觀光木人工林胸徑樹高模型及林木分化的研究

莫 凡，易冠明，戴文君，方小榮，楊 梅*

(1.廣西高峰林場，廣西 南寧 530031；2.廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004)

植物相關(guān)生長的研究能夠相對完整地比較林分之間各生長因子的變化趨勢，其中植物的胸徑與樹高生長模型是森林生態(tài)系統(tǒng)研究和經(jīng)營中常用的相關(guān)生長關(guān)系，并且是研究林分因子生長與林木收獲模型評估的重要參考依據(jù)[1-4]。

觀光木(Tsoongiodendronodorum)系木蘭科(Magnoliaceae)觀光木屬(Tsoongiodendron)的常綠樹種，為中生代白堊紀(jì)的孑遺樹種[5-6]，是我國珍?、蚣壉Ｗo(hù)植物，也被世界自然保護(hù)聯(lián)盟(IUCN)列為NT(Near Threatened)保護(hù)等級，主要分布于江西南部、福建、廣東、海南、廣西、云南東南部，適生于海拔300～1 100 m的石灰?guī)r山地[7]。其材質(zhì)優(yōu)良、紋理細(xì)致，可供家具、建筑用材、樂器等用[8]；樹皮、根皮中含有的化學(xué)成分及生物活性可有效治療癌癥[9]；除此之外，觀光木樹干通直，樹形優(yōu)美，是優(yōu)良的園林綠化和庭院觀賞樹種[10]。目前國內(nèi)觀光木主要研究生物量及生產(chǎn)力、碳儲量、生長規(guī)律等生物學(xué)特性和生態(tài)學(xué)特性，有研究表明27年生的觀光木人工林林分生物量為102.57 t·hm-2，林分生產(chǎn)力為7.4 t·hm-2·a-1，人工林生態(tài)系統(tǒng)總碳儲量為180.49 t·hm-2，且人工林樹高呈快-中-慢趨勢，胸徑、材積隨林齡增加而增大[11-13]；觀光木與杉木混交林能有效改善林內(nèi)氣候、土壤性質(zhì)以及緩解地力衰退，且混交林的年凋落物量為5.942 t·hm-2，高于杉木純林的總量，其中杉木和觀光木各占凋落物總量的70.38%和18.28%[14-15]；唐小誠[16]等研究14年生觀光木人工林林分生物量為72.05 t·hm-2，而針對14年生觀光木中齡林林分樹高生長曲線的研究未見報道，為了系統(tǒng)地研究觀光木林分生長因子之間的關(guān)系，本研究在綜合前人研究的基礎(chǔ)之上，選用幾種常用的理論生長模型進(jìn)行對觀光木胸徑樹高關(guān)系的曲線擬合，并根據(jù)最佳模型的檢驗性，確定觀光木最優(yōu)樹高生長方程，為觀光木人工林林分經(jīng)營與管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于廣西南寧市北郊的國有高峰林場界牌分場，地理位置為108°34′38″E， 22°87′85″N，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度21.8℃，≥10℃年積溫約7 200℃，年均降雨量約為1 200～1 500 mm，雨季多集中在5-9月，相對濕度約79%，林分種植密度為2 m×3 m。調(diào)查樣地概況見表1,土壤類型為砂頁巖發(fā)育形成的赤紅壤，厚度40～80 cm。林下植被主要有野牡丹(Melastomamalabathricum)、東方烏毛蕨(Blechnumorientale)、五節(jié)芒(Miscanthusfloridulus)、鐵芒箕(Dicranopterislinearis)、鐵線蕨(Adiantumcapillus-veneris)、狗脊(Woodwardiajaponica)，石礫含量為5%，枯枝落葉層3～5 cm。

