鄧　成，張守攻，陸元昌，唐學君

(1 廣西林業(yè)勘測設計院，廣西 南寧 530028；2 中國林業(yè)科學研究院，北京 100091；3 國家林業(yè)局華東林業(yè)調查規(guī)劃設計院，浙江 杭州 310019)

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經營單位級的森林多功能監(jiān)測體系研究

鄧成1,2，張守攻2，陸元昌2，唐學君3

(1 廣西林業(yè)勘測設計院，廣西 南寧 530028；2 中國林業(yè)科學研究院，北京 100091；3 國家林業(yè)局華東林業(yè)調查規(guī)劃設計院，浙江 杭州 310019)

[摘要]【目的】 研究經營單位級的森林多功能監(jiān)測體系，為森林經營單位及時掌握多功能森林的生長發(fā)育狀態(tài)、內部結構特征、更新演替規(guī)律及其與所處環(huán)境間的相互關系提供有效手段，進而為其森林多功能經營提供數據支撐和理論指導?！痉椒ā?以中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)試驗中心森林為研究對象，從抽樣體系設計、樣地布設方法、調查因子設置及觀測指標數據采集等方面對森林多功能監(jiān)測技術進行系統(tǒng)介紹和實踐操作?！窘Y果】 基于 1 km×1 km網格抽樣框架，通過二重系統(tǒng)抽樣，采用群狀圓形樣地方式，布設一重樣地和二重樣地，建立了經營單位級的森林多功能監(jiān)測體系。實踐操作結果表明，采用該監(jiān)測體系調查一個樣地所需費用與我國森林資源連續(xù)清查所需費用相當，但工作量僅約為后者的1/3，其中對熱帶林業(yè)實驗中心森林蓄積量的抽樣精度為94.97%，說明抽樣效率較高?！窘Y論】 建立的經營單位級森林標多功能該監(jiān)測體系實用性強，監(jiān)測效率高，對森林經營單位開展森林多功能經營及森林多功能綜合監(jiān)測具有指導意義。

[關鍵詞]經營單位級；森林多功能；多功能監(jiān)測體系

森林監(jiān)測是現代森林經營管理的重要手段，通過其可收集有關森林狀況的各種基礎數據，從而對森林經營實施情況進行及時了解并開展森林經營評價工作，以發(fā)現問題并進行調整，幫助和指導森林經營實踐[1]。森林監(jiān)測體系的發(fā)展水平適應經濟社會的需求而不斷提高。最初，各國的森林監(jiān)測主要針對林木資源進行，側重于森林面積和蓄積方面，對生態(tài)和環(huán)境方面的監(jiān)測較少。隨著經濟社會的發(fā)展，人們越來越重視生態(tài)建設和環(huán)境保護，在森林監(jiān)測過程中，森林健康、環(huán)境狀況等方面的因子逐漸增加[2]。進入現代，經濟社會對森林多種功能的需求更是與日俱增，森林經營已從過去片面追求經濟效益發(fā)展到社會、經濟和生態(tài)多種效益并舉，森林監(jiān)測所需提供的信息也越來越多，世界各國開始對其森林監(jiān)測體系進行一系列優(yōu)化和改進，以使森林監(jiān)測從單一的木材資源監(jiān)測向多資源多功能綜合監(jiān)測轉變[3-8]。然而，由于綜合監(jiān)測體系的建立和實施相對復雜，常?？缭蕉鄠€學科，對森林經營者的要求較高[9]，加之森林多功能經營技術和模式等仍處于探索階段，致使目前對森林資源多功能綜合監(jiān)測的理論研究多，實踐操作少，林業(yè)生產實踐中比較完善、操作性較強的森林多功能綜合監(jiān)測體系還很少見。盡管在有些森林綜合監(jiān)測體系中也包含了一些森林健康和生態(tài)環(huán)境方面的因子，但還比較有限，多屬于輔助因子，對其結果監(jiān)測多、過程監(jiān)測少，未能將各種生產經營活動、森林內部結構特征等因素與森林最終體現出來的多種功能和效益很好地結合起來，且多偏向于大尺度的國家級、區(qū)域級監(jiān)測，經營單位級的監(jiān)測不多，所提供的各種信息比較宏觀，細致程度不夠，多功能綜合監(jiān)測能力不足，難以滿足不同層次的信息需求[10]。因此，建立完善且操作性強的經營單位級森林多功能綜合監(jiān)測體系，對于提供全面的森林多功能綜合信息、切實促進森林多功能經營水平的提高、全面發(fā)揮森林資源的多重功能和效益具有重要意義。

