摘要：【目的】研究天山中部典型林區(qū)地上生物量在不同時(shí)間和空間尺度上的變化規(guī)律，分析其影響因素和天然林區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，探討影響地上生物量變化的環(huán)境因素?！痉椒ā恳?000～2022年近20年的遙感數(shù)據(jù)和研究區(qū)林地實(shí)際樣地?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用遙感信息建立估測(cè)模型，估算新疆天山典型天然林區(qū)地上生物量，分析該地區(qū)生物量的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化，分析天然林地地上生物量變化的影響因素。【結(jié)果】研究區(qū)林地地上生物量空間分布差異明顯，東北地區(qū)生物量高，西南地區(qū)生物量低，主要集中在研究區(qū)北部。2022年實(shí)習(xí)林場(chǎng)森林生物量約為3.728×106 t，最大值約為559.67 t/hm2，平均生物量約為233.45 t/hm2。東北地區(qū)生物量高于西南地區(qū)，緯度增加導(dǎo)致生物量減少。研究區(qū)林地地上生物量年際變化趨勢(shì)存在差異，總體呈穩(wěn)定和增長(zhǎng)狀態(tài)，52.63%的面積生物量增加，47.37%的面積生物量減小。不同林齡階段的單位面積生物量隨林齡增加而增加，喬木層生物量在成熟林時(shí)最高?！窘Y(jié)論】幼齡林至過(guò)熟林面積和生物量比重不同，需要加大天然更新和人工撫育工作投入。2000～2022年研究區(qū)林地地上生物量總體由北向南逐漸增加，降水對(duì)生物量增長(zhǎng)起到重要作用。實(shí)習(xí)林場(chǎng)西南區(qū)域人類活動(dòng)頻繁，氣溫和降水變化影響樹木和草地生長(zhǎng)，導(dǎo)致東北高、西南低的生物量分布。

關(guān)鍵詞：天然林；生物量；遙感信息模型；空間分布

中圖分類號(hào)：S717文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-4330（2024）09-2237-10

0引 言

【研究意義】森林生物量是評(píng)估森林碳儲(chǔ)量和吸收能力的重要指標(biāo)［1］，研究森林生物量時(shí)空變化可以助力建立氣候變化模型［2］。其次，森林生物量時(shí)空變化對(duì)森林資源管理和保護(hù)具有指導(dǎo)意義，可以評(píng)估森林資源的可持續(xù)利用和管理，同時(shí)有助于了解森林生態(tài)系統(tǒng)的生物多樣性、物種組成和植被結(jié)構(gòu)等［3］。研究森林生物量時(shí)空變化可以監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)自然災(zāi)害和人為干擾的影響，提高應(yīng)對(duì)能力。因此，研究森林生物量的時(shí)空變化對(duì)制定有效的森林資源管理和保護(hù)措施有重要意義?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】隨著遙感技術(shù)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法的發(fā)展，森林生物量時(shí)空變化研究取得了相關(guān)成果［4］。遙感技術(shù)在森林生物量估算中的應(yīng)用，地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在森林生物量估算中的應(yīng)用，以及基于森林生態(tài)系統(tǒng)模型的研究可以模擬和預(yù)測(cè)森林生物量時(shí)空變化的趨勢(shì)和規(guī)律［5-8］?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】利用研究區(qū)實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，并結(jié)合同期遙感影像數(shù)據(jù)，建立基于遙感數(shù)據(jù)的森林地上生物量估測(cè)模型，同時(shí)利用模型研究研究區(qū)森林地上生物量的時(shí)空分布特征?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以2000～2022年近20年的遙感數(shù)據(jù)和研究區(qū)林地實(shí)際樣地?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用遙感信息建立估測(cè)模型，估算新疆天山典型天然林區(qū)地上生物量，分析該地區(qū)生物量的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化。

1材料與方法

1.1材 料

1.1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)設(shè)在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)習(xí)林場(chǎng)（43°16′～43°26′N，87°46′～87°00′E）。

