观光木人工林单木胸径树高生长模型研究

周 凡,王义平*, 吴照祥,方传奇,黄 赟,刘巧丽

(1.赣南树木园,341212,江西,赣州;2.江西省科学院生物资源研究所,330096,南昌;3.赣南科学院,341000,江西,赣州)

0 引言

观光木(Micheliaodora)为木兰科(Magnoliaceae)含笑属(Michelia)的常绿树种,又叫香花木、香木楠、宿轴木兰,是中国特有的古老孑遗树种,其零散分布于江西南部、福建、广东、海南、广西、云南东南部等海拔300～1 100 m的岩山地常绿阔叶林中。由于生态环境恶化、人类干扰及盗伐现象严重,观光木野生资源数量急剧减少,加之自然更新能力较差、种群天然分布狭窄,1984年被列入国家珍稀濒危二级保护植物。观光木是中国中部和南方特有的著名园林绿化和香料植物,它是继同科植物乐昌含笑(Micheliachapensis)、深山含笑(Micheliamaudiae)、红花木莲(Manglietiainsignis)之后的又一新树种。观光木是木兰科中较进化种类,对木兰科的分类系统研究有重要意义。此外,观光木对研究古代植物区系、古地理、古气候都有着重要的科学价值。

近年来,国内观光木的研究方向主要集中在观光木的生物量、引种繁殖、群落与种群生态、系统发育等基础生物学方面。有研究表明,27年生的观光木人工林在幼林阶段树高生长较快,生长高峰期出现在第4年,之后逐渐下降。木材基本密度平均值为0.417 g/cm3,径向变异为自髓心向外呈增大—减小—增大的变化趋势。植被层生物量为101.26 t/hm2,生态系统总碳储量为180.49 t/hm2[1-3],而针对36年生观光木人工林单木胸径树高生长模型的研究未见报道,为系统地研究观光木林木生长因子之间的关系,通过林木生长模型拟合,可掌握观光木生长发育规律,从而为预测树木生长提供一定的科学依据[4]。

本研究以赣南树木园36年生观光木人工林为研究对象,通过树干解析和林木生长模型拟合,研究其林木生长规律,并对最优预测模型进行方差检验,选出最优林木生长模型。这对研究赣南地区观光木人工林的生长过程,指导当地林业经营和生产有着重要的意义[5]。

1 材料与概况

1.1 试验地概况

赣南树木园位于罗霄山脉东侧,阳明湖国家森林公园内。处于上犹江中游,地跨上犹、崇义两县。地理位置为东经114°02′～114°04′,北纬25°50′～25°51′,海拔198～633 m。东南面环湖,西面以高山山脊为界。园区总面积828.5 ha,其中林地面积579.4 ha。整个园区由十二个半岛和岛屿组成,处在阳明湖国家森林公园内上犹与崇义二县交汇处,属中亚热带季风区山地湿润气候类型,四季分明,年均温17.8 ℃,年降水量1 615.2 mm,年蒸发量1 031.5 mm,无霜期302 d,相对湿度80%以上。土壤以黄红壤为主,pH值5.0～5.5,非常适宜壳斗科、樟科、冬青科等多种亚热带常绿阔叶树种以及马尾松(Pinusmassoniana)、杉木(Cunninghamialanceolata)等一批用材树种的生长和发育。

试验地位于赣南树木园西坑引种示范林,本园引种示范林在1984年列入部省联营基地。观光木成熟种子1983年采自江西省全南县南径坑尾,经1年沙藏后,1984年3月在园区下坑苗圃播种育苗,于1985年春采用1年生实生苗上山造林,为有利防治和减少水土流失,采用明穴整地方式,种植穴规格为67 cm×67 cm×50 cm,株行距2 m×2 m,共种植观光木800株,面积0.006 km2。造林后5年内,主要采取除草、松土、施肥、分蘖、除蔓、整枝等管理措施。2020年调查时,按照江西省第七次二类资源调查技术规定,一般用材林龄组划分参考标准林龄21—40年为中龄林,所以36年生观光木为中龄林;观光木胸高断面积占比80%,杉木胸高断面积占比20%,观光木林分树种组成为8观2杉,林分保留密度为1 395株/hm2,林分平均树高16 m,平均胸径17.8 cm。林下灌木主要有檵木、朱砂根等,草本植物以芒萁、五节芒为主,枯落物层厚度约3 cm。

