基于交角的林木競爭指數(shù)應用研究

白　超，趙中華，胡艷波

(中國林業(yè)科學研究院 林業(yè)研究所，國家林業(yè)局林木培育重點實驗室，北京 100091)

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基于交角的林木競爭指數(shù)應用研究

白超，趙中華，胡艷波

(中國林業(yè)科學研究院 林業(yè)研究所，國家林業(yè)局林木培育重點實驗室，北京 100091)

[摘要]【目的】 基于交角的林木競爭指數(shù)(CI)簡潔，能同時表達出競爭木上方的遮蓋和側(cè)翼的擠壓。探討不同林分用胸徑(D)或通過胸徑-樹高(D-H)曲線預估樹高后替代實測樹高計算該競爭指數(shù)的可行性，以期給出基于交角的林木競爭指數(shù)的最優(yōu)經(jīng)驗計算途徑?！痉椒ā?以3個地區(qū)共6塊樣地的天然林和人工林為研究對象，利用全站儀測定并記錄林木坐標、樹種、胸徑、樹高、冠幅和健康狀況，并計算和分析各樣地林木通過胸徑得到的競爭指數(shù)(CID)，通過胸徑-樹高曲線預估樹高后得到的競爭指數(shù)(CID-H)與通過實測樹高得到的競爭指數(shù)(CIH)間的關(guān)系?！窘Y(jié)果】 不同森林類型林分通過胸徑和胸徑-樹高曲線預估樹高后計算得到林木競爭指數(shù)的2個經(jīng)驗計算途徑都是可行的，且都能表達出通過實測樹高計算得到林木競爭指數(shù)(CIH)結(jié)果的95%以上。2個經(jīng)驗計算途徑的效果與胸徑-樹高曲線模型精度呈顯著正相關(guān)，當胸徑-樹高曲線模型精度低(R2<0.53)時，CID-H效果略差。【結(jié)論】 由于CID-H計算過程較復雜，且當林分胸徑-樹高曲線模型精度較低時，競爭指數(shù)CID-H的應用效果比競爭指數(shù)CID略差，因此以胸徑替代實測樹高可作為該競爭指數(shù)的最佳經(jīng)驗計算途徑。

[關(guān)鍵詞]基于交角的林木競爭指數(shù)；胸徑-樹高曲線模型；經(jīng)驗計算途徑

林木的微環(huán)境取決于林分的結(jié)構(gòu)，林分結(jié)構(gòu)是決定林木生態(tài)位的關(guān)鍵要素，林木的活力由林木本身的遺傳因素及其所處的微環(huán)境決定。在生態(tài)學中林木的活力通過競爭來表達。競爭指兩個或多個植物體對同一環(huán)境資源和能量爭奪中的相互作用[1]，這意味著由于相鄰競爭木的存在而使環(huán)境資源減少，從而使鄰近有機體之間互相影響和阻礙，競爭的結(jié)果產(chǎn)生了植物個體生長發(fā)育上的差異[2]。競爭現(xiàn)象在植物群落中普遍存在，并且對植物群落的結(jié)構(gòu)及其演替進程具有重要影響，一直是生態(tài)學家研究的熱點之一。

競爭指數(shù)是描述林木間競爭關(guān)系的一種數(shù)學表達式，反映林木所承受的競爭壓力，這取決于林木自身狀態(tài)(如胸徑、樹高和冠幅等)及其所處的局部環(huán)境(鄰近樹木的狀態(tài))[3]。當前，競爭指數(shù)一般可分為與距離有關(guān)的競爭指數(shù)和與距離無關(guān)的競爭指數(shù)[4-9]。與距離有關(guān)的競爭指數(shù)能精確估測林木生長，并有助于提高林木生長和發(fā)育生長模型的預估效果，因此近年來得到廣泛發(fā)展。由于林木地下部分的競爭分散且難預測，與距離有關(guān)的競爭研究主要集中在地上部分[10]，如從樹冠范圍尺度上研究競爭的樹冠面積重疊競爭指數(shù)[11-14]、光照競爭指數(shù)[15]等，考慮林木樹高研究競爭的高度角競爭指數(shù)[16]和樹高大小比值競爭指數(shù)[17]等，基于林木胸徑大小對空間擠占提出的Hegyi簡單競爭指數(shù)[18]、復雜競爭指數(shù)[19-20]等。惠剛盈等[2]綜合考慮了林木的樹高和胸徑大小，基于交角原理、以大小比數(shù)為權(quán)重提出了基于交角的林木競爭指數(shù)，其生物學意義在于對象木所受到的競爭壓力在距離保持不變時隨競爭木樹高的增加呈非線形增加，或在競爭木樹高一定時隨距離的變遠而呈非線性減小，簡潔地表達出競爭木上方的遮蓋和側(cè)翼的擠壓。由于林木胸徑在林分中測定簡單、方便、準確且花費低，所以通常的競爭指數(shù)(如Hegyi指數(shù)、BAL指數(shù)[21])都直接包含或隱含胸徑變量。在林分中測定林木樹高難度較大、速度較慢且誤差較大，給基于交角的林木競爭指數(shù)實際應用帶來較大困難。為解決上述問題，本研究選取3個地區(qū)共6塊樣地的天然林和人工林，探討不同林分用胸徑或通過胸徑-樹高曲線預估樹高后替代實測樹高計算該競爭指數(shù)的可行性，以期給出基于交角的林木競爭指數(shù)的經(jīng)驗計算途徑。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

