森林资源监测地面固定样地优化研究

阳 帆,白星雯

(国家林业和草原局林草调查规划院,北京 100714)

森林资源具有分布范围广、跨度大的特性,采用全林每木调查法获取大区域尺度森林资源信息,耗时耗力,且不切实际,因此抽样调查技术被引进到森林资源调查工作中[1-2]。地面固定样地是森林资源清查的基本抽样单元,也是一定面积森林的缩影,能够在一定程度上反映森林资源概况信息[3-5]。大区域尺度森林资源监测通过抽取调查所有地面样地森林资源信息,从而估测监测区域的森林资源概况。

森林资源监测样地应用类型分为3类[6-10]:不同形状的单一样地、圆形联合样地以及整群样地。样地按照形状分为8类[11]:正方形样地、外方形框样地、长方形样地、圆形样地、半正态圆形样地、圆形外正匡样地、指数型样线以及半正态样线。目前根据样地形状、样地数量及样地空间组合方式将各国所应用的监测样地类型主要分为7类[12-16]:1)以中国为代表的单一方形样地类型；2)以韩国(1986—1990年第四次全国森林资源清查)为代表的单一圆形样地类型；3)以法国及冰岛为代表的单一同心圆样地类型；4)以美国为代表的四点圆形群团样地类型；5)以瑞典及德国为代表的方阵型圆形群团样地类型；6)以马来西亚(1981—1982年第二次国家级森林资源清查)为代表方形群团样地；7)以喀麦隆为代表的复合样地类型。

目前我国采用单一方形样地作为地面监测样地,采“一刀切”的方式进行样地布设,即在全国范围内布设面积大小相同的样地。然而我国疆土区域辽阔,林分空间情况变化大,有关研究表明[17-18],应当针对不同类型的林分设计不同样地模式来提高抽样监测精度及抽样效率。并且单一样地相比群团样地而言,空间信息能力反映较弱[19-20]。因此,开展森林资源监测地面固定样地优化研究工作,对于提高地面固定样地对实际林分的预估精度,保证森林资源监测数据的准确性至关重要。

本研究在借鉴国外常用样地类型的基础上(单一方形样地、单一圆形样地、四点圆形群团样地、方阵式群团样地),从样地面积、群团样地内子样地间距出发,探究在不同类型林分中开展森林资源监测的最优样地类型。选择不同起源、不同龄组的1hm2大样地作为实际林分监测对象,采用重复随机抽样方法在各类型林分中布设不同类型的地面固定样地,通过对比分析各类型地面固定样地的蓄积量抽样监测精度差异性,确定在不同类型林分中开展森林资源监测的最优样地类型。

1 材料与方法

1.1 大样地选设

在河北省保定市选择分不同起源、不同龄组林分类型布设面积为1hm2(100m×100m)的大样地作为监测对象,分别为天然幼龄林、天然中龄林、天然近成过熟林、人工幼龄林、人工中龄林、人工近成过熟林等6种林分类型

1.2 数据采集

在选设的6种类型林分内进行每木检尺调查,详细记录树种、树高、胸径及单位置坐标等数据信息。

1.3 单一样地类型设计方案

国家级森林资源监测所应用的地面固定样地形状主要有圆形及方形,因此针对方形、圆形样地分别设计11种面积方案进行验证(表1)。单一方形样地以边长15m为起点,以2m为一个阶梯跨度,设计11种面积尺度方案。为确保不同形状样地之间的可比性,在方形样地同等面积尺度下,同样设计11种单一圆形样地面积方案。

表1 单一样地不同面积方案设计Tab.1 Design of different area schemes for single sample

为保证研究的可信度,排除随机偶然性,采取重复随机抽样方法进行验证,在6个1 hm2大样地中重复随机抽取10个监测点布设样地。通过对比分析各样地面积方案对6种大样地林分类型的抽样监测精度,确定地面固定样地最优面积尺度大小。样地蓄积量及抽样监测精度计算如下:

