基于空间结构的杉木枝下高可视化模拟研究

【目的】定量研究林分空间结构对杉木枝下高的影响,构建基于空间结构的枝下高模型,结合杉木生长模型,应用三维可视化技术,实现杉木枝下高可视化模拟。【方法】利用湖南省黄丰桥国有林场6块杉木人工林临时样地的调查数据,选择5个常用枝下高基础模型,分析水平空间结构参数(P_H)、垂直空间结构参数(P_V)和空间结构单元平均距离(d_DIS)及其组合对枝下高的影响,构建综合指标较好且变量少的枝下高模型。基于林分三维模型实时生成方法,建立一种枝干可控的杉木三维模型;结合单木胸径连年生长量模型、树高-曲线模型和冠幅面积估计模型,模拟林木的生长状态。【结果】Logistic模型综合指标较好且模型参数可解释,可选为基础模型;3个空间结构参数中垂直空间结构影响较为显著,将P_V加入到Logistic模型中,改善了枝下高模型的拟合效果,决定系数(R²)从0.717提升到0.741,估计值的标准差从1.407 m减小到1.321 m,并使各项模型检验误差指标有所减小;构建的杉木三维模型可以动态调节枝干,实现了杉木枝下高模拟。【结论】构建的枝下高模型可以应用于林木年龄和部分林分信息未知的杉木林中,体现了林木间的相互竞争影响;结合枝干可控的杉木三维模型,模拟杉木生长过程,形象直观地表现了杉木枝下高的变化,为进一步研究林分生长动态可视化模拟和森林经营可视化模拟提供支持。     

萌生杉木林空间结构的二元分布特征

【目的】了解萌生杉木林林分整体的空间结构特征,为促进其结构优化提供理论参考。【方法】以浙江龙泉萌生杉木林为研究对象,采用空间结构参数二元分布分析林分及其优势树种杉木和木荷的空间结构特征。【结果】① 林分呈弱度混交向中度混交演变状态,空间格局为随机分布,不同大小比数等级的林木株数大致相等。随机分布状态的少数林木处于中庸状态,且劣态的林木株数多于优势木株数。② 杉木个体大多处于中低度混交状态,只有极少数处于高度混交状态。在同一混交等级上,不同优劣等级的林木株数差异较显著。③ 木荷的分布格局为随机分布,个体大多处于中庸和劣势木状态。【结论】研究区萌生杉木林分整体的混交度低,应进行密度控制,补植乡土树种,调整林分的格局为随机分布状态。     

林分空间结构优化栅格间伐模型

【目的】构建林分空间结构优化栅格间伐模型,以期获得高效、便捷的间伐方案。【方法】在随机间伐模型的基础上,提出将林地栅格化处理的栅格间伐法,并使用随机间伐法对栅格间伐法进行检验,最后以金盆山次生林为例验证模型的适用性。【结果】间伐模拟前,次生林空间结构整体表现不够理想,在角尺度、开敞度和竞争指数方面有待提高;恢复年限33、40、45 a次生林的最佳间伐强度分别为34.69%、21.14%、29.90%,评价指数分别提高了47.94%、53.94%和79.73%,其中33和40 a次生林适用于栅格间伐法,采伐方式分别为栅格边长7 m栅格内伐去3株胸径最小的林木和栅格边长6 m栅格内伐去3株胸径最小的林木。【结论】栅格间伐模型能有效地改善林分空间分布格局,但仅适用于林木分布较为均匀的次生林林分,对于分布不均匀的林分,模型只能确定样地内的间伐木及间伐强度。     

