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基于MODIS时间序列数据的竹林地上生物量估算

杨绍钦 王翔 许澄 商天其

黄海燕, 唐慧敏, 金鹭, 等. 树种重要值、树种多样性和土壤理化性质对土壤氨基糖的影响[J]. 浙江农林大学学报, 2024, 41(4): 778-786. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230527
引用本文: 杨绍钦, 王翔, 许澄, 等. 基于MODIS时间序列数据的竹林地上生物量估算[J]. 浙江农林大学学报, 2022, 39(4): 734-741. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210431
HUANG Haiyan, TANG Huimin, JIN Lu, et al. Effects of tree species importance, diversity and soil physicochemical properties on soil amino sugars[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2024, 41(4): 778-786. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230527
Citation: YANG Shaoqin, WANG Xiang, XU Cheng, et al. Estimating bamboo forest aboveground biomass based on MODIS time series data[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2022, 39(4): 734-741. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210431

基于MODIS时间序列数据的竹林地上生物量估算

DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210431
基金项目: 浙江省森林生态状况年度监测项目(S2033500600018)
详细信息
    作者简介: 杨绍钦(ORCID: 0000-0002-6117-2821),高级工程师,从事林业调查规划设计工作。E-mail: 184004703@qq.com
    通信作者: 王翔(ORCID: 0000-0002-3794-3630),高级工程师,从事林业调查规划设计工作。E-mail: 9530848@qq.com
  • 中图分类号: S795.7; S771.8

Estimating bamboo forest aboveground biomass based on MODIS time series data

  • 摘要:   目的  基于浙江省中分辨率成像光谱仪(MODIS)时间序列数据,对浙江省竹林地上生物量进行估算,为竹林碳汇遥感监测提供参考。  方法  以MODIS叶面积指数(LAI)、增强型植被指数(EVI)和比值指数(RVI)时间序列数据为变量,利用随机森林模型筛选变量,采用支持向量回归(SVR)模型估算研究区竹林地上生物量。  结果  随机森林模型共筛选出43个对竹林地上生物量影响最大的变量;基于43个变量,采用radial核函数构建的SVR模型预测能力最强,模型训练精度和测试精度分别为0.76和0.72,均方根误差分别为5.15和8.03 Mg·hm−2。浙江省全省竹林地上生物量均值为7.85 Mg·hm−2,总地上生物量为3.31×107 Mg;浙江省竹林地上生物量在各市具有明显的差异性,其中,湖州市、杭州市、金华市、绍兴市和宁波市的竹林地上生物量均值均大于全省均值,湖州市竹林地上生物量均值最大,为13.56 Mg·hm−2,舟山市地上生物量均值最小,为5.72 Mg·hm−2  结论  耦合了MODIS LAI、EVI、RVI时间序列数据的SVR模型可实现浙江省竹林地上生物量较高精度的估算。图3表1参31
  • 在以往的认知中,仅用活体微生物量来评估微生物活动过程对土壤有机质的贡献,无法真正反映微生物对有机质的固持作用,导致了微生物来源碳组分对土壤有机质的贡献长期被低估。微生物死亡残体对于土壤有机质长期固存和积累有重要意义,不能仅以细菌和真菌的生物量来衡量微生物对土壤有机质累积的贡献[1]。氨基糖是土壤中微生物死亡残体的特异性生物标志物。植物不含大量的氨基糖,相对于与土壤中微生物死亡残体结合的氨基糖而言,微生物生物量中的游离氨基糖很少[2]。因此,微生物细胞壁成分水解的结合氨基糖已被广泛用作微生物残基的替代物[3]。JOERGENSEN等[4]指出:在土壤微生物中已鉴定出26种氨基糖,但大多数研究仅量化了葡萄糖、半乳糖、胞壁酸、甘露糖等4种土壤氨基糖,且葡萄糖主要存在于真菌细胞的几丁质中,胞壁酸主要存在于细菌细胞壁的肽聚糖中。

    氨基糖在调控有机碳库方面也发挥着重要作用[5]。土壤碳库常以土壤有机质为稳定的存在形式,而至少有一半的土壤有机质来源于微生物死亡残体,微生物可作为碳泵发挥续埋作用,从而促进土壤固碳过程[68]。同时,氨基糖也影响着土壤氮素留存过程[9]。土壤微生物利用进入微生物氮转化循环的氮元素合成自身细胞,而当微生物细胞凋亡后,这些氮素将以氨基糖等形式储存在土壤之中。此外,在土壤养分缺乏时,氨基糖也能作为有效氮素以供微生物细胞使用[10]。随着分析测定技术逐渐发展完善,将氨基糖作为微生物标志物来研究土壤功能逐渐成为热点,氨基糖也已被应用于评估各种生态系统中微生物对土壤有机质的贡献[1112]。但氨基糖积累与生物、非生物因素之间相互关系及耦联机制尚不清晰,仍无法通过调节某一影响因素来增加土壤氨基糖。

    本研究将树种多样性、优势树种重要值与土壤氨基糖质量分数变化联系起来,综合不同树种多样性、不同优势树种重要值及土壤理化性质下30个样地的土壤氨基糖的测量结果,试图回答以下科学问题:①树种多样性和优势树种重要值如何影响土壤氨基糖质量分数?②与土壤理化性质相比,是树种多样性还是优势树种重要值对土壤氨基糖积累的贡献更大?

