基于可拓评判法的红皮云杉含碳率质量评价方法

技术领域

本发明涉及一种可拓评判法，特别涉及基于可拓评判法的红皮云杉含碳率质量评价方 法领域。

背景技术

森林抚育间伐可以起到调控林分密度、和优化林内环境的作用。近年来以不同指导意 义为研究目的，众多学者和科研机构对森林抚育间伐开展了研究，他们分别探究了抚育间 伐强度对天然落叶松次生林水文生态功能的影响，对经过不同抚育间伐强度改造3a后的杉 木中龄林的生长、结构变化进行了研究，结果表明得出适度的抚育间伐作业对落叶松次生 林的水文生态功能具有良好的促进作用的结论，能够有效的促进林分胸径的生长、提高大 径材的产量，且森林抚育间伐对土壤活性有机碳的影响最为显著。

立木含碳率是估算森林碳储量的关键参数，对它的准确测定是度量区域和全国森林生 态系统碳贮量的重要基础。

红皮云杉是小兴安岭地区天然针阔混交林的优势树种，是中国东北谷地云杉林的重要 组成，同时在世界云杉林中也占据重要的地位，红皮云杉含碳率对抚育间伐强度起到决定 性的影响，现有技术实现红皮云杉含碳量质量的评价方式和方法结果准确度较差，而对红 皮云杉含碳率进行实测可精确掌握特定地域环境下的云杉固碳情况，能够为森林生态系统 碳汇功能的研究打下基础，同时对于提高小兴安岭区域森林生态系统碳储量的估算精度具 有参考意义。

发明内容

本发明研发目的是为了解决上述技术问题，在下文中给出了关于本发明的简要概述， 以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷 举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。

本发明的技术方案：

基于可拓评判法的红皮云杉含碳率质量评价方法，包括以下步骤：

S1.根据可拓评判法构建红皮云杉含碳率质量可拓评价模型；

S2.根据红皮云杉各器官含碳率实测值、参考不同地域云杉属器官含碳率实测值，建立 小兴安岭红皮云杉含碳率质量评价标准；

S3.通过粗糙集和知识粒度的权重确定方法确定红皮云杉各器官的客观权重，再参考云 杉属各器官生物量比例确定主观权重，以综合确定红皮云杉各器官的综合权重；

S4.应用构建的可拓评价模型计算各样地的红皮云杉关于评价标准的关联度，以确定各 样地红皮云杉的含碳率质量等级；

S5.确定最适合小兴安岭红皮云杉含碳率质量提高的抚育间伐强度。

优选的，步骤S1中根据可拓评判法构建红皮云杉含碳率质量可拓评价模型的具体方法 是：红皮云杉含碳率质量可拓评价模型中，待评价样地用Y

含碳率质量经典域：

式中：R

含碳质量节域：

式中：R

优选的，步骤S2中建立小兴安岭红皮云杉含碳率质量评价标准的方法是：

在试验区内设置6块100m×100m的样地，抚育间伐强度分别为A样地：10％、B样地：15％、C样地：20％、D样地：25％、E样地：30％、F样地：35％，包括对照样地CK在内 共7块样地；于后进行外业调查，每块样地选取三棵长势良好的红皮云杉标准木，每棵标 准木取红皮云杉各器官，红皮云杉各器官为树干、树枝、树叶、树皮和树根，样品鲜样200g； 取样方法为树干：采用生长锥在立木1.3m高处钻取树芯，取得树干鲜样；树枝：用活枝剪 在树冠上中下三层分别取得标准枝一根，每个标准枝取一部分粗枝、细枝，混合作为树枝 鲜样；树叶：在取得的标准枝上各取一部分粗枝、细枝部分的树叶，混合作为树叶鲜样； 树皮：在树干0.5m、1.3m、2m处用砍刀分别剥取一块长方形的树皮，作为树皮鲜样；树根： 用砍刀剥取部分裸露于地表的粗根，用工兵铲铲开地表浅层，取部分中根，用水洗净泥土， 混合作为树根鲜样；测定样品的鲜重后，将样品密封带回实验室，在85℃的烘箱里烘干至 质量恒定，然后将烘干的样品先用剪刀剪成小块，再用粉碎机粉碎，然后将粉碎后的样品 过100目筛，筛取粉末样品6g左右，放入塑封袋密封保存；用重铬酸钾浓硫酸外加热氧化 法测定粉末样品的有机碳含碳率，每个样品平行测定三次，取其均值作为样品有机碳含碳 率，三棵标准木相同器官样品含碳率均值作为红皮云杉器官有机碳含碳率；测定前再次将 粉末样品在85℃下烘干24h，使得粉末样品处于绝干状态。

优选的，步骤S3中的通过粗糙集和知识粒度的权重确定方法确定红皮云杉各器官的客 观权重的具体方法是：

基于粗糙集和知识粒度的权重确定：

定义1：在知识系统T＝(U，C，D，V，f)中，X＝U/D＝{X

KCDis(C)＝ρ

式中：KCDis(C)是知识特征分辨度；KCDis(C)是c的分辨度；

ρ

Dis(C)：当C为知识库K＝(U，C)中的等价关系，U/C＝{Q

定义2：在知识系统T＝(U，C，D，V，f)中，X＝U/D＝{X

KCDis(c)＝KCDis(C)-KCDis(C-{c})

