龍時(shí)勝,曾思齊,肖化順,劉發(fā)林,劉 洵,向博文
(中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410004)
林木生長(zhǎng)方程是林木各項(xiàng)因子,包括直徑、樹(shù)高、材積、生物量等,隨著林木年齡變化的函數(shù)。陸文杰[1](1981)提出用冪函數(shù)模擬林木生長(zhǎng)方程,研究證明應(yīng)用此類經(jīng)驗(yàn)方程能較好的預(yù)測(cè)林木胸徑的生長(zhǎng)。唐守正[2](1998)從數(shù)學(xué)假設(shè)的角度分析了Richards方程模擬林木直徑生長(zhǎng)的可行性。目前林木生長(zhǎng)方程的研究對(duì)象主要集中在杉科,松科等針葉林或人工林[3-4],對(duì)青岡櫟這類闊葉次生林的研究較少,青岡櫟林木生長(zhǎng)方程的研究能夠有效的預(yù)測(cè)林木的更新、生長(zhǎng)以及估損的過(guò)程,為制定合理的經(jīng)營(yíng)措施等提供必要的理論依據(jù)。
林木生長(zhǎng)階段的劃分,其目的是為了正確地揭示林木在一個(gè)生長(zhǎng)周期內(nèi)的不同生長(zhǎng)階段的生長(zhǎng)特點(diǎn),并針對(duì)不同階段施以相應(yīng)的經(jīng)營(yíng)措施。鄭勇平[5]認(rèn)為,隨著年齡的變化,林木胸徑、樹(shù)高和材積的生長(zhǎng)對(duì)外部環(huán)境條件的要求是變化的,并呈現(xiàn)出一定的階段性。通常進(jìn)行樹(shù)木生長(zhǎng)階段的劃分,是采用定性的方法,即憑經(jīng)驗(yàn)在生長(zhǎng)曲線的拐點(diǎn)處進(jìn)行“分割”,這種劃分方法有一定的人為因素,難免影響到劃分的準(zhǔn)確性。
青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)屬殼斗科青岡屬常綠闊葉樹(shù)種,它是我國(guó)亞熱帶常綠闊葉林帶的主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種,也是我國(guó)亞熱帶東部地區(qū)主要造林樹(shù)種,適生范圍廣。20世紀(jì)中葉,青岡櫟天然林遭遇大面積的砍伐破壞,目前分布的青岡櫟林大多是砍伐后經(jīng)封山撫育而形成的次生林,林分面積一般較小且林分質(zhì)量低下。我國(guó)對(duì)于青岡櫟的研究起步較晚,主要集中在生物量[6]、林木競(jìng)爭(zhēng)[7]、種子形態(tài)與種苗抗性[8]等方面。因此,本研究以中南林業(yè)科技大學(xué)蘆頭實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)的青岡櫟次生林為研究對(duì)象,從定量的角度出發(fā),采用有序聚類的方法[9]對(duì)青岡櫟生長(zhǎng)階段進(jìn)行劃分,并分別構(gòu)建各生長(zhǎng)階段的胸徑與樹(shù)高生長(zhǎng)方程,以期提高生長(zhǎng)方程對(duì)于青岡櫟生長(zhǎng)規(guī)律的預(yù)測(cè)效果,為青岡櫟的提質(zhì)增量提供一定的理論依據(jù)。
蘆頭實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)(113°51′52″-113°58′24″E,28°31′17″-28°38′00″N)位于湖南省岳陽(yáng)市平江縣,屬羅霄山脈北端,海拔124~1 272.5 m,多年平均日照時(shí)數(shù)1 731 h,年平均氣溫16.8℃,極端最高氣溫40.3℃(1971年7月26日),極端最低氣溫-2℃(1972年2月9日)。多年平均無(wú)霜期274 d左右,初霜期在11月上、中旬,終霜期在3月中旬左右。多年平均降水量1 624.8 mm,多年平均蒸發(fā)量為600~900 mm。林場(chǎng)屬東亞熱帶向北亞熱帶過(guò)渡氣候帶,地貌類型以中山、低山為主,平均坡度25°左右,土壤以紅壤和山地黃壤為主。森林群落上層主要以殼斗科(Fagaceae)、樟科(Lauraceae)、山茶科(Theaceae)、木蘭科(Magnoliaceae)等為優(yōu)勢(shì)。
