不同林齡杉木胸徑樹高與冠幅的通徑分析1)

盧妮妮 王新杰 張鵬 高志雄 郭琦 陳陽 李海萍

(北京林業(yè)大學，北京，100083)

不同林齡杉木胸徑樹高與冠幅的通徑分析1)

盧妮妮 王新杰 張鵬 高志雄 郭琦 陳陽 李海萍

(北京林業(yè)大學，北京，100083)

為了解杉木林分不同發(fā)育階段冠幅因子的變化規(guī)律，以及胸徑和樹高對冠幅因子的影響程度，運用通徑分析方法分析了福建將樂林場5種杉木純林中胸徑和樹高與冠幅因子之間的關(guān)系。結(jié)果表明：1)冠幅的增長主要是在中齡到接近成熟這個階段，冠幅范圍主要在0.3～1.8 m；2)杉木林發(fā)育不同階段的冠高率分布在區(qū)間0.3～0.9，總平均冠高率為0.50；3)胸徑對冠幅具有顯著的正向作用，且隨著林分的發(fā)育，正向作用逐漸增強，樹高只在幼齡和過熟階段對冠幅起正面作用；4)胸徑與樹高對冠形率均具有顯著的負作用，其中，對冠形率起顯著作用的主要是樹高，這種負作用在近熟林時最小，成熟林時最大。

杉木；胸徑；樹高；冠幅；通徑分析

We studied growth law of crown in different ages, and impact degree between diameter at breast height (DBH), tree height and crown by path analysis. Crown width grew mainly from immature to near-mature, and the figure was in 0.3-1.8 m. Crown ratio distributed in 0.3-0.9, and average crown ratio was 0.5. DBH had a significant positive effect to crown with the development of forest stand, and the positive effect was gradually enhanced. Tree height played a positive influence at young forest and over-matures forest. There was a remarkable negative effect between DBH, tree height and crown shape ratio, and the main factor is tree height. The negative effect was minimum in near-mature forest and maximum in mature forest.

近年來，隨著社會經(jīng)濟的高速發(fā)展和林業(yè)經(jīng)營水平的顯著提高，社會對于木材的需求結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大的變化，當代林業(yè)發(fā)展的重大問題之一已成為如何解決森林資源短缺的問題[1]。培育大徑材樹木能夠從根本上緩解我國木材資源的短缺[2]。然而，樹木的生產(chǎn)力取決于樹冠結(jié)構(gòu)[3]，冠幅和冠高率又是描述樹冠結(jié)構(gòu)的兩個重要因子[4]。其中，冠幅更是樹木可視化的重要參數(shù)，是反映森林生長收獲情況的重要變量[5]。一直以來，如何快速獲得樹木冠幅是森林經(jīng)理的一大難題。為此，很多學者進行了相關(guān)研究，并獲得了一些具有一定價值的結(jié)果。馮益明等[6]通過空間統(tǒng)計學半方差方法，對人工白皮松林的冠幅尺寸進行了估計。符利勇等[7]建立了基于混合效應(yīng)的杉木單株冠幅預(yù)測模型。其中，也有學者通過建立冠幅模型來估測林地郁閉度[8]。鄧寶忠等[9]應(yīng)用多元回歸相關(guān)分析對紅松闊葉人工天然混交林中主要樹種的胸徑和冠幅進行了相關(guān)分析，得出紅松胸徑與冠幅之間相關(guān)緊密，其他闊葉樹種胸徑與冠幅的相關(guān)系數(shù)達0.96以上。但是，實際應(yīng)用中，由于經(jīng)營措施、立地條件、人為因素及氣候等條件的隨機干擾，冠幅與林分調(diào)查因子之間存在十分復(fù)雜的關(guān)系[10]，且這種關(guān)系可能是非線性的。