1.2 調(diào)查方法

試驗地為2002年1月營造的觀光木人工純林，分別于2010年1月、2016年1月進(jìn)行樣地調(diào)查，調(diào)查時林分年齡分別為8、14 a。根據(jù)不同觀光木林分的分布情況，在調(diào)查試驗地選擇6塊生長良好、林相整齊且遠(yuǎn)離林緣的林分下設(shè)置各樣地，并在實(shí)測樣地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺，利用紅外線測高儀測定樹木從地面根莖到樹梢之間的高度，利用胸徑尺測定距地面1.3 m處的樹干直徑，將信息收集好并錄入表格。將2次調(diào)查的全部241株觀光木數(shù)據(jù)歸類整理，按2 cm徑階分組，統(tǒng)計徑階數(shù)據(jù)信息。

表1 樣地概況Table 1 General situation of sample plots

1.3 數(shù)據(jù)分析

所有試驗數(shù)據(jù)均采用Excel2010進(jìn)行處理，并采用IBM SPSS statistic18.0軟件中回歸分析的Curve Estimation功能對觀光木樹高生長曲線方程進(jìn)行擬合，主要選擇傳統(tǒng)森林測樹學(xué)中的一般樹高曲線模型：線性方程、對數(shù)方程、二次方程、乘冪式曲線方程、指數(shù)方程、Logistic曲線方程等6種常用的方程，進(jìn)而分析觀光木隨著林齡增長的胸徑樹高關(guān)系變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 胸徑與樹高生長曲線

利用表2中不同林齡觀光木各徑階所對應(yīng)的平均樹高實(shí)測值，以胸徑為橫坐標(biāo)，平均樹高為縱坐標(biāo)，繪制出觀光木樹高生長折線圖(圖1)。通過對調(diào)查林分樣地內(nèi)觀光木胸徑、樹高數(shù)據(jù)進(jìn)行生長曲線擬合，并得出適用于觀光木中齡林林木生長規(guī)律的最佳曲線。

表2 不同徑階分布的平均胸徑與平均樹高Table 2 Average DBH and average tree height under different diameter steps m,cm

通過6種理論方程分別對觀光木樹高生長方程進(jìn)行擬合，并根據(jù)殘差平方和(SSE)、均方根誤差(RMSE)相對較小原則再確定相關(guān)系數(shù)(R2)相對較大的原則得到精度相對較高的擬合曲線方程。從表3可知，觀光木林分的最佳模型曲線為二次方程模型：H=a+bD+cD2，擬合精度為0.809 5，均高于其他曲線擬合精度，因此得到的最佳樹高生長曲線方程為：

H=0.059 3D2-0.330 3D+7.1141

(1)

圖1 不同林齡觀光木胸徑樹高折線Fig.1 The chart of DBH-height at different ages of T.odorum

2.2 胸徑樹高最佳關(guān)系模型的顯著性檢驗

為了得到更準(zhǔn)確的最優(yōu)模型，對樹高曲線方程進(jìn)行方差分析，檢驗其顯著性。從表4可以看出，觀光木最佳曲線方程H=a+bD+cD2的方差分析結(jié)果為：F=504.568，大于臨界值F0.01(2，239)=16.223，這也表明觀光木的樹高生長方程模型H=a+bD+cD2檢驗效果極顯著，對觀光木林分實(shí)際的生長評估有一定的代表性和適用性。

2.3 徑階分布

表5中按徑階分布對不同林齡的觀光木分類，其中8年生觀光木胸徑<10 cm的占17.14%，10～12 cm的占55.24%，14～16 cm的占27.62%；14年生觀光木胸徑<10 cm的占8.09%，10～12 cm的占26.59%，14～16 cm的占30.37%，18～20 cm的占33.88%，>20 cm的占17.59%。14年生中大徑級林木所占比例比8年生高出44.16%，且各徑階的分布比例較為均勻，相較8年生林木的徑階分布更穩(wěn)定。

表3 不同林齡觀光木胸徑樹高相關(guān)擬合曲線Table 3 The fitting curves of DBH-height at different age of T.odorum

