基于采样的草地生物量估算空间插值方法比较研究

李冬 汪传建 王伟强

摘要：随着空间插值的广泛应用，不同的插值方法因不同的研究目的、对象和地区而产生不同的效果。为了监测、合理利用天然草地资源，利用研究区2016年4—6月野外采集的262条天然草地生物量数据，采用克里金法、反距离权重法、样条函数法和趋势面法分别对研究区草地生物量进行空间插值研究，对比分析不同插值方法对天然草地生物量的评估准确性。结果表明，反距离权重法误差相对较小，效果较好，比较适用于草地生物量空间分布的插值研究。与规则样条函数法的插值结果相比，反距离权重法的平均绝对误差降低48.19%，平均相对误差降低40.763 9百分点，平方根误差降低58.41%。该结果可以为后续研究工作提供一定的参考，为相关部门对草地生物量分布信息的监测提供一定的计算方法。

关键词：草地;生物量;空间插值;反距离权重法

中图分类号： S812  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）02-0206-04

草地是生长草本和灌木植物为主并适宜发展畜牧业生产的土地。在地球上所有陆地生态系统中，分布最广的生态系统类型之一是草地生态系统，在全球陆地面积中，草地面积占20%左右，草地生态系统在全球的气候调节以及碳循环过程中发挥着极其重要的作用[1-2]。天然草地的净初级生产力约占总陆地植被生产力的20%，年均固碳量约为5×108 t[3]。草地生物量客观地反映了草地固碳能力和草地载畜量大小[4]。新疆是我国五大牧区之一，在“三山夹两盆”的周围有大量的优良牧场，有0.57亿hm2的天然草地，可利用的天然草地面积达到0.48亿hm2，占全国可利用面积的20.2%，仅次于内蒙古和西藏等地区，居全国第3位。而目前新疆各地区各个类型的草地都有着不同程度的退化，退化面积为可利用草地面积的20%～80%，严重退化的草地约有466.67万hm2，草地退化已成为新疆不容忽视的问题之一[5]。准确评估天然草地的生物量分布，既是合理开发和利用草地的基础，也对生态环境的保护具有重要意义[6]。

近些年，国内外许多研究学者在草地生物量方面开展了大量的深入研究。罗玲等利用MODIS遥感数据获得植被指数，并结合草地地面实测的生物量数据，研究了草地地上生物量的空间分布[7-9];Kawamura等通过研究利用MODIS 遥感数据获得的归一化植被指数与草地地上生物量之间的关系发现，两者之间存在显著的相关性[10];Ni利用我国草地资源数据集[11]提供的产草量数据估算了我国草地地上生物量[12];刘占宇等利用高光谱数据分别对内蒙古锡林郭勒盟和甘南草原的天然草地生物量估算模型进行研究[13-14];王新云等利用雷达数据的全极化RADARSAT-2 C波段和图像HJ1B，同时结合野外实地获得的生物量数据，估算了荒漠草原人工柠条灌木林地上生物量[4];解平静利用统计学的回归模型，结合光学遥感数据，建立了研究区的植被地上生物量遥感估算模型[15];张小琪利用环境减灾卫星，即HJ-1A/B影像数据和88个野外典型草地生物量的采样点数据，进行影像数据和采样点数据两者的相关性分析，建立了草地生物量遥感估算模型[16]。而对于如何通过实地采样数据直接分析草地生物量分布，从目前查阅到的文献资料来看，相关研究甚少。因此，有必要基于近期的实地采样数据直接对草地生物量的空间分布进行研究。

为了研究常用插值方法对草地生物量插值结果的影响，本研究利用2016年4—6月的262条天然草地实地采样数据，采用普通克里金法、泛克里金法、反距离权重法、样条函数法和趋势面法分别对采样数据进行插值分析，通过插值试验比较几种常用的空间插值方法对生物量空间分布的插值精度，以期探明研究区生物量的空间分布情况。

1 数据获取与预处理

1.1 研究区概况

本研究区在新疆生产建设兵团151团的紫泥泉牧场。该牧场属于北温带大陆性干旱气候，四季分明，日照充足，熱量丰富，昼夜温差大，年平均气温为6.9 ℃，最低气温为 -39.2 ℃，最高气温为40.3 ℃，年平均降水量为185 mm。该牧场为春秋牧场，有着发展现代畜牧业的丰富资源。该牧场地处85°46′20.793″ E，44°0′3.729″ N，植被类型以博乐绢蒿为主，草层高度在20 cm左右，植被覆盖度在35%左右。本研究区地势是南高北低，平均海拔在1 000 m左右，属于低山丘陵区，地势起伏比较大，地形复杂多样。图1为研究区坡度、坡向分布图。

1.2 数据获取

2016年4—6月期间，每月对研究区紫泥泉牧场的天然草地进行2次生物量采样。在对研究区草地采样过程中，选取能够代表一定草地植被、地形、坡度及坡向等特征的地段设置样地，在每处样地上设置1 m×1 m大小的样方，用手持全球定位系统（global positioning system，简称GPS）进行定位，记录经纬度等位置信息。将样方内植物地面以上所有部分齐地面刈割，除去黏附的土壤、砾石等杂物后，装入试验袋并编号带回实验室。将采集到的样品放到烘干箱中，在65 ℃条件下烘干至恒质量，然后用精密电子秤分别称取每个样品的干质量，去掉相应试验袋的质量，得到每个采样点的生物量数据。记录生物量数据时保留2位小数。图2为2016年4—6月采样点在研究区的分布。

2 研究方法和过程

2.1 空间插值方法

目前常用的插值方法很多，本研究主要比较普通克里金法、泛克里金法、反距离权重法、样条函数法和趋势面法对草地生物量空间分布插值的效果。克里金方法也被称为空间局部插值法，基于结构分析和变异函数理论，能在有限区域内针对区域化变量进行无偏最优估计[17]。克里金方法分为2种：普通克里金法和泛克里金法。普通克里金法是最普通和广泛使用的克里金方法，是一种默认方法，该方法假定恒定且未知的平均值。泛克里金法可以使用半变异函数或协方差和变换，并且允许测量误差。