2016年7月,在中南林業(yè)科技大學(xué)蘆頭實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)設(shè)置16塊青岡櫟次生林固定樣地,樣地面積大小為20 m×20 m,主要調(diào)查了樣地的立地條件、林下灌木與草本、土壤以及進(jìn)行每木檢尺工作。為分析該地區(qū)青岡櫟的生長(zhǎng)過(guò)程,在樣地內(nèi)分徑階共砍伐18株青岡櫟解析木,其中12株解析木將用于直徑與樹(shù)高生長(zhǎng)過(guò)程的擬合,6株解析木將用于生長(zhǎng)方程的預(yù)測(cè)效果檢驗(yàn)。解析木采用0.5 m區(qū)分段法進(jìn)行樹(shù)干解析,計(jì)算出各解析木的胸徑、樹(shù)高和材積的總生長(zhǎng)量、連年生長(zhǎng)量以及平均生長(zhǎng)量,解析木的基本情況見(jiàn)表1。
表1 解析木基本情況
2.2.1 生長(zhǎng)方程選擇 青岡櫟胸徑與樹(shù)高生長(zhǎng)方程的擬合主要選用3個(gè)生長(zhǎng)方程,包括1個(gè)樹(shù)木生長(zhǎng)經(jīng)驗(yàn)方程——修正Weibull函數(shù)[10],以及2個(gè)樹(shù)木生長(zhǎng)理論方程——Logistic方程[11-12]和Richards方程[13-14]。這些生長(zhǎng)方程通用性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高,且參數(shù)具有生物學(xué)意義,是目前應(yīng)用較廣泛的生長(zhǎng)方程。
Logistic方程(1838年)
(1)
Richards方程(1959年)
Y=a(1-e-ct)b
(2)
修正Weibull函數(shù)(1978年)
Y=a(1-e-btc)
(3)
式中,Y為胸徑、樹(shù)高或材積,t為年齡,a,b,c為方程的參數(shù)。
2.2.2 有序聚類方法 聚類分析[15-16]是將一批樣品或變量按照它們?cè)谛再|(zhì)上的親疏程度進(jìn)行分類,分類的方法很多。如直接聚類法是先把各個(gè)分類對(duì)象單獨(dú)視為一類,然后根據(jù)距離最小的原則,依次選出一對(duì)分類對(duì)象,并成新類。如果其中一個(gè)分類對(duì)象已歸于一類,則把另一個(gè)也歸入該類;如果一對(duì)分類對(duì)象正好屬于已歸的2類,則把這2類并為一類。調(diào)試法是先將n個(gè)樣品進(jìn)行初步分類,然后以分類函數(shù)盡可能小的原則,對(duì)已分類別進(jìn)行調(diào)整,直到分類合理為止。有序聚類[17]是在不打亂樣本秩序的條件下對(duì)樣本進(jìn)行聚類分析,而樹(shù)木按照年齡分布的生長(zhǎng)速率即可看作有序樣本,因此運(yùn)用有序聚類對(duì)青岡櫟生長(zhǎng)階段進(jìn)行劃分。
從定量的角度出發(fā), 分別選取青岡櫟直徑與樹(shù)高連年生長(zhǎng)量作為變量,利用有序聚類的方法通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理分類。其基本原理為:某一類樣品{(Xi,Xi+1…,Xj)i≤j}的直徑即為該類樣品的離差平方和,用D(i,j)表示。
(4)
(5)
式中,D(i,j)為某一類樣品的直徑,Xi為有序樣品為n維向量,Xij為某一類樣品的均值,i為某一類樣品起點(diǎn),j為某一類樣品終點(diǎn)。
n個(gè)樣品分成m類的誤差函數(shù)為:
(6)