    样地位于黑龙江省哈尔滨市香坊区东北林业大学实验林场(45°42′~45°44′N,127°35′~127°39′E),海拔136~140 m。地处寒温带半湿润半干旱区,年平均气温为3.6 ℃,年平均降水量为600.0 mm。原生植被为榆树Ulmus pumila疏林草原,于20世纪60年代初进行人工补苗,经自然更新和演替后,自然混交带状分布明显。当前实验林场内主要有落叶松 Larix gmelinii 、暴马丁香 Syringa reticulata、 樟子松Pinus sylvestris、黄檗Phellodendron amurense、榆树、水曲柳Fraxinus mandshurica、胡桃楸 Juglans mandshurica、蒙古栎Quercus mongolica、黑皮油松Pinus tabuliformis var. mukdensis、金银忍冬Lonicera maackii、梣叶槭Acer negundo等乔灌木20多种[13]

    在实验林场的中心区域建立1块7.2 hm2 (300 m × 240 m) 的永久地块,并于2018年8月将其划分为720个样方 (10 m ×10 m)。每个样方中的所有木本植物 (胸径≥1 cm)均按物种分类,记录名称、个体高度、净树干高度、乔木的胸径以及灌木高度、灌木胸径[14]。进一步应用聚类分析将720个样方划分为9个关键树种相关的森林类型。2018年8月在每个样方中心使用挖穴机挖出 1 m深土壤剖面的土壤,采集 0~20 cm深度土壤样品,风干后过20目土壤筛,拣去大的土壤颗粒和植物枯枝碎屑,再用粉碎机研磨过60目土壤筛,装瓶备用,并根据聚类分析结果筛选出30个样地的土样,测定土壤氨基糖及碳、氮、pH及电导率。

    土壤有机碳 (SOC)采用重铬酸钾外加热法测定,土壤全氮 (TN)采用半微量凯氏定氮法测定, 土壤酸碱度(pH)用酸度计测定(水土质量比为5∶1),土壤电导率 (EC)采用电导法测定[15]

    土壤氨基糖质量分数采用盐酸水解,经纯化后,气相色谱法测定[16]。即将0.4 g土壤样品与10 mL 6 mol·L−1盐酸于105 ℃下水解,过滤后加入100 μL肌醇 (内标),干燥后将pH调至6.6~6.8,离心取上清液,再次冻干后用无水甲醇溶解残留物,离心后转移到衍生瓶内,在45 ℃下用氮气(N2)吹干,加入1 mL超纯水和 100 μL 内标 2 (N-甲基氨基葡萄糖,MGlcN),冻干后进行衍生,利用气相色谱法测定[17]。土壤氨基糖指标包括葡萄糖 (Glu)、半乳糖 (Gal)、胞壁酸 (Mur)、总氨基糖 (TA)、葡萄糖/总氨基糖(Glu/TA)、半乳糖/总氨基糖(Gal/TA)、胞壁酸/总氨基糖 (Mur/TA)。

    依据马克平等[18]的方法计算每个样地中的Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Patrick丰富度指数、Pielou均匀度指数。依据WANG等[19]的方法计算样方中树种的重要值、相对多度、相对频度和相对显著度。

    数据统计分析采用SPSS 22.0软件,绘图采用Origin 2018 和Canoco 5.0软件。应用Pearson相关方法分析土壤氨基糖质量分数与影响因素的相关性。采用方差分解法 (variance partitioning)、冗余分析 (RDA)和蒙特卡罗检验 (Monte Carlo Hypothesis Testing)解析土壤理化性质、植物多样性指数、9个树种的重要值对土壤氨基糖积累的贡献和耦合关系。

    表1可知:30个样地的土壤电导率、pH、有机碳和全氮分别为30.69~101.43 μs·cm−1、4.87~6.71、14.42~100.31 g·kg−1和0.34~2.31g·kg−1。样地中Shannon-Wiener 指数、Simpson指数、Pielou均匀率指数和Patrick丰富度指数分别为0~2.12、0~0.86、0~0.92和1.00~10.00,均值分别为1.24、0.61、0.73和5.63。

    表 1  30个样地的土壤理化性质及树种多样性指标
    Table 1  Soil physicochemical index values and diversity index values of tree species in 30 plots
    样地号电导率/
    (μs·cm−1)
    pH有机碳/
    (g·kg−1)
    全氮/
    (g·kg−1)
    Shannon-
    Wiener
    指数
    Simpson
    指数
    Pielou
    均匀度
    指数
    Patrick
    丰富度
    指数
    样地号电导率/
    (μs·cm−1)
    pH有机碳/
    (g·kg−1)
    全氮/
    (g·kg−1)
    Shannon-
    Wiener
    指数
    Simpson
    指数
    Pielou
    均匀度
    指数
    Patrick
    丰富度
    指数
    146.926.1424.650.710.000.000.001.001739.125.5232.431.781.750.800.907.00
    246.746.1717.630.710.670.480.972.001876.156.6024.661.131.170.630.844.00
    341.655.7623.100.921.070.650.983.001964.395.8048.871.530.410.240.592.00
    444.905.9626.140.671.160.560.725.002075.886.2261.290.591.590.690.768.00
    597.675.4841.921.011.770.760.7710.002195.366.2468.421.781.310.680.815.00
    630.795.8614.420.700.240.120.352.002270.706.7128.812.111.580.750.886.00
    748.945.06100.311.791.700.790.887.0023101.436.2356.751.541.190.650.864.00
    843.315.7938.801.501.250.700.904.002449.396.2827.311.371.210.630.755.00
    936.165.0238.231.611.440.650.747.002556.655.9645.601.340.730.420.663.00
    1057.185.3837.561.161.200.620.755.002676.506.2157.601.782.000.850.919.00
    1130.695.8619.790.730.000.000.001.002768.025.5269.131.821.590.740.768.00
    1257.744.8734.290.971.300.680.815.002847.715.8931.181.671.140.460.4910.00
    1355.115.2842.611.201.470.710.757.002966.486.2340.272.311.840.820.888.00
    1469.026.3229.481.921.810.770.829.003056.495.9846.951.922.120.860.9210.00
    1555.435.6550.680.341.660.790.936.00均值59.545.8741.221.331.240.610.735.63
    1679.586.0857.781.200.970.870.546.00
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    通过计算各样方树种重要值(表2),筛选出重要值排名前9位的树种,分别是樟子松、黄檗、榆树、水曲柳、胡桃楸、蒙古栎、黑皮油松、金银忍冬、梣叶槭。经计算可知:研究区域内9种树种的重要值均值排序由大到小依次为水曲柳(0.17)、黄檗(0.14)、蒙古栎(0.10)、胡桃楸(0.10)、榆树(0.09)、金银忍冬(0.08)、黑皮油松(0.07)、樟子松(0.06 )、梣叶槭(0.04)。

