韓金,王新杰*,張鵬,解雅麟,劉江

不同立地條件下杉木徑生長過程研究

韓金1,王新杰1*,張鵬2,解雅麟1,劉江3

1. 北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院森林經(jīng)理學(xué)科, 北京 100083 2. 北京林業(yè)大學(xué)實驗林場, 北京 100095 3. 烏蘭察布市野生動植物和濕地保護(hù)管理站, 內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000

本研究基于幾種常見的理論生長方程對將樂國有林場不同立地條件下杉木人工林胸徑的生長過程進(jìn)行了擬合，并對不同立地條件下的杉木數(shù)量成熟齡進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：不同立地條件的胸徑生長最優(yōu)方程不同，其中地位指數(shù)為10和18的最優(yōu)模型為Weibull方程，地位指數(shù)為12和16的最優(yōu)模型為Richards方程，地位指數(shù)為14的最優(yōu)模型為Korf方程，不同地位指數(shù)下杉木的數(shù)量成熟齡也有差異，基本上表現(xiàn)為隨著地位指數(shù)的增加而縮短。

地位指數(shù); 生長方程; 平均生長量

杉木()具有生長快、材質(zhì)好、產(chǎn)量高、病蟲害少、用途廣的特點(diǎn)，是中國南方大量種植的用材樹種[1]，如何實現(xiàn)杉木林的速生、高效、優(yōu)質(zhì)、豐產(chǎn)、穩(wěn)定等目標(biāo)是學(xué)者們研究的主要內(nèi)容[2-5]，森林資源質(zhì)量取決于森林經(jīng)營水平和森林生長的立地條件，森林立地是指一定空間內(nèi)對林木生長發(fā)育有影響的所有環(huán)境因子的綜合體[6-9]。地位指數(shù)是一個能夠直觀地反映立地質(zhì)量的數(shù)量指標(biāo)，也是立地質(zhì)量評價中廣泛采用的一種評定方法[10]。林分立地因子與林分生長關(guān)系研究己經(jīng)得到充分重視，1994年，段文標(biāo)等對樟子松在各種立地條件下的生長狀況進(jìn)行了普遍調(diào)查，分析了樟子松生長與其立地條件之間的相互關(guān)系[11]。2002年，閆德仁等對影響內(nèi)蒙古黃土高原華北落葉松人工林的主要立地條件進(jìn)行了分析[12]。周國模等對浙江不同立地條件下的杉木生長進(jìn)行了擬合，并對不同立地條件下的杉木主伐年齡進(jìn)行了研究，為當(dāng)?shù)厣寄窘?jīng)營提供了理論依據(jù)[13]。福建將樂是杉木的主栽區(qū)，在將樂國有林場杉木種植面積3142.37 hm2，約占林場有林地面積的48.3%，為了合理的開展杉木林經(jīng)營，對林場不同條件下杉木的生長分析是有必要的，本文以福建將樂國有林場的杉木純林為研究對象，分不同的地位指數(shù)，分析杉木單木胸徑生長過程，建立適宜的生長模型，并對不同立地條件下的杉木成熟年齡進(jìn)行分析，以期為合理開展杉木經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于福建省將樂國有林場，將樂縣（117°05′-117°40′E，26°26′-27°04′N）位于福建省西北部，屬于中亞熱帶季風(fēng)區(qū)，具有海洋性和大陸性氣候特點(diǎn),年平均溫度18.7 ℃，年平均降雨量2027 mm，年平均蒸發(fā)量1204 mm。境內(nèi)地勢復(fù)雜，以中低山為主，最高峰海拔1640.2 m，最低海拔140 m，境內(nèi)土層深厚，土壤肥沃，土壤以紅壤為主，并分布有黃紅壤，適宜培育以杉木、馬尾松為主的用材林和鄉(xiāng)土珍貴樹種。林場以經(jīng)營用材林為主，用材林面積約為5800 hm2，森林總蓄積量114.3萬m3，森林覆蓋率93.76%，其中杉木純林面積為445.68 hm2，樹齡在3~30年之間。