本研究以天然林和人工林樣地為試驗對象，其中天然林試驗樣地分別位于吉林蛟河和甘肅小隴山。人工林樣地位于北京市九龍山自然保護區(qū)。

在吉林省蛟河林業(yè)試驗區(qū)管理局東大坡自然保護區(qū)內(nèi)(127°35′～127°51′ E，43°51′～44°05′ N)設(shè)置2 塊永久性樣地(表1中1號和2號樣地)，境內(nèi)平均海拔在400～500 m，地勢為東北部山高坡陡，而西南部地勢平緩。該區(qū)屬溫帶大陸性季風山地氣候，全年平均氣溫1.7 ℃，降雨集中在6-8月份，年均降水量700～800 mm，無霜期120～150 d，平均積雪厚度20～60 cm，土壤結(jié)凍深度1.5～2 m，土壤為暗棕壤。

在甘肅省南部小隴山百花林場(104°22′～105°43′ E，33°30′～34°40′ N)設(shè)置2 塊永久性樣地(表1中3號和4號樣地)，境內(nèi)海拔在700～2 500 m。該區(qū)屬暖溫濕潤-中溫半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫7～12 ℃，年均降水量600～900 mm，年日照時數(shù)1 520～2 313 h，無霜期130～220 d，區(qū)內(nèi)秦嶺以北的土壤為灰褐土，以南為黃褐土。

在北京市門頭溝區(qū)九龍山自然保護區(qū)(115°59′～116°06′ E，39°54′～39°57′ N)內(nèi)設(shè)置2塊永久性樣地(表1中5號和6號樣地)，境內(nèi)海拔在400～1 000 m。該區(qū)屬大陸性東岸季風氣候，年平均氣溫11～12 ℃，年均降水量600～700 mm，年日照時數(shù)2 500～2 700 h，無霜期190～200 d，區(qū)內(nèi)400 m以下為山地粗骨褐土，400 m以上為山地淋溶褐土。

1.2樣地設(shè)置與調(diào)查

不同地區(qū)永久性樣地設(shè)置面積見表1，對樣地內(nèi)所有胸徑≥5 cm的林木進行掛牌標號，利用全站儀(TOPCON-GTS-602AF)測定并記錄林木坐標、樹種、胸徑、樹高、冠幅和健康狀況等。

表 1　本研究設(shè)置的6塊樣地概況Table 1　General conditions of six sample plots in this study

1.3數(shù)據(jù)分析方法

1.3.1胸徑-樹高曲線模型本研究使用比較常用的胸徑-樹高曲線模型(表2)，應用SPSS 18.0軟件擬合6塊樣地核心區(qū)域數(shù)據(jù)，根據(jù)P 值判斷回歸模型的可行性，最后利用模型決定系數(shù)R2確定最優(yōu)模型。

表 2　胸徑-樹高曲線模型Table 2　Height-diameter model

注：H為樹高；D為胸徑；a,b,c為參數(shù)。

Note:Hrepresents tree height；Drepresents diameter at breast height (DBH)；a,b,andcare parameters.