基于广义非线性混合效应的华北落叶松天然次生林枝下高模型

【目的】立木枝下高模型的构建是森林经营的核心内容,利用非线性混合效应模型方法构建华北落叶松枝下高模型,可为森林生长与收获研究提供理论依据。【方法】基于112块华北落叶松天然次生林样地单木数据,从7个备选的枝下高-树高模型中选出一个最优基础模型; 分析9个不同单木或林分因子及其因子之间的组合对枝下高的影响,将影响显著的因子作为模型预测变量以提高模型精度。在此基础上,考虑区组以及嵌套在区组里的样地对枝下高的影响,即构建嵌套两水平的非线性混合效应枝下高模型。【结果】Logistic模型预测精度较高并且模型参数可解释,因此选为基础模型。除树高之外,立木胸径、样地内所有大于对象木胸径的立木断面积总和、平均冠幅和林分密度与枝下高相关显著,故作为模型预测变量。与传统模型相比,所构建的两水平嵌套非线性混合效应模型对应的决定系数提高了53.26%,均方根误差降低了24.73%,因此明显提高了模型预测精度。【结论】区组和嵌套在区组里的样地对立木枝下高随机干扰较大,当考虑这些随机效应对枝下高的影响时能明显提高模型的预测精度。     

杉木人工林与年龄无关的优势高生长模型

【目的】地位指数法是森林立地质量评价常用的一种方法, 优势高又是地位指数模型中重要的参数。本研究以杉木优势高生长为切入点,使用与年龄无关方法建立杉木人工林的优势高生长模型,模拟在林分年龄未知的情况下预测杉木人工林优势高。【方法】利用福建省将乐国有林场杉木人工林的65个固定样地连续观测数据,基于Richards方程、Lundqvist-Kolf方程和Hossfeld方程3个树高生长方程,使用与年龄无关的方法建立了9个优势高生长模型。模型检验使用决定系数、平均误差和均方根误差3个统计指标来确定最佳模型。【结果】构建的9个优势高生长模型都具有较好的拟合优度,其中以Hossfeld方程为基础方程,以参数a作为林分因子扩展参数推导而来的模型为最佳模型,而且模型参数年龄差Δt越小,模型预测精度越高。【结论】与年龄无关的地位指数模型能够准确地拟合和预测优势高生长。在异龄林中或林分年龄难以获得时,建议采用与年龄无关的地位指数模型来评估立地质量。     

择伐强度对杉阔混交人工林空间结构的影响

利用混交度、角尺度及以大小比数为权重的空间优势度和树种优势度4个空间结构参数,对比分析不同强度(中度34.4%、强度47.1%和极强度69.5%)择伐下杉阔混交人工林林分空间结构变化,探讨择伐强度对杉阔混交人工林空间结构的影响.结果表明:从混交程度看,择伐强度越大,越易导致林木单种聚集.与伐前相比中度择伐后林分和主要树种的平均混交度都有所增加,强度和极强度择伐后林分平均混交度明显降低,杉木平均混交度增加而木荷则显著降低;不同择伐强度在一定程度上都改善了林木的空间分布格局,中度择伐后林分的单木聚集分布改善最为明显;从空间优势看,中度或强度择伐能够维持及提高林分和主要树种空间优势度,有利于发挥林分生长潜力.综合来看,中度择伐后林分空间结构趋于合理,建议采用中度择伐作为优化杉阔混交人工林林分空间结构的有效手段.     

基于广义代数差分法的杉木人工林地位指数模型

【目的】地位指数法是森林立地质量评价常用的一种方法。采用广义代数差分法建立适用于杉木人工林的动态地位指数模型。【方法】利用福建省将乐县国有林场杉木人工林的24个固定样地连续观测数据和20株杉木优势木树干解析数据,基于Bertalanffy-Richards模型、Lundqvist-Kolf模型和Hossfeld模型3个经典的生长方程,以广义代数差分法对杉木人工林构建了6个动态地位指数模型。模型比较时综合考虑了统计学和生物学特征,通过统计分析和图形分析筛选出最佳的模型。【结果】构建的6个动态地位指数模型都具有良好的拟合优度,调整后的决定系数都在0.9左右。基于Hossfeld 生长方程,选择a=b₁+X和b=b₂/X作为与立地有关的参数推导的模型确定为最佳模型,推荐采用该模型对将乐县国有林场人工杉木林进行优势树高生长预测和立地质量分类。【结论】广义代数差分法建立的动态地位指数模型具有较好预测性能,说明广义代数差分法在推导地位指数模型时是准确而有效的。在选择最优生长模型时不仅要考虑统计分析,还应该进行图形分析,从而选出满足统计学以及生物学特征的模型。     

