馬學欣 侯建花 易曉梅

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不同地貌杉木人工林胸徑樹高生長曲線研究

馬學欣1，2侯建花3易曉梅1，2

（1浙江農(nóng)林大學信息工程學院 浙江臨安 311300； 2浙江省林業(yè)智能監(jiān)測與信息技術(shù)研究重點實驗室浙江臨安 311300； 3浙江省景寧畬族自治縣林業(yè)局 323500）

為準確掌握景寧縣杉木人工林的生長情況，采用4種生長方程分別擬合杉木胸徑樹高生長情況，并選擇最優(yōu)生長模型。研究結(jié)果表明：多項式方程能夠較好的擬合景寧地區(qū)杉木林的生長情況，平均決定系數(shù)高達0.889；地形因子對杉木生長具有重大影響。

景寧縣；胸徑樹高曲線；杉木;人工林

杉木（（Lamb）Hook）為我國南方主要的造林樹種，約占全國人工造林面積的十分之一,其木材生產(chǎn)量占全國商品材總產(chǎn)量的20％～25％,具有生長快、產(chǎn)量高、材性好、經(jīng)濟效益顯著等特點，在整個國民經(jīng)濟建設(shè)中占有重要地位[1-3]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人口的急劇增加，木材的需求量正呈現(xiàn)逐年遞增的趨勢。與此同時，全球森林面積正以每年0.4％的速度銳減。進入21世紀以來，木材資源已成為世界性的戰(zhàn)略資源，面臨著更為嚴峻的形勢。我國是一個人均占有森林（木材）資源很少的國家，嚴重少林缺材、森林資源消耗量大，培育大徑材樹木能夠從根本上緩解木材資源的短缺問題。當前，如何充分發(fā)揮和利用好南方優(yōu)越的水熱自然條件，有效調(diào)整和解決好杉木人工林激增帶來的林種、樹種和材種結(jié)構(gòu)以及生態(tài)結(jié)構(gòu)等一系列矛盾與問題[4-6]，科學、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效地發(fā)展商品林，在南方林業(yè)分類經(jīng)營戰(zhàn)略中占有至關(guān)重要的地位[7-8]。

研究通過對景寧縣杉木人工林胸徑生長與環(huán)境因子相關(guān)性分析，篩選出對杉木胸徑生長影響較大的因子，從而為構(gòu)建高精度的杉木人工林生長模型提供依據(jù)，進而為景寧地區(qū)杉木森林資源動態(tài)變化的準確預(yù)估、可持續(xù)經(jīng)營與優(yōu)化配置提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

景寧縣位于浙江省西南部（27°58′N、119°38′E），總面積達194998hm2，是甌江和飛云江水系的發(fā)源地。土地類型為“九山半水半分田”，地貌類型為“兩山夾一水”。區(qū)域氣候為亞熱帶季風氣候，溫暖濕潤，雨量充沛，年平均降水量為1542.7mm，熱量資源豐富,年平均氣溫17.5℃。區(qū)域森林覆蓋率達81.09%，具有多樣性的生態(tài)環(huán)境和植被類型。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)景寧縣省級森林資源清查資料與實地踏查，在全縣范圍內(nèi)選擇生長正常且自然條件（坡度、坡向、土壤類型等）相似的不同密度的杉木人工林，設(shè)置14個0.08hm2（28.25m×28.25 m）標準地（表1），每個樣地用GPS精確定位，記錄其經(jīng)緯度、坡向、坡度、坡位、海拔、方位等數(shù)據(jù)及在林分中的相對位置。標準地中杉木為主要建群種，有極少量油松（）、銳齒槲櫟（），杉木占林分內(nèi)林木數(shù)的93%～98%。樣地數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 研究區(qū)樣地數(shù)據(jù)概況

Table 1 Survey of sample plot data in the study area

將調(diào)查的杉木數(shù)據(jù)根據(jù)地貌的不同設(shè)置為低山區(qū)（500～999m）和中山區(qū)（1000m以上）兩個編組進行歸類整理，所有試驗數(shù)據(jù)均采用Excel2013進行處理，并采用IBM SPSS軟件中的線性分析、多項Logistic回歸分析以及相關(guān)性分析功能分別對杉木胸徑樹高生長曲線方程和因子相關(guān)性進行綜合分析。

2.2 基礎(chǔ)模型建立

基于胸徑樹高的散點圖和前人的研究，選擇傳統(tǒng)森林測樹學中4種常用的樹木生長方程[8-10]，包括線性方程、多項式模型、冪函數(shù)曲線方程、指數(shù)方程，如表2所示。利用MATLAB建立杉木胸徑樹高生長模型，選擇擬合程度最高的模型作為杉木的生長模型，通過模型分析景寧地區(qū)不同地貌杉木林的生長變化情況。

表2 生長曲線方程

Table 2 Growth curve models

注：f(x)和x為杉木胸徑和樹高，p1、p2、p3、n為模型待估參數(shù)。

在MATLAB中，利用建模數(shù)據(jù)對表2所示模型進行模擬計算，并使用決定系數(shù)（R-square）、均方根誤差（RMSE）和調(diào)整后的決定系數(shù)（Adjusted R-square）來檢驗所選模型的精度，從而選擇最優(yōu)模型。R-square和Adjusted R-square的值越接近1，說明模型參考價值越高；RMSE的值越小，說明模型精度越高[10-11]。

