湖南栎类天然林自稀疏边界线及影响因素研究

为确定湖南栎类天然林自稀疏边界线的最优统计方法以及影响栎类自稀疏的主要因素,以湖南省225块栎类天然林长期监测样地为研究对象,运用最小二乘法、分位数回归法和随机前沿方法拟合栎类天然林自稀疏边界线,采用现实林分死亡率对3种统计方法进行比较与验证,依据自稀疏边界线对现实林分的自稀疏状态进行判别,并对未稀疏和已稀疏样地的立地因素和森林结构因素进行方差分析。结果表明,基于分位数回归方法(分位数值等于0.95)拟合的自稀疏边界线更加接近于栎类天然林的最大密度临界值,其拟合效果优于最小二乘法和随机前沿方法;栎类自稀疏边界线的斜率为-1.063,截距为10.232;海拔、坡度、Pielous指数和高径比是影响栎类天然林自稀疏速率和起始时间的显著因素。构建的自稀疏边界线可以准确反映栎类天然林最大密度与林分平均直径的异速生长关系,可以为湖南栎类天然林生长演替和森林抚育研究提供参考。

基于改进林分密度指数的栎类天然林最大密度线

【目的】构建栎类天然林最大密度线,探究栎类天然林自稀疏规律,从理论上丰富种群生态学,为天然林林分密度管理与控制提供理论参考。【方法】以湖南省265块栎类天然林连续清查样地为研究对象,对现有林分密度指数进行改进,采用分位数回归和随机前沿分析评估Reineke林分密度指数和改进林分密度指数在构建栎类天然林最大密度线方面的适用性,并对不同林分类型栎类天然林的自稀疏特点进行分析。【结果】与Reineke林分密度模型相比,改进林分密度模型的预测误差显著降低(P<0.05),模型以林分平均胸径和优势树种平均高为基础变量,能够更好诠释林分自稀疏的内涵;随机前沿分析方法在模拟天然林最大密度线模型方面更加客观且精度较高,分位数回归方法也可提供有价值的补充;天然混交林自稀疏过程受林分平均胸径和优势树种平均高的共同影响,林分平均胸径越大,自稀疏速率越快;林分优势树种平均高越大,林分可容纳株数越多。天然林自稀疏速率在不同类型林分之间存在显著差异(P<0.05),栎类相对纯林的自稀疏速率更快、死亡率更高。【结论】构建栎类天然林最大密度线,探究其自稀疏规律,可为栎类天然林自稀疏状态的判别提供定量依据,有助于精准提升栎类天然林林分质量,更好把握天然林的自稀疏动态。

臭松天然次生林地位指数模型研究

以吉林省汪清林业局臭松天然次生林为研究对象,利用172块小班调查数据、178块复位样地数据及96株解析木数据,根据臭松优势木树高生长现状,分别拟合得到最优导向曲线和多形地位指数模型。分别采用标准差法、指数级差法及落点检验法对2种地位指数模型进行精度检验,结果如下:标准差法显示两种地位指数模型精度都较高;指数级差法表明单形模型跳级的情况都高于多形,无跳级次数低于多形;落点检验法发现单形地位指数曲线簇中,散点溢出曲线簇范围的散点占总散点数的10.7%,而多形地位指数曲线簇中,散点溢出曲线簇范围的散点占总数的2.7%。因而,立地类型多形地位指数模型更适宜于编制吉林汪青臭松天然次生林地位指数表。

