森林資源監(jiān)測地面固定樣地優(yōu)化研究

陽 帆,白星雯

(國家林業(yè)和草原局林草調(diào)查規(guī)劃院,北京 100714)

森林資源具有分布范圍廣、跨度大的特性,采用全林每木調(diào)查法獲取大區(qū)域尺度森林資源信息,耗時(shí)耗力,且不切實(shí)際,因此抽樣調(diào)查技術(shù)被引進(jìn)到森林資源調(diào)查工作中[1-2]。地面固定樣地是森林資源清查的基本抽樣單元,也是一定面積森林的縮影,能夠在一定程度上反映森林資源概況信息[3-5]。大區(qū)域尺度森林資源監(jiān)測通過抽取調(diào)查所有地面樣地森林資源信息,從而估測監(jiān)測區(qū)域的森林資源概況。

森林資源監(jiān)測樣地應(yīng)用類型分為3類[6-10]:不同形狀的單一樣地、圓形聯(lián)合樣地以及整群樣地。樣地按照形狀分為8類[11]:正方形樣地、外方形框樣地、長方形樣地、圓形樣地、半正態(tài)圓形樣地、圓形外正匡樣地、指數(shù)型樣線以及半正態(tài)樣線。目前根據(jù)樣地形狀、樣地?cái)?shù)量及樣地空間組合方式將各國所應(yīng)用的監(jiān)測樣地類型主要分為7類[12-16]:1)以中國為代表的單一方形樣地類型；2)以韓國(1986—1990年第四次全國森林資源清查)為代表的單一圓形樣地類型；3)以法國及冰島為代表的單一同心圓樣地類型；4)以美國為代表的四點(diǎn)圓形群團(tuán)樣地類型；5)以瑞典及德國為代表的方陣型圓形群團(tuán)樣地類型；6)以馬來西亞(1981—1982年第二次國家級森林資源清查)為代表方形群團(tuán)樣地；7)以喀麥隆為代表的復(fù)合樣地類型。

目前我國采用單一方形樣地作為地面監(jiān)測樣地,采“一刀切”的方式進(jìn)行樣地布設(shè),即在全國范圍內(nèi)布設(shè)面積大小相同的樣地。然而我國疆土區(qū)域遼闊,林分空間情況變化大,有關(guān)研究表明[17-18],應(yīng)當(dāng)針對不同類型的林分設(shè)計(jì)不同樣地模式來提高抽樣監(jiān)測精度及抽樣效率。并且單一樣地相比群團(tuán)樣地而言,空間信息能力反映較弱[19-20]。因此,開展森林資源監(jiān)測地面固定樣地優(yōu)化研究工作,對于提高地面固定樣地對實(shí)際林分的預(yù)估精度,保證森林資源監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

本研究在借鑒國外常用樣地類型的基礎(chǔ)上(單一方形樣地、單一圓形樣地、四點(diǎn)圓形群團(tuán)樣地、方陣式群團(tuán)樣地),從樣地面積、群團(tuán)樣地內(nèi)子樣地間距出發(fā),探究在不同類型林分中開展森林資源監(jiān)測的最優(yōu)樣地類型。選擇不同起源、不同齡組的1hm2大樣地作為實(shí)際林分監(jiān)測對象,采用重復(fù)隨機(jī)抽樣方法在各類型林分中布設(shè)不同類型的地面固定樣地,通過對比分析各類型地面固定樣地的蓄積量抽樣監(jiān)測精度差異性,確定在不同類型林分中開展森林資源監(jiān)測的最優(yōu)樣地類型。

1 材料與方法

1.1 大樣地選設(shè)

在河北省保定市選擇分不同起源、不同齡組林分類型布設(shè)面積為1hm2(100m×100m)的大樣地作為監(jiān)測對象,分別為天然幼齡林、天然中齡林、天然近成過熟林、人工幼齡林、人工中齡林、人工近成過熟林等6種林分類型

1.2 數(shù)據(jù)采集

在選設(shè)的6種類型林分內(nèi)進(jìn)行每木檢尺調(diào)查,詳細(xì)記錄樹種、樹高、胸徑及單位置坐標(biāo)等數(shù)據(jù)信息。

