高謝雨,董利虎,郝元朔

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

森林生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,是人類木材的主要來源。隨著國內(nèi)天然林保護(hù)工程的實施,木材的供應(yīng)主要依賴于人工林[1]。因此,如何提高人工林的出材量及出材率已成為人工林研究中的重要課題。干形是影響林木材積以及材種出材量的重要因素,提升樹木干形是提高林分出材量和質(zhì)量的重要手段[2-4]。

撫育間伐是一種重要的森林經(jīng)營措施,會對林分生長、林分結(jié)構(gòu)、森林環(huán)境及生物多樣性等產(chǎn)生影響[5-6],有助于增強(qiáng)林分抵御病蟲害和抗自然干擾的能力,在改善林分結(jié)構(gòu)、優(yōu)化林分環(huán)境、提高林分產(chǎn)量和質(zhì)量方面發(fā)揮著重要的作用[7]。撫育間伐通過移除林分內(nèi)的部分樹木來優(yōu)化林分密度,可以增加保留木所獲得的光照量,從而提高保留木的生長速度[8],優(yōu)化樹木干形并提高林分的產(chǎn)量。長期以來,對樹木干形的研究需要建立在大量解析木數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,即將樹木伐倒并測量樹干上不同高度處的直徑,該方法雖能精確獲取樹木的干形信息,但該方法費(fèi)時費(fèi)力,無法實現(xiàn)大面積取樣及測量。

地基激光雷達(dá)(terrestrial laser scanning,TLS)是一種新興的森林調(diào)查技術(shù),可以通過高精度的掃描點(diǎn)云提供非破壞性的樹木三維結(jié)構(gòu)信息[9-12],實現(xiàn)精確的樹干幾何重建[13]。近年來,地基激光雷達(dá)技術(shù)被越來越多地用在林木干形的研究中,Saarinen等[14]利用TLS點(diǎn)云數(shù)據(jù)評估了不同樣本數(shù)量對構(gòu)建削度方程以及預(yù)估材積精度的影響,表明使用TLS提取的干形數(shù)據(jù)可以減少構(gòu)建削度方程對于樣本數(shù)量的需求,并仍能獲得較高的材積估計精度。Ville等[15]采用兩期地基激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析了不同森林類型中的林木干形在5年內(nèi)的動態(tài)變化,證明了使用地基激光雷達(dá)連續(xù)觀測林木干形的可行性。顧海波等[16]使用地基激光雷達(dá)數(shù)據(jù)分析了不同造林密度對楊樹干形的影響。Saarinen等[17]利用激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析了不同間伐處理包括間伐方式與間伐強(qiáng)度對樟子松樹干生長的影響。但是目前國內(nèi)使用地基激光雷達(dá)進(jìn)行林木干形分析及探究不同間伐方案對樹木干形影響的研究較少。

長白落葉松(黃花落葉松,Larixolgensis)是我國東北地區(qū)重要的用材和生態(tài)樹種,是東北地區(qū)主要三大針葉用材林樹種之一。如何通過科學(xué)的經(jīng)營管理提高落葉松木材產(chǎn)量與質(zhì)量是當(dāng)前東北地區(qū)森林經(jīng)營中的重要研究課題。因此,本研究以長白落葉松人工林為例探究使用地基激光雷達(dá)獲取樹木干形特征的可行性,并進(jìn)一步分析不同撫育間伐方案對長白落葉松人工林干形的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)獲取

本研究區(qū)域位于黑龍江省佳木斯市樺南縣孟家崗林場(130°32′42″～130°52′36″E,46°20′16″～46°30′50″N),林場地處完達(dá)山西麓余脈,地勢東北高而西南低,平均海拔為250 m,土壤以典型暗棕壤為主。該區(qū)域年平均氣溫2.7 ℃,最高氣溫35.6 ℃,最低氣溫-34.7 ℃,年平均降水量550 mm。全年日照時數(shù)1 955 h。林場是以針葉樹種為主的人工林用材基地,其中長白落葉松人工林面積約占林場有林地面積的1/3。

本研究所采用的密度控制實驗區(qū)域總面積為5 hm2,試驗區(qū)位置如圖1a所示。該林分于1958年春季造林,初植密度為6 600株/hm2,試驗區(qū)被劃分為5個林分,分別設(shè)置5種長期、多次和不同株數(shù)強(qiáng)度的間伐方案,間伐方式均為下層疏伐[18],疏伐對象主要為林冠下層生長落后、徑級較小的被壓木,每次撫育間伐時均將枯死木和疏伐的活立木的枝椏和干材移出林地,而根樁、根系和針葉留存系統(tǒng)。各林分撫育間伐方案如表1所示,其中林分1為對照區(qū)(每次間伐僅移除枯立木);林分2分別于1975、1982、1987、2001年進(jìn)行4次低強(qiáng)度間伐處理;林分3分別于1975、1982、2001年進(jìn)行3次中強(qiáng)度間伐處理;林分4分別于1975、2001年進(jìn)行2次中強(qiáng)度間伐處理;林分5分別于林齡1975、2001年進(jìn)行2次高強(qiáng)度間伐處理。

圖1 研究區(qū)域及激光雷達(dá)掃描示意圖Fig. 1 Study area and TLS scanning diagram

表1 不同林分間伐方案

分別在5個林分的中央位置設(shè)置固定樣地,其中樣地1—樣地4面積為0.2 hm2(40 m×50 m),樣地5面積為0.14 hm2(40 m×35 m)。

2020年7月對5個樣地進(jìn)行了復(fù)測,記錄每塊樣地中的樹木的狀態(tài)、胸徑、冠幅、樹高及枝下高等基本測樹因子,并利用RTK(real-time kinematic)對樣地內(nèi)所有單木進(jìn)行定位,樣地基本調(diào)查因子見表2。由表2可見,不同的間伐方式導(dǎo)致了林分密度差距較小,并未產(chǎn)生不同的密度梯度。5個不同林分之間的林分?jǐn)嗝娣e接近,都在40 m2/hm2左右。其中林分4南部為無林地,缺少樹木遮擋,產(chǎn)生了一定數(shù)量的風(fēng)倒木,株數(shù)密度和林分每公頃斷面積都較小。

表2 樣地調(diào)查信息表

1.2 數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

本研究使用RIEGL VZ-400i激光掃描儀進(jìn)行TLS數(shù)據(jù)采集,傳感器激光波長為近紅外,激光發(fā)射頻率為1 200 kHz,測量精度5 mm,最大測量范圍800 m,垂直掃面角度為100°(+60°/-40°),水平掃描角度為360°。在每塊標(biāo)準(zhǔn)地中按矩形設(shè)置3×4共12個掃描站(圖1c),在每個掃描站附近放置反射片,并使用RTK對每個反射片進(jìn)行定位,在實際架設(shè)地基激光雷達(dá)進(jìn)行掃描時盡可能地與附近較大的樹木保持距離,盡量避免大樹對激光雷達(dá)視野的遮擋。在內(nèi)業(yè)處理中首先使用掃描儀配套軟件RISCAN PRO進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接與配準(zhǔn),隨后以樣地邊界向外設(shè)置5 m緩沖區(qū)對配準(zhǔn)點(diǎn)云裁剪得到樣地點(diǎn)云,目的是保證后續(xù)處理中樣地邊緣單木點(diǎn)云的完整性,拼接后的點(diǎn)云示意圖如圖1b。在此基礎(chǔ)上,利用漸進(jìn)加密三角網(wǎng)濾波算法進(jìn)行地面點(diǎn)分類[19],隨后對地面點(diǎn)插值生成數(shù)字高程模型進(jìn)而對樣地點(diǎn)云進(jìn)行高度歸一化處理,以消除地形起伏對點(diǎn)云數(shù)據(jù)高程值的影響。

1.3 基于TLS的單木特征參數(shù)提取

1.3.1 單木點(diǎn)云分割與匹配

從樣地點(diǎn)云中分離得到單株樹木點(diǎn)云是基于TLS單木干形分析的基礎(chǔ),本研究采用Tao等[20]提出的比較最短路徑法(comparative shortest-path)進(jìn)行單木分割。該方法首先在歸一化點(diǎn)云1.3 m高度截取10 cm厚度的樹干點(diǎn)云切片,采用基于密度的噪聲空間聚類算法(DBSCAN)進(jìn)行單木樹干檢測,并使用圓形擬合的方式得到探測單木胸徑(DBH,Det)。在此基礎(chǔ)上,對待分割點(diǎn)云進(jìn)行逐點(diǎn)遍歷,以該點(diǎn)到所有探測樹干路徑的距離最短為原則進(jìn)行聚類,待遍歷完成得到單木點(diǎn)云分割的結(jié)果。分割得到的單木點(diǎn)云中的最高點(diǎn)的高度即為探測樹高(HDet),該點(diǎn)的位置(XDet,YDet)定義為樹木的X、Y坐標(biāo)位置。

對于分割的單木點(diǎn)云,本研究按照如下規(guī)則對探測單木與實測單木進(jìn)行自動匹配。

式中:DBH,Ref、XRef和YRef分別代表實測單木的胸徑及X、Y坐標(biāo);DBH,Det、XDet和YDet分別代表分割點(diǎn)云探測單木的胸徑及X、Y坐標(biāo)。

在自動匹配的基礎(chǔ)上,對實測單木和探測單木進(jìn)行目視檢查,移除枯立木、林下植被以及樣地邊緣緩沖區(qū)內(nèi)的探測單木,最終得到與實測單木一對一匹配的單木分割點(diǎn)云的結(jié)果。

1.3.2 枝干點(diǎn)云分離與不同高度處直徑提取

對于分割得到的單木點(diǎn)云,本研究進(jìn)一步將點(diǎn)云分為樹干點(diǎn)和非樹干點(diǎn)以便進(jìn)一步提取樹干形狀特征。由于長白落葉松樹干通直,主干明顯,本研究參考Yrttimaa等[21]的研究,即遵循樹干比樹枝點(diǎn)具有更多的垂直、圓柱形特征的基本假設(shè),首先從樹木胸徑位置開始分別向樹梢和樹根兩端將點(diǎn)云劃分為20 cm厚的點(diǎn)云切片,并采用隨機(jī)采樣一致(random sample consensus,RANSAC)算法進(jìn)行圓柱擬合,排除離群點(diǎn)視為樹枝點(diǎn)云,剩余點(diǎn)云即為樹干點(diǎn)云。

對所獲取的樹干點(diǎn)云數(shù)據(jù)自下而上按照垂直高度每10 cm進(jìn)行切片,分別對每一段的點(diǎn)云數(shù)據(jù)投影到二維平面進(jìn)行圓擬合并測量直徑。對于通過平滑的三次樣條函數(shù)對缺失值和異常值進(jìn)行插值處理,最終得到樹干不同高度處直徑?；赥LS的無損樹干材積測量值(VDet)由每10 cm處測得的直徑利用平均斷面積區(qū)分求積得到。

為了評估地基激光雷達(dá)獲取單木參數(shù)的準(zhǔn)確性,將基于TLS提取的胸徑、樹高與樣地每木檢尺獲得的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。由于干形的不同高度處直徑數(shù)據(jù)不容易與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度檢驗,單木材積從某種程度上也可以反映點(diǎn)云數(shù)據(jù)對樹干形狀的模擬效果,材積檢驗的精度越高,可以表明點(diǎn)云數(shù)據(jù)對樹干形狀的模擬效果越好。本研究利用韓飛[1]構(gòu)建的同地區(qū)的高精度長白落葉松削度方程積分求得的材積作為相對真值對TLS無損測量材積VDet進(jìn)行檢驗。采用平均誤差(ME)、平均絕對誤差(MAE)、平均絕對誤差百分比(MAPE)、均方根誤差(RMSE)、相關(guān)系數(shù)(R)5個指標(biāo)對單木參數(shù)提取精度進(jìn)行評價。

1.4 基于TLS的干形指標(biāo)計算

利用由激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)所提取的單木參數(shù),分別計算表3中的干形特征因子,評估5種不同林分的干形差異。其中胸高形數(shù)(f1.3)、胸高形率(q2)和高徑比(RHD)是傳統(tǒng)的表示樹木干形的指標(biāo)。為量化樹干不同位置處的形狀差異,本研究選取樹干的分段材積及材積占比進(jìn)一步評估撫育間伐對樹木干形的影響。為了分別反映樹干上下部分的尖削程度,將樹干從樹干底部60%處分為上下兩部分,采用樹干下部頂端直徑(d0.6)與胸徑(D)的比值(qbot)來反映樹干下部尖削程度,比值越小表示下部直徑減小程度越大,說明樹干下部削度越大,干形越尖削。樹干上部削度采用樹干上部高徑比(qtop)表示,該值為頂端長度與60%樹高(H0.6)處直徑(d0.6)的比值,該比值越大,上部削度則越小。此外,樹木的根張程度是樹干形狀的一個重要部分,本研究設(shè)置根張系數(shù)(q0.15)即15%樹高處的直徑(d0.15)與地徑(d0)的比值和胸徑與地徑的比值(qb)來反映不同林分中落葉松根張的程度。同時在與樹木大小無關(guān)的干形指標(biāo)中,按照等斷面積分級法將樹木分為大、中、小3個等級反映間伐方案對同一林分內(nèi)不同大小樹木干形的影響。為了反映不同林分之間干形的差異顯著性,在不同林分中的干形指標(biāo)之間采用多重比較的方法對組間差異進(jìn)行顯著性檢驗。

表3 基于TLS的干形指標(biāo)

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。The different lowercase letters indicate a significant different among the different treatments(P<0.05).The same below.圖2 不同間伐方案對樹木大小的影響Fig. 2 Effects of different thinning measures on tree size

1.5 基于TLS的理論造材分析

干形是影響材種出材量和林分經(jīng)濟(jì)價值的重要因素,更大的直徑和更飽滿的干形可以提高林分出材量和大、中徑材出材量。因此,本研究繼續(xù)從經(jīng)濟(jì)價值方面評價不同間伐方案對落葉松人工林干形的影響。

在進(jìn)行商品材材積計算的時候需要計算去皮材積,而地基激光雷達(dá)(TLS)無法獲取樹干各部位的去皮直徑,因此本研究采用韓飛[1]構(gòu)建的同地區(qū)長白落葉松人工林去皮直徑預(yù)估模型將基于TLS的帶皮直徑轉(zhuǎn)換為去皮直徑進(jìn)行理論造材分析。根據(jù)國家木材標(biāo)準(zhǔn)將去皮直徑≥6 cm劃分為商品材,去皮直徑≥26 cm劃分為大徑材,去皮直徑≥20 cm劃分為中徑材[22]。選擇林分蓄積(VT, m3/hm2)、商品材出材量(V1, m3/hm2,去皮直徑≥6 cm)、大徑材出材量(V2, m3/hm2,去皮直徑≥26 cm)、中徑材出材量(V3, m3/hm2,去皮直徑≥20 cm)、商品材出材率(r1)和大、中徑材出材率(r2、r3)作為不同林分的干形經(jīng)濟(jì)價值指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單木參數(shù)提取精度

基于TLS最終得到的與實測單木一對一匹配的單木點(diǎn)云的結(jié)果共計1 014棵樣木與樣地實測數(shù)據(jù)進(jìn)行精度驗證,TLS的單木參數(shù)提取精度見表4。地基激光雷達(dá)對胸徑的提取精度較高,平均誤差和平均絕對誤差僅為-0.39和0.61,絕對誤差百分比僅為2.86%,均方根誤差僅為0.83。樹高的提取精度比胸徑稍差,平均誤差-0.26,平均絕對誤差0.72,平均絕對誤差百分比為3.12%。點(diǎn)云數(shù)據(jù)對材積的提取精度較高,平均絕對誤差0.03,平均絕對誤差百分比為7.98%,材積相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98。總體來看,基于激光雷達(dá)數(shù)據(jù)提取的胸徑、樹高和材積均達(dá)到了較高的精度。

表4 TLS參數(shù)提取精度

2.2 不同間伐措施對干形的影響

從表示樹木絕對大小的指標(biāo)中可以看出(圖2),間伐可以促進(jìn)保留樹木的直徑生長,在經(jīng)過間伐處理的林分中,林木的胸徑大于未經(jīng)間伐處理的對照林分,其中林分5的落葉松胸徑最大,而其他3種林分之間胸徑?jīng)]有明顯差異。而不同的林分之間樹高的變化不大,間伐方案對于樹高的影響并不明顯。因為單木材積顯著受到胸徑的影響,所以與胸徑的結(jié)果類似,間伐處理可以提高林分內(nèi)單木材積。

從表示樹木干形的相對指標(biāo)來看(圖3),林分5的高徑比最小,林分1稍大,但與其他3種林分之間差異不明顯。

大、中、小為等斷面積分級法對各林分樹木進(jìn)行分級。Classification of trees using the equal section area classification method for large, medium and small areas.圖3 不同間伐方案對樹木干形的影響Fig. 3 Effects of different thinning measures on stem form

胸高形數(shù)(f1.3)和胸高形率(q2)都是表示樹干形狀的指數(shù),能夠在一定程度上反映樹干的飽滿程度。從這兩個指數(shù)的結(jié)果來看,林分5的兩個參數(shù)均高于另外4種林分,表明這種間伐方案可以產(chǎn)生相對更加飽滿的干形。而林分2和3的幾個干形指標(biāo)都最小。林分1和林分4之間并未產(chǎn)生顯著性差異。

按照等斷面積分級法將各個林分中樹木分為大、中、小3個等級,在各個林分內(nèi)部不同大小樹木之間,除高徑比顯著受到胸徑大小的影響,在林分內(nèi)隨著胸徑的增大而減小(圖3d),其他兩個干形指數(shù)在林分內(nèi)不同大小樹木之間均未產(chǎn)生顯著性差異(圖3e—3f)。

從材積分布的角度來看(圖4),因為胸徑的增大,經(jīng)過間伐處理的林分在樹干下部的材積均大于對照林分,在樹干的中、上部分,林分2和3并沒有提高樹干在這兩部分的材積。各部位材積占比的結(jié)果表明,林分2和3的下部材積占比更大,而林分4和5的兩種間伐方式,使更多的材積分配在樹干的中部和上部。

同一林分內(nèi)不同大小的樹木在材積分布的方式上均較為接近,方差分析結(jié)果表明,同一林分內(nèi)部不同大小的樹木各部位材積占比均未產(chǎn)生顯著性差異。

為了分別反映樹干上下部分的干形的尖削程度,將樹干從樹干底部60%處分為上下兩部分,結(jié)果(圖5)表明,以對照樣地為基準(zhǔn),林分2和3樹干下部頂端直徑與胸徑的比值更小,說明林分2和3在樹干下半部分的削度更大,這與材積分布的結(jié)果相同;而林分2和3在樹干上半部分的削度更小。隨著林分4和林分5整體間伐強(qiáng)度的進(jìn)一步增大,樹干下半部分削度減小,上半部分削度增大。

樹干下部削度在林分內(nèi)不同大小樹木之間未產(chǎn)生顯著性差異。樹干上部削度因為采用上半部分高徑比的方法表示受到樹木直徑的影響,在林分內(nèi)部隨著胸徑的增大而減小,組間差異顯著(P<0.05)。

從所采用的反映根張的兩個指標(biāo)上來看(圖6),兩種指標(biāo)在5種林分之間都沒有明顯的差異,可以表明不同的間伐方案對林分內(nèi)單木的根張程度并沒有產(chǎn)生影響。

圖4 不同間伐方案對樹木材積分布的影響Fig. 4 Effects of different thinning measures on stem volume distribution

圖5 不同間伐方案對樹木分部干形的影響Fig. 5 Effects of different thinning measures on stem forms of different tree parts

圖6 不同間伐方案對樹木根張程度的影響Fig. 6 Effects of different thinning measures on root extension

圖7 不同林分樣地的干形圖Fig. 7 Stem form plot in different plot

采用5個林分中的大中小3種樹木等級的平均胸徑,分別繪制5種林分的干形圖(圖7)。干形圖顯示,間伐處理可以加快保留樹木的直徑生長,其中林分2和3的干曲線幾乎重合,表明這兩種間伐方式對干形產(chǎn)生的影響幾乎相同,在曲線下部較大,表明其在樹干下部的直徑較大,更多的材積生長分配在樹干下部。而林分4和5各部位的直徑均較大,在曲線中部向上微凸,尤其是在大徑樹木處,各林分在下部直徑相差較小,表明其將更多的材積生長分配在樹干中部,與材積分布的結(jié)果相同,產(chǎn)生了更小的中下部削度,和更大的上部削度。

在同種林分內(nèi)不同大小樹木之間,除直徑大小有差別外,各干形曲線走勢幾乎相同,表明同一間伐方案對不同大小樹木的干形影響較小。

2.3 不同間伐措施對林分經(jīng)濟(jì)價值的影響

以地基激光雷達(dá)所提取的不同部位帶皮直徑經(jīng)去皮直徑預(yù)估模型轉(zhuǎn)換為去皮直徑,并對不同間伐方案林分進(jìn)行理論造材,獲得的林分經(jīng)濟(jì)價值指標(biāo)結(jié)果見表5。

從林分經(jīng)濟(jì)價值指標(biāo)結(jié)果中可以看出除了林分4受風(fēng)災(zāi)影響導(dǎo)致蓄積量最小外,未經(jīng)間伐處理的對照樣地林分總蓄積量(VT)最大,林分3的林分總蓄積量較小,林分2和林分5的林分總蓄積量接近。商品材出材量(V1)及出材率的結(jié)果與總蓄積量的結(jié)果類似,不同的間伐方案導(dǎo)致林分的商品材出材量略有差異,但商品材出材率差異不大,林分之間的差異不到1%。

表5 不同間伐措施下的林分經(jīng)濟(jì)價值指標(biāo)

從大、中徑材的出材量與出材率上看,大徑材出材率(r2)與中徑材出材率(r3)規(guī)律一致。未經(jīng)間伐處理的林分1雖然有最高的總蓄積,但是其大、中徑材出材率卻都是各個林分中最小的,而其他的4種間伐方案均提高了林分的大、中徑材出材率。其中林分5在相近的總蓄積量情況下能產(chǎn)出更多的大、中徑材,大、中徑材出材率高于其他林分,尤其是中徑材出材率與未間伐過的對照林分相比提升超過10%;并且,經(jīng)過間伐處理的林分,在進(jìn)行間伐時已經(jīng)獲取了一部分中間利用木材,因此間伐處理可以提高落葉松人工林的經(jīng)濟(jì)價值,其中林分5的間伐處理經(jīng)濟(jì)價值提升最大。

3 討 論

通過地基激光雷達(dá)所獲取的經(jīng)過不同時間不同強(qiáng)度間伐方案的5個林分干形數(shù)據(jù),探究不同間伐方案對林分內(nèi)樹木干形及林分經(jīng)濟(jì)價值的影響。結(jié)果表明,不同間伐方案會對林木干形產(chǎn)生影響,但是同一林分內(nèi)不同大小等級的樹木之間干形差異不顯著。進(jìn)行間伐后,一部分的樹木被移除會釋放出一定的生長空間,導(dǎo)致保留樹木的胸徑和材積的增長[23-24]。同時,間伐對林分內(nèi)樹高的生長沒有影響[25]。伴隨著林分密度的降低,林木的高徑比變小[26],本研究也證明了這一點(diǎn)。表明間伐處理使樹木更側(cè)重于直徑生長而非高度生長,這有利于獲取更多的大、中徑材,其中林分5的間伐方案效果最明顯。在表示林木干形及材積分配的指標(biāo)中,林分5的間伐方案可以產(chǎn)生相對更加飽滿的干形。最終密度相對較大的林分2和3導(dǎo)致了更多的林木材積被分配在樹干的下部,從而導(dǎo)致了更大的削度,而林分4和5有較多的體積分配在樹干中部。而Saarinen等[14]和M?kinen等[27]的研究結(jié)果都表明隨著間伐強(qiáng)度的增大,更小的林分密度會導(dǎo)致樹木將更多的直徑生長分配在樹干下方,產(chǎn)生更大的削度。與本研究結(jié)果產(chǎn)生差異的原因可能是本實驗中采用的間伐方案都是多次不同強(qiáng)度的間伐,不同間伐措施導(dǎo)致的最終密度接近,且相較于同地區(qū)長白落葉松人工林過熟林的密度都較大,并未達(dá)到其適宜密度,這也導(dǎo)致大徑材出材量較少。同時,干形可能對不同的間伐時間和生長周期產(chǎn)生響應(yīng)。本研究中實施最后一次間伐時,林分年齡已達(dá)到43 a,對于北方落葉松人工林來說已經(jīng)達(dá)到成熟林階段[28-29]。此時,林分的連年生長量開始降低,Ville等[15]的研究也表明,在成熟林和過熟林中,表示林木削度的TAP值(胸徑與樹高6 m處直徑的差值),在時隔5年的檢測周期中并沒有明顯變化。因此,在去除掉最后一次間伐后,林分2和3在林分成熟之前受到了更高強(qiáng)度的間伐,導(dǎo)致了更多的材積分配在樹干的下部,與之前的研究結(jié)果相同。在樹干上部的削度中,最終密度最小的林分5在樹干上部擁有更大的削度,原因可能是因為樹冠獲得了較大的生長空間,較大的樹冠導(dǎo)致樹干上部營養(yǎng)分配減少[30],從而導(dǎo)致上部直徑的減小。正如Valentine等[31]在研究樹冠對干形的影響時所提出的,發(fā)育良好的樹冠會導(dǎo)致其內(nèi)部樹干的削度變化加劇。

地面激光雷達(dá)掃描技術(shù)(TLS)通過地面三維激光掃描獲取林木樹高、胸徑、樹冠等測樹因子[32],然后由計算機(jī)軟件計算出各林分變量,并導(dǎo)出林分三維結(jié)構(gòu)模型,它較大程度上改變了傳統(tǒng)的測樹和森林經(jīng)理學(xué)野外調(diào)査方法,能夠大大減少森林調(diào)查的野外工作量和成本。傳統(tǒng)對于干形或者材積生長的研究通常僅限于從胸徑、樹高和某個固定高度容易測得的直徑,以及他們的派生屬性[33]。因此很難具體詳細(xì)地描述樹干在各個部位干形的變化。而當(dāng)想要詳細(xì)描述干形變化或者準(zhǔn)確預(yù)估材積時,就需要大量解析木數(shù)據(jù)進(jìn)行削度方程或材積方程的建模,對模型的精確度要求越高,就需要越大的解析木數(shù)量。這會對森林造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。而本研究也證明了采用地基激光雷達(dá)技術(shù),可以在不破壞森林的前提下,提供更加細(xì)致的樹干形狀信息和無損估計林分立木材積[12,17]。同時,當(dāng)對某個林分進(jìn)行破壞性采樣之后,會不可避免地改變林分環(huán)境,因此很難實現(xiàn)對相同林分的長期監(jiān)測。而利用地基激光雷達(dá)技術(shù),可以實現(xiàn)監(jiān)測林分長期的變化過程[15],因而該技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用具有廣闊的前景。