基于林分生长模型的天山云杉碳汇潜力估测

为掌握研究区天山云杉(Picea schrenkiana)林分碳储量现状，估算其碳汇潜力，了解其碳汇动态变化过程，分别基于Gompertz、Logistic、Mitscherlich和Schumacher等4个常用生长曲线方程，采用林龄、平均树高、平均胸径和林分密度等指标构建林分蓄积量生长模型，选取最优模型，通过林分生物量-林分蓄积量回归模型和含碳系数建立林分碳储量生长模型，计算不同林分条件下天山云杉生长到180 a的碳密度年均增长量，预测研究区当前、30 a后和60 a后的林分碳储量及碳汇潜力。结果表明，对比不同生长曲线方程后选择Schumacher方程构建林分蓄积生长模型并转化为林分碳储量生长模型，模型精度89.082%,估计值的标准差13.006、总系统误差-0.293、平均系统误差-5.943、决定系数0.895。基于林分碳储量生长模型计算出天山云杉在相同林分密度条件下，随着林分立地条件的变化，林分碳密度0～180 a年平均增长量为0.020～0.641 t/(hm²·a),研究区全域林分碳密度平均增长量为0.299 t/(hm²·a...     

2021 年 11 期目录

[目的]目前关于林分碳储量随年龄动态变化的模型研究较少,本研究通过建立林分水平的碳储量生长模型系,为区域尺度的森林碳储量动态预估提供方法.[方法]以吉林省长白落叶松人工林为对象,使用立地质量分级算法将所有样地划分为3个立地等级,并将其作为哑变量引入模型系中,使用联立方程组的方法将林分平均高、断面积生长模型和林分碳储量模型3个方程进行联合估计,建立林分碳储量生长模型系.采用调整确定系数(R2adj)、估计值的标准误(SEE)和平均预估误差(MPE)来评价模型的表现,分析不同立地等级和林分密度指数(SDI)下林分碳储量的生长过程,及林分断面积和平均高对林分碳储量的影响.[结果](1)林分碳储量生长模型系中林分平均高生长模型、林分断面积生长模型和林分碳储量模型的R2adj分别为0.879、0.977和0.953,MPE均??1500株/hm2时,在40年以后的林分密度对碳储量生长过程基本无影响;林分密度指数控制在1500?～2000株/hm2时可实现较快的碳储量生长.(4)林分碳储量随林分断面积和平均高的增加而增加,林分断面积与林分碳储量的关系更为密切.[结论]林分碳储量的生长和立地等级、林分平均年龄、密度、断面积、平均高等因子有密切联系,采用联立方程组方法是建立林分碳储量生长模型系的有效方法.本研究建立的林分碳储量生长模型系可以对林分碳储量动态进行有效预测,为了解林分碳储量的生长过程和森林碳汇评估提供了工具.     

基于似乎不相关回归和哑变量的日本落叶松单木生物量模型构建

精确地估算林木生物量对于了解大尺度森林生物量、碳储量及其动态变化具有重要意义。以甘肃省、湖北省、辽宁省3个区域共计161株日本落叶松Larix kaempferi单木各器官组分（树干、树皮、树叶、树枝、树根）生物量数据为例,基于似乎不相关回归和哑变量的方法,建立了适合不同区域、不同器官组分的日本落叶松单木通用性生物量方程。结果表明:与普通模型相比,构建的3个哑变量生物量通用模型不仅解决了不同器官组分的相容性,还提高了生物量估测精度,复相关系数增加了0.28%~0.44%,均方根误差减少了0.40%~6.61%,绝对偏差减少了1.63%~6.61%。单独引入1个哑变量时,区域哑变量构建的生物量通用模型预估精度高于发育阶段作为哑变量构建的生物量通用模型;而同时引入2个哑变量时,预估精度分别高于单独引入1个哑变量的生物量通用模型,表明同时考虑区域和发育阶段构建的日本落叶松生物量模型为最佳模型。因此,考虑将区域和发育阶段同时作为哑变量并应用似乎不相关法来构建单木生物量模型,可以解决大尺度生物量模型的通用性和不同组分的相容性问题。     