1.3 單一樣地類型設(shè)計(jì)方案

國家級森林資源監(jiān)測所應(yīng)用的地面固定樣地形狀主要有圓形及方形,因此針對方形、圓形樣地分別設(shè)計(jì)11種面積方案進(jìn)行驗(yàn)證(表1)。單一方形樣地以邊長15m為起點(diǎn),以2m為一個(gè)階梯跨度,設(shè)計(jì)11種面積尺度方案。為確保不同形狀樣地之間的可比性,在方形樣地同等面積尺度下,同樣設(shè)計(jì)11種單一圓形樣地面積方案。

表1 單一樣地不同面積方案設(shè)計(jì)Tab.1 Design of different area schemes for single sample

為保證研究的可信度,排除隨機(jī)偶然性,采取重復(fù)隨機(jī)抽樣方法進(jìn)行驗(yàn)證,在6個(gè)1 hm2大樣地中重復(fù)隨機(jī)抽取10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)樣地。通過對比分析各樣地面積方案對6種大樣地林分類型的抽樣監(jiān)測精度,確定地面固定樣地最優(yōu)面積尺度大小。樣地蓄積量及抽樣監(jiān)測精度計(jì)算如下:

1.4 群團(tuán)樣地類型設(shè)計(jì)方案

在四點(diǎn)圓形群團(tuán)樣地、方陣群團(tuán)樣地基礎(chǔ)上,分別設(shè)計(jì)11種間距方案,為確保不同類型群團(tuán)樣地之間的可比性,以單一樣地研究所得到的最優(yōu)面積為群團(tuán)樣地總面積,群內(nèi)子樣地間距以0m為起點(diǎn),以2m為1個(gè)階梯跨度,設(shè)計(jì)11種間距方案,分比為:0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20m。

同樣采取重復(fù)隨機(jī)抽樣方法進(jìn)行驗(yàn)證。在6個(gè)大樣地中重復(fù)隨機(jī)抽取10個(gè)樣點(diǎn),每個(gè)抽樣點(diǎn)上均布設(shè)11個(gè)不同間距方案的四點(diǎn)群團(tuán)樣地及方陣式群團(tuán)樣地,每種林分中重復(fù)220次試驗(yàn),共進(jìn)行1 320次試驗(yàn)。通過對比分析不同間距樣地方案對林分的抽樣監(jiān)測精度,確定在各類型林分中開展蓄積量監(jiān)測的最優(yōu)間距方案,群團(tuán)樣地蓄積計(jì)算公式如下。

式中:Vq為群團(tuán)樣地總蓄積;Vz1—Vz4分別為4個(gè)子樣地蓄積量;S為群團(tuán)樣地總面積。

2 結(jié)果與分析

2.1 單一樣地最優(yōu)樣地面積尺度

抽樣監(jiān)測結(jié)果如表2所示。

表2 單一樣地不同面積方案抽樣監(jiān)測結(jié)果Tab.2 Sampling results of different area schemes for single sample

1) 單一方形樣地天然林。在幼齡林中,當(dāng)樣地面積增大到841～1 225m2區(qū)間內(nèi),其蓄積抽樣精度基本穩(wěn)定在76%左右；在中齡林中,當(dāng)樣地面積增大到729～1 225m2區(qū)間內(nèi),蓄積抽樣監(jiān)測精度穩(wěn)定在77%左右；在近成過熟林中,當(dāng)樣地面積增長到625～1 225m2區(qū)間內(nèi),監(jiān)測精度基本維持在86%左右。

2) 單一方形樣地人工林。在幼、中、近成過熟林中,當(dāng)樣地面均增大到625～1 225m2區(qū)間內(nèi),蓄積抽樣監(jiān)測精度基本趨于穩(wěn)定,幼、中、近成過熟林的蓄積抽樣監(jiān)測精度分別維持在73%,76%,83%左右。

