湖南楠木次生林生长与收获预估模型

【目的】建立湖南省楠木次生林林分断面积与蓄积相容性生长收获预估模型,为林分的生长预测和经营决策提供理论依据。【方法】以湖南省1989—2014年6期一类清查样地中的楠木次生林为研究对象,建立其林分断面积和蓄积生长的联立方程组,在此基础上,加入样地效应,构建基于混合效应的联立方程系统。【结果】基础模型包括3个含林分变量的内生变量,模型M1、G2、M2拟合的确定系数(R2)分别为0.860、0.907、0.778;相比基础模型,混合效应模型不仅在R2上有所提高(0.960,0.913,0.915),其平均误差(Bias)和均方根误差(RMSE)也有明显的降低;对比残差分布图,发现混合效应模型拥有分布范围更小、分布更均匀的残差值;通过对比混合效应模型不同模拟的AIC、BIC值,同时结合似然比(LRT)检验,确定了M1、G2和M2的随机参数分别为(β1,β3)、(β6)和(β1,β3,β6)。【结论】基于混合效应的湖南楠木次生林相容性联立方程系统能够提高模型的精度与适用性,更准确地预估该林分的生长与收获,为其经营管理提供科学依据。     

基于混合效应的湖南栎类与杉木单木断面积生长模型研究

构建栎类（Quercus sp.）杉木（Cunninghamia lanceolata）混交林单木断面积生长模型，为该类 型林分的生产经营提供参考。以湖南省 31 个样地共 1 646 株栎类与 1 154 株杉木为研究数据，7 个常见模 型作为栎类、杉木的单木基础模型，基于样地随机效应构建栎类、杉木的单木断面积混合效应模型。结果 表明，栎类断面积的最优基础模型为 Gompertz，杉木断面积的最优基础模型为 Logistic；栎类断面积混合 效应模型相比于基础模型，决定系数 R2 提高了 0.053，SSE 与 RRMSE 均有所降低；杉木断面积混合效应 模型相比于基础模型，决定系数 R2 增加了 0.035，SSE 与 RRMSE 均有所降低；栎类断面积的成熟年龄在 50 年以后，杉木断面积的生长速率在 30 年左右逐步放缓。文章在栎类、杉木单木模型的基础上进一步加 入样地随机效应，模型拟合精度明显提高，说明栎类、杉木的断面积生长都受到年龄与样地的综合影响。     

湖南栎类-马尾松天然混交林单木生长模型研究

建立湖南栎类-马尾松天然混交林单木材积和断面积生长模型,为该林分的提质增量提供科学指导。选取湖南省9个地区共23块栎类-马尾松天然混交林,构建栎类、马尾松单木材积和断面积生长模型。通过分析可知:两种树种的材积和断面积生长模型均以Richards生长模型为最优,其确定系数(R~2)最高,残差平方和(SSE)最小;混合效应模型模拟结果显示,栎类单木材积和断面积生长模型的随机效应在参数a_1处最好,而马尾松的材积和断面积生长模型的随机参数分别为b_1和a_1+b_1;相比基础模型,混合效应模型的拟合精度(P)、确定系数均有所提高,平均误差(ME)、平均误差绝对值(MAE)、相对平均误差(RME)和相对平均误差绝对值(RMAE)均大幅降低。结果表明,天然林林木的材积和断面积生长受树种与立地类型差异的影响较大,而混合效应模型能够充分考虑立地之间的差异,可以很好地解决这一难题。     