1.2 數(shù)據(jù)的收集

在將樂國有林場森林資源二類調(diào)查的基礎(chǔ)上，結(jié)合將樂國有林場杉木人工林立地分類圖進(jìn)行踏查，共設(shè)置29塊杉木人工純林標(biāo)準(zhǔn)地，樣地分布見圖1。標(biāo)準(zhǔn)地為陰坡或半陰坡，坡度在27°左右。其中，幼齡林16塊，近熟林4塊，成熟林7塊，過熟林2塊，樣地面積為400~600 m2。調(diào)查樹種、胸徑、樹高、生長狀況等。并根據(jù)林分平均胸徑和平均樹高，在每個標(biāo)準(zhǔn)地中選擇不少于5株平均木和2株優(yōu)勢木做為樣木, 共選取平均木145株平均木和63株優(yōu)勢木，用生長錐在樣木的1.3 m處，分別由南向北和由東向西鉆取2根年輪條，并作好記錄，共鉆取平均木年輪條290根，優(yōu)勢木126根，其中，有28根年輪條（優(yōu)勢木10根，平均木18根）偏離了髓心，在分析時剔除。年輪條內(nèi)業(yè)處理流程見圖2。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置分布圖

圖2 年輪條內(nèi)業(yè)處理流程圖

1.3 徑生長過程方程

本研究選用Richards方程、Weibull方程、Korf方程、Logistic方程和Schumacher方程5個常用于描述樹木生長過程的方程擬合杉木胸徑生長過程，其中Richards方程和Korf方程應(yīng)用最為廣泛[14,15]。5個方程均呈現(xiàn)“S”型分布，而且具有漸近值和拐點(diǎn)，其中，Richards方程、Weibull方程和Korf方程具有可變拐點(diǎn)，而Logistic方程和Schumacher方程的拐點(diǎn)是固定的[16,17]。各理論生長方程的基本信息見表1。

表1 各生長方程的基本信息

利用常見的模型評價指標(biāo)絕對平均殘差（Absolute mean residual,）、均方根誤差（Root mean square error,）和調(diào)整后的決定系數(shù)（The adjusted coefficient of determination, adj-2）對模型進(jìn)行精度評價，選擇擬合精度最高的作為最優(yōu)模型，和的值越接近0而adj-2的值越接近1，說明模型的精度越高[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 立地條件劃分

立地質(zhì)量是決定森林生產(chǎn)力高低的首要因素，立地質(zhì)量評價常采用地位指數(shù)進(jìn)行。地位指數(shù)是指在某一立地上特定基準(zhǔn)年齡時林分優(yōu)勢木的平均高度值，根據(jù)林分優(yōu)勢木平均高與林分優(yōu)勢木年齡的關(guān)系所編制的地位指數(shù)表可查找相應(yīng)立地對應(yīng)的地位指數(shù)。本研究根據(jù)優(yōu)勢木年輪條確定林分年齡，每木檢尺結(jié)果確定優(yōu)勢木樹高，依據(jù)實生杉木林的基準(zhǔn)年齡為20年，以吳仲倫主持編制的“全國(分帶)杉木地位指數(shù)表”[19]對29塊標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行地位指數(shù)劃分。劃分結(jié)果見表2。

表2 不同立地條件標(biāo)準(zhǔn)地基本信息

從上表可以看出，29塊樣地中，地位指數(shù)為10、12、14、16和18 的分別有2、4、7、12塊和4塊樣地。

根據(jù)立地條件劃分結(jié)果，將年輪條依據(jù)立地條件進(jìn)行分類，將同一立地條件的年輪條統(tǒng)一進(jìn)行整理（表3）。地位指數(shù)為10的有24根年輪條，地位指數(shù)為12的有56根，地位指數(shù)為14的有90根，地位指數(shù)為16的有164根，地位指數(shù)為18的有54根。

表3 年輪條數(shù)量統(tǒng)計

2.2 不同立地下杉木徑生長的最優(yōu)模型

運(yùn)用Richards方程、Weibull方程、Korf方程、Logistic方程和Schumacher方程5個模型對不同地位指數(shù)的杉木胸徑生長過程進(jìn)行擬合，并以、、adj-2對模型進(jìn)行精度評價，根據(jù)各模型的評價指標(biāo)，選出不同立地條件下杉木胸徑生長的最優(yōu)模型，評價結(jié)果見表4。

表4 不同立地條件下生長方程精度比較

從上表可以看出，不同的生長方程其擬合精度不同，其中對于地位指數(shù)10的胸徑生長過程，含有三個參數(shù)的生長方程中，Weibull方程的擬合精度最高，、、adj-2分別為0.0051、0.1599和0.9983，且與含有兩個參數(shù)方程的差異顯著（=61.57，<0.01），所以選擇Weibull方程作為擬合地位指數(shù)10的胸徑生長過程最優(yōu)方程；對于地位指數(shù)12的胸徑生長過程，含有三個參數(shù)的生長方程中，Richards方程的擬合精度最高，、、adj-2分別為0.0257、1.0868和0.9752，且與含有兩個參數(shù)方程的差異顯著（=8.33，<0.01），所以選擇Richards方程作為擬合地位指數(shù)12的生長過程最優(yōu)方程；對于地位指數(shù)14的杉木胸徑生長過程，含有三個參數(shù)的生長方程中，Korf方程的擬合精度最高，、、adj-2分別為0.0017、1.1461和0.9437，且與含有兩個參數(shù)方程的差異顯著（=8.33，<0.01），所以選擇Korf方程作為擬合地位指數(shù)14的杉木胸徑生長過程的最優(yōu)方程；對于地位指數(shù)16的杉木胸徑生長過程，含有三個參數(shù)的生長方程中，Richards方程的擬合精度最高，、、adj-2分別為0.0175、1.0967和0.9435，且與含有兩個參數(shù)方程的差異顯著（=8.33，<0.01），所以選擇Richards方程作為擬合地位指數(shù)16的杉木胸徑生長過程的最優(yōu)方程；對于地位指數(shù)18的杉木胸徑生長過程，含有三個參數(shù)的生長方程中，Weibull方程的擬合精度最高，、、adj-2分別為0.0004、1.2146和0.9351，且與含有兩個參數(shù)方程的差異顯著（=8.33，<0.01），所以選擇Weibull方程作為擬合地位指數(shù)18的杉木胸徑生長過程的最優(yōu)方程。各地位指數(shù)的胸徑生長最優(yōu)模型方程見表5。

表5 各地位指數(shù)的胸徑生長最優(yōu)模型方程

2.3 不同立地下杉木生長量變化的比較

以各地位指數(shù)的胸徑生長最優(yōu)模型，繪制不同地位指數(shù)的杉木胸徑平均生長量和連年生長量的變化過程，見圖3，從圖中可以看出，在各個地位指數(shù)條件下，杉木胸徑的平均生長量和連年生長量在起初階段都處于增長趨勢，且連年生長量比平均生長量增長得更快，經(jīng)過幾年的生長，連年生長量達(dá)到最大值，之后開始下降，而平均生長量此段時期仍處在上升階段，再經(jīng)過幾年的生長，平均生長量與連年生長量出現(xiàn)交集點(diǎn)，平均生長量達(dá)到最大，此時稱為數(shù)量成熟齡，可以作為合理采伐年齡的依據(jù)。

注：A、B、C、D、E分別指地位指數(shù)為10、12、14、16、18。Note:A, B, C, D and E respectively refer to the status index of 10, 12, 14, 16 and 18.