定义3：在决策表中T＝(U，C，D，V，f)中，X＝U/D＝{X

综合权重的确定：

定义4：由客观权重W

W

式中：α为经验因子；W

取经验因子为α＝0.4，则由式(8)可得红皮云杉各器官含碳率综合权重W

优选的，步骤S4中应用构建的可拓评价模型计算各样地的红皮云杉关于评价标准的关 联度的具体方法是：

选取可拓学中的基本关联函数计算关联度：

式中：ρ(x，X)表示点x与区间X的距；k(x)为可拓学中的基本关联函数；

根据上式得知：第i样地的第j个评价指标q

式中：K

|X

则Y

式中：K

由式上式得，关联度矩阵为：

若MAX(k

本发明具有以下有益效果：本发明提出的基于可拓评判法的红皮云杉含碳率质量评价 方法，探讨不同的抚育间伐强度对红皮云杉含碳率的影响、研究红皮云杉含碳率质量对抚 育间伐强度的响应规律、确定最有利于红皮云杉碳汇功能发挥的营林措施；为小兴安岭天 然针阔混交林的抚育提供参考、为其碳储量的研究打下基础；为以固碳增汇为目的的森林 抚育间伐提供评价方法方面的参考。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过具体实施例来描述本发 明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下 说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

具体实施方式一：基于可拓评判法的红皮云杉含碳率质量评价方法，包括以下步骤： S1.根据可拓评判法构建红皮云杉含碳率质量可拓评价模型；

根据可拓评判法构建红皮云杉含碳率质量可拓评价模型的具体方法是：

根据可拓评判法构建红皮云杉含碳率质量可拓评价模型中，待评价样地用Y

含碳率质量经典域：

式中：R

含碳质量节域：

式中：R

S2.根据红皮云杉各器官含碳率实测值、参考不同地域云杉属器官含碳率实测值，建立 小兴安岭红皮云杉含碳率质量评价标准；

建立小兴安岭红皮云杉含碳率质量评价标准的方法是：

在试验区内设置6块100m×100m的样地，抚育间伐强度分别为A样地：10％、B样地：15％、C样地：20％、D样地：25％、E样地：30％、F样地：35％，包括对照样地CK在内 共7块样地；于后进行外业调查，每块样地选取三棵长势良好的红皮云杉标准木，每棵标 准木取红皮云杉各器官，红皮云杉各器官为树干、树枝、树叶、树皮和树根，样品鲜样200g； 取样方法为树干：采用生长锥在立木1.3m高处钻取树芯，取得树干鲜样；树枝：用活枝剪 在树冠上中下三层分别取得标准枝一根，每个标准枝取一部分粗枝、细枝，混合作为树枝 鲜样；树叶：在取得的标准枝上各取一部分粗枝、细枝部分的树叶，混合作为树叶鲜样； 树皮：在树干0.5m、1.3m、2m处用砍刀分别剥取一块长方形的树皮，作为树皮鲜样；树根： 用砍刀剥取部分裸露于地表的粗根，用工兵铲铲开地表浅层，取部分中根，用水洗净泥土， 混合作为树根鲜样；测定样品的鲜重后，将样品密封带回实验室，在85℃的烘箱里烘干至 质量恒定，然后将烘干的样品先用剪刀剪成小块，再用粉碎机粉碎，然后将粉碎后的样品 过100目筛，筛取粉末样品6g左右，放入塑封袋密封保存；用重铬酸钾浓硫酸外加热氧化 法测定粉末样品的有机碳含碳率，每个样品平行测定三次，取其均值作为样品有机碳含碳 率，三棵标准木相同器官样品含碳率均值作为红皮云杉器官有机碳含碳率；测定前再次将 粉末样品在85℃下烘干24h，使得粉末样品处于绝干状态。

依据对红皮云杉各器官的实测含碳率数据，参考《全国林业碳汇计量监测技术指南》 给出的云杉生物量含碳率应用于大尺度固碳估值的选取值0.4994、参考各个区域的云杉属 含碳率实测值，新疆西伯利亚云杉的各器官含碳率，实测值在0.3917～0.5090之间，青海 省云杉属的各器官含碳率实测平均值在0.4500～0.4800之间，根据正态分布理论中的3σ原 理，将红皮云杉的树干、树枝、树叶、树皮、树根含碳率分为五级，以此作为红皮云杉含 碳率可拓评价标准，红皮云杉器官碳率可拓评价标准见表1：