1.4 群团样地类型设计方案

在四点圆形群团样地、方阵群团样地基础上,分别设计11种间距方案,为确保不同类型群团样地之间的可比性,以单一样地研究所得到的最优面积为群团样地总面积,群内子样地间距以0m为起点,以2m为1个阶梯跨度,设计11种间距方案,分比为:0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20m。

同样采取重复随机抽样方法进行验证。在6个大样地中重复随机抽取10个样点,每个抽样点上均布设11个不同间距方案的四点群团样地及方阵式群团样地,每种林分中重复220次试验,共进行1 320次试验。通过对比分析不同间距样地方案对林分的抽样监测精度,确定在各类型林分中开展蓄积量监测的最优间距方案,群团样地蓄积计算公式如下。

式中:Vq为群团样地总蓄积;Vz1—Vz4分别为4个子样地蓄积量;S为群团样地总面积。

2 结果与分析

2.1 单一样地最优样地面积尺度

抽样监测结果如表2所示。

表2 单一样地不同面积方案抽样监测结果Tab.2 Sampling results of different area schemes for single sample

1) 单一方形样地天然林。在幼龄林中,当样地面积增大到841～1 225m2区间内,其蓄积抽样精度基本稳定在76%左右；在中龄林中,当样地面积增大到729～1 225m2区间内,蓄积抽样监测精度稳定在77%左右；在近成过熟林中,当样地面积增长到625～1 225m2区间内,监测精度基本维持在86%左右。

2) 单一方形样地人工林。在幼、中、近成过熟林中,当样地面均增大到625～1 225m2区间内,蓄积抽样监测精度基本趋于稳定,幼、中、近成过熟林的蓄积抽样监测精度分别维持在73%,76%,83%左右。

3) 单一圆形地天然林。在幼龄中,当样地面积增大到841～1 225m2区间内,蓄积抽样监测精稳定在78%左右；在中龄林中,当样地面积增大到729～1 225m2区间内,蓄积抽样监测精度稳定在78%左右；在近成过熟林中,当样地面积增长到625～1 225m2区间内,监测精度基本维持在88%左右。

4) 单一圆形地人工林。在幼、中、近成过树林中,当样地面积增大到625～1 225m2区间,其积抽样监测精度均趋于稳定。幼、中、近成过熟林的蓄积抽样监测精度分别维持在76%,78%,86%左右。

无论是方形样地还是圆形样地,蓄积量抽样精度随面积增大而有所提高,当面积增大到稳定区间时,通过增加样地面积来提高蓄积抽样监测精度意义不大,反而会增加外业调查工作量。综合考虑监测精度及外业调查工作量的问题,将蓄积抽样精度达到稳定区间的最小面积方案作为单一样地最优面积尺度。由此可见,天然幼、中、近成过熟林内开展蓄积监测的最优面积尺度分别为841,729,625m2；人工林中不同龄组林分的最优样地面积尺度相同,均为625m2。

2.2 群团样地最优间距

监测结果如表3、表4所示。

1) 四点群团样地天然林。在幼、中龄林中,当子样地间距增长到14～20m区间内,蓄积抽样精度基本趋于稳定,蓄积抽样精度分别为维持在89%,92%左右；在近成过熟林中,当样地间距增长到10～20m区间内,蓄积抽样精度基本稳定维持在94%左右。

表3 不同类型林分群团样地基本信息Tab.3 Basic information of cluster sample plots arranged in different types of stands

2) 四点群团样地人工林。在幼、中龄林中,当子样地间距增长到14～20m区间内,抽样监测精度趋于稳定,分别维持在83%,85%左右；在近成过熟林中,样地间距在10～20m区间内,蓄积抽样精度基本稳定,维持在90%左右。