1.3.2基于交角的林木競爭指數(shù)為便于表述，本研究將惠剛盈等[2]提出的用實測樹高計算基于交角的林木競爭指數(shù)(u_α_CIi)簡寫為CIH，將利用胸徑-樹高曲線模型預估的樹高代替實測樹高計算基于交角的林木競爭指數(shù)簡寫為CID-H，將胸徑直接代替樹高計算基于交角的林木競爭指數(shù)簡寫為CID，計算公式如下：

式中：Hi為對象木的實測或預估樹高，Hj為相鄰木的實測或預估樹高，Di為對象木的胸徑，Dj為相鄰木的胸徑，Lij為對象木和相鄰木之間的距離，n為結(jié)構(gòu)單元內(nèi)相鄰木的株數(shù)。

應用Visual Basic高級程序設(shè)計語言，以對象木和最近4株相鄰木作為一個結(jié)構(gòu)單元，編制計算基于交角的林木競爭指數(shù)程序。為避免邊緣效應對林分結(jié)構(gòu)的影響，計算時緩沖區(qū)設(shè)置為5 m。

2結(jié)果與分析

2.1各樣地胸徑-樹高曲線模型的確定

所有樣地擬合的胸徑-樹高曲線模型均通過了顯著性檢驗(P<0.001)(表3)，模型的決定系數(shù)R2為0.497～0.849，擬合的胸徑-樹高曲線均呈現(xiàn)隨著胸徑的增大樹高先增后趨于穩(wěn)定的趨勢。除樣地3的最優(yōu)胸徑-樹高曲線模型為冪函數(shù)外，其余樣地的最佳模型均為拋物線函數(shù)。排列各樣地決定系數(shù)R2，依次為樣地4(0.849)>樣地3(0.799)>樣地1(0.721)>樣地6(0.545)>樣地2(0.529)>樣地5(0.497)。

表 3　各樣地最佳胸徑-樹高曲線模型的模擬結(jié)果Table 3　Best simulation results of height-diameter model in each plot

2.2通過3種途徑計算得到的競爭指數(shù)間的關(guān)系

從6塊樣地的競爭指數(shù)CIH與CID(圖1)或CID-H(圖2)的回歸分析可以看出，CIH與二者之間具有高度相關(guān)性，其決定系數(shù)R2均大于0.95，說明CID和CID-H可以表達出CIH結(jié)果的95%以上。二者關(guān)系可用線性函數(shù)CIH=bCID或CIH=bCID-H進行表達，因為線性函數(shù)系數(shù)b∈(0,1)，且CIH∈[0,1)[2]，所以CIH

圖 1　6塊樣地競爭指數(shù)CIH與CID之間的關(guān)系Fig.1　Relationship between competition indexes of CIH and CID in the six plots

圖 2　6塊樣地競爭指數(shù)CIH與CID-H之間的關(guān)系Fig.2　Relationship between competition indexes of CIH and CID-H in the six plots

CIH與競爭指數(shù)CID或CID-H之間的R2與樣地內(nèi)所有樹種擬合的胸徑-樹高曲線模型R2均呈顯著正相關(guān)(表4)，即當胸徑與樹高相關(guān)程度越高，則競爭指數(shù)CIH與CID或CID-H之間的相關(guān)程度就越大。對比各樣地CIH與CID或CID-H之間的決定系數(shù)R2，發(fā)現(xiàn)樣地1、3、4、6的CIH與CID-H之間的R2都大于CIH與CID之間的R2，但樣地2、5則相反。從表3可以看出，在樣地2、5中，擬合的胸徑-樹高曲線模型精度低(R2小于0.53)，使得預估樹高與實測樹高之間誤差增大，因而使計算所得的競爭指數(shù)CID-H與CIH之間的相關(guān)程度降低。由此可見，以胸徑直接替代樹高能更穩(wěn)定有效地計算該林木競爭指數(shù)。

表 4　胸高關(guān)系與競爭指數(shù)間關(guān)系的相關(guān)分析Table 4　Correlation analysis between height-diameter model and each CI

注：*代表決定系數(shù)顯著(P<0.05)。

Note:* represents the correlation between determination coefficients is significant (P<0.05).

