黃土丘陵區(qū)檸條地上生物量的回歸模型

黃土丘陵區(qū)檸條地上生物量的回歸模型

生物量是指單位面積內(nèi)的有機(jī)物質(zhì)（包括生物產(chǎn)品的質(zhì)量）總數(shù)。這是衡量生產(chǎn)力的重要指標(biāo)，也是森林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的基礎(chǔ)。灌木林是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是干旱半干旱地區(qū)的主要植被,研究灌木林生物量對(duì)于揭示這一地區(qū)的群落特征進(jìn)而為灌木林的保護(hù)、合理經(jīng)營(yíng)和利用提供有力保障。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)灌木生物量的研究較喬木生物量研究要少得多。傳統(tǒng)灌木生物量的研究方法大多采用全收割法,通過大量的樣本數(shù)據(jù)建立生物量與地徑、株高等生長(zhǎng)指標(biāo)的模擬關(guān)系,這種方法費(fèi)時(shí)耗力并有一定的破壞性,不能及時(shí)有效地進(jìn)行大面積的作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)測(cè)本文利用野外實(shí)測(cè)獲得的檸條(Caraganamicrophylla)多譜輻射數(shù)據(jù)和地上生物量數(shù)據(jù),建立了回歸模型,試圖為檸條林生物量測(cè)定提供一種便捷、準(zhǔn)確和有效的方法。1氣候地貌和植被偏關(guān)縣,位于山西省西北部,地處黃河中上游黃土丘陵溝壑區(qū),地理坐標(biāo)為39°12′56″~39°39′38″N,111°21′21″~112°00′43″E,地勢(shì)東高西低,自東向西傾斜,地形復(fù)雜,支離破碎,溝壑縱橫,起伏不平。最高處為青楊嶺山,海拔1855.2m;最低處為黃河沿岸寺溝河畔,海拔875m;平均海拔1377m。土壤類型為灰褐土土類(又稱黃綿土)。屬北溫帶大陸性氣候。冬季寒冷少雪,春季溫暖干燥,夏季炎熱而雨量集中,秋季涼爽而明快。年平均氣溫3~8℃,全年平均降水量為425.3mm,無霜期為105~145d。偏關(guān)縣范圍內(nèi)晚春至早夏常有大風(fēng),大風(fēng)從4月開始到6月漸息。植被屬溫和冬旱氣候草原植被型,野生植物品種多,有53個(gè)科、198種。喬木以楊樹(Populusspp.)為主,灌木主要有檸條、沙棘(Hippophaerhamoides)等,其中檸條分布面積最為廣泛,除土石山區(qū)外其余丘陵、荒坡遍布檸條。2學(xué)習(xí)方法2.1樣地設(shè)置與指標(biāo)測(cè)定根據(jù)《山西省偏關(guān)縣林業(yè)區(qū)劃》中立地條件類型劃分,結(jié)合檸條在該地區(qū)主要栽植的立地條件,選擇黃土丘陵陽向斜緩坡、黃土丘陵陰向斜緩坡、黃土丘陵梁峁頂和黃土丘陵陰向陡坡4種立地類型進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查采用樣地法,樣地面積10m×10m,每一樣地測(cè)定3叢標(biāo)準(zhǔn)叢生物量,用反射光譜與檸條標(biāo)準(zhǔn)叢地上部分干生物量作相關(guān)性分析。n為樣本數(shù)(包括預(yù)測(cè)樣本和測(cè)試樣本)。首先用羅盤儀和卷尺圈定樣地,然后記錄每一樣方內(nèi)的地貌部位、有無撫育措施、坡向和坡度(用羅盤儀測(cè)定)、海拔(用海拔表測(cè)定)。2.1.1林分生長(zhǎng)指標(biāo)首先將每一灌叢進(jìn)行編號(hào),然后逐叢調(diào)查。灌叢高:用鋼卷尺測(cè)定灌叢最高的3枝取平均值作為灌叢高;地徑:用游標(biāo)卡尺測(cè)定灌叢最粗的3株取平均值作為灌叢地徑;冠幅:用鋼卷尺和皮尺測(cè)定灌叢東西和南北2個(gè)方向的冠幅,取平均值作為灌叢的冠幅;冠叢分枝數(shù):全部數(shù)出單叢分枝數(shù);標(biāo)準(zhǔn)叢:通過計(jì)算生長(zhǎng)情況得出灌叢的平均生長(zhǎng)狀態(tài),以灌叢平均高為主要依據(jù),參考平均地徑、冠幅和灌叢分枝數(shù),確定標(biāo)準(zhǔn)叢。2.1.2采樣區(qū)的基本情況樣地基本情況見表1。2.2基于s17:8濾波器寬波光譜分析光譜測(cè)試采用CROPSCAN多譜輻射儀,用多譜輻射表MSR87:8波段窄波光譜分析(460~810nm)。規(guī)格80mm×80mm×100mm;8波段光分布:460、510、560、610、660、710、760、810nm3檸條人工林立地類型的選擇偏關(guān)縣分布在黃土丘陵陰向斜緩坡和黃土丘陵陽向斜緩坡的檸條人工林占全縣的70%以上。所以重點(diǎn)選擇這2種立地類型進(jìn)行研究。表2是這2種立地類型檸條林的生長(zhǎng)情況。3.1檸條地上部分干生物量的特征首先要確定選用哪一個(gè)波段的光譜值與生物量實(shí)測(cè)值建立回歸關(guān)系。用黃土丘陵陽向斜緩坡的各波段光譜數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)叢檸條地上部分干生物量作相關(guān)性分析,7個(gè)波段反射光譜與檸條地上部分干生物量的相關(guān)性比較,見圖1。由圖1可看出,510、560、610、660、710、760nm各波長(zhǎng)光譜值與檸條地上部分干生物量實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)r均較大,達(dá)到0.53~0.635。