1經營單位森林經營概況

中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)試驗中心(簡稱熱林中心)位于廣西壯族自治區(qū)憑祥市西南部，北緯21°57′～22°19′，東經106°39′～106°59′，共有森林面積15 655.1 hm2，其中喬木林面積13 310.6 hm2，占森林面積的85.02%；特殊灌木林面積2 338.0 hm2，占14.95%。喬木林面積以用材林為主，占81.12%；其次是防護林，占9.94%，特用林占 5.78%，經濟林占3.17%。喬木林樹種以馬尾松林(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)和桉樹(Eucalyptus)為主，面積分別占喬木林總面積的63.00%、6.97%和5.73%。這些樹種原來多為純林，近年來，熱林中心森林經營從原有的木材生產永續(xù)利用目標向以多功能可持續(xù)經營為目標的技術體系改革和發(fā)展，積極進行了林種、樹種結構調整，通過營造珍貴闊葉林和混交異齡林對原有人工純林進行近自然化改造，使林分逐漸向群落結構合理、生態(tài)功能完善、景觀效果良好和經濟效益顯著的近自然多功能森林轉變，取得了很好的效果[11]。根據規(guī)劃，到2050年，熱林中心將建設成為以多功能森林經營為主要特征的綜合性現代林業(yè)生產和科學試驗示范基地。

2經營單位級森林多功能監(jiān)測體系的構建

2.1監(jiān)測體系抽樣設計

世界各國的森林資源監(jiān)測調查多采取抽樣調查法，但抽樣的強度不一[12]，一般來說對資源監(jiān)測的抽樣強度較大，對森林健康、森林環(huán)境及生態(tài)因子監(jiān)測的抽樣強度稍低，多采取多重或多階抽樣的方法，從資源監(jiān)測的樣地中再抽取一部分樣地來加強監(jiān)測，如美國的資源監(jiān)測樣地抽樣間距接近5 km的網格密度，并在每16個樣地中抽取1個用于生態(tài)因子方面的監(jiān)測(相當于20 km×20 km抽樣間距)[13]；歐洲國家的資源監(jiān)測樣地間距多為4 km×4 km，森林健康及環(huán)境監(jiān)測樣地多為16 km×16 km；有些國家也使用了更小的8 km×8 km或4 km×4 km網格監(jiān)測體系[14-15]。經營單位級的森林多功能監(jiān)測體系既要反映傳統(tǒng)森林資源監(jiān)測的有關內容，又要體現傳統(tǒng)森林資源監(jiān)測中涉及較少的森林生態(tài)與環(huán)境相關的內容，其所要求的信息量比國家級、區(qū)域級的森林資源監(jiān)測更加詳細和多樣化，因此所要求的抽樣強度也更高。參照國內外森林資源綜合監(jiān)測抽樣設置，綜合考慮成本與效益，本研究采用二重系統(tǒng)抽樣的方法建立多功能森林經營監(jiān)測抽樣體系，該方法在國外森林資源監(jiān)測中已被證明具有較強的實用性和可操作性[16]。第一重樣本(地)采用系統(tǒng)抽樣，按1 km×1 km網格進行，在網格交叉處設置監(jiān)測樣地用于傳統(tǒng)的森林結構和生長動態(tài)指標觀測，熱林中心共設置樣地238個；第二重樣本(地)的抽樣數量根據第一次抽樣各樣地的蓄積量來確定，其中可靠性和調查精度均要求為95%，通過計算需要的樣地數量為51個，因此采用2 km×2 km網格間距進行系統(tǒng)抽樣，共抽取樣地56個(為第一重樣地的一部分)，用于新增加的森林生態(tài)和環(huán)境觀測指標的獲取。抽樣體系如圖1所示。