不同地位指數(shù)條件下，連年生長量達(dá)到最大值的年齡有差別，地位指數(shù)為10的在第15年左右達(dá)到最大，地位指數(shù)12的在13年左右達(dá)到最大，地位指數(shù)14的在8年左右達(dá)到最大，地位指數(shù)16的在10年左右達(dá)到最大，而地位指數(shù)18的立地條件下的杉木在12年達(dá)到胸徑連年生長量的最大值。隨著地位指數(shù)的增加，杉木胸徑的連年生長量達(dá)到最大值的年限先減小后增大，地位指數(shù)為14時所用年限最短為8年即達(dá)到最大值。

不同地位指數(shù)條件下，平均生長量達(dá)到最大值的年齡也有差別，即連年生長量等于平均生長量的年齡有差別，其中地位指數(shù)為10的在第24年至25年左右，地位指數(shù)12的在23年左右達(dá)到最大，地位指數(shù)14和地位指數(shù)16的在第17年左右，而地位指數(shù)18的在16-17年左右達(dá)到數(shù)量成熟齡。

3 討 論

周國模等人在計算浙江杉木數(shù)量成熟齡時認(rèn)為杉木人工林?jǐn)?shù)量成熟齡隨著林分地位指數(shù)的增加而減少[13]，這與本研究的結(jié)論基本一致，關(guān)于數(shù)量成熟齡的結(jié)論為地位指數(shù)10的數(shù)量成熟齡為29年，地位指數(shù)12和14的為27~28年，地位指數(shù)16的為26~27年，地位指數(shù)18的為24~25年，成熟年齡的結(jié)果與本研究的結(jié)果相比，年齡更長，可能是由于地理位置不同，導(dǎo)致林木接收到的光溫水等環(huán)境因子的差異引起的，也可能與本研究的取樣沒有覆蓋各個立地條件下的各個生長階段有關(guān)。此外，本文在劃分立地條件時僅以地位指數(shù)作為分類依據(jù)，而沒有考慮地形地貌、坡向、坡度、坡位以及海拔等信息，在以后的研究中可以綜合這些因素和地位指數(shù)作為立地條件劃分的依據(jù)。同時由于一些客觀條件的影響，在年輪條樣本采集上沒有完全覆蓋各個立地條件下的各個生長階段，導(dǎo)致出現(xiàn)地位指數(shù)18的杉木生長變化過程只能預(yù)測到18年，在以后會進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié) 論

本研究基于幾種常見的理論生長方程分析了將樂國有林場不同地位指數(shù)條件下杉木人工純林胸徑的生長過程，在不同地位指數(shù)條件下，杉木胸徑的最優(yōu)生長方程不同，其中地位指數(shù)為10和18的最優(yōu)模型為Weibull方程，地位指數(shù)為12和16的最優(yōu)模型為Richards方程，地位指數(shù)為14的最優(yōu)模型為Korf方程。不同地位指數(shù)條件下，連年生長量達(dá)到最大值的年齡有差別，隨著地位指數(shù)的增加，杉木胸徑的連年生長量達(dá)到最大值的年限先減小后增大，地位指數(shù)為14時所用年限最短為8年即達(dá)到最大值。不同地位指數(shù)條件下，數(shù)量成熟齡也有差異，地位指數(shù)10、12、14、16、18達(dá)到數(shù)量成熟齡的年限分別為24年至25年，23年，17年，16年，16年至17年，表現(xiàn)為隨著地位指數(shù)的增加而縮短。

[1] 張鵬.不同間伐強(qiáng)度杉木人工林林分結(jié)構(gòu)及生長分析[D].北京:北京林業(yè)大學(xué),2015

[2] 林開敏,俞新妥.杉木人工林地力衰退與可持續(xù)經(jīng)營[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2001,9(4):39-42

[3] 林思祖,張世彪.杉木人工林合理經(jīng)營密度[J].福建林學(xué)院學(xué)報,1988,8(4):333-339

[4] 林同龍.杉木人工林近自然經(jīng)營技術(shù)的應(yīng)用效果研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2012,32(3):11-16

[5] 車少輝,張建國,段愛國,等.杉木人工林胸徑生長神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué) 版),2012,40(3): 84-92

[6] 中國森林立地分類編寫組.中國森林立地分類[M].北京:中國林業(yè)出版社,1989

[7] 顧云春.森林立地分類原理的探討[J].林業(yè)科學(xué),1991,27(3):246-252

[8] 高兆蔚.福建省森林立地分類的研究[J].福建林業(yè)科技,1992,19(3):22-27

[9] 張志云,蔡學(xué)林,歐陽勛志.森林立地研究綜述[J].江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,1997,19(6):166-173

[10] 朱光玉,呂勇,林輝,等.三種線性模型在杉木與馬尾松地位指數(shù)相關(guān)關(guān)系研究中的比較[J].生態(tài)學(xué) 報,2010,30(21):5862-5867

[11] 段文標(biāo),趙雨森,陳立新.樟子松人工林生長與立地因子間關(guān)系的研究[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,1994,22(5):1-6

[12] 閆德仁,郭常云,阿騰格,等.黃土高原華北落葉松人工林生長動態(tài)的研究[J].內(nèi)蒙古林業(yè)科技,2002(2):3-5

[13] 周國模,郭仁鑒,韋新良,等.浙江省杉木人工林生長模型及主伐年齡的確定[J].浙江林學(xué)院學(xué)報, 2001,18(3):219-222

[14] Bontemps J, Duplat P. A non-asymptotic sigmoid growth curve for top height growth in forest stands[J]. Forestry, 2012,85(3):353-367

[15] Rugmini P, Jayaraman K. Intrinsic units of growth for teak trees[J]. Tree-Structure and Function, 2009,23(1):51-58

[16] Zhang J, Duan A, Sun H,. Self-thinning and growth modelling for even-aged Chinese fir ((Lamb.) hook.) stands[M]. Beijing: Science Press, 2011

[17] 張建國,段愛國.理論生長方程對杉木人工林林分直徑結(jié)構(gòu)的模擬研究[J].林業(yè)科學(xué),2003,39(6):55-61

[18] Castedo Dorado F, Diéguez-Aranda U, Anta MB,. A generalized height--diameter model including random components for radiata pine plantations in northwestern Spain[J]. Forest Ecology and Management, 2006,229(1-3):202-213

[19] 杉木栽培科研協(xié)作組.全國杉木實生地位指數(shù)表的編制與應(yīng)用[J].林業(yè)科學(xué),1982,18(3):266-278

Study on the Growth Process ofDiameter under Different Site Conditions

HAN Jin1, WANG Xin-jie1*, ZHANG Peng2, XIE Ya-lin1, LIU Jiang3

1.100083,2.100095,3.012000,

Based on several common growth equations, we fitted the growth process of DBH of Chinese fir plantation under different site conditions in Jiangle state-owned forest farm and analyzed the mature age of Chinese fir under different site conditions. Results show that the optimal DBH growth equation under the different site conditions is different, the optimal model with position index 10 and 18 is Weibull equation, the optimal model with status index 12 and 16 is Richards equation, the optimal model with status index 14 is Korf equation, the mature age of Cunninghamia lanceolata under different status index was also different and it decreases with the increase of status index.

Site index; growth equation; average increment

S791.27

A

1000-2324(2019)05-0768-06

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.05.007

2018-04-21

2018-08-09

林業(yè)公益性行業(yè)科研專項林改后南方林地可持續(xù)經(jīng)營關(guān)鍵技術(shù)研究與集成示范(201004008)

韓金(1991-),男,碩士研究生,主要研究森林可持續(xù)經(jīng)營. E-mail:tshanjin@foxmail.com

Author for correspondence. E-mail:xinjiew@bjfu.edu.cn