經(jīng)相關(guān)性檢驗(yàn)表明,各波段光譜值與檸條地上部分干生物量實(shí)測(cè)值相關(guān)性顯著。相對(duì)而言,波長(zhǎng)560nm處光譜值與生物量的相關(guān)系數(shù)最大,r為0.635,所以本文選擇560nm的光譜值與生物量建立回歸關(guān)系。3.2檸條生物量的光譜估算回歸模型本試驗(yàn)選擇線性方程、復(fù)合曲線、對(duì)數(shù)方程、S型曲線、指數(shù)方程、乘冪曲線及Logistic曲線分別建立檸條林560nm光譜反射值與地上部分干生物量建立回歸模型。3.2.1陰向斜緩坡下一種植物的生物量模型用黃土丘陵陰向斜緩坡檸條林560nm光譜反射值與標(biāo)準(zhǔn)叢地上部分干生物量建立回歸模型,見表3。結(jié)果表明,各回歸模型的相關(guān)系數(shù)r達(dá)到0.672~0.706,決定系數(shù)達(dá)到0.451~0.498,各回歸方程的F檢驗(yàn)均達(dá)到極顯著水平(Sig=0.000)。其中乘冪曲線W=0.965R圖2是黃土丘陵陰向斜緩坡560nm處乘冪曲線模型的散點(diǎn)圖,散點(diǎn)大多集中在曲線兩側(cè),擬合效果較好。利用該立地條件上檸條林地上10叢標(biāo)準(zhǔn)叢干生物量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表4。由表4可以看出,各模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)檸條地上部分干生物量相差不大。3.2.2黃土丘陵陽向斜緩坡檸條林的回歸模型用黃土丘陵陽向斜緩坡檸條林560nm光譜反射值與地上部分干生物量建立回歸模型,見表5。各回歸模型的相關(guān)系數(shù)r達(dá)到0.504~0.612,決定系數(shù)達(dá)到0.275~0.375,各回歸方程的F檢驗(yàn)均達(dá)到顯著水平(Sig=0.000)。其中線性方程W=1.056+0.243R的相關(guān)系數(shù)最大,達(dá)到0.612;對(duì)數(shù)方程W=0.821+0.918lnR的相關(guān)系數(shù)r為0.607,大于其他模型。選擇線性方程W=1.056+0.243R作為黃土丘陵陽向斜緩坡檸條林560nm光譜反射值與地上部分干生物量?jī)烧叩幕貧w模型。圖3是黃土丘陵陽向斜緩坡560nm處線性方程的相關(guān)關(guān)系散點(diǎn)圖,圖中的大多數(shù)散點(diǎn)都集中于線性方程兩側(cè)。利用該立地條件上檸條林地上部分干生物量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表6。由表6可以看出,各模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)檸條地上部分干生物量相差不大。3.2.3生物量回歸分析除上述2種立地類型外,本試驗(yàn)還對(duì)黃土丘陵陰向陡坡及黃土丘陵梁峁頂?shù)牟糠謽拥刈髁斯庾V測(cè)定。整合這4種檸條主要分布的立地類型的所有數(shù)據(jù),不分立地類型,對(duì)所有立地類型的107叢實(shí)測(cè)生物量與光譜值進(jìn)行回歸分析,得到黃土丘陵區(qū)檸條林560nm光譜反射值與地上部分干生物量的回歸模型(見表7)。7個(gè)模型回歸方程的相關(guān)系數(shù)r達(dá)到0.620~0.660,決定系數(shù)達(dá)到0.385~0.436,各回歸方程的F檢驗(yàn)均達(dá)到顯著水平(Sig=0.000)。其中乘冪曲線W=1.072R利用該立地條件上檸條林地上部分干生物量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見表8。由表8可以看出,各模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)檸條地上部分干生物量相差不大。3.3陰向斜緩坡最優(yōu)模型評(píng)價(jià)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型精度進(jìn)行分析,并對(duì)相對(duì)誤差和均方根差進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下:1)相對(duì)誤差評(píng)價(jià)式中:y2)均方根差(RMSE)評(píng)價(jià)由單變量和多變量回歸模型估計(jì)出的參數(shù),其精度可用均方根差(RMSE)式中:y黃土丘陵陰向斜緩坡最優(yōu)模型乘冪曲線W=0.965R4陰向斜緩坡中檸條生物量的估算1)CROPSCAN多譜輻射儀560nm光譜值與黃土丘陵區(qū)檸條林地上部分干生物量的相關(guān)系數(shù)r是7個(gè)波段中最大的,達(dá)到了0.635,所以選擇560nm光譜值與檸條地上部分干生物量建立回歸模型。2)用多譜輻射儀測(cè)得的檸條林560nm光譜反射值與檸條地上部分干生物量進(jìn)行擬合,得到結(jié)果:黃土丘陵陰向斜緩坡兩者回歸模型中乘冪曲線W=0.965R3)通過本試驗(yàn)說明,用CROPSCAN多譜輻射法來估測(cè)檸條的生物量是切實(shí)可行的,用這種方法可以快速、便捷、準(zhǔn)確地估算出一個(gè)地區(qū)的檸條生物量,這樣就大大簡(jiǎn)化了測(cè)定方法,也不會(huì)造成對(duì)林分大規(guī)模的破壞。同時(shí)此方法可以推廣應(yīng)用到其他灌木種類,只需要測(cè)定灌叢光譜值,然后刈割少量灌木,建立回歸模型,根據(jù)模型估算所測(cè)灌叢的生物量,這樣就可以大大加快估算工作,為灌木林分的經(jīng)營(yíng)提供及時(shí)可靠的數(shù)據(jù)。4