2.2監(jiān)測體系樣地布設

監(jiān)測體系的樣地采用群狀圓形樣地布設，每個樣地內設3個半徑(R)為6.51 m的圓形子樣地，總面積為400 m2(圖2)。類似地星圓樣地群在美國的森林資源綜合監(jiān)測中得到了廣泛使用[17]，其主要有3方面的優(yōu)勢：(1)將主要調查區(qū)面積400 m2均勻分布到大樣圓中的3個子樣地中，其代表性比單一400 m2的樣地要廣，且其與我國森林資源連續(xù)清查樣地相比，在抽樣精度相同的情況下工作量約減少了2/3，提高了抽樣效率；(2)由于中心點觀測項目較少而將主要調查任務分散到3個樣圓中，可減少調查活動對樣地產生的干擾破壞，有利于樣地盡快恢復到原有的自然狀態(tài)；(3)分解為3個樣圓的測量避免了每木測量時隨半徑增加距離方位角測定難度急速增大的不足，提高了調查效率。樣地布設時，首先用GPS根據千米網格坐標確定樣點的現地位置作為樣地中心O點，并埋設水泥樁，方便于以后復查時使用磁鐵探測器查找，水泥樁的中心加入鋼筋，樁長50 cm左右，地上部分保留10～20 cm，其他部分全埋入地下。然后使用羅盤、測繩分別于中心點的正北方向(0°)、東南方位角(120°)、西南方位角(240°)15 m處確定A、B、C3個樣圓的中心點，均勻布設3個圓形子樣地，在3個子樣圓中心點使用鐵錘將長30 cm、直徑1.5～2 cm的鋼筋埋入地內，沒至地表，作為永久性標識；同時，在該位置地面插設PVC塑料管，以便下次核查時尋找。在每個子樣圓中從圓心向前1 m處為左下角，在順時針方向設置1個4 m×4 m幼樹灌木樣方，并在該樣方右上角設立1個1 m×1 m的幼苗草本樣方。

圖 1　抽樣設計樣地布設示意圖Fig.1　Layout of sampling plot圖 2　群狀圓形樣地布設示意圖Fig.2　Circular shape plots cluster

2.3監(jiān)測調查因子與指標設置

2.3.1一重樣地調查因子設置一重樣地主要用于常規(guī)的森林結構和生長動態(tài)指標的觀測。樣地內的調查因子從大到小共設置為4個層次，分別為林分概況層(General situation 層，簡稱G層)、單木信息層(Trees層，簡稱T層)、灌木及幼樹信息層(Bush層，簡稱B層)、草本信息層(Herb層，簡稱H層)，其中林分概況層主要用于對林分結構、景觀層次、林分健康、社會功能等狀況的監(jiān)測與分析；單木信息層主要用于對森林蓄積量、木材質量、生物量等的計算，進而對森林經濟功能、固碳功能等進行監(jiān)測與分析；灌木及幼樹信息層、草本信息層主要用于林下幼樹自然更新能力、灌木及草本植被豐富度等方面的分析，從而對與之相關的生物多樣性保護及其他功能進行監(jiān)測與分析。各層中的調查內容、詳細觀測指標及在樣地中的調查位置詳見表1。

