鄂西山区日本落叶松树高曲线的研究.pdf

第 卷第期 年月湖 北 林 业 科 技H u b e iF o r e s t ryS c i e n c ea n dT e c h n o l og yV o l ,N o A ug,收稿日期:基金项目:国家自然基金项目“耦合遗传效应和环境变量的落叶松林分生长模型研究”().作者简介:单华平(),男,工程师,主要从事森林培育、生态保护工作.陈东升为通讯作者.鄂西山区日本落叶松树高曲线的研究单华平()冯骏()翟丕斌()侯义梅()陈东升()朱红军()(建始县森林病虫害防治检疫站恩施 ;建始县国有长岭岗林场恩施 ;建始县林业科学研究所恩施 ;中国林业科学研究院林业研究所北京 ;保康县马桥镇林业工作站襄阳 )摘要:树高曲线是林分生长与收获模型的重要组成部分,是森林经营管理中需要参考的重要统计模型.本研究以湖北省恩施土家族苗族自治州(以下简称恩施州)建始县国有长岭岗林场的日本落叶松人工林为研究对象,以个应用广泛的树高曲线方程作为备选模型,以不同林龄、不同立地条件、不同密度的固定样地每木检尺数据为基础,基于拟合优度指标选取最优基础模型,构建鄂西山区日本落叶松人工林的单木树高曲线模型.结果表明,个基础模型的拟合优度均在 以上,其中M、M 模型拟合效果最优且较为接近(R ),但M 模型对大径级树高预测偏差明显,故选取M 模型为鄂西山区日本落叶松人工林单木树高曲线模型,为其生长量调查及经营管理提供参考.关键词:鄂西山区;日本落叶松;树高曲线中图分类号:S 文献标识码:A文章编号:()S t u dyo nH e igh tC u r v eo fL a r i xk a e m p f e r ii nW e s t e r nH u b e iM o u n t a i n o u sA r e aS h a nH u api ng()F e ngJ u n()Z h a iP i b i n()H o uY i m e i()C h e nD o ngs h e ng()Z h uH o ng ju n()(J i a n s h iF o r e s tP e s tC o n t r o l a n dQ u a r a n t i n eS t a t i o n E n s h i ;J i a n s h iN a t i o n a lC h a ngl i ng ga ngF o r e s tF a r mE n s h i ;J i a n s h iF o r e s t ryR e s e a r c hI n s t i t u t e E n s h i ;F o r e s t ryR e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h i n e s eA c a d e myo fF o r e s t ryB e iji ng ;M aqi a oF o r e s t ryWo r k s t a t i o no fB a o k a ngC o u n tyX i a ng ya ng )A b s t r a c t:T r e eh e igh t c u r v e i s a n i mpo r t a n tpa r t o f s t a n dgr o w t ha n dh a r v e s tm o d e l a n da n i mpo r t a n t s t a t i s t i c a lm o d e l t ob er e f e r r e dt of o r e s tm a n age m e n t I nt h i s s t u dy,t h eL a r i xk a e mp fe r ipl a n t a t i o ni nC h a ngl i ng ga ngF o r e s tF a r mo fJ i a n s h iC o u n tyo fH u b e iP r o v i n c ew e r et a k e na s t h er e s e a r c ho bje c t s E igh tw i d e lyu s e dt r e eh e igh tc u r v eequ a t i o n sw e r eu s e da sa l t e r n a t i v em o d e l s,b a s e do nt h em e a s u r e m e