基于林木多期直径测定数据的异龄林年龄估计方法

基于固定样地多期直径测定数据,拟合直径与年龄相关的生长模型,为异龄林年龄结构的确定提供估计方法。通过为第一期林木设置不同年龄初值的方法采集样地内各树种的直径与年龄坐标信息,采用不同直径生长方程对数据进行模拟,依据树高生长至1.3 m时的年龄t0,将拟合曲线在坐标内准确定位并用生长方程估计单木、径阶以及林分的平均年龄,对结果进行适用性检验和评价。结果表明:运用Richards方程分别拟合青冈栎、杉木、马尾松的直径与年龄的生长关系时,模型的相关指数R2分别为0.93、0.91、0.97,剩余标准差分别为1.18、0.78、0.37,平均绝对误差分别为0.80、0.61、0.31;该估计方法预测林分平均年龄的绝对误差最大值为2 a,相对误差最大值为8.2%;预测径阶年龄的绝对误差最大值为3 a,相对误差最大值为12.5%,平均绝对百分误差为5.1%;预测单木年龄的绝对误差最大值为7.0 a,相对误差最大值为29.3%,平均绝对百分误差最大值为14.8%。Richards方程在参数生物学意义以及模型拟合精度方面能较好地反映出各树种的直径与年龄生长的关系。研究提出的依据林木多期直径测定数据估计异龄林年龄的方法,预测林分平均年龄与径阶年龄的平均绝对百分误差小于10%,预测效果较好,其估计方法可以应用于科研和生产实践。

基于Hegyi改进模型的青冈栎次生林竞争分析

基于湖南省平江县芦头林场的12块青冈栎次生林固定样地数据,采用固定半径法、树冠重叠法以及单木影响圈分析样地内青冈栎树种的竞争状况,同时依据对象木与竞争木的树高比值对Hegyi竞争指数进行改进。结果表明:青冈栎树种的竞争影响范围随着直径的增加而增大,说明林木直径越大,竞争越激烈;青冈栎自由树冠幅模型为:CW=0.1773+0.2799×D,直径与冠幅大小呈正相关;三类竞争指标的相关性大小比较为Hegyi改进模型>Bella竞争指数>Hegyi竞争指数,说明综合考虑树木胸径比值、树高比值以及树木距离的竞争指标能更加准确地反映青冈栎次生林的竞争状况。

基于混合效应的湖南马尾松次生林单木生长模型

【目的】建立湖南省马尾松次生林单木断面积与材积生长模型,为林木的生长预估提供理论依据。【方法】以湖南省2014年一类清查样地中的20块马尾松次生林为研究对象,选取5个具有生物学意义的生长方程,建立马尾松断面积和材积随年龄变化的基础模型,在此基础上,加入以样地为随机效应的随机参数,构建基于混合效应的湖南马尾松次生林单木断面积和材积生长模型。【结果】断面积生长最优基础模型为Logistic方程,其确定系数(R2=0.746)和预测精度(P=98.13%)最大,残差平方和(SSE=0.025)最小;材积生长最优基础模型为Richards方程,其R2为0.703,预测精度为97.20%,SSE为1.034;混合效应模型模拟结果显示,断面积和材积生长模型的随机参数均为μ1、μ2、μ3。混合效应模型的拟合效果较基础模型有显著提升,其中断面积生长模型的R2由0.746提升到0.974,平均误差Bias由0.000 26降低到0.000 01;材积生长模型的R2由0.703提升到0.984,平均误差Bias由0.001 73降低到0.000 13。两个模型的预测精度较对应的基础模型均有所提升。【结论】含样地效应的混合效应模型拟合效果和预测精度均优于基础模型,具有更高的适用性,可为该林分的可持续经营提供科学指导。

青冈栎次生林种群结构及动态特征

青冈栎作为我国南方亚热带地区主要建群树种之一,对南方生态系统的稳定起着至关重要的作用。通过样地调查和数据统计方法,分析其种群年龄结构特征,编制其种群的静态生命表,对死亡率、存活、消失率曲线进行分析,并通过时间序列预测、种群数量化动态方法的运用,揭示天然次生林中青冈栎种群结构及动态特征。结果表明:青冈栎种群属于增长型,种群的动态变化指数值为0.0103,表明该种群趋于稳定型;存活曲线趋于Deevey-Ⅱ型,各龄级种群有着相近的死亡率;时间序列预测分析表明,在未来10、20、30、40 a后青冈栎种群老龄个体逐渐增多,幼龄株数逐渐减少,维持种群长期稳定性困难,因此,采取适当的人工措施是保持青冈栎种群天然更新和种群稳定的关键。

