基于冠层覆盖度的尺度兼容性荒漠地上生物量估算：来自中国西北戈壁的证据

《Plants》：Scale-Compatible Aboveground Biomass Estimation Using Canopy Cover: Evidence from the Gobi Desert of Northwest China

　　

摘要：研究人员采用荒漠植物的多种形态因子，在中国甘肃省西北部（砾石地表面积占比超过一半）的戈壁荒漠构建了地上生物量（AGB）估算模型。在个体尺度上，纳入冠层覆盖度相关变量的估算模型能够准确估算AGB（R2 = 0.623~0.848）。在样方尺度上，覆盖度-异速生长模型能够有效估算多物种AGB（AGB = 0.302 × Ct0.900，R2 = 0.725）。在区域尺度上，纳入相对覆盖度（Cr）的模型能够有效估算地上生物量密度（AGBD），并可结合区域面积估算确定任意空间尺度下荒漠植物的AGB（AGBD = 20.114 × Cr1.043，R2 = 0.8313）。基于冠层覆盖度的AGB估算模型不仅克服了尺度限制，而且随着尺度增大，模型拟合优度呈现改善趋势。然而，当应用于遥感数据时，该模型的拟合精度相对较低（AGBD = 4.398 × Cr0.538，R2 = 0.3656）。该模型在应用于与研究区相似的戈壁荒漠生境时表现出良好的稳定性，但在其他干旱区域的适用性仍需进一步验证。

基于冠层覆盖度的戈壁荒漠地上生物量多尺度估算研究解读

一、研究背景与科学问题

生物量是生态系统单位面积内生物组分有机质总量的基本量化指标，直接反映生态系统的生产潜力，并与碳储量密切相关，是评估植物群落碳汇能力的关键参数。在全球变化、碳循环、碳汇损失及碳贸易等议题日益凸显的背景下，生物量估算始终是生态学研究的重要课题。尽管森林等生态系统的地上生物量（AGB）估算模型已较为成熟，但戈壁荒漠因干旱区生物量密度较低而受到的关注相对有限。然而，戈壁荒漠在中国总面积达66.08万平方公里，占国土面积的6.88%，是重要的陆地生态系统。戈壁荒漠植物群落对干旱、寒冷、水蚀、风蚀及土壤贫瘠等胁迫因子具有高度抗性，对戈壁生态系统的可持续发展与生态建设具有深远意义。准确估算戈壁荒漠植被AGB有助于评估陆地碳汇能力，对荒漠化监测和减缓全球气候变化具有重要意义。

目前植物生物量量化方法主要包括直接收获法、遥感技术、摄影方法和建模方法。直接收获法虽然估算精确，但会对荒漠等脆弱生态系统造成潜在损害，且耗时费力。以部分收获法为代表的非破坏性采样方法被广泛用于荒漠植物生物量估算，但遥感技术在戈壁荒漠环境中受到诸多限制：荒漠植被通常具有低矮、光谱特征不明显和细尺度空间异质性强的特点，卫星影像难以提供足够的空间分辨率来识别戈壁群落特征。无人机（UAV）技术虽能获取低矮植被的高分辨率数据，但戈壁区域的稀疏植被和砾石覆盖地表会给UAV植被识别带来系统性偏差，且飞行高度等参数也会影响估算精度。建模方法作为一种简便有效的大尺度生物量估算方法，能显著减少环境破坏，但在荒漠生态系统中的应用相对有限。现有单物种异速生长模型因物种间生活型、木质化程度和分枝构型的显著差异而通用性受限，无法直接应用于多物种群落，且缺乏同时兼顾物种特异性与群落适用性的集成建模框架。此外，这些模型在尺度外推过程中受到石质戈壁地表光谱干扰、稀疏植被混合像元效应和物种空间异质性等因素的综合影响，导致野外实测参数与遥感反演结果之间存在显著的尺度失配问题。

二、研究内容与主要结论

针对上述问题，研究人员以甘肃省西北部戈壁荒漠（94°18′–100°7′ E，39°3′–40°41′ N）为研究区，该区域以温带大陆性气候为主，年降水量从东南部的170毫米递减至西北部的40毫米，年均气温5–12°C，主要土壤类型为棕漠土和灰棕漠土，平均砾石覆盖度为52%。研究人员于2015至2017年每年7–8月植物旺盛生长期，在临泽、嘉峪关、瓜州和敦煌5个样地开展野外调查，共设置450个10 m × 10 m样方，采集2944个植物个体样本，对8种优势物种（唐古特白刺、草麻黄、红砂、骆驼刺、沙蒿、碱蓬、猪毛菜和雾冰藜）建立了AGB估算模型。