湖南楠木次生林断面积生长模型研究

建立湖南楠木次生林断面积生长预测模型,为林分的生长预测和经营决策提供理论依据和科学指导。以湖南省1989—2014年6期森林资源连续清查样地中的楠木次生林为对象,以5个有生物学意义的理论模型构建断面积生长基础模型;在此基础上,加入与林分生长密切相关的立地指数,构建立地指数模型;为提高模型预测精度,加入含林分密度的随机参数,构建湖南楠木次生林断面积生长混合效应模型。选择5个有生物学意义的理论模型中确定系数(R~2=0.2410)和预估精度(P=98.8213%)最高、残差平方和最小(SSE=2986.1492)的Logistic生长模型作为基础模型;在参数b_1处加入立地指数,构建了湖南楠木次生林立地指数模型,其确定系数提升到0.331 2;以林分密度划分密度等级,构建以林分密度为随机效应的混合效应模型,结果显示,在参数b_4处加入随机参数的模拟,其AIC和BIC值最小,拟合效果显著优于其他模拟(ρ<0.0001);相比基础模型,混合效应模型的ME,MAE,RME,RMAE值均明显降低,确定系数提升到0.946 2,预测精度有所提升。所构建的混合效应模型能够提升林分断面积生长的预估精度,消除林分不同密度等级间的差异,为湖南楠木次生林的合理经营提供了科学依据。     

湖南省楠木次生林收获表的研制

【目的】利用湖南省森林资源连续清查样地中楠木数据,编制楠木次生林主要收获表,为林分生长收获预估、鉴定经营效果及制定营林措施提供科学依据。【方法】采用主要生长方程对楠木次生林平均胸径、断面积生长规律进行拟合,以计算平均提升系数的方法将现实林分提升至标准林分状态,利用Reineke模型为基础,加入林分类型效应构建湖南楠木次生林自稀疏混合效应模型,对比Reineke模型和自稀疏混合效应模型拟合结果,筛选拟合效果较好的模型来反映林分自稀疏规律。根据林分各调查因子间相互关系,编制出湖南楠木次生林现实收获表、正常收获表。【结果】修正Weibull方程对各指数级林分平均胸径生长规律的拟合效果最好,12、15指数级林分断面生长规律拟合效果最好的分别是修正Weibull方程和Logistic方程,模型χ2检验显示各指数级林分平均胸径、断面积均有χ2χ02.05,加入林分类型效应的自稀疏混合效应模型AIC、BIC值均比基础模型小,残差分布范围较小且相对均匀,相关系数R2由基础模型的0.681提升为0.796,模型拟合效果较好。【结论】生长方程拟合理论值与林木实际生长情况相符,自稀疏混合效应模型可很好地反映林分自稀疏规律,所编制的楠木次生林收获表精度较高,可为科学制定楠木次生林经营方案提供技术支持。     

基于混合效应模型和零膨胀模型方法的蒙古栎林分水平枯损模型

【目的】基于混合效应模型和零膨胀模型方法构建林分水平枯损模型,为选择科学的经营措施提供理论依据。【方法】以吉林省1994年设置的295块蒙古栎固定样地为数据源,236块样地作为模拟数据,59块样地作为验证数据。构建基于林分因子、立地因子和气象因子的蒙古栎林分水平枯损模型,其基本形式包括泊松分布和负二项分布。考虑样地中存在大量零值问题,在基础模型上加入零膨胀和零改变模型。为解决模型的嵌套和纵向数据问题,在构建模型时考虑样地的随机效应,选择验证数据进行精度验证。【结果】样地断面积、株数和最暖月平均气温是枯损概率和数量最重要的影响因子;考虑样地随机效应后,可明显提高模型模拟精度;负二项分布模型因考虑数据过度离散问题,模拟精度高于泊松分布。【结论】同时考虑随机效应和零膨胀的负二项分布模型,其模拟效果最好。     

基于贝叶斯法的针阔混交林树高与胸径混合效应模型

【目的】在多树种多层次针阔混交林中,基于贝叶斯混合效应模型法构建树高与胸径关系的混合效应模型,以提高预测模型参数稳定性,为揭示混交林多树种生长规律、资源分配差异及森林质量精准提升提供科学依据。【方法】以河北省塞罕坝机械林场华北落叶松和白桦针阔混交林为研究对象,基于112块标准地(30 m×30 m)调查数据,选取6个包含不同林分因子的理论方程作为构建混交林不同树种树高与胸径关系的基础模型,选择出拟合精度较高的模型,分别采用两水平非线性混合效应模型法和贝叶斯混合效应模型法构建立包含哑变量的多树种树高与胸径关系模型。【结果】包含林分优势高和林分断面积组合变量的Richards方程拟合效果最好,模型确定系数(R~2)、均方根误差(RMSE)和绝对误差(Bias)分别为0849 5、2378 6和0365 4;贝叶斯混合效应模型法拟合精度略高于传统非线性混合效应模型法:基于传统非线性混合效应模型法的华北落叶松树高与胸径关系模型的RMSE和Bias分别为0930 4和0103 4,白桦树高与胸径关系模型的RMSE和Bias分别为0982 7和0112 6;基于贝叶斯混合效应模型法的华北落叶松树高与胸径关系模型的RMSE和Bias分别为0910 5和0096 8,白桦树高与胸径关系模型的RMSE和Bias分别为0963 3和0100 2。【结论】基于贝叶斯混合效应模型法构建的非线性混合效应模型,充分考虑混交林多树种树高与胸径关系模型参数的不确定性,模型预测效果更具可靠性和稳定性。     

华北落叶松与白桦混交林树高与胸径关系研究

【目的】建立华北暖温带华北落叶松与白桦针阔混交林树高与胸径关系的非线性混合效应模型,为研究针阔混交林中不同树种相互作用及其生长发育规律提供科学依据。【方法】以河北省塞罕坝机械林场的华北落叶松与白桦针阔混交林为研究对象,基于83块30 m×30 m的标准地调查数据,首先选取5个具有生物学意义的非线性树高与胸径关系基础模型进行拟合,确定最优基础模型;其次通过相关分析确定影响树高生长的主要因子;最后基于最优基础模型和主要因子建立包含哑变量的华北落叶松与白桦针阔混交林树高与胸径关系预测模型。【结果】在5个候选非线性树高与胸径关系模型中,Richard模型具有最好的拟合结果,其模型确定系数(R2=0.918 6)最大,均方根误差(RMSE=2.405 8)及绝对误差(Bias=0.194 5)最小;通过相关分析确定海拔和林分断面积与树高生长均在P 0.01水平上呈现显著性;基于基础模型构建了包含哑变量及主要影响因子的不同树种树高与胸径关系混合效应模型,当随机效应参数作用在林分断面积上时,模型预测精度较高。【结论】基于主要影响因子和包含哑变量的非线性混合效应树高与胸径关系预测模型,能够有效解决混交林中树种及主要因子对树高与胸径关系的影响,提高了预测模型的适用性及预测精度,为混交林森林质量精准提升提供科学依据。     

基于林层哑变量的湖南栎类天然次生林断面积生长模型

【目的】基于栎类天然次生林林层分异现象,分析林层效应对林分断面积生长的影响,以林层效应为哑变量建立栎类天然次生林断面积生长模型,为更有效地经营管理湖南栎类天然林提供参考与依据。【方法】基于湖南省内设置的栎类固定样地51块,以调查的样地数据,从6个具有生物学意义的备选模型中选出一个最优基础模型。通过国际林联(IUFRO)的优势高划分、全树高聚类与光竞争高度法划分林层后,以最优模型分别对全林分及主林层、次林层断面积进行拟合,选出最优林层划分方法;根据林层划分结果,构建含林层效应哑变量的林层断面积生长模型。【结果】3种林层划分方法的划分结果均能满足国标(GBT 26424—2010)的要求;断面积生长模型的最优形式为Schumacher形式的模型,林分断面积模型的确定系数(R~2)为0.925 5,各林层断面积模型的确定系数(R~2)均在0.95以上,栎类林最优林层划分方法为国际林联(IUFRO)法,根据其划分结果构建的断面积生长模型的确定系数(R~2)为0.972 1,采用林层效应作为哑变量构建断面积模型有效提升了模型精度,与不分层的全林分断面积模型相比,确定系数(R~2)提高了4.94%,平均绝对误差(MAE)降低了10.23%,总相对误差(TRE)降低了1.19%。【结论】构建含林层效应哑变量模型解决了林层效应对断面积生长预估的影响,同时减少了建模工作量,提高了模型的精度与适用性,对栎类林的林分生长收获与经营管理具有重要意义。     

基于交角和密集度的竞争指数构建及评价

【目的】以蒙古栎次生林和云冷杉过伐林为研究对象,构建新的基于交角和密集度的竞争指数,为更好表达蒙古栎次生林和云冷杉过伐林林木间的竞争状况提供依据。【方法】在吉林省汪清林业局塔子沟和金沟岭林场分别选择具有代表性的3块1 hm2蒙古栎次生林和3块1 hm2云冷杉过伐林样地,基于2013和2018年2期调查数据,构建基于交角和密集度的竞争指数(ca CI),采用优势度分析法确定优势树种,并建立优势树种的单木断面积生长量模型评价竞争指数ca CI与Hegyi、a CI和ua CI的优劣。【结果】竞争指数ca CI与Hegyi、a CI和ua CI呈显著正相关关系。断面积生长量线性回归模型和混合效应模型表明,林木断面积生长量与初始断面积呈正相关关系,与竞争指数呈负相关关系,暗示影响生长量的主要因素是林木初始大小,而林木竞争也会影响林木生长。优势树种嵌套于样地的2水平线性混合效应模型的拟合精度优于回归模型,反映出不同树种的生长趋势差异显著,而样地影响较小。模型中带竞争指数的拟合效果较不带竞争指数的拟合效果有所提升,与Hegyi、a CI和ua CI相比,ca CI在云冷杉过伐林中表现最佳,在蒙古栎次生林中效果次之,说明竞争指数ca CI适合空间结构更复杂的林分。【结论】基于交角和密集度的竞争指数ca CI能够有效反映蒙古栎次生林和云冷杉过伐林林木间的竞争状况,尤其是林木结构更为复杂的天然混交林。     

基于哑变量的湿地松林分断面积生长模型

【目的】为更好地估测福州市湿地松人工林林分断面积生长情况,同时为湿地松人工林的经营提供参考依据。【方法】基于样地调查数据选用理查德方程、逻辑斯蒂、Mitscherlich和Schumacher等基础模型,引入优势木平均高和年龄因子为自变量并将林分密度指数作为密度指标加入到基础断面积模型中。在最优基础模型中引入哑变量,建立可兼用于采脂与未采脂林分的湿地松人工林断面积模型。利用R软件的遗传算法求解模型参数,采用均方差(RMSE)、残差平方和(SSE)、决定系数(R2)、模型精度(v)和模型准确度(P)等模型评价指标。并运用含熵权值的TOPSIS法对哑变量模型选优,选用的各项评价指标熵权值由其本身数值决定,该方法具有较好的客观性,避免主观因素影响综合评价结果。【结果】4个基础模型的拟合效果均较好,模型决定系数均超过了0.9,其中Schumacher模型为最优基础模型,决定系数达0.983 31,模型精度达98.20%。在该模型中b3参数中引入哑变量所得模型拟合效果最优,较最优基础模型决定系数提升到0.998 96,模型精度提升到99.37%,距离最优解距离总和最小为0.000 016 7。并对最优哑变量模型做适用性检验,分别检验模型对采脂林分、未采脂林分和总体林分的拟合效果,发现其预估精度均超过99%。根据检验数据断面积实测值和最优哑变量模型预测值建立的线性回归方程,其R2值达到0.999 2,常数项接近0且残差基本均匀分布于横轴两侧,表明模型预估精度较高。【结论】引入哑变量后模型拟合效果得到了提升,可用于估测采脂与未采脂不同经营措施湿地松林分断面积,为测算湿地松林分材积与规划林分经营模式提供参考。     