    表 2  30个样地的优势树种重要值
    Table 2  Important values of tree species index in 30 plots
    样地号樟子松黑皮
    油松
    水曲柳黄檗梣叶槭金银
    忍冬
    蒙古栎榆树胡桃楸样地号樟子松黑皮
    油松
    水曲柳黄檗梣叶槭金银
    忍冬
    蒙古栎榆树胡桃楸
    10.001.000.000.000.000.000.000.000.00170.000.000.140.300.000.150.000.260.08
    20.000.280.280.000.000.000.000.000.00180.000.000.480.000.100.000.000.210.00
    30.490.000.320.190.000.000.000.000.00190.000.000.000.000.000.000.000.000.87
    40.070.400.130.000.000.000.000.000.00200.000.000.290.230.000.080.000.110.24
    50.000.000.190.110.200.060.050.090.00210.000.000.000.430.000.130.000.000.13
    60.000.000.000.220.000.000.780.000.00220.000.000.470.000.110.100.000.240.00
    70.000.000.190.130.160.130.070.000.00230.000.000.000.220.000.390.000.170.22
    80.000.000.310.000.240.100.000.000.00240.000.000.530.100.000.000.000.000.29
    90.520.000.120.090.000.070.070.120.00250.000.000.640.120.000.000.000.000.24
    100.530.000.170.000.000.080.080.140.00260.000.000.160.420.060.120.060.000.11
    110.000.000.000.000.000.001.000.000.00270.000.000.120.090.000.190.050.150.11
    120.000.000.000.110.000.000.400.300.00280.000.000.090.130.050.300.000.060.05
    130.000.000.130.170.000.000.070.320.27290.000.000.000.390.110.140.070.000.13
    140.000.000.110.110.200.080.000.140.05300.000.000.130.290.060.080.050.140.06
    150.000.400.220.000.000.000.100.120.08均值0.060.070.170.140.040.080.100.090.10
    160.290.000.000.210.000.140.090.100.00
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    表3所示:30个样地中土壤葡萄糖质量分数为 0.41~1.15 g·kg−1,半乳糖为0.13~0.49 g·kg−1, 胞壁酸为0.02~0.1 g·kg−1、总氨基糖为0.59~1.74 g·kg−1;土壤氨基糖、半乳糖、胞壁酸和总氨基糖质量分数的均值分别为0.79、0.33、0.06和1.17 g·kg−1

    表 3  30个样地的土壤氨基糖指标
    Table 3  Values of soil amino sugar indexes in 30 plots
    样地
    葡萄糖/
    (g·kg−1)
    半乳糖/
    (g·kg−1)
    胞壁酸/
    (g·kg−1)
    总氨基糖/
    (g·kg−1)
    葡萄糖/
    总氨基糖
    半乳糖/
    总氨基糖
    胞壁酸/
    总氨基糖
    样地
    葡萄糖/
    (g·kg−1)
    半乳糖/
    (g·kg−1)
    胞壁酸/
    (g·kg−1)
    总氨基糖/
    (g·kg−1)
    葡萄糖/
    总氨基糖
    半乳糖/
    总氨基糖
    胞壁酸/
    总氨基糖
    10.440.140.040.620.700.230.07170.630.230.030.890.710.260.03
    20.410.150.030.590.690.260.05180.770.340.061.160.660.290.05
    30.510.210.040.760.670.280.05190.960.440.061.460.660.300.04
    40.420.170.030.610.680.270.05201.050.410.051.510.690.270.03
    50.760.360.061.190.640.310.05211.040.420.071.530.680.280.05
    60.440.130.040.600.720.210.06221.050.490.071.610.650.300.05
    70.970.480.091.540.630.310.06230.910.320.071.300.700.240.06
    80.790.370.071.230.640.300.06240.940.430.071.440.660.300.05
    90.990.370.071.430.690.260.05250.920.390.071.390.660.280.05
    100.690.280.051.020.680.270.05261.030.400.081.510.680.260.05
    110.470.140.050.660.720.210.07271.000.390.081.470.680.270.05
    120.510.190.050.750.680.250.07280.880.370.071.330.660.280.05
    130.810.330.051.200.680.280.05291.150.490.101.740.660.280.05
    140.890.430.071.380.640.310.05301.030.460.091.570.650.290.05
    150.500.210.020.730.680.290.03均值0.790.330.061.170.680.270.05
    160.700.270.061.040.680.260.06
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    表4可知:土壤总氨基糖和氨基葡萄糖与土壤电导率、土壤总有机碳质量分数和土壤全氮质量分数呈极显著正相关(P<0.01)。土壤氨基半乳糖和胞壁酸与土壤总有机碳质量分数和土壤全氮质量分数呈极显著正相关(P<0.01),与土壤电导率呈显著正相关(P<0.05)。土壤pH与氨基糖指标均无显著相关关系。

    表 4  土壤理化性质与土壤氨基糖质量分数的相关性
    Table 4  Correlation coefficients between soil amino sugar contents and soil properties
    土壤理化性质氨基葡萄糖氨基半乳糖胞壁酸总氨基糖氨基葡萄糖/总氨基糖氨基半乳糖/总氨基糖胞壁酸/总氨基糖
    电导率 0.486**0.448*0.367*0.476**−0.2640.305−0.199
    酸碱度 0.1960.1970.0750.194−0.0530.104−0.155
    总有机碳0.566**0.534**0.528**0.563**−0.3010.318−0.145
    全氮  0.780**0.773**0.791**0.791**−0.457*0.427*−0.070
      说明:* P<0.05;** P<0.01。
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    表5可知:Shannon-Wiener指数与氨基葡萄糖、氨基半乳糖、总氨基糖和氨基半乳糖/总氨基糖极显著正相关(P<0.01),与胞壁酸和氨基葡萄糖/总氨基糖显著正相关(P<0.05),与胞壁酸/总氨基糖极显著负相关(P<0.01),与氨基葡萄糖/总氨基糖显著负相关(P<0.05)。Simpson 指数与氨基葡萄糖、氨基半乳糖、氨基半乳糖/总氨基糖和总氨基糖极显著正相关(P<0.01),与氨基葡萄糖/总氨基糖、胞壁酸/总氨基糖显著负相关(P<0.05)。Patrick丰富度指数与氨基半乳糖、总氨基糖显著正相关,与氨基葡萄糖/总氨基糖显著负相关(P<0.05),与氨基半乳糖/总氨基糖极显著正相关,与胞壁酸/总氨基糖极显著负相关(P<0.01)。Pielou指数同氨基葡萄糖、氨基半乳糖、总氨基糖和氨基半乳糖/总氨基糖极显著正相关(P<0.01),与胞壁酸显著正相关,而与氨基葡萄糖/总氨基糖呈显著负相关(P<0.05)。