表1

S3.通过粗糙集和知识粒度的权重确定方法确定红皮云杉各器官的客观权重，参考云杉 属各器官生物量比例确定主观权重，以综合确定红皮云杉各器官的综合权重；

S3.1.基于粗糙集和知识粒度的权重确定：

定义1：在知识系统T＝(U，C，D，V，f)中，X＝U/D＝{X

KCDis(C)＝ρ

式中：KCDis(C)是知识特征分辨度；KCDis(C)是c的分辨度；

ρ

Dis(C)：当c为知识库K＝(U，C)中的等价关系，U/C＝{Q

定义2：在知识系统T＝(U，C，D，V，f)中，X＝U/D＝{X

KCDis(c)＝KCDis(C)-KCDis(C-{c}) (6)

定义3：在决策表中T＝(U，C，D，V，f)中，X＝U/D＝{X

S3.2.计算客观权重：

依据特征的等价分类：

U/D＝{{u

U/C＝{{u

由式(1)得：

同理可得：KCDis(C-{c

由式(6)得：KCDis(c

同理可得：KCDis(c

由式(7)得：

同理可得：W(c

综上确定红皮云杉各器官含碳率客观权重见表2：

表2红皮云杉含碳率客观权重表

S3.3.综合权重的确定：

定义4：由客观权重W

W

式中：α为经验因子；W

取经验因子为α＝0.4，则由式(8)可得红皮云杉各器官含碳率综合权重W

S3.4.主观权重的确定：

对样地内红皮云杉进行每木检尺后，分不同径级选择样木，将其伐倒。树冠层分上层、 中层、下层进行称量后树叶取混合样，树枝分上层枝、中层枝、下层枝分别取样各100g。干材区分成两米段，用磅秤测量每段的鲜重，然后在两端取圆盘，按照从上到下的顺序记录圆盘鲜重。在取完圆盘的区分段两端各剥10cm宽的树皮，测定其鲜重，梢头的树皮全部剥下称重。树干分上层干、中层干、下层干，树皮分上层皮、中层皮、下层皮分别取样100g。树根分地下部分采用“分层挖掘法”分根茎、粗根(＞0.5cm)、细根(＜0.5cm)分 别测定鲜重后各取样约100g。将所有外业称重后的样品带回室内先在85℃恒温下烘2 小时或24小时进行第一次称重(直径10cm以下样品和树皮、树叶样品烘12小时，直 径10cm以上样品烘24小时)，记录结果后在85℃恒温下继续烘烤，每隔2小时称重1 次，至恒重后根据每个样品的干鲜重计算干物质率及含水率。

生物量计算公式：

式中W

综上可知云杉各器官含碳率综合权重见表3：

表3云杉各器官含碳率综合权重表

S3.4.权重合理性校验：

其中H的指标权重熵值，W

S4.应用构建的可拓评价模型计算各样地的红皮云杉关于评价标准的关联度，以确定各 样地红皮云杉的含碳率质量等级；

S4.1.确定关联函数：

选取可拓学中的基本关联函数计算关联度：

式中：D(x，X

根据式(12)知：第i样地的第j个评价指标q

式中：K

|X

(16)

则Y

式中：K

由式(17)得，关联度矩阵为：

若MAX(k

S4.2.计算关联度

以CK样地为例：

由式(14)得：

同理得，ρ(q

同理得，ρ(q

同理可得：K

CK样地评价指标关于含碳率质量分类各级标准的关联度见表4：

表4 CK样地指标关联度

由式(18)得：

则Max(K

同理可得各样地红皮云杉含碳率质量评价结果，见表5：

表5红皮云杉含碳率质量评价结果

S5.确定最适合小兴安岭红皮云杉含碳率质量提高的抚育间伐强度。

基于可拓评判法，选取具有代表性的红皮云杉树干、树枝、树叶、树皮、树根含碳率， 作为评价指标，探讨不同的抚育间伐强度对小兴安岭天然针阔混交林中红皮云杉含碳率质 量的影响，评价结果为：对照样地CK(抚育间伐强度为0％)的红皮云杉含碳率质量等级为Ⅲ 级，A、B、C、D、E、F样地的质量等级分别为Ⅳ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ级。表明：在较低 的抚育间伐强度下(10～20％)，15％的抚育间伐强度对红皮云杉含碳率质量的影响不明显，10％、20％的抚育间伐强度会降低云杉的含碳率质量。在中高抚育间伐强度下(20～35％)，红皮云杉活立木含碳率质量随着间伐强度的提高呈现出明显的规律：先提升、后下降；25％、 35％的抚育间伐强度下，样地内红皮云杉的含碳率质量与对照样地相当，在此改造强度下， 红皮云杉的器官含碳率提高的不明显；当抚育间伐强度为30％时，红皮云杉含碳率质量等 级最高，为Ⅱ级，说明30％的抚育间伐强度最有利于红皮云杉树干等器官含碳率的提高， 在此抚育间伐强度下生长的红皮云杉，对林分环境的适应性最佳，对二氧化碳的吸收与固 定率比在其它抚育间伐强度下生长要高。总体而言，使得小兴安岭红皮云杉固碳效果最佳、 碳汇功能的发挥最为彻底、对区域森林生态系统的碳吸收与固定所作的贡献最大的经营条 件是：抚育间伐强度30％。

需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领 域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的 技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。

本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还 可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。