基于森林資源清查資料的四川立木生物量建模類型劃分及樣本分布研究

賴長(zhǎng)鴻,張 文,劉 波,王麗麗,邱 帥,趙慶霞,金彥強(qiáng)

(1.四川省林業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,成都 610081,2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100001;3.中國(guó)科學(xué)院成都生物研究所,成都 610081)

森林生物量約占全球陸地植被生物量的90%，是森林固碳能力的重要標(biāo)志，也是評(píng)估全球森林碳收支的重要參數(shù)[1]，迄今為止，全球和區(qū)域水平的森林生態(tài)系統(tǒng)生物量及碳貯量的研究報(bào)道很多，但研究結(jié)果具有很大的不確定性，多數(shù)研究者認(rèn)為是由于森林類型多樣，區(qū)域性研究對(duì)象的廣泛性和復(fù)雜性，以及不同估算方法之間的差異、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和計(jì)算方法不統(tǒng)一所致[2]。目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了較多立木生物量模型的研建工作，但較為系統(tǒng)地研建區(qū)域性立木生物量模型的相對(duì)很少，并且主要針對(duì)我國(guó)東北天然林區(qū)或典型森林生態(tài)系統(tǒng)而開(kāi)展，比較有代表性的一是陳傳國(guó)、朱俊鳳等系統(tǒng)研究建立了東北地區(qū)11個(gè)樹(shù)種的干、枝、葉、根、地上和林木總生物量模型[3]；二是全國(guó)立木生物量建模課題組建立的適用于大尺度范圍的立木生物量模型[4-6]。

森林資源連續(xù)清查是以區(qū)域尺度 (我國(guó)為省級(jí)行政單元)幼小到成熟的全部林木為總體調(diào)查對(duì)象，獲取區(qū)域森林面積、蓄積、林木特征等方面的詳細(xì)資料，具有分布范圍廣、時(shí)間連續(xù)性強(qiáng)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)，鑒于森林清查資料的詳細(xì)程度和權(quán)威性，充分有效地利用森林資源清查資料，評(píng)估區(qū)域尺度的森林生物量、碳貯量與碳收支，正日益成為研究的熱點(diǎn)[10]。四川森林資源豐富、類型多樣，是我國(guó)西南天然林區(qū)的主體[11～12]，本文以四川省森林資源連續(xù)清查(以下簡(jiǎn)稱“連清”)樣地、樣木信息為基礎(chǔ)，從立木生物量建模類型劃分、立木生物量野外調(diào)查樣本分布等問(wèn)題分析研究，以期為四川立木生物量模型的系統(tǒng)研建提供科學(xué)依據(jù)與參考，進(jìn)而為基于森林資源連續(xù)清查成果準(zhǔn)確評(píng)估四川森林生物量，估算省級(jí)區(qū)域尺度的生物量奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)及參考

研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括：一是四川5次“連清”(1988、1992、1997、2002、2007年)的成果報(bào)表、調(diào)查樣地(10 098個(gè))、檢尺樣木信息(12.7萬(wàn)株～14.5萬(wàn)株)；二是四川不同類型森林空間分布情況(2008a四川森林分類經(jīng)營(yíng)區(qū)劃界定成果資料)；三是《四川省林業(yè)統(tǒng)計(jì)年鑒》(1988～2010年)；四是《四川森林》、《四川松杉植物地理》、《小涼山植物志》等以往科研調(diào)查成果。

1.2 研究方法

1.2.1 建模類型劃分

研究采用統(tǒng)計(jì)分析、對(duì)比研究相結(jié)合的方法對(duì)立木生物量建模類型劃分進(jìn)行研究。首先，對(duì)四川5次“連清”成果資料進(jìn)行統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化處理，建立統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)庫(kù)，獲取四川多年來(lái)不同森林類型資源結(jié)構(gòu)(面積、蓄積)整體情況，結(jié)合《四川省森林資源二類調(diào)查細(xì)則》(四川省林業(yè)廳 1993年)、《四川省一元立木材積表》(四川省林業(yè)廳 1980年) 等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)四川主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)的劃分與歸并，按照科學(xué)、適用、精煉、可行的原則，綜合考慮進(jìn)行立木生物量建模類型劃分。

1.2.2 樣本構(gòu)成分布

在1.2.1研究中確定的建模優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)四川5次“連清”檢尺樣木胸徑結(jié)構(gòu)、海拔分布、經(jīng)緯度分布情況，然后結(jié)合《四川森林》、《四川松杉植物地理》、《小涼山植物志》等科研成果對(duì)已確定的立木生物量建模類型的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)生長(zhǎng)特性、空間分布區(qū)間進(jìn)行對(duì)比分析，考慮野外樣本獲取的難易程度，綜合確定立木生物量建模樣本野外調(diào)查的胸徑大小區(qū)間、海拔及經(jīng)緯度分布范圍。

