林分蓄积量测定.doc

第5章 林分蓄积量测定 本章提要本章主要介绍采用标准木法、数表法测定林分蓄积的具体方法、步骤，以及一些数表的简要编制方法。另外，在本章中简要介绍了一种较好的3P样木法，该方法仅供教学中参考。 林分中全部林木的材积称作林分蓄积量(Stand Volume)，简称蓄积(记作M)。在森林调查和森林经营工作中，林分蓄积量常用单位面积蓄积(m3hm2)表示。 林分蓄积和单木材积一样，是由断面积、树高和形数三要素构成，因此，林分蓄积量的基本概念为。它又与单株木的材积有区别，因为林分是由树木的群体组成，它具有生长、积累过程。因此，受林木直径、树高、形数及株数等因子的制约，并受树种、年龄、立地条件和经营措施的直接影响而发生变化。 蓄积是鉴定森林数量的主要指标。单位面积蓄积的大小标志着林地生产力的高低及经营措施的效果。另外，在森林资源中，经济利用价值最大的仍是木材资源。因此，林分蓄积的测定是林分调查主要目的之一，它为森林经营和采伐利用提供重要的数量依据。 林分蓄积的测定方法很多，可概分为实测法与目测法两大类。实测法又可分为全林实测和局部实测。在实际工作中，全林实测法费时费工，仅在林分面积小的伐区调查和科学实验等特殊需要的情况下才采用。在营林工作中最常用的是局部实测法，即根据调查目的采用典型选样的标准砸进行实测，然后按面积比例扩大推算全林分的蓄积。对复层、混交、异龄林分，应分别林层、树种、年龄世代、起源，进行实测计算。对极端复杂的热带雨林的调查方法需根据要求而定。 实测确定林分蓄积的方法又可分为标准木法、数表法等，目测法可以用测树仪器和测树数表作辅助手段进行估算林分蓄积，或根据经验直接目测。 5.1 标准木法 用标准木测定林分蓄积，是以标准地内指定林木的平均材积为依据的。这种具有指定林木平均材积的树木称为标准木(mean tree)。而根据标准木的平均材积推算林分蓄积量的方法称为标准木法(method of mean tree)。这种方法在没有适用的调查数表或数表不能满足精度要求的条件下，它是一种简便易行的测定林分蓄积量的方法。 用标准木法推算林分蓄积时，除需认真量测面积和测树工作外，选测好标准木至关重要。因此，在实际工作中依据林分平均直径(Dg)、平均高(HD)且要求干形中等3个条件选取标准木，即标准木应具有林木材积三要素的平均标志值。其中要求干形中等最难掌握，因树干材积三要素是互不独立的，这就更增加了选定标准木的难度。基于调查目的和精度要求不同，标准木法可分为单级标准木和分级标准木两类。这两类方法的主要区别是标准木所代表的径阶范围及株数分配不同。一般说来，增加标准木的株数可提高蓄积测定精度，但若标准木选择不当，增加标准木株数也不一定能提高精度。5.1.1 平均标准木法 平均标准木法又称单级法(胡伯尔，1825)，是不分级求标准木的方法，其步骤为： (1)测设标准地，并进行标准地调查。 (2)根据标准地每木检尺结果，计算出平均直径(Dg)，并在树高曲线上查定林分平均高(HD)。 (3)寻找13株与林分平均直径(Dg)和平均高(HD)相接近(一般要求相差在5以下)且干形中等的林木作为平均标准木，伐倒并用区分求积法测算其材积，或不伐倒而采用立木区分求积法计算材积。 (4)按(51)式求算标准地(或林分)蓄积，再按标准地(或林分)面积把蓄积换算为单位面积蓄积(m3hm2)，算例见表51。 (51)式中，n标准木株数； 、第i株标准木的材积及断面积； G和M标准地或林分的总断面积与蓄积。5.1.2 分级标准木法 为提高蓄积测算精度，可采用各种分级标准木法。先将标准地全部林木分为若干个径级(每个径级包括几个径阶)，在各级中按平均标准木法测算蓄积，而后叠加得总蓄积，算式为： (52)式中：第i级中标准木株数； K分级级数(，)； Gi第i级的断面积； Vij、gij第i级中第j株标准木的材积及断面积。 分级法的种类很多，现介绍3种常用方法。5.1.2.1 等株径级标准木法 由乌里希(Urich V，1881)首先提出，该法是将每木检尺结果依径阶顺序，将林木分为株数基本相等的35个径级，分别径级选标准木测算各径级材积，各径级材积叠加得标准地蓄积。具体测算方法见表52。