注：H為平均樹高的回歸值；D為觀光木的胸徑值；a、b、c為參數(shù)。

表4 最佳模型的方差分析Table 4 Analysis of variance of optimal model

2.4 林分的直徑離散度與林木分化程度

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。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。從表6中可知，8年生和14年生的觀光木林分的離散度以及林木分化程度的值均>1，表明2個林齡階段的林木分化程度明顯，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿嵊煞ゲ拍鼙ＷC林分中林木更快更好地生長。

(2)

(3)

式中，D為林分平均直徑，n為林分中林木直徑

表5 不同林齡觀光木徑階分布Table 5 Diameter distribution at different ages of T.odorum

3 結(jié)論與討論

通過研究不同林齡觀光木的徑階分布以及林木分化的程度，初步揭示觀光木人工林從8年生到14年生期間生長，徑階分布由中徑級過渡到以大徑級為主的林分結(jié)構(gòu)，林分生長量也不斷上升，這與周鳳艷[17]對不同林齡樟子松的研究結(jié)果相似，林木胸徑越大，林木越高，呈正相關(guān)關(guān)系。而觀光木林分在8年生階段林分的直徑離散度和林木分化程度表明，在該立地條件和造林密度下，隨著樹齡的增大以及林木的生長，原有的營養(yǎng)空間已不能滿足林木的要求，生長受到抑制，生長量下降[18]，觀光木林分應(yīng)當(dāng)進(jìn)行首次撫育間伐，以保證林木足夠的生長空間且干擾作用最小化，才能有效提高林分生長和林分的質(zhì)量，而根據(jù)華山松[19]、蒙古櫟[20]、馬尾松[21]等不同樹種在采取撫育間伐強(qiáng)度的選擇上，不同林分針對不同的立地條件，間伐強(qiáng)度不同，只要適度合理的采伐強(qiáng)度才能更好地使保留木有足夠的空間、養(yǎng)分、水分和光照條件健康生長；到14年生觀光木林分由于未進(jìn)行首次間伐，導(dǎo)致期間林分生長量受到一定的制約，林分的離散度和分化度也逐步擴(kuò)增，林木間的生長不僅受林分密度影響，樹冠也無擴(kuò)張的空間，會導(dǎo)致自然整枝現(xiàn)象，使得樹冠變小，產(chǎn)生樹冠負(fù)生長現(xiàn)象，林木的直徑和蓄積都會下降[22]，所以應(yīng)及時撫育采伐，改善林木的生長條件，提高林分的穩(wěn)定性以及單株材積量，創(chuàng)造理想的林分培育結(jié)構(gòu)，以保證在培育珍貴樹種的同時增加林分的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)雙重的高效收益。

表6 觀光木林分的離散度和分化程度Table 6 Degree of dispersion and differentiation of forest on T.odorum

利用實(shí)測觀光木林分樣地的胸徑樹高數(shù)據(jù)擬合得到的樹高生長曲線，并對其相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗比較，最終確定觀光木樹高生長曲線為二次方程模型，其樹高生長方程為H=0.059 3D2-0.330 3D+7.114 1，相關(guān)系數(shù)為0.809 5，F(xiàn)=504.568，表明觀光木的單株樹高隨胸徑的增加而增長，其方程能夠為今后估測觀光木人工林林分樹高、樹干材積量以及編制出材率表提供一定的參考。

本研究盡管對觀光木中齡林樹高生長曲線進(jìn)行擬合，擬合精度相對較高，但在實(shí)測數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的一些誤差以及相同徑階的樹高對應(yīng)胸徑的高低誤差存在，因此對觀光木樹高模型研究還需深入，本研究僅從2個時期的林分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行擬合，在時間跨度上具有一定的局限，為了得出更有代表性、適用性更廣的樹高生長模型，還需結(jié)合觀光木更多生長期內(nèi)的林分生長數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，從而得到最優(yōu)模型。

參考文獻(xiàn):

[1] 張連金,孫長忠,辛學(xué)兵,等.北京九龍山不同林分樹高與胸徑相關(guān)生長關(guān)系分析[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2014(12):66-70.

