分层抽样在辽宁省生态公益林蓄积量监测中的应用

李红振

（辽宁省林业调查规划监测院，辽宁 沈阳 110122）

森林生态系统作为陆地上面积最大、结构最复杂和生态功能最齐全的自然生态系统，在全球生态系统中具有不可替代的作用[1]。进入21 世纪之后，生态环境保护被人们视为发展的核心问题[2]，森林资源的重要性也引起了专家学者的广泛重视[3]。森林调查成为获取森林资源信息和林业各种分析决策的基础性技术工作[4]。森林资源调查费力、成本高，对全省的生态公益林来说，资源调查实施的难度较大。而随着科学技术的发展，抽样技术不断成熟，遥感技术迅速发展[5-6]，越来越多的抽样技术被应用到森林资源监测中。如何利用遥感技术和合适的抽样方法进行少量的地面调查工作估算森林蓄积量，最大限度地减少地面调查工作量，已经成为森林资源监测领域关注的热点。

蓄积量是反映森林资源状况的一个重要指标，是森林资源调查和监测的重要组成部分，准确高效监测森林资源蓄积量对森林经营、成效监测及森林资源管理具有重要意义[7]。本文利用分层抽样和遥感技术，结合高分辨率遥感影像进行布点调查，对辽宁省不同区域、不同龄组生态公益林蓄积量进行估算，为辽宁省生态公益林管理提供科学依据。

1 研究区概况

辽宁省位于我国东北地区的南部，是我国东北经济区和环渤海经济区的重要结合部，地理位置为118°53′～125°46′E，38°43′～43°26′N。山地海拔高度400～1 000 m，省内最高峰为花脖子山，海拔1 336 m。辽宁省地处中纬度的南半部，欧亚大陆东岸，属温带大陆性季风气候，年均气温为5.2～11.7 ℃。年均降水量400～970 mm。全省土壤有11 个土类、31 个亚类、155 个土属、602 个土种。棕壤分布较广，在辽东和辽西丘陵山地均有分布，褐土主要分布在辽西地区，草甸土集中分布在辽河平原，风沙土主要分布在辽北的彰武、康平、新民的柳河流域以及昌图一带，另外，盐碱土、水稻土、沼泽土等土类均为零星分布。

2 研究方法

2.1 分层抽样设计

分层抽样又叫类型抽样、分类抽样[8]，是将全省森林资源作为一个总体，在这个总体内，对具有相同特征的森林资源进行分层，每一层都成为一个独立的主体，所有层的面积之和与总体面积相等，通过各层的面积比例推算出各个层样本的权重。立地条件是影响森林资源生长的一个重要条件[9]，辽宁省各县区之间的自然因素差异较大。从以往的森林资源连续清查（系统抽样）和二类调查结果可以明显看出，在树种、年龄相同的条件下，辽东山区与辽西北、辽中南区域的林木生长状况具有显著差异，而同一个区域差异较小。因此，我们将全省各县区划分为辽东山区、辽西北、辽中南3 个区域。按照不同区域将生态公益林进行一阶分层，划分为3 层。

然后按树种组划分：由于同一自然条件同一年龄的不同树种的蓄积量差异显著，按照林木生长和生物学特性，将树种划分为7 个不同类型的树种组：红松组、落叶松组、油松组、杨树组、刺槐组、硬阔组和软阔组；将生态公益林进行二阶分层，分成21 层。

最后按照龄组划分类型，在立地条件、树种组相同的条件下，不同年龄林木的胸径和树高是不同的，所以按照龄级将林木年龄划分为幼龄林、中龄林，近成过熟林（由于辽宁省近熟林、成熟林和过熟林所占面积比例很少，将3 种划分为一类），并对生态公益林进行三阶分层，共划分成63 层。根据森林资源“一张图”中的各单元面积计算各单元权重，根据既往森林资源连续清查资料，计算各单元蓄积平均数、标准差和变动系数，按可靠性95% 推算需要布设的样本数量，为增加调查精度，按照20% 增加调查样本量。分层抽样样本量计算公式：

