人工长白落叶松枝条存活模型

目的木材的质量决定了它在生产中的价值, 优质的木材往往可以获得更高的利润。但是树干上节子的大小会严重影响木材的质量, 而节子是在枝条死亡后形成的, 所以通过研究枝条属性, 寻找合适的营林控制方式将对提高木材质量具有重要意义。方法本研究根据黑龙江省佳木斯市孟家岗林场、林口林业局和东京城林业局的10块长白落叶松人工林标准地中的70株落叶松枝解析数据, 分别建立传统的Logistic基础模型以及相应的广义线性混合模型(GLMM)来预测该地区长白落叶松的枝条存活状况, 并对模型进行拟合效果评价和独立性检验。结果枝条存活状态受树木自然整枝程度、枝条生长位置和树木间竞争等因素的影响, 在模型中, 冠长率(CR)可以反映树木自然整枝程度, 其参数值为正说明树木自然整枝程度较低时, 枝条大多处于存活状态。枝条相对位置(BRH)和枝条轮数(WHOLE)可以反映枝条的生长位置, 其参数值为负说明处于树冠上部的枝条由于受光充分而长势良好, 而处于树冠下部的枝条由于相互遮蔽而死亡。树高胸径比(HD)可以反映林木间的竞争情况, 其参数值为负说明激烈的竞争环境会使枝条存活概率降低。AIC、RMSE、AUC和模型判断正确率可以用于比较基础模型和广义线性混合模型的预测效果。经计算, 广义线性混合模型的AIC=801.67, RMSE=0.126, 均小于基础模型, AUC=0.9975, 模型判断正确率为97.9%, 均大于基础模型, 说明广义线性混合模型可以有效解决不同个体间存在差异的问题, 有利于提高枝条存活状态的预测精度。独立性检验结果显示模型预测精度良好。结论本研究可为长白落叶松人工林确定合理的经营措施, 提高木材质量提供理论依据。      

基于节子剖析数据的长白落叶松人工林枝条丢失年轮数研究

目的为提高木材质量，本文利用节子剖析数据建立枝条丢失年轮数量的混合效应模型，以达到预测枝条丢失年轮数量的作用，为人工整枝提供一定的理论依据。方法以黑龙江省孟家岗林场长白落叶松人工林为研究对象，基于50棵长白落叶松解析木的1 434个节子数据，以Poisson分布为基础，采用SAS9.4软件中的glimmix模块，建立了节子丢失年轮数量的广义线性混合模型，通过计算相应的指标，选出最优混合模型。结果在考虑树木效应情况下，包含截距、节子高度、节子相对高度的随机效应参数的混合模型为最优混合效应模型；在考虑等级效应的情况下，包含节子相对位置、节子直径的随机参数的混合模型为最优混合效应模型。综合比较，两个混合模型的拟合效果均好于基础模型，其中考虑树木效应的拟合效果最好。模型的拟合结果表明:节子丢失年轮数量与节子着生高度、节子直径密切相关，位于树干基部的直径较大的节子，由于竞争作用，生长受到抑制，但是生存能力强、存活时间长，故而产生丢失年轮的数量较多。着生位置越靠上的节子，生存条件好，产生丢失年轮的数量少。结论通过长白落叶松人工林节子丢失年轮数量混合模型的建立，并对模型的预测效果进行检验，检验结果显示本文的混合模型能对枝条丢失年轮的数量进行预测且偏差较小。在接下来的研究中可以进一步完善，从而为人工整枝提供一定的理论依据。      

