周 凡,王義平*, 吳照祥,方傳奇,黃 赟,劉巧麗

(1.贛南樹木園,341212,江西,贛州;2.江西省科學(xué)院生物資源研究所,330096,南昌;3.贛南科學(xué)院,341000,江西,贛州)

0 引言

觀光木(Micheliaodora)為木蘭科(Magnoliaceae)含笑屬(Michelia)的常綠樹種,又叫香花木、香木楠、宿軸木蘭,是中國特有的古老孑遺樹種,其零散分布于江西南部、福建、廣東、海南、廣西、云南東南部等海拔300～1 100 m的巖山地常綠闊葉林中。由于生態(tài)環(huán)境惡化、人類干擾及盜伐現(xiàn)象嚴(yán)重,觀光木野生資源數(shù)量急劇減少,加之自然更新能力較差、種群天然分布狹窄,1984年被列入國家珍稀瀕危二級(jí)保護(hù)植物。觀光木是中國中部和南方特有的著名園林綠化和香料植物,它是繼同科植物樂昌含笑(Micheliachapensis)、深山含笑(Micheliamaudiae)、紅花木蓮(Manglietiainsignis)之后的又一新樹種。觀光木是木蘭科中較進(jìn)化種類,對(duì)木蘭科的分類系統(tǒng)研究有重要意義。此外,觀光木對(duì)研究古代植物區(qū)系、古地理、古氣候都有著重要的科學(xué)價(jià)值。

近年來,國內(nèi)觀光木的研究方向主要集中在觀光木的生物量、引種繁殖、群落與種群生態(tài)、系統(tǒng)發(fā)育等基礎(chǔ)生物學(xué)方面。有研究表明,27年生的觀光木人工林在幼林階段樹高生長較快,生長高峰期出現(xiàn)在第4年,之后逐漸下降。木材基本密度平均值為0.417 g/cm3,徑向變異為自髓心向外呈增大—減小—增大的變化趨勢。植被層生物量為101.26 t/hm2,生態(tài)系統(tǒng)總碳儲(chǔ)量為180.49 t/hm2[1-3],而針對(duì)36年生觀光木人工林單木胸徑樹高生長模型的研究未見報(bào)道,為系統(tǒng)地研究觀光木林木生長因子之間的關(guān)系,通過林木生長模型擬合,可掌握觀光木生長發(fā)育規(guī)律,從而為預(yù)測樹木生長提供一定的科學(xué)依據(jù)[4]。

本研究以贛南樹木園36年生觀光木人工林為研究對(duì)象,通過樹干解析和林木生長模型擬合,研究其林木生長規(guī)律,并對(duì)最優(yōu)預(yù)測模型進(jìn)行方差檢驗(yàn),選出最優(yōu)林木生長模型。這對(duì)研究贛南地區(qū)觀光木人工林的生長過程,指導(dǎo)當(dāng)?shù)亓謽I(yè)經(jīng)營和生產(chǎn)有著重要的意義[5]。

1 材料與概況

1.1 試驗(yàn)地概況

贛南樹木園位于羅霄山脈東側(cè),陽明湖國家森林公園內(nèi)。處于上猶江中游,地跨上猶、崇義兩縣。地理位置為東經(jīng)114°02′～114°04′,北緯25°50′～25°51′,海拔198～633 m。東南面環(huán)湖,西面以高山山脊為界。園區(qū)總面積828.5 ha,其中林地面積579.4 ha。整個(gè)園區(qū)由十二個(gè)半島和島嶼組成,處在陽明湖國家森林公園內(nèi)上猶與崇義二縣交匯處,屬中亞熱帶季風(fēng)區(qū)山地濕潤氣候類型,四季分明,年均溫17.8 ℃,年降水量1 615.2 mm,年蒸發(fā)量1 031.5 mm,無霜期302 d,相對(duì)濕度80%以上。土壤以黃紅壤為主,pH值5.0～5.5,非常適宜殼斗科、樟科、冬青科等多種亞熱帶常綠闊葉樹種以及馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)等一批用材樹種的生長和發(fā)育。