    表 5  土壤氨基糖质量分数和树种多样性指标的相关性
    Table 5  Correlation coefficients between soil amino sugar contents and tree species diversity indexes
    多样性指数氨基葡萄糖氨基半乳糖胞壁酸总氨基糖氨基葡萄糖/总氨基糖氨基半乳糖/总氨基糖胞壁酸/总氨基糖
    Shannon-Wiener指数0.560**0.588**0.399*0.570**−0.452*0.573**−0.474**
    Simpson指数0.473**0.508**0.3330.485**−0.458*0.574**−0.461*
    Patrick丰富度指数0.3560.423*0.1820.374*−0.455*0.601**−0.540**
    Pielou均匀度指数0.572**0.577**0.452*0.577**−0.397*0.475**−0.341
      说明:* P<0.05;** P<0.01。
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    表6可知:所有的氨基糖指标与樟子松和榆树这2种树种的重要值均无显著相关性。氨基葡萄糖、氨基半乳糖、胞壁酸和总氨基糖与黑皮油松重要值呈极显著负相关(P<0.01)。氨基葡萄糖与黄檗、金银忍冬、胡桃楸重要值均显著正相关(P<0.05),与蒙古栎重要值呈显著负相关(P<0.05)。氨基半乳糖与梣叶槭重要值极显著正相关(P<0.01),与蒙古栎重要值极显著负相关(P<0.01)。胞壁酸与梣叶槭重要值呈显著正相关(P<0.05),与金银忍冬重要值极显著正相关(P<0.01)。总氨基糖与黄檗、梣叶槭、金银忍冬、胡桃楸重要值呈显著正相关(P<0.05),与黑皮油松和蒙古栎重要值分别呈极显著负相关(P<0.01)和显著负相关(P<0.05)。胞壁酸/总氨基糖仅与蒙古栎重要值极显著正相关(P<0.01),与其他8种树种的重要值均无显著的相关性。

    表 6  树种重要值与土壤氨基糖指标的相关性分析
    Table 6  Correlation of important value of tree species and soil amino sugar index
    氨基糖樟子松黑皮油松水曲柳黄檗梣叶槭金银忍冬蒙古栎榆树胡桃楸
    氨基葡萄糖−0.122−0.515**0.1500.442*0.2970.460*−0.417*0.0560.370*
    氨基半乳糖−0.162−0.491**0.2620.3030.471**0.349−0.489**0.0260.360
    胞壁酸−0.114−0.466**0.0120.3590.432*0.466**−0.188−0.0840.150
    总氨基糖−0.137−0.513**0.1810.400*0.365*0.432*−0.435*0.0400.362*
    葡萄糖/总氨基糖0.0920.262−0.397*0.142−0.715**−0.0250.514**0.048−0.125
    半乳糖/总氨基糖−0.079−0.2600.479**−0.0850.605**0.030−0.678**0.0460.234
    胞壁酸/总氨基糖−0.0040.081−0.351−0.1050.060−0.0210.607**−0.234−0.333
      说明:* P<0.05;** P<0.01。
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    方差分解分析表明:树种重要值、树种多样性和土壤理化性质对土壤氨基糖积累的贡献程度不同,土壤氨基糖质量分数差异大部分由树种重要值解释,解释程度达到33.4%,其次是土壤理化性质(16.2%)和树种多样性(4.0%)(图1),3组因素交互作用能解释18.7%的土壤氨基糖质量分数差异。3组变量对土壤氨基糖质量分数变化的差异总解释率达到72.1%。

    图 1  树种重要值、树种多样性及土壤理化性质对土壤氨基糖贡献的方差分解分析
    Figure 1  Variance partitioning analysis between important values of tree species, tree species diversity and soil physical and chemical properties

    冗余分析结果如图2所示。第1轴解释91.97%的变化,第2轴解释0.69%的变化。蒙特卡罗检验结果表明:土壤全氮对氨基糖质量分数变化的解释程度最大,解释率达61.7%(P<0.01),即土壤全氮是土壤氨基糖积累的最大驱动因子;其次是土壤有机碳、水曲柳重要值、胡桃楸重要值和Patrick丰富度指数,解释率分别为9.8%、6.0%、4.1%和3.9% (表7)。

    图 2  氨基糖质量分数与树种重要值、树种多样性、土壤理化性质的冗余排序
    Figure 2  RDA ordination between amino sugars parameters and species dominance, species diversity and soil properties
    表 7  影响因子的蒙特卡罗检验
    Table 7  Monte Carlo test of influencing factors
    影响因子解释率/%FP影响因子解释率/%FP
    土壤全氮 61.7 66.5 0.002 梣叶槭重要值 0.8 0.9 0.180
    土壤有机碳 9.8 10.5 0.010 电导率 0.6 0.6 0.292
    水曲柳重要值 6.0 6.4 0.010 Shannon-Wiener指数 0.3 0.3 0.458
    胡桃楸重要值 4.1 4.5 0.056 金银忍冬重要值 0.1 0.1 0.610
    Patrick丰富度指数 3.9 4.2 0.026 黄檗重要值 <0.1 <0.1 0.800
    酸碱度 1.9 2.0 0.072 榆树重要值 <0.1 <0.1 0.714
    Simpson指数 1.2 1.3 0.148 黑皮油松重要值 <0.1 <0.1 0.946
    樟子松重要值 1.3 1.4 0.116 Pielou均匀度指数 <0.1 <0.1 0.928
    蒙古栎重要值 0.9 1.0 0.196
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    土壤理化性质、树种重要值、树种多样性均会对土壤氨基糖产生不同程度的影响。GLASER等[20]研究发现:土壤氨基糖与土壤全氮、土壤有机碳显著相关;NI等[21]发现:土壤全氮能驱动氨基糖质量分数发生变化。上述结果均与本研究中土壤氨基糖与土壤全氮、有机碳质量分数显著相关的结果一致。在NI等[21]的研究中还发现了土壤pH对表层土壤氨基糖质量分数有消极影响,而在本研究中,土壤pH与氨基糖并无显著相关性,原因可能是在本研究中未设置不同的pH梯度。JIA等[17]研究表明:物种丰富度升高,增加了枯枝落叶输入,也可能增加可溶性有机质和有效氮可用性,从而刺激微生物活性并促进土壤有机碳积累的微生物途径,促使氨基糖质量分数增加。这与本研究中土壤氨基糖质量分数随树种多样性升高而升高的结果一致。

