基于節(jié)間成像技術(shù)確定林下紅松上層木調(diào)整期

叢 健

(遼寧省林業(yè)廳，沈陽110036)

紅松生長(zhǎng)與光照關(guān)系十分密切，光因子是影響紅松生長(zhǎng)諸因子中的主導(dǎo)因子［1-2］，但是在不同發(fā)育階段，紅松需要的光照條件不同。生長(zhǎng)初期，紅松幼苗和幼樹具有一定的耐蔭性，隨年齡增長(zhǎng)需光量逐漸增大［3-4］，耐蔭能力逐漸減弱，直至需要全光條件才能維持正常生長(zhǎng)［5］。由于紅松幼樹生長(zhǎng)過程中需光量逐漸增強(qiáng)，應(yīng)及時(shí)撫育、逐漸加大透光伐的強(qiáng)度，以滿足紅松幼樹生長(zhǎng)的需要［2，6］，因此科學(xué)確定紅松林分調(diào)整時(shí)期成為亟待解決的首要問題?？茖W(xué)合理確定紅松人工林透光撫育時(shí)期，能夠優(yōu)化樹種和徑級(jí)結(jié)構(gòu)，提高紅松闊葉混交林結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為群落正向演替提供良好的環(huán)境基礎(chǔ)［7-8］。關(guān)于撫育時(shí)期的確定目前主要依據(jù)胸徑大小、營(yíng)林經(jīng)驗(yàn)或徑向生長(zhǎng)等方面［9-10］，且多數(shù)研究認(rèn)為林分的調(diào)整時(shí)期應(yīng)該在10～15 a［10-12］。

節(jié)間生長(zhǎng)在單子葉植物中普遍存在，在禾本科植物中尤為典型，尤其是植物的節(jié)間分生組織與節(jié)間生長(zhǎng)曾有過許多研究和記載［13-14］。近年來對(duì)多年生竹類植物也展開了相關(guān)研究［15］。利用節(jié)間反映針葉樹生長(zhǎng)情況的相關(guān)研究較少，且主要集中在反映立地質(zhì)量方面的研究［16-17］。紅松生長(zhǎng)初期主要以樹高生長(zhǎng)為主，以樹高生長(zhǎng)量來判斷紅松林分調(diào)整時(shí)期的研究目前尚無報(bào)道。本研究通過建立紅松實(shí)測(cè)樹高與根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度讀取樹高的回歸方程，用紅松樹高年生長(zhǎng)量來判斷冠下栽植紅松的調(diào)整時(shí)期，為次生林冠下栽植紅松的撫育提供研究方法和理論依據(jù)。

1 研究方法

1．1 研究區(qū)域

研究地點(diǎn)位于黑龍江省尚志市境內(nèi)的東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)，屬張廣才嶺西坡小嶺余脈，地理位置 127°30'～127°34'E，45°21'～45°25'N，平均海拔300 m，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。年平均氣溫2．8℃，極端最高氣溫38．0℃(7月份)，極端最低氣溫-37．3℃(1月份)，年平均濕度70%，年平均降水量723．8 mm(集中在6～8月)，年蒸發(fā)量1 093．9 mm，年日照時(shí)數(shù) 2 471．3 h，無霜期120～140 d。地帶性土壤為暗棕壤。次生林主要以槺椴、色木、柞樹、水曲柳和榆樹等為主。

1．2 樣地設(shè)立

選擇次生闊葉樹與人工紅松處于相持狀態(tài)的紅松闊葉樹人工混交林作為試驗(yàn)林分，1989年于次生林下營(yíng)造的紅松林。紅松的初植密度為2 500株/hm2，造林后3 a內(nèi)均進(jìn)行了幼林撫育，其后未進(jìn)行林分調(diào)整。林分中紅松平均地徑是3．78 cm，于2004年設(shè)立樣地，選取林分中直立生長(zhǎng)的紅松50株編號(hào)掛牌，對(duì)紅松進(jìn)行跟蹤調(diào)查。