3) 方阵群团样地天然林。在幼、中龄林中,当子样地间距增长到14～20m区间内,蓄积抽样精度分别稳定维持在87%,91%左右；在近成过熟林中,当子样地间距增长到10～20m区间内,抽样精度稳定维持在93%左右。

4) 方阵群团样地人工林。在幼、中龄林中,当子样地间距增长到14～20m区间内,抽样精度均稳定维持在82%左右；在近成过熟林中,当子样地间距增长到10～20m区间内,抽样精度基本维持在88%左右。

群团样地抽样监测精度随子样地间的间距的增加,同样呈现先增加后平稳的趋势。综合考虑抽样监测精度以及外业工作量的问题,将蓄积抽样精度稳定区间的最小间距方案定为群团样地间距研究的最优解。无论是天然林还是人工林,采用群团样地对幼、中龄林开展蓄积监测的最优间距为14m,近成过熟林为10m。

2.3 不同类型样地对比分析

进一步横向对比分析各类型样地在最优样地尺度方案下的抽样监测精度从而确定最优样地类型。不同类型林分中,各样地类型在抽样精度稳定区间的平均抽样精度如表5所示。

表4 群团样地不同间距方案抽样监测精度Tab.4 Sampling monitoring accuracy of different spacing schemes of cluster sample

表5 不同类型样地稳定区间抽样精度对比分析Tab.5 Comparative analysis of sampling accuracy of different types of samples in stable interval

通过对比分析表5可知,在同一类型林分中,相同面积尺度下,单一圆形样地蓄积抽样监测精度均略高于方形样地。其次,四点群团样地抽样监测精度略高于方阵群团样地。另外,整体对比分析可以发现,同等面积尺度下,群团样地抽样精度皆高于单一样地,且稳定区间内平均抽样监测精度均达80%以上。相对单一样地而言,采用群团样地对天然中龄林蓄积监测精度提升最大,达14.146%,对人工近成过熟林提升最小,达3.547%。

开展蓄积量监测时,采用四点圆形群团样地作为地面固定样地,其监测效果最优。采用该样地类型对不同类型林分开展蓄积量监测时,样地最优规格信息(最优样地面积、最优样地间距)如表6所示。

表6 不同类型林分内最优监测样地规格信息Tab.6 Optimal monitoring sample plot size information in different types of stands

3 讨论与结论

3.1 讨论

1) 对于蓄积量而言,国家级大区域尺度范围内仍然采用抽样调查的方式获取,抽样的基本单元是地面固定样地,以地面固定样地监测信息来代表某一片区域尺度上的森林资源基本概况。因此,地面固定样地对实际林分的预估精度显得极为重要。近年来,已有很多文章探讨并详细介绍了各林业大国国家级森林监测地面固定样地的布设形式以及样地调查方式,然而各类型样地对实际林分的监测精度差异性并未进行验证分析。

2) 目前,国际上国家级森林资源地面固定样地类型有:方阵式圆形群团样地、四点圆形群团样地、单一同心圆样地、复合样地、样线结合圆形群团样地类型、样带结合方形样地类型。可以看出,国外各林业大国主要采用圆形以及群团样地方式布设国家级森林资源地面监测样地,而我国仍然采用单一方形样地。方形和圆形样地,单一样地与群团样地在预估林分蓄积量时,哪个更精准还未可知。因此,本文针对该研究目的,开展森林资源总监测地面固定样地优化研究,旨在提高我国森林监测信息的精准度,为我国今后的地面固定样地优化改进提高参考。

3.2 结论

1) 在不同类型林分中开展蓄积量监测的最优样地面积尺度大小不一,因此，在布设国家级森林资源监测地面固定样地时,样地面积不能“一刀切”,应当根据林分起源、龄组的不同,确定样地规格大小(样地面积、样地间距)。

2) 样地面积相同情况下,单一圆形样地抽样监测精度略高于单一方形样地,群团样地的蓄积抽样监测精度明显高于单一样地,四点圆形群团样地抽样监测精度略高于方阵式群团样地。