該林場(chǎng)年均降水量約為600 mm，其中5～9月生長(zhǎng)季集中的降水量占總降水量的60%，7月相對(duì)濕度約為65%。年均溫度為3℃，而7月平均溫度約為14℃。年日照時(shí)數(shù)大于1 300 h，無(wú)霜期為140 d。該林場(chǎng)地勢(shì)呈南高北低的特點(diǎn)，坡度10°～40°，海拔高度在1 700～2 800 m。森林主要分布在北、東北和西北坡，以草類和蘚類的天山云杉（Picea Schrenkiana）純林為主。林區(qū)的土壤為普通灰褐色森林土，林下有一些代表性的植物種類，包括高山羊角芹（Agegopodium alpestre）、天山羽衣草（Alchemila tianschanica）、珠芽蓼（Polygonum viviparum）、葶藶（Drabane morosa）、白花三葉草（Trifolium repens）、林地早熟禾（Poa nemoralis）等。

1.1.2實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲取

選擇區(qū)域內(nèi)天山雪嶺云杉作為研究對(duì)象，研究共設(shè)置25個(gè)地面實(shí)測(cè)調(diào)查樣本數(shù)據(jù)，其中每個(gè)森林樣方大小為30 m×30 m。在森林樣本調(diào)查中，記錄樣地范圍內(nèi)單木樹高和胸徑，利用紅外超聲波測(cè)高測(cè)距儀獲得樹高信息，利用卷尺獲取單木1.3 m處的胸徑。并記錄樣地測(cè)量時(shí)間、經(jīng)度、緯度、海拔。

通過(guò)整合單木尺度的信息來(lái)獲得森林樣地尺度的地上生物量信息［4］。以實(shí)際測(cè)量得到的單木樹高和胸徑數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，地上生物量公式計(jì)算得到單木地上生物量。

M=0.080 7×D2.259 57×H0.256 63.（1）

式中，M為生物量，D為胸徑，H為樹高。

1.1.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)

采用數(shù)據(jù)包括2015年新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)習(xí)林場(chǎng)森林資源二類調(diào)查、遙感影像資料。遙感影像數(shù)據(jù)選用美國(guó)陸地衛(wèi)星計(jì)劃的第7、8顆衛(wèi)星，即Landsat-7 ETM+和Landsat-8 OLI。該衛(wèi)星搭載了增強(qiáng)型主題成像儀（ETM+）和陸地成像儀（OLI）傳感器，具有時(shí)間分辨率為16d和空間分辨率為30 m的特點(diǎn)。下載的陸地?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)品為一級(jí)產(chǎn)品（Collection1 Level-1），數(shù)據(jù)需要進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正等預(yù)處理，均在ENVI軟件中完成。選取2000～2022年7～8月覆蓋研究區(qū)全境的、云量覆蓋lt;10％的遙感影像，總計(jì)6景。

通過(guò)中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)站（http：//data.cma.cn/site/index.html）收集該研究區(qū)氣象站點(diǎn)多年的年均溫度和年均降水量數(shù)據(jù)，分析生物量與氣象因子（溫度和降水量）之間的關(guān)系。

1.2方 法

1.2.1地上生物量模型構(gòu)建

基于遙感影像的天然林地地上生物量反演模型是通過(guò)影像中提取的因子與樣地實(shí)測(cè)地上生物量之間建立關(guān)系，具有確定數(shù)學(xué)關(guān)系的線性模型［9-11］。運(yùn)用嶺回歸模型、最小二乘法和逐步回歸構(gòu)建地上生物量模型，將樣本分為2部分，其中80%用于模型構(gòu)建，20%用于模型檢驗(yàn)。表1

1.2.2模型精度驗(yàn)證

選擇3種評(píng)價(jià)指標(biāo)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停Q定系數(shù)R2、均方根誤差RMSE、模型精度P）。繪制出實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值1∶1線圖。表2

1.2.3研究區(qū)地上生物量變化趨勢(shì)

采用一元線性回歸趨勢(shì)分析法，通過(guò)計(jì)算地上生物量的年際變化率，分析新疆天山典型天然林區(qū)地上生物量的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化［12-14］。該方法是一種高效的、穩(wěn)健的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)計(jì)算方法，對(duì)于測(cè)量誤差和異常值數(shù)據(jù)不敏感，適用于長(zhǎng)時(shí)間分析序列數(shù)據(jù)的趨勢(shì)。

Slope=n×∑ni=1i×xi－∑ni=1xi∑ni=1in×∑ni=1i2－∑ni=1i2.（2）

式中，xi為第i年的對(duì)應(yīng)時(shí)間段地上生物量的平均值，i為研究區(qū)時(shí)段第i年，n為研究時(shí)間長(zhǎng)度，n取值為20，i取值為1～20。Slope為方程的斜率，當(dāng)Slopegt;0時(shí)，表示地上生物量呈上升趨勢(shì)，即研究區(qū)林區(qū)地上生物量增加趨勢(shì)；當(dāng)Slopelt;0時(shí)，表示地上生物量呈下降趨勢(shì)，即研究區(qū)林區(qū)地上生物量減少趨勢(shì)。

