羅 佳， 戴成棟， 田育新， 彭 湃，馬豐豐， 曾掌權(quán)， 周小玲， 張 珉

(1．湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長沙 410004 ； 2．湖南省林業(yè)廳， 湖南 長沙 410004；3．湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站， 湖南 慈利 427200 )

碳匯林主要建群種樹高和胸徑生長模型構(gòu)建

羅 佳1，3， 戴成棟2， 田育新1,3， 彭 湃1，馬豐豐1,3， 曾掌權(quán)1,3， 周小玲1， 張 珉1

(1．湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長沙 410004 ； 2．湖南省林業(yè)廳， 湖南 長沙 410004；3．湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站， 湖南 慈利 427200 )

依據(jù)湖南省碳匯林的主要類型，利用“八五”到“十二五”期間課題組自有研究成果，并進(jìn)行補(bǔ)充調(diào)查；以碳匯林的17個(gè)主要建群種作為研究對(duì)象，綜合考慮林分類型、立地狀況、群落結(jié)構(gòu)等因子布設(shè)固定樣地194個(gè)，按徑階組劃分不同的樹高級(jí)用以選取目標(biāo)徑階標(biāo)準(zhǔn)樣木共計(jì)1098個(gè)，采用樹干解析木法，利用Richard、Logistic、Korf、Mitscherlich、Schumacher、Weibull等6種理論生長方程分別進(jìn)行擬合。得出擬合效果最優(yōu)的主要建群種樹高和胸徑生長模型，所有最優(yōu)模型相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了 0.9以上，通過評(píng)價(jià)與檢驗(yàn)，各模型均具有較好的擬合精度和預(yù)估水平。

樹高生長模型； 胸徑生長模型； 建群種； 碳匯林

森林生物量作為整個(gè)森林生態(tài)系統(tǒng)運(yùn)行的營養(yǎng)物質(zhì)來源以及能量基礎(chǔ)，是所積累下來的生態(tài)系統(tǒng)中植物有機(jī)物總量[1]。森林植被固碳現(xiàn)狀可以通過生物量直接反映，同時(shí)，森林生態(tài)系統(tǒng)碳匯潛力將由碳積累速率決定[2]。林木樹高和胸徑是生物量計(jì)量常用的重要變量，同時(shí)也是研究生長和收獲模型最基本的要素[3]，對(duì)于森林林木基本生長規(guī)律研究以及森林經(jīng)營方案制定具有十分重要的作用[4]。目前研究和運(yùn)用較多的樹高和胸徑生長方程包括Weibull[5]、Mitscherlich[6-7]、Gompertz[8]、Logistic[9-10]、Korf[11-12]和Richards[13-14]等6種。本研究利用不同生長方程分別擬合湖南碳匯林主要建群種樹高和胸徑生長過程，獲取模擬效果最優(yōu)的生長方程，為不同樹種樹高、胸徑的生長動(dòng)態(tài)預(yù)測提供科學(xué)依據(jù), 同時(shí)，為訂制科學(xué)合理的森林經(jīng)營方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)于樹高和胸徑生長模型國內(nèi)外已有大量研究[15-19]，常見樹種的樹高和胸徑生長曲線在實(shí)踐中均能較好地應(yīng)用，例如，惠淑榮[20]等對(duì)日本落葉松(Larixkaempferi)林分生長量研建了Richard生長方程，袁曉紅[21]等構(gòu)建了杉木(Cunninghamialanceolata)人工林樹高-胸徑生長曲線，但這些研究多集中在人工林或天然林中的某一樹種，而針對(duì)某一區(qū)域以碳匯林為主體的多樹種樹高和胸徑生長方程研究鮮見報(bào)道。本文采用樹干解析木法，利用不同生長方程擬合碳匯林17個(gè)主要建群種，獲取主要建群種擬合效果最優(yōu)的樹高胸徑生長模型，為湖南林業(yè)碳匯的設(shè)計(jì)、監(jiān)測以及核證提供科技支撐，以促進(jìn)我省林業(yè)碳匯的快速發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域地處湖南省，位于108°47′—114°15′E，24°38′—30°08′N，屬大陸性亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)。其年日照時(shí)數(shù)為1300～1800 h，年平均溫度為15～18 ℃, 無霜期達(dá)260～310天，降水量多年平均值為1200～1700 mm，熱量和雨量均較為豐富，土壤類型多以黃壤和紅壤為主，地貌以丘陵和山地為主，植物群種豐富，主要樹種有馬尾松、杉木、香樟、楓香、青山櫟以及竹類等。