基于林木多期直径测定数据的异龄林年龄估计方法Ⅱ

基于林木多期直径测定数据,拟合直径与年龄相关的生长模型,为异龄林年龄结构的确定提供估计方法。以木荷异龄林为研究对象,通过确定异龄林林分内各树种的年龄变异范围,对林木第一期测量直径取随机年龄,获取林分内所有林木的直径与年龄信息对,进而利用Richards方程拟合各树种的直径生长方程,最后将加权平均直径代入生长方程求算出各树种及林分的平均年龄。结果表明:1)木荷异龄林林分内木荷树种的年龄变异范围为[-7.46*ln(1-(D/20.06)^0.371),-17.24*ln(1-(D/26.78)^0.381)],马尾松的年龄变异范围为:[-8.55*ln(1-(D/15.32)^0.478),-6.41*ln(1-(D/10.01)^0.326)],杉木的年龄变异范围为:[-10.75*ln(1-(D/21.04)^0.587),-10.53*ln(1-(D/12.20)^0.576)]。2)木荷估计年龄与真实年龄的最大绝对误差≤3年,最大绝对相对误差<20%,平均绝对百分误差<11%;马尾松估计年龄与真实年龄的最大绝对误差≤1年,最大绝对相对误差<10%,平均绝对百分误差≤5%;杉木估计年龄与真实年龄的最大绝对误差≤3年,最大绝对相对误差≤15%,平均绝对百分误差<10%;林分估计年龄与真实年龄的最大绝对误差均≤3年,最大绝对相对误差均<20%,平均绝对百分误差均<11%,预测效果较好,其估计方法可以应用于科研和生产实践。

基于林木生长阶段的青冈栎生长方程研究

以青冈栎次生林为研究对象,采用有序聚类的方法对青冈栎生长阶段进行划分,构建各生长阶段的生长方程,并对生长方程的预测效果进行评价分析。结果表明,依据直径连年生长量划分的生长阶段:幼龄阶段1～36a,中龄阶段37～52a,其中幼龄阶段的胸径生长方程为D_幼=25.1×(1-e^(-0.023 5 A))^(1.332 2),中龄阶段的胸径生长方程为D中=17.5/1+71.708 7×e^(-0.144 6 A);依据树高连年生长量划分的生长阶段:幼龄阶段1～8a,中龄阶段9～52a,但各生长阶段的树高生长方程预测效果不理想。因此,利用直径连年生长量对青冈栎生长阶段进行划分具有一定的可行性,且各生长阶段构建的生长方程能有效地预测青冈栎胸径的生长,对青冈栎的经营研究具有一定的参考价值。

湖南次生栎林空间结构优化

以湖南省国家森林连续清查中栎类为优势树种的样地作为研究对象,通过空间结构指数结合生长量选取合适的间伐木,为湖南栎类次生林的结构调整提供优化方法。运用邻域分析方法对每一个样地创建Voronoi图,分析林分空间结构特征。根据全混交度、角尺度、大小比数、竞争指数4个主要空间结构指数并运用乘除法的思想构建综合空间结构模型。根据每一株林木的综合空间结构指数选取合适的间伐木进行优化。用相容性林分生长收获模型模拟最优断面积,用最优的断面积控制间伐量,使得林分被间伐后,其生长活力能得到提高,在样地结构优化的同时达到提质增量的目的。以2 277号样地为例,根据模型确定样地间伐木为21株,株数间伐强度为16.27%,且间伐后的林分树种个数与径阶个数都未减少;间伐后的林分全混交度提高3.70%,林分整体竞争强度降低31.74%,林分的角尺度降低0.46%,林木的分布格局趋于随机分布,林分空间结构指数增加160.12%,使得林分的空间结构得到大幅的改善。林分的结构越合理,稳定性就越高,发挥的功能作用就越多。本研究以湖南栎类次生林为研究对象,在提出林分空间结构优化目标的基础上,结合了生长量的优化,构建林分间伐空间结构优化模型和每个年龄段的最优断面积预测曲线,为栎类次生林空间结构优化调控和林分提质增量措施的制定奠定理论基础。