基于抚育间伐效应的红松人工林枝条密度模型

【目的】分析抚育间伐对红松人工林枝条数量的影响,建立基于间伐效应的生物数学模型,为制定更加科学合理的间伐体制提供理论依据。【方法】基于黑龙江省林口林业局和东京城林业局不同林分条件及抚育间伐强度下的红松人工林49株解析木4 370组枝解析数据,利用R语言的nlme包,建立了基于抚育间伐效应的枝条密度单水平非线性混合模型,并利用调整决定系数(Ra2)、赤池信息准则(AIC)、贝叶斯信息准则(BIC)、对数似然值(Log-likelihood)以及似然比检验(LRT)等评价指标对所收敛的模型进行评价。【结果】当地位指数和树木等级相近时,抚育间伐强度和冠长越大,枝条密度越大;当抚育间伐强度和树木等级相近时,地位指数和冠长越大,枝条密度越大;而抚育间伐强度和地位指数相近时,树木胸径与枝条密度呈负相关。基于样地效应的混合模型模拟精度均高于基础模型和基于样木效应的混合模型,最终选用含有总着枝深度(DINC)、相对着枝深度的自然对数(lnRDINC)、相对着枝深度的平方(RDINC2)、胸径(DBH)、抚育间伐强度与间伐年龄的比值(TI/TA)这5个随机效应参数的非线性混合模型为枝条密度最优预测模型,其R_a²为0.825 7,均方根误差(RMSE)为2.171 4。【结论】基于抚育间伐效应的红松枝条密度最优非线性混合效应模型,不但能提高模型精度,还能更加准确地体现抚育间伐对林木枝条产生的影响。     

管道模型和树木年轮水分输导模式的理论及在落叶松生产力估测中的应用

  目的  在管道模型假说和前期提出的树木年轮水分输导模式基础上,从理论和应用两个层面探讨了长白落叶松树冠生产力结构及4种落叶松的叶生物量估测模型,期望为树冠生产力评价和树木年轮水分输导模式研究提供理论与技术支持。  方法  利用不同林龄和不同种落叶松树冠解析、生物量调查及树干染色试验数据,基于管道模型和树木年轮水分输导模式分析树冠生产力结构、构建叶生物量估测模式,并对不同年龄、不同种落叶松筛选出的估测变量及估测效果进行对比分析。  结果  （1） 11年林龄的长白落叶松,胸高处当年生年轮断面积占该处具备水分输导能力的总断面积的19.64%,却供养了整个树冠最外侧29.8%的叶面积（指在当年生枝条上着生的叶面积）,说明当年生年轮水分输导的速率显著快于其他年轮。（2）基于管道模型和树木年轮水分输导模式得出树木枝条叶生物量、叶面积的多少受到枝条基部水分的输导能力及机械支撑能力的综合影响,其估测自变量可区分为二类,一类是与枝生物量有关的变量,另一类是与枝条基部水分输导能力有关的变量。（3）基于两类变量构建的4种落叶松叶生物量估测标准回归模型具有极高的估测精度。（4）为了便于应用,提出了简化的叶生物量二元线性估测模型,对于4种落叶松的估测效果达到了极显著相关水平。（5）构建了4种落叶松的叶生物量与枝条基部断面积的一元线性回归模型,对模型的截距和斜率进行差异显著性分析发现,兴安落叶松与其他3种落叶松均差异极显著,日本落叶松与华北落叶松也达到了差异极显著的水平,而华北落叶松与长白落叶松差异不显著。这一结果反映了4种落叶松在树冠形态上的不同。  结论  管道模型和树木年轮水分输导模式理论及其推论在树木生产力结构研究和生产力评价方面具有较高的应用前景。据此可将枝条叶生物量的估测变量区分为两类,即与枝生物量有关的变量和与枝条水分输导能力有关的变量。提出了叶生物量估测的标准回归模型和简化回归模型,该模型对4种落叶松的估测精度均达到了极显著相关水平。      

