不同坡向落葉松人工林林分生長(zhǎng)模型差異的研究

劉 劍， 畢海東， 張 驍， 張雪瑩， 譚道華， 張霄魁

(1. 吉林省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院， 吉林 長(zhǎng)春 130022； 2. 撫松縣林業(yè)局， 吉林 白山 134500； 3. 安圖縣林業(yè)局， 吉林 延邊 133600)

隨著天然林禁止商業(yè)性采伐政策的實(shí)施，人工林已成為國(guó)內(nèi)木材市場(chǎng)的主要來源[1]。落葉松具有較高的造林成活率，且生長(zhǎng)快，營(yíng)林周期較短，用材價(jià)值較高，是吉林省東部山區(qū)的主要造林樹種[2]。不同坡向的光照條件、空氣濕度以及土壤條件等環(huán)境因子差異較大，對(duì)林分生長(zhǎng)具有重要的影響[3]。王向榮等分析了坡向和坡位對(duì)水曲柳中齡林生長(zhǎng)的影響，結(jié)果表明坡向?qū)α址制骄貜胶蛢?yōu)勢(shì)木高的影響大于坡位，且坡向?qū)?yōu)勢(shì)木平均高有顯著的影響[4]。盧正茂研究了坡向與林分密度對(duì)麻櫟林生物量的影響，結(jié)果表明麻櫟生長(zhǎng)在南坡好于生長(zhǎng)在東南坡和北坡[5]。郭建軍等分析了冀北山地不同坡向華北落葉松人工林生長(zhǎng)量，結(jié)果表明陰坡華北落葉松胸徑總生長(zhǎng)量整體高于陽坡，其中在15～25年最為明顯[6]。本文利用紅石林業(yè)局2016年森林資源調(diào)查小班數(shù)據(jù)庫，對(duì)不同坡向的落葉松人工林林分生長(zhǎng)模型進(jìn)行了構(gòu)建，并檢驗(yàn)了不同坡向林分生長(zhǎng)模型參數(shù)的同質(zhì)性，進(jìn)一步分析了不同坡向人工林林分生長(zhǎng)模型的差異，旨在為落葉松人工林的經(jīng)營(yíng)管理和造林地選擇提供參考。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)為吉林森工集團(tuán)紅石林業(yè)局，該區(qū)域夏季高溫多雨，冬季寒冷漫長(zhǎng)，屬典型的溫帶大陸性氣候。年平均氣溫3.7 ℃，無霜期100～110 d，有效積溫2 100～2 500 ℃，年降水量720～810 mm，土壤以山地暗棕色森林土為主。植被類型以闊葉紅松林為主，闊葉樹種主要有蒙古櫟(Quercusmongolica)、核桃楸(Juglansmandshurica)、紫椴(Tiliaamurensis)、春榆(Ulmusjaponica)和色木槭(Acermono)等，針葉樹種主要有紅松(Pinuskoraiensis)、長(zhǎng)白落葉松(Larixolgensis)和紅皮云杉(Piceakoraiensis)等。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于2016年紅石林業(yè)局的森林資源調(diào)查小班數(shù)據(jù)庫，本次篩選的落葉松人工林，長(zhǎng)白落葉松在樹種組成中占70 %及以上。共篩選林分(小班)4 383個(gè)，其中陰坡1 491個(gè)、半陰半陽坡1 061個(gè)、陽坡1 831個(gè)。

2.2 林分生長(zhǎng)模型

本文選擇理查德模型為落葉松人工林林分生長(zhǎng)的基礎(chǔ)模型[7]，陽坡為模型的參考基準(zhǔn)模型，林分生長(zhǎng)完備模型和簡(jiǎn)約模型見表1。其中，y為各坡向的林分公頃蓄積量，t為各坡向的林分年齡，a、b和c代表了陽坡的林分生長(zhǎng)模型參數(shù)，αi為第i個(gè)坡向的參數(shù)a與陽坡相比的增量，βi為第i個(gè)坡向的參數(shù)b與陽坡相比的增量，γi為第i個(gè)坡向的參數(shù)c與陽坡相比的增量。

當(dāng)限定模型(4.1)中的γi均取0值時(shí)，模型(4.1)則變化為模型(4.2)，此模型代表了各坡向的林分生長(zhǎng)過程間僅參數(shù)c完全一致。同理，當(dāng)限定模型(4.1)中的βi和γi均取0值時(shí)，模型(4.1)則變化為模型(4.5)。其他模型以此類推，當(dāng)限定模型(4.1)中的αi、βi和γi均取0值時(shí)，模型(4.1)則變化為模型(4.8)，此模型表明了各坡向林分的生長(zhǎng)過程完全一致。

表1 簡(jiǎn)約模型與完備模型

2.3 模型同質(zhì)性檢驗(yàn)

本文以模型參數(shù)處理為確定變量，選擇陽坡的林分生長(zhǎng)模型作為參考基準(zhǔn)。參考基準(zhǔn)的選擇僅影響參數(shù)意義，而不會(huì)對(duì)模型擬合以及參數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。對(duì)模型參數(shù)的同質(zhì)性檢驗(yàn)就是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮隽渴欠駷?的統(tǒng)計(jì)假設(shè)。假設(shè)檢驗(yàn)公式為：