马尾松不同区域相容性立木材积和地上生物量模型

已有很多国内外学者研究立木材积与地上生物量相容性的问题,但是建模过程中考虑区域因子对模型影响的研究相对较少。针对此问题,以重庆市、四川省和湖北省151株马尾松Pinus massoniana的样本数据为例,采用哑变量和非线性联立方程组的方法,建立了不同区域马尾松通用的相容性地上生物量模型、立木材积模型和它们的转换因子模型。结果表明:马尾松不同区域的模型之间存在差异性;哑变量和非线性联立方程组的方法可以有效地解决不同区域模型的差异性和立木材积与地上生物量模型的相容性;马尾松地上生物量和立木材积的二元模型均优于其对应的一元模型;在独立拟合的地上生物量回归模型中引入立木材积因子,可以有效地改善模型的预估效果;构建的马尾松相容性立木材积和地上生物量哑变量模型评价指标满足中国生物量模型的精度要求（预估精度均高于95%,总相对误差均小于2%,平均预估误差则均小于5%）。     

东北林区10种主要森林类型的蓄积量、生物量和碳储量模型研建

【目的】林分水平的蓄积量、生物量和碳储量模型或数表,是开展森林资源规划设计调查的必备计量工具。研建东北林区10种主要森林类型的蓄积量、生物量和碳储量模型,既是方法学探索,也为生产实践提供参考成果。【方法】基于东北林区云冷杉林、落叶松林、红松林、樟子松林、栎树林、桦树林、杨树林、榆树林、椴树林和水胡黄林10种主要森林类型的2 000个样地的实测数据,分别利用非线性独立回归估计、非线性误差变量联立方程组和含哑变量的非线性误差变量联立方程组方法,建立了林分水平的蓄积量、生物量和碳储量模型。【结果】基于全部样地通过误差变量联立方程组方法建立的蓄积量、生物量和碳储量总体平均模型,其确定系数分别为0.945、0.805和0.839,而包含森林类型参数的蓄积量、生物量和碳储量哑变量模型,其确定系数分别达到0.959、0.949和0.951。10种主要森林类型的蓄积量、生物量和碳储量模型,确定系数(R2)都在0.86以上,平均预估误差(MPE)都在3%以内,平均百分标准误差(MPSE)大多数在10%以内。蓄积量模型的R2在0.876～0.980之间,MPE在0.90%～1.95%之间,MPSE在5.1...     

基于哑变量的云南松蓄积生长模型

为了解云南松林分蓄积生长规律,为更好的经营云南松林分提供理论依据,笔者基于云南省云南松一类清查数据,以Schumacher和Richards模型为基础模型,选取不同的林分密度指标,来拟合云南松林分蓄积生长模型,并在最优基础模型上引入哑变量,将不同林分类型合并,建立同时适用于间伐林分和未间伐林分的蓄积生长模型。结果表明:4个传统生长模型的模拟效果都较好,R~2和预估精度最高分别为0.971 6、96.79%,不同的林分密度指标对模型的预测效果有较大影响,且以选用林分断面积作为林分密度指标的Richards模型的预估效果最好,其预估精度为96.79%。在最优传统生长模型中引入哑变量后,模型的R~2和预估精度都比传统的生长模型稍高,分别达到0.973 0、96.84%。通过对模型的适应性检验,所建的哑变量模型的预估精度超过98%,且对间伐林分的拟合效果更佳,可以用来描述不同措施下云南省云南松林分的蓄积生长规律,也解决了不同类型林分合并建模不相容的问题。     

油松林分断面积生长预估模型研究

在森林经营中,间伐林分、未间伐林分分开单独建模存在不相容的问题,有必要对其进行研究,并建立统一的模型。利用森林资源一类清查数据,以Schumacher模型为基础,通过引入哑变量、间伐指标分别建立北京市油松林分断面积生长预估模型,使得间伐林分和未间伐林分能够整合在一起建立统一的模型。经检验,引入哑变量模型对油松林分断面积的预测精度最低,为87．99％;其次是引入间伐指标模型,预估精度为88．36％;综合引入哑变量和间伐指标模型预估精度最高,为88．61％。所建模型对间伐林分和未间伐林分均适用,更方便于在实践中应用。     