式中：n为样本量；ua为可靠性指标；Wi为第i层面积权重；CVi为第i层变动系数为相对误差。

辽宁省生态公益林共抽取344 个样地。

2.2 抽样结果布点

根据分层抽样结果，结合辽宁省森林资源管理“一张图”基础数据和遥感影像数据，利用ArcGIS 软件目视判读，根据不同区域、龄组和树种组进行布点。

2.3 标准地调查

根据标准地的设置原则，选择具有代表性的林分设置监测样地，全省共设置344 个固定样地，其中辽东179 个，辽西北115 个，辽中南50 个。全省各区域标准地情况统计见表1。通过监测样地设置，对标准地进行每木检尺，记录林分的起源、龄组、事权等级等。

表1 不同区域生态公益林各龄组标准地数量 个

2.4 蓄积量计算

通过二元材积公式计算出立木材积[10]。本次生态公益林监测样地蓄积量计算方法采用辽宁省现有的二元材积方程计算，公式如下：

式中：V为活力木蓄积量；c0、c1、c2为参数；D为胸径；H为树高。

公式参数见表2。

表2 辽宁省各树种组二元材积方程公式参数

3 结果与分析

3.1 不同抽样方法蓄积量的对比

分层抽样法蓄积量计算。根据单位面积蓄积量，生态公益林面积使用“一张图”数据库中有蓄积量的林分面积计算。

辽宁省森林资源连续清查蓄积量计算。根据1995 年、2000 年、2005 年、2010 年、2015 年的森林资源连续清查结果，采用生长消耗模型，通过林分生长量计算全省生态公益林蓄积量，结果见表3。

表3 不同抽样方法公益林面积和蓄积统计

分层抽样方法是根据森林资源“一张图”数据的面积确定抽样权重，根据各林分类型的特点，进行分层抽样。从总蓄积来看，分层抽样法得到的辽宁省生态公益林的蓄积量为22 879.45 万m3，连续清查得到的蓄积量为21 481.16 万m3，2 种调查方法之间差异不显著（P=0.945＞0.05）。幼龄林分层抽样方法和连续清查得到的蓄积量分别为4 034.49万 m3和 4 753.12 万 m3，2 种调查方法之间差异显著（P=0.012＜0.05）；中龄林 2 种抽样方法得到的蓄积量分别为 6 362.78 万 m3和 5591.09 万 m3，差异不显著（P=0.079＞0.05）；近成过熟林，2 种抽样方法得到的蓄积量分别为 11 882.18 万 m3和11 136.95 万 m3，差异不显著（P=0.106＞0.05）。

由此可以看出，分层抽样法和系统抽样的精度都相对较高，且从总量上两者精度差距不显著。各个监测体系之间的活立木蓄积量有所不同，幼龄林差异显著，而中龄林和近成过熟林差异不显著。由于中龄林、近成过熟林蓄积量占比较大，而幼龄林蓄积量占比较小，对总蓄积量的影响微乎其微。通过活立木蓄积量的验证，分层抽样法结合高清分辨率影像的监测体系对森林资源进行监测是可行的。

3.2 辽宁省生态公益林蓄积量统计

从表4 可以看出，辽宁省生态公益林面积为240.46 万 hm2，单位面积蓄积量为 92.6 m3·hm-2，蓄积量总共为22 279.45 万m3。其中国家公益林面积为158.19 万 hm2，单位面积蓄积为 100.40 m3·hm-2，蓄积量为15 882.24 万m3，占71.29%；地方公益林面积为82.28 万 hm2，单位面积蓄积为 77.75 m3·hm-2，蓄积量为 6 397.21 万 m3，占 28.71%。

表4 辽宁省生态公益林蓄积量统计

3.3 不同区域的生态公益林蓄积量

从表5 可以看出，不同区域间生态公益林面积和蓄积量有明显差异，辽东地区生态公益林面积为136.34 万 hm2，蓄积量 15 815.57 万 m3，占辽宁省生态公益林总蓄积量的70.99%。其中国家公益林面积 101.36 hm2，蓄积量 12 404.71 万 m3，占辽东地区生态公益林蓄积量的78.43%；地方公益林面积34.98 hm2，蓄积量 3 410.86 万 m3，占辽东地区生态公益林蓄积量的21.57%。辽东地区不同龄组的生态公益林蓄积量表现为近成过熟林（7 088.62万 m3）＞中龄林（5 202.46 万 m3）＞幼龄林（3 524.49万 m3）。

