李紅振

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

森林生態(tài)系統(tǒng)作為陸地上面積最大、結(jié)構(gòu)最復雜和生態(tài)功能最齊全的自然生態(tài)系統(tǒng)，在全球生態(tài)系統(tǒng)中具有不可替代的作用[1]。進入21 世紀之后，生態(tài)環(huán)境保護被人們視為發(fā)展的核心問題[2]，森林資源的重要性也引起了專家學者的廣泛重視[3]。森林調(diào)查成為獲取森林資源信息和林業(yè)各種分析決策的基礎(chǔ)性技術(shù)工作[4]。森林資源調(diào)查費力、成本高，對全省的生態(tài)公益林來說，資源調(diào)查實施的難度較大。而隨著科學技術(shù)的發(fā)展，抽樣技術(shù)不斷成熟，遙感技術(shù)迅速發(fā)展[5-6]，越來越多的抽樣技術(shù)被應(yīng)用到森林資源監(jiān)測中。如何利用遙感技術(shù)和合適的抽樣方法進行少量的地面調(diào)查工作估算森林蓄積量，最大限度地減少地面調(diào)查工作量，已經(jīng)成為森林資源監(jiān)測領(lǐng)域關(guān)注的熱點。

蓄積量是反映森林資源狀況的一個重要指標，是森林資源調(diào)查和監(jiān)測的重要組成部分，準確高效監(jiān)測森林資源蓄積量對森林經(jīng)營、成效監(jiān)測及森林資源管理具有重要意義[7]。本文利用分層抽樣和遙感技術(shù)，結(jié)合高分辨率遙感影像進行布點調(diào)查，對遼寧省不同區(qū)域、不同齡組生態(tài)公益林蓄積量進行估算，為遼寧省生態(tài)公益林管理提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

遼寧省位于我國東北地區(qū)的南部，是我國東北經(jīng)濟區(qū)和環(huán)渤海經(jīng)濟區(qū)的重要結(jié)合部，地理位置為118°53′～125°46′E，38°43′～43°26′N。山地海拔高度400～1 000 m，省內(nèi)最高峰為花脖子山，海拔1 336 m。遼寧省地處中緯度的南半部，歐亞大陸東岸，屬溫帶大陸性季風氣候，年均氣溫為5.2～11.7 ℃。年均降水量400～970 mm。全省土壤有11 個土類、31 個亞類、155 個土屬、602 個土種。棕壤分布較廣，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，鹽堿土、水稻土、沼澤土等土類均為零星分布。

2 研究方法

2.1 分層抽樣設(shè)計

分層抽樣又叫類型抽樣、分類抽樣[8]，是將全省森林資源作為一個總體，在這個總體內(nèi)，對具有相同特征的森林資源進行分層，每一層都成為一個獨立的主體，所有層的面積之和與總體面積相等，通過各層的面積比例推算出各個層樣本的權(quán)重。立地條件是影響森林資源生長的一個重要條件[9]，遼寧省各縣區(qū)之間的自然因素差異較大。從以往的森林資源連續(xù)清查（系統(tǒng)抽樣）和二類調(diào)查結(jié)果可以明顯看出，在樹種、年齡相同的條件下，遼東山區(qū)與遼西北、遼中南區(qū)域的林木生長狀況具有顯著差異，而同一個區(qū)域差異較小。因此，我們將全省各縣區(qū)劃分為遼東山區(qū)、遼西北、遼中南3 個區(qū)域。按照不同區(qū)域?qū)⑸鷳B(tài)公益林進行一階分層，劃分為3 層。

然后按樹種組劃分：由于同一自然條件同一年齡的不同樹種的蓄積量差異顯著，按照林木生長和生物學特性，將樹種劃分為7 個不同類型的樹種組：紅松組、落葉松組、油松組、楊樹組、刺槐組、硬闊組和軟闊組；將生態(tài)公益林進行二階分層，分成21 層。

