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      廣西大青山西南樺人工林立地指數(shù)表編制

      2019-07-24 08:19:30王春勝龐圣江賈宏炎雷淵才
      浙江農(nóng)林大學學報 2019年4期
      關鍵詞:西南人工林生長量

      唐 誠,王春勝,龐圣江,賈宏炎,曾 杰,雷淵才

      (1.石河子大學 農(nóng)學院,新疆 石河子 832003; 2.中國林業(yè)科學研究院 熱帶林業(yè)研究所,廣東 廣州510520; 3.中國林業(yè)科學研究院 熱帶林業(yè)實驗中心,廣西 憑祥536000;4.中國林業(yè)科學研究院 資源信息研究所,北京100091)

      立地質(zhì)量評價一直是森林可持續(xù)經(jīng)營的一個主要議題。生產(chǎn)實踐中,評價立地質(zhì)量、預測林分生產(chǎn)力對于樹種選擇、林分經(jīng)營決策至關重要[1]。同齡林中,立地指數(shù)早已作為立地質(zhì)量評價的一個指標得到全球公認,且作為立地指數(shù)基本產(chǎn)量表的關鍵變量得以應用[2-3]。在小范圍、局域尺度開展立地質(zhì)量評價時,國內(nèi)外學者們常采用導向曲線法研制立地指數(shù)表或者立地指數(shù)曲線,用以評價林木生長狀況以及林分生產(chǎn)力[4-7]。西南樺Betula alnoides是中國熱帶、南亞熱帶地區(qū)的一個珍貴鄉(xiāng)土用材樹種,生長迅速,適應性強,木材紋理細致,質(zhì)地均勻,密度適中,不翹不裂,加工性能優(yōu)良,已廣泛應用于木地板和家具制作以及房屋裝飾[8-9],樹皮提取物具有消炎、減肥及降血脂作用[10-11]。近年來,中國西南樺迅猛發(fā)展,云南、廣西、貴州、廣東、福建等地均有栽培,其人工林面積已逾15萬hm2[9]。然而,在西南樺人工林快速發(fā)展過程中,局部地區(qū)因未能適地適樹,盲目造林,出現(xiàn)林木生長不良、林分生產(chǎn)力低下等現(xiàn)象[12],嚴重影響西南樺人工林規(guī)模發(fā)展和可持續(xù)經(jīng)營。廣西大青山是中國西南樺栽培歷史最早的地區(qū),自20世紀70年代末即開始西南樺馴化栽培研究,并逐步推廣應用,具有從幼齡至成熟齡各個階段的西南樺林分。西南樺立地指數(shù)研究是掌握其立地生產(chǎn)力的基礎,對其人工林可持續(xù)經(jīng)營具有重要意義。然而,至今尚未見有關西南樺人工林立地指數(shù)表的報道。因此,本研究以廣西大青山西南樺人工林為對象,基于樣地調(diào)查與優(yōu)勢木樹干解析,應用導向曲線法編制立地指數(shù)表,為該地區(qū)及類似地區(qū)西南樺人工林立地質(zhì)量評價、生產(chǎn)力預估提供科學依據(jù)。

      1 研究地概況

      研究地位于廣西大青山林區(qū)中國林業(yè)科學研究院熱帶林業(yè)實驗中心(21°57′~22°19′N, 106°39′~106°59′E),屬南亞熱帶季風氣候,年均氣溫為20~22℃,年均降水量約1 500 mm,主要集中在4-10月,年均日照1 260 h。研究地海拔為130~1 045 m,地形地貌復雜,自然條件優(yōu)越,是開展熱帶南亞熱帶地區(qū)珍貴闊葉樹種試驗示范的理想場所。

      2 研究方法

      2.1 樣地調(diào)查及解析木數(shù)據(jù)整理

      考慮西南樺林分的立地因子、林分密度等特征,于熱帶林業(yè)實驗中心的伏波、青山和白云實驗場設置49塊臨時樣地,每樣地面積為600 m2。對各樣地進行常規(guī)立地調(diào)查和生長觀測,每樣地選取5株干形完整、樹高最大的樹作為優(yōu)勢木,計算優(yōu)勢木平均樹高為優(yōu)勢高,并選取1株樹高最接近優(yōu)勢高的優(yōu)勢木進行樹干解析。

      對解析數(shù)據(jù)按年齡進行整理(表1),共有825對樹高-年齡數(shù)據(jù),計算平均高及標準差。因有些樣木存在不規(guī)則生長時期,剔除超出平均值±3倍標準差范圍的異常數(shù)據(jù),對剩余的816對數(shù)據(jù)重新整理、統(tǒng)計,用于編制立地指數(shù)表[13]。