基于BP神经网络的长白落叶松人工林林分平均高预测

【目的】研究BP神经网络模型在树高预测中的应用,分析比较不同森林调查因子及不同神经网络训练算法对平均树高预测的影响,为树高预测提供新的方法。【方法】以吉林省长白落叶松人工林为对象,基于168块固定样地的314个观测数据,运用BP神经网络建模技术建立了林分平均树高生长模型。输入因子首先加入年龄,然后依次加入立地因子及林木竞争因子,分析立地因子及林木竞争因子对树高的影响。基于Matlab R2016b中的Sigmoid函数和线性函数为神经元的传递函数,分别采用贝叶斯正则化算法和Levenberg-Marquatdt算法(简称L-M算法)对网络进行训练,对比分析了贝叶斯正则化算法和L-M算法作为训练函数的差异。【结果】与L-M训练算法相比,贝叶斯正则化训练算法具有更好的泛化能力。模型中依次加入年龄、立地因子、林木竞争因子后,树高的拟合精度呈现出相同的上升趋势。采用贝叶斯正则化训练算法,当年龄作为输入因子时,决定系数R²为0.521 0,均方根误差(RMSE)为2.091 7,平均绝对误差(MAE)为1.627 6。加入立地因子后,决定系数R²提高至0.573 6,提高了10.10%,均方根误差(RMSE)为1.973 6,降低了5.65%,平均绝对误差(MAE)为1.579 7,降低了2.94%; 在此基础上,加入林木竞争因子后,决定系数R²为0.845 5,增长了47.40%, 均方根误差(RMSE)为1.187 9,下降了39.81%,平均绝对误差(MAE)为0.968 5,下降了38.69%。【结论】利用贝叶斯正则化BP神经网络可以准确地预测长白落叶松人工林的平均高。立地因子及林木竞争因子能够较好地提升林木生长预测的精度,且林木竞争因子对树高的影响明显大于立地因子。     

近自然化改造对桂南马尾松和杉木人工林结构特征的影响

【目的】为提升人工林质量及培育珍贵树种大径材,研究近自然化改造对林分结构变化的影响,通过近自然化改造改变林分组成和结构,进而调整林木生长和林分稳定性。【方法】以广西凭祥地区1993年造林并于2008年开始近自然化改造的马尾松和杉木人工林为研究对象,运用混交度、大小比数和角尺度参数分析近自然化改造后林分结构特征的变化。【结果】①对照林分的直径结构遵从正态分布,近自然化改造林分表现出向倒“J”形过渡的特征,对照林分的树高结构呈单峰型,而近自然化改造林分则呈双峰型; ②近自然化改造明显提高了林分混交度,马尾松和杉木对照林分的平均混交度由0.00和0.16分别提高到自然化改造林分的0.82和0.89; ③近自然化改造对林分角尺度影响较小,杉木林从均匀分布状态向团状分布转变,但马尾松林一直处于随机分布状态; ④近自然化改造增加了优势和亚优势的个体比例,对照林分总体处于中庸生长状态,马尾松和杉木近自然化改造林分的平均大小比数分别为0.40和0.46。【结论】从林分非空间结构角度看,近自然化改造林分提高了林分树种组成,径级结构向异龄林直径分布倒“J”形的特征过渡; 从林分空间结构角度看,近自然化改造林分逐步摆脱了人工纯林零度或弱度混交、水平分布均匀和中庸状态的结构特征。研究区补植树种和天然更新树种已成功地在林分中更新和生长,促进了林分混交度、树种多样性的提高和林分空间结构的优化,林分向异龄复层混交林方向发展。     