    树种多样性与土壤碳、氮固存关系及其相互作用机制是近几年来的研究热点。SHEN等[22]的研究也表明:树种多样性在一定程度上增加了土壤碳储量和养分状况。较高的植物多样性,往往有着高微生物分泌物多样性,土壤微生物可利用的底物增多,使得微生物分泌物及其残留物也增多[23],有助于土壤有机质的累积。不同树种对氨基糖的积累也有不同影响。井艳丽等[24]研究表明:固氮树种赤杨Alnus sibirica引入单一辽东落叶松Larix kaempferi林,增加了植物丰富度,同时也增加了凋落物输入和土壤可利用的速效氮,进而刺激了土壤微生物,最终使氨基糖质量分数增高。本研究结果表明:黑皮油松、蒙古栎的重要值与氨基糖质量分数均呈负相关,对氨基糖变化有反向作用;而水曲柳、梣叶槭、黄檗、金银忍冬等的重要值均与氨基糖质量分数呈正相关,对氨基糖变化有显著的正向作用。这可能与树种本身的固碳、固氮能力或自身性状有关。

    土壤氨基糖源于土壤微生物死亡残体,作为解释生物、非生物因素与土壤碳氮循环之间关系的重要指标,能有效指示土壤微生物在土壤碳氮固持中的作用。在人工育林过程中,可将梣叶槭、水曲柳、黄檗、胡桃楸等有助于土壤氨基糖积累的树种引入到单一树种人工林中,合理调配森林树种组成,提高森林树种多样性,促使土壤氨基糖质量分数增高,提高森林土壤碳氮固存能力。

    本研究人工林表层土壤(0~20 cm)中氨基糖质量分数主要受优势树种重要值的影响,其解释率高达35.4%,显著高于树种多样性(6.4%)和土壤理化性质(17.2%)的解释率。植物物种丰富度是土壤氨基糖质量分数变化的最大解释因子,土壤葡萄糖、土壤半乳糖、土壤胞壁酸和土壤总氨基糖质量分数均随着树种多样性的升高而升高。黄檗、水曲柳、榆树有助于土壤葡萄糖、土壤半乳糖和土壤总氨基糖的积累,樟子松和蒙古栎不利于土壤葡萄糖、土壤半乳糖和土壤总氨基糖的积累,金银忍冬、梣叶槭有利于土壤胞壁酸的积累,而黑皮油松不利于土壤胞壁酸的积累。可将梣叶槭、黄檗、胡桃楸等有助于土壤氨基糖积累的树种引入到单一树种人工林中,合理调配森林树种组成,提高森林树种多样性,促使土壤氨基糖质量分数增高。

  • 图  1  输入变量对竹林地上生物量影响的重要性得分

    Figure  1  Importance score of input variables on aboveground biomass of bamboo forest

    图  2  不同核函数构建的SVR模型估算竹林地上生物量的精度

    Figure  2  Estimating accuracy of 4 kernel functions in SVR model for aboveground biomass of bamboo forest

    图  3  基于SVR模型的LAI、EVI、RVI及EVI+RVI时间序列数据估算竹林地上生物量

    Figure  3  Model accuracy of LAI, EVI, RVI and EVI+RVI time series data for estimating aboveground biomass of bamboo forest using SVR model

    表  1  基于SVR模型模拟的浙江省竹林地上生物量统计值

    Table  1.   Statistical values of aboveground biomass of bamboo forest in Zhejiang Province based on SVR model

    区域地上生物量/(Mg·hm−2)总地上生物量/Mg竹林面积占比/%总地上生物量占比/%
    最小值最大值均值标准差
    全省 0.00130.397.855.043.31×107
    丽水市0.00126.296.524.146.18×10622.4618.66
    杭州市0.00128.459.865.638.42×10620.2425.42
    金华市0.00327.268.104.394.04×10611.8212.20
    温州市0.00127.546.133.833.06×10611.819.23
    衢州市0.00130.066.895.052.66×1069.158.03
    台州市0.00425.196.844.062.44×1068.457.36
    绍兴市0.00330.398.185.092.11×1066.106.36
    宁波市0.00625.638.084.812.02×1065.916.09
    湖州市0.02729.8013.566.312.13×1063.736.44
    舟山市0.05114.195.723.386.89×1040.290.21
    嘉兴市0.26011.757.142.519.64×1030.030.03
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-06-16
  • 修回日期:  2022-04-11
  • 录用日期:  2022-04-12
  • 网络出版日期:  2022-07-20
  • 刊出日期:  2022-08-20

基于MODIS时间序列数据的竹林地上生物量估算

doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210431
    基金项目:  浙江省森林生态状况年度监测项目(S2033500600018)
    作者简介:

    杨绍钦(ORCID: 0000-0002-6117-2821),高级工程师,从事林业调查规划设计工作。E-mail: 184004703@qq.com

    通信作者: 王翔(ORCID: 0000-0002-3794-3630),高级工程师,从事林业调查规划设计工作。E-mail: 9530848@qq.com
  • 中图分类号: S795.7; S771.8