湖南省杉木林分相容性树高曲线方程组研究

为了掌握杉木Cunninghamia lanceolata天然林与人工林的树高、胸径生长规律,改进杉木的营林生产模式,利用湖南省杉木一类清查数据,选择了6种常用经验方程拟合杉木树高曲线和胸径生长曲线,从中选出最优模型。在此基础上,考虑林分起源的差异,采用引入哑变量的度量误差模型方法建立不同起源林分相容性树高曲线方程组,并分析比较林分各阶段的生长状况。结果表明:引入哑变量后所建立的树高曲线方程组效果更好,在含哑变量的树高曲线方程组中杉木林分平均胸径生长过程曲线、平均树高曲线的拟合决定系数分别为0.820 5,0.758 0,预估精度分别达到了98.30%和98.01%,且其他各项评价指标均优于不含哑变量的树高曲线方程组;通过对比分析各林分不同林龄段的生长状况知:杉木人工林和天然林的总体趋势一致,但在中幼龄阶段,人工林的树高和胸径生长率高于天然林,且人工林的树高与胸径均比天然林先达到最大值。利用引入哑变量的度量误差模型方法建立树高生长模型,不仅考虑度量误差提高了模型精度,还解决了模型间不相容的问题。     

基于度量误差方法的杉木储备林间伐与未间伐林分生长模型研究

利用湖南永州金洞林场储备林数据,以Richards式和Schumacher式为基础模型,引入经营措施的哑变量,建立基于传统方法和哑变量方法的林分断面积和蓄积生长模型方程组,采用非线性度量误差方法拟合模型参数。经检验,哑变量方法建立的林分断面积和蓄积生长模型的决定系数和预估精度比传统方法建立的生长模型有所提高,而各项误差相应减少,且模型回归效果显著,残差分布更集中于横轴两侧。基于哑变量方法拟合出的林分断面积和蓄积生长模型不仅考虑了抚育间伐对林分生长过程的影响,而且采用非线性度量误差方法联立方程组求解模型参数,也使得林分断面积和蓄积生长模型更具有相容性和一致性。     

广东省含参数分级的阔叶林分生物量生长模型

  目的  建立区域尺度林分生物量生长模型,为预测未来某一时段广东省天然阔叶林生物量和碳储量提供方法学支持。  方法  基于广东省1997—2017年5期森林清查数据,选择栎类、木荷和其他软阔类等6个阔叶树种为优势树种的203个天然林样地,以参数分级反映立地质量差异,以竞争指数表示密度影响,以分步建模（一元非线性回归法）和联合建模（非线性联立方程组法）区别建模方式,采用理论生长方程构建胸径生长模型估计林龄进而构建多种林分生物量生长模型,以决定系数和平均预估误差等4个指标评价模型拟合优度;对拟合优度较高的模型,以2002—2017年4期连清的183块样地为检验样本,用总相对误差来验证其应用效果。  结果  对比模型拟合效果和区域尺度及样地水平上的估计精度,以探究林分密度、不同参数分级、分级方法和建模方法共4项影响因素对生物量生长模型的效果,结果表明:非线性联立方程组法优于分步建模法;与生长速度有关的参数b分级模型优于与生长潜力有关的参数a分级模型;考虑林木竞争和分级方程中加入竞争指数对优化模型性能影响不大。参数b分级、自变量和分级方程皆不含竞争指数的联合模型（模型10）为最优模型,其生物量生长模型确定系数R2为0.970 1;预测4期生物量时,估计效果较好,后期估计误差明显低于前期,如采用模型10预估栎类2002—2017年区域尺度生物量时,4期的估计误差分别为6.22%、15.27%、4.80%、?1.84%。  结论  以Richards理论生长方程为基础构建林分生物量生长模型来估测区域尺度生物量是一种可行的方法,为评估未来某一时段区域尺度森林生态系统的固碳能力提供依据,也为其他区域的林分生物量生长模型研建提供参考。      