华北落叶松人工林直径分布预测模型构建

【目的】基于不同直径分布预测模型(Weibull分布模型、Gamma分布模型、Lognormal分布模型),构建包含华北落叶松林分因子的直径分布线性混合效应模型,有助于分析直径分布对林分因子动态变化的响应。【方法】利用塞罕坝华北落叶松人工林标准地调查数据,应用最大似然估计法(Maximum Likelihood Estimation, MLE)估计模型参数,通过K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验、C-V(Cramer-von Mises)检验、A-D(Anderson-Darling)检验对模型适用性进行检验,基于最优模型构建华北落叶松人工林直径分布线性混合效应模型。【结果】塞罕坝华北落叶松人工林直径分布最优模型为Weibull分布;基于最优模型,构建了包含优势高、断面积、对数密度的线性混合效应模型,当3个参数随机效应方差-协方差结构和误差项结构均为对角矩阵结构[UN(1)]时,模型的拟合效果最好。包含位置、尺度、形状3参数随机效应项模型的决定系数R²分别为0.895、0.888、0.801,均方误差(MSE)分别为5.365、1.724、1.151,均方根误差(RMSE)分别为2.316、1.313、1.073,拟合结果均较好。【结论】线性混合效应模型具有较好的预测直径分布能力,可为精准预测华北落叶松人工林直径分布提供理论依据和技术参数。     

长叶苦竹新造林的生长发育规律研究

【目的】为揭示长叶苦竹(Pleioblastus chino var.hisauchii)新造林的生长发育规律,探究不同年龄竹株的秆形特征及不同龄级竹地下茎的鞭根生长情况,为长叶苦竹及其他混生型竹的栽培养护和经营管理提供参考。【方法】调查了南京林业大学溧水白马实验基地长叶苦竹新造林5年时的年龄结构和空间分布,标记整片竹林每株竹子的位置和年龄信息,随机选取3株1～5年生健康无病虫害竹株,测定其地径、株高、枝下高、每节节长和对应的节径等指标。追踪1～5年生竹鞭系,统计鞭段数、鞭节数、岔鞭数、芽数,测量鞭长、鞭径、鞭节长等指标。【结果】随着长叶苦竹新造林的更新,前4年新龄竹株数呈递增趋势。地径、株高和枝下高随竹龄的增长均呈递减趋势,且不同年龄竹株的地径和株高、枝下高和株高均存在线性正相关关系。竹秆每节节径由基部到梢部呈递减趋势,且每节节长和对应的节径存在线性正相关关系。新龄竹每节节径、每节节长、平均节径和平均节长均大于老龄竹。鞭径、总鞭长、鞭段数和芽数随竹龄的增长呈递减趋势。鞭长、鞭节长、岔鞭数和笋芽数随竹龄的增长呈先增后减的趋势,在造林第4年时达到最高。【结论】长叶苦竹新造林的年龄结构呈上...     

基于TLS辅助的长白落叶松一级枝条生物量模型构建

【目的】探究利用地基激光雷达(terrestrial laser scanning, TLS)点云数据估测枝条生物量的可行性,构建预测长白落叶松(黄花落叶松)枝条生物量的最优模型。【方法】以利用孟家岗林场26株长白落叶松点云数据提取出的733个一级枝条的特征因子[枝长(L_BL)、弦长(L_BCL)、基径(d_B)、着枝角度(A_B)、弓高(H_BAH)、枝条基部断面积(S_BAB)、相对着枝深度(d_RDINC)]和对应的实测数据为数据源,分别建立枝条水平上的一级枝条生物量基础模型,通过对比基础模型之间的差异来分析利用TLS数据建立枝条生物量模型的可行性。最后利用TLS数据分别对比基础模型、混合效应模型和随机森林模型的预测效果。【结果】基础模型中最终选定的自变量为S_BAB和L_BCL。利用TLS数据建立的枝条生物量基础模型具有更好的预测精度。对比3种模型预测能力结果显示,随机森林模型无论在训练集还是测试集...     

吉林东部天然次生林下光强衰减的空间分布特征

【目的】探究长白山北坡不同林型天然次生林下空间尺度及方位间的光强衰减特征。【方法】以吉林东部长白山北坡天然次生林5块0.6 hm²样地为研究对象，调查了样地内乔木生长及光强衰减状况，对林型、空间尺度及方位进行划分，采用移动窗口法分析不同空间尺度下森林群落结构对林下光强衰减的影响。【结果】吉林东部天然次生林乔木胸高断面积与林下光强衰减率相关性显著(P<0.01)。随着空间尺度增大，乔木胸高断面积与光强衰减率的相关系数逐渐增大，大部分林型在内侧窗口达到10 m×10 m时，光强衰减率与乔木胸高断面积显著正相关(P<0.01),在25 m×25 m尺度时相关系数最大，内侧窗口周围10 m内的乔木也与内侧窗口下的光强衰减率显著正相关(P<0.01)。东侧、南侧的树木对于内侧窗口下的光强衰减率影响比西侧、北侧影响更大。【结论】通过移动窗口法可以分析不同林型乔木对于林下光强衰减的影响范围，与耐阴树种相比，喜光树种乔木胸高断面积与光强衰减率在更多尺度下显著相关；在(10 m×10 m)～(40 m×40 m)的尺度范围内，多数林型乔木胸高断面积与光强衰减率显著...     