2結(jié)果與分析

2.1變量選取與相關(guān)性

研究表明，選用植被指數(shù)（6個(gè)）、紋理特征（36個(gè)）共45個(gè)特征變量，以完成預(yù)處理的遙感影像為數(shù)據(jù)源，提取實(shí)測(cè)樣點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的影像像元值，列出影像中提取出的特征變量與樣地實(shí)測(cè)生物量進(jìn)行Person相關(guān)分析篩選出相關(guān)性大于0.5以上的9種特征變量。圖1，表3

2.2生物量估測(cè)模型建立（圖2）

2.2.1嶺回歸

研究表明，相比普通回歸分析，嶺回歸模型的R2值通常稍低，但回歸系數(shù)的顯著性明顯提高。嶺回歸在處理共線性問(wèn)題和存在病態(tài)數(shù)據(jù)較多的研究中具有較大的實(shí)用價(jià)值。研究森林區(qū)域選取7種變量，采用python調(diào)用嶺回歸模塊進(jìn)行運(yùn)算，通過(guò)嶺跡圖，確定K值取0.097，模型決定系數(shù)（R2）為0.729，呈極顯著性（Plt;0.01），得到嶺回歸模型散點(diǎn)圖。

森林嶺回歸模型表達(dá)式：

Y=0.08+0.045×RVI+0.067×NDVI－0.001×ASPECT+0.067×OSVA+0.045×SAVI+0.098×EVI+0.045×SR.（3）

2.2.2最小二乘法

研究表明，森林最小二乘法模型表達(dá)式：

Y=0.115+0.002×RTEM+0.062×SR+81 528.105×NDVI－120 938.75×OSVA+0.062×RVI+26 273.913×SAVI－0.109×EVI.（4）

2.2.3逐步回歸

研究在建立森林地上生物量反演的回歸模型中，選用的回歸參數(shù)分別是SR和RVI。

森林逐步回歸模型表達(dá)式：

Y=0.152+0.058×SR+0.058×RVI.（5）

2.3生物量估算模型對(duì)比

研究表明，利用最小二乘法模型估算森林生物量作為最優(yōu)模型，模型的決定系數(shù)R2為0.75、RMSE為0.233、P為95.15%。表4

2.4研究區(qū)生物量時(shí)空分布特征

2.4.1森林生物量空間分布特征

研究表明，2000～2022年研究區(qū)林地地上生物量具有明顯的空間差異。林地地上生物量呈東北高，西南低的分布特征，地上生物量其值多介于1 500～2 000 kg/m2，生物量高值地區(qū)主要集中于研究區(qū)北部。2022年該地區(qū)的森林生物量約為3.728×106t，最大值約為559.67 t/hm2，平均生物量約為233.45 t/hm2。該實(shí)習(xí)林場(chǎng)的森林生物量密度分布不均衡，東北地區(qū)高于西南地區(qū)。隨著緯度的增加，生物量逐漸減少。實(shí)習(xí)林場(chǎng)的經(jīng)度跨度較小，生物量在經(jīng)度上無(wú)明顯的變化趨勢(shì)。生物量密度呈現(xiàn)出東北高、西南低的分布趨勢(shì)。圖3

2.4.2森林生物量時(shí)間分布特征

研究表明，研究區(qū)林地地上生物量年際變化趨勢(shì)存在明顯差異。2000～2022年總體上處于穩(wěn)定和增長(zhǎng)狀態(tài)。變化率大于零，即地上生物量增長(zhǎng)面積占比為52.63%，變化率小于零，即地上生物量減小面積占比47.37%，近20年研究區(qū)林區(qū)地上生物量植被狀況呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。圖3

5個(gè)林齡階段的單位面積生物量分別為127、179.84、188.5、245.5和161.21 t/hm2，整個(gè)喬木層生物量在成熟林時(shí)達(dá)到最高，其余依次為中齡林gt;近熟林gt;過(guò)熟林gt;幼林齡。圖4

22年間生物量總體呈顯著增加趨勢(shì)，年均值約為2.551×106t，在2000～2010年間生物量呈現(xiàn)一個(gè)增值趨勢(shì)，2010～2015年間生物量呈下降趨勢(shì)，2015年至今生物量開始呈上升趨勢(shì)。圖5