表1 林分现状与解析木状况

1.2 研究方法

在观光木人工林中设置一块面积为20 m×30 m的标准样地。标准样地内进行每木检尺,调查因子为胸径、树高。胸径使用胸径尺在树高1.3 m处测量树干直径,树高使用布鲁莱斯测高器(型号CGQ-1)进行单株测量。根据测量结果确定3～5株林分平均标准木,并选取一株开展解析木研究。在标准木上标明胸径和南北向的位置,将标准木伐倒后,分别在0 m(记为0号)、1.3 m(1号)及3.6 m(2号)处截取圆盘,3.6 m后按照2 m一个区分段截取圆盘直至梢顶。各径阶的平均胸径和平均树高用算术平均法计算。根据计算结果,以横坐标表示胸径,以纵坐标表示树高,绘制树高曲线图。相关计算公式如下:

(1)

式中,n为调查林木胸径小于平均胸径的林木株数,N为调查的林木总株数;

(2)

式中,D为调查的林木平均胸径,Dmin为调查的林木最小胸径,Dmax为调查的林木最大胸径。

1.3 数据处理

所有实验数据均采用Excel2019软件计算标准地林分总断面积、平均树高、平均胸径;解析木的树高、胸径的平均生长量、连年生长量、总生长量等。并通过SPSSS 25.0软件对树高、胸径与树龄进行林木生长模型的拟合研究,主要选取了传统森林测树学中常见的6种方程:线性方程、对数方程、二次方程、三次方程、乘幂式曲线方程和S曲线方程,将相关系数R2最高的定为最优预测模型,选出最优林木生长模型来分析观光木的树高胸径随着林龄增长的变化关系,具体的方程表达式见表2。

表2 函数表达式

2 结果与分析

2.1 林分直径结构与林木分化程度分析

根据株数分布序列表绘制观光木径阶株数分布图(图1),36年生观光木共有18个径阶,最小径阶为6 cm,最大径阶为42 cm,最多株树出现在10 cm径阶。林分主要径阶集中在6～16 cm,可见中径阶林木占多数,小于林分平均胸径17.80 cm的林木株数占总数的67.70%,约为林木总数的2/3,总体径阶分布呈递减趋势。随着林龄增长,径阶数量增多。在调查过程中发现,小径阶林木主要集中在山地中上坡,下部单株径阶均在22 cm以上。由表3可知,36年生观光木直径离散度为0.68,但其分化程度高达327%。

图1 观光木径阶株数分布图

表3 观光木林分的离散度和分化程度

2.2 胸径与树高生长曲线

根据标准地胸径和树高测定结果绘制树高曲线图,如图2所示,以算术平均法计算出的平均胸径为17.8 cm,对应树高生长曲线图上的树高约为16 m,采伐的平均标准木胸径为16.3 cm,树高为20 m。

图2 观光木胸径树高散点图

图4 残差分布图

从表4可以看出,林木胸径的连年生长量并不是随着林龄的增加而逐渐增大的,在生长过程中出现多个生长高峰期,此时胸径生长量处于一个上升的时间段内。在36年的生长过程中,观光木胸径连年生长量存在3个生长高峰,分别在第5、15、25年,在第25年达到第3个生长高峰后,生长速度急速下降。观光木胸径平均生长量整体呈现缓慢下降的趋势,36年间平均生长量由0.66 cm下降至0.45 cm。

表4 观光木各调查因子生长过程计算表

观光木树高平均生长量和连年生长量动态变化见表4。由表4可知,在36年的生长过程中,观光木树高生长总量呈现不断增加的趋势,其树高总生长量20 m,平均年生长量0.20～0.56 m,连年生长量0.12～1.16 m。树高平均年生长量逐年上升,但其增幅相对缓慢,基本稳定在0.20 ～0.59 m,其峰值出现在第30年,达到0.59 m,然后呈现下降再上升的态势。树高连年生长量在第25年达到一个顶峰,年生长量达1.16 m,而后连年生长量急速下降,在第36年时连年生长量只有0.12 m。

2.3 胸径与树高生长曲线

通过6种代表性的林木生长模型对标准样地内观光木胸径、树高数据进行回归分析,从表5可知,6个生长模型均能很好地拟合胸径和树高之间的关系,除了线性方程,其他5个方程的相关性R2均在0.8以上,其中拟合效果最好的为三次方程模型,其R2为0.964,均高于其他方程拟合精度。因此得到最佳树高生长曲线方程为:Y=0.001x3-0.093x2+2.447x-3.38,其中Y表示树高,x表示胸径。