杉莲混交林中乳源木莲生长形质、空间利用能力的混交比例效应

【目的】针阔混交林以其有效改善针叶纯林树种结构简单、生态功能低效、生产力低下局面的特点而被广泛推广。杉木乳源木莲混交林(简称为“杉莲混交林”)是中国南方林区重要的混交林类型,系统分析各混交比例类型下乳源木莲生长性状、干形形质以及空间利用能力和综合表现的效应与规律,为科学构建杉莲混交林提供理论依据。【方法】以福建省沙县12年生不同混交比例杉莲混交林和纯林中的乳源木莲为研究对象,调查乳源木莲的生长形质和空间利用能力等系列性状表现,分析乳源木莲在各混交类型中生长、干形形质、空间利用能力等系列性状的差异变化;应用主成分分析法综合有显著混交比例类型效应的乳源木莲生长形质和空间利用能力表现,揭示乳源木莲生长、干形形质、空间利用能力综合表现的混交比例类型效应和变化规律,并基于总体表现进行混交比例类型的评价与优选。【结果】乳源木莲各项生长指标均有显著的混交比例效应,胸径、树高、单株材积随混交比例减少而逐渐增加;乳源木莲尖削度和胸高形数随混交比例减少而逐渐减少,枝下高则随混交比例减少而逐渐增加;乳源木莲冠高、树冠体积、树冠表面积及生长空间指数随混交比例减少而逐渐增大,但树冠圆满度则随混交比例减少而逐渐减小,乳源木莲在生长形质及空间利用能力的综合得分值呈现随混交比例减少而逐渐增大;混交比例对乳源木莲的冠幅和枝下高比例无显著影响。【结论】混交比例类型显著改变杉莲混交林中乳源木莲生长、干形形质和空间利用能力及其综合表现,合理混交比例类型可显著提高其生长、干形形质和空间利用能力,乳源木莲生长、干形形质和空间利用能力等性状有着不同的混交比例效应,开展综合评价十分必要。综上,杉莲混交林在密度为2 500株/hm²时,以2杉1莲混交模式下乳源木莲生长形质及空间利用能力表现最好。     

乌岩岭不同林分土壤有机碳含量及分布特征

【目的】浙江乌岩岭森林生态系统濒临太平洋,具有独特的海洋性气候,在中国亚热带地区具有重要地位,探究该区域不同林分土壤有机碳含量及其分布特征,可为提高土壤碳库管理水平,推动森林生态系统的可持续经营与发展提供参考。【方法】用岛津TOC-L_CPH总有机碳分析仪测定了7种林分(松林、杉木林、柳杉林、阔叶林、混交林、竹林、茶园)土壤有机碳(SOC)及水溶性有机碳(WSOC)含量,并分析了其与土壤因子的关系。【结果】7种林分的SOC和WSOC含量都呈现出了随土层深度增加而减少的规律,具有明显的垂直分布特征。各土层SOC含量均以杉木林最高,≥10～25 cm与≥25～40 cm两土层WSOC含量亦是在杉木林中最高。WSOC与SOC含量之比为0.59%～1.51%,以杉木林≥25～40 cm土层的最高,以松林≥25～40 cm土层的最低。SOC含量与土壤密度、pH分别存在极显著(P<0.01)与显著线性负相关(P<0.05),WSOC含量与土壤密度、pH均存在极显著线性负相关(P<0.01)。【结论】乌岩岭土壤密度与pH均为影响林分SOC和WSOC含量的重要因素。     

