مدل‌سازی آلومتریک زی‌توده خشک‌دارهای ریز در راشستان‌های جنگل شصت کلاته گرگان

نوع مقاله : علمی- پژوهشی

نویسندگان

1 نویسنده مسئول، استادیار، بخش تحقیقات منابع طبیعی، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان مازندران، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، ساری، ایران

2 استادیار، بخش تحقیقات منابع طبیعی، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان مازندران، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، ساری، ایران

3 بخش تحقیقات منابع طبیعی، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان گلستان، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، گرگان، ایران

چکیده

سابقه و هدف: خشک‌‌دارهای ریز، یکی از مخازن اصلی کربن و منابع انرژی زیستی در جنگل‌‌های هیرکانی محسوب می‌‌شوند. ازاین‌‌رو، پایش تغییرات زی‌‌توده آن‌ها در ارزیابی‌‌ مدیریت پایدار به‌منظور کاهش انتشار کربن آلی و طراحی تجارت کربن در بازارهای داخلی و بین‌‌المللی، بسیار ضروری و کاربردی است. هدف اصلی پژوهش پیش‌رو نیز ارائه مدل‌‌های محاسباتی بهینه آلومتریک برای پایش دقیق مقدار زی‌‌توده خشک‌‌دارهای ریز در یکی از راشستان‌‌های شمال کشور است.
مواد و روش‌‌ها: این پژوهش در راشستان جنگل پژوهشی شصت‌‌کلاته در شهرستان گرگان انجام گرفت. برای نمونه‌‌برداری و توزین مستقیم انواع خشک‌‌دارهای ریز در بستر جنگل از روش طبقه‌‌ای تصادفی استفاده شد. خشک‌‌دارهای ریز به سه طبقه قطری شامل یک تا 5/2، 5/2 تا 5/4 و 5/4 تا 5/7 سانتی‌‌متر تقسیم‌‌بندی شدند. از هر طبقه قطری، طول و درجه پوسیدگی چوب‌‌های افتاده به‌‌صورت تصادفی در سطح توده‌‌های جنگلی در تیپ‌‌های راش آمیخته و راش خالص اندازه‌‌گیری شد. همچنین، چوب‌‌های مزبور به‌‌صورت تخریبی توسط ترازوهای دیجیتالی در داخل عرصه توزین شدند. قطر میانی، طول، چگالی خشک و درجه پوسیدگی خشک‌‌دارهای توزین‌شده در قالب ماتریس ورودی به‌‌عنوان متغیرهای توصیفی در مدل معرفی شدند. برای برآورد زی‌‌توده خشک‌‌دارهای ریز از تحلیل تخمین منحنی و مدل آلومتریک پایه توانی استفاده شد. پس از تبدیل لگاریتمی متغیرهای ورودی، آن‌ها در ترکیب‌‌های مختلف و مستقل به‌صورت خطی چندگانه در مدل معرفی شدند. پس از بازتبدیل نمایی و محاسبه فاکتور تصحیح، مدل‌‌ها برمبنای ضریب تبیین تعدیل‌‌یافته (Adj.R2)، فاکتور تورم واریانس (VIF) و میانگین مربعات باقی‌‌مانده‌‌ها (RMS) اعتبارسنجی شدند. آزمون t برای ارزیابی معنی‌‌داری مؤلفه‌های محاسباتی هر مدل به‌کار برده شد. برای تبیین نهایی صحت‌‌سنجی مدل‌‌های طراحی‌شده نیز از برازش منحنی لوئس (Loess curve) بین مقدار باقی‌‌مانده‌‌ها و مقدار برآوردی استفاده شد.
 نتایج: معرفی قطر میانی ( ) و طول ( ) در مدل نمایی بازتبدیل لگاریتمی، توجیه واریانس (Adj.R2) را نسبت به مدل توانی تک‌متغیره از 38 درصد به 73 درصد افزایش و میانگین مربعات باقی‌‌مانده‌‌ها را از 6/0 به 26/0 کاهش داد. معرفی چگالی خشک ( ) سبب تغییرات قابل‌ملاحظه‌‌ای در روند دقت و قطعیت مدل نشد. با افزودن درجه پوسیدگی خشک‌‌دارها به‌‌عنوان متغیر ساختگی، قطعیت و دقت برآوردی مدل، افزایش جزئی داشت (مدل منتخب اول با بیشینه توجیه واریانس و کمینه میانگین مربعات باقی‌‌مانده‌‌ها: 22/0 = RMS؛ 78/0= Adj.R2). متغیرهای مدل منتخب دوم را معرف زی‌‌توده خشک‌‌دارها ( ) به‌‌انضمام درجه پوسیدگی تشکیل دادند که سبب افزایش قطعیت و دقت مدل شدند (24/0 = RMS؛ 75/0= Adj.R2). نتایج مدل‌‌سازی نشان داد که اگر چه در بعضی از مدل‌‌های منتخب، برخی از مؤلفه‌های محاسباتی معنی‌‌دار نبود (05/0 < P)، اما بین متغیرهای مستقل، همبستگی خطی چندگانه وجود نداشت (5 < VIF). خروجی‌‌های مربوط به برازش بین باقی‌‌مانده‌‌های استانداردیافته و تخمین مدل نشان داد که منحنی لوئس در اطراف خطِ صفر، خطی بود. تغییرات باقی‌‌مانده‌‌ها نیز در راستای تغییرات تخمین در اطراف خط صفر علاوه‌بر تراکم، دارای پراکندگی واگرا و همگرا نبودند. همچنین، مقدار استانداردیافته باقی‌‌مانده‌‌های مدل‌‌های منتخب برای برآورد زی‌‌توده خشک‌‌دارهای ریز خرمندی (Diospyros lotus L.) و گونه‌‌های غیرقابل‌شناسایی، خارج از محدوده خط صفر بود و به نوعی خطای آن‌ها به یکدیگر وابسته است. برخلاف آن، تغییرات زی‌‌توده خشک‌دارهای راش (Fagus orientalis Lipsky) و ممرز (Carpinus betulus L.)، مستقل از یکدیگر بودند.
نتیجه‌‌گیری کلی: در یک نتیجه‌گیری کلی می‌توان اذعان کرد که توزیع و مقدار زی‌‌توده خشک‌‌دارهای ریز براساس قطر میانی و راستای طولی، تغییرات عدیده‌‌ای دارند. باتوجه‌به دامنه محدود پوسیدگی و محدوده دقت برآورد چگالی خشک‌‌دارهای ریز، معرفی متغیرهای مزبور سبب افزایش قابل‌توجه در دقت و قطعیت برآورد مدل‌‌های بازتبدیلی لگاریتمی نشد. براساس نتایج به‌‌دست‌آمده می‌‌توان استنباط کرد که 22 تا 25 درصد از عدم توجیه واریانس مدل‌‌های منتخب و بهینه برای تخمین زی‌‌توده خشک‌‌دارهای ریز مربوط به خطای (باقی‌‌مانده‌‌های استانداردیافته) برآورد زی‌‌توده خشک‌‌دارهای ریز خرمندی و گونه‌‌های غیرقابل‌شناسایی است. به‌طورکلی، مدل‌‌های منتخب طراحی‌شده در این پژوهش برای راشستان خالص و تیپ‌‌های آمیخته راش با فراوانی ممرز در جنگل مورد پژوهش، کاربرد وسیعی دارند.
 