兴安落叶松枝条特征联立方程组模型及树冠形状模拟

以大兴安岭松岭林业局36株天然兴安落叶松2306个枝条数据为研究对象,采用误差变量联立方程组方法,构建兴安落叶松枝条基径、枝长和角度联立方程组模型系统,同时对比了4种参数估计方法。结果表明, 似乎不相关回归过程SUR(Seemingly Unrelated Regression)法能够解释模型间误差相关性和降低参数估计值的标准误。该系统拟合和检验精度都表现较好,本文所建立的枝条特征联立方程组模型系统能较好地描述兴安落叶松枝条特征和冠形的变化规律。此外,利用非线性混合模型技术构建了含有林分密度变量的枝条基径、枝长和角度联立方程组模型系统。基于参数估计值的显著性以及精度的提高都表明林分密度对枝条基径、长度、角度和树冠形状变化有显著影响。      

长白落叶松?水曲柳混交林冠幅预测模型

  目的  基于黑龙江省尚志市帽儿山林场和一面坡林场长白落叶松?水曲柳混交林24块标准地的3 164株长白落叶松样木及3 574株水曲柳样木的数据，分别构建了长白落叶松和水曲柳的冠幅模型。  方法  通过分析不同混交方式林分内长白落叶松和水曲柳冠幅的变化规律及其与林木竞争因子的关系，从6种常用的线性和非线性基础冠幅模型中选取最优模型，并将混交比例S_i和树木在混交带内位置P作为哑变量，加入其他树木变量和林分变量，分别构建长白落叶松和水曲柳的冠幅模型，并对所构建的模型进行评价。  结果  长白落叶松和水曲柳冠幅在不同混交比例S_i和混交带不同位置P下差异显著；冠幅与DDH（林木胸径与林分优势木胸径之比）和HDH（林木树高与林分优势高之比）成正相关，与大于对象木的胸高断面积之和（BAL）成负相关，与距离无关的竞争因子可以反映树木的竞争压力，对冠幅具有影响；长白落叶松冠幅与冠长率（CR）成正相关，与高径比（HD）成负相关；水曲柳冠幅与水曲柳优势木平均高（H_0Fra）成正相关，与高径比（HD）成负相关。包含混交比例哑变量S_i和混交带位置哑变量P的长白落叶松和水曲柳冠幅模型拟合冠幅（CW）的R_a2分别为0.564 2和0.545 9，加入树木变量和林分变量后长白落叶松和水曲柳冠幅模型拟合CW的R_a2分别为0.674 5和0.589 6。  结论  包含混交带位置哑变量P、混交比例哑变量S_i、树木变量（CR和HD）、林分变量（H_0Fra）的长白落叶松和水曲柳冠幅模型具有较好的拟合效果及预测精度。因此，本研究所构建的冠幅模型可以很好地预测混交林内长白落叶松和水曲柳的冠幅，为进一步研究混交林树木树冠结构奠定了基础。      

基于混合效应的杂种落叶松人工幼龄林单木枯损模型

目的利用固定间隔期复测数据,运用不同方法建立杂种落叶松人工幼龄林单木枯损模型,为确定杂种落叶松合理的经营措施和推广应用提供依据。方法基于2003—2015年黑龙江省江山娇实验林场48块样地的复测数据,通过Logistic模型,利用全子集法和最大似然估计构建杂种落叶松单木枯损模型。使用列联表分析和分类率-阈值散点图,确定枯损模型预估时的最佳阈值。引入随机参数,构建样地水平广义线性混合模型。模型估计方法为自适应积分最大似然估计,模型筛选指标为Akaike信息标准(AIC)、贝叶斯信息标准(BIC)以及-2倍对数似然值。通过计算绝对平均偏差(Bias),绘制ROC曲线以及模型预估枯损率与实际枯损率直方图对两种模型的预测结果进行评价比较。结果包含单木(林木胸径,DBH;胸径平方,DBH2)、林分(林分断面积,BA)、竞争(大于对象木树木断面积之和变形,BALD)3个水平变量组合的单木枯损模型拟合效果最佳。杂种落叶松枯损主要发生在小径阶且相对竞争较大时。单木枯损概率随DBH增加逐渐减小,随BALD、BA增加而逐渐增加。最佳阈值有效提高了模型预估效果,方差-协方差结构为无结构矩阵(UN)时,四参数混合模型的拟合结果最佳,其预估的林分枯损率更接近实际林分枯损率。结论混合模型能够更有效地描述和预估杂种落叶松的单木枯损。阈值分析是提高二分类模型预测准确性的有效方法。杂种落叶松作为速生树种,幼龄时期应适时进行抚育间伐以减少枯损发生的概率。      

生物量模型方差非齐性研究

以长白落叶松（Ｌａｒｉｘ ｏｌｇｅｎｓｉｓ）为实例,验证树木生物量模型中存在方差非齐性,并提出以模型自身作为权函数来消除方差非齐性的参数估计方法。     

基于管道模型理论的树形结构分析

依据长白落叶松生物量标准地的调查数据,研究发现,在树冠以下,不同部位树干的断面积生长量基本相同;心材的形成(按颜色的不同区分)在同一年轮内是由上向下的渐变过程。在树冠内,树干边材断面积生长量与其上部的枝条边材断面积生长量大致相等。但这一关系受到树木直立及叶片空间伸展的静力学需求的制约,即树形结构是树木生理需求和力学需求的统一。     

基于混合效应的兴安落叶松单木断面积生长模型研究

森林生长观测数据通常具有连续重复观测的特点,传统方法会得到有偏的参数估计,为准确预测兴安落叶松林分的生长动态,建立预估精度较高的林分生长收获混合效应模型,以期为内蒙古大兴安岭地区兴安落叶松的生长和经营提供科学依据。基于内蒙古大兴安岭地区第六次至第九次（2003-2018）全国森林资源连续清查数据,筛选出以兴安落叶松为优势树种的样地626块,样木株数60 279株。其中501块样地的47 524株兴安落叶松数据用于构建兴安落叶松的胸高断面积生长预估模型,采用剩余的125块样地的12 755株兴安落叶松数据对构建的模型进行独立检验。结果表明,胸径的倒数（1/DBH）、每公顷株数（NT）、比对象木大的胸高断面积之和（BAL）、坡度和坡向的组合（SLcos）对天然林内兴安落叶松的生长有显著影响。相比于传统的基础模型,考虑样地效应的混合效应模型显著地改善了胸高断面积生长预估模型的表现,决定系数（R²）从0.353 7提高到0.488 6,平均绝对误差（Bias）和均方根误差（RMSE）均显著减少。混合效应模型优于传统的基础模型,模型有一定的生物学意义和统计可靠性。     

长白落叶松树冠光分布的动态模拟

目的消光系数（k）是模拟树冠光分布的重要指标,本研究通过对比常见的获得k值的方法,筛选最优方法,对长白落叶松人工林树冠内光合有效辐射（PAR）进行动态估计。方法（1）将实测的PAR数据按3∶1划分为拟合数据和检验数据,利用拟合数据构建k值预估模型（方法I）。（2）用拟合数据,采用人为设定不同梯度的k值估计树冠PAR,筛选最优的k值（方法II）。（3）基于叶倾角数据,采用2种不同的平均叶倾角公式（方法III-1、方法III-2）,对k值进行计算。将检验数据作为独立样本对以上3种方法估计的PAR进行独立性检验。通过对比以上3种方法对树冠内PAR的估计效果,选择最优的k值计算方法,结合气象数据对PAR进行动态估计。结果根据实测PAR数据计算的树冠各轮层k值存在较大差异,总体在0.1 ~ 1.5之间,且与相对着枝深度（RDINC）呈明显的指数函数或幂函数关系。同时太阳高度角（S_a）、累积叶面积最大值（MCLA）、叶面积密度（NAD）和树冠表面积（CS）对k值的垂直变化也有明显影响。因此方法I将指数函数作为基础模型,以RDINC、S_a、CLA、NAD和CS为自变量建立了k值估计模型,模型的拟合效果较好（R2 = 0.736,RMSE = 0.124）。方法II中,当k取0.32时对PAR的估计效果最好。利用方法III计算的各轮层消光系数差异较小,总体在0.3 ~ 0.7之间。采用独立样本检验以上3种方法对PAR估计的效果,结果表明方法I对PAR的估计效果较好（平均误差ME = 2.88,平均误差绝对值MAE = 117.4,预估精度P = 91.53%）,方法II对PAR的估计效果次之（ME = ? 7.2,MAE = 217.5,P = 88.12%）,方法III对PAR最差（方法III-1中 ME = 121.4,MAE = 210.1,P = 55.85%;方法III-2中 ME = 226.4,MAE = 259.0,P = 42.93%）。结论k值在不同林木、不同轮层及不同的太阳高度情况下并不是一个固定值。本研究建立的k估计模型充分考虑了以上3个重要变量,符合客观实际,且对估计长白落叶松树冠PAR有良好的效果,研究结果为人工长白落叶松树冠内不同位置净光合速率的模拟提供了基础。      