1．3 調(diào)查方法

1．3．1 紅松樹高

從2004年到2009年，每年11月份使用同一型號(hào)塔尺對(duì)所有編號(hào)的紅松樹高進(jìn)行測(cè)量，記錄備案。

1．3．2 照片采集和數(shù)據(jù)讀取

2010年6月，使用Nikon D70數(shù)碼相機(jī)對(duì)紅松進(jìn)行數(shù)據(jù)圖像采集，將圖片導(dǎo)入電腦備用。照相時(shí)，塔尺直立于紅松前方，與紅松主干保持平行，枝條要擋在塔尺后面，以保證讀數(shù)精確。

使用Photoshop 7．0軟件對(duì)紅松相片數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，利用紅松節(jié)間長(zhǎng)度的特點(diǎn)逐級(jí)讀數(shù)，梢頭視為2010年的生長(zhǎng)量，從第一個(gè)輪枝節(jié)點(diǎn)的高度開始讀數(shù)，記為2009年紅松樹高，第二輪枝節(jié)點(diǎn)的高度記為2008年樹高，依此類推，數(shù)據(jù)讀到1999年。根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度的生長(zhǎng)量來衡量樹高生長(zhǎng)狀況，結(jié)合本研究在固定樣地的連年數(shù)據(jù)，對(duì)相持狀態(tài)紅松實(shí)測(cè)樹高和照片讀取樹高進(jìn)行相關(guān)性分析。

1．4 相關(guān)參數(shù)及數(shù)據(jù)處理方法

本研究對(duì)節(jié)和節(jié)間的定義為:樹干上著生枝的部位稱為節(jié)(node)，相鄰兩節(jié)之間的無葉部分稱為節(jié)間(internode)，紅松節(jié)間長(zhǎng)度指兩個(gè)輪枝間的長(zhǎng)度。

利用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與繪圖，采用SPSS 13．0軟件利用Linear中stepwise變量選擇方法對(duì)相持狀態(tài)紅松實(shí)測(cè)樹高和照片讀取樹高進(jìn)行回歸分析與檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2．1 回歸模型的建立

基于每年所測(cè)定的紅松樹高與根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度在照片中讀取的數(shù)據(jù)間的關(guān)系，依照時(shí)間序列，即照片上反映紅松樹高的節(jié)間長(zhǎng)度由上而下，對(duì)二者進(jìn)行線性回歸，如圖1所示，回歸模型如下:

式中:y為測(cè)量的紅松樹高，m;x為照片中根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度讀取的紅松樹高，m，a和b為參數(shù)。

圖1 紅松樹高與照片中讀取樹高的回歸模型Fig．1 Height fitting between actual measurement in the field and interpretation from images

測(cè)量紅松樹高的生長(zhǎng)情況與根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度在照片中讀取的數(shù)據(jù)的建模結(jié)果見表1。共建立6個(gè)模型，模型1使用2009年紅松測(cè)量樹高與照片中根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度讀取的紅松樹高間建立的線性回歸模型，模型2使用2008和2009兩年紅松測(cè)量樹高與照片中根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度讀取的2008年和2009年紅松樹高間建立的線性回歸模型，模型3使用2007～2009年紅松測(cè)量樹高與照片中根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度讀取的2007～2009年紅松樹高間建立的線性回歸模型，模型4使用2006～2009年紅松測(cè)量樹高與照片中根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度讀取的2006～2009年紅松樹高間建立的線性回歸模型，模型5使用2005～2009年紅松測(cè)量樹高與照片中根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度讀取的2005～2009年紅松樹高間建立的線性回歸模型，模型6使用2004～2009年紅松測(cè)量樹高與照片中根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度讀取的2004～2009年紅松樹高間建立的線性回歸模型(見表1)。

由R2值判斷，紅松樹高與照片中讀取樹高均為極顯著的正相關(guān)關(guān)系，利用節(jié)間長(zhǎng)度在照片中讀取的樹高數(shù)據(jù)可以反映紅松樹高生長(zhǎng)情況的。

表1 線性回歸模型摘要Tab．1 Selective linear fitting model between actual measurement and interpretation from images

