4种针叶树混交近熟林的树高和胸径分布_陈义堂.pdf

第 50 卷 第 2 期2 0 2 3 年 6 月福建林业科技JourofFujianForestrySciandTechVol.50No.2Jun.，2 0 2 3doi:10 13428/j cnki fjlk 2023 02 0064 种针叶树混交近熟林的树高和胸径分布陈义堂(福建省洋口国有林场，福建 南平 353000)摘要:于2022 年，对福建省洋口国有林场来舟试验中心的4 种针叶树(红桧、台湾肖楠、福建柏、杉木)组成的混交近熟林样地的树高与胸径进行调查，选取 11 个具有代表性和生物学意义的曲线模型，对针叶林的胸径树高进行曲线拟合，采用 T检验评估其可靠性。结果显示，这 11 个模型的拟合均取得了一定成效，经综合判定系数(R2)和拟合精度等发现，S 函数模型拟合优度为最优，可利用胸径估算针叶林树高。各树种最优模型公式:红桧 H=exp(2.951 8.097/D)(R2=0.583)，台湾肖楠 H=exp(2.954 7.993/D)(R2=0.627)，杉木 H=exp(3.108 7.231/D)(R2=0.756)，福建柏 H=exp(3.337 13.497/D)(R2=0.632)。研究结果可为预测该区域针叶林的生长规律和林木蓄积量，以及制定红桧、台湾肖楠、福建柏和杉木种群保护措施和合理开发策略提供参考。关键词:针叶林;树高;胸径;曲线拟合中图分类号:S758.5+5;S725.2文献标识码:A文章编号:1002 7351(2023)02 0028 06Distribution of Tree Height and DBH of Four Coniferous Mixed Near-mature ForestsCHEN Yitang(Yangkou National Forest Farm of Fujian Province，Nanping 353000，Fujian，China)Abstract:In 2022，a study was conducted on the mixed near-mature coniferous forests of four coniferous tree species(Chamaecyparisformosensis，Calocedrus macrolepis，Cunninghamia lanceolata，and Fokienia hodginsii)in the Yangkou Forestry Farm in Fujian Prov-ince.The study used the plot method to investigate tree height and diameter at breast height(DBH).Eleven representative and bio-logically significant curve models were selected to fit the DBH tree height relationship in coniferous forests.The reliability of themodels was tested using the T-test.The results showed that all eleven models achieved a certain degree of fitting.The S-function mod-el was found to be the best fit，based on the determination coefficient(R2)and fitting accuracy，and could be used to estimate treeheight in coniferous forests using DBH.The optimal model formulas for each species were as follows:C.formosensis H=exp(2.951 8.097/D)(R2=0.583)，C.macrolepis H=exp(2.954 7.993/D)(R2=0.627)，F.hodginsii H=exp(3.108 7.231/D)(R2=0.756)，and C.lanceolata H=exp(3.337 13.497/D)(R2=0.632).The results of this study can provide a reference for predic-ting the growth patterns and timber accumulation of coniferous forests in the region，as well as the formulation of conservation meas-ures and rational development strategies for the populations of C.formosensis，C.macrolepis，C.lanceolata，and F.hodginsii.Keywords:coniferous forest;tree height;DBH;curve fiting通过对森林生长量进行科学的预测，掌握森林资源的动态变化，可以为森林资源的可持续利用与开发提供依据。