān)測樣地基礎(chǔ)年（2008年）為2709個，2010年為一般調(diào)查年，樣地?cái)?shù)691個，樣地調(diào)查方法與國家森林資源連續(xù)清查相同，調(diào)查內(nèi)容包括樣地因子調(diào)查、樣木或樣竹每木（竹）檢尺等內(nèi)容。文中市級總體評估基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用2010年樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，它將用于估算全市總體的各類植被生物量，并以此真值，檢驗(yàn)所轄各縣域森林植被生物量評估結(jié)果的準(zhǔn)確度，同時為縣域生物量評估提供模型建模樣本。

縣級二類調(diào)查動態(tài)監(jiān)測主要是通過檔案更新、補(bǔ)充調(diào)查和復(fù)位調(diào)查[9～11]等更新方法，對各縣域的二類調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。更新內(nèi)容包括面積更新和蓄積更新兩部分，更新結(jié)果受市級樣地抽樣置信區(qū)間控制，更新精度得到較好保證。更新后的縣域森林資源數(shù)據(jù)庫，滿足森林資源二類調(diào)查技術(shù)要求，它為開展縣域森林植被生物量評估提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。由于上城區(qū)、下城區(qū)為純城區(qū)縣，未開展森林資源二類調(diào)查，且占全市生物量比例非常小，本文不作縣域森林植被生物量評估，但對市域總體評估時包括該二城區(qū)的生物量；此外，拱墅、濱江、江干3城區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為2012年最新二類調(diào)查數(shù)據(jù)。

2 評估方法

市級總體的抽樣控制樣地生物量的評估方法，以樣地為評估基本單元，采用單株生物量模型法（各類喬木，毛竹、雜竹）和單位面積生物量法（矮化喬木林群落、灌木經(jīng)濟(jì)林群落、一般灌木林群落、其他林地群落），對樣地水平的各類森林植被生物量進(jìn)行測算，最后運(yùn)用系統(tǒng)抽樣統(tǒng)計(jì)方法，將樣地水平微觀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到全市宏觀尺度[8]。為評估喬木林、疏林、毛竹林、雜竹林樣地的林下植被生物量，根據(jù)2010年浙江省森林植被生物量評估結(jié)果參數(shù)，其占喬木層生物量的比例分別按0.2783、0.7659、0.1077和0.1321計(jì)算。喬木層生物量和林下植被生物量之和，就是包括喬木層、下木層、灌木層和草本層在內(nèi)的樣地群落生物量。

縣域森林植被生物量評估，根據(jù)不同植被類型采用不同技術(shù)方法，總體技術(shù)路線為：通過利用市級樣地?cái)?shù)據(jù)庫為建模樣本，建立蓄積量——生物量回歸模型，對小班中的各類林木（包括喬木林、疏林、散生木、四旁樹）進(jìn)行生物量評估；利用已有的單位面積生物量參數(shù)，以對植被生物量影響較大的調(diào)查因子為調(diào)整系數(shù)，分別測算毛竹林、雜竹林、國家特別規(guī)定灌木林、一般灌木林和其他林地的生物量。單位面積生物量等評估參數(shù)選用精度較高且已公告使用的浙江省森林植被生物量評估結(jié)果中的有關(guān)參數(shù)[7～8]。

2.1 喬木林與疏林

以系統(tǒng)布設(shè)于全市各縣的有蓄積喬木林和疏林樣地的蓄積量和生物量成對值為數(shù)據(jù)源，將其轉(zhuǎn)換成單位面積蓄積量和單位面積生物量成對值。根據(jù)林分蓄積量與生物量之間存在的相關(guān)關(guān)系，建立生物量與蓄積量的線性模型，利用生物量轉(zhuǎn)換因子連續(xù)函數(shù)法[12～13]，由樹干蓄積推算喬木層生物量。其模型如下：

轉(zhuǎn)化為生物量與蓄積量的簡單線性關(guān)系為：

式中，a、b為參數(shù)，B為每公頃生物量（t/hm2），V為每公頃蓄積量（m3/hm2）。

喬木林和疏林的蓄積量與生物量轉(zhuǎn)換模型以（2）式為基本模型式，建模結(jié)果及相關(guān)系數(shù)[14]見表1。回歸模型根據(jù)優(yōu)勢樹種不同，劃分為3個建模單元。

