基于地統計方法的山西省森林木本層生物量及碳密度空間分布格局研究

崔素萍

(山西省林業調查規劃院，山西 太原 030012)

森林植被生物量估算是準確評估森林植被碳儲量及其空間分布的前提。我國林業碳匯監測與計量工作以區域樣點數據為基礎，統一采用生物量擴展因子法和收獲法得出樣地生物量，然后估算區域尺度森林植被生物量和碳儲量，再自下而上計算出國家尺度森林碳儲量。基于地統計分析的克里格插值法是常用的將點數據轉換為面數據，分析變量空間分布格局的空間插值方法之一，在地學、生態學、地質學等很多領域被廣泛運用，在研究不同尺度森林生物量、NPP以及碳密度空間分布格局等方面也有應用。

1 材料與方法

1.1 數據收集與測定

筆者以山西省碳匯計量與監測試點工作取得的結果為基礎，選取了229個樣地的喬木層、灌木層生物量數據，進行木本層生物量與碳儲量分析。木本層地上總生物量為喬木層與灌木層之和，采用《全國林業碳匯計量和監測技術指南(附件)》中各樹種(組)及不同樹種(組)枯落物的含碳率(含碳系數)，乘以測算出的木本層地上生物量，計算出樣地的地上與枯落物碳儲量。

1.2 分析方法

利用SPSS 16.0軟件進行經典統計分析，采用ArcGIS 10.2軟件的地統計模塊進行地統計分析。克里格插值法是地統計分析中常用的插值方法，要求數據符合正態分布，且半變異函數具有空間自相關性。為了對空間插值模型及參數的有效性進行驗證，筆者采用地統計分析模塊的創建子集工具隨機選取了85%的點作為訓練數據，其余15%的數據用于半變異函數模型優選和空間插值模型有效性的評價，模型有效性評價指標選擇國際上通用的歸一化均方根誤差(NRMSE)。

2 結果與分析

2.1 描述統計特征

木本層生物量與碳密度的描述統計特征見表1.

表1 木本層生物量與碳密度的描述統計特征

從表1中可以看出，山西省森林喬木層生物量和灌木層生物量平均值分別為60.26 t/hm2和3.22 t/hm2，灌木層生物量占木本層地上生物量的比重平均為5.34%，木本層的碳密度平均值為31.42 t/hm2.根據Nielson變異性判別標準，0%～25%屬于弱變異程度，25%～75%屬于中等變異程度，>75%屬于強變異程度。山西省森林灌木層生物量的變異系數最大，達到了130.74%，為強變異。喬木層生物量、木本層地上生物量和木本層碳密度均為中等變異水平，變異系數分別為71.15%，67.13%和67.40%.灌木層生物量的平均值與中值差距較大，偏度系數和峰度系數均比1大得多。其余數據均值和中值都很接近，且偏度系數和峰度系數接近1.因此，灌木層生物量與正態分布的差距較大，需要通過數據轉換使其接近正態分布后再進行空間自相關性分析和空間插值，其余數據均可直接使用。由于灌木層生物量具有0值，不能直接進行轉換，筆者將原數據加上平均值后再進行對數轉換，轉換后結果的平均值與中值十分接近，偏度系數和峰度系數均比轉換前更加接近1.

2.2 半變異函數模型優選與空間自相關性分析

為了提高克里格插值法的精度，通過交叉檢驗的方法，擬從5個常見變異函數模型中選出精度最好的模型。不同模型的交叉檢驗結果見表2.

表2 不同模型的交叉檢驗

優選的標準為交叉檢驗結果中預測誤差均值(ME)越接近0，標準均方根誤差(RMSS)越接近1，模型最優。從表2可以看出，對于喬木層生物量、灌木層生物量(轉換后)、地上生物量的最優模型為指數模型，碳密度最優模型為圓形模型。結構比或塊金系數常用來反映變量的空間自相關性。其中，結構比=C/(C0+C)，該值越大表明結構因素在空間異質性上的作用越大，變量的空間自相關性越強。反之則說明隨機部分引起的空間變異程度較大，變量的空間自相關性越弱。當半變異函數曲線為近似平行于橫坐標的直線時，半變異函數表現出純塊金效應，區域內樣點的平均值就是最佳估計值。從最優模型的空間自相關性分析結果來看，喬木層生物量、灌木層生物量(轉換后)、地上生物量和碳密度的變程分別為28 834.47 m，30 745.96 m，49 231.70 m和22 751.27 m，結構比分別為51%，55%，72%和75%，表現出較強的空間自相關性。

2.3 空間預測模型的有效性驗證

在生成最終的克里格插值表之前，需要對模型的有效性進行評價，結果見表3.

表3 空間插值預測模型的有效性檢驗

若NRMSE<10表示模型的擬合效果“非常好”，在10～20之間表示擬合效果“好”，在20～30之間表示擬合效果“可以接受”，>30則表示擬合效果“不好”。從表3來看，木本層生物量和碳密度的歸一化均方根誤差(NRMSE)在10～20之間，擬合效果為好；地上生物量在20～30之間，擬合效果為可以接受。因此，可以通過該模型得到山西省森林木本層生物量和碳密度的區域分布。

2.4 空間分布格局

山西省森林木本層中，灌木層生物量絕大部分處于低值區，木本層生物量和碳密度呈現出了與喬木層生物量相似的空間格局，灌木層生物量對地上生物量和碳密度具有一定的影響，使得其生物量和碳密度與周圍高值區的差異比喬木層與周圍高值區的差異少。

3 結論與討論

1)山西省森林喬木層和灌木層生物量平均值分別為60.26 t/hm2和3.22 t/hm2，灌木層生物量占木本層生物量的比重為5.34%，木本層的碳密度平均值為31.42 t/hm2.灌木層生物量為強變異，喬木層生物量、木本層地上生物量和碳密度均為中等變異水平。

2)喬木層生物量、灌木層生物量、地上生物量的最優半變異函數模型均為指數模型，碳密度為圓形模型；普通克里格差值空間預測模型擬合效果較好。

山西省森林生態系統的生物量與碳密度受很多因素影響，如，氣候、地形、土壤、林分、森林起源、林齡等，如果能夠獲得這些因子的空間分布格局，利用回歸克里格插值法對森林植被的生物量與碳密度進行預測，可能會獲得更好的擬合效果。