واژه‌های کلیدی: انرژی زیستی، تجارت کربن، حوضچه‌‌ کربن، ریزچوب، مدل‌‌ بهینه آلومتریک.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Allometric modeling for fine woody debris biomass estimation in the Gorgan's Shastkolateh Beech Forests

نویسندگان [English]

  • A.A. Vahedi 1
  • S.E. Sadati 2
  • S. Shabani 3
1 Corresponding author, Assistant Prof., Forests and Rangelands Research Department, Mazandaran Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, AREEO, Sari, Iran
2 Assistant Prof., Forests and Rangelands Research Department, Mazandaran Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, AREEO, Sari, Iran
3 Assistant Prof., Forests and Rangelands Research Department, Gorgan Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, AREEO, Sari, Iran
چکیده [English]

Background and objective: Fine woody debris (FWD) is a significant reservoir of carbon and bioenergy in the Hyrcanian forests. Therefore, monitoring changes in FWD biomass on the forest floor is essential for sustainable management, particularly concerning carbon dioxide emissions and carbon trading in both international and domestic markets. The primary objective of this research is to develop optimal allometric equations for accurately monitoring FWD in one of the beech (Fagus orientalis Lipsky) communities within the Hyrcanian forests of Iran.
Methodology: This study was conducted in the Shastkolateh research forest in Gorgan County, Iran. A random stratified method was employed for direct sampling and weighing of FWD. The FWD was categorized into three diameter classes: 1-2.5 cm, 2.5-4.5 cm, and 4.5-7.5 cm. For each diameter class, length and degree of decay were measured randomly in pure beech and mixed beech stands. Total weight was measured destructively using digital scales. To estimate biomass values of FWD, a power function allometric model based on curve estimation analysis was utilized. The middle diameter, length, dry wood density, and degree of decay of the weighed FWD were introduced as explanatory variables in the model input matrix. These explanatory variables were combined in various ways as independent variables in a log-transformed model. Model validation was conducted using adjusted regression coefficients (Adj.R²), variance inflation factors (VIF), and residual mean square (RMS). A t-test evaluated the significance of parameters in each model, while the fitting of a Loess curve between standardized residuals and estimations was used to assess the validity of the models.
Results: Model development indicated that incorporating middle diameter (D) and length (L) of FWDs into the exponential function of the log-transformed model increased variance explanation from 38% to 73% and reduced RMS from 0.6 to 0.26. Adding wood density (ρ) did not significantly enhance model accuracy or validity. Including degree of decay as a dummy variable slightly improved model accuracy, resulting in the top-ranked model with the highest variance explanation (Adj.R² = 0.78) and lowest RMS (0.22). Furthermore, introducing the biomass surrogate (D² × L × ρ) along with degree of decay considerably increased accuracy, yielding a second-ranked model (Adj.R² = 0.75; RMS = 0.24). Although some parameters were not statistically significant (P > 0.05), no collinearity was detected among the models presented (VIF < 5). The goodness-of-fit data indicated that the Loess curve remained linear around the zero line, with changes in residuals aligning with estimation changes around this line. Findings suggested that biomass estimation for Diospyros lotus L. and unidentified species may be unreliable due to standardized residuals falling outside the zero line range, indicating interdependence in error estimation for these species. Conversely, biomass estimates for F. orientalis and Carpinus betulus L. appeared reliable, with variations not being interdependent.
Conclusion In summary, biomass distribution and changes in FWD values exhibit significant variations based on middle diameter and length. Due to limited ranges of decay and dry wood density, these additional variables did not substantially enhance accuracy in log-transformed models. Approximately 22% to 25% of variance remains unexplained when estimating FWD biomass using selected optimal models, particularly regarding errors (standardized residuals). This discrepancy is most pronounced for D. lotus and unidentified species. Overall, the models developed in this research for pure beech and mixed beech-hornbeam forests demonstrate broad applicability within the study area.
 
Keywords: Bio-energy, carbon trade, carbon sink, fine woody debris, optimum allometric model.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bio-energy
  • carbon trade
  • carbon sink
  • fine woody debris
  • optimum allometric model