試驗(yàn)地位于贛南樹木園西坑引種示范林,本園引種示范林在1984年列入部省聯(lián)營基地。觀光木成熟種子1983年采自江西省全南縣南徑坑尾,經(jīng)1年沙藏后,1984年3月在園區(qū)下坑苗圃播種育苗,于1985年春采用1年生實(shí)生苗上山造林,為有利防治和減少水土流失,采用明穴整地方式,種植穴規(guī)格為67 cm×67 cm×50 cm,株行距2 m×2 m,共種植觀光木800株,面積0.006 km2。造林后5年內(nèi),主要采取除草、松土、施肥、分蘗、除蔓、整枝等管理措施。2020年調(diào)查時(shí),按照江西省第七次二類資源調(diào)查技術(shù)規(guī)定,一般用材林齡組劃分參考標(biāo)準(zhǔn)林齡21—40年為中齡林,所以36年生觀光木為中齡林;觀光木胸高斷面積占比80%,杉木胸高斷面積占比20%,觀光木林分樹種組成為8觀2杉,林分保留密度為1 395株/hm2,林分平均樹高16 m,平均胸徑17.8 cm。林下灌木主要有檵木、朱砂根等,草本植物以芒萁、五節(jié)芒為主,枯落物層厚度約3 cm。

表1 林分現(xiàn)狀與解析木狀況

1.2 研究方法

在觀光木人工林中設(shè)置一塊面積為20 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地。標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺,調(diào)查因子為胸徑、樹高。胸徑使用胸徑尺在樹高1.3 m處測量樹干直徑,樹高使用布魯萊斯測高器(型號(hào)CGQ-1)進(jìn)行單株測量。根據(jù)測量結(jié)果確定3～5株林分平均標(biāo)準(zhǔn)木,并選取一株開展解析木研究。在標(biāo)準(zhǔn)木上標(biāo)明胸徑和南北向的位置,將標(biāo)準(zhǔn)木伐倒后,分別在0 m(記為0號(hào))、1.3 m(1號(hào))及3.6 m(2號(hào))處截取圓盤,3.6 m后按照2 m一個(gè)區(qū)分段截取圓盤直至梢頂。各徑階的平均胸徑和平均樹高用算術(shù)平均法計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,以橫坐標(biāo)表示胸徑,以縱坐標(biāo)表示樹高,繪制樹高曲線圖。相關(guān)計(jì)算公式如下:

(1)

式中,n為調(diào)查林木胸徑小于平均胸徑的林木株數(shù),N為調(diào)查的林木總株數(shù);

(2)

式中,D為調(diào)查的林木平均胸徑,Dmin為調(diào)查的林木最小胸徑,Dmax為調(diào)查的林木最大胸徑。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用Excel2019軟件計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)地林分總斷面積、平均樹高、平均胸徑;解析木的樹高、胸徑的平均生長量、連年生長量、總生長量等。并通過SPSSS 25.0軟件對(duì)樹高、胸徑與樹齡進(jìn)行林木生長模型的擬合研究,主要選取了傳統(tǒng)森林測樹學(xué)中常見的6種方程:線性方程、對(duì)數(shù)方程、二次方程、三次方程、乘冪式曲線方程和S曲線方程,將相關(guān)系數(shù)R2最高的定為最優(yōu)預(yù)測模型,選出最優(yōu)林木生長模型來分析觀光木的樹高胸徑隨著林齡增長的變化關(guān)系,具體的方程表達(dá)式見表2。

表2 函數(shù)表達(dá)式

2 結(jié)果與分析

2.1 林分直徑結(jié)構(gòu)與林木分化程度分析

根據(jù)株數(shù)分布序列表繪制觀光木徑階株數(shù)分布圖(圖1),36年生觀光木共有18個(gè)徑階,最小徑階為6 cm,最大徑階為42 cm,最多株樹出現(xiàn)在10 cm徑階。林分主要徑階集中在6～16 cm,可見中徑階林木占多數(shù),小于林分平均胸徑17.80 cm的林木株數(shù)占總數(shù)的67.70%,約為林木總數(shù)的2/3,總體徑階分布呈遞減趨勢。隨著林齡增長,徑階數(shù)量增多。在調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn),小徑階林木主要集中在山地中上坡,下部單株徑階均在22 cm以上。由表3可知,36年生觀光木直徑離散度為0.68,但其分化程度高達(dá)327%。

圖1 觀光木徑階株數(shù)分布圖

表3 觀光木林分的離散度和分化程度

2.2 胸徑與樹高生長曲線

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地胸徑和樹高測定結(jié)果繪制樹高曲線圖,如圖2所示,以算術(shù)平均法計(jì)算出的平均胸徑為17.8 cm,對(duì)應(yīng)樹高生長曲線圖上的樹高約為16 m,采伐的平均標(biāo)準(zhǔn)木胸徑為16.3 cm,樹高為20 m。