2.5研究區(qū)地上生物量變化的影響因素

研究表明，該實(shí)習(xí)林場(chǎng)的林地與降水呈高度相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為-0.86～0.90。正相關(guān)區(qū)域占研究區(qū)總面積的56.70%，而負(fù)相關(guān)區(qū)域占研究區(qū)總面積的39.21%。正相關(guān)區(qū)域主要分布在天山西側(cè)，而負(fù)相關(guān)區(qū)域主要分布在天山東側(cè)。該林地與氣溫之間存在相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在-0.94～0.89。正相關(guān)區(qū)域和負(fù)相關(guān)區(qū)域分別占總面積的48.99%和51.01%。圖6

3討 論

嶺回歸是一種專用于處理共線性數(shù)據(jù)的有偏估計(jì)回歸方法，在一定程度上降低了精度但能夠得到更符合實(shí)際、更可靠的回歸系數(shù)［15］。最小二乘法可以利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行函數(shù)擬合簡(jiǎn)單地求得未知數(shù)據(jù)，并使得這些預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和最小［16］。逐步回歸分析是考慮所有自變量（X）對(duì)因變量（Y）的作用、顯著程度或貢獻(xiàn)率。通過(guò)逐步引入回歸方程中的自變量，按照作用的大小順序，將對(duì)因變量的作用不顯著或貢獻(xiàn)不大的自變量排除在外，從而構(gòu)建出最優(yōu)的回歸方程［17］ 。相關(guān)性高的植被指數(shù)有比植被指數(shù)、差值植被指數(shù)、歸一化植被指數(shù)、土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)、優(yōu)化土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)［18］。

成熟林導(dǎo)致了喬木層生物量達(dá)到最大值［19］；過(guò)熟林階段，喬木層樹木生長(zhǎng)較弱，發(fā)育受到限制，群落更新速度較慢，同時(shí)森林碳循環(huán)減緩。由于老齡喬木的衰老、環(huán)境不良和病害等原因，部分老齡喬木死亡，導(dǎo)致生物量降低［20，21］。

利用遙感模型進(jìn)行森林生物量估算是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。徐婷等［22］的研究表明，基于遙感信息的非線性回歸模型在森林生物量估算方面優(yōu)于線性回歸模型。范文義等［23］發(fā)現(xiàn)森林生物量與植被遙感參數(shù)之間存在非線性關(guān)系，因此選擇非線性方法建立森林生物量模型是可行的。Wang等［24］認(rèn)為利用不同分辨率的遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行耦合可以提高估算的準(zhǔn)確性，而彭守璋等［25］在祁連山青海云杉林生物量研究中引入降水和溫度等氣候要素以提高模型精度。此外，基于自學(xué)習(xí)過(guò)程的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法也能顯著提高生物量估算的準(zhǔn)確性。李猛等［26］利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同樹種進(jìn)行生物量估算，且在一定程度上減小了數(shù)據(jù)飽和引起的估測(cè)誤差，表明相較于多元回歸模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能更真實(shí)地反映實(shí)際情況。遙感影像的分辨率、獲取時(shí)間、建模因子的選擇以及采樣樣地的數(shù)量和分布都可能影響生物量估算的準(zhǔn)確性，因此選擇適合的估算模型時(shí)需要考慮多個(gè)因素的可獲取性和適用性［27，28］。研究中采用的野外調(diào)查樣地?cái)?shù)量較少，用于模型構(gòu)建和驗(yàn)證的樣本有限，并且樣地分布不均勻，對(duì)模型的準(zhǔn)確性造成了一定的影響。此外，地形紋理特征、土壤信息等因素也會(huì)對(duì)森林生物量估算產(chǎn)生影響［29］。未來(lái)的研究中需要增加野外調(diào)查樣地的數(shù)量，并確保樣點(diǎn)在研究區(qū)內(nèi)均勻分布，進(jìn)一步優(yōu)化建模因子，并考慮加入土壤、紋理等因素［30］，以建立精度更高、實(shí)用性更強(qiáng)的生物量估算模型。