然而，大量的研究都僅進行了相關(guān)分析[11]，這并不能準確地闡明胸徑等因子與冠幅之間的關(guān)系。因為常規(guī)的相關(guān)性分析并未考慮其他性狀對因變量的間接作用，通徑分析較之相關(guān)分析和回歸統(tǒng)計更加精確和切合實際[12]。因此，充分考慮各指標對冠幅的直接影響和間接影響，對各指標進行通徑分析[13]，才能更快的獲得樹木冠幅參數(shù)值。通徑分析不僅能準確表述變量間的真實關(guān)系，而且能把性狀間的相關(guān)性分解成直接作用和間接作用。筆者以福建省將樂縣國有林場內(nèi)處于不同林齡階段的杉木人工林為研究對象，利用通徑分析方法研究各個林齡階段杉木胸徑和樹高對冠幅的影響，以期為建立更好的冠幅預(yù)測模型，更好的森林經(jīng)營管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省將樂國有林場北京林業(yè)大學南方林區(qū)綜合實踐基地(117°05′～117°40′E，26°26′～27°04′N)。研究區(qū)以低山丘陵地貌為主，平均海拔258 m，地處武夷山脈東南面，東臨順昌，西接泰寧，南連明溪，北抵邵武，東南與沙縣毗鄰。屬于中亞熱帶季風氣候，雨熱同期，年均氣溫19.8 ℃，年均降水量2 027 mm，降雨主要集中在6—8月，降水量占全年降水的70%。境內(nèi)夏季時間長，冬天較溫暖，無霜期273 d。該地區(qū)森林資源豐富，全縣山地面積19.2萬hm2，其中有林地面積18.8萬hm2，森林覆蓋率達84.5%，林木蓄積量159萬m3。主要造林樹種為杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb) Hook)、馬尾松(PinusmassonianaL.)、毛竹(Phyllostachyspubescens)，常見灌木包括剛竹(Phyllostachysviridis)、鹽膚木(Rhuschinensis)、烏飯樹(Vacciniumbracteatum)、懸鉤子(Rubuspalmatus)、苦竹(Pleioblastusamarus)、粗葉榕(FicushirtaVahl)、黃瑞木(Adinandramillettii)、楤木(Araliachinensis)等，主要的草本有芒萁(Dicranopterisdichotoma(Thunb.) Bernh)、山葡萄(VitisamurensisRupr.)、烏毛蕨(StenolomachusanumChing)、龍牙草(AgrimoniapilosaLedeb)、福建蓮座蕨(AngiopterisfokiensisHieron.)、狗脊蕨(WoodwardiaorientalisSw.)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus(Lab.) Warb. Ex Schum et Laut)、魚腥草(HouttuyniacordataThunb)、堇菜(ViolarockianaW. Beck)等。

2 試驗數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

按林分年齡(A)將試驗區(qū)劃分為5個不同的林齡階段，分別為：幼齡林A≤8 a，中齡林8 a30 a。在這5個林齡階段的林分中隨機抽取50塊樣地。樣地面積均為20 m×20 m。每個樣地調(diào)查內(nèi)容為胸徑2 cm以上的活立木直徑、樹高、第一個活枝高度以及東、南、西、北四個方向的冠幅長度。

2.2 指標測定方法

(1)冠幅(W)：本次試驗用樹木東、南、西、北四個方向冠幅的平均值表示樹木的冠幅長度，其計算公為W=(W東+W南+W西+W北)/4。式中，W東、W南、W西、W北分別代表樹木東、南、西、北四個方向的冠幅長度。

(3)冠高率(R)：冠高率為冠高(L)與樹高(H)的比值。即R=L/H，R值介于0到1之間，當R值為0時表示樹干沒有冠幅，R值為1時表示樹木為全樹冠。

(4)冠形率(S)：冠形率用冠高(L)與冠幅(W)的比值表示，即S=L/W。

2.3 分析方法

通徑分析由數(shù)量遺傳學家SewallWright[14]于1921年提出。通徑分析通過分解自變量與因變量之間的表面直接相關(guān)性，來研究自變量對因變量的直接重要性和間接重要性，從而為統(tǒng)計決策提供依據(jù)[15]。

直接通徑系數(shù)Pyi=bisi/sy，

間接通徑系數(shù)Pyij=rijPyi。

式中：bi為目的性狀y對原因性狀i的偏回歸系數(shù)；si、sy分別為原因性狀i與目的性狀y的標準差。

3 結(jié)果與分析

3.1 冠幅和冠高率結(jié)構(gòu)

3.1.1 不同林齡階段林分類型基本信息

不同林齡階段杉木林分的胸徑、樹高、冠高和冠幅的統(tǒng)計信息見表1。由表1可知，所有調(diào)查樣地中，胸徑變化在2.01～36.80cm，且隨著林分年齡增大，胸徑增大的趨勢也在發(fā)生變化。對于樹高，各調(diào)查樣地主要分布在1.2～36.3cm，樹高隨著林分年齡增加而增大，但增大的趨勢并不一致。差異性分析顯示，除成熟林與過熟林之間無差異外，各年齡階段林分平均胸徑與平均樹高具有顯著性差異(p<0.05)。其中，胸徑在不同年齡階段的增長率依次為181%、15%、43%、8%，即樹木胸徑快速增大是在幼齡到中齡和近熟到成熟這兩個階段。樹高在不同年齡階段的增長率則為107%、77%、42%、3%，即杉木樹高的增長時期是在近熟林以前。表明在杉木林到達中齡之前，單木的胸徑和樹高都急速增長，此后，樹高的增大速度快于胸徑，在林木接近成熟時，胸徑又快速增大。