2 研究方法

根據(jù)湖南省碳匯林主要類型特點(diǎn)，充分合理地利用“八五”到“十二五”期間課題組已有研究成果，并展開補(bǔ)充調(diào)查；以碳匯林中17個(gè)主要建群種為研究對(duì)象，依據(jù)林分類型、立地條件、林分組成等設(shè)置典型樣地194塊，樣地面積均為20 m×30 m。選取各類環(huán)境條件下各徑級(jí)中具有典型代表性的4種針葉樹種，包括馬尾松(Pinusmassoniana)、杉木、濕地松(Pinuselliottii)、日本落葉松；13個(gè)闊葉樹種，包括楓香(Liquidambarformosana)、華榛(Coryluschinensis)、閩楠(Phoebebournei)、銀鵲樹(Tapisciasinensis)、燈臺(tái)樹(Bothrocaryumcontroversum)、藍(lán)果樹(Nyssasinensis)、青榨槭(Acerdavidii)、南酸棗(Choerospondiasaxillaris)、銀木(Cinnamomumseptentrionale)、白辛樹(Pterostyraxpsilophyllus)、飛蛾槭(Aceroblongum)、馬褂木(Liriodendronchinensis)、黑殼楠(Linderamegaphylla)。對(duì)已選定的標(biāo)準(zhǔn)木進(jìn)行樹干解析，從各樹種標(biāo)準(zhǔn)木數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽選80%用于建模，剩余的數(shù)據(jù)用于檢驗(yàn)[22]。數(shù)據(jù)采用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行處理。

表1 各調(diào)查區(qū)樣地?cái)?shù)和標(biāo)準(zhǔn)木數(shù)Tab 1 Thedistributionofsampleplotandsampletreeindifferentinvestigationareas樹種名樣地?cái)?shù)(塊)樣木數(shù)(株)建模區(qū)域馬尾松30185湘西(會(huì)同、通道、慈利)杉木35205湘西(會(huì)同、慈利)、湘中(攸縣)濕地松28175湘西(古丈)、湘中(安化)、湘北(汨羅)日本落葉松25125湘西(龍山)、鄂西(建始)楓香1898湘中(沅江)、湘西(慈利)華榛315湘西(永順)閩楠24125湘西(永順)銀鵲樹212湘西(永順)燈臺(tái)樹316湘西(永順)藍(lán)果樹212湘西(永順)青榨槭212湘西(永順)南酸棗214湘西(永順)銀木318湘西(永順)白辛樹420湘西(永順)飛蛾槭526湘西(永順)黑殼楠420湘西(永順)馬褂木420湘西(永順)合計(jì)1941098

利用表2中6種理論生長方程分別擬合，篩選較適合擬合各樹種單株樹高和胸徑生長過程的理論生長方程。利用模型估計(jì)的樹高、胸徑以及建模樣本的實(shí)測樹高、胸徑來計(jì)算總相對(duì)誤差以及預(yù)估精度等統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，檢驗(yàn)殘差分布有否隨機(jī)，用以評(píng)估模型是否達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

表2 6種理論生長方程[23]Tab 2 Sixkindsoftheoreticalgrowthequations生長方程表達(dá)式參數(shù)RichardH=a(1-exp(-bA))cb和生長速度相關(guān)；c為絕對(duì)曲線形狀與拐點(diǎn)LogisticH=a(1+exp(b-cA))b和生長速度相關(guān)；c為形狀參數(shù)KorfH=aexp(-b/Ac)b和生長速度相關(guān)，c為形狀參數(shù)MitscherlichH=a(1-exp(-bA))b為形狀參數(shù)SchumacherH=aexp(-b/A)b為形狀參數(shù)WeibullH=a(1-exp(-b/Ac)b為尺度參數(shù)；c為形狀參數(shù)注：a、b、c均大于0；a均為H最終值(上漸近值)。

3 結(jié)果與分析

3.1構(gòu)建樹高和胸徑生長模型的樣本數(shù)確定

依據(jù)湖南碳匯林樹種特征，在研究區(qū)域選定典型樣地調(diào)查樹高和胸徑，按照誤差理論確定最小樣f本數(shù)，選定的各樹種標(biāo)準(zhǔn)木總樣本數(shù)以及參加模型擬合樣本數(shù)、參加模型檢驗(yàn)樣本數(shù)詳見表3。