2 結(jié)果與分析

2.1 建模類型劃分

根據(jù)四川5次“連清”成果資料中不同森林類型的面積、蓄積情況(見(jiàn)表1)，從表1可知，近20a來(lái)四川不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組) 的面積、蓄積所占比例排序雖有一定變化，但冷杉、云杉、云南松等針葉樹(shù)種和櫟類、樺木、楊樹(shù)等闊葉樹(shù)種的面積、蓄積在四川森林面積、蓄積仍然占主要地位。同時(shí)，結(jié)合《四川省一元立木材積表》中優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)建?？傮w劃分，目前排名前10位的樹(shù)種(組)全部單獨(dú)劃分了材積建模類型，前11～20位的樹(shù)種(組)有一半(5個(gè))單獨(dú)劃分了材積建模類型，前21～30位的樹(shù)種(組)有兩個(gè)單獨(dú)劃分了材積建模類型。

四川森林類型多樣、林木種類繁多，不可能也沒(méi)有必要為所有樹(shù)種建立單株立木生物量模型。因而，只對(duì)資源數(shù)量相對(duì)較多、分布范圍相對(duì)較廣的樹(shù)種，才考慮單獨(dú)建立模型，其它樹(shù)種合并建模。按照下列原則將不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種進(jìn)行歸并建模：① 四川5次“連清”不同樹(shù)種形態(tài)各優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)蓄積量、面積前列；② 與四川省一元立木材積表中建模總體劃分盡量保持一致；③ 針葉、闊葉均有一定數(shù)量建模樹(shù)種，但建模總體數(shù)量不超過(guò)20個(gè)；④ 近年來(lái)四川省大力發(fā)展的用材樹(shù)種。根據(jù)上述原則劃分確定了四川優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)立木生物量建模總體(見(jiàn)表2)。

表1 四川5次 “連清”不同森林類型蓄積、面積比例 單位：%

注：括號(hào)內(nèi)為該次“連清”比例排序，2007年后優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)資源統(tǒng)計(jì)發(fā)生變化

表2 四川立木生物量建模總體劃分

2.2 建模樣本分布結(jié)構(gòu)

2.2.1 胸徑分布范圍

根據(jù)立木生物量建模類型劃分結(jié)果，按優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)統(tǒng)計(jì)四川5次“連清”檢尺樣木胸徑分布，各建模優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)之間胸徑范圍變化的差異較大，其他松類胸徑變化范圍最大為5.0 cm～144.1 cm(四川森林“連清”樣木起測(cè)胸徑為5.0 cm)，桉屬胸徑變化范圍最小為5.0 cm～40.0 cm，其余優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)胸徑變化范圍詳見(jiàn)表3；云杉、冷杉胸徑變異系數(shù)最大，分別為75.4、72.4，其余優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)胸徑變化范圍詳見(jiàn)表3。

在較大區(qū)域尺度內(nèi)，立木胸徑越大，林木株數(shù)越少；同時(shí)隨著徑階的增大，生物量測(cè)定的工作量將大幅增加，尤其是野外的測(cè)定工作。因此，考慮到立木生物量建模類型樣本采集野外工作，應(yīng)當(dāng)包括較多胸徑徑階而且胸徑徑階不宜定得過(guò)大的實(shí)際情況，本研究確定四川地區(qū)優(yōu)勢(shì)樹(shù)種立木生物量建模樣本野外調(diào)查最大徑階以“連清”檢尺樣木胸徑平均值+2倍標(biāo)準(zhǔn)差(AV+2δ)作為立木生物量野外調(diào)查樣本胸徑最大徑階，同時(shí)擴(kuò)大延伸一個(gè)徑階，由于歷次“連清”調(diào)查中僅對(duì)胸徑≥5.0 cm以上林木進(jìn)行檢尺調(diào)查，對(duì)立木生物量建模樣本按照胸徑徑階下限(5.0 cm)向下延伸一個(gè)徑階?；谝陨蠈?shí)際情況的考慮，四川地區(qū)立木生物量建模類型野外樣本胸徑大小分布詳見(jiàn)表3。

表3 建模優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)立木生物量樣本胸徑分布

2.2.2 海拔分布范圍

統(tǒng)計(jì)四川歷次“連清”檢尺樣木的海拔分布 (見(jiàn)表4)。從表4可知，不同優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)的海拔分布范圍差異較大。因此，根據(jù)各建模優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)海拔分布上、下限極值和平均海拔分布，并參考《四川森林》、《四川松杉植物地理》等相關(guān)資料。本研究采用海拔等分方式對(duì)立木生物量建模優(yōu)勢(shì)樹(shù)種海拔分布范圍進(jìn)行區(qū)間等分，在此基礎(chǔ)上，以建模類型海拔分布的平均海拔±1個(gè)海拔區(qū)分段，作為立木生物量野外取樣樣本海拔區(qū)間分布范圍，詳見(jiàn)表4。

