西昌市森林资源二类调查总体蓄积抽样设计与验证分析

时间：2024-07-28

吴胜义，王飞，闵志强

（国家林业和草原局西北调查规划设计院旱区生态水文与灾害防治国家林业和草原局重点实验室，陕西西安 710048）

森林资源规划设计调查（简称二类调查）是以国有林业局（场）、自然保护区和森林公园等森林经营单位或县级行政区域为调查单位，为满足森林经营方案、总体设计、林业区划与规划设计需要而进行的森林资源调查[1]。二类调查是全面掌握县域森林资源状况的重要手段，林分蓄积量是森林资源监测最基础的信息之一[2]，其精度直接影响二类调查的成效。

森林调查是获取森林资源信息并进行分析与决策的一项基础性工作。为了获得森林资源数据，通常使用的方法为全林调查法，该方法费时费力，且成本高[3]。20世纪70年代以来，林业调查的主管部门根据我国森林资源调查的经验与实践，提出了抽样控制总体法，将小班调查法与抽样调查法相结合，小班区划调查可将资源数据落实到小班（山头地块），系统抽样控制总体蓄积精度和小班调查蓄积，既有抽样精度作保证，又发挥了各自的长处。该法在二类调查中得到了广泛的应用[4-6]。林分蓄积量是评价森林数量、质量及经营效果的重要指标，它的准确估测有利于及时把握森林资源动态，是制定森林经营计划与采伐的重要依据[7-8]。本研究在西昌市森林资源现状的基础上，对西昌市总体蓄积抽样设计方式进行分析与比较，为总体蓄积控制和抽样设计提供技术指导。

1 研究区概况

1.1 研究范围

西昌市实测抽样总体抽样范围为西昌市行政范围内的森林、林木和林地，包括西昌市管辖的37个乡（镇）和7 个国有林场（包括飞播站和森林经营所）。

1.2 森林资源状况

西昌市二类调查经营范围内，土地总面积为265 570.73 hm2，有、疏林地面积为131 633.08 hm2。有、疏林地中，可抽样对象面积为128 690.69 hm2，占全市有、疏林地面积的97.8%，占全市森林经营总面积的48.5%[9]。

1.3 森林资源特征

西昌市森林植被类型复杂多样，地带性植被以壳斗科（Fagaceae）常绿阔叶林和云南松（Pinus yunnanensis）林为主。由滇青冈（Cyclobalanopsis glaucoides）、黄毛青冈（C.delavayi）和高山锥（Castanopsis delavayi）等组成常绿阔叶林，伴随有少量落叶和硬叶的栎属（Quercus）或冬青属（Ilex）植物，常与其他树种形成块状分布的针阔混交林、常绿阔叶混交林和常绿落叶阔叶混交林。由于长期受人类活动的影响，常绿阔叶林呈不断减少趋势，逐渐被耐干旱和贫瘠的云南松林和华山松（P.armandii）林代替。主要阔叶树种（组）有滇青冈、高山锥、桉树、桤木（Alnus cremastogyne）、桦木属（Betula）和杨属（Populus）等；针叶树种（组）有云南松、冷杉（Abies fabri）、华山松、柏木（Cupressus funebris）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、柳杉（Cryptomeria japonicavar.sinensis）、云杉（Picea asperata）和铁杉（Tsuga chinensis）等。

2 研究方法

2.1 抽样总体设计

在森林资源规划设计调查中，要以经营单位或县级行政单位为总体进行总体活立木蓄积量抽样控制[10]。抽样调查是一门应用性很强的学科,实施抽样调查工作的要点有获得正确的信息、省时省力省钱和充分利用已知信息提高抽样精度[11]。根据西昌市国有林和集体林森林资源分布特点，结合上期二类调查总体划分情况，将西昌市作为1 个调查总体，设置4 个副总体，分别为巴汝副总体（巴汝森林经营所）、西宁-盐中副总体（西宁飞播站和盐中森林经营所）、其他国有副总体（四合林场、大箐林场、泸山森林经营所和石嘉森林经营所）和集体副总体（全市集体林区）。

2.2 抽样方法选择

系统抽样是应用较广泛的抽样控制方法。该方法操作简便，样本单位的获取十分方便，样本定位容易且分布均匀，对于总体有更好的代表性，能保证较好的抽样效果，抽样估计效率较高[12]。该方法从含有N个单元的总体中,随机确定起点,按照预先设计的固定间隔模式抽取n 个样本单元，组成样本，估计总体[13]。综合考虑森林资源特点和抽样精度，西昌市采用随机布点和机械抽取的系统抽样方法。