表3 各樹種標(biāo)準(zhǔn)木總數(shù)及擬合和檢驗(yàn)數(shù)Tab 3 Thetotalnumberfittingnumberandcheckingnumberofsampletreeofeachspecies樹種總樣木株數(shù)擬合株數(shù)檢驗(yàn)株數(shù)馬尾松18514837杉木20516441濕地松17514035日本落葉松12510025楓香987820華榛15123閩楠12510025銀鵲樹12102燈臺(tái)樹16133藍(lán)果樹12102青榨槭12102南酸棗14113銀木18144白辛樹20164飛蛾槭26215黑殼楠20164馬褂木20164合計(jì)1098879219

3.2主要建群種的樹高、胸徑生長模型構(gòu)建

以17個(gè)建群種不同徑級(jí)標(biāo)準(zhǔn)木的實(shí)測數(shù)據(jù)求得各樹種單株林木樹高與胸徑生長模型方程、檢驗(yàn)評(píng)價(jià)(其中r2為相關(guān)系數(shù)，e為總相對(duì)誤差，p為預(yù)估精度)及模型方程詳見表4。

表4 17個(gè)主要建群種樹高和胸徑生長方程、檢驗(yàn)評(píng)價(jià)以及適用范圍Tab 4 ThetreeheightandDBHgrowthmodelof17mainconstructivespeciesandtheirexaminationevaluationandapplicationscope樹種樹高模型方程r2e(%)P(%)胸徑模型方程r2e(%)P(%)馬尾松H=27 8389×(1-e-0 057t)1 30590．9993．3096．70D=42 2593×(1-e-0 0299t)1 00440．9991．5098．50濕地松H=36 585×(1-e-0 026t)1 0340．9950．9499．06D=27 382×(1-e-0 086t)1 2860．9730．9299．08杉木H=20 3793×(1-e-0 0684t)1 19430．9943．6096．40D=21 7106×(1-e-0 0538t)0 76260．9912．1097．90日本落葉松H=e(3 281-7 501/t)0．9651．3698．64D=e(3 484-10 469/t)0．9761．7198．29楓香H=17 9678×(1-e-0 0471t)0 69870．9854．495．6D=19 3969×(1-e-0 0714t)1 07010．9524．295．8華榛H=24 4862×(1-e-0 0578t)1 52850．9851．5098．50D=14 1851×(1-e-0 1851t)4 25750．9761．7098．30閩楠H=12 4609×(1-e-0 0914t)1 69020．9840．6599．35D=17 4904×(1-e-0 1577t)5 64190．9721．6598．35銀鵲樹H=21 0062×(1-e-0 0566t)1 18600．9911．3598．65D=21 4857×(1-e-0 0911t)1 28690．9831．4598．55燈臺(tái)樹H=34 8099×(1-e-0 0231t)0 97390．9842．6597．35D=26 6040×(1-e-0 0613t)1 71500．9723．6596．35藍(lán)果樹H=22 5013×(1-e-0 0557t)1 21310．9420．9299．08D=27 1556×(1-e-0 0435t)1 38940．9530．9599．05青榨槭H=27 3068×(1-e-0 0481t)1 65590．9811．5798．43D=14 2563×(1-e-0 1775t)6 35010．9881．6098．40南酸棗H=20 7084×(1-e-0 0896t)1 19980．9921．9498．06D=15 2238×(1-e-0 1975t)2 07720．9542．8597．15

續(xù)表4 17個(gè)主要建群種樹高和胸徑生長方程、檢驗(yàn)評(píng)價(jià)以及適用范圍ContinuedTab 4 ThetreeheightandDBHgrowthmodelof17mainconstructivespeciesandtheirexaminationevaluationandapplicationscope樹種樹高模型方程r2e(%)P(%)胸徑模型方程r2e(%)P(%)銀木H=21 9246×(1-e-0 0897t)1 60250．9941．6598．35D=23 3671×(1-e-0 1469t)3 05440．9981．4598．55白辛樹H=13 4768×(1-e-0 0858t)1 19490．9913．8096．20D=17 6601×(1-e-0 1673t)2 35520．9652．9097．10飛蛾槭H=542 2141×(1-e-0 0012t)1 06730．9910．8099．20D=17 2953×(1-e-0 0905t)2 65570．9652．8097．20黑殼楠H=10 8183×(1-e-0 0485t)1 19610．9751．8098．20D=11 9983×(1-e-0 1498t)5 08740．9682．3097．70馬褂木H=23 3122×(1-e-0 0769t)1 44760．9914．3595．65D=25 0563×(1-e-0 0757t)1 56890．9954．6595．35 注：各樹種模型方程適用范圍t(年)：馬尾松5～40年；濕地松2～30年；杉木5～35年；日本落葉松≤32年；楓香3～36年；華榛≤30年。

