观光木人工林胸径树高模型及林木分化的研究

莫 凡，易冠明，戴文君，方小荣，杨 梅*

(1.广西高峰林场，广西 南宁 530031；2.广西大学 林学院，广西 南宁 530004)

植物相关生长的研究能够相对完整地比较林分之间各生长因子的变化趋势，其中植物的胸径与树高生长模型是森林生态系统研究和经营中常用的相关生长关系，并且是研究林分因子生长与林木收获模型评估的重要参考依据[1-4]。

观光木(Tsoongiodendronodorum)系木兰科(Magnoliaceae)观光木属(Tsoongiodendron)的常绿树种，为中生代白垩纪的孑遗树种[5-6]，是我国珍稀Ⅱ级保护植物，也被世界自然保护联盟(IUCN)列为NT(Near Threatened)保护等级，主要分布于江西南部、福建、广东、海南、广西、云南东南部，适生于海拔300～1 100 m的石灰岩山地[7]。其材质优良、纹理细致，可供家具、建筑用材、乐器等用[8]；树皮、根皮中含有的化学成分及生物活性可有效治疗癌症[9]；除此之外，观光木树干通直，树形优美，是优良的园林绿化和庭院观赏树种[10]。目前国内观光木主要研究生物量及生产力、碳储量、生长规律等生物学特性和生态学特性，有研究表明27年生的观光木人工林林分生物量为102.57 t·hm-2，林分生产力为7.4 t·hm-2·a-1，人工林生态系统总碳储量为180.49 t·hm-2，且人工林树高呈快-中-慢趋势，胸径、材积随林龄增加而增大[11-13]；观光木与杉木混交林能有效改善林内气候、土壤性质以及缓解地力衰退，且混交林的年凋落物量为5.942 t·hm-2，高于杉木纯林的总量，其中杉木和观光木各占凋落物总量的70.38%和18.28%[14-15]；唐小诚[16]等研究14年生观光木人工林林分生物量为72.05 t·hm-2，而针对14年生观光木中龄林林分树高生长曲线的研究未见报道，为了系统地研究观光木林分生长因子之间的关系，本研究在综合前人研究的基础之上，选用几种常用的理论生长模型进行对观光木胸径树高关系的曲线拟合，并根据最佳模型的检验性，确定观光木最优树高生长方程，为观光木人工林林分经营与管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于广西南宁市北郊的国有高峰林场界牌分场，地理位置为108°34′38″E， 22°87′85″N，属南亚热带季风气候，年平均温度21.8℃，≥10℃年积温约7 200℃，年均降雨量约为1 200～1 500 mm，雨季多集中在5-9月，相对湿度约79%，林分种植密度为2 m×3 m。调查样地概况见表1,土壤类型为砂页岩发育形成的赤红壤，厚度40～80 cm。林下植被主要有野牡丹(Melastomamalabathricum)、东方乌毛蕨(Blechnumorientale)、五节芒(Miscanthusfloridulus)、铁芒箕(Dicranopterislinearis)、铁线蕨(Adiantumcapillus-veneris)、狗脊(Woodwardiajaponica)，石砾含量为5%，枯枝落叶层3～5 cm。

1.2 调查方法

试验地为2002年1月营造的观光木人工纯林，分别于2010年1月、2016年1月进行样地调查，调查时林分年龄分别为8、14 a。根据不同观光木林分的分布情况，在调查试验地选择6块生长良好、林相整齐且远离林缘的林分下设置各样地，并在实测样地内进行每木检尺，利用红外线测高仪测定树木从地面根茎到树梢之间的高度，利用胸径尺测定距地面1.3 m处的树干直径，将信息收集好并录入表格。将2次调查的全部241株观光木数据归类整理，按2 cm径阶分组，统计径阶数据信息。

表1 样地概况Table 1 General situation of sample plots

1.3 数据分析

所有试验数据均采用Excel2010进行处理，并采用IBM SPSS statistic18.0软件中回归分析的Curve Estimation功能对观光木树高生长曲线方程进行拟合，主要选择传统森林测树学中的一般树高曲线模型：线性方程、对数方程、二次方程、乘幂式曲线方程、指数方程、Logistic曲线方程等6种常用的方程，进而分析观光木随着林龄增长的胸径树高关系变化。

2 结果与分析

2.1 胸径与树高生长曲线

利用表2中不同林龄观光木各径阶所对应的平均树高实测值，以胸径为横坐标，平均树高为纵坐标，绘制出观光木树高生长折线图(图1)。通过对调查林分样地内观光木胸径、树高数据进行生长曲线拟合，并得出适用于观光木中龄林林木生长规律的最佳曲线。

表2 不同径阶分布的平均胸径与平均树高Table 2 Average DBH and average tree height under different diameter steps m,cm

