基于分層抽樣法的遼寧省生態(tài)公益林生物量和碳儲(chǔ)量測(cè)算研究

夏志光

(遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃監(jiān)測(cè)院，遼寧 沈陽 110122)

1 引言

世界已經(jīng)進(jìn)入全球氣候變化時(shí)代，氣候變化成為人類發(fā)展面臨的最大非傳統(tǒng)安全挑戰(zhàn)[1]?！吨泄仓醒雵鴦?wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見》中明確了森林蓄積量和碳匯量的目標(biāo)，這意味著中國將再次提前實(shí)現(xiàn)森林蓄積量及森林碳匯量的國際承諾，成為世界最大新增森林蓄積量及碳匯量的國家。應(yīng)對(duì)氣候變化、建設(shè)生態(tài)文明，林業(yè)既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)[2]。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中森林生態(tài)系統(tǒng)吸收二氧化碳的能力最強(qiáng)，在減緩全球氣候變化和固定二氧化碳中承擔(dān)著不可替代的作用[3]。在森林生態(tài)系統(tǒng)各項(xiàng)服務(wù)功能中，森林固碳釋氧服務(wù)功能對(duì)生態(tài)系統(tǒng)價(jià)值的貢獻(xiàn)較大[4]，森林生態(tài)系統(tǒng)每年的碳固定量約占整個(gè)陸地生物碳固定量的2/3[5，6]。國內(nèi)學(xué)者也對(duì)碳儲(chǔ)量做了大量研究，基于森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)，采用生物量和蓄積量的統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系的轉(zhuǎn)換函數(shù)，結(jié)合含碳系數(shù)，對(duì)省級(jí)尺度區(qū)域的生物量和碳儲(chǔ)量進(jìn)行估算[7，8]。

本研究對(duì)遼寧省生態(tài)公益林采用分層抽樣并結(jié)合遙感影像判讀的方法進(jìn)行樣點(diǎn)布設(shè)，進(jìn)而對(duì)遼寧省生態(tài)公益林生物量和碳儲(chǔ)量進(jìn)行測(cè)算，旨在為以后評(píng)估遼寧省森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能和林長(zhǎng)制目標(biāo)考核提供基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)支撐。

2 研究地點(diǎn)概況

遼寧省位于我國東北地區(qū)的南部，是我國東北經(jīng)濟(jì)區(qū)和環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要結(jié)合部，地處東經(jīng)118°53′～125°46′，北緯38°43′～43°26′。東部隔鴨綠江與朝鮮民主主義共和國相望，南鄰黃海和渤海，西北與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤，西南與河北省毗鄰，北部和東北部與吉林省相鄰。

遼寧省地處中緯度的南半部，歐亞大陸東岸，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年平均氣溫為5.2～11.7 ℃，最高氣溫30 ℃左右，最低氣溫-30 ℃左右。年平均降水量400～970 mm。全省土壤有11個(gè)土類、31個(gè)亞類、155個(gè)土屬、602個(gè)土種。棕壤分布面較廣，在遼東和遼西丘陵山地均有分布，褐土主要分布在遼西地區(qū)，草甸土集中分布在遼河平原，風(fēng)沙土主要分布在遼北的彰武、康平、新民的柳河流域以及昌圖一帶，另外，還有鹽堿土、水稻土、沼澤土等土類零星分布。遼寧省處在長(zhǎng)白、華北和蒙古三大植被區(qū)系分布區(qū)的交界地帶，各植被區(qū)的代表樹種相互滲透，交錯(cuò)分布，具有明顯的過渡性和混雜性。試驗(yàn)地設(shè)在遼寧省生態(tài)公益林中。

3 研究方法

3.1 生態(tài)公益林監(jiān)測(cè)體系構(gòu)建

在對(duì)森林資源調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，采用系統(tǒng)抽樣、簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣以及分層抽樣等方法對(duì)活立木蓄積進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果證明分層抽樣的抽樣精度最高，分層抽樣不僅包含了簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣，還將簡(jiǎn)單隨機(jī)抽樣按照權(quán)重比例進(jìn)行匯總分析，分層抽樣是一種更加精確的抽樣法案[9]。

對(duì)遼寧省生態(tài)公益林，進(jìn)行分層抽樣設(shè)計(jì)，分別各層測(cè)算監(jiān)測(cè)樣地?cái)?shù)量，同時(shí)結(jié)合遙感技術(shù)確定監(jiān)測(cè)樣地位置。

