黄土丘陵区柠条地上生物量的回归模型

黄土丘陵区柠条地上生物量的回归模型

生物量是指单位面积内的有机物质（包括生物产品的质量）总数。这是衡量生产力的重要指标，也是森林生态系统物质循环的基础。灌木林是生态系统的重要组成部分,是干旱半干旱地区的主要植被,研究灌木林生物量对于揭示这一地区的群落特征进而为灌木林的保护、合理经营和利用提供有力保障。目前国内外对灌木生物量的研究较乔木生物量研究要少得多。传统灌木生物量的研究方法大多采用全收割法,通过大量的样本数据建立生物量与地径、株高等生长指标的模拟关系,这种方法费时耗力并有一定的破坏性,不能及时有效地进行大面积的作物长势监测本文利用野外实测获得的柠条(Caraganamicrophylla)多谱辐射数据和地上生物量数据,建立了回归模型,试图为柠条林生物量测定提供一种便捷、准确和有效的方法。1气候地貌和植被偏关县,位于山西省西北部,地处黄河中上游黄土丘陵沟壑区,地理坐标为39°12′56″~39°39′38″N,111°21′21″~112°00′43″E,地势东高西低,自东向西倾斜,地形复杂,支离破碎,沟壑纵横,起伏不平。最高处为青杨岭山,海拔1855.2m;最低处为黄河沿岸寺沟河畔,海拔875m;平均海拔1377m。土壤类型为灰褐土土类(又称黄绵土)。属北温带大陆性气候。冬季寒冷少雪,春季温暖干燥,夏季炎热而雨量集中,秋季凉爽而明快。年平均气温3~8℃,全年平均降水量为425.3mm,无霜期为105~145d。偏关县范围内晚春至早夏常有大风,大风从4月开始到6月渐息。植被属温和冬旱气候草原植被型,野生植物品种多,有53个科、198种。乔木以杨树(Populusspp.)为主,灌木主要有柠条、沙棘(Hippophaerhamoides)等,其中柠条分布面积最为广泛,除土石山区外其余丘陵、荒坡遍布柠条。2学习方法2.1样地设置与指标测定根据《山西省偏关县林业区划》中立地条件类型划分,结合柠条在该地区主要栽植的立地条件,选择黄土丘陵阳向斜缓坡、黄土丘陵阴向斜缓坡、黄土丘陵梁峁顶和黄土丘陵阴向陡坡4种立地类型进行调查。调查采用样地法,样地面积10m×10m,每一样地测定3丛标准丛生物量,用反射光谱与柠条标准丛地上部分干生物量作相关性分析。n为样本数(包括预测样本和测试样本)。首先用罗盘仪和卷尺圈定样地,然后记录每一样方内的地貌部位、有无抚育措施、坡向和坡度(用罗盘仪测定)、海拔(用海拔表测定)。2.1.1林分生长指标首先将每一灌丛进行编号,然后逐丛调查。灌丛高:用钢卷尺测定灌丛最高的3枝取平均值作为灌丛高;地径:用游标卡尺测定灌丛最粗的3株取平均值作为灌丛地径;冠幅:用钢卷尺和皮尺测定灌丛东西和南北2个方向的冠幅,取平均值作为灌丛的冠幅;冠丛分枝数:全部数出单丛分枝数;标准丛:通过计算生长情况得出灌丛的平均生长状态,以灌丛平均高为主要依据,参考平均地径、冠幅和灌丛分枝数,确定标准丛。2.1.2采样区的基本情况样地基本情况见表1。2.2基于s17:8滤波器宽波光谱分析光谱测试采用CROPSCAN多谱辐射仪,用多谱辐射表MSR87:8波段窄波光谱分析(460~810nm)。规格80mm×80mm×100mm;8波段光分布:460、510、560、610、660、710、760、810nm3柠条人工林立地类型的选择偏关县分布在黄土丘陵阴向斜缓坡和黄土丘陵阳向斜缓坡的柠条人工林占全县的70%以上。所以重点选择这2种立地类型进行研究。表2是这2种立地类型柠条林的生长情况。3.1柠条地上部分干生物量的特征首先要确定选用哪一个波段的光谱值与生物量实测值建立回归关系。用黄土丘陵阳向斜缓坡的各波段光谱数据与实测标准丛柠条地上部分干生物量作相关性分析,7个波段反射光谱与柠条地上部分干生物量的相关性比较,见图1。由图1可看出,510、560、610、660、710、760nm各波长光谱值与柠条地上部分干生物量实测值的相关系数r均较大,达到0.53~0.635。