不同地貌杉木人工林胸徑樹高生長(zhǎng)曲線研究

馬學(xué)欣 侯建花 易曉梅

?

不同地貌杉木人工林胸徑樹高生長(zhǎng)曲線研究

馬學(xué)欣1，2侯建花3易曉梅1，2

（1浙江農(nóng)林大學(xué)信息工程學(xué)院 浙江臨安 311300； 2浙江省林業(yè)智能監(jiān)測(cè)與信息技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室浙江臨安 311300； 3浙江省景寧畬族自治縣林業(yè)局 323500）

為準(zhǔn)確掌握景寧縣杉木人工林的生長(zhǎng)情況，采用4種生長(zhǎng)方程分別擬合杉木胸徑樹高生長(zhǎng)情況，并選擇最優(yōu)生長(zhǎng)模型。研究結(jié)果表明：多項(xiàng)式方程能夠較好的擬合景寧地區(qū)杉木林的生長(zhǎng)情況，平均決定系數(shù)高達(dá)0.889；地形因子對(duì)杉木生長(zhǎng)具有重大影響。

景寧縣；胸徑樹高曲線；杉木;人工林

杉木（（Lamb）Hook）為我國(guó)南方主要的造林樹種，約占全國(guó)人工造林面積的十分之一,其木材生產(chǎn)量占全國(guó)商品材總產(chǎn)量的20％～25％,具有生長(zhǎng)快、產(chǎn)量高、材性好、經(jīng)濟(jì)效益顯著等特點(diǎn)，在整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要地位[1-3]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的急劇增加，木材的需求量正呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢(shì)。與此同時(shí)，全球森林面積正以每年0.4％的速度銳減。進(jìn)入21世紀(jì)以來，木材資源已成為世界性的戰(zhàn)略資源，面臨著更為嚴(yán)峻的形勢(shì)。我國(guó)是一個(gè)人均占有森林（木材）資源很少的國(guó)家，嚴(yán)重少林缺材、森林資源消耗量大，培育大徑材樹木能夠從根本上緩解木材資源的短缺問題。當(dāng)前，如何充分發(fā)揮和利用好南方優(yōu)越的水熱自然條件，有效調(diào)整和解決好杉木人工林激增帶來的林種、樹種和材種結(jié)構(gòu)以及生態(tài)結(jié)構(gòu)等一系列矛盾與問題[4-6]，科學(xué)、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效地發(fā)展商品林，在南方林業(yè)分類經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略中占有至關(guān)重要的地位[7-8]。

研究通過對(duì)景寧縣杉木人工林胸徑生長(zhǎng)與環(huán)境因子相關(guān)性分析，篩選出對(duì)杉木胸徑生長(zhǎng)影響較大的因子，從而為構(gòu)建高精度的杉木人工林生長(zhǎng)模型提供依據(jù)，進(jìn)而為景寧地區(qū)杉木森林資源動(dòng)態(tài)變化的準(zhǔn)確預(yù)估、可持續(xù)經(jīng)營(yíng)與優(yōu)化配置提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

景寧縣位于浙江省西南部（27°58′N、119°38′E），總面積達(dá)194998hm2，是甌江和飛云江水系的發(fā)源地。土地類型為“九山半水半分田”，地貌類型為“兩山夾一水”。區(qū)域氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛，年平均降水量為1542.7mm，熱量資源豐富,年平均氣溫17.5℃。區(qū)域森林覆蓋率達(dá)81.09%，具有多樣性的生態(tài)環(huán)境和植被類型。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)景寧縣省級(jí)森林資源清查資料與實(shí)地踏查，在全縣范圍內(nèi)選擇生長(zhǎng)正常且自然條件（坡度、坡向、土壤類型等）相似的不同密度的杉木人工林，設(shè)置14個(gè)0.08hm2（28.25m×28.25 m）標(biāo)準(zhǔn)地（表1），每個(gè)樣地用GPS精確定位，記錄其經(jīng)緯度、坡向、坡度、坡位、海拔、方位等數(shù)據(jù)及在林分中的相對(duì)位置。標(biāo)準(zhǔn)地中杉木為主要建群種，有極少量油松（）、銳齒槲櫟（），杉木占林分內(nèi)林木數(shù)的93%～98%。樣地?cái)?shù)據(jù)如表1所示。

表1 研究區(qū)樣地?cái)?shù)據(jù)概況

Table 1 Survey of sample plot data in the study area

將調(diào)查的杉木數(shù)據(jù)根據(jù)地貌的不同設(shè)置為低山區(qū)（500～999m）和中山區(qū)（1000m以上）兩個(gè)編組進(jìn)行歸類整理，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel2013進(jìn)行處理，并采用IBM SPSS軟件中的線性分析、多項(xiàng)Logistic回歸分析以及相關(guān)性分析功能分別對(duì)杉木胸徑樹高生長(zhǎng)曲線方程和因子相關(guān)性進(jìn)行綜合分析。