通常的调查一般指对林木的胸径(DBH)与树高(H)等因子进行调查，胸径和树高作为林分生长的2 个主要的指标1。在林分资源调查中，胸径测量较为方便且精度高，树高数据的获取更为复杂且误差较大。因而，对更易测量且结果更为精准的胸径进行调查，以胸径数据估计树高数据的研究具有重要的意义。林分中树高与胸径之间的关系目前已有不少研究2 3，林木胸径与树高之间存在一定的函数关系。同一树种处于不同地区，或同一地区不同树种，胸径和树高的生长存在显著差异，运用同一函数模型进行拟 合，拟合效果有一定差异。前人已经利用胸径对松科、杨柳科等树种的树高进行预测的研究，并建立可收稿日期:2022 08 08;修回日期:2022 09 15基金项目:福建省林业科技项目(闽林便函 2020 9 号)作者简介:陈义堂(1968)，男，福建省洋口国有林场高级工程师，从事森林资源培育研究。E-mail:。第 2 期陈义堂:4 种针叶树混交近熟林的树高和胸径分布靠模型4 6。研究发现，林分树高与胸径之间的关系，与林分所处生境差异、林分密度与年龄结构有较为密切的相关关系，但年龄结构数据不易精确获取，研究过程中常用径阶结构来表示年龄结构进行分析7。红桧(Chamaecyparis formosensis)、台湾肖楠(Calocedru smacrolepis)作为我国台湾特有种，是重要的珍贵用材树种，通过不同树种的合理搭配，充分发挥地力和种间的互利关系，减少病虫害，是提高红桧和台湾肖楠林分生产的重要途径8 11。红桧与台湾肖楠幼树喜阴湿，能耐一定的庇荫，有不少研究发现，红桧、台湾肖楠与乡土速生品种混交，有利于林木的生长9，12 13。这 2 种台湾珍贵针叶树种多采用多树种混交的经营模式，鲜为纯林或 2 个树种间混交8，10，且目前对 2 个树种树高胸径之间的关系暂无研究。福建柏(Fokienia hodginsii)、杉木(Cunninghamia lanceolata)是福建省乡土速生品种，又是人工混交林优良树种，两者混交可有效维持地力，促进林木的良好生长14 15。由于这 4 种针叶树种的特性，特别适合混交种植，当这 4 个树种混交处于成熟林时，林分树木高大且冠层之间重合度高，因此树高的测量十分困难。本研究以福建省洋口国有林场来舟试验中心(简称洋口林场)针叶混交林为研究对象，通过实地测量获取胸径数据，利用胸径数据估算树高数据，以此模拟洋口林场混交针叶林的胸径树高关系，以期为洋口林场的乔木调查与森林资源管理提供参考。1研究地概况福建省洋口国有林场来舟试验中心位于东经 11757、北纬 2638，地处武夷山脉北端向东南延伸的支脉茫荡山中山山脉西坡余脉，富屯溪畔。地貌类型多为低山丘陵，海拔高度在 147283 m 之间，坡度25左右。气候温和湿润，年均气温 19.4，绝对最低气温 6.5;年无霜期约 300 d;年均降水量 1800mm 左右，每年 46 月为雨季，年均蒸发量约 1300 mm，年均相对湿度在 80%以上。土壤多为花岗岩、云母石英片岩、片麻岩风化母质上发育的红壤，少数黄壤;土层厚度多在 80 cm 以上，土壤较肥沃，腐殖质含量较高(2.0%3.5%)，pH 值 5 左右。2研究方法2.1数据的收集和统计选取福建省洋口国有林场来舟试验中心4 种针叶树的混交林小班为研究对象，总面积为23 hm2，在小班的上、中、下坡各选定 1 块5 m 150 m 的样地，对3 块样地中所包含的所有红桧、台湾肖楠、福建柏和杉木进行每木检尺测量，获取胸径和树高，样本数据集基本统计信息见表 1。表 1建模样本数据统计结果分析树种样本数量/株胸径/cm平均值最大值最小值树高/m平均值最大值最小值红桧21018.4228.49.712.1015.57.0台湾肖楠18018.1330.38.412.0816.07.0杉木12018.5432.25.514.6220.05.5福建柏10517.3623.011.812.8316.58.52.2试验方法林分个体在各个方向上的配置差异可以用径阶结构来反映，因此利用径阶结构代替年龄结构。本研究选择不同径阶的占比情况作为指标，根据实际调查情况，最高树高为20 m，将1 m 定为1 步长，即第1 个径级是 0 1 m，接下来为 1 2 m，以此类推16。对胸径进行分级，每个级别之间间隔 2 cm16。