2.3 精度与可靠性指标

以公益林为主的经营单位或县级行政单位抽样控制精度为75% ～85%，以幼中林和疏林地为主的精度为75%，以近、成和过熟林为主的精度为85%[14]。为保持全市调查精度的一致性，4个副总体抽样精度均取85%，可靠性指标取95%。

将总体抽样调查方法计算的总体蓄积量与各小班目测蓄积量统计汇总的总体蓄积量进行比较。当两者相差（累偏）小于±1 倍标准误差时，认为符合精度要求，蓄积统计分析直接使用小班调查数据；累偏在±1倍标准～±3倍标准误差之间时，应进行小班调查检查，找出误差较大因素，对需要进行现地核实的小班进行野外调查，综合分析后，对小班蓄积进行修正；累偏大于±3 倍标准误差时，应对小班蓄积量进行重新调查。

2.4 样本单元面积

各总体抽样调查选择20 m × 20 m 的正方形地块作为样地。

2.5 样本单元数估算

标准差有两种计算方法。一是在调查区域内借助现存样本资料直接进行标准差计算，此方法一般由于资料的缺乏较难完成；二是使用全距法计算标准差，此方法可通过预估样本的大值和小值完成计算，在实际工作中应用广泛[13]。本研究采用全距法进行计算。

2.5.1 蓄积平均值预估

根据西昌市上期二类调查资料结合本期小班调查结果，采用平均蓄积抽样理论全距法进行蓄积预估。各副总体预估平均蓄积见表1，各单位面积蓄积分布见图1。

表1 各副总体预估平均蓄积Tab.1 Estimated average volume of vice overall areas (m3/hm2)

图1 各副总体单位面积蓄积分布Fig.1 Distribution of volume unit area of vice overall areas

2.5.2 预估参数计算

各抽样实测总体蓄积预估样地数量均按100个进行R值（全距比值）计算。其近似计算公式为：

式中，e为自然常数，N为样本单元数，计算出R值为5.13。

各抽样实测总体标准差（S）和变动系数（C）计算公式为：

式中，Y为单位面积蓄积。计算结果见表2。

根据可靠性指标95%，查得阈值T0.05=2。抽样精度（P）为85%，即E值（1-P）为15%。

表2 各副总体标准差与变动系数Tab.2 Standard deviation and coefficient of variation of vice overall areas

2.5.3 样本单元数估算

样本单元数（N）估算公式为：

结果见表3。

2.6 抽样风险分析

抽样调查是在假设的基础上，根据样本的数量特征推断总体的数量特征，通过样本测定估算总体平均值，存在抽样误差和一定的风险，可通过技术手段和措施把误差和风险降至最小，确保抽样调查的精度。本次抽样设计采用系统抽样方法，减小了样本单元周期性分布风险。西昌市总体抽样对象呈不规则分布，也大大降低了样本单元周期性分布的可能性。同时，对各抽样实测副总体采用不同方案进行风险控制，采取2 种方案对样地数量进行分析与确定。

方案1：样地数量变动，正常计算样地数量增加，即+10%、+15%保险系数。

方案2：平均蓄积的变动为主要因素，采用平均蓄积增减，即±5%、±10%、±15%蓄积进行分析。

为切实保证抽样方案安全可行，降低总体蓄积控制风险，提高调查效率，确保调查质量，分别对各副总体按方案1和方案2进行分析，最终确定各抽样实测副总体理论布设样地采用方案及样地数量（表4）。

表3 各副总体样本单元数估算Tab.3 Estimation on number of sample plots in vice overall areas

表4 各抽样实测副总体理论布设样地方案及数量Tab.4 Scheme and quantity of theoretical sample plots of vice overall areas

2.7 样本布设方案

2.7.1 抽样范围选取

在西昌市二类调查小班数据库中，以坡度≤45°的中龄林以上（含中龄林）和平均直径≥5 cm 的幼龄林的有林地和疏林地为条件选择抽样小班（表5）。

2.7.2 抽样间隔与样本单元确定

各总体应用统一的抽样间隔，以全市西北角公里坐标（477 000，3 119 000）为起始值，按照1 km ×1 km、2 km ×2 km 和4 km ×4 km 间距进行排序，然后导入到ARCGIS 中，利用添加XY 数据功能，生成抽样布点图，导出图层数据。

将抽样布点图与抽样范围进行叠加分析，其中2 km×2 km 布点方案与预估数量最接近，再将坐标位置与抽样范围进行比对，将样地范围内蓄积面积较小的排除，剩余点为抽样单元（表6）。