最后按照齡組劃分類型，在立地條件、樹種組相同的條件下，不同年齡林木的胸徑和樹高是不同的，所以按照齡級將林木年齡劃分為幼齡林、中齡林，近成過熟林（由于遼寧省近熟林、成熟林和過熟林所占面積比例很少，將3 種劃分為一類），并對生態(tài)公益林進行三階分層，共劃分成63 層。根據(jù)森林資源“一張圖”中的各單元面積計算各單元權(quán)重，根據(jù)既往森林資源連續(xù)清查資料，計算各單元蓄積平均數(shù)、標準差和變動系數(shù)，按可靠性95% 推算需要布設(shè)的樣本數(shù)量，為增加調(diào)查精度，按照20% 增加調(diào)查樣本量。分層抽樣樣本量計算公式：

式中：n為樣本量；ua為可靠性指標；Wi為第i層面積權(quán)重；CVi為第i層變動系數(shù)為相對誤差。

遼寧省生態(tài)公益林共抽取344 個樣地。

2.2 抽樣結(jié)果布點

根據(jù)分層抽樣結(jié)果，結(jié)合遼寧省森林資源管理“一張圖”基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 軟件目視判讀，根據(jù)不同區(qū)域、齡組和樹種組進行布點。

2.3 標準地調(diào)查

根據(jù)標準地的設(shè)置原則，選擇具有代表性的林分設(shè)置監(jiān)測樣地，全省共設(shè)置344 個固定樣地，其中遼東179 個，遼西北115 個，遼中南50 個。全省各區(qū)域標準地情況統(tǒng)計見表1。通過監(jiān)測樣地設(shè)置，對標準地進行每木檢尺，記錄林分的起源、齡組、事權(quán)等級等。

表1 不同區(qū)域生態(tài)公益林各齡組標準地數(shù)量 個

2.4 蓄積量計算

通過二元材積公式計算出立木材積[10]。本次生態(tài)公益林監(jiān)測樣地蓄積量計算方法采用遼寧省現(xiàn)有的二元材積方程計算，公式如下：

式中：V為活力木蓄積量；c0、c1、c2為參數(shù)；D為胸徑；H為樹高。

公式參數(shù)見表2。

表2 遼寧省各樹種組二元材積方程公式參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 不同抽樣方法蓄積量的對比

分層抽樣法蓄積量計算。根據(jù)單位面積蓄積量，生態(tài)公益林面積使用“一張圖”數(shù)據(jù)庫中有蓄積量的林分面積計算。

遼寧省森林資源連續(xù)清查蓄積量計算。根據(jù)1995 年、2000 年、2005 年、2010 年、2015 年的森林資源連續(xù)清查結(jié)果，采用生長消耗模型，通過林分生長量計算全省生態(tài)公益林蓄積量，結(jié)果見表3。

表3 不同抽樣方法公益林面積和蓄積統(tǒng)計

分層抽樣方法是根據(jù)森林資源“一張圖”數(shù)據(jù)的面積確定抽樣權(quán)重，根據(jù)各林分類型的特點，進行分層抽樣。從總蓄積來看，分層抽樣法得到的遼寧省生態(tài)公益林的蓄積量為22 879.45 萬m3，連續(xù)清查得到的蓄積量為21 481.16 萬m3，2 種調(diào)查方法之間差異不顯著（P=0.945＞0.05）。幼齡林分層抽樣方法和連續(xù)清查得到的蓄積量分別為4 034.49萬 m3和 4 753.12 萬 m3，2 種調(diào)查方法之間差異顯著（P=0.012＜0.05）；中齡林 2 種抽樣方法得到的蓄積量分別為 6 362.78 萬 m3和 5591.09 萬 m3，差異不顯著（P=0.079＞0.05）；近成過熟林，2 種抽樣方法得到的蓄積量分別為 11 882.18 萬 m3和11 136.95 萬 m3，差異不顯著（P=0.106＞0.05）。