表5 不同区域、不同龄组生态公益林蓄积量

辽中南地区生态公益林面积29.09 万hm2，蓄积量1 897.93 万m3，占辽宁省生态公益林蓄积量的8.51%。其中国家公益林面积 9.01 hm2，蓄积量615.82 万m3，占辽中南地区蓄积量的32.45%；地方公益林面积20.08 hm2，蓄积量1 282.11 万m3，占辽中南地区蓄积量的67.55%。辽中南地区不同龄组的生态公益林蓄积量表现为近成过熟林（1 116.68万 m3）＞中龄林（498.13 万 m3）＞幼龄林（283.12万 m3）。

辽西北地区生态公益林面积75.04 万hm2，蓄积量4 565.95 万m3，占辽宁省生态公益林蓄积量的20.49%。其中国家公益林面积47.82 hm2，蓄积量2 861.71 万m3，占辽西北地区公益林蓄积量的 62.68%；地方公益林面积 27.22 hm2，蓄积量1 704.24 万 m3，占辽西北地区公益林蓄积量的37.32%。辽西北地区不同龄组的生态公益林蓄积量表现为近成过熟林（3676.88 万 m3）＞中龄林（662.19 万 m3）＞幼龄林（226.88 万 m3）。

从以上结果可知，全省生态公益林面积和蓄积量表现为辽东地区＞辽西北地区＞辽中南地区。全省各区域的生态公益林有明显差异，说明森林资源分布不均匀。辽东地区森林资源较好，植被分布丰富，面积和蓄积量较高。

3.4 不同龄组生态公益林蓄积量

森林蓄积量与龄组密切相关。从表5 可以看出，辽宁省生态公益林幼龄林面积为83.55 万hm2，蓄积量为4 034.49 万m3，占辽宁省生态公益林总蓄积量的18.15%。其中辽东地区幼龄林蓄积量为3 524.49 万m3，占幼龄林蓄积量的87.16%。辽中南和辽西北幼龄林蓄积量分别为226.8 万m3和283.12 万 m3，分别占幼龄林蓄积量的 7.01% 和5.62%。辽宁省生态公益林中龄林面积为59.17万 hm2，蓄积量为6 362.78 万m3，占辽宁省生态公益林总蓄积量的28.56%。其中辽东地区中龄林蓄积量为5 202.46 万m3，占中龄林蓄积量的81.76%。辽中南和辽西北中龄林蓄积量分别为498.13 万m3和662.19 万m3，分别占中龄林蓄积量的7.83% 和10.41%。全省生态公益林近成过熟林面积为97.75万hm2，蓄积量为11 882.18 万m3，占辽宁省生态公益林总蓄积量的53.33%。其中辽东地区近成过熟林蓄积量为7 088.62 万m3，占近成过熟林蓄积量的59.66%。辽中南和辽西北近成过熟林蓄积量分别为 1 116.68 万 m3和 3 676.88 万 m3，分别占近成过熟林蓄积量9.40%和30.94%。由以上结果可知，全省生态公益林蓄积量表现为近成过熟林＞中龄林＞幼龄林。

4 结论与讨论

在森林资源连续清查数据和森林资源管理“一张图”数据的基础上，合理设计辽宁省生态公益林分层抽样方法。结果表明，系统抽样和分层抽样方法精度都比较高，且两者差异不显著。通过活立木蓄积的验证，分层抽样方法更适合辽宁省生态公益林蓄积量的监测。公益林系统抽样需要外业调查的样地数量为1 057 个，与系统抽样相比，采用分层抽样样地数量减少了712 个，仅需344 个，相当于工作效率提高了2 倍。主要原因是系统抽样中机械选择样地，增加大量的重复性工作，比如系统抽样中无活立木蓄积样地调查数量为365 个。同样，在生态公益林调查的不同区域间、不同龄组间也存在大量的重复调查样地。而分层抽样可以结合遥感影像判读排除大部分重复调查样地。另外，辽宁地区地形复杂多样，导致森林资源监测复查时需要花费大量的时间去寻找样地，复查效率不高。而分层抽样可以在每个单元（层）内机械或者随机布设样地，避免了重复工作量降低工作效率的缺点，减少工作量，提高工作效率。

综上所述，经过检验和对比分析，分层抽样应用于构建辽宁省生态公益林监测体系的方法是科学可行的，可以在保证监测结果精度的前提下提高效率，会在未来的生态公益林监测工作中得到很好的应用。可以长期连续地进行生态公益林监测，也可以应用于辽宁省全面森林资源监测，完善辽宁省森林资源监测体系，为全省森林监测及管理提供科学的技术支撑。