基于哑变量和因子选择的森林蓄积量估测研究

为提高森林蓄积量遥感估测精度,探讨哑变量技术在蓄积量遥感估测中的作用。以云南省普洱市思茅区为研究区,以Landsat 8 OLI和93块森林资源二类调查角规控制样地数据为基础,使用随机森林（random forest）算法进行遥感变量因子的选择,并以龄组为哑变量分别构建基于哑变量的SVR和PLSR蓄积量估测模型,采用留一交叉验证对结果进行评估。结果表明,使用随机森林算法进行变量的选择有效减少了自变量的维度,提高了计算效率;其次,哑变量引入后,PLSR和SVR 2种回归模型的估测精度都比无哑变量方法有明显的提高,且SVR的估测结果优于PLSR;在引入哑变量后SVR模型的决定系数R²由0.59提高到0.68,相对均方根误差rRMSE由36.76%降低至32.97%,PLSR模型的决定系数R²由0.53提高到0.62,相对均方根误差rRMSE由39.41%降低至35.24%。在森林蓄积量的遥感估测中,哑变量技术的应用可以在一定程度上解决不同蓄积量大小对估测结果造成的影响,进而提高蓄积量的估测精度。     

基于地形与竞争因子的青冈栎次生林树高哑变量模型研究

考虑不同地形和林木竞争对青冈栎树高与胸径关系的影响,构建青冈栎树高与胸径的哑变量模型,为青冈栎次生林的树高预测和可持续经营提供理论依据。以16个青冈栎次生林固定样地为研究对象,通过确定系数（R²）、赤池信息量准则（AIC）、均方根误差（RMSE）和平均预估误差（MPE）4个评价指标,从11个基础模型中筛选出最优的基础模型。利用F统计检验分析了不同坡向和坡度对青冈栎树高与胸径关系的影响,同时对Hegyi简单竞争指标进行了改进。基于坡向、坡度和竞争强度3个哑变量,构建青冈栎树高与胸径的哑变量模型。结果表明,对数模型M2为最优基础模型,其确定系数（R²=0.686）最大,均方根误差（RMSE=1.380）和平均预估误差（MPE=1.242）最小;不同坡向和坡度下,模型的F统计值均大于F临界值;Hegyi改进指标与树高、胸径的相关系数达到-0.452、-0.418,相比Hegyi简单竞争指标有明显提高;基础模型中引入坡向、坡度和竞争强度哑变量后,模型的拟合精度均显著提高,R²提高了0.035,RMSE减少了0.077,MPE减少了0.070%。从林木的水平和垂直空间上构建青冈栎林木竞争指标更加准确,坡向、坡度和林木竞争对青冈栎树高与胸径关系存在显著影响。综合考虑地形与林木竞争的哑变量模型拟合精度更高,能为青冈栎树高生长的预测提供参考。     

河南省栎类和杨树林分断面积和蓄积生长模型构建

目的建立河南省栎类和杨树林分断面积和蓄积生长模型,为森林可持续经营提供基础数据。方法基于河南省最近3期一类森林资源清查数据,从9个具有生物学意义的备选模型中选出一个最优基础模型。以树种和立地等级作为哑变量,构建林分断面积和蓄积生长模型。结果利用全部样地数据拟合9个备选模型,断面积和蓄积最优生长模型都是Richards形式的模型,决定系数均在0.92以上。引入树种和立地等级作为哑变量后,与基础模型相比断面积和蓄积生长模型拟合精度都有所提高,其决定系数分别为0.98和0.94。结论带树种和立地等级的哑变量模型能同时反映河南省栎类和杨树林分断面积和蓄积生长规律,既减少了建模工作量,又提供了不同林分合并建模的方法。河南省栎类林分断面积和蓄积生长极限值高于杨树;相同林分密度条件下,栎类早期生长速率低于杨树,且栎类和杨树的生长速率均随着立地质量的下降而降低。      