基于地形与竞争因子的青冈栎次生林树高哑变量模型研究

考虑不同地形和林木竞争对青冈栎树高与胸径关系的影响,构建青冈栎树高与胸径的哑变量模型,为青冈栎次生林的树高预测和可持续经营提供理论依据。以16个青冈栎次生林固定样地为研究对象,通过确定系数(R^2)、赤池信息量准则(AIC)、均方根误差(RMSE)和平均预估误差(MPE)4个评价指标,从11个基础模型中筛选出最优的基础模型。利用F统计检验分析了不同坡向和坡度对青冈栎树高与胸径关系的影响,同时对Hegyi简单竞争指标进行了改进。基于坡向、坡度和竞争强度3个哑变量,构建青冈栎树高与胸径的哑变量模型。结果表明,对数模型M2为最优基础模型,其确定系数(R^2=0.686)最大,均方根误差(RMSE=1.380)和平均预估误差(MPE=1.242)最小;不同坡向和坡度下,模型的F统计值均大于F临界值;Hegyi改进指标与树高、胸径的相关系数达到-0.452、-0.418,相比Hegyi简单竞争指标有明显提高;基础模型中引入坡向、坡度和竞争强度哑变量后,模型的拟合精度均显著提高,R^2提高了0.035,RMSE减少了0.077,MPE减少了0.070%。从林木的水平和垂直空间上构建青冈栎林木竞争指标更加准确,坡向、坡度和林木竞争对青冈栎树高与胸径关系存在显著影响。综合考虑地形与林木竞争的哑变量模型拟合精度更高,能为青冈栎树高生长的预测提供参考。

湖南针栎混交林直径分布及演替动向

为揭示湖南省针栎混交林林分结构,了解林分树种更替过程以及指导针栎混交林抚育间伐奠定理论基础,以湖南省5块针栎混交林样地为研究对象,采用偏度和峰度描述栎类林分的直径分布特征,利用正态分布、Weibull分布、Gamma分布以及Logistic分布函数分别对针栎全林分和栎类林分的直径分布进行拟合,同时以林分株数变化动态为依据,分析针栎混交林的演替动向。结果表明:1)5个样地的偏度系数>0,说明栎类直径分布曲线为左偏,林分中中小径阶的栎类林木所占比重较大。除5号样地在2004年的峰度<0外,其余样地的峰度>0,表明栎类直径分布相对比较集中,呈现尖峰态;2)Weibull分布函数和Gamma分布函数更适于拟合针栎全林分和栎类林分的直径分布规律,但在拟合栎类林分的直径分布规律时效果更优;3)针栎混交林分中的栎类比例随着生长时间的延长逐渐增加,而针叶树逐步退化,针栎混交林逐步演替为阔栎混交林。

青冈栎次生林主要树种空间分布格局及其关联性研究

青冈栎次生林作为亚热带地区次生林的典型代表之一,研究其林分内主要树种的空间分布格局及关联性,可以更好地开展次生林经营指导工作。通过对9块青冈栎次生林样地的调查,运用空间点格局分析方法对其林分内主要树种的空间分布格局及种间关联性进行研究。结果表明:1)以完全空间随机模型为零假设时,林分整体的空间分布格局在0~12m尺度上呈聚集分布,在12~25m尺度呈随机分布,大于25m尺度趋于均匀分布态势;以异质泊松模型为零假设时,林分整体的空间分布格局总体上呈随机分布;2)样地内青冈栎、杜鹃和拟赤杨在小尺度上呈聚集分布,随尺度增加呈随机分布或均匀分布;甜槠、杉木和檵木基本在所有尺度呈随机分布。3)样地内建群种青冈栎与杉木在所有尺度呈负相关,与其它主要树种在小尺度呈负相关,随着尺度增加变为不相关;所有伴生树种的种间关联性在0~2m为负相关,在其它尺度上不相关为主。青冈栎次生林的空间分布格局受生境异质性的影响,且空间分布格局和主要树种间的关联性随空间尺度的不同而变化。