17個(gè)主要建群種的樹高和胸徑生長方程相關(guān)系數(shù)都達(dá)到了0.9 以上，總相對(duì)誤差較低，介于0.65～4.65之間，預(yù)估精度均達(dá)到95% 以上。每個(gè)樹種的樹高和胸徑模型估計(jì)值與觀測值都比較吻合，而且也符合生物學(xué)意義。例如，隨著胸徑的增大，樹高值的增加趨勢逐漸變緩。這符合生物學(xué)解釋上樹高生長將逐漸達(dá)到一個(gè)漸近線的規(guī)律[24]。

4 結(jié)論與討論

依據(jù)湖南碳匯林群落以及樹種分布的特點(diǎn)，充分合理地考慮研究區(qū)域立地條件、林分類型、群落結(jié)構(gòu)等因素2]，按照徑階組劃分不同的樹高級(jí)選取目標(biāo)徑階標(biāo)準(zhǔn)木，實(shí)測樣株樹高和胸徑，同時(shí)使用6種理論生長方程分別擬合各樹種樹高和胸徑，得到擬合效果最優(yōu)的馬尾松、杉木、濕地松、日本落葉松、楓香、華榛、閩楠、銀鵲樹、燈臺(tái)樹、藍(lán)果樹、青榨槭、南酸棗、銀木、白辛樹、飛蛾槭、黑殼楠、馬褂木樹高和胸徑生長模型，每個(gè)樹種的樹高和胸徑生長模型預(yù)估值和實(shí)際觀測值較為吻合，所有最優(yōu)模型相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了 0.9以上，均遵循隨著胸徑的增大樹高值的增大趨勢漸漸變緩的規(guī)律[25]。

利用部分獨(dú)立樣本數(shù)據(jù)對(duì)各主要建群種最優(yōu)樹高和胸徑生長模型進(jìn)行檢驗(yàn)，建立的各模型的總相對(duì)誤差較小，預(yù)估精度均達(dá)到95% 以上，各模型方程均具有較好的擬合精度及預(yù)估水平，說明這些模型能夠用來描述該樹種樹高和胸徑的變化規(guī)律。

由于多個(gè)樹種屬于珍貴闊葉樹種，不宜大量砍伐，本研究所用個(gè)別樹種數(shù)據(jù)量有限，同時(shí)，單個(gè)樹種樣本數(shù)據(jù)僅限于湖南省內(nèi)部分區(qū)域，可以逐步增加研究所需要的數(shù)據(jù)支持以進(jìn)一步提高各樹種樹高和胸徑生長模型擬合精確度及預(yù)估能力。

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ThetreeheightandDBHgrowthmodelofestablishmentofmainconstructivespeciesforProjectForestsofCarbonSinkinHunanProvince

LUO Jia1,3, DAI Chengdong2, TIAN Yuxin1,3, PENG Pai1，MA Fengfeng1,3, ZENG Zhangquan1,3, ZHOU Xiaoling1, ZHANG Min12.Forestry Department of Hunan Province,Changsha 410004, China;3.Hunan Cili Forest Ecosystem State Research Station,Cili 427200, China)

Based on main types of project forests of project forest of Carbon Sink in Hunan Province,making full use of own achievements of the studying team between the Eighth and Twelfth Five-year Plan period,meanwhile carrying out the supplemental investigation,taking 17 main constructive species as research objects,194 typical sample plots were set up according to the stand type,site conditions,community structure.1098 goal diameter-class standard trees were selected according to diameter-class groups of different tree-height grades. The optimal fitting models of tree height and DBH growth of main constructive species were obtained by stem analysis using Richard，Logistic，Korf，Mitscherlich，Schumacher，Weibull theoretical growth equations. The correlation coefficient of all optimal fitting models reached above 0.9.Through the evaluation and test,the optimal fitting models possesses rather good fitting precision and forecast dependability.

tree height growth model; DBH growth model; establishment; project forests of Carbon Sink in Hunan Province

2016-10-24

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAD07B04)；湖南省林業(yè)科技計(jì)劃項(xiàng)目(HNLYTH201601)；國家"十三五"科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015DFA90450)。

羅 佳(1983-)，助理研究員，博士研究生，主要從事生態(tài)學(xué)、水土保持學(xué)、生物學(xué)研究。

田育新，研究員；E-mail: 1549751927@qq.com。

S 718.5

A

1003 — 5710(2016)06 — 0046 — 05

10. 3969/j. issn. 1003 — 5710. 2016. 06. 010

(文字編校：唐效蓉)