由此可以看出，分層抽樣法和系統(tǒng)抽樣的精度都相對較高，且從總量上兩者精度差距不顯著。各個監(jiān)測體系之間的活立木蓄積量有所不同，幼齡林差異顯著，而中齡林和近成過熟林差異不顯著。由于中齡林、近成過熟林蓄積量占比較大，而幼齡林蓄積量占比較小，對總蓄積量的影響微乎其微。通過活立木蓄積量的驗證，分層抽樣法結(jié)合高清分辨率影像的監(jiān)測體系對森林資源進行監(jiān)測是可行的。

3.2 遼寧省生態(tài)公益林蓄積量統(tǒng)計

從表4 可以看出，遼寧省生態(tài)公益林面積為240.46 萬 hm2，單位面積蓄積量為 92.6 m3·hm-2，蓄積量總共為22 279.45 萬m3。其中國家公益林面積為158.19 萬 hm2，單位面積蓄積為 100.40 m3·hm-2，蓄積量為15 882.24 萬m3，占71.29%；地方公益林面積為82.28 萬 hm2，單位面積蓄積為 77.75 m3·hm-2，蓄積量為 6 397.21 萬 m3，占 28.71%。

表4 遼寧省生態(tài)公益林蓄積量統(tǒng)計

3.3 不同區(qū)域的生態(tài)公益林蓄積量

從表5 可以看出，不同區(qū)域間生態(tài)公益林面積和蓄積量有明顯差異，遼東地區(qū)生態(tài)公益林面積為136.34 萬 hm2，蓄積量 15 815.57 萬 m3，占遼寧省生態(tài)公益林總蓄積量的70.99%。其中國家公益林面積 101.36 hm2，蓄積量 12 404.71 萬 m3，占遼東地區(qū)生態(tài)公益林蓄積量的78.43%；地方公益林面積34.98 hm2，蓄積量 3 410.86 萬 m3，占遼東地區(qū)生態(tài)公益林蓄積量的21.57%。遼東地區(qū)不同齡組的生態(tài)公益林蓄積量表現(xiàn)為近成過熟林（7 088.62萬 m3）＞中齡林（5 202.46 萬 m3）＞幼齡林（3 524.49萬 m3）。

表5 不同區(qū)域、不同齡組生態(tài)公益林蓄積量

遼中南地區(qū)生態(tài)公益林面積29.09 萬hm2，蓄積量1 897.93 萬m3，占遼寧省生態(tài)公益林蓄積量的8.51%。其中國家公益林面積 9.01 hm2，蓄積量615.82 萬m3，占遼中南地區(qū)蓄積量的32.45%；地方公益林面積20.08 hm2，蓄積量1 282.11 萬m3，占遼中南地區(qū)蓄積量的67.55%。遼中南地區(qū)不同齡組的生態(tài)公益林蓄積量表現(xiàn)為近成過熟林（1 116.68萬 m3）＞中齡林（498.13 萬 m3）＞幼齡林（283.12萬 m3）。

遼西北地區(qū)生態(tài)公益林面積75.04 萬hm2，蓄積量4 565.95 萬m3，占遼寧省生態(tài)公益林蓄積量的20.49%。其中國家公益林面積47.82 hm2，蓄積量2 861.71 萬m3，占遼西北地區(qū)公益林蓄積量的 62.68%；地方公益林面積 27.22 hm2，蓄積量1 704.24 萬 m3，占遼西北地區(qū)公益林蓄積量的37.32%。遼西北地區(qū)不同齡組的生態(tài)公益林蓄積量表現(xiàn)為近成過熟林（3676.88 萬 m3）＞中齡林（662.19 萬 m3）＞幼齡林（226.88 萬 m3）。

從以上結(jié)果可知，全省生態(tài)公益林面積和蓄積量表現(xiàn)為遼東地區(qū)＞遼西北地區(qū)＞遼中南地區(qū)。全省各區(qū)域的生態(tài)公益林有明顯差異，說明森林資源分布不均勻。遼東地區(qū)森林資源較好，植被分布豐富，面積和蓄積量較高。