即某種分法的誤差函數(shù)為各類直徑之和。當(dāng)n和m固定時(shí),φ[P(m,n)]越小,表示類內(nèi)離差平方和越小,分類越合理。其最小誤差函數(shù)為:
(7)
它表示n個(gè)樣品分成(m-1)類的最優(yōu)分法再加上最后(n+1-j)個(gè)樣品形成的m類合并而成。而j可由m一直變到n,在這些可能中選一種最優(yōu)的j,形成n個(gè)樣品的最優(yōu)分法。其中,n為樣品總數(shù),m為分類數(shù),i為某一類樣品起點(diǎn),j為某一類樣品終點(diǎn)。
2.2.3 方程檢驗(yàn) 研究選取的總樣本數(shù)為18株青岡櫟解析木,其中12株作為生長(zhǎng)方程的建模樣本,6株作為方程的檢驗(yàn)樣本,方程檢驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有決定系數(shù)R2,均方根誤差RMSE,決定系數(shù)R2越大,說(shuō)明擬合精度越高,均方根誤差RMSE越小,說(shuō)明模型預(yù)估值與真實(shí)值的誤差越小。
(8)
(9)
3.1.1 生長(zhǎng)過(guò)程分析 以12株青岡櫟解析木為基礎(chǔ),采用修正Weibull函數(shù)、Logistic方程以及Richards方程對(duì)青岡櫟直徑與樹(shù)高生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行模擬,3個(gè)方程的參數(shù)及擬合效果見(jiàn)表2。
由表2可知,3個(gè)方程分別擬合青岡櫟直徑生長(zhǎng)過(guò)程時(shí),3個(gè)方程的決定系數(shù)R2均在0.85以上,說(shuō)明青岡櫟直徑的生長(zhǎng)與年齡關(guān)系顯著。在模型擬合精度方面,Richards方程的決定系數(shù)R2達(dá)到0.897,高于修正Weibull函數(shù)與Logistic方程的決定系數(shù)R2;在模型的預(yù)測(cè)效果方面,Richards方程的均方根誤差RMSE(1.42)少于修正Weibull函數(shù)與Logistic方程的均方根誤差。3個(gè)方程分別擬合青岡櫟樹(shù)高生長(zhǎng)過(guò)程時(shí),3個(gè)方程的決定系數(shù)R2均在0.80以上,說(shuō)明青岡櫟樹(shù)高的生長(zhǎng)與年齡關(guān)系較顯著,在模型擬合精度方面,修正Weibull函數(shù)的決定系數(shù)R2達(dá)到0.813,高于Richards方程與Logistic方程的決定系數(shù)R2;在模型的預(yù)測(cè)效果方面,修正Weibull函數(shù)的均方根誤差RMSE(1.40)少于修正Richards方程與Logistic方程的均方根誤差。
表2 直徑與樹(shù)高生長(zhǎng)方程擬合結(jié)果
比較分析3個(gè)方程對(duì)于青岡櫟直徑與樹(shù)高的生長(zhǎng)過(guò)程可知,Richards方程對(duì)青岡櫟直徑生長(zhǎng)的擬合效果最佳,修正Weibull函數(shù)對(duì)青岡櫟樹(shù)高生長(zhǎng)的擬合效果最佳,2個(gè)方程的公式為:
D=36.8×(1-e-0.014 4A)1.224 7
(10)
H=20×(1-e-0.051 6×A0.756 6)
(11)
式中,D為直徑,H為樹(shù)高,A為林木年齡。
3.1.2 有序聚類分析 由于18株解析木中年齡最大為52 a,青岡櫟直徑與樹(shù)高生長(zhǎng)方程對(duì)于52 a以上的林木可能預(yù)測(cè)效果不佳,因此在用有序聚類劃分生長(zhǎng)階段時(shí),只考慮1~52 a的林木生長(zhǎng)狀況。以青岡櫟4 a為一個(gè)齡級(jí),共劃分為13個(gè)齡級(jí),將不同齡級(jí)Ⅰ(1~4 a),Ⅱ(5~8 a),…,ⅩⅢ(49~52 a)分別定義為X1,X2…X13系列。運(yùn)用直徑與樹(shù)高生長(zhǎng)方程計(jì)算得出各個(gè)齡級(jí)的直徑與樹(shù)高連年生長(zhǎng)量,進(jìn)行初始樣本的分配如表3。