ZHANG L J,SUN C Z,XIN X B,etal.Allometric relationship between height and diameter at breast height of different stand in Beijing Jiulong mountain [J].Journal of Central South University of Forestry & Technology,2014(12):66-70.(in Chinese)

[2] 賈永倩,王振錫,瞿余紅,等.基于全極化Radarsat-2數(shù)據(jù)的蘋果園平均樹高估算模型[J].森林工程,2017,33(2):45-49.

JIA Y Q,WANG Z X,QU Y H,etal.An average tree height estimation model for apple orchards based on fully polarized Radarsat-2 data[J].Forest Engineering,2017,33(2):45-49.(in Chinese)

[3] 張雄清,張建國,段愛國.基于貝葉斯法估計杉木人工林樹高生長模型[J].林業(yè)科學(xué),2014,50(3):69-75.

ZHANG X Q,ZHANG J G,DUAN A G.Tree-height growth model for Chinese fir plantation based on bayesian method [J].Scientia Silvae Sinicae,2014,50(3):69-75.(in Chinese)

[4] 羅也,沈海龍,張鵬,等.不同開敞度條件下坡向?qū)t松胸徑和樹高生長的影響[J].森林工程,2017,33(2):5-10.

LUO Y,SHEN H L,ZHANG P,etal.Effect of slope direction on DBH growth and tree height under different openness conditions[J].Forest Engineering,2017,33(2):5-10.(in Chinese)

[5] 徐剛標(biāo),吳雪琴,蔣桂雄,等.瀕危植物觀光木遺傳多樣性及遺傳結(jié)構(gòu)分析[J].植物遺傳資源學(xué)報,2014,15(2):255-261.

XU G B,WU X Q,JIANG G X,etal.Genetic diversity and population structure of an endangered species:TsoongiodendronodorumChun [J].Journal of Plant Genetic Resources,2014,15(2):255-261.(in Chinese)

[6] 韋鵬練,黃騰華,符韻林.觀光木人工林木材物理力學(xué)性質(zhì)的研究[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2014,29(6):221-225.

WEI P L,HUANG T H,FU Y L.Physical and mechanical properties ofTsoongiodendronodorumwoods [J].Journal of Northwest Forestry University,2014,29(6):221-225.(in Chinese)

[7] 付琳,徐鳳霞,曾慶文.觀光木的小孢子發(fā)生及雄配子體發(fā)育的研究[J].熱帶亞熱帶植物學(xué)報,2009,17(5):419-426.

FU L,XU F X,ZENG Q W.Studies on microsporogenesis and development of male gametophyte inTsoongiodendronodorumChun [J].Journal of Tropical and Subtropical Botany,2009,17(5):419-426.(in Chinese)

[8] 黎小波,龍濤,李秀榮,等.觀光木木材涂飾工藝研究[J].森林工程,2013,29(6):62-65.

LI X B,LONG T,LI X R,etal.Research on the painting process ofTsoongiodendronodorumwood [J].Forest Engineering,2013,29(6):62-65.(in Chinese)

[9] 宋曉凱,吳立軍,屠鵬飛.觀光木樹皮的生物活性成分研究[J].中草藥,2002,33(8):676-678.

SONG X K,WU L J,TU P F.Studies on bioactive constituents in bark ofTsoongiodendronodorum[J].Chinese Traditional and Herbal Drugs,2002,33(8):676-678.(in Chinese)

[10] 曹人智.園林綠化珍貴樹種——觀光木[J].林業(yè)實(shí)用技術(shù),2004(2):34-34.

[11] 覃靜,蒙好生,秦武明,等.觀光木人工林生物量及生產(chǎn)力研究[J].林業(yè)科技開發(fā),2011,25(6):65-68.