2.3各樣地競爭指數(shù)與對象木胸徑間的關(guān)系

不同生長階段的林木個體大小不同，也可反映出不同的競爭能力。大量研究[2,22-23]表明，大的林木具有強的競爭能力，即樹體越大，所承受的競爭壓力越小，二者服從冪函數(shù)關(guān)系[24-26]，6 塊樣地擬合的競爭指數(shù)與林木胸徑大小的關(guān)系進一步證實了這一規(guī)律(圖3和圖4)。由圖3和圖4可以看出，競爭指數(shù)CIH與林木胸徑大小的相關(guān)程度相對高于CID的，但二者對6塊樣地擬合結(jié)果的趨勢是一致的，均為樣地6>樣地3>樣地5>樣地2>樣地1>樣地4。由此可見，競爭指數(shù)CID能替代CIH有效地表達出不同大小的林木所承受的競爭壓力。

圖 3　6塊樣地競爭指數(shù)CIH與生長因子的相關(guān)性Fig.3　Correlation between competition index CIH and growth factor in the six plots

圖 4　6塊樣地競爭指數(shù)CID與生長因子的相關(guān)性Fig.4　Correlation between competition index CID and growth factor in the six plots

3結(jié)論與討論

(1)用胸徑直接替代基于交角的林木競爭指數(shù)中的樹高是可行的。CID和CIH都能有效地表達出不同大小的林木所承受的競爭壓力，競爭指數(shù)最高的是小樹，因而小樹承載的競爭壓力最大，其次是中樹，而大樹的競爭指數(shù)最低[2,22-23]。雖然競爭指數(shù)CIH與胸徑的擬合精度稍高于CID的，但二者對6塊樣地的擬合結(jié)果趨勢是一致的。

(2)基于交角的林木競爭指數(shù)在實際應用中可用樹高曲線間接途徑進行計算，但應用效果取決于樹高曲線模型的精度，當胸徑-樹高曲線模型精度較低時，競爭指數(shù)CID-H并沒有比競爭指數(shù)CID更好地反映林木的競爭，因此，以胸徑替代實測樹高可作為該競爭指數(shù)的最佳經(jīng)驗計算途徑。

圖 56塊樣地競爭指數(shù)與對象木胸徑等級的關(guān)系

Fig.5Relationship between competition index and objective tree DBH classes in the six plots

(3)競爭指數(shù)CIH

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DOI：網(wǎng)絡出版時間:2016-06-0816:2110.13207/j.cnki.jnwafu.2016.07.020

[收稿日期]2014-12-05

[基金項目]國家自然科學基金項目(31370638)

[作者簡介]白超(1988-)，女(彝族)，云南建水人，在讀博士，主要從事森林空間結(jié)構(gòu)研究。E-mail:baichao928@163.com [通信作者]胡艷波(1975-)，女，遼寧寬甸人，助理研究員，主要從事森林經(jīng)營研究。E-mail:hyanbo@caf.ac.cn

[中圖分類號]S758

[文獻標志碼]A

[文章編號]1671-9387(2016)07-0138-08

Application of forest competition index based on intersection angle

BAI Chao,ZHAO Zhonghua,HU Yanbo

(KeyLaboratoryofTreeBreedingandCultivationofStateForestryAdministration,ResearchInstituteofForestry,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China)

Abstract:【Objective】 Forest competition index (CI) based on intersection angle is concise and able to express the over shading and the lateral extruding from the competitive trees.The feasibility of two empirical calculation methods using DBH (D) directly or using estimated tree height from diameter-height (D-H) curve model was discussed to provide optimal empirical calculation of forest competition index based on intersection angle.【Method】 Six sample plots in natural and artificial forests of 3 regions were selected and trees coordinates,species,DBH,tree height,crown width and health were measured and recorded using electronic total station.Then the relationship between competition index calculated by DBH (CID),tree height estimated with diameter-height curve model (CID-H) and measured tree height (CIH) was analyzed.【Result】 It was feasible to use the two empirical calculation methods to calculate competition indexes of different forests with more than 95% identity compared with measured tree height (CIH).The effects of two empirical calculation methods were significantly positively related to the accuracy of tree DBH and tree height model.When the correlation between tree DBH and tree height was low (R2<0.53),the accuracy of CID-Hwas slightly worse than that of CID.【Conclusion】 Because of complicated calculation process of CID-H,the results of CID-Hwere slightly better than that of CID when correlation between tree DBH and height was low.Therefore,using DBH directly is the optimal calculation method for forest competition index based on intersection angle.

Key words:forest competition index based on intersection angle;height-diameter curve model;empirical calculation way

網(wǎng)絡出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20160608.1621.040.html