本研究將全省生態(tài)公益林作為一個(gè)總體，在這個(gè)總體內(nèi)，對(duì)具有相同特征的生態(tài)公益林進(jìn)行分層，每一層都成為一個(gè)獨(dú)立的主體，所有層的面積之和與總體面積相等。由于不同層之間的特征值(方差)變化較大，同層之間的特征值(方差)變化較小。在同一個(gè)層里面通過抽取較小的樣本量就能滿足允許誤差及可靠性指標(biāo)的要求，通過各層的面積比例推算出各個(gè)層樣本的權(quán)重，這種抽樣方法抽取的樣本量較小。根據(jù)分層抽樣結(jié)果，將遼寧省生態(tài)公益林按照不同區(qū)域、樹種組和齡組劃分為63個(gè)類型(單元)，結(jié)合高清分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，利用arcgis軟件目視判讀，排除重復(fù)樣地進(jìn)行布點(diǎn)。詳見表1。

表1 遼寧省生態(tài)公益林分層抽樣

3.2 生態(tài)公益林蓄積量計(jì)算

通過二元材積公式計(jì)算出立木材積。本次生態(tài)公益林監(jiān)測(cè)樣地蓄積量計(jì)算方法采用遼寧省現(xiàn)有的二元材積方程計(jì)算，公式如下：

V=c0Dc1Hc2

(1)

式(1)中：V為蓄積(m3)；D為胸徑(cm)；H為樹高(m)；C0、C1、C2為遼寧省各樹種組二元材積方程公式參數(shù)。

3.3生態(tài)公益林生物量和碳儲(chǔ)量計(jì)算

有研究表明，森林碳儲(chǔ)量的估測(cè)基于森林的生物量,而森林生物量的估測(cè)基于森林的蓄積量[10～14]。張煜星、王雪軍于2020年利用森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)，把全國分為7個(gè)區(qū)域建立了林分每hm2蓄積量-生物量回歸模型[15]。利用回歸模型計(jì)算出全國喬木林的生物量。結(jié)果表明：與全國第九次資源連續(xù)清查(2014～2018)公布的數(shù)據(jù)相比，兩者測(cè)算結(jié)果具有很高的相似性，模型決定系數(shù)達(dá)到了0.99以上。所以本次生物量的計(jì)算采用張煜星、王雪軍建立的東北區(qū)域每hm2蓄積量-生物量?jī)绾瘮?shù)模型，具體如下：

Ya=1.4836X0.8198

(2)

Yb=2.1568X0.8095

(3)

式(2)、(3)中：Ya為單位面積地上生物量(t/hm2)，Yb為單位面積總生物量(t/hm2)，X為單位面積蓄積量(m3/hm2)

3.4 生態(tài)公益林碳儲(chǔ)量計(jì)算

碳儲(chǔ)量的估算采用生物量的含碳系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，第九次清查生物量的平均含碳系數(shù)為0.4887，具體如下：

Ca=0.4887Ya

(4)

Cb=0.4887Yb

(5)

式(4)、(5)中：Ca為單位面積地上植被含碳量(t/hm2)，Cb為單位面積植被總含碳量(t/hm2)。

3.5 生態(tài)公益林樣地設(shè)置

采用分層抽樣法對(duì)最新林地變更數(shù)據(jù)中的遼寧省生態(tài)公益林分別以區(qū)域(遼東、遼中南、遼西北)和齡組(幼、中、近成過)進(jìn)行抽樣。用羅盤儀按正北方向順時(shí)針布設(shè)樣地，樣地布設(shè)大小為25.82 m×25.82 m。樣地西南角留角樁和GPS坐標(biāo)，樣地四周邊界樹用紅鉛油標(biāo)記，對(duì)樣地內(nèi)整體情況因子進(jìn)行詳細(xì)記錄，并對(duì)樣地內(nèi)所有活立木分樹種進(jìn)行每木檢尺，并測(cè)量樹高。

4 結(jié)果分析

根據(jù)生物量計(jì)算模型和含碳系數(shù)計(jì)算出公益林的生物量和碳儲(chǔ)量(因總生物量和地上生物量有著相同的變化趨勢(shì)，所以本研究只對(duì)地上生物量進(jìn)行分析)，具體詳見圖1、圖2和圖3。