QIN J,MENG H S,QIN W M,etal.Studies on the biomass and productivity ofTsoongiodenronodorumplantation [J].China Forestry Science and Technology,2011,25(6):65-68.(in Chinese)

[12] 黃松殿,吳慶標(biāo),廖克波,等.觀光木人工林生態(tài)系統(tǒng)碳儲量及其分布格局[J].生態(tài)學(xué)雜志,2011,30(11):2400-2404.

HUANG S D,WU Q B,LIAO K B,etal.Carbon storage and its allocation in an artificialTsoongiodendronodorumecosystem in southern subtropical region of China [J].Chinese Journal of Ecology,2011,30(11):2400-2404.(in Chinese)

[13] 楊來安,秦武明,覃靜,等.觀光木人工林生長規(guī)律的初步研究[J].林業(yè)科技,2012,37(5):9-10.

YANG L A,QIN W M,QIN J,etal.Study on growth regularity ofTsoongiodendronodorumforest [J].Forestry Science & Technology,2012,37(5):9-10.(in Chinese)

[14] 劉春華.杉木觀光木混交林生長及生態(tài)效益分析[J].安徽農(nóng)學(xué)通報,2008,14(11):165-166.

LIU C H.Growth and ecological benefit analysis of mixed forest ofCunninghamialanceolataandTsoongiodendronodorum[J].Anhui Agricultural Science Bulletin,2008,14(11):165-166.(in Chinese)

[15] 楊玉盛,俞白楠,謝錦升,等.杉木觀光木混交林凋落物數(shù)量、組成及動態(tài)[J].林業(yè)科學(xué),2001,37(Supp.1):30-34.

YANG Y S,YU B N,XIE J S,etal.Amount,composition and seasonal dynamics of litterfall in mixed forest ofCunninghamialanceolataandTsoongiodendronodorum[J].Scientia Silvae Sinicae,2001,37(Supp.1):30-34.(in Chinese)

[16] 唐小誠,張建平,陸世光,等.14年生觀光木人工林生物量初步研究[J].綠色科技,2015(6):9-10.

TANG X C,ZHANG J P,LU S G,etal.Study on forest biomass of 14 year oldTsoongiodendronodorum[J].Journal of Green Science and Technology,2015(6):9-10.(in Chinese)

[17] 周鳳艷.沙地樟子松不同林齡樹高、胸徑等生長指標(biāo)的關(guān)系研究[J].吉林林業(yè)科技,2017,46(1):12-15.

[18] 姚凱.撫育間伐起始期的確定[J].中國林業(yè),2011(17):50-50.

[19] 胥富強(qiáng),王齊,呂尋,等.小隴山林區(qū)撫育間伐對華山松人工林生長的影響[J].西北林學(xué)院學(xué)報,2014,29(6):176-179.

XU F Q,WANG Q,LYU X,etal.Effects of tending thinning on the growth ofPinusarmandiiplantations in Xiaolongshan forest region [J].Journal of Northwest Forestry University,2014,29(6):176-179.(in Chinese)

[20] 尤文忠,趙剛,張慧東,等.撫育間伐對蒙古櫟次生林生長的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2015,35(1):56-64.

YAO W Z,ZHAO G,ZHANG H D,etal.Effects of thinning on growth of mongolian oak (Quercusmongolica)secondary forests [J].Acta Ecologica Sinica,2015,35(1):56-64.(in Chinese)

[21] 鮑斌,丁貴杰.撫育間伐對馬尾松林分生長與植物多樣性的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2013,33(3):30-33.

BAO B,DING G J.Effects of thinning on growth and vegetation diversityofPinusmassonianaplantation [J].Journal of Central South University of Forestry & Technology,2013,33(3):30-33.(in Chinese)

[22] 萬麗,劉昀東,丁國棟,等.密度調(diào)控對油松人工林空間結(jié)構(gòu)的影響[J].四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報,2013,31(1):27-31.

WAN L,LIU Y D,DING G D,etal.Effects of density control on the spatial structure ofPinustabulaeformisplantation [J].Journal of Sichuan Agricultural University,2013,31(1):27-31.(in Chinese)