不同龄组长白落叶松种内及种间竞争研究

目的通过对不同龄组的落叶松人工林种内和种间竞争进行定量分析, 揭示不同龄组的林木生长动态变化, 为长白落叶松人工林的可持续经营与管理提供科学依据。方法对吉林省汪清林业局金沟岭林场6块样地的落叶松对象木和竞争木进行调查, 利用Hegyi简单竞争模型对不同龄组的落叶松人工林种内和种间竞争进行研究; 采用对数函数、二项式、幂函数、指数函数、Logistic共5种模型对总竞争指数与落叶松对象木胸径间的关系进行回归拟合。结果(1) 样地a、b、c、d、e、f的种内竞争指数占总竞争指数的比例分别为86.40%、92.81%、61.97%、77.18%、81.42%和93.70%, 种内竞争为林木之间竞争的主要形式。(2)各树种在每个样地中的分布情况不尽相同, 种间竞争指数存在较大差异, 没有一定的规律性。(3)中龄林和近熟林样地落叶松对象木胸径与竞争指数的关系服从幂函数, 成熟林落叶松对象木胸径与竞争指数的关系服从指数函数, 竞争强度随对象木的胸径增大而减小。中龄林对象木的胸径在达到20 cm时, 竞争指数下降较为平稳, 此时对象木受到的竞争较少; 近熟林胸径为25 cm、成熟林胸径为30 cm时, 对象木受到的竞争较小。结论落叶松人工林的竞争主要来源于种内竞争, 竞争指数随着胸径的增大而降低。      

长白落叶松人工林单木冠幅模型

以黑龙江省伊春市朗乡林业局的49块样地共2 499棵长白落叶松为研究对象,基于区组和样地嵌套二水平构建非线性混合效应冠幅模型。从10种常用的冠幅—胸径模型中选出一种最好的作为建模的基础模型,从其他林分因子中选取与冠幅相关性较高的作为协变量参与建模。结果表明:与基础模型相比,混合模型的赤池信息准则(AIC)、贝叶斯准则(BIC)、负二倍的最大似然值(-2LL)和剩余均方根误差(RMSE)值均降低,调整决定系数(Radj2)提高,冠幅预测值的残差分布和密度分布相对更集中,说明模型的预测精度和拟合能力均有所提高。研究发现,以逻辑斯蒂模型作为基础模型,将树高、冠长率和高径比作为协变量,考虑区组和样地嵌套二水平的混合模型有利于提高冠幅模型的预测精度,从而有助于更好地模拟长白落叶松的冠幅胸径关系。     