湖南省栎类天然次生林胸径地位指数表研制

为了对湖南省栎类天然次生林的立地质量进行准确的分析与评价,编制了湖南栎类天然次生林胸径地位指数表。以湖南省国家森林资源连续清查(1989—2014年,共6期)复查结果中以栎类为优势树种的146个样地的399组胸径-年龄数据为建模样本,首先拟合各种胸径生长方程,根据决定系数(R^2)、残差平方和(SSE)以及均方根误差(RMSE)确定最优导向曲线方程;然后,根据胸径变动系数随年龄变化趋于平缓时的年龄作为基准年龄,根据基准年龄时胸径的绝对变动幅度以及指数级个数的比值确定指数级距(C);最后利用标准差调整法、变动系数调整法以及相对胸径法分别编制湖南栎类天然次生林胸径地位指数表。结果表明:通过对7个常用的数学模型进行胸径生长方程的拟合,最后选定逻辑斯蒂方程作为最优导向曲线方程,选择基准年龄为40 a,指数级距为3 cm,编制了湖南栎类天然次生林胸径地位指数表。根据样本胸径理论值和实际值进行卡方检验的结果以及同一个样地的地位指数跳级情况,判别地位指数表的准确程度。检验结果表明,3种方法中相对胸径法编制的地位指数表精度最高,其卡方检验值低于临界值,同时验证样地的地位指数有跳级现象的样本数占总样本数23.6%,并且只是上下各跳一级,说明所编的地位指数表具有较高的准确性,可用于湖南省栎类天然次生林的立地质量评价。

湖南楠木次生林胸径地位指数表的研制

以湖南省1989—2014年6期一类调查数据为基础,筛选出楠木株数占比大于20%的55块样地共299组年龄-胸径值,编制了楠木次生林地位指数表,为湖南省楠木次生林立地质量评价提供参考依据。用10个常用的数学模型对胸径生长进行拟合,理查德模型的相关系数最大(R^2=0.956),残差平方和最小(SSE=3.950),将其作为导向曲线方程,表达式为D=15.6829(1-e^-0.0457A)^1.0597。以40a为基准年龄,3cm为地位指数级距,得到9、12、15、18和21cm共5条地位指数曲线,分别采用标准差调整法、变动系数调整法和相对优势胸径法进行胸径地位指数表的编制,其中标准差调整法所展开的地位指数表落点检验精度高达(98.96%),不跳级比率为76.67%,且无跳2级或以上的现象,因此以该方法来展开湖南楠木次生林胸径地位指数表。以胸径评价林分立地质量,编制胸径地位指数表,其精度高,适用性强,能较好地反应林木的生长特性。

基于混合效应的湖南省栎林生长收获模型

为准确预测栎类林分的生长动态,建立预估精度较高的林分生长收获混合效应模型,以湖南省国家森林资源连续清查固定样地中的96块栎类次生林为研究对象,选用相容性林分生长收获模型作为基础模型,加入样地层次的混合效应,构建基于混合效应的相容性林分生长收获模型,并将其与加权二步最小二乘法进行比较。结果表明:(1)选择b 3作为期初林分蓄积量模型的混合效应参数,a 2作为期末林分断面积模型的混合效应参数,幂函数作为异方差结构和AR(1)结构矩阵作为自相关结构时的模拟效果最好;(2)利用平均误差、平均绝对相对误差、均方根误差(RMSE)以及预测精度4个指标评价模型的拟合效果,结果均显示混合效应模型方法优于加权二步最小二乘法的值,且混合效应模型方法的残差分布图分布均匀,分布范围也大大减小,说明基于样地水平的混合效应模型方法在预测精度方面要明显高于加权二步最小二乘法,能够更加准确地预测栎类林分未来的生长动态,为栎类林分的抚育经营提供理论依据。

湖南栎类次生林林分断面积生长模型

【目的】构建湖南栎类次生林林分断面积生长模型,为其经营措施和生长收获预估提供理论依据。【方法】以湖南省6期国家连续清查数据(1989—2014年)中以栎类为优势树种或主要树种的样地为研究对象。选用7种常用的生长理论方程,以林分断面积为因变量,年龄为自变量构建基础模型。通过评价指标选出最优基础模型,构建含有地位指数、林分年龄和林分株数的混合效应模型(林分株数为随机变量)和参数化模型(林分株数为连续变量),比较基础模型、混合效应模型和参数化模型拟合效果的差异。【结果】3种模型的预估精度由高到低为:参数化模型(98.36%)、混合效应模型(97.71%)、基础模型(92.84%),最终将参数化模型作为湖南栎类次生林林分断面积生长模型。在林分年龄、林分株数及地位指数中任意两个影响因素相同时,林分断面积总生长量(林分断面积5 a的生长量)随着另外一个因素的增加而增加,且密度越大,相邻两个密度的断面积总生长量差距越小;5 a的生长量到最大值后密度越大生长量减少速度越快;其他因素相同时,林分株数越多,生长量最大值出现的越早(20 a),地位指数越大,断面积5 a的生长量越大。【结论】以林分株数为连续变量的参数化模型生成的湖南栎类次生林林分断面积总生长量曲线、5 a的生长量曲线符合林分生长规律,且预测精度较高,可以为湖南栎类次生林的经营措施提供科学理论依据。

