付 晗,魏亞偉,殷 有,秦勝金,周永斌

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,沈陽(yáng) 110866；2.遼寧遼河平原森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站,遼寧 昌圖 112500)

基于小班和樹(shù)高生長(zhǎng)方程比較不同立地條件對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)的差異

付 晗,魏亞偉,殷 有,秦勝金,周永斌

(1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,沈陽(yáng) 110866；2.遼寧遼河平原森林生態(tài)系統(tǒng)定位研究站,遼寧 昌圖 112500)

林木生長(zhǎng)方程是描述樹(shù)種(組)各調(diào)查因子總生長(zhǎng)量隨年齡生長(zhǎng)變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型,已廣泛應(yīng)用于估算單木樹(shù)高、材積、林分蓄積等。以森林資源二類清查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),以小班為單位,針對(duì)遼西(北)地區(qū)的油松和刺槐人工林,通過(guò)7種典型的樹(shù)高生長(zhǎng)理論方程,分別擬合其在不同立地條件下的樹(shù)高生長(zhǎng)過(guò)程。結(jié)果表明；7種方程均能較好地模擬樹(shù)高的生長(zhǎng)過(guò)程,其中又以Korf方程和Logistic方程為優(yōu),擬合效果最好；在擬合過(guò)程中,漸近參數(shù)a和形狀參數(shù)b,c受立地類型的影響均較大；通過(guò)對(duì)擬合方程進(jìn)行檢驗(yàn),方程估算值與真實(shí)值之間并無(wú)顯著差異,說(shuō)明擬合方程能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)樹(shù)高的生長(zhǎng)過(guò)程。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)油松和刺槐的樹(shù)高生長(zhǎng)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn):地形和坡向?qū)τ退傻纳L(zhǎng)影響較大,山洼地和侵蝕溝中油松生長(zhǎng)最好,陰坡半陰坡又好于陽(yáng)坡半陽(yáng)坡；刺槐則在陽(yáng)坡半陽(yáng)坡生長(zhǎng)優(yōu)于陰坡半陰坡。這為遼西(北)地區(qū)立地質(zhì)量的評(píng)價(jià)和人工林的合理經(jīng)營(yíng)提供了參考依據(jù)。

遼西(北)；油松人工林；刺槐人工林；樹(shù)高生長(zhǎng)方程

林木生長(zhǎng)方程是描述某樹(shù)種(組)各調(diào)查因子(胸徑、樹(shù)高、材積等)總生長(zhǎng)量隨年齡變化規(guī)律的數(shù)學(xué)模型,是揭示林木結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)規(guī)律的基礎(chǔ),已廣泛運(yùn)用于估算單木樹(shù)高、材積、林分蓄積等[1-3]。其中,樹(shù)高作為林木生長(zhǎng)的重要因子,不但能體現(xiàn)立地質(zhì)量的高低,而且也是林分蓄積量計(jì)算的一個(gè)重要因子。由于樹(shù)高生長(zhǎng)與立地質(zhì)量關(guān)系較大,所以常將其視為評(píng)定立地質(zhì)量的綜合指標(biāo),也被廣泛用來(lái)間接評(píng)價(jià)森林潛在生產(chǎn)力的高低。在模擬林分生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化時(shí),常將樹(shù)高作為獨(dú)立的變量引入。

關(guān)于樹(shù)高生長(zhǎng)理論方程的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究,如Richard方程,Logistic方程,Korf方程[4],Logitic方程[5-7],Richard方程[8,9]和Weibull方程等[10-11],且均取得的了較好的效果；王麗梅等[12]采用樹(shù)高生長(zhǎng)模型對(duì)火炬松人工林優(yōu)勢(shì)木進(jìn)行擬合,并對(duì)精度進(jìn)行檢驗(yàn),可適合在實(shí)踐中應(yīng)用；此外,鄧紅兵等[13]、張建國(guó)等[14]、劉平等[4]均采用多種理論方程對(duì)樹(shù)種的樹(shù)高生長(zhǎng)進(jìn)行擬合,均取得了較好的效果,其中又以多參數(shù)(3或4)擬合效果最好。以上學(xué)者的研究均為樹(shù)高生長(zhǎng)理論方程的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