為評估喬木林或疏林群落總生物量，還需測算林下植被（下木層、灌木層、草本層）生物量。根據(jù)2010年浙江省森林植被生物量評估的評估參數(shù)，喬木林、疏林群落總生物量與其喬木層的比值分別為1.2783和1.7659，本次縣域森林植被生物量測算采用該值作為系數(shù)，評估喬木林、疏林群落的生物量。

喬木林、疏林小班的生物量評估方法為，首先以小班單位面積蓄積量為自變量，根據(jù)優(yōu)勢樹種選擇相應(yīng)回歸模型，計(jì)算單位面積生物量，再將單位面積生物量與小班面積相乘，就是小班總生物量。

表1 喬木林疏林每公頃蓄積量與每公頃生物量回歸模型Table 1 Regression model for per hectare volume and biomass of scattered arbor forest

2.2 竹林

根據(jù)竹種不同，竹林分為毛竹林和雜竹林。竹林生物量評估，以已有評估結(jié)果評估參數(shù)[7～8]為基數(shù)，即毛竹林群落45.93 t/hm2，雜竹林群落40.38 t/hm2，各小班以此為基礎(chǔ)，乘以株數(shù)調(diào)整系數(shù)，計(jì)算得到毛竹林和雜竹林小班單位面積生物量。單位面積生物量與小班面積相乘，就是小班總生物量。株數(shù)調(diào)整系數(shù)為：

另外，由繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行環(huán)境參數(shù)(電氣設(shè)備運(yùn)行方式、保護(hù)整定值等)導(dǎo)致的不發(fā)跳閘信號，稱其為第二類拒動，其概率為P2(i)，表示多重化配置的繼電保系統(tǒng)中共n 套保護(hù)的第i 套的此類拒動概率。繼電保護(hù)系統(tǒng)拒動概率：

式中，Ni為某毛竹林和雜竹林小班的單位面積株數(shù)；N為縣域毛竹林和雜竹林平均單位面積株數(shù)，計(jì)算公式為：

式中，Si為某毛竹林和雜竹林小班面積，n為全縣所有毛竹林和雜竹林小班總個數(shù)。

2.3 灌木林和其他林地

灌木林分為一般灌木林和灌木經(jīng)濟(jì)林。根據(jù)2010年浙江省森林植被生物量評估結(jié)果[7～8]，單位面積生物量參數(shù)為：一般灌木林群落20.10 t/hm2，灌木經(jīng)濟(jì)林群落18.38 t/hm2。灌木林小班生物量評估與竹林小班相同，也是以此為基礎(chǔ)，乘以灌木覆蓋度調(diào)整系數(shù)計(jì)算得到一般灌木林和灌木經(jīng)濟(jì)林小班單位面積生物量，單位面積生物量與小班面積相乘，就是小班總生物量。覆蓋度調(diào)整系數(shù)為：

式中，Gi為某小班的一般灌木林和灌木經(jīng)濟(jì)林覆蓋度；G為全縣所有一般灌木林和灌木經(jīng)濟(jì)林小班的平均覆蓋度，計(jì)算公式為：

式中，Si為某一般灌木林和灌木經(jīng)濟(jì)林小班面積，n為全縣所有一般灌木林和灌木經(jīng)濟(jì)林小班總個數(shù)。

2.4 其他林地

其他林地指未成林地、無立木林地、宜林地等地類，其小班生物量評估以7.12 t/hm2為評估參數(shù)，再乘以小班面積得到小班總生物量。

2.5 散生木與四旁樹

表2 散生木四旁樹總蓄積量與總生物量回歸模型Table 2 Regression model for total volume and biomass of scattered trees

3 結(jié)果與分析

利用杭州市級抽樣控制樣地的生物量數(shù)據(jù)，根據(jù)抽樣估計(jì)理論，在p< 0.95的可靠性保證下，杭州市森林植被總生物量的抽樣總值為6744.88×104t，抽樣精度97.65%，抽樣置信區(qū)間為（6586.45×104，6903.31×104），樣地的樣本均值為4.59 t；其中喬木林群落5635.21×104t，占植被總生物量的83.5%，抽樣精度96.86%，抽樣置信區(qū)間為（5458.18×104，5812.24×104），樣地的樣本均值為3.46 t。