经相关性检验表明,各波段光谱值与柠条地上部分干生物量实测值相关性显著。相对而言,波长560nm处光谱值与生物量的相关系数最大,r为0.635,所以本文选择560nm的光谱值与生物量建立回归关系。3.2柠条生物量的光谱估算回归模型本试验选择线性方程、复合曲线、对数方程、S型曲线、指数方程、乘幂曲线及Logistic曲线分别建立柠条林560nm光谱反射值与地上部分干生物量建立回归模型。3.2.1阴向斜缓坡下一种植物的生物量模型用黄土丘陵阴向斜缓坡柠条林560nm光谱反射值与标准丛地上部分干生物量建立回归模型,见表3。结果表明,各回归模型的相关系数r达到0.672~0.706,决定系数达到0.451~0.498,各回归方程的F检验均达到极显著水平(Sig=0.000)。其中乘幂曲线W=0.965R图2是黄土丘陵阴向斜缓坡560nm处乘幂曲线模型的散点图,散点大多集中在曲线两侧,拟合效果较好。利用该立地条件上柠条林地上10丛标准丛干生物量实测值与预测值进行对比,结果见表4。由表4可以看出,各模型的预测值与实测柠条地上部分干生物量相差不大。3.2.2黄土丘陵阳向斜缓坡柠条林的回归模型用黄土丘陵阳向斜缓坡柠条林560nm光谱反射值与地上部分干生物量建立回归模型,见表5。各回归模型的相关系数r达到0.504~0.612,决定系数达到0.275~0.375,各回归方程的F检验均达到显著水平(Sig=0.000)。其中线性方程W=1.056+0.243R的相关系数最大,达到0.612;对数方程W=0.821+0.918lnR的相关系数r为0.607,大于其他模型。选择线性方程W=1.056+0.243R作为黄土丘陵阳向斜缓坡柠条林560nm光谱反射值与地上部分干生物量两者的回归模型。图3是黄土丘陵阳向斜缓坡560nm处线性方程的相关关系散点图,图中的大多数散点都集中于线性方程两侧。利用该立地条件上柠条林地上部分干生物量实测值与预测值进行对比,结果见表6。由表6可以看出,各模型的预测值与实测柠条地上部分干生物量相差不大。3.2.3生物量回归分析除上述2种立地类型外,本试验还对黄土丘陵阴向陡坡及黄土丘陵梁峁顶的部分样地作了光谱测定。整合这4种柠条主要分布的立地类型的所有数据,不分立地类型,对所有立地类型的107丛实测生物量与光谱值进行回归分析,得到黄土丘陵区柠条林560nm光谱反射值与地上部分干生物量的回归模型(见表7)。7个模型回归方程的相关系数r达到0.620~0.660,决定系数达到0.385~0.436,各回归方程的F检验均达到显著水平(Sig=0.000)。其中乘幂曲线W=1.072R利用该立地条件上柠条林地上部分干生物量实测值与预测值进行对比,结果见表8。由表8可以看出,各模型的预测值与实测柠条地上部分干生物量相差不大。3.3阴向斜缓坡最优模型评价用实测数据对模型精度进行分析,并对相对误差和均方根差进行评价,评价标准如下:1)相对误差评价式中:y2)均方根差(RMSE)评价由单变量和多变量回归模型估计出的参数,其精度可用均方根差(RMSE)式中:y黄土丘陵阴向斜缓坡最优模型乘幂曲线W=0.965R4阴向斜缓坡中柠条生物量的估算1)CROPSCAN多谱辐射仪560nm光谱值与黄土丘陵区柠条林地上部分干生物量的相关系数r是7个波段中最大的,达到了0.635,所以选择560nm光谱值与柠条地上部分干生物量建立回归模型。2)用多谱辐射仪测得的柠条林560nm光谱反射值与柠条地上部分干生物量进行拟合,得到结果:黄土丘陵阴向斜缓坡两者回归模型中乘幂曲线W=0.965R3)通过本试验说明,用CROPSCAN多谱辐射法来估测柠条的生物量是切实可行的,用这种方法可以快速、便捷、准确地估算出一个地区的柠条生物量,这样就大大简化了测定方法,也不会造成对林分大规模的破坏。同时此方法可以推广应用到其他灌木种类,只需要测定灌丛光谱值,然后刈割少量灌木,建立回归模型,根据模型估算所测灌丛的生物量,这样就可以大大加快估算工作,为灌木林分的经营提供及时可靠的数据。4