森林資源二類調(diào)查含有豐富詳實(shí)的林地信息,本研究以森林資源二類調(diào)查資料為基礎(chǔ),以小班為單位,以遼西(北)地區(qū)主要的造林樹(shù)種——油松(PinustabulaeformisCarr.)和刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)為對(duì)象,通過(guò)7種典型的樹(shù)高生長(zhǎng)理論方程分別擬合不同立地條件下各樹(shù)種的樹(shù)高生長(zhǎng)過(guò)程,從而構(gòu)建反映立地與植物生長(zhǎng)特征關(guān)系的森林質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,以期為遼西北地區(qū)人工林的經(jīng)營(yíng)管理提供科學(xué)參考,也為森林資源清查資料的開(kāi)發(fā)利用提供借鑒。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概括

本研究選擇遼西(北)暖溫帶半濕潤(rùn)區(qū)(40°35′～43°31′N,118°50′～124°30′E),包括阜新和朝陽(yáng)的部分地區(qū),該地區(qū)屬典型的半濕潤(rùn)半干旱大陸性季風(fēng)氣候,干旱多風(fēng),水分條件不穩(wěn)定。年降水量少(350～500mm)且分配不均(多集中在夏季),年均蒸發(fā)量1 847～2 199mm。該地區(qū)土壤類型多為風(fēng)沙土,植被以建國(guó)初期營(yíng)造的人工林為主。

1.2 研究方法

本研究以小班為單位,將研究區(qū)內(nèi)的主要人工林——油松和刺槐的平均年齡與平均樹(shù)高分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、整合,并參照遼寧省森林資源二類清查數(shù)據(jù),通過(guò)查找文獻(xiàn)資料、篩選出主要的立地因子,包括地形、坡向和土層厚度。以此為基礎(chǔ),對(duì)研究區(qū)域的油松和刺槐進(jìn)行立地類型的劃分,篩選出其主要立地類型,然后通過(guò)7種典型的生長(zhǎng)方程(表1)分別擬合不同立地類型下樹(shù)種的樹(shù)高生長(zhǎng)過(guò)程和年齡之間的關(guān)系,在研究其內(nèi)在生長(zhǎng)規(guī)律的基礎(chǔ)上,經(jīng)優(yōu)化選擇,配置最優(yōu)的樹(shù)高生長(zhǎng)方程,模擬樹(shù)種的生長(zhǎng)規(guī)律,并參照樹(shù)種的基準(zhǔn)年齡,計(jì)算出各樹(shù)種在基準(zhǔn)年齡時(shí)的樹(shù)高,進(jìn)而通過(guò)觀察分析森林生長(zhǎng)量(率)的動(dòng)態(tài)變化,探討不同立地條件對(duì)樹(shù)高生長(zhǎng)的影響。

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究中油松和刺槐人工林?jǐn)?shù)據(jù)均來(lái)自2010年遼寧省森林資源二類調(diào)查資料*遼寧省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院.遼寧省森林資源二類調(diào)查.2010.,其中小班數(shù)量分別為4.0萬(wàn)和1.6萬(wàn)個(gè),涵蓋遼西(北)地區(qū)所有不同地理位置和不同立地條件的生長(zhǎng)水平,同時(shí)也包含森林經(jīng)營(yíng)技術(shù)水平和森林資源管理水平等眾多因素,符合超總體模型理論要求。

1.4 生長(zhǎng)方程

通過(guò)查閱大量的相關(guān)資料以及樹(shù)木自身的生長(zhǎng)規(guī)律,現(xiàn)篩選出7種典型的生長(zhǎng)方程供建模過(guò)程中選擇,分別為Richards方程、Logistic方程、Gompertz方程、Korf方程、Mitscherlich方程、Hossfeld方程和Schumacher方程(表1)。

1.5 生長(zhǎng)方程的篩選與優(yōu)化

小班數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合前,首先篩選出異常數(shù)據(jù)(3倍標(biāo)準(zhǔn)差法),然后進(jìn)行隨機(jī)排序,其中3/4的數(shù)據(jù)用來(lái)擬合方程,另外1/4的數(shù)據(jù)用來(lái)對(duì)方程進(jìn)行檢驗(yàn)；分別用7個(gè)生長(zhǎng)方程進(jìn)行擬合,并計(jì)算其殘差平方和、相關(guān)系數(shù)和總相對(duì)誤差等,最后通過(guò)對(duì)各種模擬方程精度指標(biāo)的對(duì)比分析,以相關(guān)系數(shù)最大、殘差平方和最小、生長(zhǎng)曲線趨勢(shì)與散點(diǎn)圖相吻合的作為樹(shù)種在該立地條件下的最優(yōu)生長(zhǎng)方程。