مراجع

- Adinugroho, W.C., Krisnawati, H., Imanuddin, R., Siregar, C.A., Weston , C.J. and Volkova, L., 2023. Developing biomass allometric equations for small trees in mixed-species forests of tropical rainforest ecozone. Trees, Forests and People, 13: 100425.
- Alvarez, E., Duque, A., Saldarriaga, J., Cabrera, K., De Las Salas, G., Del Valle, L., … and Rodríguez, L., 2012. Tree above-ground biomass allometries for carbon stocks estimation in the natural forests of Colombia. Forest Ecology and Management, 267: 297-308.
- Bates, D.M. and Watts, D.G., 1998. Nonlinear Regression Analysis and its Applications, John Wiley & Sons, New York.
- Blanton, A., Mohan, M., Galgamuva, G.A.P., Watt, M.S., Montenegro, J.F., Mills, F., ... and Ewane, E.B., 2024. The status of forest carbon markets in Latin America. Journal of Environmental Management, 14: 119921.
- Booth, M.S., 2018. Not carbon neutral: assessing the net emissions impact of residues burned for bioenergy. Environmental Research Letters,13: 035001.
- Cowie, A.L., Berndes, G., Bentsen, N.S., Brandão, M., Cherubini, F., Egnell, G. and Ximenes, F.A., 2021. Applying a science-based systems perspective to dispel misconceptions about climate effects of forest bioenergy. GCB Bioenergy, 13: 1210-1231.
- Delcourt, C.J.F. and Veraverbeke, S., 2022. Allometric equations and wood density parameters for estimating aboveground and woody debris biomass in Cajander larch (Larix cajanderi) forests of northeast Siberia. Biogeosciences, 19(18): 4499-4520.
- Dieter, M. and Elsasser, P., 2002. Quantification and monetary valuation of carbon storage in the forests of Germany in the framework of national accounting. Working Paper, Institute for Economics, University of Hamburg, Hamburg, Germany, 64p.
- Djomo, A.N., Ibrahima, A., Saborowski, J. and Gravenhorst, G., 2010. Allometric equations for biomass estimations in Cameroon and pan moist tropical equations including biomass data from Africa. Forest Ecology and Management, 260: 1873-1885.
- Duangsathaporn, K., Sangram, N., Omule, Y., Prasomsin, P., Palakit, K. and Lumyai, P., 2023. Formulating equations for estimating forest stand carbon stock for various tree species groups in Northern Thailand. Forests, 14: 1584.
- Giuntoli, J., Barredo, J.I., Avitabile, V., Camia, A., Cazzaniga, N.E., Grassi, G., … and Mubareka, S., 2022. The quest for sustainable forest bioenergy: win-win solutions for climate and biodiversity. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 159: 112180.
- Harmon, M.E., Woodall, C.W., Fasth, B. and Sexton, J., 2007. Woody detritus density and density reduction factors for tree species in the United States: A Synthesis. General Technical Report NRS-29, Northern Research Station, USDA Forest Service, Newtown Square, Pennsylvania, 90p.
- Henry, M., Besnard, A., Asante, W.A., Eshun, J., Adu-Bredu, S., Valentini, R., … and Saint-André, L., 2010. Wood density, phytomass variations within and among trees, and allometric equations in a tropical rainforest of Africa. Forest Ecology and Management, 260: 1375-1388.
- Hoffmann, R., 2022. Contextualizing climate change impacts on human mobility in African drylands. Earth's Future, 10(6): e2021EF002591.
- IPBES, 2018. The IPBES Assessment Report on Land Degradation and Restoration. Montanarella, L., Scholes, R. and Brainich, A. (Eds.). Secretariat of the Intergovernmental Science-Policy Platform on Biodiversity and Ecosystem Services, Bonn, Germany. 744p.