      說明:*優(yōu)勢木在樹干解析過程中1~5 a的部分數(shù)據(jù)缺失

      2.2 導向曲線擬合與選擇

      采用常用的9個模型對樹高-年齡數(shù)據(jù)進行擬合,應用決定系數(shù)(R2),平均絕對誤差(EAMR),平均相對誤差(ERMR)和均方根誤差(ERMSE)等4個指標對各模型擬合質(zhì)量進行評價[14-15],選擇最優(yōu)曲線作為導向曲線。計算上述統(tǒng)計指標時,將對數(shù)雙曲線式和對數(shù)曲線式方程進行變換,保證所有模型的因變量統(tǒng)一為樹高(H)。

      2.3 基準年齡與指數(shù)級距確定

      通過優(yōu)勢高平均生長量和連年生長量變化趨勢以及優(yōu)勢高齡階變動系數(shù)分析確定西南樺人工林基準年齡[5]。根據(jù)基準年齡時的優(yōu)勢高變幅確定指數(shù)級距。應用標準差調(diào)整法[13]編制立地指數(shù)表。

      2.4 立地指數(shù)表檢驗

      應用落點檢驗[16]、擬合顯著性和預測精度檢驗[16-17]對所編立地指數(shù)表的精確性和適用性進行檢驗。運用Excel和R軟件(3.3.2版)進行數(shù)據(jù)整理分析。

      3 結(jié)果與分析

      3.1 導向曲線篩選

      由表2可知:9個方程中,對數(shù)曲線式的R2最小,其EAMR,ERMR和ERMSE均最大,說明其擬合效果最差;其他8個方程中,Richards和Weibull方程表現(xiàn)幾乎一致,以Richards方程的R2最大,EAMR,ERMR和ERMSE最小,擬合效果最好。因此,選擇Richards方程作為最優(yōu)導向曲線方程。其方程表達式為:H=24.25(1-e-0.118t)1.278。 其中:H為優(yōu)勢高,t為年齡。

      3.2 基準年齡及指數(shù)級距

      由圖1可知:5 a左右時,優(yōu)勢高連年和平均生長量達到高峰,6 a時兩者相交,15 a后優(yōu)勢高連年生長量大致趨于穩(wěn)定;優(yōu)勢高變異系數(shù)的變動幅度在15 a后也基本穩(wěn)定。因此將西南樺人工林基準年齡確定為15 a。

      表2 9個方程表達式及其擬合結(jié)果Table 2 Nine equations and their fitting results

      中國多以1.0~2.0 m作為指數(shù)級距[13]。以15 a作為基準年齡時,優(yōu)勢高為15.2~25.8 m,其絕對變幅為10.6 m,西南樺較為速生,確定其指數(shù)級距為2.0 m。可劃分為6個指數(shù)級(16.0, 18.0, 20.0, 22.0, 24.0 和 26.0 m)。

      3.3 立地指數(shù)表

      應用標準差調(diào)整法編制西南樺人工林立地指數(shù)表,結(jié)果見表3。森林經(jīng)營中,調(diào)查獲取林分優(yōu)勢高及年齡,可查此表獲得所屬立地指數(shù)級,進行立地質(zhì)量評價。

      3.4 立地指數(shù)表檢驗

      3.4.1 落點檢驗 將編表所用49株優(yōu)勢木樹高值作散點圖,繪制于立地指數(shù)曲線簇上(圖2)。由圖2可以看出:3個點落在立地指數(shù)曲線簇外,即所編表能解釋93.8%的優(yōu)勢木的生長狀況,落點檢驗合格。

      3.4.2 顯著性檢驗 利用卡方(χ2)檢驗進行顯著性檢驗。本研究中立地指數(shù)定為16~26,從建模數(shù)據(jù)中隨機抽取3株年齡大于基準年齡的解析木,其立地指數(shù)分別為16,20和24 m,χ2計算結(jié)果見表 4。查 χ2臨界值表分別為 30.14,22.36和30.14。通過對比分析可知:其χ2值遠小于其相應臨界值,說明經(jīng)標準差調(diào)整后立地指數(shù)曲線與優(yōu)勢木樹高生長趨勢之間無顯著差異。