表52等株径级标准木法计算蓄积量径级径阶株数断面积平均标志标准木大小推算蓄积I81216小计14271556O.0704O.3054O.3016O.6774g=0.01210D=12.4H=1.61d=12.5g=0.01227h=15.7v=0.1161M=0.67740.11610.01227=6.40961620Z4小计10281856O.2011O.8796O.81431.8950g=O.03384D=20.8H=21.9d=20.8g=0.03398h=21.9v=O.3723M=1.8950O.3723O.03398=20.76252428323640444852小计62697l3Z1550.27141.6010O.7238O.7125O.1257O.4562O.3619O.21244.4649g=0.08118D32.1H=26.Od=32.Og=O.08042h=26.9v=O.8638M=4.4649O.8638O.08042=47.9580合 计1677.037375.1301 引自参考文献11。5.1.2.2 等断面积径级标准木法 哈尔蒂希(Hartig R，1868)首先提出，依径阶顺序，将林木分为断面积基本相等的35个径级，分别径级选标准木进行测算，算例见表53。表53等断面积径级标准木法计算蓄积量 径级 径阶 株数 断面积 平均标志 标准木大小 推算蓄积I 8 12 16 20 24 小计 14 27 25 28 13 107 O.0704 0.3054 O.5027 O.8796 O.5881 2.3462 g=0.02193 D=16.7 H=19.4 d=16.9 g=0.02243 h=17.2 V=O.2071 M=2.3462 O.2071 O.02243 =21.6629 24 28 32 小计 11 26 3 40 O.4976 1.6010 O.2413 2.3399 g=O.05850 D=27.3 H=24.8 d=27.6 g=O.05983 h=24.9 v=O.7008 M=2.3399 O.7008 O.05983 =27.4077 3Z 36 40 44 48 52 小计 6 7 1 3 2 1 20 O.4825 O.7125 O.1257 O.4562 O.3619 O.2124 2.3512 g=0.11756 D=38.7 H=27.2 d=38.7 g=O.11763 h=28.5 v=1.3805 M=2.3512 1.3805 O.11763 =27.5936 合 计 167 7.0373 76.6642 引目参考文献11。5.1.2.3 径阶等比标准木法 德劳特(Draudt A，1860)提出用分别径阶按一定株数比例选测标准木的方法。其步骤是先确定标准木占林木总株数的百分比(一般取10)；再根据每木检尺结果，按比例确定每个径阶应选的标准木株数(两端径阶株数较少，可合并到相邻径阶)；然后根据各径阶平均标准木的材积推算该径阶材积，最后各径阶材积相加得标准地总蓄积。 这种方法较前3种方法的工作量大，但精度较高。不仅能获得各径阶的材积，并能求出林分材种出材量，其算式与式(52)同，但式中的k是径阶数。 若根据各径阶标准木材积与胸径或断面积相关关系，绘材积曲线或材积直线，则可按径阶查出各径阶单株平均材积。可按式(53)计算林分或标准地蓄积： (53)式中Vi从材积曲线或材积直线上读出的第i径阶单株材积； ni相应径阶的检尺木株数。 这种方法相当于为标准地编制一份临时的一元材积表。 综上所述，标准木法属于典型选样方法，用于推算蓄积量的精度完全取决于所选标准木的胸径、树高及形数与其林分平均直径、平均高及形数的接近程度。在实际工作中，很难找到与林分3个平均因子完全一致的林木，因而会产生一定的误差，其中干形最难控制。实践中通常要求胸径、树高与实测平均值的离差一般不超过5。对于形数，在选测标准木之前，平均形数是无法确定的，只能按照目测树干的圆满程度、树冠长度等可以反映形数大小的外部特征选择干形中等的树木作为标准木。由于干形因子是主观选定的，易倾向于选择干形比较通直及饱满的树木，所以采用标准木法常易产生偏大的误差。 