2.2 基礎(chǔ)模型建立

基于胸徑樹高的散點(diǎn)圖和前人的研究，選擇傳統(tǒng)森林測(cè)樹學(xué)中4種常用的樹木生長(zhǎng)方程[8-10]，包括線性方程、多項(xiàng)式模型、冪函數(shù)曲線方程、指數(shù)方程，如表2所示。利用MATLAB建立杉木胸徑樹高生長(zhǎng)模型，選擇擬合程度最高的模型作為杉木的生長(zhǎng)模型，通過模型分析景寧地區(qū)不同地貌杉木林的生長(zhǎng)變化情況。

表2 生長(zhǎng)曲線方程

Table 2 Growth curve models

注：f(x)和x為杉木胸徑和樹高，p1、p2、p3、n為模型待估參數(shù)。

在MATLAB中，利用建模數(shù)據(jù)對(duì)表2所示模型進(jìn)行模擬計(jì)算，并使用決定系數(shù)（R-square）、均方根誤差（RMSE）和調(diào)整后的決定系數(shù)（Adjusted R-square）來檢驗(yàn)所選模型的精度，從而選擇最優(yōu)模型。R-square和Adjusted R-square的值越接近1，說明模型參考價(jià)值越高；RMSE的值越小，說明模型精度越高[10-11]。

2.3 模型求解

基于杉木林胸徑和樹高的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用MATLAB的工具箱分別對(duì)模型進(jìn)行求解，依次求出4個(gè)模型的待估參數(shù)及3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)：決定系數(shù)（R-square）、均方根誤差（RMSE）和調(diào)整后的決定系數(shù)（Adjusted R-square），模型參數(shù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)如表3所示。

表3 模型參數(shù)和評(píng)價(jià)指標(biāo)

Table 3 Model parameters and evaluation indexes

由表3可知，通過擬合精度對(duì)比分析，低山區(qū)和中山區(qū)的多項(xiàng)式模型擬合效果最好且符合生物學(xué)意義，故選擇多項(xiàng)式方程作為杉木胸徑樹高的最佳模型。

3 結(jié)果與分析

3.1 生長(zhǎng)模型檢驗(yàn)

利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取的10%未用于建模的數(shù)據(jù)驗(yàn)證所選模型的準(zhǔn)確性，將預(yù)測(cè)求出的理論值與實(shí)際值繪制散點(diǎn)圖進(jìn)行分析，并通過均方根誤差和平均誤差進(jìn)行模型評(píng)價(jià)[12-14]。

3.2 海拔對(duì)杉木生長(zhǎng)的影響

海拔作為重要的地形因子，對(duì)杉木生長(zhǎng)的影響非常大。景寧地區(qū)山地面積大，山勢(shì)高峻，多高海拔山峰，1000m以上是杉木林大面積分布的地區(qū)。高山地區(qū)平均氣溫維持在20℃以下，這些人為影響較弱的地方有利于杉木林的生長(zhǎng)發(fā)育。而低山區(qū)人為活動(dòng)較頻繁，人類活動(dòng)限制了杉木的生長(zhǎng)。如表1所示，中山區(qū)杉木林長(zhǎng)勢(shì)比低山區(qū)有優(yōu)勢(shì)。

3.3 坡向?qū)ι寄旧L(zhǎng)的影響

杉木主要分布在溫帶、亞熱帶地區(qū)，較喜光，適應(yīng)年平均溫度15℃～23℃，是一種典型的喜溫暖濕潤(rùn)，多霧靜風(fēng)氣候環(huán)境樹種。中山區(qū)杉木林多分布在南坡，受太陽(yáng)輻射多，光照充足，溫度高，可加快杉木生長(zhǎng)；而低山區(qū)杉木生長(zhǎng)在北坡，接受太陽(yáng)照射少，溫度低，故杉木的生長(zhǎng)情況要比背陰的北坡差。

3.4 坡度對(duì)杉木生長(zhǎng)的影響

坡度的緩急、地勢(shì)的陡峭不但會(huì)形成小氣候[15]，而且對(duì)水土流失和集聚都有影響，可直接或間接影響杉木的生長(zhǎng)和分布[16]。根據(jù)景寧地區(qū)的實(shí)際情況，將坡度分為6級(jí)，Ⅰ級(jí)為平坡：＜5度；Ⅱ級(jí)為緩坡：5～14度；Ⅲ級(jí)為斜坡：15～24度；Ⅳ級(jí)為陡坡：25～34度；Ⅴ級(jí)為急坡：35～44度；Ⅵ級(jí)為險(xiǎn)坡：≥45度。在坡面上，水流的速度與坡度成正比，流速越快，沖刷掉的土壤量就越大，因此坡度直接改變土壤的厚度和含水量。故在斜坡上，土壤較肥沃，排水良好，對(duì)杉木生長(zhǎng)有利；而在急坡或者險(xiǎn)坡上，土層薄，砂礫含量高，杉木生長(zhǎng)較差。

4 結(jié)論與討論

利用景寧地區(qū)的杉木實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了基于不同地貌的胸徑樹高生長(zhǎng)模型，選擇多項(xiàng)式模型擬合杉木胸徑樹高曲線，具有較高精度，能較好的模擬該地區(qū)的杉木生長(zhǎng)情況；通過分析不同地形因子對(duì)杉木生長(zhǎng)的影響，表明中山區(qū)的杉木生長(zhǎng)情況優(yōu)于低山區(qū)的杉木。