n td a t ao fe a c ht r e ei nf i x e dpl o t sw i t hd i f f e r e n t s t a n dage s,s i t ec o n d i t i o n sa n dd e n s i t i e s B a s e do nt h ego o d n e s so f f i t i n d e x,t h eopt i m u mb a s i cm o d e l sw e r es e l e c t e dt oc o n s t r u c t t h e i n d i v i d u a l t r e eh e igh t c u r v em o d e l o fLK a e mp fe r ipl a n t a t i o n i nw e s t e r nH u b e im o u n t a i n o u s a r e a T h e r e s e a r c hr e s u l t s i n d i c a t e d t h a t,t h ego o d n e s so f f i to f t h ee igh tb a s i cm o d e l sw e r ea l l a b o v e ,o fw h i c hM a n dM m o d e l sh a dt h eb e s t f i t t i nge f f e c t a n dw e r ec l o s et oe a c ho t h e r(R ),b u tM m o d e lh a so b v i o u sd e v i a t i o ni npr e d i c t i ngt h eh e igh to fl a rged i a m e t e rt r e e s,s oM m o d e lw a s s e l e c t e da s t h e s i ngl e t r e eh e igh t c u r v em o d e l o fLK a e mp fe r ipl a n t a t i o n i nt h em o u n t a i na r e ao fw e s t e r nH u b e i,pr o v i d i ngr e f e r e n c ef o r i t sgr o w t hs u r v eya n dm a n age m e n t K eyw o r d s:w e s t e r nH u b e im o u n t a i n o u sa r e a;L a r i xk a e mp fe r i;t r e eh e igh t c u r v e树高和胸径是森林资源调查中最基本且最重要的个因素,也是反映林分长势的项重要指湖北林业科技第 卷标 .在林木调查中,测量树木胸径既快捷方便又精确,但测量树木高度则相对费时耗力且误差较大,通常通过构建树高曲线方法测定 .国内外学者在树高曲线方面开展了大量研究,如李婉婷选取了R i c h a r d s模型作为落叶松(俗名兴安落叶松)L a r i xg m e l i n i i人工林树高曲线的最优基础模型,以树木效应和样地效应确定生长模型的固定参数和随机参数,构建包含林分变量的树高与 胸 径 关 系 模 型.冯 国 红 等以 决 定 系 数(R)、残差平方和(S S E)、均方差(M S E)为模型优劣的评价指标,通过选取 种树高曲线模型来作为候选模型,对小兴安岭天然林中的红松P i n u sk o r a i e n s i s、云杉P i c e aa s p e r a t a、水曲柳F r a x i n u sm a n d s c h u r i c a、椴树T i l i a t u a n种树种的树高曲线模型分别选取了其最优模型.刘金义以辽宁省红松人工林为研究对象,基于不同林龄、不同立地条件、不同密度的 块人工红松固定样地的每木检尺数据,利用拟合优度及检验指标,在四种备选模型中选取了最优模型为基础模型构建了辽东山区人工红松的树高曲线.日本 落 叶 松L a r i xk a e m p f e r i隶 属 于 松 科P i n a c e a e落叶松属,因其树干端直、速生丰产、材性良好、适应性强等经济价值和生态价值,在湖北省已有 多年的引种栽培历史,现已成为湖北省中高海拔地区速生丰产林和生态公益林的主要树种 .