表3 有序聚類分析的樣本分配
由表3可知,直徑連年生長(zhǎng)量隨著年齡的增大呈先增后減的趨勢(shì),在第20年時(shí),直徑連年生長(zhǎng)量達(dá)到最大(0.36 cm/a);樹(shù)高連年生長(zhǎng)量隨著年齡的增大而減少,依據(jù)直徑或樹(shù)高的連年生長(zhǎng)量情況,我們難以定量的判斷出青岡櫟的生長(zhǎng)階段。
運(yùn)用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的有序樣本最優(yōu)分割法分別對(duì)直徑與樹(shù)高連年生長(zhǎng)量進(jìn)行計(jì)算,輸出結(jié)果見(jiàn)表4。
由表4可知,按直徑連年生長(zhǎng)量劃分青岡櫟生長(zhǎng)階段時(shí),當(dāng)分類數(shù)為2,最優(yōu)分割結(jié)果為X1~X9,X10~X13,也就是136 a為第1階段,3 752 a為第2階段,當(dāng)分類數(shù)為3時(shí),依次類推;按樹(shù)高連年生長(zhǎng)量劃分青岡櫟生長(zhǎng)階段時(shí),當(dāng)分類樹(shù)為2,最優(yōu)分割結(jié)果為X1~X2,X3~X13,也就是1~8 a為第1階段,952 a為第2階段,當(dāng)分類數(shù)為3時(shí),依次類推。
3.1.3 生長(zhǎng)階段劃分 林木生長(zhǎng)階段一般分為幼齡、中齡、近熟齡、成熟齡4類。由于青岡櫟生長(zhǎng)緩慢,所砍伐的18株解析木中,青岡櫟材積平均生長(zhǎng)量曲線與連年生長(zhǎng)量曲線沒(méi)有相交,且研究區(qū)內(nèi)近熟齡,成過(guò)熟齡林較少,無(wú)法判定該地區(qū)青岡櫟的數(shù)量成熟齡以及近、成過(guò)熟齡的年齡節(jié)點(diǎn),因此,本研究考慮將青岡櫟生長(zhǎng)階段僅劃分為幼齡林和中齡林2個(gè)生長(zhǎng)階段,也就是按分類數(shù)為2對(duì)青岡櫟生長(zhǎng)階段進(jìn)行劃分,分別按直徑連年生長(zhǎng)量與樹(shù)高連年生長(zhǎng)量劃分的青岡櫟生長(zhǎng)階段見(jiàn)表5。
表4 有序聚類分析的計(jì)算結(jié)果
表5 各生長(zhǎng)階段的年齡分布
3.2.1 按直徑劃分生長(zhǎng)階段 依據(jù)林木直徑連年生長(zhǎng)量,采用有序聚類的方法對(duì)青岡櫟生長(zhǎng)階段進(jìn)行劃分,幼齡階段為136 a,中齡階段為3 752 a。本研究分別幼齡階段與中齡階段擬合胸徑的生長(zhǎng)方程,即12株建模解析木中,年齡在136 a的解析木構(gòu)建生長(zhǎng)方程,年齡在3 752 a的解析木構(gòu)建另一個(gè)生長(zhǎng)方程。分別采用修正Weibull函數(shù)、Logistic方程以及Richards方程擬合青岡櫟幼齡與中齡階段的生長(zhǎng)方程,擬合結(jié)果見(jiàn)表6。
由表6可知,擬合幼齡階段的胸徑生長(zhǎng)方程中,Richards方程在評(píng)價(jià)指標(biāo)決定系數(shù)R2(0.898)與均方根誤差RMSE(1.30)上均優(yōu)于修正Weibull函數(shù)與Logistic方程;擬合中齡階段的胸徑生長(zhǎng)方程中,Logistic方程在評(píng)價(jià)指標(biāo)決定系數(shù)R2(0.882)與均方根誤差RMSE(0.58)上均優(yōu)于修正Weibull函數(shù)與Richards方程,因此,可以確定幼齡階段的最優(yōu)胸徑生長(zhǎng)方程為Richards方程,中齡階段的最優(yōu)胸徑生長(zhǎng)方程為L(zhǎng)ogistic方程,2個(gè)方程公式為: