基于分層抽樣法的遼寧省生態公益林生物量和碳儲量測算研究

夏志光

(遼寧省林業調查規劃監測院，遼寧 沈陽 110122)

1 引言

世界已經進入全球氣候變化時代，氣候變化成為人類發展面臨的最大非傳統安全挑戰[1]。《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發展理念做好碳達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，這意味著中國將再次提前實現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。應對氣候變化、建設生態文明，林業既是重點也是難點[2]。在陸地生態系統中森林生態系統吸收二氧化碳的能力最強，在減緩全球氣候變化和固定二氧化碳中承擔著不可替代的作用[3]。在森林生態系統各項服務功能中，森林固碳釋氧服務功能對生態系統價值的貢獻較大[4]，森林生態系統每年的碳固定量約占整個陸地生物碳固定量的2/3[5，6]。國內學者也對碳儲量做了大量研究，基于森林資源連續清查數據，采用生物量和蓄積量的統計學關系的轉換函數，結合含碳系數，對省級尺度區域的生物量和碳儲量進行估算[7，8]。

本研究對遼寧省生態公益林采用分層抽樣并結合遙感影像判讀的方法進行樣點布設，進而對遼寧省生態公益林生物量和碳儲量進行測算，旨在為以后評估遼寧省森林生態系統的碳匯功能和林長制目標考核提供基礎性的數據支撐。

2 研究地點概況

遼寧省位于我國東北地區的南部，是我國東北經濟區和環渤海經濟區的重要結合部，地處東經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，西北與內蒙古自治區接壤，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個土類、31個亞類、155個土屬、602個土種。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，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，還有鹽堿土、水稻土、沼澤土等土類零星分布。遼寧省處在長白、華北和蒙古三大植被區系分布區的交界地帶，各植被區的代表樹種相互滲透，交錯分布，具有明顯的過渡性和混雜性。試驗地設在遼寧省生態公益林中。

3 研究方法

3.1 生態公益林監測體系構建

在對森林資源調查規劃設計時，采用系統抽樣、簡單隨機抽樣以及分層抽樣等方法對活立木蓄積進行監測，結果證明分層抽樣的抽樣精度最高，分層抽樣不僅包含了簡單隨機抽樣，還將簡單隨機抽樣按照權重比例進行匯總分析，分層抽樣是一種更加精確的抽樣法案[9]。

對遼寧省生態公益林，進行分層抽樣設計，分別各層測算監測樣地數量，同時結合遙感技術確定監測樣地位置。

本研究將全省生態公益林作為一個總體，在這個總體內，對具有相同特征的生態公益林進行分層，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。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的要求，通過各層的面積比例推算出各個層樣本的權重，這種抽樣方法抽取的樣本量較小。根據分層抽樣結果，將遼寧省生態公益林按照不同區域、樹種組和齡組劃分為63個類型(單元)，結合高清分辨率遙感影像數據，利用arcgis軟件目視判讀，排除重復樣地進行布點。詳見表1。

表1 遼寧省生態公益林分層抽樣

3.2 生態公益林蓄積量計算

通過二元材積公式計算出立木材積。本次生態公益林監測樣地蓄積量計算方法采用遼寧省現有的二元材積方程計算，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。

3.3生態公益林生物量和碳儲量計算

有研究表明，森林碳儲量的估測基于森林的生物量,而森林生物量的估測基于森林的蓄積量[10～14]。張煜星、王雪軍于2020年利用森林資源連續清查數據，把全國分為7個區域建立了林分每hm2蓄積量-生物量回歸模型[15]。利用回歸模型計算出全國喬木林的生物量。結果表明：與全國第九次資源連續清查(2014～2018)公布的數據相比，兩者測算結果具有很高的相似性，模型決定系數達到了0.99以上。所以本次生物量的計算采用張煜星、王雪軍建立的東北區域每hm2蓄積量-生物量冪函數模型，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 生態公益林碳儲量計算

碳儲量的估算采用生物量的含碳系數進行計算，第九次清查生物量的平均含碳系數為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 生態公益林樣地設置

采用分層抽樣法對最新林地變更數據中的遼寧省生態公益林分別以區域(遼東、遼中南、遼西北)和齡組(幼、中、近成過)進行抽樣。用羅盤儀按正北方向順時針布設樣地，樣地布設大小為25.82 m×25.82 m。樣地西南角留角樁和GPS坐標，樣地四周邊界樹用紅鉛油標記，對樣地內整體情況因子進行詳細記錄，并對樣地內所有活立木分樹種進行每木檢尺，并測量樹高。

4 結果分析

根據生物量計算模型和含碳系數計算出公益林的生物量和碳儲量(因總生物量和地上生物量有著相同的變化趨勢，所以本研究只對地上生物量進行分析)，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量遼東地區最大，遼西北地區次之，遼中南地區最小。并且遼東地區地上生物量和碳儲量都明顯高于遼中南和遼西北地區，生物量和碳儲量為遼中南地區的6.6倍，為遼西北地區的2.9倍。這與遼東地區生態公益林面積分布大，林分質量高、生產力強，且雨水充沛、氣候溫和，交通不便導致人為干擾小，植被類型豐富密切相關。

圖1 遼寧省生態公益林分地區地上生物量和碳儲量

從圖2分析得知，遼寧省國家公益林生物量和碳儲量都遠大于地方公益林。生物量和碳儲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，國家公益林各項政策措施落實到位、管護情況良好，國家公益林中天然林所占比例較大且林分質量整體較高，群落結構完整，物種豐富，林分結構相對穩定有著密不可分的關系。遼寧省國家公益林在生態系統服務功能和生態效益上發揮著主導作用。

圖2 遼寧省生態公益林分森林類別地上生物量和碳儲量

從圖3分析得知，遼寧省公益林地上生物量和碳儲量隨著林分年齡的增長而不斷的增加，并且在林齡達到近程過熟林時增加幅度尤為明顯。地上生物量和碳儲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量相差不大。這種變化趨勢與樹木的生長特性呈正相關，當樹木達到近成過熟齡時，樹木的生物量和碳儲量基本達到峰值。由此不難看出，遼寧省公益林當樹木年齡達到近成過熟齡后，公益林的生態效益才能發揮的更為顯著。但公益林要想達到近成過熟林要經過30多年甚至更長的時間，所以在公益林幼、中齡期如何科學的經營，近成過熟齡期如何的科學管理，顯得尤為重要。

圖3 遼寧省生態公益林分齡組地上生物量和碳儲量

5 結論討論

5.1 結論

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

(2)遼寧省國家公益林生物量和碳儲量都遠大于地方公益林。生物量和碳儲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量隨著林分年齡的增長而不斷的增加，并且在林齡達到近程過熟林時增加幅度尤為明顯。地上生物量和碳儲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量相差不大。這種變化趨勢與樹木的生長特性呈正相關，當樹木達到近成過熟齡時，樹木的生物量和碳儲量基本達到峰值。

5.2 討論

本研究在查閱大量文獻的基礎上選取最適合的模型進行生物量和碳儲量的計算。隨著研究的不斷深入，將來可能會有更加準確、優化的計算模型。本研究旨在采用方便、高效、精準的抽樣方法對遼寧省生態公益林進行生物量和碳儲量的計算，從而為評估遼寧省森林生態系統的碳匯功能和林長制目標考核提供基礎性的數據支撐。