建立日本落叶松树高曲线模型对了解日本落叶松生长规律以及解决日本落叶松树高测量技术问题具有重要意义.本研究以湖北省建始县国有长岭岗林场(以下简称长岭岗林场)日本落叶松人工林为研究对象,以 块标准地每木检尺数据,构建日本落叶松单木树高曲线模型,以期为深入研究本区域日本落叶松人工林经营管理提供支持.研究区概况长岭岗林场位于鄂西山区巫山余脉南侧,林场中心位置的坐标为北纬 、东经 .海拔 m,属北亚热带季风气候,年平均气温 ,全年最低温度为 ,无霜期 d;年平均降水量为 mm,相对湿度;土壤以山地棕壤土为主.长岭岗林场在长江以南率先引种日本落叶松并造林成功,现已成为中国南方最大的日本落叶松基地 .研究方法 数据获取 年月,在长岭岗林场选取 a的不同立地类型、不同林分密度的日本落叶松人工林,共设置固定标准地 块(m m),从中随机选取 块标准地进行每木检尺,分别测定所有树木的胸径(D B H,c m)、树高(H,m)、冠幅(CW,m)、枝下高(HC B,m)等林木因子,并且记录坡度、坡位、坡向、海拔等地形因子.将数据按照 的比例分为拟合样本和检验样本,其中拟合样本 株,检验样本 株.抽取拟合样本和独立检验样本的过程采用R软件的c a r e t包来完成,抽取样本前设置取样方式分样地进行随机取样,以保证各样地拟合数据与检验数据比例一致(表).表日本落叶松人工林固定样地因子统计表数据类型变量平均值最大值最小值 标准差拟合数据胸径/c m 树高/m 检验数据胸径/c m 树高/m 基础模型根据前人的研究经验 ,选择个常用且拟合效果较好的树高胸径方程,作为构建鄂西山区日本落叶松树高曲线的基础模型(表).表树高曲线候选模型模型表达式M H D BH(a D BHb)M H aD BHbM Hab D BHcD BHM Hab D BHc()M Hab e x p(c D BH)M H a e x p(b/D BH)M Hab l o g(D BH)M H a(e x p(b D BH)注:D B H为胸径(c m);H为树高(m);a、b、c为模型的待估参数.模型评价与检验指标采用决定系数(R)、均方根误差(RM S E)作为第期单华平,等:鄂西山区日本落叶松树高曲线的研究评价模型拟合优度的指标,利用平均误差(ME)、平均 绝 对 误 差(MA E)对 模 型 进 行 独 立 性 检验 .选取R最大、RM S E、ME、MA E最小的模型作为拟合鄂西山区日本落叶松树高曲线的基础模型.结果与分析 模型的拟合与检验利用拟合数据分别对M M 进行拟合,并利用独立检验样本对其进行检验(表).表树高曲线备选模型的拟合优度及独立检验结果模型指标参数拟合优度检验结果abcRRMS EMEMA EM 估计值 标准误 M 估计值 标准误 M 估计值 标准误 M 估计值 标准误 M 估计值 标准误 M 估计值 标准误 M 估计值 标准误 M 估计值 标准误 由表可知,各备选模型的预测精度都比较高,从拟合优度看,M 的R最高、RM S E最低,M 次之,M 的拟合效果最差.从检验结果看,M 的MA E最 低,M 次之、M 的MA E最 高;M 的ME最接近于,M 次之,M 的ME最高.此外,M、M、M 的ME均为负值,表明M、M、M 低估了日本落叶松的树高,而其他个模型均对日本落叶松的树高产生了高估.总体来看,M M 的拟定优度和检验结果较好.最优模型的选取为更好对各模型进行比较,试验选取了预测能力较好的M M 以及M,基于个模型的参数值模拟了树高随胸径变化规律,构建了树高胸径曲线图(图).从图可以看出,随着胸径的增大,各树高模型曲线展现出了不同的变化规律.从整体上看,树高随着胸径的增大而逐渐增长,树高的增长速率随着胸径的增大,呈现先增长后降低的趋势.此外,M、M、M 和M 四个模型拟合出的曲线变化趋势是随着胸径的增大,树高逐渐增长,但是树高增长趋势是逐渐减缓,这比较能符合胸径随树高的变化规律,说明上述四个模型有较好的拟合效果,可以作为备选模型使用.M 模型的曲线变化规律为随着胸径的增大,树高逐渐增长,但是树高的增长趋势并没有逐渐减缓,对于树高的后期变化规律产生了过高估计情况.M 模型虽然表现出了更好的拟合效果,但受模型自身的影响,M 模型的树高 胸径曲线呈先上升后下降的趋势,不符合树木的生长规律,也不适用于对未来树木树高生长进行预测.由此,选取M 模型作为预测鄂西山区日本落叶松树高的最优模型.最优模型的残差图见图,总体上残差绝大部分()的分布范围为m,符合要求.