表5 观光木胸径-树高模型拟合参数

2.4 胸径树高最佳关系模型的显著性检验

为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6可以看出,观光木最佳树高生长曲线方程Y= 0.001x3-0.093x2+2.447x-3.38的方差分析结果为:F=126.003,大于临界值F0.01(3,14)=5.564,对应显著性水平Sig.=0.000<0.05,对方程的方差分析及对回归系数的显著性检验均发现,所建立的回归方程显著。

表6 最佳模型的方差分析

2.5 观光木人工林生长模型残差比较

使用得到的观光木最佳树高生长曲线方程预测各单株的树高,通过方程式计算树高的预测值,结果见表7。对树高的残差值进行方差分析,分析组内残差值差异见表8。结果显示实测值与回归预测值总体上相近,相对误差较小,误差幅度在-1.83～+0.75 m之间,树高的相对总误差为6.6%;在p=0.05的水平,树高的实测值与估测值进行配对T检验,实测值与估测值差异均不显著,p值为0.08,拟合精度达到0.969,表明该模型可用于地区林木生长规律的预测。

表7 观光木人工林胸径-树高生长模型残差比较

表8 优选后的生长模型验证

3 结论与讨论

3.1 结论

经对36年生观光木的径阶分布及树木分化程度的研究,初步揭示了观光木林分以中径阶树木为主,总体径阶分布呈递减趋势,林木胸径越大,林木越高。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[6]。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[7]。36年生阶段的观光木林分直径离散度和林木分化程度表明,林木随着林龄增长,分化逐渐激烈,该阶段林木分化剧烈,主要是后期林分管理未进行间伐、追肥和树体管理等抚育措施,原有的生长空间已不能满足林木的要求,导致部分林木生长受到抑制,林木生长量随着林龄增加显著减少,需要对林木生长的环境实施改良,才能保证促进林木生长,提高林木质量。为了提升森林培育的质量,促进林分正常生长,在此基础上,森林抚育和采伐可以改善林木生长环境,优化林分密度,对控制林木分布也起到很好的作用。只有足够的树木生长空间,才能保证森林在生长过程中有足够的养分,也能解决天然疏林的问题。

树高、胸径平均生长量呈现较为平稳的生长态势,其连年生长量处于波动状态,呈现双峰、多峰山状分布。观光木胸径连年生长量在第25年达到第3个生长高峰后,生长速度急速下降,胸径平均生长量随着林龄的增大而减小,但其下降速度较为缓慢。观光木树高生长总量呈现不断增加的趋势,树高平均年生长量逐年上升,但其增幅相对缓慢。胸径生长速度的不稳定,可能与后期林地管理、立地条件、树种本身生长特性等因素都有一定的关系。综合观光木树高、胸径生长量来看,观光木生长速生期应该在第20—30年间,在此期间应加强林地抚育和水肥管理,进行间伐和施肥,可确保林木快速稳定生长,并降低林木分化程度。

3.2 讨论

国内外学者在研究单木生长模型时,其建模数据主要来源于解析木数据和固定样地监测数据[8],本研究建模数据也是基于树干解析。国内学者通过一定样本的解析木数据来拟合36年生人工林单木生长过程,筛选出的模型有线性方程、对数方程、二次方程、Logistic等[7,9-12]。本研究在上述研究选用模型的基础上选用6个模型进行拟合,选出的模型与莫凡[7]的研究结果有所不同,说明方程在样本范围内有一定的适应性。莫凡在研究14年生的观光木人工林中筛选出最优树高生长曲线为二次方程模型,本研究筛选出36年观光木人工林最优树高生长曲线方程为三次方程,其相关系数R2最高,其树高生长方程为Y= 0.001x3- 0.093x2+ 2.447x- 3.38,相关系数R2为0.964,F=126.003,其方程能为今后估测观光木人工成熟林林分树高、材积提供一定的参考。国内外学者多采用R2、SSR、RMSE、AIC等评价模型优度,用MAE、TRE等评价模型精度,本研究用全样本数据进行了模型验证,经分析MAE、RMSE、ME均较小,拟合精度R2接近1,表明模型较可靠[13]。

本研究区域为国家级公益林,试验中解析木样本数量采集有限,径级分布范围小,立地条件单一,故模型大范围使用仍存在局限。本研究仅从1个时期的林分资料进行拟合研究,在时间跨度上存在一定的局限性,还需结合观光木更多生长期内的林分生长资料进行验证。越来越多研究人员通过引入哑变量来提高模型的准确度,在基础模型上建立混合模型,混合模型比基础模型精度更高[8,14-15],下阶段将在此研究基础上进行更深入研究,得出更具代表性和适用性的树高生长模型。