表5 各抽样实测副总体布设样地方案及数量Tab.5 Layout scheme and quantity of sample plots of vice overall area

表6 各抽样实测副总体实际布设样地方案及数量Tab.6 Layout scheme and quantity of actual sample plots of vice overall areas

2.7.3 样本单元（样地）布设

以小班地类为背景，添加行政区划界线，标注样地号和总体号，经整饰形成样地布置图。

2.8 补点方案

如样地调查后达不到抽样精度要求，则需补充样地数量，并添加到原抽样系统中。先计算间隔样地数（已实测样地数/需要补充样地数），对间隔样地数四舍五入取整形成间隔样地组，第一个间隔样地组和第二个间隔样地组中间位置添加1 个样地，以此类推。

2.9 样地定位与周界测量

2.9.1 样地定位

采用GPS 导航进行样地定位，定位坐标为样地西南角点。到达样地位附近（30 m 左右），寻找一个明显地物（大树或独立石头等）为引点，连测引点至样地。记入“罗盘仪测量记录”。

2.9.2 样地周界测量

用罗盘仪定方向，用测绳量距。样地按坐标方位角0°、90°、180°和270°进行样地周界测量。现地周界闭合误差≥1/200。方位角允许误差不得大于30'。在角点埋设标志，并书写编号；标志直径大于2 cm，高度不低于10 cm，埋入地下部分不少于10 cm。

3 研究结果

3.1 实测样地数

根据西昌市蓄积实测抽样结果统计,全市共布设样地242 个，实际收回样地234 个，放弃样地8 个（表7）。

3.2 实测抽样精度

根据计算,抽样精度满足调查要求（表8）。

表7 各抽样实测副总体样地数Tab.7 Number of actual sample plots of vice overall areas

表8 各抽样实测副总体蓄积特征值Tab.8 Volume characteristic values of vice overall areas

续表8 Continued

3.3 小班调查蓄积与总体蓄积对比

各小班目测蓄积量统计汇总的总体蓄积量为各小班目测蓄积量的累加值；总体抽样调查方法计算的总体蓄积量为实测样地平均值乘以可抽样对象面积计算出的总体蓄积量。通过比较与修正，各抽样实测副总体累偏均在±1倍标准误差之内。

4 结论与讨论

4.1 总体划分应综合考虑资源分布特征与样地数量

森林资源分布特征是总体划分的重要条件。西昌市集体林森林资源分布广泛且零散，经营水平基本相同，可将集体林划为一个副总体。西昌市的国有林7个经营单位也可按照自然地理特征和森林资源特点进一步划分副总体。从地形上看，巴汝森林经营所、西宁飞播站和盐中森林经营所、四合林场、大箐林场、泸山森林经营所和石嘉森林经营所纵向分列于西昌市西、中和东部。西部的牦牛山，是安宁河与雅砻江的分水岭，其东边是西宁飞播站和盐中森林经营所，西边则是巴汝森林经营所；四合林场、大箐林场、泸山森林经营所和石嘉森林经营所均位于安宁河东侧的螺髻山脉。由于所处自然地理条件的不同，国有森林资源地带性分异明显，可将国有林划分为3个副总体类型。总体划分也应考虑样地数量，总体数量划分越多，理论上抽样精度越容易控制，但同时将极大增加外业调查工作，降低调查工作效率，因此样地数量也是总体划分需要考虑的重要因素。

4.2 合理设置蓄积预估值最大和最小值

总体蓄积预估一般参考的是上期二类调查成果或者本次二类调查小班目测调查结果，因此预估的平均蓄积均存在一定误差。为了提高精度，降低误差，应对蓄积预估最大和最小值进行分析，不能简单地将小班中公顷蓄积最大和最小的设为预估最大和最小值。巴汝副总体蓄积中有290 ～305 m3/hm2区间的小班，此区间面积占比仅0.08%，因此预估最大蓄积取285 m3/hm2较合理；集体副总体蓄积中185 ～210 m3/hm2区间的小班，面积占比也较小，因此预估最大蓄积取185 m3/hm2。

4.3 标准地目测调查训练十分重要

通过对比小班目测蓄积与总体样地实测蓄积，少量林班存在目测调查蓄积整体偏小的情况。由此对这部分林班调查情况展开了进一步分析，发现这部分林班由1 个调查工组完成。经仔细分析，造成调查结果存在系统性偏差的主要原因为该工组标准地目测调查训练时未全面掌握技术标准，导致目测蓄积整体偏小。由此可见，标准地目测调查训练在二类调查工作中十分重要，只有熟练且准确地掌握小班目测调查方法和技术标准，才能保证调查精度。