表4 建模優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)立木樣本海拔分布

2.2.3 空間分布范圍

根據(jù)歷次四川“連清”檢尺樣木空間范圍分布統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表5)。從表5可知，不同建模樹(shù)種的海拔分布范圍差異較大。因此，根據(jù)各建模優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)空間分布跨度值，本研究采用經(jīng)度、緯度等分方式對(duì)立木生物量建模優(yōu)勢(shì)樹(shù)種海拔分布范圍進(jìn)行區(qū)間等分，并參考《四川森林》、《四川松杉植物地理》等相關(guān)資料，以建模類型的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)經(jīng)緯度分布中心±1個(gè)經(jīng)緯度區(qū)分段(忽略極限經(jīng)度、緯度分布帶立木生物量對(duì)建模的影響)，綜合確定各建模類型優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)野外取樣樣本經(jīng)度、緯度分布范圍，詳見(jiàn)表5。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文以四川主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)立木生物量建模類型劃分為目標(biāo)，基于四川省歷次“連清”成果數(shù)據(jù)和調(diào)查資料，參考四川省頒布多種林業(yè)數(shù)表、相關(guān)著作、專題論述等研究劃分了16個(gè)四川立木生物量建模類型，并根據(jù)歷次“連清”檢尺樣木信息(胸徑、海拔、經(jīng)度、緯度)分布統(tǒng)計(jì)分析，確定開(kāi)展立木類型生物量野外調(diào)查樣本分布構(gòu)成，但對(duì)于立木生物量野外調(diào)查樣本構(gòu)成分布仍然存在需要進(jìn)一步研究的地方：

表5 建模優(yōu)勢(shì)樹(shù)種(組)樣木空間范圍構(gòu)成分布

(1)本文劃分的四川立木生物量建模類型野外調(diào)查樣本分布中沒(méi)有考慮樹(shù)高對(duì)立木生物量的影響。大量研究表明，相同樹(shù)種(組)不同樹(shù)高的立木蓄積量、生物量差異極為明顯，但由于“連清”體系中并沒(méi)有大量進(jìn)行樣木樹(shù)高測(cè)定，缺少大量樹(shù)高信息。因此，在本研究中立木生物量野外調(diào)查樣本構(gòu)成分布方面暫時(shí)沒(méi)有考慮樹(shù)高因素，如何通過(guò)其他有效方法，準(zhǔn)確獲取四川大尺度范圍內(nèi)樹(shù)高測(cè)定信息有待進(jìn)一步研究。

(2)關(guān)于立木生物量建模類型的樣本數(shù)量確定。關(guān)于建模樣本數(shù)量，已經(jīng)發(fā)表的各種立木生物量模型差異很大，從國(guó)內(nèi)外已發(fā)表的立木生物量模型來(lái)看[12]，雖然建模樣本數(shù)量達(dá)到大樣本要求(50以上)的只是少數(shù)，但近年來(lái)建立的一些大尺度范圍應(yīng)用的立木生物量模型，樣本數(shù)量有增加的趨勢(shì)，一般都要求所選樣木盡量覆蓋整個(gè)直徑分布范圍，并且各個(gè)徑階的樣木數(shù)相等或近似相等的原則。本研究對(duì)關(guān)于樣本數(shù)量多少才合適，并沒(méi)有深入進(jìn)行探討研究，需要多少樣本數(shù)量才能滿足精度要求需要進(jìn)一步細(xì)化研究。

(3)建模類型的胸徑大小、樣本空間分布范圍往往需要兼顧不同的生態(tài)地理區(qū)位，野外調(diào)查樣本的胸徑、海拔、經(jīng)緯度等分布范圍原則上應(yīng)該考慮各建模類型集中分布范圍區(qū)，沒(méi)有考慮其胸徑、海拔、經(jīng)度、緯度等極限分布區(qū)域區(qū)內(nèi)樣本分布。本研究以四川省多次“連清”成果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，同時(shí)也主要考慮立木生物量建模類型樣本的野外獲取難度、取樣調(diào)查精度、工作成本經(jīng)費(fèi)，不能無(wú)限擴(kuò)大野外樣本調(diào)查工作的“邊界成本”等實(shí)際情況。如何通過(guò)其他有效方法，來(lái)“獲取”或者“消除”樣本極限值對(duì)立木生物量模型建立的精度影響有待進(jìn)一步更加深入的研究。

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