2.3 模型求解

基于杉木林胸徑和樹高的實測數(shù)據(jù)，利用MATLAB的工具箱分別對模型進行求解，依次求出4個模型的待估參數(shù)及3個評價指標：決定系數(shù)（R-square）、均方根誤差（RMSE）和調(diào)整后的決定系數(shù)（Adjusted R-square），模型參數(shù)和評價指標如表3所示。

表3 模型參數(shù)和評價指標

Table 3 Model parameters and evaluation indexes

由表3可知，通過擬合精度對比分析，低山區(qū)和中山區(qū)的多項式模型擬合效果最好且符合生物學意義，故選擇多項式方程作為杉木胸徑樹高的最佳模型。

3 結(jié)果與分析

3.1 生長模型檢驗

利用實測數(shù)據(jù)中隨機抽取的10%未用于建模的數(shù)據(jù)驗證所選模型的準確性，將預(yù)測求出的理論值與實際值繪制散點圖進行分析，并通過均方根誤差和平均誤差進行模型評價[12-14]。

3.2 海拔對杉木生長的影響

海拔作為重要的地形因子，對杉木生長的影響非常大。景寧地區(qū)山地面積大，山勢高峻，多高海拔山峰，1000m以上是杉木林大面積分布的地區(qū)。高山地區(qū)平均氣溫維持在20℃以下，這些人為影響較弱的地方有利于杉木林的生長發(fā)育。而低山區(qū)人為活動較頻繁，人類活動限制了杉木的生長。如表1所示，中山區(qū)杉木林長勢比低山區(qū)有優(yōu)勢。

3.3 坡向?qū)ι寄旧L的影響

杉木主要分布在溫帶、亞熱帶地區(qū)，較喜光，適應(yīng)年平均溫度15℃～23℃，是一種典型的喜溫暖濕潤，多霧靜風氣候環(huán)境樹種。中山區(qū)杉木林多分布在南坡，受太陽輻射多，光照充足，溫度高，可加快杉木生長；而低山區(qū)杉木生長在北坡，接受太陽照射少，溫度低，故杉木的生長情況要比背陰的北坡差。

3.4 坡度對杉木生長的影響

坡度的緩急、地勢的陡峭不但會形成小氣候[15]，而且對水土流失和集聚都有影響，可直接或間接影響杉木的生長和分布[16]。根據(jù)景寧地區(qū)的實際情況，將坡度分為6級，Ⅰ級為平坡：＜5度；Ⅱ級為緩坡：5～14度；Ⅲ級為斜坡：15～24度；Ⅳ級為陡坡：25～34度；Ⅴ級為急坡：35～44度；Ⅵ級為險坡：≥45度。在坡面上，水流的速度與坡度成正比，流速越快，沖刷掉的土壤量就越大，因此坡度直接改變土壤的厚度和含水量。故在斜坡上，土壤較肥沃，排水良好，對杉木生長有利；而在急坡或者險坡上，土層薄，砂礫含量高，杉木生長較差。

4 結(jié)論與討論

利用景寧地區(qū)的杉木實測數(shù)據(jù)研究了基于不同地貌的胸徑樹高生長模型，選擇多項式模型擬合杉木胸徑樹高曲線，具有較高精度，能較好的模擬該地區(qū)的杉木生長情況；通過分析不同地形因子對杉木生長的影響，表明中山區(qū)的杉木生長情況優(yōu)于低山區(qū)的杉木。

景寧縣屬山地地貎，在對不同地貌上的杉木林胸徑與樹高關(guān)系進行研究時，忽略了坡位[17]對胸徑樹高的影響；研究地區(qū)僅局限于景寧縣，空間尺度較??；在分析時，只選擇了相關(guān)性較高的地形因子，忽略了其他立地條件、氣象條件[15]對杉木生長的影響，坡度對杉木生長的影響表明，坡度只是影響杉木生長的其中一個因素，其他立地條件如降水量、土壤類型、土壤厚度、溫度的影響同樣不可忽視，在以后的研究中，應(yīng)該加以綜合考慮。

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Study on growth curve of DBH of Chinese fir plantation in different landforms

Ma Xuexin1,2, Hou Jianhua3,Yi Xiaomei1,2

In order to accurately grasp the growth of Chinese fir plantation in Jingning County, four growth equations were used to fit the height growth of Chinese fir with DBH, and the optimal growth model was selected. The results show that the polynomial equation can better fit the growth of Chinese fir forests in Jingning area, with an average determinant coefficient of 0.889; topographic factors have a significant impact on the growth of Chinese fir.

Jingning County；height-diameter relationship；fir；plantation

S791.27

A

1004-7743（2019）01-0071-04

2018-12-19

國家自然科學基金（61190114），景寧畬族自治縣科技計劃項目(2014A05-5)，浙江農(nóng)林大學科研發(fā)展基金項目。

馬學欣，碩士研究生，研究方向為農(nóng)林業(yè)發(fā)展；Email：457283836@qq.com。

易曉梅，副教授，碩士，從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)研究；Email：m_mei0516@163.com。