通过6种理论方程分别对观光木树高生长方程进行拟合，并根据残差平方和(SSE)、均方根误差(RMSE)相对较小原则再确定相关系数(R2)相对较大的原则得到精度相对较高的拟合曲线方程。从表3可知，观光木林分的最佳模型曲线为二次方程模型：H=a+bD+cD2，拟合精度为0.809 5，均高于其他曲线拟合精度，因此得到的最佳树高生长曲线方程为：

H=0.059 3D2-0.330 3D+7.1141

(1)

图1 不同林龄观光木胸径树高折线Fig.1 The chart of DBH-height at different ages of T.odorum

2.2 胸径树高最佳关系模型的显著性检验

为了得到更准确的最优模型，对树高曲线方程进行方差分析，检验其显著性。从表4可以看出，观光木最佳曲线方程H=a+bD+cD2的方差分析结果为：F=504.568，大于临界值F0.01(2，239)=16.223，这也表明观光木的树高生长方程模型H=a+bD+cD2检验效果极显著，对观光木林分实际的生长评估有一定的代表性和适用性。

2.3 径阶分布

表5中按径阶分布对不同林龄的观光木分类，其中8年生观光木胸径<10 cm的占17.14%，10～12 cm的占55.24%，14～16 cm的占27.62%；14年生观光木胸径<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年生中大径级林木所占比例比8年生高出44.16%，且各径阶的分布比例较为均匀，相较8年生林木的径阶分布更稳定。

表3 不同林龄观光木胸径树高相关拟合曲线Table 3 The fitting curves of DBH-height at different age of T.odorum

注：H为平均树高的回归值；D为观光木的胸径值；a、b、c为参数。

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

2.4 林分的直径离散度与林木分化程度

在林木生长发育过程中，同一树种邻近的相同年龄的植株在形态和生活能力方面的差异称为林木分化，一般林木分化的程度，因林木本身及其环境的特点而异，不同的树种，开始抚育采伐的离散度也不同。林分直径离散度是指林分的平均直径与最大和最小直径的倍数之间的距离，离散度越大，林木分化越明显。从表6中可知，8年生和14年生的观光木林分的离散度以及林木分化程度的值均>1，表明2个林龄阶段的林木分化程度明显，需要进行适当的抚育采伐才能保证林分中林木更快更好地生长。

(2)

(3)

式中，D为林分平均直径，n为林分中林木直径

表5 不同林龄观光木径阶分布Table 5 Diameter distribution at different ages of T.odorum

3 结论与讨论

通过研究不同林龄观光木的径阶分布以及林木分化的程度，初步揭示观光木人工林从8年生到14年生期间生长，径阶分布由中径级过渡到以大径级为主的林分结构，林分生长量也不断上升，这与周凤艳[17]对不同林龄樟子松的研究结果相似，林木胸径越大，林木越高，呈正相关关系。而观光木林分在8年生阶段林分的直径离散度和林木分化程度表明，在该立地条件和造林密度下，随着树龄的增大以及林木的生长，原有的营养空间已不能满足林木的要求，生长受到抑制，生长量下降[18]，观光木林分应当进行首次抚育间伐，以保证林木足够的生长空间且干扰作用最小化，才能有效提高林分生长和林分的质量，而根据华山松[19]、蒙古栎[20]、马尾松[21]等不同树种在采取抚育间伐强度的选择上，不同林分针对不同的立地条件，间伐强度不同，只要适度合理的采伐强度才能更好地使保留木有足够的空间、养分、水分和光照条件健康生长；到14年生观光木林分由于未进行首次间伐，导致期间林分生长量受到一定的制约，林分的离散度和分化度也逐步扩增，林木间的生长不仅受林分密度影响，树冠也无扩张的空间，会导致自然整枝现象，使得树冠变小，产生树冠负生长现象，林木的直径和蓄积都会下降[22]，所以应及时抚育采伐，改善林木的生长条件，提高林分的稳定性以及单株材积量，创造理想的林分培育结构，以保证在培育珍贵树种的同时增加林分的经济效益，实现双重的高效收益。

表6 观光木林分的离散度和分化程度Table 6 Degree of dispersion and differentiation of forest on T.odorum

利用实测观光木林分样地的胸径树高数据拟合得到的树高生长曲线，并对其相关系数进行显著性检验比较，最终确定观光木树高生长曲线为二次方程模型，其树高生长方程为H=0.059 3D2-0.330 3D+7.114 1，相关系数为0.809 5，F=504.568，表明观光木的单株树高随胸径的增加而增长，其方程能够为今后估测观光木人工林林分树高、树干材积量以及编制出材率表提供一定的参考。

本研究尽管对观光木中龄林树高生长曲线进行拟合，拟合精度相对较高，但在实测数据中产生的一些误差以及相同径阶的树高对应胸径的高低误差存在，因此对观光木树高模型研究还需深入，本研究仅从2个时期的林分数据进行拟合，在时间跨度上具有一定的局限，为了得出更有代表性、适用性更广的树高生长模型，还需结合观光木更多生长期内的林分生长数据进行验证，从而得到最优模型。

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