圖2 觀光木胸徑樹高散點(diǎn)圖

圖4 殘差分布圖

從表4可以看出,林木胸徑的連年生長量并不是隨著林齡的增加而逐漸增大的,在生長過程中出現(xiàn)多個(gè)生長高峰期,此時(shí)胸徑生長量處于一個(gè)上升的時(shí)間段內(nèi)。在36年的生長過程中,觀光木胸徑連年生長量存在3個(gè)生長高峰,分別在第5、15、25年,在第25年達(dá)到第3個(gè)生長高峰后,生長速度急速下降。觀光木胸徑平均生長量整體呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢,36年間平均生長量由0.66 cm下降至0.45 cm。

表4 觀光木各調(diào)查因子生長過程計(jì)算表

觀光木樹高平均生長量和連年生長量動(dòng)態(tài)變化見表4。由表4可知,在36年的生長過程中,觀光木樹高生長總量呈現(xiàn)不斷增加的趨勢,其樹高總生長量20 m,平均年生長量0.20～0.56 m,連年生長量0.12～1.16 m。樹高平均年生長量逐年上升,但其增幅相對(duì)緩慢,基本穩(wěn)定在0.20 ～0.59 m,其峰值出現(xiàn)在第30年,達(dá)到0.59 m,然后呈現(xiàn)下降再上升的態(tài)勢。樹高連年生長量在第25年達(dá)到一個(gè)頂峰,年生長量達(dá)1.16 m,而后連年生長量急速下降,在第36年時(shí)連年生長量只有0.12 m。

2.3 胸徑與樹高生長曲線

通過6種代表性的林木生長模型對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)觀光木胸徑、樹高數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,從表5可知,6個(gè)生長模型均能很好地?cái)M合胸徑和樹高之間的關(guān)系,除了線性方程,其他5個(gè)方程的相關(guān)性R2均在0.8以上,其中擬合效果最好的為三次方程模型,其R2為0.964,均高于其他方程擬合精度。因此得到最佳樹高生長曲線方程為:Y=0.001x3-0.093x2+2.447x-3.38,其中Y表示樹高,x表示胸徑。

表5 觀光木胸徑-樹高模型擬合參數(shù)

2.4 胸徑樹高最佳關(guān)系模型的顯著性檢驗(yàn)

為得到更準(zhǔn)確的最優(yōu)模型,對(duì)樹高曲線方程進(jìn)行方差分析,檢驗(yàn)其顯著性。從表6可以看出,觀光木最佳樹高生長曲線方程Y= 0.001x3-0.093x2+2.447x-3.38的方差分析結(jié)果為:F=126.003,大于臨界值F0.01(3,14)=5.564,對(duì)應(yīng)顯著性水平Sig.=0.000<0.05,對(duì)方程的方差分析及對(duì)回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)均發(fā)現(xiàn),所建立的回歸方程顯著。

表6 最佳模型的方差分析

2.5 觀光木人工林生長模型殘差比較

使用得到的觀光木最佳樹高生長曲線方程預(yù)測各單株的樹高,通過方程式計(jì)算樹高的預(yù)測值,結(jié)果見表7。對(duì)樹高的殘差值進(jìn)行方差分析,分析組內(nèi)殘差值差異見表8。結(jié)果顯示實(shí)測值與回歸預(yù)測值總體上相近,相對(duì)誤差較小,誤差幅度在-1.83～+0.75 m之間,樹高的相對(duì)總誤差為6.6%;在p=0.05的水平,樹高的實(shí)測值與估測值進(jìn)行配對(duì)T檢驗(yàn),實(shí)測值與估測值差異均不顯著,p值為0.08,擬合精度達(dá)到0.969,表明該模型可用于地區(qū)林木生長規(guī)律的預(yù)測。