摘要:   目的  基于浙江省中分辨率成像光谱仪(MODIS)时间序列数据,对浙江省竹林地上生物量进行估算,为竹林碳汇遥感监测提供参考。  方法  以MODIS叶面积指数(LAI)、增强型植被指数(EVI)和比值指数(RVI)时间序列数据为变量,利用随机森林模型筛选变量,采用支持向量回归(SVR)模型估算研究区竹林地上生物量。  结果  随机森林模型共筛选出43个对竹林地上生物量影响最大的变量;基于43个变量,采用radial核函数构建的SVR模型预测能力最强,模型训练精度和测试精度分别为0.76和0.72,均方根误差分别为5.15和8.03 Mg·hm−2。浙江省全省竹林地上生物量均值为7.85 Mg·hm−2,总地上生物量为3.31×107 Mg;浙江省竹林地上生物量在各市具有明显的差异性,其中,湖州市、杭州市、金华市、绍兴市和宁波市的竹林地上生物量均值均大于全省均值,湖州市竹林地上生物量均值最大,为13.56 Mg·hm−2,舟山市地上生物量均值最小,为5.72 Mg·hm−2  结论  耦合了MODIS LAI、EVI、RVI时间序列数据的SVR模型可实现浙江省竹林地上生物量较高精度的估算。图3表1参31

English Abstract

黄海燕, 唐慧敏, 金鹭, 等. 树种重要值、树种多样性和土壤理化性质对土壤氨基糖的影响[J]. 浙江农林大学学报, 2024, 41(4): 778-786. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230527
引用本文: 杨绍钦, 王翔, 许澄, 等. 基于MODIS时间序列数据的竹林地上生物量估算[J]. 浙江农林大学学报, 2022, 39(4): 734-741. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210431
HUANG Haiyan, TANG Huimin, JIN Lu, et al. Effects of tree species importance, diversity and soil physicochemical properties on soil amino sugars[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2024, 41(4): 778-786. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20230527
Citation: YANG Shaoqin, WANG Xiang, XU Cheng, et al. Estimating bamboo forest aboveground biomass based on MODIS time series data[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2022, 39(4): 734-741. DOI: 10.11833/j.issn.2095-0756.20210431
  • 森林地上生物量(AGB)是表征森林生产力和陆地生态碳循环的重要指标,对研究全球气候变化、人类经营活动等对森林生态系统的影响具有重要意义[1]。精确估算森林地上生物量对森林可持续发展、增加森林碳汇能力及减缓全球气候变暖具有关键作用[2]。样地调查是精确获取森林地上生物量的主要手段[3-5],但该方法耗时费力[6],难以实现大范围时空动态监测。近年来,众多研究者利用遥感变量信息(如光谱特征、植被指数、冠层结构参数、纹理等),结合样地调查构建遥感估算模型,实现了对地上生物量的时空估算。森林地上生物量遥感估算有参数和非参数模型[7-12],其中,以支持向量回归(SVR)模型为代表的非参数模型被广泛应用于森林地上生物量时空估算研究[13-15]。LI等[16]比较了不同模型(如最小二乘法模型、广义加性模型、随机森林、SVR等)在估算地上生物量上的效果后发现,SVR模型估算效果最好;FENG等[14]发现随机森林、SVR模型等非参数模型估算的地上生物量精度要高于参数模型(线性模型和乘数模型),且SVR模型估算精度最高。

    竹林具有“爆发式生长”的特点。在生长和抽枝展叶期,竹林叶面积指数(LAI)逐渐增加,地上生物量快速积累[16-17]。LAI时间序列上的变化趋势能够反映森林的季节性变化,并常作为森林生态系统碳水循环和地上生物量估算等研究的重要参数之一[18-20]。相较于归一化植被指数(NDVI),增强型植被指数(EVI)对高生物量区域的敏感性更高,受土壤背景和大气效应的影响更小[21-22]。比值指数(RVI)是绿色植被的灵敏指示参数,能够反映叶干生物量和叶绿素含量的动态变化。目前,对竹林地上生物量的遥感估算研究多是基于单一时相遥感植被指数、光谱信息、纹理等特征进行,估算精度较低[23-24],且不能表征竹林快速生长过程中地上生物量快速积累的动态变化[6]。本研究以浙江省竹林资源为研究对象,以2014年浙江省中分辨率成像光谱仪(MODIS)的LAI、EVI、RVI时间序列产品为数据源,结合2014年竹林地上生物量调查数据,构建SVR模型,估算浙江省竹林地上生物量,以期为竹林碳汇遥感监测提供参考。

    • 浙江省(27°06′~31°11′N,118°01′~123°10′E)位于中国东南沿海、长江三角洲南翼,是中国竹林面积最大的省份之一,竹资源十分丰富,竹产业发达,素有“世界竹子看中国,中国竹子看浙江”的美誉。目前,浙江省竹林面积为94万 hm2,其中毛竹Phyllostachys edulis林83万 hm2,竹林面积占全省森林面积约15%。

    • MODIS LAI (MOD15A2H)、地表反射率(MOD09A1)和MODIS NDVI (MOD13Q1)数据产品在美国国家航空航天局(NASA)官网下载。MODIS LAI和地表反射率的时间和空间分辨率分别为8 d和500 m,MODIS NDVI的时空分辨率分别为16 d和250 m。数据利用重投影软件MRT (MODIS Reprojection Tools)投影,采用最近邻域法将空间分辨率统一重采样为500 m×500 m。基于MODIS NDVI时间序列产品和地表反射率数据提取浙江省竹林丰度信息。首先,利用NDVI数据和最大似然法提取林地专题信息;其次,掩膜提取林地的地表反射率,并进行最小噪声变换;然后,利用影像端元法提取竹林、针叶林和阔叶林端元光谱曲线;最后,利用完全约束最小二乘混合像元分解法,得到浙江省竹林丰度图。竹林丰度提取方法参考LI等[25]和MAO等[26]

    • 调查和收集182个不同立竹密度、立地质量和经营条件的标准竹林样地(30 m×30 m)。调查因子包括胸径(DBH)和年龄(0~1年生的竹子是1度竹,2~3年生是2度竹,4~5年生是3度竹),记录样地中心坐标。基于样地竹林胸径和年龄,分别计算毛竹和雷竹Ph. praecox单竹的地上生物量[19]

      $$\begin{split} {M}_{\mathrm{毛}}=\;&747.787{{D}_{\mathrm{B}\mathrm{H}}}^{2.771}\left(\frac{0.148A}{0.028+A}\right)^{5.555}+3.772 \text{;} \\ {M}_{\mathrm{雷}}=\;&0.193\;9{{D}_{\mathrm{B}\mathrm{H}}}^{1.565\;4} 。 \end{split}$$