湖北林业科技第 卷图树高胸径曲线图图树高曲线最优模型的残差图 树高胸径变化特征按c m划分径阶,计算各径阶平均树高和增长速率,绘制日本落叶松径阶、树高与增长速率之间的关系,如图所示.总体上,树高随着胸径的增大而逐渐增大,树高的增长速率随着胸径的增大,呈现先增大后减小的趋势.在 c m的径阶范围内,树高的增长呈现出直线上升趋势,增长速率逐渐增大,胸径到 c m径阶时,树高净增长和增长速率达到最大值,每个径阶树高净增长从 m逐渐上升到 m,增长速率从 上升到 ;在 c m的径阶范围内,树高的增长趋势和增长速率逐渐减缓,每个径阶树高净增长从 m逐渐减缓到 m,增长速率从 减缓到.图树高胸径拟合曲线图结论与讨论本研究以鄂西山区不同林龄、不同立地条件、不同密度的人工日本落叶松固定样地的每木检尺数据为基础,选取个备选模型,通过拟合和检验的比较,以及曲线变化规律的分析,M 模型可作为预测鄂西山区日本落叶松树高的最优模型:H e x p(D).树高随着胸径的增大而逐渐增长,其增长速率呈现先增长后降低的趋势.日本落叶松幼龄林,树高生长进入快速生长阶段,胸径在 c m范围内,树高生长呈直线上升趋势,其增长速率逐渐增大,径阶到 c m时,树高净增长和增长速率达到最大值;中龄林树高生长稳定,近熟林树高生长量放缓,胸径在 c m范围内,树高生长呈平缓下降趋势,其增长速率逐渐减缓.模型的建立对于林木树高的测定有着十分重要的作用,在以后的林木调查中,只需对树木的胸径进行精确的测量,就可以根据模型对其进行树高的估测.本研究所调查的样地和数据有限,还有待通过更多的调查数据进一步提高方程的精度.此外,可在模型中添加林龄、立地指数、林分密度等变量,构建标准树高曲线,解决目前仅以胸径为自变量,适用范围相对局限的问题,从而增加模型的适用范围.本研究所构建的最终模型对鄂西山区日本落叶松的树高曲线有很好的预估效果,可以用于相关的生长与收获预估模型,但针对其他环境的日本落叶松人工林则需要考虑当地因素并做进一步的研究.参考文献 尹惠妍,张志伟,杨小林,等西藏林芝云杉树高曲线模型研究J江苏农业科学,():林华忠木荷最优树高曲线基础模型的比较选择J福建林业科技,():陈立莉树种树高曲线模型的研究D哈尔滨:东北林业大学,朱万才,孙楠小兴安岭硬阔叶混交林主要树种树高曲线的模拟J林业科技,():王明亮,李希菲非线性树高曲线模型的研究J林业科学研究,():李 婉婷基 于 混合 效应 的兴 安 落叶 松树 高 曲线 模 型D哈尔滨:东北林业大学,(下转第 页)湖北林业科技第 卷生长状况在很大程度上决定着未来林分的演替方向.从中林层树种组成来看,杉木、杜仲、朴树在上林层中的占比可能会逐渐提高.值得注意的是,中林层虽然树种较多,但除枫香、杉木、杜仲及朴树外,其他树种的个体数量较少,不排除后期因为竞争性生长导致部分树种被淘汰的可能,因此后期枫香林分特征如何变化有待进一步研究.参考文献 宋萍,洪伟,吴承祯,等中亚热带丝栗栲次生林群落高度级结构分析J应用与环境生物学报,():卢志军,鲍大川,郭屹立,等八大公山中亚热带山地常绿落叶阔叶混交林物种组成与结构J植物科学学报,():庄崇洋,黄清麟,马志波,等林层划分方法综述J世界林业研究,():盘远方,梁志慧,李嘉宝,等桂林岩溶石山常绿落叶阔叶混交林群落结构与物种多样性J生态学报,():范春楠,张永鑫,丁易,等吉林露水河阔叶红松林乔木植物群落结构与多样性J北华大学学报(自然科学版),():孙伟中,代力民,章一平椴树阔叶红松林群落主要树种径级结构研究J生态学杂志,():盘金文,郭其强,余大龙,等不同林龄马尾松人工林优势种径级结构及物种多样性分析J西北植物学报,():王玉婷,查轩,陈世发,等红壤侵蚀退化马尾松林下不同治理 模 式 土 壤 化 学 计 量 特 征 J应 用 生 态 学 报,():谭许脉,张文,肖纳,等杉木林改造成乡土阔叶林对林下植物物种组成和多样性的影响J生态学报,():陈孝丑枫香优树 年生子代遗传变异及选择J林业科学研究,():王凌云,喻荣岗,万佳蕾,等马尾松纯林与枫香木荷混交林土壤微生态环境差异分析J中南林业科技大学学报,():L A THAM P A,Z UU R I N G H R,C O B L E D W Am e t h o d f o rq u a n t i f y i n gv e r t i c a l f o r e s ts t r u c t u r eJ F o r e s tE c o l o g ya n dM a n a g e m e n 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