研究得出以下主要结论：在个体尺度上，与冠层面积相关的变量（C_i和C_iH）与AGB的相关性显著高于株高（H），基于冠层覆盖度的异速生长模型能够准确估算8种优势物种的个体AGB（R² = 0.623~0.848）。在样方尺度上，总覆盖度（C_t）是最适合估算植物群落AGB的参数，最优模型为AGB = 0.302 × C_t^0.900（R² = 0.725）。在区域尺度上，相对覆盖度（C_r）被确认为估算AGB_D的最优变量，最优模型为AGB_D = 20.114 × C_r^1.043（R² = 0.8313），将C_r与区域面积估算相结合，可在任意空间尺度精确量化AGB_D。基于冠层覆盖度的AGB估算模型不仅克服了尺度限制，且随尺度增大模型拟合优度呈现改善趋势。然而，当应用于遥感数据时，模型拟合精度较低（R² = 0.3656），仅适用于区域尺度群落生物量的粗略估算。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：个体尺度上，基于异速生长模型（幂函数）拟合8种优势物种的AGB，选取个体冠层面积（C_i）、株高（H）及其复合因子C_iH作为候选自变量；样方尺度上，以总覆盖度（C_t）、平均株高（H）和冠层体积（C_tH）为自变量，分别拟合线性模型和异速生长模型；区域尺度上，将10个空间连续的10 m × 10 m样方合并为0.1 hm²的大样方，利用相对覆盖度（C_r）估算AGB_D，并采用“中国区域250 m植被覆盖度数据集（2000–2024）”和“中国2020年30 m地上生物量数据集”进行遥感验证。模型评价采用决定系数（R²）、平均绝对误差（MAE）、总相对误差（TRE）、均方根误差（RMSE）和赤池信息准则（AICc）等指标；预测性能通过样方尺度的10折交叉验证和区域尺度的留一样方交叉验证（LOO）评估；模型设定正确性采用Ramsey RESET检验。

四、研究结果

个体尺度AGB估算模型： 8种物种的所有形态因子与个体AGB均呈显著相关（p < 0.01）。其中，草麻黄、红砂、猪毛菜和雾冰藜的C_i与AGB的相关系数最高；唐古特白刺、骆驼刺、沙蒿和碱蓬的C_iH与AGB的相关系数最高。所有物种中H与AGB的相关性最低，表明株高难以精确表征荒漠生态系统中的AGB。基于异速生长模型，5种物种（唐古特白刺、红砂、骆驼刺、碱蓬和猪毛菜）的最优模型采用C_iH作为自变量，3种物种（草麻黄、沙蒿和雾冰藜）的最优模型基于C_i构建。Ramsey RESET检验表明，6种物种的异速生长模型设定正确，而沙蒿和猪毛菜拒绝了原假设。通过探索不同变量组合和拟合模型，发现一元二次模型适用于估算猪毛菜的AGB（AGB = ?602.279C_i² + 487.001C_i ? 1.383），而沙蒿未能获得可行的显式模型。

样方尺度AGB估算模型： 在3个候选变量中，基于C_t的模型拟合效果优于基于H或C_tH的模型。最优样方尺度AGB估算模型为AGB = 0.302 × C_t^0.900，R² = 0.725，RMSE = 1.497，AICc = 367.408。基于C_t的模型斜率最接近1，但存在低估倾向。10折交叉验证结果显示，基于样方覆盖度的AGB预测与实测值高度一致，验证R²与拟合R²接近，表明模型具有良好的泛化能力。

区域尺度AGB估算模型： 基于C_r的模型表现出较高的R²和较小的误差。最优区域尺度模型为AGB_D = 20.114 × C_r^1.043（R² = 0.8313，RMSE = 96.825）。留一样方交叉验证结果显示验证R²接近拟合R²，模型泛化能力良好。与样方尺度相比，区域尺度最优模型具有更高的R²、更低的误差和更低的AIC值，表明在更大尺度上模型精度更高。基于遥感数据的模型拟合斜率为0.9703 ± 0.0131，接近1，确认不存在系统性的高估或低估，但R²仅为0.3656，模型解释能力有限。

五、讨论与结论

讨论部分指出，戈壁荒漠植物以灌木和草本为主，缺乏明显主干，且植物基部常被沙埋，导致胸径（DBH）和基径（BD）等常用变量难以准确测量。与冠层面积相关的变量（C_i和C_iH）在个体尺度上取得了最优拟合结果，而株高H对拟合结果的提升有限。异速生长模型在个体、样方和区域尺度上均被验证适用，且在所有研究尺度上均优于线性模型。基于冠层覆盖度的AGB估算模型不仅克服了尺度限制，且随尺度增大模型拟合优度呈改善趋势，其原因在于戈壁荒漠植被稀疏且呈高度斑块状分布，增大样方面积可降低极值影响并增强覆盖度与AGB关系的稳定性，同时合并样方可平滑随机误差。

研究区53个样方的平均AGB_D为204.430 kg/hm²，范围为1.291–904.860 kg/hm²，表明强烈的空间异质性。基于遥感数据的AGB_D平均值为41.942 Mg/hm²，显著高于野外采样结果。通过对数分解法对数量级差异进行来源分析，结果表明空间分辨率导致的混合像元效应是主要贡献因素（占35.67%），统计尺度差异和遥感数据源系统误差分别占23.96%和22.51%，建模因素和时空匹配贡献相对较小（分别占10.93%和6.93%）。

研究结论为：本研究提出了基于冠层覆盖度的戈壁荒漠植物多尺度AGB估算方法。异速生长模型在个体、样方和区域尺度上均被验证适用。在变量选择方面，与冠层覆盖度相关的变量被确认为估算优势物种个体AGB的适宜变量；样方尺度上C_t是估算植物群落AGB的最适宜参数；区域尺度上C_r被确认为估算AGB_D的最优变量。将C_r与区域面积估算相结合，可在任意空间尺度精确量化AGB_D。基于冠层覆盖度的AGB估算模型不仅克服了尺度限制，且随尺度增大模型拟合优度呈改善趋势。然而，当应用于遥感数据时模型拟合精度较低。该模型在应用于与研究区相似的戈壁荒漠生境时表现出良好的稳定性，但在其他干旱区域的适用性仍需进一步验证。