紫金山针阔混交林主要树种空间分布格局及种间关联性

【目的】明晰紫金山针阔混交林主要树种的空间格局及种间关系。【方法】根据1 hm²典型林分样地调查结果,计算了每个树种重要值,分析了种群胸径分布和主要树种在100 m²尺度下种群的空间聚集强度指标、种间联结系数与显著度。【结果】在紫金山针阔混交林区,重要值前7位的马尾松、栓皮栎、朴树、紫薇、短柄枹、椤木石楠、黄连木是主要树种; 除马尾松外,其余主要树种的幼苗、幼树数量均多于大树数量,属于进展种群。各主要树种种群的空间格局均属于集群分布,聚集强度大小为椤木石楠>紫薇>短柄枹>栓皮栎>朴树>马尾松>黄连木; 建群种马尾松空间格局随进展演替趋于随机分布。主要树种种群之间的总体关联性呈不显著正关联。7个主要树种构成的21个种对关联性中,13个呈不显著正联结,1个呈极显著正联结,以及7个呈不显著负联结,其中正联结多集中在地带性乡土树种之间。【结论】紫金山针阔混交林正向含有常绿成分的落叶阔叶林过渡。     

机械损伤处理杉木无性系萌蘖及内源激素含量差异

【目的】通过分析机械损伤对不同繁殖方式杉木无性系萌蘖能力的影响,并从内源激素代谢角度阐述其萌蘖机理。【方法】以具有不同萌蘖能力的杉木020扦插苗和020组培苗为试验材料,采用盆栽试验,在分析基部损伤和去顶处理对杉木无性系萌蘖能力影响的基础上,应用酶联免疫吸附法(ELISA)进一步测定了杉木无性系萌蘖高峰期枝叶、基部韧皮部、根尖等不同器官吲哚乙酸(IAA)、赤霉素(GA₃)、脱落酸(ABA)及细胞分裂素(CTK)含量差异,并采用Pearson法分析萌蘖能力与内源激素含量间的相关性。【结果】杉木萌蘖数随着培养时间的延长而增加,去顶和基部损伤处理杉木020扦插苗和020组培苗无性系萌蘖高峰期均为7月,去顶处理杉木无性系萌蘖能力显著高于基部损伤处理,且差异达到显著水平(P < 0.05);随着幼苗的生长,杉木无性系枝叶IAA含量增加,GA₃含量下降;去顶处理有利于杉木幼苗枝叶及根尖ABA的积累,基部损伤处理有利于韧皮部及根尖CTK的积累。【结论】机械损伤条件下,杉木根尖和枝叶中的IAA、ABA和GA₃内源激素含量较高。杉木无性系萌蘖数与机械损伤不同处理呈显著正相关;萌蘖数与GA₃含量呈显著正相关,与IAA、ABA含量呈显著负相关。     

兴安落叶松林降雨再分配及其穿透雨的空间异质性

【目的】探究大兴安岭北部兴安落叶松林对降雨的截留再分配及树冠下穿透雨空间分布规律,了解兴安落叶松林生态水文过程。【方法】通过长期定位观测研究的方法,获取了2013年兴安落叶松林19场降雨事件的林外降雨、穿透雨和树干径流的观测数据,采用相关分析,总结了兴安落叶松林降雨再分配规律,比较了树冠下不同位置处穿透雨的变异性。【结果】观测期内兴安落叶松林的林冠截留量、穿透雨量和树干径流量依次为35.14、148.61和0.250 7 mm,分别占大气降雨量的19.10%、80.77%和0.14%; 不同降雨事件中,树冠不同位置处的穿透雨具有空间异质性; 当降雨量、温度等气象因子一致时,3/4树冠半径处的穿透雨变异最小,树冠外缘(4/4树冠半径处)变异最大; 当冠层结构稳定时,穿透雨的变异程度均随降雨量的增加而减小,二者呈一定的负相关性(P<0.01)。【结论】穿透雨是兴安落叶松林降雨再分配的主要水文分量(约占降雨量的81%),选择变异最小、最接近林分穿透雨率(误差约1%)的3/4树冠半径处布设穿透雨收集装置,能够适当减少野外工作量,提高科研观测效率,可为落叶松林区森林水文模型的参数化提供依据。