4結(jié) 論

4.1

2000～2022年間研究區(qū)林地地上生物量總體呈現(xiàn)為由北向南逐漸增加的趨勢(shì)，南部、中部林地分布集中，北部較分散。研究區(qū)林地地上生物量整體是以穩(wěn)定和增長(zhǎng)為主，大面積地上生物量呈東南高西北低的分布特征。氣候?qū)τ诹值氐挠绊戄^小，新疆氣候呈現(xiàn)暖濕化特征，增加降水對(duì)于地上生物量的生長(zhǎng)具有積極的影響。降水量與林地地上生物量之間的相關(guān)性要優(yōu)于氣溫與地上生物量之間的相關(guān)性。

4.2成熟林的喬木層生物量高于其他齡組，且成熟林gt;近熟林gt;中齡林gt;過(guò)熟林gt;幼齡林。幼齡林尚未完全發(fā)育，干物質(zhì)積累緩慢，冠層空間未得到充分利用，因此不利于生物量的積累；在中齡林到近熟林階段，樹木進(jìn)入林冠層，使得冠層空間逐步得到充分利用，光合作用增加，從而促進(jìn)生物量的積累；成熟林階段，樹木比例達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，樹高、胸徑和冠幅等樹體結(jié)構(gòu)因子均達(dá)到最高值。

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Analysis of spatial and temporal variations of aboveground biomass and the factors affecting it in a typical forest area in the central Tianshan Mountains

XIAO Shuting1， YAN An1，WANG Weixia2， ZHANG Qingqing3， HOU Zhengqing1， MA Mengqian1， SUN Zhe1

（1.Xinjiang Key Laboratory of Grassland Restoration and Environmental Information， College of Resources and Environment， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052，China;2.College of Forestry and Landscape Architecture， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052，China;3. College of Life Sciences， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052，China）

Abstract：【Objective】 aboveground biomass at different time and spatial scales and analyze its influencing factors， this project aims to reveal the dynamic change process of the ecosystem in the natural forest area and explore the environmental factors affecting the change of aboveground biomass.

【Methods】 Based on the remote sensing data of the past 20 years from 2000 to 2022 and the actual sample data of the forest land in the study area， this study used the remote sensing information to establish an estimation model， estimate the aboveground biomass in the typical natural forest area of Tianshan Mountain， Xinjiang， and analyze the temporal and spatial dynamic changes of biomass in the area and the influencing factors of the aboveground biomass changes of natural forest lands.

【Results】 The spatial distribution of aboveground biomass in woodland in the study area was obvious， with high biomass in northeast China and low biomass in southwest China， mainly concentrated in the northern part of the study area. In 2022， the forest biomass of the Internship Forest Farm was about 3.728×106 t， the maximum value was about 559.67 t/hm2， and the average biomass was about 233.45 t/hm2. The biomass in the northeast was higher than in the southwest， and the increase in latitude led to a decrease in biomass. There were differences in the interannual variation trend of aboveground biomass in woodland in the study area， and the overall state was stable and growing， with 52.63% of the area biomass increasing and 47.37% of the area biomass decreasing. The biomass per unit area of different forest age stages increased with the increase of forest age， and the biomass of the tree layer was the highest in mature forests.

【Conclusion】 In the forest land in the study area， the area and biomass proportion of juvenile forest to overmature forest are different， and it is necessary to increase the investment in natural regeneration and artificial tending work. From 2000 to 2022， the aboveground biomass of forest land in the study area gradually increased from north to south， and precipitation played a positive role in biomass growth. In the southwest area of the Internship Forest Farm， human activities are frequent， and changes in temperature and precipitation affect the growth of trees and grasslands， resulting in the high distribution of biomass in the northeast and low distribution of biomass in the southwest.

Key words：natural forest; biomass; remote sensing information model; spatial distribution

Fund projects：The 2022 Natural Forest Protection Project （Agricultural University Internship Forest Farm - Natural Forest Carbon Sequestration）

Correspondence author：YAN An （1983-）， male， from Ziyang， Sichuan， Ph.D.， professor， master and doctoral's supervisor， research direction： digital agricultural technology， agricultural resources and environment research， （E-mail）zryanan@163.com

收稿日期（Received）：2024-03-05

基金項(xiàng)目：2022年天保工程（農(nóng)大實(shí)習(xí)林場(chǎng)-天然林碳匯）

作者簡(jiǎn)介：肖淑婷（1998-），女，新疆博州人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)信息化，（E-mail）1367388036@qq.com

通訊作者：顏安（1983-），男，四川資陽(yáng)人，教授，博士，碩士生/博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)字農(nóng)業(yè)技術(shù)、農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境，（E-mail）zryanan@163.com