表1 樹(shù)種的生長(zhǎng)方程及其參數(shù)

注：H(m) —每公頃平均高；A(a) —每公頃平均樹(shù)高所對(duì)應(yīng)的年齡

相關(guān)系數(shù):

剩余標(biāo)準(zhǔn)差:

總相對(duì)誤差:

1.6 數(shù)據(jù)處理

文中所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2013和SPSS 17.0進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同樹(shù)種生長(zhǎng)方程的擬合

油松和刺槐的平均樹(shù)高均隨年齡的增加逐漸升高(圖1),其中油松的平均樹(shù)高多集中在3～6m和6～9m,分別占55.9%和30.7%,油松的年齡也主要以中齡林為主,30～40a,40～50a和20～30a分別為46.9%,23.5%和17.1%(圖2)；刺槐的樹(shù)高多為4～6m和2～4m,共占57.2%,其年齡則以5～10a和10～15a居多,分別為40.8%和28.0%,大于25a的成熟林僅占7.2%(圖3)。

使用油松和刺槐的平均樹(shù)高和平均年齡等小班數(shù)據(jù),通過(guò)7種理論方程分別擬合其在不同立地條件下的樹(shù)高生長(zhǎng)過(guò)程,均取得了較好的效果；由于小班數(shù)據(jù)中油松和刺槐的年齡范圍有限(年齡大的小班數(shù)據(jù)量較少,無(wú)法進(jìn)行擬合),油松和刺槐的生長(zhǎng)方程適用的年齡上限分別為60 a和35 a。通過(guò)殘差平方和最小和相關(guān)系數(shù)最大進(jìn)行比較篩選,7種理論方程中,以Korf方程和Logistic方程的擬合效果最好,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.457～0.880(表2)。由表2可知,漸近參數(shù)a和形狀參數(shù)b,c均受立地因子的影響較大。

圖1 油松和刺槐平均樹(shù)高隨年齡的變化趨勢(shì)

圖2 油松的年齡和樹(shù)高分布

圖3 刺槐的年齡和樹(shù)高分布

表2 不同立地條件下油松和刺槐的最優(yōu)生長(zhǎng)方程及其參數(shù)

分別使用篩選出的油松和刺槐的最優(yōu)生長(zhǎng)方程(表2),將預(yù)留的未參加建模的另外1/4的小班數(shù)據(jù)(平均年齡和平均樹(shù)高)帶入方程,計(jì)算其樹(shù)高擬合值,并與其真實(shí)值進(jìn)行T檢驗(yàn),結(jié)果表明:油松和刺槐人工林的樹(shù)高擬合值與真實(shí)值相近,無(wú)顯著差異。這表明所選方程可用來(lái)準(zhǔn)確模擬油松和刺槐在小班水平上的樹(shù)高生長(zhǎng)過(guò)程(圖4)。

