经营单位级的森林多功能监测体系研究

邓　成，张守攻，陆元昌，唐学君

(1 广西林业勘测设计院，广西 南宁 530028；2 中国林业科学研究院，北京 100091；3 国家林业局华东林业调查规划设计院，浙江 杭州 310019)



经营单位级的森林多功能监测体系研究

邓成1,2，张守攻2，陆元昌2，唐学君3

(1 广西林业勘测设计院，广西 南宁 530028；2 中国林业科学研究院，北京 100091；3 国家林业局华东林业调查规划设计院，浙江 杭州 310019)

[摘要]【目的】 研究经营单位级的森林多功能监测体系，为森林经营单位及时掌握多功能森林的生长发育状态、内部结构特征、更新演替规律及其与所处环境间的相互关系提供有效手段，进而为其森林多功能经营提供数据支撑和理论指导。【方法】 以中国林业科学研究院热带林业试验中心森林为研究对象，从抽样体系设计、样地布设方法、调查因子设置及观测指标数据采集等方面对森林多功能监测技术进行系统介绍和实践操作。【结果】 基于 1 km×1 km网格抽样框架，通过二重系统抽样，采用群状圆形样地方式，布设一重样地和二重样地，建立了经营单位级的森林多功能监测体系。实践操作结果表明，采用该监测体系调查一个样地所需费用与我国森林资源连续清查所需费用相当，但工作量仅约为后者的1/3，其中对热带林业实验中心森林蓄积量的抽样精度为94.97%，说明抽样效率较高。【结论】 建立的经营单位级森林标多功能该监测体系实用性强，监测效率高，对森林经营单位开展森林多功能经营及森林多功能综合监测具有指导意义。

[关键词]经营单位级；森林多功能；多功能监测体系

森林监测是现代森林经营管理的重要手段，通过其可收集有关森林状况的各种基础数据，从而对森林经营实施情况进行及时了解并开展森林经营评价工作，以发现问题并进行调整，帮助和指导森林经营实践[1]。森林监测体系的发展水平适应经济社会的需求而不断提高。最初，各国的森林监测主要针对林木资源进行，侧重于森林面积和蓄积方面，对生态和环境方面的监测较少。随着经济社会的发展，人们越来越重视生态建设和环境保护，在森林监测过程中，森林健康、环境状况等方面的因子逐渐增加[2]。进入现代，经济社会对森林多种功能的需求更是与日俱增，森林经营已从过去片面追求经济效益发展到社会、经济和生态多种效益并举，森林监测所需提供的信息也越来越多，世界各国开始对其森林监测体系进行一系列优化和改进，以使森林监测从单一的木材资源监测向多资源多功能综合监测转变[3-8]。然而，由于综合监测体系的建立和实施相对复杂，常常跨越多个学科，对森林经营者的要求较高[9]，加之森林多功能经营技术和模式等仍处于探索阶段，致使目前对森林资源多功能综合监测的理论研究多，实践操作少，林业生产实践中比较完善、操作性较强的森林多功能综合监测体系还很少见。尽管在有些森林综合监测体系中也包含了一些森林健康和生态环境方面的因子，但还比较有限，多属于辅助因子，对其结果监测多、过程监测少，未能将各种生产经营活动、森林内部结构特征等因素与森林最终体现出来的多种功能和效益很好地结合起来，且多偏向于大尺度的国家级、区域级监测，经营单位级的监测不多，所提供的各种信息比较宏观，细致程度不够，多功能综合监测能力不足，难以满足不同层次的信息需求[10]。因此，建立完善且操作性强的经营单位级森林多功能综合监测体系，对于提供全面的森林多功能综合信息、切实促进森林多功能经营水平的提高、全面发挥森林资源的多重功能和效益具有重要意义。

1经营单位森林经营概况

中国林业科学研究院热带林业试验中心(简称热林中心)位于广西壮族自治区凭祥市西南部，北纬21°57′～22°19′，东经106°39′～106°59′，共有森林面积15 655.1 hm2，其中乔木林面积13 310.6 hm2，占森林面积的85.02%；特殊灌木林面积2 338.0 hm2，占14.95%。乔木林面积以用材林为主，占81.12%；其次是防护林，占9.94%，特用林占 5.78%，经济林占3.17%。乔木林树种以马尾松林(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)和桉树(Eucalyptus)为主，面积分别占乔木林总面积的63.00%、6.97%和5.73%。这些树种原来多为纯林，近年来，热林中心森林经营从原有的木材生产永续利用目标向以多功能可持续经营为目标的技术体系改革和发展，积极进行了林种、树种结构调整，通过营造珍贵阔叶林和混交异龄林对原有人工纯林进行近自然化改造，使林分逐渐向群落结构合理、生态功能完善、景观效果良好和经济效益显著的近自然多功能森林转变，取得了很好的效果[11]。根据规划，到2050年，热林中心将建设成为以多功能森林经营为主要特征的综合性现代林业生产和科学试验示范基地。

2经营单位级森林多功能监测体系的构建

2.1监测体系抽样设计

世界各国的森林资源监测调查多采取抽样调查法，但抽样的强度不一[12]，一般来说对资源监测的抽样强度较大，对森林健康、森林环境及生态因子监测的抽样强度稍低，多采取多重或多阶抽样的方法，从资源监测的样地中再抽取一部分样地来加强监测，如美国的资源监测样地抽样间距接近5 km的网格密度，并在每16个样地中抽取1个用于生态因子方面的监测(相当于20 km×20 km抽样间距)[13]；欧洲国家的资源监测样地间距多为4 km×4 km，森林健康及环境监测样地多为16 km×16 km；有些国家也使用了更小的8 km×8 km或4 km×4 km网格监测体系[14-15]。经营单位级的森林多功能监测体系既要反映传统森林资源监测的有关内容，又要体现传统森林资源监测中涉及较少的森林生态与环境相关的内容，其所要求的信息量比国家级、区域级的森林资源监测更加详细和多样化，因此所要求的抽样强度也更高。参照国内外森林资源综合监测抽样设置，综合考虑成本与效益，本研究采用二重系统抽样的方法建立多功能森林经营监测抽样体系，该方法在国外森林资源监测中已被证明具有较强的实用性和可操作性[16]。第一重样本(地)采用系统抽样，按1 km×1 km网格进行，在网格交叉处设置监测样地用于传统的森林结构和生长动态指标观测，热林中心共设置样地238个；第二重样本(地)的抽样数量根据第一次抽样各样地的蓄积量来确定，其中可靠性和调查精度均要求为95%，通过计算需要的样地数量为51个，因此采用2 km×2 km网格间距进行系统抽样，共抽取样地56个(为第一重样地的一部分)，用于新增加的森林生态和环境观测指标的获取。抽样体系如图1所示。

2.2监测体系样地布设

监测体系的样地采用群状圆形样地布设，每个样地内设3个半径(R)为6.51 m的圆形子样地，总面积为400 m2(图2)。类似地星圆样地群在美国的森林资源综合监测中得到了广泛使用[17]，其主要有3方面的优势：(1)将主要调查区面积400 m2均匀分布到大样圆中的3个子样地中，其代表性比单一400 m2的样地要广，且其与我国森林资源连续清查样地相比，在抽样精度相同的情况下工作量约减少了2/3，提高了抽样效率；(2)由于中心点观测项目较少而将主要调查任务分散到3个样圆中，可减少调查活动对样地产生的干扰破坏，有利于样地尽快恢复到原有的自然状态；(3)分解为3个样圆的测量避免了每木测量时随半径增加距离方位角测定难度急速增大的不足，提高了调查效率。样地布设时，首先用GPS根据千米网格坐标确定样点的现地位置作为样地中心O点，并埋设水泥桩，方便于以后复查时使用磁铁探测器查找，水泥桩的中心加入钢筋，桩长50 cm左右，地上部分保留10～20 cm，其他部分全埋入地下。然后使用罗盘、测绳分别于中心点的正北方向(0°)、东南方位角(120°)、西南方位角(240°)15 m处确定A、B、C3个样圆的中心点，均匀布设3个圆形子样地，在3个子样圆中心点使用铁锤将长30 cm、直径1.5～2 cm的钢筋埋入地内，没至地表，作为永久性标识；同时，在该位置地面插设PVC塑料管，以便下次核查时寻找。在每个子样圆中从圆心向前1 m处为左下角，在顺时针方向设置1个4 m×4 m幼树灌木样方，并在该样方右上角设立1个1 m×1 m的幼苗草本样方。

图 1　抽样设计样地布设示意图Fig.1　Layout of sampling plot图 2　群状圆形样地布设示意图Fig.2　Circular shape plots cluster

2.3监测调查因子与指标设置

2.3.1一重样地调查因子设置一重样地主要用于常规的森林结构和生长动态指标的观测。样地内的调查因子从大到小共设置为4个层次，分别为林分概况层(General situation 层，简称G层)、单木信息层(Trees层，简称T层)、灌木及幼树信息层(Bush层，简称B层)、草本信息层(Herb层，简称H层)，其中林分概况层主要用于对林分结构、景观层次、林分健康、社会功能等状况的监测与分析；单木信息层主要用于对森林蓄积量、木材质量、生物量等的计算，进而对森林经济功能、固碳功能等进行监测与分析；灌木及幼树信息层、草本信息层主要用于林下幼树自然更新能力、灌木及草本植被丰富度等方面的分析，从而对与之相关的生物多样性保护及其他功能进行监测与分析。各层中的调查内容、详细观测指标及在样地中的调查位置详见表1。

表 1　一重样地调查因子设置情况Table 1　Survey factors of the first sampling plots

2.3.2二重样地调查因子设置二重样地主要用于新增加的森林生态和环境观测指标的获取，这些样地除了在第一重抽样时要进行常规因子调查外，还需要增加空气质量、枯落物分解情况、土壤理化性质等与森林生态和环境相关的调查因子。这些因子从上到下共设置为4个层次，分别为林冠层(Crown层，简称C层)、空气层(Air层，简称A层)、枯落物层(Litter层，简称L层)、土壤层(Soil层，简称S层)，其中林冠层主要用于对与其相关的森林降水截留、能量交换等功能进行监测与分析，空气层主要用于对森林净化大气环境、提供负氧离子等改善空气环境质量的功能进行监测与分析，枯落物层主要用于对与其相关的涵养水源、储存有机碳和养分等功能进行监测与分析，土壤层主要用于对森林水土保持、土壤保育等功能进行监测与分析。各层中的调查内容、详细观测指标及在样地中的调查位置详见表2。

表 2　二重样地调查因子设置情况Table 2　Survey factors of secondary sampling plots

2.4观测指标数据采集

2.4.1一重样地观测指标数据采集林分概况(G层)：由于经营单位以往都定期进行过森林资源连续清查及森林资源规划设计调查，因此该层数据中的权属、地理坐标、区划位置(所属分场、林班、小班等)、立地类型、坡度、坡向、坡位、海拔等因子可根据经营单位以往的调查资料确定；林种、林分起源、经营活动历史等根据经营单位的森林经营档案获取；林分发展阶段、优势树种、林层结构、郁闭度、灾害情况、可及度等因子根据现场观察获取。

单木信息(T层)：单木方位角采用罗盘仪确定，从规定方向沿顺时针方向旋转罗盘所遇到树木的次序对树木进行编号和调查，同方位角上有多棵树时，则按由近到远的次序编号调查。边界木遵从首个180°边界木计数、第2个180°边界木不计数原则；距离样圆中心点的距离采用皮尺测定；树高采用布鲁莱斯测高仪测定；胸径采用围尺测定；林木类型分为目标树、干扰树、特别树和一般树4类；林木生活力分为有竞争活力、有活力、活着的、濒死的、枯死立木5个等级;干材质量分为通直完满、轻度弯曲、二分枝、多分枝、显著弯曲5种情况，均采用观察法确定。

灌木和幼树情况(B层)及草本情况(H层)：采用固定标杆或样线的方法建立样方，逐一调查记录种类、高度、盖度等因子。

2.4.2二重样地观测指标数据采集林冠状况(C层)：采用鱼眼镜头在各调查位置拍摄质量较好的林分全天空照片数张，并采用冠层分析软件HemiView分析计算得到各样地的林分叶面积指数、冠层辐射等情况。

空气状况(A层)：空气温度、湿度采用浙江托普仪器公司的手持式农业气象监测仪测定；空气正、负氧离子含量采用日本KEC-990正负离子测试仪测定；二氧化碳浓度采用美国TEL-7001型二氧化碳检测仪测定。

枯落物状况(L层)：在各调查位置分别观察并用直尺测量枯落物层的总厚度及分解状况，同时在典型地段收集单位面积的枯落物样品带回实验室，放入水中浸泡24 h后取出称取质量，求算其最大持水量。然后，在85 ℃恒温下烘干称质量，求算其生物量及自然含水量。

土壤理化性质(S层)：在样地中心点附近半径8.49 m范围内选取典型地段挖取土壤剖面，挖出表土层和心土层，然后分层用环刀、铝盒和自封袋重复3次取样带回实验室进行理化性质测定。根据相关研究，林木的根系主要分布在地表至60 cm深度的土层中[18-19]，土壤水分也多在地表至30 cm深度的土层中变化比较活跃，30 cm以下相对稳定[20]，地表至60 cm深度的土层属于林木根系活动的主要区域。而通过热林中心土壤剖面挖取情况来看，其大部分土壤表土层及心土层的厚度已超过60 cm，因此，土壤剖面挖取至心土层即可，这样既能满足监测需要，又能节省调查时间和费用。

3结果与分析

经2014年在热林中心对以上监测体系进行实践操作，其调查一个样地所需投入的总经费与我国森林资源连续清查调查一个样地的经费相差不多，但工作量大大降低，约为后者的1/3，按照国家森林资源连续清查主要技术规定中的方法进行总体估计及精度分析，2014年热林中心森林总蓄积量为 1 424 216.6 m3，蓄积量抽样精度为94.97%，表明监测体系具有很好的抽样效率。通过监测体系获得的森林面积、蓄积及主要生态环境状况指标详见表3。

表 3　热带林业实验中心森林主要监测指标数据Table 3　Main monitoring indicators of experimental center of tropical forestry

各项监测指标中，蓄积量情况可用于了解经营单位的木材生产功能；温湿度、二氧化碳浓度及负氧离子含量情况可用于了解经营单位森林空气环境状况及其改善空气环境的功能；森林乔灌木、枯落物生物量及土壤碳密度，可用于计算森林的固碳量及释氧量，了解森林的固碳释氧功能；叶面积指数、枯落物持水率、土壤非毛管孔隙度等情况，可用于了解森林的水源涵养功能；此外，森林乔、灌、草等物种数量可用于了解森林的生物多样性情况。由热林中心各项调查数据，根据温湿指数法[21]可知其森林温湿指数为28.4，属于闷热不舒适级别；根据二氧化碳浓度法[22]可知其森林空气处于健康水平；根据森林空气负氧离子评价模型[23]可知其森林总体空气负离子系数为0.60，空气负氧离子评价系数为1.09，该森林整体空气质量好、清洁度高；根据植物光合作用方程式可计算出热林中心森林植被碳储量为 598 010.9 t，枯落物碳储量为145 240.3 t，森林生长总释氧量为1 612 613.59 t，根据土壤碳密度计算出土壤碳储量为2 756 236.3 t；根据叶面积指数及气象降水数据，采用Aston降雨截留模型[24]计算出森林林冠截留量为2 125.20万t；根据枯落物持水率计算出枯落物持水量为31.02万t；根据土壤非毛管孔隙度计算出土壤可蓄水量为1 682.43万t。此外，热林中心共有森林乔木178种，灌木248种，草本62种，采用Shannon-Wiener指数法计算出森林乔、灌、草各层生物多样性指数分别为2.88，4.46和2.53。

通过上述监测体系，可对经营单位森林总体的木材生产、空气环境改善、固碳释氧、水源涵养、生物多样性保护等多种功能状况进行分析，当将监测指标按照样地类型(森林类型)进行统计时，也可对经营单位森林资源内部不同森林类型的多种功能状况进行分析与比较，而通过定期监测，则可对不同时间段经营单位森林的多种功能状况及其发展变化动态有一个全面了解。