      其中:MM分别表示毛竹和雷竹单竹地上生物量;DBHA分别为胸径和竹龄。为与MODIS遥感数据匹配,本研究将样地竹林面积线性扩大为500 m×500 m [11]

    • 设置141个遥感变量,其中LAI、EVI和RVI时间序列数据各46个,各序列年均值各1个。由于MODIS产品易受大气、气溶胶、雪覆盖等因素影响,数据存在误差大、不连续等问题[20],本研究利用粒子滤波同化算法提高MODIS LAI时间序列数据的精度,主要步骤为:①利用3次样条帽盖平滑算法对MODIS LAI产品进行平滑处理[27];②将平滑的MODIS LAI输入到LAI动态模型,模拟叶面积指数;③将MODIS地表反射率的红光和近红外反射率、PROSAIL模型模拟冠层反射率、模拟LAI值输入到粒子滤波同化算法,得到叶面积指数同化结果。粒子滤波同化算法详细参考LI等[17]和MAO等[26]。增强型植被指数和比值指数利用MODIS地表反射率的第1 (red)、第2 (nir)和第3 (blue)波段分别计算。

      $$ \begin{split} {I}_{\mathrm{E}\mathrm{V}\mathrm{I}}=\;&2.5\times \frac{{\rho }_{\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{r}}-{\rho }_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{d}}}{{\rho }_{\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{r}}+6.0\times {\rho }_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{d}}-7.5\times {\rho }_{\mathrm{b}\mathrm{l}\mathrm{u}\mathrm{e}}+1} \text{;}\\ {I}_{\mathrm{R}\mathrm{V}\mathrm{I}}=\;&\frac{{\rho }_{\mathrm{n}\mathrm{i}\mathrm{r}}}{{\rho }_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{d}}} 。 \end{split}$$

      其中:IEVIIRVI分别表示增强型植被指数(EVI)和比值指数(RVI),ρnir为近红外波段反射率,ρred为红光波段反射率,ρblue为蓝光波段反射率。利用mSG平滑算法对EVI和RVI进行处理,以减少噪声影响[28]

    • 变量数量的增加可能会导致“维数灾难”,造成运算复杂,处理速度下降[19]。为充分利用模型输入变量的特征,需要选择最优变量特征构建SVR模型。随机森林算法预测能力强,鲁棒性较好,适合处理高维数据集,计算自变量对因变量的相对重要性[29]。因此,可采用随机森林算法选择SVR模型的输入变量,即通过计算均方差增量百分数来度量和评估各变量特征对竹林地上生物量的相对重要性。随机森林参数的最优ntree值为2 000,mtry采用模型默认值,即变量个数的1/3[25]

      SVR通过选择合适的核函数将样本数据从低维空间转换到高维空间,使得低维空间内的非线性问题可在高维空间中线性处理,并保证其良好的泛化能力。本研究设置radial、linear、polynomial和sigmoid等4种核函数[30],比较分析后选择最优核函数构建竹林地上生物量估算模型。采用随机不重复抽样法从182个竹林样本中抽取50%作为训练样本,剩余的50%作为验证样本。

    • 利用决定系数(R)、均方根误差(RMSE)和P (t检验)评价SVR模型模拟地上生物量的精度、误差和显著性水平,R较高且RMSE较低,说明模型估算结果较好。计算公式如下:

      $$ \begin{split} \;& R=\sqrt{1-\frac{\displaystyle \sum _{i=1}^{N}({y}_{{\rm{m}}}-{y}_{{\rm{o}}}{)}_{i}^{2}}{\displaystyle \sum _{i=1}^{N}({y}_{{\rm{o}}}-{\bar{y}_{{\rm{o}}}}{)}_{i}^{2}}} \text{;}\\ \;& R_{\rm{MSE}}=\sqrt{\frac{1}{N}\sum _{i=1}^{N}{\left|{y}_{{\rm{m}}}-{y}_{{\rm{o}}}\right|}_{i}^{2}} 。 \end{split}$$

      其中:N为样本个数,i=1, 2$, \;\cdots , $ Nym表示模型模拟值,yo表示实测值;$ {\bar{y}}_{{\rm{o}}} $N个实测值的平均值。

    • 基于随机森林算法得到EVI、RVI、LAI等141个输入变量对竹林AGB影响的重要性得分,由图1可知:不同时间的叶面积指数、增强型植被指数和比值指数对竹林地上生物量影响存在较大的差异,其中LAI时间序列变量占比最大,RVI变量占比最小。在前50个影响较大的变量中,有43个对竹林地上生物量影响的重要性得分大于0.10%,LAI年均值(LAI_Ann)重要性得分最大(2.29%),LAI时间序列变量中,LAI_153(第153天LAI值)最大,为1.44%,LAI_113最小,为0.10%。因此选取变量重要性得分大于0.10%的43个变量作为SVR模型输入变量,构建竹林地上生物量估算模型。

      图  1  输入变量对竹林地上生物量影响的重要性得分

      Figure 1.  Importance score of input variables on aboveground biomass of bamboo forest

    • 利用筛选的变量,分别以radial、linear、polynomial和sigmoid等4种核函数构建竹林地上生物量估算模型。由图2可知:基于radial函数的SVR模型的训练和测试精度(R)均最高,RMSE最低,估算地上生物量和实测地上生物量的精度(R)分别为0.76和0.72,RMSE分别为5.15和8.03 Mg·hm−2;其次是linear函数,训练和测试精度(R)分别为0.64和0.60,RMSE分别为5.95和8.38 Mg·hm−2;sigmoid函数训练和测试精度(R)最低,均<0.15,RMSE最大,均>9 Mg·hm−2。polynomial函数构建的SVR模型在估算竹林地上生物量的训练和测试精度均较高,但测试样本中估算地上生物量时出现负值,因此本研究选择基于radial核函数构建的SVR模型估算浙江省竹林地上生物量。

      图  2  不同核函数构建的SVR模型估算竹林地上生物量的精度

      Figure 2.  Estimating accuracy of 4 kernel functions in SVR model for aboveground biomass of bamboo forest