根据针叶混交林中树高、胸径的实际测量数值，选用 11 个具有代表性与生物学意义的曲线模型，对样地林木的胸径与树高曲线进行拟合，选最适合的模型。92福建林业科技第 50 卷2.3模型的构建利用表 2 的模型，对胸径与树高进行拟合，计算参数后选择最优拟合模型，采用 T 检验的方法检验最优拟合精度值。3结果与分析3.1针叶林中树高和胸径的分布规律由图 1 可知，红桧和台湾肖楠的树高在 5 14 m 间，杉木的树高在 5 16 m 间，树高与株数比例呈正相关，超出 14 m/16 m 后呈现负相关。福建柏的树高在 5 11 m、15 17 m 间，树高与株数比例呈正相关;11 15 m 间，树高与株数比例呈负相关。样地中林分胸径的大小与树高整体呈正相关。4 个针叶树种的树高与胸径表现为成树 成熟林之间，即使种群数量有减少的趋势，也有可能达到成树阶段的种群数量。表 211 种生长曲线模型公式模型名称模型公式线性Y=A+Bx倒数Y=A+B/x对数Y=A+Bln(x)二次多项式Y=A+Bx+Cx2三次多项式Y=A+Bx+Cx2+Dx3复合Y=ABx幂函数Y=AxSY=exp(A+B/x)增长Y=exp(A+Bx)指数Y=ABxLogisticY=(1/u+ABx)1图 1种群树高、胸径的分布规律3.2树高与胸径模型使用表2 中的11 种模型解释4 个主要树种(红桧、台湾肖楠、杉木、福建柏)的胸径和树高生长的相关性，得到回归方程 P 值、F 值、决定系数 R2和相关参数等，见表 3。检验方程是否具有显著性的标准可观察 P 值，P=0 则显著;而模型的模拟效果好坏可观察 R2，数值越接近于 1，说明拟合效果越好。由表 3 可知，所有计算结果都显示 P=0，满足显著性水平的要求，胸径与树高的相关性好17。杉木的 H 与 DBH 模型中决定系数为 0.756，相对于红桧、台湾肖楠、福建柏(0.583、0.627、0.632)的关联性略优，总体上看杉木的拟合效果较好。由 4 种针叶树的 R2发现，4 个物种最优模型均为 S 函数模型，其中红桧为 H=exp(2.951 8.097/D)，台湾肖楠为 H=exp(2.954 7.993/D)，杉木为 H=exp(3.108 7.231/D)，福建柏为H=exp(3.337 13.497/D)。表 3树高与胸径模型参数估计结果树种方程R2F 值P 值df1df2参数 A参数 B参数 C参数 D红桧线性0.494203012080.3056.493倒数0.5582630120889.85317.344对数0.536240012085.4693.644二次0.563133022071.1500.0230.724三次0.56489032061.9480.0680.0015.243复合0.503210012081.0277.237幂0.552257012080.4902.911S0.583290012082.9518.097增长0.503210012080.0271.97903第 2 期陈义堂:4 种针叶树混交近熟林的树高和胸径分布表 3(续)树种方程R2F 值P 值df1df2参数 A参数 B参数 C参数 D指数0.503210012080.0277.237Logistic0.503210012080.9730.128台湾肖楠线性0.534204011780.3066.519对数0.585251011785.5143.682倒数0.6052730117888.17817.358二次0.604135021771.0270.020.336三次0.60991031761.9300.070.0014.748复合0.533203011781.0287.246幂0.594261011780.4952.886S0.627299011782.9547.993增长0.533203011780.0271.98指数0.533203011780.0277.246Logistic0.533203011780.9730.138杉木线性0.613187011180.3817.554对数0.691264011186.5374.047倒数0.6902630111889.97320.041二次0.700136021171.0990.0191.638三次0.70593031161.8020.0610.0011.856复合0.598176011181.0308.188幂0.713293011180.5273.161S0.756365011883.1087.231增长0.598176011880.0302.103指数0.598176011880.0308.188Logistic0.598176011880.9710.122福建柏线性0.563129011000.5772.830对数0.587142011009.88515.249倒数0.615001100163.18022.483二次0.6117802992.4170.05412.600三次复合0.585141011001.0485.567幂0.614159011000.8151.251S0.632172011003.33713.497增长0.585141011000.0471.717指数0.585141011000.0475.567Logistic0.585141011000.9540.1803.3模型的曲线拟合精度检测利用模型对针叶树混交林的树高与胸径进行拟合，发现所选取的 11 个模型都有一定程度的预测效果，S 函数模型的拟合效果表现最佳。通过 T 检验了解模型的可靠性18，利用 S 函数反演针叶林中胸径、树高的预测值(表 4)，发现实测值与预测值之间差异性不显著(P 0.05)。表 4树高胸径生长模型的检验树种变量均值标准差T 值自由度P 值红桧测量值12.1052.009预测值12.0331.5320.7762090.439台湾肖楠测量值12.0752.08513福建林业科技第 50 卷表 4(续)树种变量均值标准差T 值自由度P 值预测值12.0061.6500.7011790.484杉木测量值14.6173.002预测值14.5252.5280.6141190.540福建柏测量值12.8382.079预测值12.7781.6240.4571010.6494结论与讨论根据本次调查的针叶混交林树高胸径结构分布的特点，发现树高与胸径总体上均呈现随着数值的增加，数量在一定程度上先上升，随之减少。且发现小直径木数量明显缺失，可能是由于样地幼苗的生长需较为充足的水分与光照条件，林下的环境不利于萌条的生长，所以缺失较为明显。在本次研究中，使用胸径结构来代替年龄结构，以进一步揭示树高与胸径之间的相关规律。基于样地中实测的胸径数据与树高数据，采用模型进行拟合，发现 11 个模型的拟合都能获得一定的效果，通过它们可以预测林木的生长19。有学者们通过对杉木、马尾松、落叶松(Larix gmelinii)等的胸径与树高进行研究4，发现它们之间呈正相关关系，这与本次的研究结果相一致。综合判定系数(R2)和拟合精度等结果发现，S 函数模型拟合优度最优。研究结果可为预测该区域针叶林生长规律和林木蓄积量，红桧、台湾肖楠、福建柏和杉木种群保护措施的制定和合理开发策略提供参考。通过对林分的树高与胸径之间的相关性研究表明，实际值与预估值有一定偏离，推测是由于基本生态因子的影响20 21，上、中和下坡的林木由于土壤、水分、土层、光照等条件不同，生长速度有一定的差异。同一物种生长在不同的坡度，它们的树高与胸径之间的关系拟合结果存在差异，其影响因素很多，如生境的复杂程度、资源环境的差异、植物本身的适应性等，都会造成树高与胸径的关系存在一定的差异22。本研究中由于红桧和台湾肖楠物种在大陆分布较少的这一特殊性，对本次的结果也造成一定的影响;同时针叶林生长易受光、温、水、养分与物种内部、种间竞争的影响。本研究中得到的模型拟合效果虽然较好，但由于树种的特殊性，所获取的数据有限，今后有待研究出更具有良好通用性和精度的反演模型。参考文献:1 梁瑞婷，孙玉军，李芸.深度学习和传统方法模拟杉木树高胸径模型比较 J.林业科学研究，2021，34(6):65 72.2 袁晓红，李际平.杉木人工林南北坡向树高胸径生长曲线研究 J.西北林学院学报，2012，27(2):180 183.3 肖东耀，廖超英，杨晓娟，等.太白山北坡太白红杉(Larix chinensis)胸径生长规律研究J.西北林学院学报，2012，27(4):194 198.4 李海奎，法蕾.基于分级的全国主要树种树高胸径曲线模型 J.林业科学，2011，47(10):83 90.5 胥辉，全宏波，王斌.思茅松标准树高曲线的研究 J.西南林学院学报，2000，20(2):74 77.6 姜鹏，韩璐，梁文静，等.不同生长势杉木成熟林胸径树高生长曲线研究J.西北林学院学报，2016，31(4):195 200.7 H.Temesgen，C.H.Zhang，X.H.Zhao.Modelling tree height-diameter relationships in multi-species and multi-layered forests:Alarge observational study from Northeast China J.Forest Ecology Management，2014(316):78 89.8 吴隆高，厉智敏，杨国力，游昌顺，樊子才.红桧等台湾珍贵树种造林引种试验报告J.浙江林业科技，1999，19(5):6 19.9 郑维鹏.引种台湾用材树种红桧、光蜡树苗木繁育试验研究 J.福建林业科技，2005(1):6 16.10 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