表7 觀光木人工林胸徑-樹高生長模型殘差比較

表8 優(yōu)選后的生長模型驗(yàn)證

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

經(jīng)對(duì)36年生觀光木的徑階分布及樹木分化程度的研究,初步揭示了觀光木林分以中徑階樹木為主,總體徑階分布呈遞減趨勢,林木胸徑越大,林木越高。在林木生長發(fā)育過程中,同一樹種鄰近的相同年齡的植株在形態(tài)和生活能力方面的差異稱為林木分化,一般林木分化的程度,因林木本身及其環(huán)境的特點(diǎn)而異,不同的樹種,開始撫育采伐的離散度也不同[6]。林分直徑離散度是指林分的平均直徑與最大和最小直徑的倍數(shù)之間的距離,離散度越大,林木分化越明顯[7]。36年生階段的觀光木林分直徑離散度和林木分化程度表明,林木隨著林齡增長,分化逐漸激烈,該階段林木分化劇烈,主要是后期林分管理未進(jìn)行間伐、追肥和樹體管理等撫育措施,原有的生長空間已不能滿足林木的要求,導(dǎo)致部分林木生長受到抑制,林木生長量隨著林齡增加顯著減少,需要對(duì)林木生長的環(huán)境實(shí)施改良,才能保證促進(jìn)林木生長,提高林木質(zhì)量。為了提升森林培育的質(zhì)量,促進(jìn)林分正常生長,在此基礎(chǔ)上,森林撫育和采伐可以改善林木生長環(huán)境,優(yōu)化林分密度,對(duì)控制林木分布也起到很好的作用。只有足夠的樹木生長空間,才能保證森林在生長過程中有足夠的養(yǎng)分,也能解決天然疏林的問題。

樹高、胸徑平均生長量呈現(xiàn)較為平穩(wěn)的生長態(tài)勢,其連年生長量處于波動(dòng)狀態(tài),呈現(xiàn)雙峰、多峰山狀分布。觀光木胸徑連年生長量在第25年達(dá)到第3個(gè)生長高峰后,生長速度急速下降,胸徑平均生長量隨著林齡的增大而減小,但其下降速度較為緩慢。觀光木樹高生長總量呈現(xiàn)不斷增加的趨勢,樹高平均年生長量逐年上升,但其增幅相對(duì)緩慢。胸徑生長速度的不穩(wěn)定,可能與后期林地管理、立地條件、樹種本身生長特性等因素都有一定的關(guān)系。綜合觀光木樹高、胸徑生長量來看,觀光木生長速生期應(yīng)該在第20—30年間,在此期間應(yīng)加強(qiáng)林地?fù)嵊退使芾?進(jìn)行間伐和施肥,可確保林木快速穩(wěn)定生長,并降低林木分化程度。

3.2 討論

國內(nèi)外學(xué)者在研究單木生長模型時(shí),其建模數(shù)據(jù)主要來源于解析木數(shù)據(jù)和固定樣地監(jiān)測數(shù)據(jù)[8],本研究建模數(shù)據(jù)也是基于樹干解析。國內(nèi)學(xué)者通過一定樣本的解析木數(shù)據(jù)來擬合36年生人工林單木生長過程,篩選出的模型有線性方程、對(duì)數(shù)方程、二次方程、Logistic等[7,9-12]。本研究在上述研究選用模型的基礎(chǔ)上選用6個(gè)模型進(jìn)行擬合,選出的模型與莫凡[7]的研究結(jié)果有所不同,說明方程在樣本范圍內(nèi)有一定的適應(yīng)性。莫凡在研究14年生的觀光木人工林中篩選出最優(yōu)樹高生長曲線為二次方程模型,本研究篩選出36年觀光木人工林最優(yōu)樹高生長曲線方程為三次方程,其相關(guān)系數(shù)R2最高,其樹高生長方程為Y= 0.001x3- 0.093x2+ 2.447x- 3.38,相關(guān)系數(shù)R2為0.964,F=126.003,其方程能為今后估測觀光木人工成熟林林分樹高、材積提供一定的參考。國內(nèi)外學(xué)者多采用R2、SSR、RMSE、AIC等評(píng)價(jià)模型優(yōu)度,用MAE、TRE等評(píng)價(jià)模型精度,本研究用全樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型驗(yàn)證,經(jīng)分析MAE、RMSE、ME均較小,擬合精度R2接近1,表明模型較可靠[13]。

本研究區(qū)域?yàn)閲壹?jí)公益林,試驗(yàn)中解析木樣本數(shù)量采集有限,徑級(jí)分布范圍小,立地條件單一,故模型大范圍使用仍存在局限。本研究僅從1個(gè)時(shí)期的林分資料進(jìn)行擬合研究,在時(shí)間跨度上存在一定的局限性,還需結(jié)合觀光木更多生長期內(nèi)的林分生長資料進(jìn)行驗(yàn)證。越來越多研究人員通過引入啞變量來提高模型的準(zhǔn)確度,在基礎(chǔ)模型上建立混合模型,混合模型比基礎(chǔ)模型精度更高[8,14-15],下階段將在此研究基礎(chǔ)上進(jìn)行更深入研究,得出更具代表性和適用性的樹高生長模型。