3.4 不同齡組生態(tài)公益林蓄積量

森林蓄積量與齡組密切相關(guān)。從表5 可以看出，遼寧省生態(tài)公益林幼齡林面積為83.55 萬hm2，蓄積量為4 034.49 萬m3，占遼寧省生態(tài)公益林總蓄積量的18.15%。其中遼東地區(qū)幼齡林蓄積量為3 524.49 萬m3，占幼齡林蓄積量的87.16%。遼中南和遼西北幼齡林蓄積量分別為226.8 萬m3和283.12 萬 m3，分別占幼齡林蓄積量的 7.01% 和5.62%。遼寧省生態(tài)公益林中齡林面積為59.17萬 hm2，蓄積量為6 362.78 萬m3，占遼寧省生態(tài)公益林總蓄積量的28.56%。其中遼東地區(qū)中齡林蓄積量為5 202.46 萬m3，占中齡林蓄積量的81.76%。遼中南和遼西北中齡林蓄積量分別為498.13 萬m3和662.19 萬m3，分別占中齡林蓄積量的7.83% 和10.41%。全省生態(tài)公益林近成過熟林面積為97.75萬hm2，蓄積量為11 882.18 萬m3，占遼寧省生態(tài)公益林總蓄積量的53.33%。其中遼東地區(qū)近成過熟林蓄積量為7 088.62 萬m3，占近成過熟林蓄積量的59.66%。遼中南和遼西北近成過熟林蓄積量分別為 1 116.68 萬 m3和 3 676.88 萬 m3，分別占近成過熟林蓄積量9.40%和30.94%。由以上結(jié)果可知，全省生態(tài)公益林蓄積量表現(xiàn)為近成過熟林＞中齡林＞幼齡林。

4 結(jié)論與討論

在森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)和森林資源管理“一張圖”數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，合理設(shè)計遼寧省生態(tài)公益林分層抽樣方法。結(jié)果表明，系統(tǒng)抽樣和分層抽樣方法精度都比較高，且兩者差異不顯著。通過活立木蓄積的驗證，分層抽樣方法更適合遼寧省生態(tài)公益林蓄積量的監(jiān)測。公益林系統(tǒng)抽樣需要外業(yè)調(diào)查的樣地數(shù)量為1 057 個，與系統(tǒng)抽樣相比，采用分層抽樣樣地數(shù)量減少了712 個，僅需344 個，相當于工作效率提高了2 倍。主要原因是系統(tǒng)抽樣中機械選擇樣地，增加大量的重復性工作，比如系統(tǒng)抽樣中無活立木蓄積樣地調(diào)查數(shù)量為365 個。同樣，在生態(tài)公益林調(diào)查的不同區(qū)域間、不同齡組間也存在大量的重復調(diào)查樣地。而分層抽樣可以結(jié)合遙感影像判讀排除大部分重復調(diào)查樣地。另外，遼寧地區(qū)地形復雜多樣，導致森林資源監(jiān)測復查時需要花費大量的時間去尋找樣地，復查效率不高。而分層抽樣可以在每個單元（層）內(nèi)機械或者隨機布設(shè)樣地，避免了重復工作量降低工作效率的缺點，減少工作量，提高工作效率。

綜上所述，經(jīng)過檢驗和對比分析，分層抽樣應(yīng)用于構(gòu)建遼寧省生態(tài)公益林監(jiān)測體系的方法是科學可行的，可以在保證監(jiān)測結(jié)果精度的前提下提高效率，會在未來的生態(tài)公益林監(jiān)測工作中得到很好的應(yīng)用。可以長期連續(xù)地進行生態(tài)公益林監(jiān)測，也可以應(yīng)用于遼寧省全面森林資源監(jiān)測，完善遼寧省森林資源監(jiān)測體系，為全省森林監(jiān)測及管理提供科學的技術(shù)支撐。