- IPCC, 2019. Summary for policymakers: 3-35. In: Shukla, P.R., Skea, J., Calvo Buendia, E., Masson-Delmotte, V., Portner, H.O., Roberts, D.C., … and Malley, J. (Eds.). Climate Change and Land: An IPCC special report on climate change, desertification, land degradation, sustainable land management, food security, and greenhouse gas fluxes in terrestrial ecosystems. Intergovernmental Panel on Climate Change, Geneva, Switzerland, 864p.
- Jahdi, R. and Shahamati Nejad, A., 2024. Analysis of factors affecting forest health based on DEMATEL-ANP (DANP) approach in Masouleh watershed, Guilan province. Iranian Journal of Forest, 15(4): 461-479 (In Persian with English summary).
- Karimi, S., Varasteh Moridi, H., Rezaei, H.R. and Ghadim, M., 2019. Investigating the effect of environmental variables on distribution of three woodpecker species (Black woodpecker, Great spotted woodpecker and Green woodpecker) in Shast Kolateh Forest, Gorgan. Journal of Environmental Science and Technology, 21(1): 245-259 (In Persian with English summary).
- Khalili, A., Mataji, A., Sagheb Talebi, Kh. and Hodjati, S.M., 2022. Spatial distribution pattern of beech (Fagus orientalis Lipsky) coarse woody debris in managed and unmanaged stands of Caspian forests, Iran. Iranian Journal of Forest, 13(5): 43-55.
- Korboulewsky, N., Bilger, I. and Bessad, A., 2021. How to evaluate downed fine woody debris including logging residues? Forests, 12(7): 881.
- Kuyah, S., Muthuri, C., Wakaba, D., Cyamweshi, A.R., Kiprotich, P. and Mukuralinda, A., 2024. Allometric equations and carbon sequestration potential of mango (Mangifera indica) and avocado (Persea americana) in Kenya. Trees, Forests and People, 15: 100467.
- Moomaw, W.R., Law, B.E and Goetz, S.J., 2020. Focus on the role of forests and soils in meeting climate change mitigation goals: summary. Environmental Research Letters, 15: 045009.
- Picard, N., Rutishauser, E., Ploton, P., Ngomanda, A. and Henry, M., 2015. Should tree biomass allometry be restricted to power models? Forest Ecology and Management, 353:156-163.
- Romashkin, I., Shorohova, E., Kapitsa, E., Galibina, N. and Nikerova, K., 2021. Substrate quality regulates density loss, cellulose degradation and nitrogen dynamics in downed woody debris in a boreal forest. Forest Ecology and Management, 491: 119143.
- Shabani, S., Vahedi, A.A., Ahmadi, A. and Faramarzi, H., 2023. Modeling changes in soil carbon stock concerning the soil beneath dead tree. Iranian Journal of Forest and Poplar Research, 31(1): 41-56 (In Persian with English summary).
- Sileshi, G.W., 2014. A critical review of forest biomass estimation models, common mistakes and corrective measures. Forest Ecology and Management, 329: 237-254.
- Vahedi, A.A., 2016. Artificial neural network application in comparison with modeling allometric equations for predicting above-ground biomass in the Hyrcanian mixed-beech forests of Iran. Biomass and Bioenergy, 88: 66-76.
- Wang, W., Dwivedi, P., Abt, R. and Khanna, M., 2015. Carbon savings with transatlantic trade in pellets: accounting for market-driven effects. Environmental Research Letters, 10(11): 114019.
- Woodall, C.W., Walters, B.F., Oswalt, S.N., Domke,
G.M., Toney, C. and Gray, A.N., 2013. Biomass and carbon attributes of downed woody materials in forests of the United States. Forest Ecology and Management, 305: 48-59.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار