韓學(xué)利，張宇彤，孫帥超

(陜西省珍稀野生動物搶救飼養(yǎng)研究中心，陜西 周至 710400)

1 引言

樹木年輪不僅記錄了樹木自身的年齡，而且從樹木年輪的變化中，我們可以了解到樹木歷年的生長情況、撫育管理措施等信息。對樹木年輪資料的獲取多采用切割樹盤做解析木，但是，獲取、處理和打磨圓盤既費工又費時，而且解析木法具有破壞性，在諸如保護(hù)樹種和自然保護(hù)區(qū)內(nèi)，或者是需要長期連續(xù)觀測調(diào)查的樣地中，這種方法并不可行[1]。較為快捷、經(jīng)濟而又對環(huán)境影響較小的抽樣方法就是用生長錐采集木芯樣本。

隨著計算機處理技術(shù)的飛躍發(fā)展，使得設(shè)計出一套自動識別定標(biāo)樹木年輪的系統(tǒng)成為可能，將計算機圖像處理和分析技術(shù)融入到樹木年輪的自動識別中有著非常重要的意義。但是目前對于年輪圖像的自動識別和分析的研究還不是很多，用于年輪分析的儀器主要是樹木年輪分析系統(tǒng)，如加拿大REGENT公司的WinDENDRO和德國Frank Rinn公司的LINTAB[2]。本研究中使用的年輪分析系統(tǒng)為WinDENDRO。

目前，對木芯樣本分析得到的年輪資料主要用于建立不同區(qū)域長時期的樹輪年表，重建過去一定年代的氣候特征[3-4]，揭示森林的自然或人為干擾歷史及對森林群落結(jié)構(gòu)的影響[5]，以及探討大氣CO2濃度增加等全球氣候變化問題[6]。此外，這些年輪資料可以提供寶貴的樹木年齡和直徑連年生長量數(shù)據(jù)，用于建立樹木生長模型來預(yù)測森林的動態(tài)變化，進(jìn)而為森林經(jīng)營方案的制訂提供依據(jù)。如Schr?der等[7]利用木芯樣本數(shù)據(jù)結(jié)合臨時樣地數(shù)據(jù)構(gòu)建出了西班牙南歐海松單樹水平的斷面積生長模型。陜西省樓觀臺實驗林場缺乏連續(xù)觀測的森林調(diào)查數(shù)據(jù)，從而限制了生長收獲模型的構(gòu)建和對樹木生長過程的研究。

本研究的目的在于通過對采集的木芯樣本年輪寬度進(jìn)行分析，對WinDENDRO年輪分析系統(tǒng)的使用注意事項和實際操作中的一些技巧做一個簡單的介紹，以便同行參考。同時，應(yīng)用木芯樣本的分析數(shù)據(jù)，對樹木的直徑連年生長量、早晚材生長率和不同方向直徑的生長量進(jìn)行分析研究。

2 材料和方法

2.1 木芯樣本來源

本研究中的所有木芯樣本均取自2012-2013年在陜西省樓觀臺實驗林場和陜西省寧東林業(yè)局對秦嶺林區(qū)四個主要樹種(油松、落葉松、華山松和銳齒櫟)進(jìn)行的森林經(jīng)理調(diào)查，包括角規(guī)繞測調(diào)查、臨時樣地調(diào)查和固定樣地調(diào)查，共297個木芯樣本。

2.2 樣本采集

角規(guī)繞測調(diào)查中，一個小班內(nèi)至少選取一株優(yōu)勢樹種接近平均直徑的樹木和優(yōu)勢樹木分別打生長錐取木芯。樣地調(diào)查中，選取每個樣地中優(yōu)勢樹種接近平均直徑的樹木和優(yōu)勢樹木分別打生長錐取木芯。通常在每個樣木的東西和南北方向分別取木芯樣本。在2012年的調(diào)查中木芯樣本均取自胸徑處，而在2013年的調(diào)查中增加了地徑處木芯樣本的鉆取。

2.3 樣本預(yù)處理

2.3.1 樣本固定 在木芯樣本風(fēng)干以后，用膠水將完全干燥的木芯樣本粘在樣本板上，并貼上標(biāo)簽紙標(biāo)記樣本信息。樣本板是根據(jù)木芯的直徑制作的固定木條，樣本板中央槽溝的寬度與木芯的直徑相當(dāng)，深度不超過木芯直徑的一半，用于放置和固定木芯。需要注意的是，固定木芯時盡量讓有髓心的一側(cè)朝上，以減少不必要的測量誤差。在所有木芯樣本中有部分已經(jīng)折斷，在處理時盡量將斷口準(zhǔn)確對齊后粘在樣本板上，不能輕易丟棄。

2.3.2 樣本打磨 待粘在樣本板上的木芯樣本晾干后，按順序先后使用粗砂紙(P280或P320)、細(xì)砂紙(P800或P1000)打磨木芯樣本，直至樣本表面平整、光滑、明亮，盡量能清晰地看到每一條樹木年輪。所選砂紙型號按GB 9258-88的規(guī)定。在實際操作中，如果木芯樣本較難打磨，可以用砂布(P80或P100)代替粗砂紙。

2.4 樣本掃描

使用WinDENDRO年輪分析系統(tǒng)配套的掃描儀對木芯樣本進(jìn)行掃描。掃描時將木芯樣本正面向下，水平放置于掃描儀的掃描區(qū)域。WinDENDRO中一共有三種圖像保存格式：jpeg(*.jpg)、tiff(*.tif)和bitmap(*.bmp)，本次實驗中選擇tiff格式來保存木芯掃描圖像。在每次掃描前都要進(jìn)行圖像預(yù)覽，因此，當(dāng)需要掃描的木芯樣本數(shù)量較多時，可以將多個樣本并排放在掃描區(qū)域分別掃描，以節(jié)省圖像預(yù)覽的時間

2.5 木芯樣本分析

使用WinDENDRO年輪分析系統(tǒng)對木芯樣本的掃描圖像進(jìn)行分析。WinDENDRO可以進(jìn)行年輪寬度和密度兩方面的分析，對于生長錐木芯主要進(jìn)行年輪寬度的分析。

2.5.1 路徑創(chuàng)建和年輪自動識別 加載完木芯圖像后，WinDENDRO需要指明被測年輪的位置，此時需要人工的在圖像上創(chuàng)建路徑。路徑創(chuàng)建的起點從髓心開始，終點到樹皮方向，起點和終點均不能太靠近圖像的邊緣，否則WinDENDRO有可能自動關(guān)閉。

創(chuàng)建路徑時需要定義木芯樣本的信息，包括樹木標(biāo)識、位置標(biāo)識、樣本樹木高度、最末年輪時間等(圖1)。其中樹木標(biāo)識和最末年輪時間兩項是必須填寫的，前者是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制格式后測量序列的唯一標(biāo)識；后者與定年有關(guān)，且最末年輪的年代不一定是木芯的采集時間，比如在生長季節(jié)采集的樣本，當(dāng)年的晚材尚未形成，則不測量最外一輪，而輸入前一年的年份[8]。

圖1 Identification窗口

年輪自動識別時，需要設(shè)定年輪自動識別的參數(shù)，年輪邊界線有垂直和相切兩種界定方式，一般選擇相切的方式(圖2)。

圖2 年輪自動識別參數(shù)設(shè)置

2.5.2 人工判讀確認(rèn) 路徑創(chuàng)建完成后，即產(chǎn)生了年輪寬度及與之相關(guān)的測量數(shù)據(jù)。自動完成識別后，還需要通過人工的判讀來對識別結(jié)果作仔細(xì)觀察修改，使每個年輪標(biāo)志短線代表一個真正的年輪界限。在活動路徑內(nèi)，如果存在遺漏的年輪，用鼠標(biāo)在應(yīng)該存在年輪界限的位置單擊一次，即可增加一條年輪邊界短線。如果存在多選年輪或偽年輪，將鼠標(biāo)停留在所要刪除的偽輪邊界短線上，當(dāng)其呈黃色時，表明已經(jīng)選中，單擊刪除該年輪短線或按“Delete”鍵刪除。

自動識別的邊界短線經(jīng)常會偏離正確位置，需要調(diào)整邊界短線的位置。按住“Shift”鍵，用鼠標(biāo)點擊邊界線中央拖動到適合的位置?；蛘邔⑹髽?biāo)停留在要調(diào)整的邊界短線上，呈黃色后，用字母鍵“W”上移，“Z”鍵下移，調(diào)整到合適位置為止。

如果需要調(diào)整邊界短線方向，按住“Shift”鍵，鼠標(biāo)點擊邊界短線的一端，調(diào)整到適合的方向使其與年輪輪廓外切。

2.5.3 數(shù)據(jù)和分析圖像文件的保存 人工判讀完成后，WinDENDRO系統(tǒng)會產(chǎn)生兩種文件：圖像文件和數(shù)據(jù)文件。通常情況下要保存分析后的圖像文件，以便在實際工作中對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行核對。被分析過的圖像一般情況下在其他圖像軟件上看不到分析結(jié)果，只有在WinDENDRO系統(tǒng)下，再次打開保存的圖像時才可以看到先前分析的內(nèi)容。

年輪寬度及與之相關(guān)的測量數(shù)據(jù)文件以*.txt文本格式保存，WinDENDRO默認(rèn)只保存年輪寬度數(shù)據(jù)。在本次木芯樣本的分析中，還保存了早材晚材的相關(guān)信息，需要在“Data/Ring Based Format”下彈出的“Ring Based Files Format”窗口勾選相應(yīng)選項(圖3)。

圖3 年輪基本數(shù)據(jù)文件格式窗口

3 結(jié)果

3.1 木芯樣本分析

表1為2012-2013年在陜西省樓觀臺實驗林場和陜西省寧東林業(yè)局采集到的木芯樣本的分析結(jié)果。油松角規(guī)觀測點木芯樣本主要在2012年7-8月采集，油松固定樣地木芯樣本和落葉松木芯樣本主要在2012年10月采集，華山松和銳齒櫟木芯樣本在2013年7-10月采集。相比于2012年的木芯樣本，2013年調(diào)查中增加了對地徑處木芯樣本的采集。另外，2013年采集的木芯樣本中分別有1個華山松和9個銳齒櫟樣本年輪難以辨認(rèn)，沒有進(jìn)行分析。其中落葉松的木芯數(shù)量明顯少于其他樹種，這是因為落葉松屬于引種樹種，數(shù)量較少，主要分布于火地塘試驗林場平河梁附近。

3.2 交叉定年

在分析木芯樣本過程中，如果木芯只是剛穿過髓心，就只能一條路徑；而如果打通了樹干得到了完整的木芯樣本，則可以創(chuàng)建兩條路徑。如果創(chuàng)建了兩條路徑，而兩條路徑分析得到的年齡不同，我們就需要通過交叉定年來進(jìn)行校正，即對相關(guān)的年輪寬度曲線進(jìn)行對比，結(jié)合圖像的年輪判別以更正測量和定年錯誤(圖4)。其方法是切換到“Rings Width”窗口，利用自動生成的年輪寬度曲線進(jìn)行直觀的交叉定年及測量錯誤檢查。同一株樹或同一林分相同樹種的年輪寬度曲線一般應(yīng)該表現(xiàn)出相似的特征，如果年輪寬度曲線在某一點出與另一曲線差異甚大，則此處可能存在測量或定年錯誤，需要與實際的木芯樣本認(rèn)真比對。

表1 木芯樣本分析結(jié)果 單位：根

圖4 年輪寬度曲線圖

如果木芯樣本進(jìn)行交叉定年后的兩條路徑年齡仍然不同，則可能是由于木芯樣本在采集過程中在某一端有所缺失，這種情況下木芯樣本的年齡一般按照年齡較大的路徑。年齡較小路徑的起始年代與另一條相同，而最外層的年代小于較大年齡路徑的年代。如果路徑年齡較小明顯是由于髓心部分缺失引起，則該路徑外層的年代與較大年齡路徑的外層年代相同，而最內(nèi)層的年代較大。

3.3 應(yīng)用分析

基于木芯樣本分析結(jié)果，本實驗隨機選取了50年的油松木芯樣本，對其直徑連年生長量、早晚材生長率和不同方向直徑的生長量進(jìn)行了應(yīng)用分析。

3.3.1 直徑連年生長量 圖5是油松50年的直徑連年生長量，油松每年的直徑生長量受到當(dāng)年氣候條件和林木競爭等因素的影響，會有增大或減小的差異，但是總體上保持先增大然后逐漸減小的趨勢，并在18年時達(dá)到最大值。其中，該油松在第8年和34年時候的直徑生長量分別出現(xiàn)了明顯的低點。需要注意的是，由于該木芯樣本取自油松胸徑處，因此圖中的年齡指的是油松在胸徑處的年齡，而非生物學(xué)年齡。

圖5 50年油松的直徑連年生長量

3.3.2 早晚材生長率 圖6是油松50年的早晚材生長率的對比。即便是常綠針葉樹種，油松的早材生長率依然明顯高于晚材生長率，其年平均早材率在70%左右，而年平均晚材率約為30%。圖中晚材率的兩個高點(即早材率的兩個低點)分別為第8年和34年，恰好對應(yīng)圖5中油松直徑連年生長量的兩個低點，說明在各種因素影響下而導(dǎo)致直徑生長緩慢的年份中，樹木早材生長速率所受到的影響要明顯高于晚材。

圖6 50年油松的早晚材率對比

3.3.3 不同方向直徑生長量比較 圖7是對50年油松分別在南北方向和東西方向采集木芯樣本進(jìn)行的直徑連年生長量分析。由于樹干通常并不是規(guī)則的圓柱體，而往往在橫斷面上呈橢圓形，因此在樹干的不同方向上測量分析所得到的直徑生長量并不相同。從圖7中可以看出，油松在南北方向的連年生長量要略高于東西方向，除了可能存在的坡向影響外，光照所引起的直徑生長不均勻是主要原因。而油松作為喜光樹種，對光照條件的反應(yīng)也較為敏感。

圖7 50年油松不同方向的直徑連年生長量

4 討論

本研究采用WinDENDRO年輪分析系統(tǒng)對2012-2013年在陜西省樓觀臺實驗林場和陜西省寧東林業(yè)局采集到的四個主要樹種(油松、落葉松、華山松和銳齒櫟)的297個木芯樣本進(jìn)行了年輪寬度的測量分析，并對部分出現(xiàn)異常的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉定年，得到了較為準(zhǔn)確可靠的樹木年齡和年輪寬度數(shù)據(jù)。此外，實驗隨機選取了胸徑年齡為50年的油松木芯樣本，對其直徑連年生長量、早晚材生長率和不同方向的直徑生長量進(jìn)行了應(yīng)用分析。

本實驗中獲取的樹木年齡數(shù)據(jù)可以廣泛應(yīng)用到生長收獲模型中全林分模型和單樹模型各個模塊的構(gòu)建中，而年輪寬度數(shù)據(jù)可以提供較準(zhǔn)確的連續(xù)的直徑生長量，從一定程度上解決了單樹模型中直徑生長模塊缺乏連續(xù)觀測的直徑生長數(shù)據(jù)的問題。通過建立樹木生長模型，能夠預(yù)測出林分或樹木的生長變化動態(tài)規(guī)律，從而合理的調(diào)整經(jīng)營措施，使森林向著能最大程度滿足人們需求的方向發(fā)展。

四個樹種木芯樣本的掃描結(jié)果中，油松、落葉松和華山松的圖像掃描結(jié)果明顯優(yōu)于銳齒櫟，而且銳齒櫟的早材和晚材數(shù)據(jù)不可靠。一方面是因為針葉樹的早材和晚材生長對比比較鮮明，年輪界限比闊葉樹明顯；另一方面則是由于銳齒櫟的

材質(zhì)較硬，木質(zhì)較緊密，鉆取木芯的過程中木芯樣本往往易被汁液浸黑，極大的增加了樣本處理和掃描分析的難度。一個理論上可行的方法是在鉆取木芯的過程中盡量不要停頓，一次性取出，減小木芯在樹內(nèi)的摩擦。但是由于人力有限，這個方法一般很難實現(xiàn)。

采集木芯樣本時，由于不同的采樣者的采樣高度不同，加上有時為了避開樹木的結(jié)疤、樹節(jié)及發(fā)生空腐的部分，采樣高度不能保證都在1.3 m處，采樣較高的木芯會比采樣較低的木芯缺失一些年輪[9]，因此胸徑處的木芯樣本的實際年齡可能會有所偏差。而由于生長錐本身的構(gòu)造所限，地徑處的采樣也并非是緊貼地面，而是距離地面一定高度。

WinDENDRO年輪分析系統(tǒng)可以進(jìn)行年輪寬度和密度兩方面的分析，年輪寬度的分析可以得到連續(xù)的直徑生長數(shù)據(jù)，而密度分析則可以獲得樹干解析的數(shù)據(jù)。在本研究中利用木芯樣本進(jìn)行了年輪寬度的分析，而年輪密度的分析則需要用到樹木圓盤的樣本。