表 1　一重樣地調查因子設置情況Table 1　Survey factors of the first sampling plots

2.3.2二重樣地調查因子設置二重樣地主要用于新增加的森林生態(tài)和環(huán)境觀測指標的獲取，這些樣地除了在第一重抽樣時要進行常規(guī)因子調查外，還需要增加空氣質量、枯落物分解情況、土壤理化性質等與森林生態(tài)和環(huán)境相關的調查因子。這些因子從上到下共設置為4個層次，分別為林冠層(Crown層，簡稱C層)、空氣層(Air層，簡稱A層)、枯落物層(Litter層，簡稱L層)、土壤層(Soil層，簡稱S層)，其中林冠層主要用于對與其相關的森林降水截留、能量交換等功能進行監(jiān)測與分析，空氣層主要用于對森林凈化大氣環(huán)境、提供負氧離子等改善空氣環(huán)境質量的功能進行監(jiān)測與分析，枯落物層主要用于對與其相關的涵養(yǎng)水源、儲存有機碳和養(yǎng)分等功能進行監(jiān)測與分析，土壤層主要用于對森林水土保持、土壤保育等功能進行監(jiān)測與分析。各層中的調查內容、詳細觀測指標及在樣地中的調查位置詳見表2。

表 2　二重樣地調查因子設置情況Table 2　Survey factors of secondary sampling plots

2.4觀測指標數據采集

2.4.1一重樣地觀測指標數據采集林分概況(G層)：由于經營單位以往都定期進行過森林資源連續(xù)清查及森林資源規(guī)劃設計調查，因此該層數據中的權屬、地理坐標、區(qū)劃位置(所屬分場、林班、小班等)、立地類型、坡度、坡向、坡位、海拔等因子可根據經營單位以往的調查資料確定；林種、林分起源、經營活動歷史等根據經營單位的森林經營檔案獲?。涣址职l(fā)展階段、優(yōu)勢樹種、林層結構、郁閉度、災害情況、可及度等因子根據現場觀察獲取。

單木信息(T層)：單木方位角采用羅盤儀確定，從規(guī)定方向沿順時針方向旋轉羅盤所遇到樹木的次序對樹木進行編號和調查，同方位角上有多棵樹時，則按由近到遠的次序編號調查。邊界木遵從首個180°邊界木計數、第2個180°邊界木不計數原則；距離樣圓中心點的距離采用皮尺測定；樹高采用布魯萊斯測高儀測定；胸徑采用圍尺測定；林木類型分為目標樹、干擾樹、特別樹和一般樹4類；林木生活力分為有競爭活力、有活力、活著的、瀕死的、枯死立木5個等級;干材質量分為通直完滿、輕度彎曲、二分枝、多分枝、顯著彎曲5種情況，均采用觀察法確定。

灌木和幼樹情況(B層)及草本情況(H層)：采用固定標桿或樣線的方法建立樣方，逐一調查記錄種類、高度、蓋度等因子。

2.4.2二重樣地觀測指標數據采集林冠狀況(C層)：采用魚眼鏡頭在各調查位置拍攝質量較好的林分全天空照片數張，并采用冠層分析軟件HemiView分析計算得到各樣地的林分葉面積指數、冠層輻射等情況。

空氣狀況(A層)：空氣溫度、濕度采用浙江托普儀器公司的手持式農業(yè)氣象監(jiān)測儀測定；空氣正、負氧離子含量采用日本KEC-990正負離子測試儀測定；二氧化碳濃度采用美國TEL-7001型二氧化碳檢測儀測定。

枯落物狀況(L層)：在各調查位置分別觀察并用直尺測量枯落物層的總厚度及分解狀況，同時在典型地段收集單位面積的枯落物樣品帶回實驗室，放入水中浸泡24 h后取出稱取質量，求算其最大持水量。然后，在85 ℃恒溫下烘干稱質量，求算其生物量及自然含水量。

土壤理化性質(S層)：在樣地中心點附近半徑8.49 m范圍內選取典型地段挖取土壤剖面，挖出表土層和心土層，然后分層用環(huán)刀、鋁盒和自封袋重復3次取樣帶回實驗室進行理化性質測定。根據相關研究，林木的根系主要分布在地表至60 cm深度的土層中[18-19]，土壤水分也多在地表至30 cm深度的土層中變化比較活躍，30 cm以下相對穩(wěn)定[20]，地表至60 cm深度的土層屬于林木根系活動的主要區(qū)域。而通過熱林中心土壤剖面挖取情況來看，其大部分土壤表土層及心土層的厚度已超過60 cm，因此，土壤剖面挖取至心土層即可，這樣既能滿足監(jiān)測需要，又能節(jié)省調查時間和費用。

3結果與分析

經2014年在熱林中心對以上監(jiān)測體系進行實踐操作，其調查一個樣地所需投入的總經費與我國森林資源連續(xù)清查調查一個樣地的經費相差不多，但工作量大大降低，約為后者的1/3，按照國家森林資源連續(xù)清查主要技術規(guī)定中的方法進行總體估計及精度分析，2014年熱林中心森林總蓄積量為 1 424 216.6 m3，蓄積量抽樣精度為94.97%，表明監(jiān)測體系具有很好的抽樣效率。通過監(jiān)測體系獲得的森林面積、蓄積及主要生態(tài)環(huán)境狀況指標詳見表3。

表 3　熱帶林業(yè)實驗中心森林主要監(jiān)測指標數據Table 3　Main monitoring indicators of experimental center of tropical forestry

各項監(jiān)測指標中，蓄積量情況可用于了解經營單位的木材生產功能；溫濕度、二氧化碳濃度及負氧離子含量情況可用于了解經營單位森林空氣環(huán)境狀況及其改善空氣環(huán)境的功能；森林喬灌木、枯落物生物量及土壤碳密度，可用于計算森林的固碳量及釋氧量，了解森林的固碳釋氧功能；葉面積指數、枯落物持水率、土壤非毛管孔隙度等情況，可用于了解森林的水源涵養(yǎng)功能；此外，森林喬、灌、草等物種數量可用于了解森林的生物多樣性情況。由熱林中心各項調查數據，根據溫濕指數法[21]可知其森林溫濕指數為28.4，屬于悶熱不舒適級別；根據二氧化碳濃度法[22]可知其森林空氣處于健康水平；根據森林空氣負氧離子評價模型[23]可知其森林總體空氣負離子系數為0.60，空氣負氧離子評價系數為1.09，該森林整體空氣質量好、清潔度高；根據植物光合作用方程式可計算出熱林中心森林植被碳儲量為 598 010.9 t，枯落物碳儲量為145 240.3 t，森林生長總釋氧量為1 612 613.59 t，根據土壤碳密度計算出土壤碳儲量為2 756 236.3 t；根據葉面積指數及氣象降水數據，采用Aston降雨截留模型[24]計算出森林林冠截留量為2 125.20萬t；根據枯落物持水率計算出枯落物持水量為31.02萬t；根據土壤非毛管孔隙度計算出土壤可蓄水量為1 682.43萬t。此外，熱林中心共有森林喬木178種，灌木248種，草本62種，采用Shannon-Wiener指數法計算出森林喬、灌、草各層生物多樣性指數分別為2.88，4.46和2.53。

通過上述監(jiān)測體系，可對經營單位森林總體的木材生產、空氣環(huán)境改善、固碳釋氧、水源涵養(yǎng)、生物多樣性保護等多種功能狀況進行分析，當將監(jiān)測指標按照樣地類型(森林類型)進行統(tǒng)計時，也可對經營單位森林資源內部不同森林類型的多種功能狀況進行分析與比較，而通過定期監(jiān)測，則可對不同時間段經營單位森林的多種功能狀況及其發(fā)展變化動態(tài)有一個全面了解。