基于树高和树冠因子的立木材积与地上生物量相容模型研究

【目的】无人机机载激光雷达能够准确地测定单木、林分乃至大尺度森林结构参数(树高和树冠因子)。为应用无人机激光雷达技术准确估测森林蓄积量、生物量和碳储量提供计量依据和技术支撑。【方法】以150株实测马尾松生物量样本数据为研究对象,采用非线性回归估计方法和度量误差联立方程组方法,分析立木材积和地上生物量与树高、树冠因子的相关性,并在此基础上研究建立基于树高和树冠因子的立木材积与地上生物量相容模型。【结果】单株材积和地上生物量与树高因子的相关性最为紧密,其次才是树冠因子;基于树高和冠幅因子的二元材积和地上生物量模型预估精度较高,达到92%以上,再考虑冠长因子的三元模型预估精度改进不大;基于树高和冠幅因子的二元立木材积与地上生物量相容模型估计效果更好,相对于一元相容模型系统而言,二元相容模型拟合效果有较大幅度提高,预估精度达到92%以上。【结论】采用度量误差联立方程组方法可以有效解决基于树高和树冠因子的立木材积与地上生物量相容问题,并且预估精度达到92%以上,所建二元立木材积与地上生物量相容模型可为应用激光雷达技术反演森林蓄积量和生物量提供计量依据。     

马尾松人工纯林全林整体生物量模型的构建

以湖南省会同县马尾松纯林为研究对象,采用两阶段度量误差模型法对马尾松林分蓄积量与各组分生物量回归模型和全林整体生长模型进行融合,并对模型的参数进行重新估计,得到马尾松纯林全林整体生物量模型,经检验模型精度较高,适用性强。     

马尾松格木幼林混交效果研究

【目的】通过分析不同混交模式下马尾松及格木生长量差异,探讨马尾松与格木混交的适宜模式,为马尾松格木混交林的营建提供理论基础。【方法】以广西凭祥5年生马尾松和格木人工林为研究对象,分析不同混交模式及混交比例马尾松和格木的胸径、树高、冠幅及材积的差异,探寻马尾松格木混交合理的混交模式和混交比例。【结果】1)不同混交模式马尾松胸径、树高、冠幅和材积均差异显著。处理a和CK3林分平均胸径最大,均为5.9 cm,CK3林分平均树高、上下冠幅和左右冠幅最大,分别为4.9、2.4和2.7 m。CK3的单株材积最大为0.0082 m3,处理c林分平均胸径、平均树高和单株材积均最小,分别为5.0 cm、4.1 m和0.0051 m3,同时上下冠幅和左右冠幅最小,分别为2.0 m和2.1 m。2)不同混交模式格木胸径、树高、冠幅和材积均差异显著。CK2林分平均胸径最大为5.1 cm,最小为处理c的4.1 cm。处理a和CK1林分平均树高最高,均为4.8 m,处理c树高最低为4.0 m。处理a、处理b和CK2上下冠幅最大,均为2.4 m,处理c上下冠幅最小为2.0 m,CK1左右冠幅最大为2.8 m,处理c左右冠幅最小为2.1 m。CK2格木单株材积最大为0.0058 m3,处理c单株材积最小为0.0035 m3。3)不同的混交模式和混交比例不影响径级数量的分布规律,各处理及对照中马尾松和格木的径级均呈正态分布。【结论】马尾松与格木幼林4种混交模式在胸径、树高、冠幅和材积均存在显著差异,马尾松与格木(75丛·hm^-2)各项生长指标相对较优,其次为马尾松+格木(4:1)行状混交,生长表现最差为马尾松+格木(210丛·hm^-2)。综合考虑,以培育马尾松大径材为经营目标,早期应选择马尾松与格木(75丛·hm^-2)模式进行混交。     