2．2 模型的應(yīng)用

利用紅松樹高模型和根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度在照片上的讀數(shù)計(jì)算2000年到2009年紅松樹高，見表2。各個(gè)模型計(jì)算的2004～2009年紅松樹高變化趨勢(shì)與測(cè)量的紅松樹高的變化趨勢(shì)一致，預(yù)測(cè)的2000～2003年紅松樹高的變化趨勢(shì)也全部一致，因此所有模型均可以計(jì)算紅松樹高生長(zhǎng)(見表2)。模型2、模型3和模型4模型計(jì)算2000～2003年紅松樹高年生長(zhǎng)量的結(jié)果完全相同，其中模型2和模型4對(duì)2004～2009年紅松樹高的模擬與實(shí)際測(cè)量樹高結(jié)果最接近，所以本研究采用模型2、模型4模型計(jì)算2000～2003年紅松的樹高生長(zhǎng)量。

表2 紅松樹高模型計(jì)算結(jié)果Tab．2 Height of korean pine calculated by using the models

2002年紅松樹高年生長(zhǎng)量達(dá)最低值，為0．087 m，低于相鄰年份紅松年生長(zhǎng)量13%，2001年和2003年紅松樹高年生長(zhǎng)量一致，均為0．100 m，2004年紅松樹高年生長(zhǎng)量有所下降，為0．097 m，2005年紅松樹高年生長(zhǎng)量升高到0．108 m，隨后逐年遞增，2007年紅松樹高年生長(zhǎng)量達(dá)最高點(diǎn)，為0．120 m，2008年紅松年生長(zhǎng)量出現(xiàn)第二個(gè)相對(duì)低谷，低于近兩年紅松的年生長(zhǎng)量，到2009年紅松樹高年生長(zhǎng)量增至0．113 m，如圖2所示。因此，在2001年末或2002年初和2007年末或2008年初對(duì)林分進(jìn)行透光撫育是科學(xué)的調(diào)整時(shí)期。

圖2 紅松樹高年生長(zhǎng)量Fig．2 Annual height growth of korean pine

3 結(jié)論與討論

研究表明利用節(jié)間長(zhǎng)度可以估算紅松樹高生長(zhǎng)。紅松樹高是由數(shù)個(gè)節(jié)間的長(zhǎng)度決定的，根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度原理，使用數(shù)碼相機(jī)成像技術(shù)，利用紅松樹高生長(zhǎng)與根據(jù)節(jié)間長(zhǎng)度在照片中讀取的樹高間的關(guān)系，建立了極顯著的線性回歸模型。根據(jù)模型生成紅松樹高生長(zhǎng)量變化曲線，樹高在2002年和2008年進(jìn)入生長(zhǎng)緩慢期，因此需要更多光照來改善生長(zhǎng)環(huán)境，即需要調(diào)整上層木。驗(yàn)證了在次生林下，紅松初植密度為2 500株/hm2時(shí)，林分調(diào)整時(shí)期第一次應(yīng)該在第十三年末或十四年初，第二次應(yīng)該在第十九年末或二十年初。

關(guān)于冠下紅松造林撫育適宜時(shí)期的研究很多，包括根據(jù)胸徑大小來確定撫育時(shí)期［9］，大部分研究認(rèn)為第一次撫育時(shí)期應(yīng)該在10～15 a［10-12］，根據(jù)多年紅松人工林透光撫育實(shí)踐總結(jié)，紅松造林最好采用2 m×2 m規(guī)格，初植密度每公頃2 500株。如果造林后5 a，保存率在90%以上，林齡10～12 a時(shí)應(yīng)進(jìn)行第1次透光撫育;林齡18～20 a時(shí)進(jìn)行第2次;林齡24～26 a時(shí)進(jìn)行第3次;林齡31～35 a時(shí)進(jìn)行第4次為宜［18］。有研究從徑向生長(zhǎng)量分析紅松幼樹生長(zhǎng)光需求，認(rèn)為紅松在12 a生時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行透光撫育［9］，本研究與其結(jié)果相近。

撫育時(shí)期的確定對(duì)紅松的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要，撫育過早會(huì)耗費(fèi)人力和財(cái)力，撫育過晚影響紅松的生長(zhǎng)發(fā)育?；诠?jié)間成像技術(shù)確定林下紅松樹冠調(diào)整期的優(yōu)點(diǎn)在于無需破壞性取樣，操作簡(jiǎn)單，減少野外工作量，讀數(shù)直觀、可靠。

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