式中：SSE為殘差平方和；r為簡(jiǎn)約模型；f為完備模型；SSE(r)為簡(jiǎn)約模型的擬合殘差平方和；SSE(f)為完備模型的擬合殘差平方和；q為完備模型與簡(jiǎn)約模型間參數(shù)數(shù)目之差；k為簡(jiǎn)約模型參數(shù)數(shù)目；p為完備模型參數(shù)數(shù)目；n為樣本容量。

如果接受假設(shè)，則表明參數(shù)具有同質(zhì)性，此時(shí)化簡(jiǎn)后的簡(jiǎn)約模型優(yōu)于完備模型。

2.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

利用Office 2017軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和整理，利用SAS 8.1軟件的nlin過程對(duì)模型進(jìn)行擬合和檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同坡向林分特征

對(duì)不同坡向主要林分因子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，不同坡向落葉松人工林公頃株數(shù)、公頃蓄積量、平均胸徑和林齡的平均值分別為1 175株、104 m3·hm-2、14.2 cm和29年。不同坡向4個(gè)主要林分因子差異較小，其中陽坡公頃株數(shù)最大，為1 180株；半陰半陽坡公頃蓄積量、平均胸徑和林齡均最大，分別為106 m3·hm-2、14.4 cm和30年。

表2 不同坡向林分特征

3.2 林分生長(zhǎng)模型化簡(jiǎn)

利用參數(shù)同質(zhì)性檢驗(yàn)對(duì)3異質(zhì)參數(shù)完備模型進(jìn)行化簡(jiǎn)，結(jié)果見表3?？梢钥闯觯?異質(zhì)參數(shù)模型(4.3)和模型(4.4)，以及1異質(zhì)參數(shù)模型(4.5)與3異質(zhì)參數(shù)完備模型(4.1)同質(zhì)性檢驗(yàn)不顯著外(F1分別為1.64、0.77和2.17)，其余模型檢驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到極顯著水平，說明3異質(zhì)參數(shù)完備模型(4.1)應(yīng)化簡(jiǎn)為模型(4.3)、模型(4.4)或模型(4.5)。由于模型(4.3)和模型(4.4)中參數(shù)a差異均顯著，因此，僅需要檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?4.5)、模型(4.7)和模型(4.8)分別與2異質(zhì)參數(shù)模型(4.3)和模型(4.4)差異是否顯著。經(jīng)過檢驗(yàn)可以看出，與模型(4.3)相比，模型(4.5)差異不顯著，其余2個(gè)模型差異均達(dá)到極顯著水平；與模型(4.4)相比，模型(4.5)、模型(4.7)和模型(4.8)差異均達(dá)到顯著或極顯著水平。因此，應(yīng)選擇經(jīng)過模型(4.1)和模型(4.3)化簡(jiǎn)后的模型(4.5)為不同坡向落葉松人工林的最優(yōu)模型，該模型中參數(shù)a差異顯著，參數(shù)b和參數(shù)c差異不顯著。

表3 林分生長(zhǎng)模型同質(zhì)性檢驗(yàn)

表3(續(xù))

3.3 不同坡向模型參數(shù)差異

進(jìn)一步對(duì)模型(4.5)參數(shù)進(jìn)行擬合，并對(duì)不同坡向模型參數(shù)a、參數(shù)b和參數(shù)c進(jìn)行多重比較，結(jié)果見表4。由于模型(4.5)中參數(shù)b和參數(shù)c差異不顯著，因此，3個(gè)坡向的林分生長(zhǎng)模型參數(shù)b和參數(shù)c值相同。陰坡林分生長(zhǎng)模型參數(shù)a與其余2個(gè)坡向差異均顯著，半陰半陽坡與陽坡林分生長(zhǎng)模型參數(shù)a差異不顯著。說明不同坡向落葉松人工林生長(zhǎng)節(jié)律較為接近，但林分蓄積量生長(zhǎng)極值差異較大，陽坡和半陰半陽坡要顯著高于陰坡。

表4 不同坡向林分生長(zhǎng)模型參數(shù)多重比較

4 結(jié)論

不同坡向落葉松人工林主要林分因子差異較小，其中公頃株數(shù)、公頃蓄積量、平均胸徑和林齡的平均值分別為1 175株、104 m3·hm-2、14.2 cm和29年。落葉松人工林林分生長(zhǎng)模型為理查德模型，不同坡向3異質(zhì)參數(shù)完備模型經(jīng)過化簡(jiǎn)后獲得的1異質(zhì)參數(shù)模型(4.5)為最優(yōu)模型，該模型中不同坡向林分生長(zhǎng)模型參數(shù)a差異顯著，參數(shù)b和參數(shù)c差異不顯著。其中陽坡、半陰半陽坡和陰坡模型參數(shù)a分別為207.7、207.6和181.5，陰坡與陽坡和半陰半陽坡差異均達(dá)到顯著水平；模型參數(shù)b均為0.051 3，參數(shù)c均為2.761 6。本文對(duì)不同坡向落葉松人工林林分生長(zhǎng)模型參數(shù)差異進(jìn)行了分析，并對(duì)各坡向模型進(jìn)行了構(gòu)建，旨在為落葉松人工林的經(jīng)營(yíng)管理和造林地選擇提供參考。