      3.4.3 預報精度檢驗 不同年齡的立地指數(shù)估計誤差(Si)和不同立地指數(shù)級的估計誤差(Sz)計算結(jié)果見表4。由表4可知:各年齡的估計誤差為0.07~1.55 m。3~7 a的估計誤差在1.00 m以上,以3和4 a的估計誤差為最大;而大于7 a后,各年齡的估計誤差基本上小于1.00 m,表明此立地指數(shù)表對較大年齡的預報精度高。各立地指數(shù)級之間比較,立地指數(shù)級為20.0和24.0時估計誤差均小于1.00 m,而立地指數(shù)級為16.0時略大于1.00 m。由此可見,所編立地指數(shù)表整體上預報精度較高。

      圖1 廣西大青山西南樺人工林優(yōu)勢高平均生長量和連年生長量變化曲線Figure 1 Curve of dominant height growth in Betula alnoides plantations at Daqing Mountain,Guangxi

      圖2 西南樺人工林立地指數(shù)曲線落點檢驗Figure 2 Test of falling point for site index curves of Betula alnoides plantations

      4 討論

      利用導向曲線法編制立地指數(shù)表,曲線的選取至關重要。導向曲線既要滿足對數(shù)據(jù)的高質(zhì)量擬合,又要符合樹種的優(yōu)勢高生長規(guī)律。大多數(shù)樹種的高生長過程為慢—快—慢,表現(xiàn)為 “S”形;速生樹種的高生長常表現(xiàn)為早期生長快,此后生長逐漸減緩并趨于生長停止,即 “快—慢”的 “肩形”曲線。學

      者們常用Richards,Weibull等具上漸近線的方程擬合樹高生長過程[18-19],且Richards方程具有很強的可塑性,通過引入形狀參數(shù)c而使Richards方程對樹木生長具有廣泛的適應能力。西南樺為速生珍貴樹種,本研究中Richards和Weibull方程的擬合效果均較好,以Richards方程表現(xiàn)略優(yōu),最終選擇Richards方程作為導向曲線方程。

      表3 廣西大青山西南樺人工林立地指數(shù)表Table 3 Site index table of Betula alnoides at Daqing Mountain,Guangxi

      表4 立地指數(shù)表顯著性和預報精度檢驗Table 4 Significance and prediction accuracy of site index table

      西南樺為喜陽樹種,大量營林實踐及科學研究證實,林齡5~8 a內(nèi)樹高生長迅速且波動性大,而林分優(yōu)勢高的平均和連年生長量則在此后均開始下降且波動性逐漸變?。?0-21]。本研究中,6 a左右時西南樺人工林優(yōu)勢高生長達最大值,此后逐漸下降(圖1),其波動性也開始減弱,不同年齡時方程擬合誤差亦表現(xiàn)出隨著樹高生長波動性減弱而降低的趨勢,因而7 a以上林齡的立地指數(shù)估計誤差小于7 a內(nèi)各年齡。

      數(shù)據(jù)源同樣會影響模型擬合質(zhì)量的高低[22],應用各齡階平均年齡和平均優(yōu)勢高進行模型擬合,雖然能夠顯著提高模型的決定系數(shù),但是極大地降低了模型的自由度[6]。本研究針對西南樺樹高生長快的生物學特性,以1 a為一個齡階,用解析木原始數(shù)據(jù)進行模型擬合,提高了模型自由度,其決定系數(shù)約0.90。當然,應用林分優(yōu)勢木的解析數(shù)據(jù)編表常會造成某些年齡階段優(yōu)勢高生長的有偏估計,主要是由于林分生長是一個動態(tài)過程,臨時樣地中選取的優(yōu)勢木很難保證其真正一直處于林分優(yōu)勢木地位[23],從本研究中西南樺優(yōu)勢高生長的波動性規(guī)律亦可見一斑。

      5 結(jié)論

      本研究以廣西大青山林區(qū)西南樺人工林為對象,通過樣地調(diào)查選取49株平均優(yōu)勢木進行樹干解析,獲得816對優(yōu)勢高-年齡數(shù)據(jù),應用9個常見數(shù)學模型進行擬合,篩選出Richards方程作為導向曲線。依據(jù)優(yōu)勢高連年生長量和各年齡優(yōu)勢高變異系數(shù)的變化趨勢,確定西南樺基準年齡為15 a;根據(jù)15 a時優(yōu)勢高變動幅度確定以2.0 m為指數(shù)級距;應用標準差調(diào)整法編制了立地指數(shù)表。擬合顯著性和預報精度檢驗表明:立地指數(shù)表所反映的優(yōu)勢高生長過程與實際的優(yōu)勢高生長曲線一致,所編立地指數(shù)表預報精度較高,尤其是7 a以上林分的預測誤差小于1.00 m,此表可用于廣西大青山及類似地區(qū)西南樺人工林立地質(zhì)量評價和生長潛力預估。

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