基于间伐调整的湖南楠木次生林结构化经营技术

以湖南省一类清查样地为基础数据,用全混交度、大小比数、角尺度、竞争指数等空间结构指标作为建模变量,采用乘除法基本思想构建楠木次生林结构目标函数,通过林分相容性收获预估模型拟合结果来确定各年龄阶段林分最适断面积,将最适断面积作为确定间伐量的约束指标,构建湖南省楠木次生林结构化经营模型,通过间伐调整,提出楠木次生林结构化经营技术,促进森林提质增量。以3470号样地为例,进行结构化经营模拟。根据优化模型确定间伐木共23株,株数间伐强度为16.3%,经营后林分树种空间隔离程度增加,全混交度由原来的0.365增加到0.395,林木所受的竞争压力大幅减小,其竞争指数在原来的基础上减小了51.4%,林分空间分布格局趋近于随机分布。通过对林分未来10年生长进行预测,将林分断面积调整到最适状态时断面积、蓄积定期生长量均高于未间伐林分以及较低密度林分。说明本次经营活动在对林分结构进行改善的同时林分生长活力也有所提高,经营措施可行,可为湖南地区楠木次生林提质增量提供科学依据。

湖南楠木次生林生长与收获预估模型

【目的】建立湖南省楠木次生林林分断面积与蓄积相容性生长收获预估模型,为林分的生长预测和经营决策提供理论依据。【方法】以湖南省1989—2014年6期一类清查样地中的楠木次生林为研究对象,建立其林分断面积和蓄积生长的联立方程组,在此基础上,加入样地效应,构建基于混合效应的联立方程系统。【结果】基础模型包括3个含林分变量的内生变量,模型M1、G2、M2拟合的确定系数(R2)分别为0.860、0.907、0.778;相比基础模型,混合效应模型不仅在R2上有所提高(0.960,0.913,0.915),其平均误差(Bias)和均方根误差(RMSE)也有明显的降低;对比残差分布图,发现混合效应模型拥有分布范围更小、分布更均匀的残差值;通过对比混合效应模型不同模拟的AIC、BIC值,同时结合似然比(LRT)检验,确定了M1、G2和M2的随机参数分别为(β1,β3)、(β6)和(β1,β3,β6)。【结论】基于混合效应的湖南楠木次生林相容性联立方程系统能够提高模型的精度与适用性,更准确地预估该林分的生长与收获,为其经营管理提供科学依据。

马尾松人工林高径比变化规律

【目的】研究树木高径比的相关关系及其变化规律,为人工林经营合理的密度控制提供理论依据。【方法】选择不同区域的马尾松人工林进行林分调查和树干解析,对数据进行统计分析、图形分析、模型分析,分别探讨树高、直径和年龄与高径比的关系,研究不同立地指数级、不同林分密度高径比的变化规律,拟合树高-直径关系模型。【结果】高径比总体上与树高、直径、年龄呈“L”型关系,高径比的最小值有缓慢增大、最大值缓慢减小的趋势,最后稳定在一个范围;幼龄林时期高径比与年龄成反比,中龄林时期与年龄成正比;林分郁闭后,高径比与树高、直径成正比,立地指数级与高径成正比,相邻指数级间的高径比差异不显著;林分密度与高径比成正比,林分密度差距越大其高径比差异越显著;郁闭林分中树高与直径的关系近似抛物线,而直径的平方与树高、单木断面积与树高的关系为线性关系,两种关系模型拟合精度较高。【结论】马尾松不同生长阶段高径比变化的根本原因是树高和直径的异速生长所致;不同立地指数下高径比显著变化主要是由树高生长差异引起,直径影响较小;而不同林分密度下高径比的显著变化主要由直径生长差异引起,树高影响不显著;树高-直径模型适用于外业测定树高,方法简便精度高。