4结论与讨论

通过二重系统抽样，采用群状圆形样地，布设一重样地和二重样地，建立了经营单位级的森林多功能监测体系，并在实际中进行了操作应用。实践表明，采用该方法建立的经营单位级森林多功能监测体系具有很好的实用性，监测效率较高，能够快捷有效地调查和获取与森林多功能经营相关的各项观测数据，从而了解多功能森林资源的结构、数量、质量及其各种功能状态和发展变化规律等信息，为全面掌握多功能森林的各项特征提供了数据支撑，并能满足森林多功能经营分析评价的需要，对于推动森林多功能综合监测理论的发展，提高森林多功能综合监测技术水平具有重要的理论和实践意义。实际调查中，采用群状圆形样地的主要不足是样地设置的复杂性和精确性要求高，复测复位的技术要求也较高。各项观测指标中，空气负氧离子含量、二氧化碳浓度会受温、湿度的影响，因此在以后的复测时，应选择在相同的季节进行，且应尽量使同一林分类型的数据形成一个时间序列，以便于取平均值进行分析。此外，为消除风速、风向可能带来的误差，在测定时应在同一观测点相互垂直的2～4个方向各取1个读数，取其平均值进行记录分析。叶面积指数测定时，照片质量主要受两个因素的影响:一是天空较强的阳光会使照片产生较多的孔隙，从而影响测量质量；二是天空的蔚蓝色背景，由于蓝绿色差较为接近，在软件处理过程中易与林冠投影面积相混淆。因此，为了保证全天空照片质量与各项参数估测的最大精度，照片尽量不要正对太阳光线拍摄，或选择阴天、晴天太阳未出之前和落山之后进行拍摄。

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DOI：网络出版时间:2016-06-0816:2110.13207/j.cnki.jnwafu.2016.07.019

[收稿日期]2014-11-27

[基金项目]科技部国际合作项目“基于遥感和地面监测的森林经理数据集成技术”(2014DFG32140)；中央级公益性科研院所基金项目“多功能森林抚育经营创新技术研究”(CAFYBB2012013)

[作者简介]邓成(1981-)，男，湖南新邵人，工程师，博士，主要从事森林资源监测与评价、森林生态系统管理等研究。 [通信作者]陆元昌(1957-)，男，云南昆明人，研究员，博士，主要从事多功能近自然森林经理的理论与技术研究。 E-mail:YLu@caf.ac.cn

[中图分类号]S727.3

[文献标志码]A

[文章编号]1671-9387(2016)07-0131-07

Multifunctional monitoring system for forest at management unit level

DENG Cheng1,2,ZHANG Shougong2,LU Yuanchang2,TANG Xuejun3

(1GuangxiForestryInventoryandPlanningInstitute,Nanning,Guangxi530028,China;2ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China;3EastChinaForestInventoryandPlanningInstituteStateForestryAdministration,Hangzhou,Zhejiang310019,China)

Abstract:【Objective】 This study aimed to establish effective means for forest management unit to timely know the growth and development state,internal structure characteristics,regeneration and succession regular of multifunctional forest and the relationship between it and the environment,which would provide data support and theoretical guidance for management of multifunctional forests.【Method】 Taking the experimental center of tropical forestry of the Chinese Academy of Forestry as an example,the multifunctional monitoring system of forest was introduced from the sampling system design to plots layout method,investigation factor set and observation data collection.【Result】 Through taking two systematic samplings and the cluster of circular shape plots,a multifunctional monitoring system for forest at management unit level was established.The system only took 1/3 workload compared to the national continuous forest inventory with equal cost.The sampling accuracy was excellent with 94.97% when applied to the forest volume in the experimental center at tropical forestry.【Conclusion】 The established monitoring system has strong practicability and high monitoring efficiency,and can guide the forest business units for multifunction management.

Key words:forest management unit;multifunctional forest;multifunctional monitoring system

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160608.1621.038.html