圖4 不同立地條件下刺槐和油松的樹(shù)高生長(zhǎng)最優(yōu)擬合方程

2.2 不同立地條件對(duì)樹(shù)高生長(zhǎng)的影響

從圖4可以看出,林齡為25 a的油松在不同立地類型的樹(shù)高在4.4～4.7m之間,而林齡大于25 a的油松在侵蝕溝中的樹(shù)高最高,脊部土層樹(shù)高最矮,當(dāng)林齡50 a時(shí),侵蝕溝和脊部土層的樹(shù)高與林齡25a的樹(shù)高差值分別為2.5m和1.1m；林齡為10a的刺槐在不同立地類型的樹(shù)高在4.3～4.7m之間,而林齡大于10a的刺槐樹(shù),侵蝕溝中的樹(shù)高最高,平地棕壤樹(shù)高最矮,當(dāng)林齡35a時(shí),侵蝕溝和平地棕壤的樹(shù)高與林齡10a的樹(shù)高差值分別為6.4m和2.3m。分別根據(jù)油松和刺槐的基準(zhǔn)年齡(根據(jù)《中華人民共和國(guó)林業(yè)部林業(yè)專業(yè)調(diào)查主要技術(shù)規(guī)定(試行)》[15]),求出其當(dāng)年的樹(shù)高,并在不同的立地條件下進(jìn)行比較,確定其在不同立地條件下的樹(shù)高差異(圖5、表3)。結(jié)果表明:地形和坡向?qū)τ退傻纳L(zhǎng)影響較大,其中油松在侵蝕溝中生長(zhǎng)最好,在脊部土層生長(zhǎng)最次,同時(shí),陰坡半陰坡又好于陽(yáng)坡半陽(yáng)坡立地條件；刺槐在侵蝕溝中生長(zhǎng)最好,陽(yáng)坡半陽(yáng)坡條件下又好于陰坡半陰坡。

圖5 基準(zhǔn)年齡下不同立地條件下油松和刺槐的樹(shù)高差異

表3 基準(zhǔn)年齡下油松和刺槐的樹(shù)高在不同的立地類型中比較

3 結(jié)論

在小班數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,7種理論生長(zhǎng)方程均可較好地模擬樹(shù)高的生長(zhǎng)過(guò)程,其中又以Korf方程和Logistic方程為優(yōu),擬合效果最好；在擬合過(guò)程中,漸近參數(shù)和形狀參數(shù)受立地類型的影響較大。通過(guò)對(duì)擬合方程進(jìn)行檢驗(yàn),估算值和真實(shí)值之間并無(wú)顯著差異,說(shuō)明擬合的生長(zhǎng)方程能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)樹(shù)木的樹(shù)高生長(zhǎng),這不僅具有完善的理論基礎(chǔ),而且有良好的實(shí)際應(yīng)用效果。在此基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn),地形和坡向?qū)τ退傻纳L(zhǎng)影響較大,侵蝕溝中油松生長(zhǎng)最好,陰坡半陰坡又好于陽(yáng)坡半陽(yáng)坡；刺槐在侵蝕溝生長(zhǎng)最好,陽(yáng)坡半陽(yáng)坡生長(zhǎng)又優(yōu)于陰坡半陰坡。這為森林質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立打下了基礎(chǔ),并對(duì)將來(lái)人工林的經(jīng)營(yíng)和管理提供了重要的科學(xué)參考。

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Analysis on the Differences of Tree Growth with Different Site Conditions Based on Sub-compartments and Tree Height Growth Model

FU Han,WEI Yawei,YIN You,QIN Shengjin,ZHOU Yongbin

(CollegeofForestry,ShenyangAgriculaturalUniversity,Shenyang110866,China;ResearchStationofLiaohe-RiverPlainForestEcosystem,Changtu112500,Liaoning,China)

Tree growth equations which were models for describing each of trees growth factors changing with ages have been used widely for evaluating tree height,volume,and so on. This study selected 7 typical tree growth equations to simulate tree growth process under different forestland sites forPinustabilaeformisandRobiniapseudoacaciaplantations,respectively,which were based on forest inventory data and sub-compartments. Results showed that all 7 equations could simulate tree growth process,in which Korf and Logistic equations were better than others. Parameters a,b and c were effected significantly by forestland site. In addition,these equations were tested and could be used for predicting tree growth accurately. Then,both trees growth ofPinustabilaeformisandRobiniapseudoacaciawere simulated and it implied thatPinustabilaeformisgrew well under schattenseite andRobiniapseudoacaciagrew well in this place with no sunny slope. For the western Liaoning (north) area of site quality evaluation and plantation of reasonable management,this provides a scientific reference.

western (north) Liaoning,Pinustabulieformisplantation,Robiniapseudoacaciaplantation,tree height growth models

2016-12-28；

2017-04-23

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201304216)

付晗(1991-),女,遼寧大連,在讀碩士,主要從事森林生態(tài)方面的研究工作。Email:jiemohan@qq.com

周永斌(1970-),女,遼寧阜新,教授,主要從事森林生態(tài)方面的研究工作。Email:yyzyb@163.com

S758

A

1002-6622(2017)02-0046-07

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.02.009