基于GM(1,1)的天然次生林空间结构预测

【目的】系统地分析已有天然次生林林分空间结构数据,通过灰色模型预测天然次生林林分空间结构各指标未来的发展趋势,对天然林经营具有十分重要的意义。【方法】以湖南大围山自然保护区典型次生林为研究对象,依据结构化森林经营理论,选取了混交度、竞争指数、角尺度、空间密度指数、开阔比数、大小比数、林分综合均质性指数作为天然次生林林分空间结构合理性评价与预测的量化指标,构建了基于GM(1,1)的天然次生林林分空间结构灰色预测模型。模型将2008年林分空间结构各指标的平均值作为初始值,并在研究区设置了面积为20 m×20 m的5个研究样地(M1,M2,M3,M4,M5),利用保护区2008-2018年典型样地林分空间信息,预测了研究区调研样地2019年-2021年林分空间结构各指标未来的变化趋势。【结果】利用精度检验机制对该模型的精确度进行了有效性检验,检验结果表明,所有指标预测合格概率P合=71.43%,良好的概率P良好=22.86%,优的概率P优=5.71%,表明该预测模型符合精度检验要求。【结论】样地未来3 a各指标整体变化尺度不大,林分空间结构基本稳定。从各指标在2008-2018年时空上的变化规律来看,各样地林分平均竞争指数、平均大小比数及平均空间密度指数是影响林分均质性指数的关键指标。     

湖南栎类次生林单木断面积生长模型研究

以湖南省15个栎类固定样地为研究对象,从6种生长模型中选取栎类断面积最优基础模型,在此基础上构建含林分类型哑变量的栎类单木断面积生长模型。结果表明:栎类单木断面积最优基础模型为Logistic;单木哑变量模型相比于其它基础模型,模型的R²由0.785提高到0.869,RRMSE由16.65%减少到9.28%,模型精度显著提高;在栎类+杉木林林分类型中,栎类断面积生长较快,生长速率优于其它2种林分类型。含林分类型的哑变量模型在拟合优度方面高于基础模型,说明栎类断面积生长受林分类型的影响,构建栎类单木断面积模型可为不同林分类型下栎类的生长预估提供参考。     

萧氏松茎象的生活史和生态影响因子研究

萧氏松茎象在湖南省主要危害湿地松和马尾松。通过采用解剖林内虫害木的研究方法和林间的定期观察技术，对萧氏松茎象在湖南的生活习性及主要的生态影响因子进行了研究，研究结果表明萧氏松茎象在湖南的郴州两年发生一代，寄主种类、林分类型和林内植被直接影响萧氏松茎象的发生危害程度。     

基于叶片光谱反射率的毛竹氮元素含量估测研究

【目的】以福建省顺昌县大干镇的毛竹为研究对象,研究毛竹叶片氮元素含量的最优估测模型,为毛竹生长状态分析与林地土壤肥力估测提供基础。【方法】通过对毛竹叶片原始光谱、一阶微分光谱及相关的植被指数与叶片氮元素含量进行相关性分析来筛选氮元素敏感特征参数,并构建了多元线性回归模型、随机森林模型以及支持向量机模型,利用决定系数最优原则筛选3个模型中的最优模型并进行精度验证。【结果】R387、DR663、NDVIg-b(R575、R440)、SIPI、PRI和PPR 6个参数与毛竹叶片氮含量具有较为显著的相关性,基于这6个敏感参数所构建的3种模型中,多元线性回归模型与随机森林模型拟合效果较差,精度验证结果R2分别为0.4355、0.4371,惩罚因子C和核参数Sigma分别设为3和0.1的支持向量机模型估测结果最好,其实测值与预测值拟合决定系数为0.8031,总体精度为94.02%。【结论】基于R387、DR663、NDVIg-b(R575、R440)、SIPI、PRI和PPR 6个叶片光谱参数所构建的支持向量机模型能够较为准确地估测毛竹叶片氮元素含量。     

闽粤栲与马尾松混交比例选择及混交效果评价

在福建省南平市葫芦山国有林场开展闽粤栲、马尾松不同混交比例造林对比试验,结果表明:不同的混交比例,对闽粤栲胸径、材积生长量和马尾松的树高、材积生长量,以及林分单位面积蓄积量均有极显著影响,对闽粤栲的树高生长、马尾松的胸径生长有显著影响。闽粤栲与马尾松混交,可以提高林分的稳定性和林地生产能力。10栲纯林、7栲3马、5栲5马、7马3栲、10马纯林等5种造林模式中,以7栲3马单位面积蓄积最高,5栲5马次之,10马纯林最低。适当增加闽粤栲的比例,有利于闽粤栲、马尾松的胸径、树高生长。