      基于radial核函数构建SVR模型,分别利用单一变量时间序列数据和植被指数组合(EVI+RVI)测试模型精度。由图3可见:利用单一变量(EVI或RVI)时间序列数据构建的SVR模型估算竹林地上生物量,精度较低(R<0.65),RMSE较大;利用单一变量LAI时间序列数据和植被指数组合(EVI+RVI)模拟的AGB的精度(R>0.65)较高,RMSE较小。结合图2A可知:基于radial核函数的SVR模型,利用LAI、EVI和RVI时间序列数据估算竹林地上生物量,训练精度和测试精度均最高,误差均最低。即利用LAI、EVI、RVI时间序列数据,基于radial核函数构建SVR模型,可有效模拟竹林地上生物量的时空分布。

      图  3  基于SVR模型的LAI、EVI、RVI及EVI+RVI时间序列数据估算竹林地上生物量

      Figure 3.  Model accuracy of LAI, EVI, RVI and EVI+RVI time series data for estimating aboveground biomass of bamboo forest using SVR model

    • 基于radial核函数构建的SVR模型,结合竹林丰度信息,估算得到浙江省竹林地上生物量统计变化值,由表1可知:浙江省全省竹林地上生物量均值为7.85 Mg·hm−2,总地上生物量为3.31×107 Mg;浙江省竹林地上生物量在各市具有明显的差异性,其中:湖州市、杭州市、金华市、绍兴市和宁波市的竹林地上生物量均值均大于全省均值;湖州市竹林地上生物量均值最大为13.56 Mg·hm−2,总地上生物量为2.13×106 Mg,占全省总地上生物量的6.44%,但其竹林面积仅占3.73%;杭州市地上生物量均值为9.86 Mg·hm−2,总地上生物量为8.48×106 Mg,占全省总地上生物量的25.42%,竹林面积占20.24%;舟山市地上生物量均值最低,为5.72 Mg·hm−2,总地上生物量为6.89×104 Mg,占全省总地上生物量的0.21%,竹林面积占0.29%。

      表 1  基于SVR模型模拟的浙江省竹林地上生物量统计值

      Table 1.  Statistical values of aboveground biomass of bamboo forest in Zhejiang Province based on SVR model

      区域地上生物量/(Mg·hm−2)总地上生物量/Mg竹林面积占比/%总地上生物量占比/%
      最小值最大值均值标准差
      全省 0.00130.397.855.043.31×107
      丽水市0.00126.296.524.146.18×10622.4618.66
      杭州市0.00128.459.865.638.42×10620.2425.42
      金华市0.00327.268.104.394.04×10611.8212.20
      温州市0.00127.546.133.833.06×10611.819.23
      衢州市0.00130.066.895.052.66×1069.158.03
      台州市0.00425.196.844.062.44×1068.457.36
      绍兴市0.00330.398.185.092.11×1066.106.36
      宁波市0.00625.638.084.812.02×1065.916.09
      湖州市0.02729.8013.566.312.13×1063.736.44
      舟山市0.05114.195.723.386.89×1040.290.21
      嘉兴市0.26011.757.142.519.64×1030.030.03
    • 本研究基于叶面积指数、增强型植被指数和比值指数等多变量,构建并优选SVR模型,实现浙江省竹林地上生物量较高精度的估算。SVR模型耦合LAI、EVI、RVI时间序列数据估算竹林地上生物量与实测值间仍存在一定的误差。当实测值较小时(<20 Mg·hm−2),估算值高于实测值,即低值高估;而实测值较高时(>30 Mg·hm−2),估算的地上生物量低于实测数据,即高值低估。可见本研究构建的SVR模型并不能完全消除地上生物量估算的饱和现象。

      本研究发现:基于单一变量的SVR模型模拟竹林地上生物量效果较差,而多变量的参与尤其是LAI的参与有效提高了模型预测精度。本研究中,植被指数(EVI+RVI)构建的SVR模型模拟竹林地上生物量的精度分别为0.68和0.71,RMSE分别为5.79和8.13 Mg·hm−2,而加入LAI后,R分别提高了11.76%和1.41%,而RMSE分别降低了11.05%和1.23%,模型预测能力明显增加。一方面,叶面积指数是反映植被固碳能力的重要参数,能够体现竹林观测结构及时间动态;另一方面,本研究采用粒子滤波同化算法对MODIS LAI时间序列数据进行同化[17, 26],使得叶面积指数年际动态变化趋势与竹林生长特征相吻合[31],减弱了信号饱和对地上生物量估算的影响。

      已有研究[7, 11]认为:调查样地与遥感影像尺度匹配的差异会加大SVR模型的估算误差。为与MODIS数据匹配,本研究将30 m×30 m竹林样地进行了线性转换,但由于没有考虑混合像元的影响,样地尺度转换出现误差,并由此加大了模型估算误差。相关研究[6, 25]表明:在大尺度森林地上生物量估算中利用森林丰度数据能够减少估算的不确定性。因此,本研究采用混合像元分解方法提取了竹林丰度信息,并乘以模型模拟的竹林地上生物量,进而得到浙江省竹林地上生物量时空分布,尽可能地降低了混合像元对生物量空间估算的影响。

    • 本研究基于MODIS LAI、EVI、RVI时间序列数据,采用支持向量回归模型结合随机森林算法,在变量筛选和模型优选的基础上,实现了浙江省竹林地上生物量较高精度的估算。结果表明:①基于随机森林模型筛选出43个对竹林地上生物量影响最大的变量,其中LAI时间序列数据的贡献最大;②基于radial核函数耦合LAI、EVI、RVI时间序列数据,构建的SVR模型训练和测试精度均最高(R分别为0.76和0.72),均方根误差均最低(分别为5.15和8.03 Mg·hm−2);③由SVR模型估算得到浙江省竹林地上生物量,全省竹林地上生物量均值为7.85 Mg·hm−2,总地上生物量为3.31×107 Mg;浙江省竹林地上生物量在各市具有明显的差异性,其中,湖州市、杭州市、金华市、绍兴市和宁波市的竹林地上生物量均值均大于全省均值,表明其竹林经营效果相对较好。研究结果为大范围竹林碳汇遥感精准监测提供了较好的方法。

参考文献 (31)

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