3.1.2 冠幅結(jié)構(gòu)

通過統(tǒng)計不同林齡杉木林分的冠幅和冠高可知(表2)，平均冠高和冠幅都在隨著林分年齡的增加而增大，且各年齡階段林分冠幅和冠高具有顯著差異(p<0.05)，其中成熟林與過熟林之間無差異(p>0.05)。統(tǒng)計得冠高在各個階段的增長率分別為61%、15%、86%、2%，即冠高增大主要發(fā)生在幼齡林到中齡林以及近熟林到成熟林兩個階段。冠幅的變化率則依次為19%、33%、14%、4%，冠幅的增長主要是在中齡林至成熟林階段。

表1 不同林齡階段林分統(tǒng)計信息

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

結(jié)合表1和表2可知，杉木的胸徑生長和冠高生長基本處于同一個階段，冠幅的生長則處于胸徑的兩個快速生長期之間。胸徑、樹高、冠高和冠幅的增長在林分達到成熟后都變得極為緩慢，增長率都在5%以下，因此森林采伐時期應(yīng)控制在森林成熟時，避免林分過熟造成地力的浪費及衰退。這與趙德海等對安?？h杉木林確定的采伐齡類似[16]。

表2 不同林齡杉木林分冠幅基本信息

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

為了更好的呈現(xiàn)不同林齡林分冠幅的結(jié)構(gòu)，對調(diào)查樣木的冠幅進行分級，嘗試多種級距后采用0.3m為級距進行分級，分級的上界為3m(表3)。由表3知，幼齡林的冠幅主要分布在0.3～1.2m，中齡林的冠幅主要分布在0.6～1.5m，近熟林冠幅主要分布在0.9～1.8m，成熟林和過熟林的冠幅則主要分布在1.2～1.8m，冠幅小于0.3m和大于2.1m的樹木分布很少。通過比較得，隨著林分年齡增長，冠幅的集中度呈增大的趨勢，在成熟林和過熟林中最為集中。這主要是由于隨著林木成熟，通過成熟之前的競爭階段，林分整體達到一個相對平衡的狀態(tài)。此時，是林木生長的緩慢期，也是林木砍伐的最佳時期，與計算得到的杉木林采伐年齡近似[17]，說明結(jié)果可信。

表3 不同林齡冠幅等級占各林齡的百分比

3.1.3 冠高率結(jié)構(gòu)

杉木林發(fā)育不同階段的冠高率(表4)分布在區(qū)間(0.01～0.87)之內(nèi)，總平均冠高率為0.50。其中，冠高率在幼齡林(0.71)時最大，近熟林(0.36)時冠高率最小。差異性分析顯示，中齡林、成熟林與過熟林之間無顯著差異(p>0.05)，其與幼齡林和近熟林之間具有顯著差異(p<0.05)。就變異系數(shù)而言，近熟林最大，為47.22，幼齡林最小，為12.68。表明在杉木成長過程中，冠高與樹高之間的關(guān)系是不斷變化的，冠高與樹高的生長并不是同步的。

表4 林分不同年齡階段冠高率統(tǒng)計

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

與冠幅分級類似，對冠高率進行分級，經(jīng)過多次嘗試，發(fā)現(xiàn)級距為0.1時分級效果較佳。各年齡階段林分冠高率等級分布結(jié)構(gòu)如表5所示。由表5可知，幼齡林的冠高率主要分布在0.6～0.9，中齡林的冠高率主要在0.3～0.7，近熟林的冠高率主要分布在0.2～0.5，而成熟林和過熟林的冠高率則主要分布在0.3～0.6。冠高率在小于0.2時分布極少，大于0.9區(qū)域未見分布。

3.2 各項冠幅因子與胸徑和樹高的通徑關(guān)系

3.2.1 冠幅與胸徑和樹高之間的通徑分析

利用通徑分析探索杉木在發(fā)育過程中冠幅與胸徑和樹高之間的關(guān)系，結(jié)果如表6。由表6可知，冠幅與胸徑之間的直接通徑系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。表明在杉木發(fā)育過程中，胸徑對冠幅的正向作用逐漸增強。樹高對冠幅的正向作用在幼齡林和過熟林中表現(xiàn)顯著。在杉木林分發(fā)育的各個階段，胸徑和樹高對冠幅的直接作用均大于間接作用。從表6中還可知，不論是直接作用還是間接作用，胸徑對于冠幅的影響均大于樹高對冠幅的影響。由此可見，在快速獲得冠幅值時，通過胸徑估測比通過樹高估測更準確。