從圖1分析得知，遼寧省公益林地上生物量和碳儲(chǔ)量遼東地區(qū)最大，遼西北地區(qū)次之，遼中南地區(qū)最小。并且遼東地區(qū)地上生物量和碳儲(chǔ)量都明顯高于遼中南和遼西北地區(qū)，生物量和碳儲(chǔ)量為遼中南地區(qū)的6.6倍，為遼西北地區(qū)的2.9倍。這與遼東地區(qū)生態(tài)公益林面積分布大，林分質(zhì)量高、生產(chǎn)力強(qiáng)，且雨水充沛、氣候溫和，交通不便導(dǎo)致人為干擾小，植被類型豐富密切相關(guān)。

圖1 遼寧省生態(tài)公益林分地區(qū)地上生物量和碳儲(chǔ)量

從圖2分析得知，遼寧省國家公益林生物量和碳儲(chǔ)量都遠(yuǎn)大于地方公益林。生物量和碳儲(chǔ)量國家公益林為地方公益林的2倍。這與遼寧省國家公益林所占面積比例較大，國家公益林各項(xiàng)政策措施落實(shí)到位、管護(hù)情況良好，國家公益林中天然林所占比例較大且林分質(zhì)量整體較高，群落結(jié)構(gòu)完整，物種豐富，林分結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定有著密不可分的關(guān)系。遼寧省國家公益林在生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能和生態(tài)效益上發(fā)揮著主導(dǎo)作用。

圖2 遼寧省生態(tài)公益林分森林類別地上生物量和碳儲(chǔ)量

從圖3分析得知，遼寧省公益林地上生物量和碳儲(chǔ)量隨著林分年齡的增長(zhǎng)而不斷的增加，并且在林齡達(dá)到近程過熟林時(shí)增加幅度尤為明顯。地上生物量和碳儲(chǔ)量近成過熟林為中齡林的2.3倍，為幼齡林的2.4倍，幼齡林和中齡林生物量和碳儲(chǔ)量相差不大。這種變化趨勢(shì)與樹木的生長(zhǎng)特性呈正相關(guān)，當(dāng)樹木達(dá)到近成過熟齡時(shí)，樹木的生物量和碳儲(chǔ)量基本達(dá)到峰值。由此不難看出，遼寧省公益林當(dāng)樹木年齡達(dá)到近成過熟齡后，公益林的生態(tài)效益才能發(fā)揮的更為顯著。但公益林要想達(dá)到近成過熟林要經(jīng)過30多年甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，所以在公益林幼、中齡期如何科學(xué)的經(jīng)營(yíng)，近成過熟齡期如何的科學(xué)管理，顯得尤為重要。

圖3 遼寧省生態(tài)公益林分齡組地上生物量和碳儲(chǔ)量

5 結(jié)論討論

5.1 結(jié)論

(1)遼寧省公益林地上生物量和碳儲(chǔ)量遼東地區(qū)最大，遼西北地區(qū)次之，遼中南地區(qū)最小。并且遼東地區(qū)地上生物量和碳儲(chǔ)量都明顯高于遼中南和遼西北地區(qū)，生物量和碳儲(chǔ)量為遼中南地區(qū)的6.6倍，為遼西北地區(qū)的2.9倍。

(2)遼寧省國家公益林生物量和碳儲(chǔ)量都遠(yuǎn)大于地方公益林。生物量和碳儲(chǔ)量國家公益林為地方公益林的2倍。

(3)遼寧省公益林地上生物量和碳儲(chǔ)量隨著林分年齡的增長(zhǎng)而不斷的增加，并且在林齡達(dá)到近程過熟林時(shí)增加幅度尤為明顯。地上生物量和碳儲(chǔ)量近成過熟林為中齡林的2.3倍，為幼齡林的2.4倍，幼齡林和中齡林生物量和碳儲(chǔ)量相差不大。這種變化趨勢(shì)與樹木的生長(zhǎng)特性呈正相關(guān)，當(dāng)樹木達(dá)到近成過熟齡時(shí)，樹木的生物量和碳儲(chǔ)量基本達(dá)到峰值。

5.2 討論

本研究在查閱大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上選取最適合的模型進(jìn)行生物量和碳儲(chǔ)量的計(jì)算。隨著研究的不斷深入，將來可能會(huì)有更加準(zhǔn)確、優(yōu)化的計(jì)算模型。本研究旨在采用方便、高效、精準(zhǔn)的抽樣方法對(duì)遼寧省生態(tài)公益林進(jìn)行生物量和碳儲(chǔ)量的計(jì)算，從而為評(píng)估遼寧省森林生態(tài)系統(tǒng)的碳匯功能和林長(zhǎng)制目標(biāo)考核提供基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)支撐。