4結論與討論

通過二重系統(tǒng)抽樣，采用群狀圓形樣地，布設一重樣地和二重樣地，建立了經營單位級的森林多功能監(jiān)測體系，并在實際中進行了操作應用。實踐表明，采用該方法建立的經營單位級森林多功能監(jiān)測體系具有很好的實用性，監(jiān)測效率較高，能夠快捷有效地調查和獲取與森林多功能經營相關的各項觀測數據，從而了解多功能森林資源的結構、數量、質量及其各種功能狀態(tài)和發(fā)展變化規(guī)律等信息，為全面掌握多功能森林的各項特征提供了數據支撐，并能滿足森林多功能經營分析評價的需要，對于推動森林多功能綜合監(jiān)測理論的發(fā)展，提高森林多功能綜合監(jiān)測技術水平具有重要的理論和實踐意義。實際調查中，采用群狀圓形樣地的主要不足是樣地設置的復雜性和精確性要求高，復測復位的技術要求也較高。各項觀測指標中，空氣負氧離子含量、二氧化碳濃度會受溫、濕度的影響，因此在以后的復測時，應選擇在相同的季節(jié)進行，且應盡量使同一林分類型的數據形成一個時間序列，以便于取平均值進行分析。此外，為消除風速、風向可能帶來的誤差，在測定時應在同一觀測點相互垂直的2～4個方向各取1個讀數，取其平均值進行記錄分析。葉面積指數測定時，照片質量主要受兩個因素的影響:一是天空較強的陽光會使照片產生較多的孔隙，從而影響測量質量；二是天空的蔚藍色背景，由于藍綠色差較為接近，在軟件處理過程中易與林冠投影面積相混淆。因此，為了保證全天空照片質量與各項參數估測的最大精度，照片盡量不要正對太陽光線拍攝，或選擇陰天、晴天太陽未出之前和落山之后進行拍攝。

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DOI：網絡出版時間:2016-06-0816:2110.13207/j.cnki.jnwafu.2016.07.019

[收稿日期]2014-11-27

[基金項目]科技部國際合作項目“基于遙感和地面監(jiān)測的森林經理數據集成技術”(2014DFG32140)；中央級公益性科研院所基金項目“多功能森林撫育經營創(chuàng)新技術研究”(CAFYBB2012013)

[作者簡介]鄧成(1981-)，男，湖南新邵人，工程師，博士，主要從事森林資源監(jiān)測與評價、森林生態(tài)系統(tǒng)管理等研究。 [通信作者]陸元昌(1957-)，男，云南昆明人，研究員，博士，主要從事多功能近自然森林經理的理論與技術研究。 E-mail:YLu@caf.ac.cn

[中圖分類號]S727.3

[文獻標志碼]A

[文章編號]1671-9387(2016)07-0131-07

Multifunctional monitoring system for forest at management unit level

DENG Cheng1,2,ZHANG Shougong2,LU Yuanchang2,TANG Xuejun3

(1GuangxiForestryInventoryandPlanningInstitute,Nanning,Guangxi530028,China;2ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China;3EastChinaForestInventoryandPlanningInstituteStateForestryAdministration,Hangzhou,Zhejiang310019,China)

Abstract:【Objective】 This study aimed to establish effective means for forest management unit to timely know the growth and development state,internal structure characteristics,regeneration and succession regular of multifunctional forest and the relationship between it and the environment,which would provide data support and theoretical guidance for management of multifunctional forests.【Method】 Taking the experimental center of tropical forestry of the Chinese Academy of Forestry as an example,the multifunctional monitoring system of forest was introduced from the sampling system design to plots layout method,investigation factor set and observation data collection.【Result】 Through taking two systematic samplings and the cluster of circular shape plots,a multifunctional monitoring system for forest at management unit level was established.The system only took 1/3 workload compared to the national continuous forest inventory with equal cost.The sampling accuracy was excellent with 94.97% when applied to the forest volume in the experimental center at tropical forestry.【Conclusion】 The established monitoring system has strong practicability and high monitoring efficiency,and can guide the forest business units for multifunction management.

Key words:forest management unit;multifunctional forest;multifunctional monitoring system

網絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160608.1621.038.html