景寧縣屬山地地貎，在對(duì)不同地貌上的杉木林胸徑與樹高關(guān)系進(jìn)行研究時(shí)，忽略了坡位[17]對(duì)胸徑樹高的影響；研究地區(qū)僅局限于景寧縣，空間尺度較小；在分析時(shí)，只選擇了相關(guān)性較高的地形因子，忽略了其他立地條件、氣象條件[15]對(duì)杉木生長(zhǎng)的影響，坡度對(duì)杉木生長(zhǎng)的影響表明，坡度只是影響杉木生長(zhǎng)的其中一個(gè)因素，其他立地條件如降水量、土壤類型、土壤厚度、溫度的影響同樣不可忽視，在以后的研究中，應(yīng)該加以綜合考慮。

[1] 李瑾,王光軍.不同林齡杉木葉經(jīng)濟(jì)性狀的變異特征[J].湖南師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2018,41(03): 30-35.

[2] 樊偉,許崇華,崔珺,等.基于混合效應(yīng)的大別山地區(qū)杉木樹高-胸徑模型比較[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2017, 28(09):2831-2839.

[3] 袁碩,楊智杰,元曉春,等.降雨隔離和溫度增加對(duì)杉木幼林土壤可溶性碳氮的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2018,29(07):2217-2223.

[4]]黃其城.福州市杉木人工林相對(duì)樹高曲線模型研究[J].安徽農(nóng)學(xué)通報(bào),2017,23(04):58-59+65.

[5] 李春明.基于兩層次線性混合效應(yīng)模型的杉木林單木胸徑生長(zhǎng)量模型[J].林業(yè)科學(xué),2012,48(03): 66-73.

[6] 許崇華,崔珺,黃興召,等.基于線性混合效應(yīng)模型的杉木樹高-胸徑模型[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,45(06):53-60.

[7] 陳傳松,司芳芳.江西大崗山地區(qū)杉木樹高曲線模型的研究[J].林業(yè)科技通訊: 2018,28(06): 1-5.

[8] 袁曉紅,李際平.杉木人工林南北坡向樹高-胸徑生長(zhǎng)曲線研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2012,27(02): 180-183.

[9] Xue L , Hagihara A . Growth analysis on the competition-density effect in Chinese fir (Cunninghamia lanceolata) and Masson pine (Pinus massoniana) stands[J]. Forest Ecology & Management, 2001, 150(3):331-337.

[10]Song T T , Chen G S , Shi S Z , et al. Effects of soil warming on specific respiration rate and non-structural carbohydrate concentration in fine roots of Chinese fir seedlings[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2018, 79(6):1043-1051.

[11]Xiaohui W , Yujun S , Wei M A . A height growth model for Cunninghamia lanceolata based on Richards' equation[J]. Journal of Zhejiang A & F University, 2012.

[12潘榮榮.沙縣地區(qū)杉木人工林地徑與樹高、材積的相關(guān)性分析[J].綠色科技,2018，(15):218-220.

[13]周國(guó)強(qiáng),陳彩虹,楚春暉,等.大圍山杉木人工林不同海拔直徑分布研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2017, 32(01):86-91.

[14]廖美振,溫紅芳,董南松,等.陳山紅心杉人工林生長(zhǎng)過程及其模型模擬[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào),2018,38(09):107-114.

[15]王廣勝.氣象因子對(duì)杉木人工林胸徑生長(zhǎng)的影響[J].黑龍江科學(xué),2017,8(04):185-188.

[16]Shouyun Z. Growth of Big-diameter Timber plantation of Chinese fir (Cunninghamialanceolata) Plantation Interplanted With Castanopsishystrix[J]. Journal of Green Science & Technology, 2017,45(03):78-84.

[17]嚴(yán)強(qiáng).坡位對(duì)6年生杉木閩楠混交林生長(zhǎng)的影響[J].綠色科技, 2018，(07):5-8.

Study on growth curve of DBH of Chinese fir plantation in different landforms

Ma Xuexin1,2, Hou Jianhua3,Yi Xiaomei1,2

In order to accurately grasp the growth of Chinese fir plantation in Jingning County, four growth equations were used to fit the height growth of Chinese fir with DBH, and the optimal growth model was selected. The results show that the polynomial equation can better fit the growth of Chinese fir forests in Jingning area, with an average determinant coefficient of 0.889; topographic factors have a significant impact on the growth of Chinese fir.

Jingning County；height-diameter relationship；fir；plantation

S791.27

A

1004-7743（2019）01-0071-04

2018-12-19

國(guó)家自然科學(xué)基金（61190114），景寧畬族自治縣科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014A05-5)，浙江農(nóng)林大學(xué)科研發(fā)展基金項(xiàng)目。

馬學(xué)欣，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)林業(yè)發(fā)展；Email：457283836@qq.com。

易曉梅，副教授，碩士，從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)研究；Email：m_mei0516@163.com。