利用杭州市各縣（市、區(qū)）二類調(diào)查更新數(shù)據(jù)，根據(jù)以上評估方法，對森林植被生物量評估結(jié)果進(jìn)行匯總，杭州市各縣域森林植被總生物量為6888.54×104t，處于全市總體抽樣置信區(qū)間內(nèi)；如以抽樣總值為真值，差值為143.66×104t，準(zhǔn)確度為97.9%。其中喬木林群落5880.38×104t，略高于抽樣置信區(qū)間的上限，但如以抽樣總值為真值，差值為245.17×104t，準(zhǔn)確度為95.6%。各縣域各類森林植被生物量評估結(jié)果見表3。

表3 各縣域各類森林植被生物量Table 3 Biomass of different forest vegetation in each counties 104t

4 結(jié)論與討論

本文利用杭州市的市級抽樣控制樣地和所轄各縣域的森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)，分別測算了市域總體及各縣域副總體的森林植被生物量。將各縣域生物量匯總結(jié)果與市級總體抽樣結(jié)果比較，各縣總生物量匯總值處于抽樣結(jié)果置信區(qū)間內(nèi)，若以抽樣總值為真值，匯總結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度。從構(gòu)成森林植被生物量的主體——喬木林群落看，評估結(jié)果同樣具有較高精度和準(zhǔn)確度。這表明，本文采用的縣域森林植被生物量評估方法，可適用于杭州市內(nèi)各縣開展森林植被生物量評估，利用各縣的二類調(diào)查更新數(shù)據(jù)測算的縣域森林植被生物量，可視為將全市總體的生物量評估結(jié)果分解落實(shí)到各縣。同時，市級樣地?cái)?shù)據(jù)調(diào)查、縣級二類數(shù)據(jù)調(diào)查更新以森林資源市縣聯(lián)動監(jiān)測體系[3]為依托，這為準(zhǔn)確評估市縣兩級生物量提供了科學(xué)可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取途徑，因此，文中基于市縣聯(lián)動監(jiān)測體系開展的對市、縣兩級的生物量評估，可為設(shè)區(qū)市開展生物量市縣聯(lián)動監(jiān)測提供借鑒，將森林資源市縣聯(lián)動監(jiān)測范疇從森林面積、森林蓄積等傳統(tǒng)監(jiān)測因子擴(kuò)展到生物量等生態(tài)因子。

建立森林資源市縣聯(lián)動監(jiān)測體系是開展森林植被生物量市縣聯(lián)動監(jiān)測的必要條件。根據(jù)杭州市近年來的監(jiān)測實(shí)踐，監(jiān)測體系可由市級抽樣控制調(diào)查監(jiān)測體系和縣級二類調(diào)查動態(tài)監(jiān)測體系兩部分組成，市級抽樣控制調(diào)查監(jiān)測以宏觀性監(jiān)測為主，縣級二類調(diào)查動態(tài)監(jiān)測主要是通過與市級抽樣控制調(diào)查聯(lián)動，采用不同數(shù)據(jù)更新方法，對各縣域副總體的二類調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行更新[3]。目前，就浙江省內(nèi)來說，僅杭州市具備開展森林植被生物量市縣聯(lián)動監(jiān)測條件，其他設(shè)區(qū)市由于尚未開展森林資源市縣聯(lián)動監(jiān)測，暫不具備開展森林植被生物量市縣聯(lián)動監(jiān)測條件。

縣域森林植被生物量評估，采用的是全省或全市平均的評估參數(shù)和模型，各縣域由于資源稟賦和森林結(jié)構(gòu)不同，可能存在一定差異，因此，縣域森林植被生物量的評估結(jié)果可能存在一定的不確定性。此外，由于森林資源抽樣調(diào)查體系與二類調(diào)查體系之間的差異，使全市竹林面積、灌木林面積、散生木四旁樹蓄積等值的抽樣調(diào)查結(jié)果與二類調(diào)查結(jié)果不完全一致，從而導(dǎo)致了全市總體的生物量抽樣結(jié)果與各縣域的匯總結(jié)果存在一定差值，在具體應(yīng)用時應(yīng)注意這些問題。

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