基于混合效应模型的人工红松枝下高模型研建

  目的  基于帽儿山红松人工林63块样地2 972株红松数据，利用非线性混合模型构建红松枝下高模型，为进一步研究生长与收获模型提供理论依据。  方法  本文首先使用8个常用的枝下高模型，选出最优基础模型；其次，研究林分变量或单木变量对枝下高的影响，建立含林分变量的枝下高模型；最终在基础模型和含林分变量模型的基础上，考虑样地效应对红松枝下高的影响，构建红松枝下高基础混合效应模型和广义混合效应模型。模型用4种抽样方式（随机抽取、抽取最大树、抽取最小树、抽取平均树）和8种样本大小（1 ~ 8株树）对基础混合效应模型和广义混合效应模型进行抽样检验。  结果  Logistic模型拟合精度好，符合生物学意义，且模型形式简单，选为最优基础模型。除树高、胸径以外，大于对象木断面积之和、优势木高和冠幅与枝下高有显著相关性，加入后明显提升模型的拟合精度。枝下高广义混合效应模型的拟合效果要优于其他模型。模型检验结果表明:当应用基础混合效应模型预测时，建议抽取胸径最小的4个样本；当应用广义混合效应模型预测时，建议随机抽取4个样本。  结论  枝下高广义混合效应模型在拟合效果和预测精度方面优于其他3种模型，建议将此模型作为人工红松枝下高模型。当应用广义混合效应模型预测时，建议随机抽取4个样本。      

水曲柳人工林树木叶片营养元素及其化学计量特征的季节动态

目的探究水曲柳及其混交树种长白落叶松、红皮云杉、红松叶片C、N、P含量及其化学计量特征的季节动态,为水曲柳人工林的优化经营提供理论依据。方法以东北林业大学森林培育实验站天然林窄带状皆伐后营造的29年生水曲柳纯林、水曲柳长白落叶松混交林、水曲柳红皮云杉混交林和水曲柳红松混交林为对象,利用野外取样调查与室内实验分析相结合的方法,分析水曲柳人工林叶片C、N、P含量及其化学计量特征的季节变化。结果(1) 生长季内水曲柳叶片C、N、P含量的总体变化趋势是逐渐降低,变化范围为556.71~446.15g/kg、32.61~18.74g/kg、3.62~1.26g/kg;C/N、C/P、N/P的总体变化趋势是逐渐升高,变化范围为17.06~23.81、150.60~350.56、9.10~16.98。(2)混交树种长白落叶松、红皮云杉和红松叶片C含量及红皮云杉与红松叶片N、P含量呈波动态势,长白落叶松叶片N、P含量逐渐降低;长白落叶松叶片的C/N和C/P平稳升高,红皮云杉叶片的C/N和C/P连续下降,红松叶片的C/N和C/P呈波动态势。长白落叶松和红松叶片的N/P先升高后降低,红皮云杉叶片的N/P先下降后平稳。(3)水曲柳和长白落叶松叶片的N、P含量显著高于红皮云杉和红松叶片的N、P含量,C/N和C/P显著低于红皮云杉和红松叶片的C/N和C/P。结论培育水曲柳长白落叶松混交林和水曲柳纯林优于培育水曲柳红松混交林和水曲柳红皮云杉混交林,培育过程中应注意在生长季初期保证林地氮肥的数量,中期注意补充林地的氮肥和磷肥。      

长白落叶松生长和材质性状早晚相关及早期选择

对３０年生人工林９０株长白落叶松（Ｌａｒｉｘ ｏｌｇｅｎｓｉｓ）树干解析生长和材性及早期的研究结果表明：树高、胸径、体积的变异随年龄的增大而减小、１４－１８龄是生长变异由剧烈分化到趋向稳定的转折年龄，此时树高、胸径、材积等的幼－熟龄相关达极显著水平，选择效率也处在较高水平。确定长白落叶松早期选择年龄为：初选１０ａ，抉选１４。基本密度和管胞长度的变异在１０龄时趋于稳定，此时基本密度的幼－熟龄相关也达