5.2 材积表法 在森林调查中，为了提高工作效率，一般常采用预先编制好的立木材积表(tree volumetable)确定森林蓄积量，这种方法称为材积表法(Method of volume table)。 材积表是立木材积表的简称。是按树干材积与其三要素之间的回归关系编制。根据胸径一个因子与材积的回归关系编制的表称为一元材积表(one-way volume table)。根据胸径、树高两个因子与材积的回归关系编制的表称为二元材积表(standard volume table)。根据胸径、树高和干形(形率级、形数级)与材积的回归关系编制的表称为三元材积表(form class volume table)。 最早的现代形式的材积表是德国柯塔(Cotta HV，1804)发表的山毛榉材积表和1817年编制的一组标准材积表。在内容上，除树干材积外，还有全树材积表、枝条材积表、根株材积表、商品材积表及一些多用材积表等。 在材积表的编制方法上，由图解法(削度图、材积曲线、材积直线)转变到广泛采用材积回归方程。对于材积表的编制工作，由于电子计算技术的兴起与引用，不仅提高了效率，而且也提高了材积表的准确度。尤其为回归方程参数求解，以及对多个材积方程进行选优与检验等都提供了优越条件。在20世纪50年代，我国林业部综合调查队，曾为主要林区编制了主要树种的树高级立木材积表。景熙明(1956)、黄道年(1957)曾编制过马尾松和杉木的二元立木材积表等。从1960年起，由于森林抽样调查的需要，各地都普遍编制了主要树种的二元与一元立木材积表，70年代中，集中整理编制了我国35个针叶树种，21个阔叶树种的大区域二元立木材积表，农林部于1977年以部颁标准LY20877颁布使用。5.2.1 一元材积表5.2.1.1概念根据胸径一个因子与材积的回归关系编制的材积数表称为一元材积表。一元材积表最早是法国格纳得(Gurnand A，1878)提出，继由瑞士拜奥利(Biolley HE，1921)发展应用。起初法文叫“tarif de cubege”或简称“tarif”(塔里夫)，此词源于阿拉伯语，是表格化的数据资料的意思，与我国所用数表一词同义，这种表最初是应用于森林经理的照查法(Method of control)，目的是了解间隔期内林分蓄积的变化，认为接近平衡状态的择伐林木中树高依胸径的变化基本是稳定的，为掌握蓄积的变化，每次复查时量测树高的意义不大，故而采用了简便的一元材积表。以后英、德、美等国有时也采用“塔里夫”一词，但英文一元材积表的一般名为“One-way volume table”(或Single entry volume table)。因为一元材积表只考虑树干材积随胸径的变化，但在不同条件下，胸径相同的林木，树高差别较大，如福建南平溪后20cm胸径的杉木平均高可达1820m，而在江苏宜兴一般只有13m以下。因而一元材积表的使用地域范围不能太大，故又称为地方材积表(Local volume table)。一元材积表一般只列出树干材积，但也有列出商品材积(Merchantable volume)或附加列出编表时各径阶的平均高与平均形高值。5.2.1.2一元材积表的编制 直接编制一元材积表的方法与步骤 资料收集与整理：一元材积表仅考虑材积随胸径的变化。一般是分别树种、分别使用地区编制，因在不同地区树高曲线的差异较大。因此，编表收集数据地区范围应与用表地区范围保持一致。为使编表资料能反映材积表使用地区的材积平均水平，在组织和抽取样木时,要求尽可能遵从随机取样的原则，样木数量一般要求在200300株或以上。典型选取的标准木作为样本编表时，往往产生偏大的误差，一般不宜用于编表。对抽中的样木，测定其胸径，并伐倒后用区分求积法测定材积。结合选择合适方程类型，根据资料绘制散点图，进行数据预处理，剔除异常数据。在收集编表资料时，应根据林业部林业专业调查主要技术规定的要求，同时收集编表和检验表两套样本，用编表样本编表，用检验样本检验所编材积表的精度。编制一元材积表a.用图解法确定方程类型：将编表数据以横坐标示胸径，纵坐标示材积作散点图，根据散点分布趋势，选择合适方程类型，参见图5-1。b.最优材积方程的选择：编制一元材积表的方程类型很多，常用的方程如表55所示。