基于度量误差方法的油松林分生长模型

为掌握北京地区油松Pinus tabulaeformis生长过程,建立相容的断面积和蓄积模型,通过引入间伐林分与未间伐林分的哑变量,分别建立林分断面积、林分蓄积生长模型,然后从相容的角度出发,建立林分断面积、蓄积量的误差变量联立方程组,并与不含哑变量的传统生长模型的误差变量联立方程组进行比较。经检验,传统误差变量联立方程组中林分断面积和林分蓄积生长模型的预测精度都在92%以上,对油松林分断面积的预测精度高达0.921 5,决定系数高达0.900 1,对油松林分蓄积量的预测精度达到了0.928 3,决定系数高达0.912 3,而引入哑变量的误差变量联立方程组中,模型的预测精度和确定系数稍高,均在93%以上,对油松林分断面积的预测精度高达0.939 8,决定系数达到了0.927 9,对油松林分蓄积量的预测精度在0.930 0以上,决定系数达0.932 8。这说明引入哑变量,一定程度上提高了模型的预测精度,而且所建模型比较合理,形式相对简单,便于应用,不仅使得林分水平上的林分断面积、蓄积量的预测结果具有相容性,同时还考虑了间伐措施对林分生长的影响,达到了林分生长与收获模型整体化研究的目的,为林分的经营管理提供了可靠依据。     

广东省枫香单木干材生物量生长模型的研建

枫香（Liquidambar formosana）是我国闽北林区重要的乡土树种,生长迅速、适应性强,在观赏、药用、用材等方面都有着重要作用。单木模型是林分模型的基础,通过建立单木生物量生长模型,在时间维度上分析林木生物量生长的动态变化,以期为全面评价森林的固碳能力提供科学依据。采用典型抽样的方法,从广东省9个地区的一类样地附近抽取枫香样木40株（天然起源25株,人工起源15株）,破坏性实测各组分的生物量并进行树干解析得到样木的生物量生长数据。基于逻辑斯蒂（Logistic）、坎派兹（Gompertz）和理查德（Richards）3种基础生长方程,利用哑变量的方法,建立分起源和立地等级的枫香干材生物量生长模型,以决定系数R²、均方根误差RMSE、总相对误差TRE和平均预估误差MPE 4个指标来评价各模型,进而分析枫香干材生物量的生长过程。结果表明,Richards方程在基础模型中效果最佳（R²=0.61,RMSE=50 kg）;与Richards方程相比,哑变量模型R²提高了11%,RMSE降低了7.95 kg;起源与立地等级对枫香干材生物量均产生了较大影响,在天然起源的高立地等级条件下,枫香干材理论最大连年生长量和平均生长量分别在其生长的第23年和第38年到达。     

基于哑变量的油松人工林和天然林生长模型

为准确掌握油松生长过程、改善油松经营管理模式,利用北京地区油松连续清查数据,在Richards模型基础上,考虑林分起源的差异,在模型中引入哑变量,建立北京地区不同林分起源相容性油松林分生长模型。结果表明：所建立的含哑变量的油松生长模型,对油松林分生长模型的拟合效果较好,决定系数高达0.9380和0.9918;油松蓄积量的拟合效果比断面积好,人工林的拟合效果高于天然林。用检验数据对模型进行适应性检验,林分断面积和蓄积量生长模型的预估精度均在90％以上。     

海南西部不同林龄橡胶人工林生态系统土壤有机碳库及其影响因素分析

该研究通过对海南西部不同林龄橡胶人工林土壤剖面进行有机碳含量实测,估算土壤有机碳储量,结果表明4种不同林龄橡胶人工林生态系统土壤有机碳含量为6.20～14.36 g/kg;橡胶人工林土壤有机碳碳含量随土壤层的增深而逐渐减少,除33 a胶林0～60cm各层土壤有机碳含量差异显著外,其他同一林龄橡胶人工林不同土壤层间差异不显著,不同林龄橡胶人工林在同一土壤层间有机碳含量差异显著,土壤有机碳集中于0～30 cm土壤层;5、10、19和33 a橡胶人工林生态系统土壤有机碳储量分别为76.85、74.48、81.74和85.31 t/hm2。气候条件、土壤质地、凋落物量累积与分解、林龄大小和胶林经营管理是影响橡胶人工林土壤有机碳蓄积的主导因子。