3) 單一圓形地天然林。在幼齡中,當(dāng)樣地面積增大到841～1 225m2區(qū)間內(nèi),蓄積抽樣監(jiān)測精穩(wěn)定在78%左右；在中齡林中,當(dāng)樣地面積增大到729～1 225m2區(qū)間內(nèi),蓄積抽樣監(jiān)測精度穩(wěn)定在78%左右；在近成過熟林中,當(dāng)樣地面積增長到625～1 225m2區(qū)間內(nèi),監(jiān)測精度基本維持在88%左右。

4) 單一圓形地人工林。在幼、中、近成過樹林中,當(dāng)樣地面積增大到625～1 225m2區(qū)間,其積抽樣監(jiān)測精度均趨于穩(wěn)定。幼、中、近成過熟林的蓄積抽樣監(jiān)測精度分別維持在76%,78%,86%左右。

無論是方形樣地還是圓形樣地,蓄積量抽樣精度隨面積增大而有所提高,當(dāng)面積增大到穩(wěn)定區(qū)間時(shí),通過增加樣地面積來提高蓄積抽樣監(jiān)測精度意義不大,反而會增加外業(yè)調(diào)查工作量。綜合考慮監(jiān)測精度及外業(yè)調(diào)查工作量的問題,將蓄積抽樣精度達(dá)到穩(wěn)定區(qū)間的最小面積方案作為單一樣地最優(yōu)面積尺度。由此可見,天然幼、中、近成過熟林內(nèi)開展蓄積監(jiān)測的最優(yōu)面積尺度分別為841,729,625m2；人工林中不同齡組林分的最優(yōu)樣地面積尺度相同,均為625m2。

2.2 群團(tuán)樣地最優(yōu)間距

監(jiān)測結(jié)果如表3、表4所示。

1) 四點(diǎn)群團(tuán)樣地天然林。在幼、中齡林中,當(dāng)子樣地間距增長到14～20m區(qū)間內(nèi),蓄積抽樣精度基本趨于穩(wěn)定,蓄積抽樣精度分別為維持在89%,92%左右；在近成過熟林中,當(dāng)樣地間距增長到10～20m區(qū)間內(nèi),蓄積抽樣精度基本穩(wěn)定維持在94%左右。

表3 不同類型林分群團(tuán)樣地基本信息Tab.3 Basic information of cluster sample plots arranged in different types of stands

2) 四點(diǎn)群團(tuán)樣地人工林。在幼、中齡林中,當(dāng)子樣地間距增長到14～20m區(qū)間內(nèi),抽樣監(jiān)測精度趨于穩(wěn)定,分別維持在83%,85%左右；在近成過熟林中,樣地間距在10～20m區(qū)間內(nèi),蓄積抽樣精度基本穩(wěn)定,維持在90%左右。

3) 方陣群團(tuán)樣地天然林。在幼、中齡林中,當(dāng)子樣地間距增長到14～20m區(qū)間內(nèi),蓄積抽樣精度分別穩(wěn)定維持在87%,91%左右；在近成過熟林中,當(dāng)子樣地間距增長到10～20m區(qū)間內(nèi),抽樣精度穩(wěn)定維持在93%左右。

4) 方陣群團(tuán)樣地人工林。在幼、中齡林中,當(dāng)子樣地間距增長到14～20m區(qū)間內(nèi),抽樣精度均穩(wěn)定維持在82%左右；在近成過熟林中,當(dāng)子樣地間距增長到10～20m區(qū)間內(nèi),抽樣精度基本維持在88%左右。

群團(tuán)樣地抽樣監(jiān)測精度隨子樣地間的間距的增加,同樣呈現(xiàn)先增加后平穩(wěn)的趨勢。綜合考慮抽樣監(jiān)測精度以及外業(yè)工作量的問題,將蓄積抽樣精度穩(wěn)定區(qū)間的最小間距方案定為群團(tuán)樣地間距研究的最優(yōu)解。無論是天然林還是人工林,采用群團(tuán)樣地對幼、中齡林開展蓄積監(jiān)測的最優(yōu)間距為14m,近成過熟林為10m。

2.3 不同類型樣地對比分析

進(jìn)一步橫向?qū)Ρ确治龈黝愋蜆拥卦谧顑?yōu)樣地尺度方案下的抽樣監(jiān)測精度從而確定最優(yōu)樣地類型。不同類型林分中,各樣地類型在抽樣精度穩(wěn)定區(qū)間的平均抽樣精度如表5所示。