表55 一元材积回归方程 一元材积方程 提 出 人 科泊斯基(Kopezky)格尔哈特(Gehrardt)迪塞斯库(DissescuR)迈耶(MeyerWH)覆赫纳德尔(H0henadlw)克雷恩(Krenn.K)伯克霍特(Berkhout)布里纳克(Brenac)芦泽中岛广吉如何求解方程参数和选择最优经验方程是编制材积表的技术关键。随着计算机的普及和应用，对实测编表数据（异常数据需剔除），在求解方程参数时，不需要象过去那样先按径阶分组，再代入统计出的各径阶样木平均胸径、平均材积和株数。同时，尽量不对编表方程作非等价变换。通常，对于同一套数据资料，分别采用不同方程进行拟合，计算其剩余平方和及相关系数(或相关指数)，选择其中剩余平方和最小、相关系数(或相关指数)最大的经验方程，且最接近材积与胸径散点分布趋势的方程式作为编表材积式。 一元材积表的精度计算：在编表地区内用另一套检验样本的实测材积值()与以检验样本的胸径带入材积方程求得的相应理论值()作线性回归统计假设检验，即令建立线性方程，并对参数a0，b1作F检验，一般称作F(0，1)检验。根据检验结果，决定材积表是否适用。另外，也可以依据相对误差值(相对误差=)的大小进行检验。在生产中，一般认为，相对误差小于5，则说明所编材积表满足精度要求。 由二元材积表导算一元材积表 这种方法较直接编一元材积表方法简便，具体方法是： 在用表地区随机抽取200300株以上样木，实测样木的胸径和树高。然后采用数式法拟合树高曲线。常用树高曲线的方程类型有： 抛物线型： 对数型： 指数型： 双曲线型：式中 H树高； D胸径； lg常用对数符号； e自然对数的底； 参数。 先根据实测样木各径阶的平均胸径和平均树高作树高曲线图。依曲线趋势选用方程类型，并进行比较、优化，最后确定用于导算一元材积表的树高经验方程。例如，根据云南松的测径、测高数据，经过几个树高曲线方程的拟合、比较，最后得到云南松的树高曲线经验方程为：H=1.9293+0.753375D-O.017924D2 (55)而云南松二元材积方程为：V=0.000063446D1.9760H0.8843 (56) 将直径值代入式(55)求得相应树高（实际为平均高），再将各直径及树高代入一元材积式(56)，计算出各直径的平均材积列表，即为导算的一元材积表。5.2.1.3一元材积表的应用 在编表地区内，利用标准地调查所得到的每木检尺表，以径阶株数乘材积表中相应径阶的单株平均材积，即得到径阶材积，各径阶材积的合计值即为标准地林木蓄积。如调查用表时间距编表时间过长，林分状况已有明显变化时，或扩大使用地域范围时，则应事先随机收集100株以上树木的胸径及树高的数据，绘制树高曲线与原编表数据的树高曲线相比较，并作统计检验。如基本一致(统计检验差异性不显著)，则可认为原表仍可用；若差异性显著，则需考虑重新编表。5.2.2 二元材积表5.2.2.1概念 根据材积与胸径、树高两个因子的回归关系编制的材积数表称为二元材积表。因二元材积表的编表资料是同一树种取于较大的地域范围，其适用地域较大，故又称为一般材积表(General volume table)或标准材积表(Standard volume table)。在材积表中，它是最基本的立木材积表，其形式如表57。 表57华北地区侧柏二元立木材积表 (VO.000091972184 D1.863977。H0.83156779)H（mV（m3D（cm） 34567891046810121416182022242628303234O.003O.006O.011O.017O.004O.0080.0140.021O.030O.0400.0510.005O.010O.017O.026O.036O.048O.062O.0770.093O.111O.1310.005O.012O.020O.030O.042O.0560.0720.089O.1090.1300.153O.006O.013O.022O.034O.048O.063O.081O.101O.123O.147O.173O.007O.015O.0250.038O.053O.071O.091O.113O.138O.165O.1940.225O.258O.294O.008O.016O.028O.042O.059O.078O.100O.125O.132O.182O.214O.248O.285O.324O.008O.018O.030O.046O.064O.085O.110O.136O.166O.198O.233O.271O.311O.354O.3990.4475.2.2.2二元材积表的编制 编表基本原理同一元材积表，编表时注意以下几点： (1)一般是分别树种编表，对干形相近或蓄积比重小的树种，可合并为树种组编表。 (2)同一树种，一般不必再分别不同地区编制。根据林昌庚(1964，1974)、周林生(1980)等人研究，同一树种在不同地区的干形一般差别不大。因此，一般说来，应该为大地域编制高质量的一般二元材积表即可。 (3)二元材积方程很多(表58)，应用时必须根据具体资料选择最优方程。例如，经孟宪宇(1982)以14个树种3682株供试木作对比检验表明，山本式()精度列第七位，而多元、多项回归方程一般精度较好。 材积方程确定后，还可对方程作进一步验证。一般是进行干形分析，即通过方程所计算的理论材积，求得形数(f1.3)，根据形数依树高的变化趋势，判断方程的适应程度。如果已确定的方程所反映的形数变化规律，在某些径阶范围内出现异常，则应进一步修改方程。具体实例可见周林生(1974)、王笃治(1978)、吴富桢(1979)等发表的论著。 表58二元材积方程一览表 材 积 方 程 提 出 者 迈耶(Meyer w.H.,1949) 迈耶(1949) 孟宪宇(1982) 孟宪宇(1982) 纳斯伦德(Na slund M.，1947) 寺崎渡(1920) 孟宪宇(1982) 山本和藏(1918) 卡松(Korsun F.，1955) 斯泊尔(spurr S.H.，1952) 奥盖亚(Ogeya N.，1968) 高田和彦(1958) 德威特(Dwight T.W.，1937) 松柏尔(Thornber W.，1948) 斯泊尔(1952) 德林科所 赵克升、周沛村等(1973) 斯托特(Stoate T.N.，1945) 赵克升等(1974) 斯泊尔(1952) 寺崎渡(1920) 注:最早是日本山本和藏1918年提出的，到1933年美国的舒与赫一哈尔也发表，此式，比山本迟15年，因此本书称它为山本式。 中山博一(1962)的德威特式为西泽正久(1959)、大隅真一(1971)等的德威特式为。据我们分析，和两式本质上是一致的，按山本式求得结果，一般d的指数接近2，h的指数接近l，二指数之和接近3，该两个公式的指数之和都等于3，符合一般规律，比较正常。但中山博一所引的德威特式两指数之差等于+3或-3，d的指数必定比h的指数大3，这与一般规律不符。5.2.2.3二元材积表的应用 应用二元材积表测算林分蓄积一般要经过调查取得每个径阶的株数及树高曲线，根据每个径阶的中值和从树高曲线上查出的该径阶的平均高值，就可从二元材积表中查出各径阶的单株平均材积，乘以该径阶的林木株数，可计算出该径阶的林木材积，各径阶林木材积相加，即得林分蓄积。 在大面积的森林蓄积量调查中，一般不直接使用二元材积方程(或二元材积表)测定林分蓄积量，而常常使用由二元材积方程(或二元材积表)导算的一元材积表。5.2.2.4二元材积表的干形结构分析 胸径、树高相同的树木，其干形饱满度并不相同，且变动较大。林昌庚(1964)对杉木研究指出，胸径、树高相同的树木，以实验形数表示的干形的变动幅度与胸径、树高各不相同的全部树木很接近。干形变化的这一特征表明，无论采用何种方法或方程编制的二元材积表，由于对同一胸径、树高的树木只给予一个平均材积值，这就意味着已给定了一个某种干形指标值，但是，这个干形值实际上是某种干形指标的平均值。因此，分析干形变化特点和规律，可以加深理解二元材积表的实质。当采用胸高形数(f1.3)作为干形指标时，所有二元材积方程，其内涵的f1.3构，不外以下4种方式：式中 C为常数；d，h分别为胸径与树高。就精度而言，一般第一种相对最差，第四种最好。前苏联丘林教授(1905)在研究干形变化规律时指出：干形在一个林分内的变化幅度和在全国广大领域内大体相同。国内外极其广泛的实验材料一再证实了这一点。