分層抽樣在遼寧省生態公益林蓄積量監測中的應用

李紅振

（遼寧省林業調查規劃監測院，遼寧 沈陽 110122）

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

蓄積量是反映森林資源狀況的一個重要指標，是森林資源調查和監測的重要組成部分，準確高效監測森林資源蓄積量對森林經營、成效監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，結合高分辨率遙感影像進行布點調查，對遼寧省不同區域、不同齡組生態公益林蓄積量進行估算，為遼寧省生態公益林管理提供科學依據。

1 研究區概況

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，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，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]，遼寧省各縣區之間的自然因素差異較大。從以往的森林資源連續清查（系統抽樣）和二類調查結果可以明顯看出，在樹種、年齡相同的條件下，遼東山區與遼西北、遼中南區域的林木生長狀況具有顯著差異，而同一個區域差異較小。因此，我們將全省各縣區劃分為遼東山區、遼西北、遼中南3 個區域。按照不同區域將生態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），并對生態公益林進行三階分層，共劃分成63 層。根據森林資源“一張圖”中的各單元面積計算各單元權重，根據既往森林資源連續清查資料，計算各單元蓄積平均數、標準差和變動系數，按可靠性95% 推算需要布設的樣本數量，為增加調查精度，按照20% 增加調查樣本量。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層面積權重；CVi為第i層變動系數為相對誤差。

遼寧省生態公益林共抽取344 個樣地。

2.2 抽樣結果布點

根據分層抽樣結果，結合遼寧省森林資源管理“一張圖”基礎數據和遙感影像數據，利用ArcGIS 軟件目視判讀，根據不同區域、齡組和樹種組進行布點。

2.3 標準地調查

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

表1 不同區域生態公益林各齡組標準地數量 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：

式中：V為活力木蓄積量；c0、c1、c2為參數；D為胸徑；H為樹高。

公式參數見表2。

表2 遼寧省各樹種組二元材積方程公式參數

3 結果與分析

3.1 不同抽樣方法蓄積量的對比

分層抽樣法蓄積量計算。根據單位面積蓄積量，生態公益林面積使用“一張圖”數據庫中有蓄積量的林分面積計算。

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

表3 不同抽樣方法公益林面積和蓄積統計

分層抽樣方法是根據森林資源“一張圖”數據的面積確定抽樣權重，根據各林分類型的特點，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公益林的蓄積量為22 879.45 萬m3，連續清查得到的蓄積量為21 481.16 萬m3，2 種調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，分層抽樣法結合高清分辨率影像的監測體系對森林資源進行監測是可行的。

3.2 遼寧省生態公益林蓄積量統計

從表4 可以看出，遼寧省生態公益林面積為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 遼寧省生態公益林蓄積量統計

3.3 不同區域的生態公益林蓄積量

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

表5 不同區域、不同齡組生態公益林蓄積量

遼中南地區生態公益林面積29.09 萬hm2，蓄積量1 897.93 萬m3，占遼寧省生態公益林蓄積量的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，占遼中南地區蓄積量的67.55%。遼中南地區不同齡組的生態公益林蓄積量表現為近成過熟林（1 116.68萬 m3）＞中齡林（498.13 萬 m3）＞幼齡林（283.12萬 m3）。

遼西北地區生態公益林面積75.04 萬hm2，蓄積量4 565.95 萬m3，占遼寧省生態公益林蓄積量的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，占遼西北地區公益林蓄積量的37.32%。遼西北地區不同齡組的生態公益林蓄積量表現為近成過熟林（3676.88 萬 m3）＞中齡林（662.19 萬 m3）＞幼齡林（226.88 萬 m3）。

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

3.4 不同齡組生態公益林蓄積量

森林蓄積量與齡組密切相關。從表5 可以看出，遼寧省生態公益林幼齡林面積為83.55 萬hm2，蓄積量為4 034.49 萬m3，占遼寧省生態公益林總蓄積量的18.15%。其中遼東地區幼齡林蓄積量為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，占遼寧省生態公益林總蓄積量的28.56%。其中遼東地區中齡林蓄積量為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，占遼寧省生態公益林總蓄積量的53.33%。其中遼東地區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%。由以上結果可知，全省生態公益林蓄積量表現為近成過熟林＞中齡林＞幼齡林。

4 結論與討論

在森林資源連續清查數據和森林資源管理“一張圖”數據的基礎上，合理設計遼寧省生態公益林分層抽樣方法。結果表明，系統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公益林蓄積量的監測。公益林系統抽樣需要外業調查的樣地數量為1 057 個，與系統抽樣相比，采用分層抽樣樣地數量減少了712 個，僅需344 個，相當于工作效率提高了2 倍。主要原因是系統抽樣中機械選擇樣地，增加大量的重復性工作，比如系統抽樣中無活立木蓄積樣地調查數量為365 個。同樣，在生態公益林調查的不同區域間、不同齡組間也存在大量的重復調查樣地。而分層抽樣可以結合遙感影像判讀排除大部分重復調查樣地。另外，遼寧地區地形復雜多樣，導致森林資源監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）內機械或者隨機布設樣地，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，經過檢驗和對比分析，分層抽樣應用于構建遼寧省生態公益林監測體系的方法是科學可行的，可以在保證監測結果精度的前提下提高效率，會在未來的生態公益林監測工作中得到很好的應用?？梢蚤L期連續地進行生態公益林監測，也可以應用于遼寧省全面森林資源監測，完善遼寧省森林資源監測體系，為全省森林監測及管理提供科學的技術支撐。