表4 群團(tuán)樣地不同間距方案抽樣監(jiān)測精度Tab.4 Sampling monitoring accuracy of different spacing schemes of cluster sample

表5 不同類型樣地穩(wěn)定區(qū)間抽樣精度對比分析Tab.5 Comparative analysis of sampling accuracy of different types of samples in stable interval

通過對比分析表5可知,在同一類型林分中,相同面積尺度下,單一圓形樣地蓄積抽樣監(jiān)測精度均略高于方形樣地。其次,四點(diǎn)群團(tuán)樣地抽樣監(jiān)測精度略高于方陣群團(tuán)樣地。另外,整體對比分析可以發(fā)現(xiàn),同等面積尺度下,群團(tuán)樣地抽樣精度皆高于單一樣地,且穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)平均抽樣監(jiān)測精度均達(dá)80%以上。相對單一樣地而言,采用群團(tuán)樣地對天然中齡林蓄積監(jiān)測精度提升最大,達(dá)14.146%,對人工近成過熟林提升最小,達(dá)3.547%。

開展蓄積量監(jiān)測時(shí),采用四點(diǎn)圓形群團(tuán)樣地作為地面固定樣地,其監(jiān)測效果最優(yōu)。采用該樣地類型對不同類型林分開展蓄積量監(jiān)測時(shí),樣地最優(yōu)規(guī)格信息(最優(yōu)樣地面積、最優(yōu)樣地間距)如表6所示。

表6 不同類型林分內(nèi)最優(yōu)監(jiān)測樣地規(guī)格信息Tab.6 Optimal monitoring sample plot size information in different types of stands

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

1) 對于蓄積量而言,國家級大區(qū)域尺度范圍內(nèi)仍然采用抽樣調(diào)查的方式獲取,抽樣的基本單元是地面固定樣地,以地面固定樣地監(jiān)測信息來代表某一片區(qū)域尺度上的森林資源基本概況。因此,地面固定樣地對實(shí)際林分的預(yù)估精度顯得極為重要。近年來,已有很多文章探討并詳細(xì)介紹了各林業(yè)大國國家級森林監(jiān)測地面固定樣地的布設(shè)形式以及樣地調(diào)查方式,然而各類型樣地對實(shí)際林分的監(jiān)測精度差異性并未進(jìn)行驗(yàn)證分析。

2) 目前,國際上國家級森林資源地面固定樣地類型有:方陣式圓形群團(tuán)樣地、四點(diǎn)圓形群團(tuán)樣地、單一同心圓樣地、復(fù)合樣地、樣線結(jié)合圓形群團(tuán)樣地類型、樣帶結(jié)合方形樣地類型。可以看出,國外各林業(yè)大國主要采用圓形以及群團(tuán)樣地方式布設(shè)國家級森林資源地面監(jiān)測樣地,而我國仍然采用單一方形樣地。方形和圓形樣地,單一樣地與群團(tuán)樣地在預(yù)估林分蓄積量時(shí),哪個(gè)更精準(zhǔn)還未可知。因此,本文針對該研究目的,開展森林資源總監(jiān)測地面固定樣地優(yōu)化研究,旨在提高我國森林監(jiān)測信息的精準(zhǔn)度,為我國今后的地面固定樣地優(yōu)化改進(jìn)提高參考。

3.2 結(jié)論

1) 在不同類型林分中開展蓄積量監(jiān)測的最優(yōu)樣地面積尺度大小不一,因此，在布設(shè)國家級森林資源監(jiān)測地面固定樣地時(shí),樣地面積不能“一刀切”,應(yīng)當(dāng)根據(jù)林分起源、齡組的不同,確定樣地規(guī)格大小(樣地面積、樣地間距)。

2) 樣地面積相同情況下,單一圓形樣地抽樣監(jiān)測精度略高于單一方形樣地,群團(tuán)樣地的蓄積抽樣監(jiān)測精度明顯高于單一樣地,四點(diǎn)圓形群團(tuán)樣地抽樣監(jiān)測精度略高于方陣式群團(tuán)樣地。