林昌庚(1964)、周林生(1974)分别对杉木、云杉，进行的研究都充分证实了这一重要结论。 由干形变化的这一重要特征决定：如果采用能较客观地反映干形的指标，如正形数、实验形数，正形率等，则一个树种取一个总平均干形值计算林分蓄积，可取得与一般较好的二元材积表大体相当的精度。用合理方法精确编制的二元材积表，有可能在某种程度上稍微提高计算林分蓄积的精度，但其潜力是有限的。5.2.3 三元材积表 三元材积表是分别形率级(形级)编制的二元材积表。使用时要测定林木胸径、树高和一个上部直径来确定树干材积的方法，故称为三元材积表。斯泊尔(Spurr S.H.,1952)在(Forest inventory)一书中介绍过一些三元材积方程：式中 a0，al，a2，a3参数； du一般形率或吉拉德形级用的上部直径； q形率或吉拉德形级； d、h胸径和全高。 我国1958年根据B.A.韦斯托夫(YCTOB)提出的通用立木材积式： 我国为解决云南亚热带林区森林资源调查树种很多的困难试编过形率级三元通用立木材级表。虽然三元材积表的理论精度较高，但因使用较烦，未能在生产中推广应用。5.4 标准表法和实验形数法林分蓄积量(M)可以看成是由林分中(或单位面积上)所有树木胸高总断面积(G)、林分条件平均高(H)和林分形数(F)这三个要素所构成：M=GHF (513)应注意，此式中的H不是林分算术平均高，而是林分条件平均高(HD)。林分形数F也不是林分中所有单株林木形数f1.3的平均值，即 (514) 其求算公式应为 (515)用林分蓄积三要素的概念确定林分蓄积的方法有收获表法、标准表法和平均形数法等。本节着重介绍标准表法和平均实验形数法。5.4.1 标准表法5.4.1.1概念标准表法是特烈其亚柯夫(TpeTbqiCOB HB，1927)根据立木材积三要素原理提出的一种确定林分疏密度和林分蓄积量的数表和方法，在我国、前苏联、朝鲜和一些东欧国家得到广泛应用。我国自20世纪50年代始，林业部综合调查队曾为主要林区的主要树种编制了标准表，各省相继又进行了编制，主要应用于森林经理调查(即二类调查)。应用时只要测得林分每公顷胸高总断面积(G)和林分平均高(HD),就可从标准表上查出对应于平均高的每公顷标准断面积(G标)和标准蓄积(M标)，先求出林分疏密度(P)： (516) 然后，依式(517)再求算林分每公顷蓄积： (517) 由于，因此可以把标准表换算成林分形高表。这样，如果只需求出蓄积量，则从表中查出HF值后，可直接用M=GHF式算出林分蓄积。5.4.1.2标准表的编制方法标准表的编制原理将林分蓄积量看成是树高和总断面的函数，蓄积量和断面积依树高的变化可用直线相关表示。首先，将合格的标准地资料按林分每公顷总断面积与林分平均高的相关关系，采用数学模型进行拟合，由最佳经验方程得样本平均疏密度状态下林分总断面积曲线。然后将平均曲线提升到疏密度为1.0时的断面积(G1.0)。最后，根据形高回归式按M1.0=G1.0HF式可算出标准蓄积量编成标准表。标准表的编制方法在编表总体的范围内，根据相同树种的不同分布地区实测相当数量林分疏密度在O.7以上的标准地资料，数据经整理后按特烈其亚柯夫提出的方法编制。断面积的确定：根据全部编表的标准地材料，选用以下林分每公顷总断面积与林分平均高的相关方程拟合现实林分每公顷断面积的经验方程作为提升标准断面积的依据。常用的方程有：式中a0、a1、a2参数； G每公顷胸高总断面积； H林分平均高。例如，根据甘肃省张掖地区林业局选用的青海云杉的标准地35块资料拟合的经验式为：HG=-161.5908+48.4840H或G=48.4840-161.5908/H (518)将经验式(518)式展开，求得对应各林分平均高的总断面积的理论值()。是制表样本平均疏密度时的总断面积，编制标准表必须将平均断面积线提升到疏密度为1.0时的总断面积。最大断面积线提高的依据，是从各树高阶中选几块总断面积最大且年龄分布均匀的标准地，求算平均提升系数()。 设 式中Gi1,第i标准地的实际断面积； Gi2第i标准地对应平均疏密度的理论断面积。 令 则提升系数为： (519)将各树高阶的总断面积乘以q0值，则得标准林分疏密度为1.0