表5 各類型中冠高率等級占觀測數(shù)的比例

表6 冠幅與胸徑和樹高間的通徑關(guān)系

注：** 表示顯著水平為0.01。

3.2.2 冠高率與胸徑和樹高之間的通徑分析

利用通徑分析方法探索杉木在發(fā)育過程中冠高率與胸徑和樹高之間的關(guān)系，結(jié)果如表7。

表7 冠高率與胸徑和樹高間的通徑關(guān)系

注：** 表示顯著水平為0.01。

由表7可知，在杉木生長的各個階段，冠高率與胸徑之間的直接通徑系數(shù)在波動中處于整體穩(wěn)定的狀態(tài)，表明胸徑對于冠高率的影響在一定水平上趨于穩(wěn)定。而冠高率與樹高之間的直接通徑系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，表明樹高在杉木發(fā)育過程中對冠高率的正向作用在逐漸減小。

3.2.3 冠形率與胸徑和樹高之間的通徑分析

在杉木發(fā)育過程中冠形率與胸徑和樹高之間通徑分析結(jié)果如表8。由表8可知，冠形率與胸徑之間的直接通徑系數(shù)整體波動不大，只在幼齡林和過熟林階段值較大，表明在這兩個階段胸徑對冠形率有較大的負向作用。冠形率與樹高之間的直接通徑系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，表明樹高在杉木發(fā)育過程中對冠高率的正向作用力先減小后增大。在整個發(fā)育階段，胸徑和樹高對冠形率的直接作用均大于間接作用，且樹高的作用大于胸徑。

表8 冠形率與胸徑和樹高間的通徑關(guān)系

注：** 表示顯著水平為0.01。

4 結(jié)論與討論

冠幅結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為幼齡林主要分布在0.3～1.2m，中齡林主要分布在0.6～1.5m，近熟林主要分布在0.9～1.8m，成熟林和過熟林主要分布在1.2～1.8m，冠幅小于0.3m和大于2.1m的樹木很少。冠高率表現(xiàn)為幼齡林主要分布在0.6～0.9，中齡林主要在0.3～0.7，近熟林主要分布在0.2～0.5，而成熟林和過熟林主要分布在0.3～0.6。冠高率在小于0.2時分布極少，未見分布在大于0.9區(qū)域。

胸徑對冠幅具有顯著的正向作用，且隨著林分的發(fā)育，正向作用呈現(xiàn)逐漸增強的趨勢。而樹高只在幼齡林和過熟林階段對冠幅有較強的正向作用。因此，在快速獲得冠幅值時采用胸徑估測比采用樹高估測要更準確。

樹高在杉木發(fā)育過程中對冠高率的正向作用在逐漸減小，胸徑對冠高率影響在波動中趨于穩(wěn)定，無顯著變化，且作用很小。

胸徑與樹高對冠形率均具有顯著的負作用，其中，對冠形率起顯著作用的主要是樹高。這種負作用在近熟林時最小，成熟林時最大。

本文首先分析了不同年齡階段杉木的冠幅以及冠高率的分布結(jié)構(gòu)，然后采用通徑分析的方法，分析了在杉木林發(fā)育的各個年齡階段胸徑、樹高對杉木冠幅、冠高率以及冠形率的不同作用。在以后的研究中，應(yīng)充分考慮到杉木成長的不同時期胸徑、樹高對冠幅作用的變化，以便更好地建立準確的快速預(yù)測杉木冠幅的模型，為杉木人工林經(jīng)營管理提供理論依據(jù)。

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Path Analysis between Diameter at Breast Height, Height and Crown Width ofCunninghamialanceolatain Different Age

Lu Nini, Wang Xinjie, Zhang Peng, Gao Zhixiong, Guo Qi, Chen Yang, Li Haiping(Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China)/Journal of Northeast Forestry University，2015,43(4)：12-16.

Cunninghamialanceolata; Diameter at breast height; Tree height; Crown width; Path analysis

盧妮妮，女，1989年11月生，北京林業(yè)大學林學院，碩士研究生。E-mail：xyz2008_nizi@sina.cn。

王新杰，北京林業(yè)大學林學院，副教授。E-mail：xinjjiew@bjfu.edu.cn。

2014年5月29日。

S757.9

1) “十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計劃課題(2012BAD22B05)。

責任編輯：潘 華。