云南松不同区域相容性生物量模型的构建

【目的】探索云南松不同区域相容性生物量模型的构建方法,为云南松生物量建模工作提供技术支撑。【方法】以四川、西藏和云南150株云南松地上生物量实测数据为基础,选取基础生物量模型(一元、二元模型),引入以地理区域为特征的哑变量模型,建立不同省(自治区)云南松的地上总生物量及树干、干材、干皮、树冠、树枝和树叶各项生物量的通用模型;然后采用非线性度量误差联立方程组法,建立地上总生物量与各分项生物量的相容性生物量模型,根据方程构成的不同,该方法又分为比例总量直接控制及代数和控制2种方案;对上述模型的拟合效果进行评价。【结果】基础模型中,各项生物量的二元模型的拟合效果较一元模型明显提高。比例总量直接控制及代数和控制2种方案都能有效解决地上总生物量与各分项生物量间不相容的问题,其中二元模型优于一元模型,比例总量直接控制方案及代数和控制方案的拟合效果基本相当;引入哑变量可以有效地将不同地域的生物量模型融为一体。【结论】引入哑变量可减少工作量、增强模型稳定性;综合考虑模型精度和建模工作量,建议采用非线性度量误差联立方程组代数和控制方案构建相容性生物量模型。     

福建杉木树冠外轮廓和树冠体积相容性模型

  目的  树冠外轮廓模型不仅能够描述任意位置处树冠半径,而且能够推导预测树冠体积与树木地上部分生物量。根据福建地区98块杉木Cunninghamia lanceolata人工林样地的413株杉木调查数据,构建了具有同一套模型参数的树冠外轮廓模型和树冠体积预测联立方程组系统。  方法  选取4种常用的可积分树冠外轮廓备选模型,利用积分法对备选模型进行推导,得到树冠体积预测模型;将模型方程分别两两联立建立树冠外轮廓与体积相容性联立方程组,并利用SAS软件模块中的似乎不相关回归过程估计联立方程组模型系统的参数。为了消除模型异方差,采用加权回归方法拟合模型,并对不同模型系统的拟合精度、预测精度进行对比分析。  结果  基于模型4的联立方程组拟合精度高、预测性能好,其树冠外轮廓和体积拟合精度分别达到0.829 5和0.861 0,预测结果精度分别为0.803 9和0.856 0;通过似乎不相关回归法解决了联立方程组共线性问题,加权回归方法一定程度上消除了模型中存在的异方差性。  结论  所构建的树冠外轮廓-体积一致性模型方程实现了树冠外轮廓与体积模型之间互相推导,为进一步估测树木地上部分生物量提供了理论依据。     

东北云杉相容性立木材积和地上生物量模型研建

以东北云杉为研究对象,利用立木材积和地上生物量实测数据,通过利用总量直接控制和度量误差模型方法,研建相容的立木材积方程、地上生物量方程、生物量转换函数及各分项生物量模型。结果表明:地上生物量模型在引入树高因子后,改善了模型的精度和平均预估误差;所建立的东北云杉一元相容性方程,其立木材积和地上生物量模型的确定系数分别为0.94和0.97,平均预估误差分别为5.36%和3.55%;而二元相容性方程,立木材积和地上生物量模型的确定系数均在0.98以上,平均预估误差控制在3.06%以下。所建立的模型可以用于我国东北云杉林地上生物量的估计。      

云南松地上生物量模型研究

森林生物量作为森林生态系统的最基本数量特征,是研究许多林业问题和生态问题的基础,但由于地域的不同,地上生物量及各分项生物量存在差异。以西藏、云南2个省(自治区)的130株实测云南松Pinus yunnanensis生物量数据,分别用传统回归方法和利用引入地理区域为特征的哑变量方法建立了地上总生物量和地上各分项生物量的一元(胸径为自变量)、二元(胸径和树高为自变量)和三元(胸径、树高、冠幅为自变量)模型。结果表明:所建生物量模型中,地上总生物量模型精度最高,预估精度为0.9300~0.9600,其次是树干、树皮和干材生物量模型,预估精度为0.9000~0.9500,树叶生物量模型的预估精度相对较低,其值为0.8500~0.8900,而且所有的模型都满足二元模型的预估精度和确定系数比一元模型高,与三元模型相差不大。引入哑变量后的模型中,不管是一元模型、二元模型还是三元模型,模型的确定系数、预估精度都相应提高,确定系数为0.7300~0.9600,预估精度为0.8800~0.9600,而且估计值的标准误差和平均相对误差都减少了。因此,构建不同区域地上生物量和和各分项生物量模型时,建议引入哑变量,以提高模型精度和适用性,来解决不同地区模型不相容的问题。     

基于似乎不相关回归和哑变量的日本落叶松单木生物量模型构建

精确地估算林木生物量对于了解大尺度森林生物量、碳储量及其动态变化具有重要意义。以甘肃省、湖北省、辽宁省3个区域共计161株日本落叶松Larix kaempferi单木各器官组分（树干、树皮、树叶、树枝、树根）生物量数据为例,基于似乎不相关回归和哑变量的方法,建立了适合不同区域、不同器官组分的日本落叶松单木通用性生物量方程。结果表明:与普通模型相比,构建的3个哑变量生物量通用模型不仅解决了不同器官组分的相容性,还提高了生物量估测精度,复相关系数增加了0.28%~0.44%,均方根误差减少了0.40%~6.61%,绝对偏差减少了1.63%~6.61%。单独引入1个哑变量时,区域哑变量构建的生物量通用模型预估精度高于发育阶段作为哑变量构建的生物量通用模型;而同时引入2个哑变量时,预估精度分别高于单独引入1个哑变量的生物量通用模型,表明同时考虑区域和发育阶段构建的日本落叶松生物量模型为最佳模型。因此,考虑将区域和发育阶段同时作为哑变量并应用似乎不相关法来构建单木生物量模型,可以解决大尺度生物量模型的通用性和不同组分的相容性问题。     

东北林区10种主要森林类型的蓄积量、生物量和碳储量模型研建

【目的】林分水平的蓄积量、生物量和碳储量模型或数表,是开展森林资源规划设计调查的必备计量工具。研建东北林区10种主要森林类型的蓄积量、生物量和碳储量模型,既是方法学探索,也为生产实践提供参考成果。【方法】基于东北林区云冷杉林、落叶松林、红松林、樟子松林、栎树林、桦树林、杨树林、榆树林、椴树林和水胡黄林10种主要森林类型的2 000个样地的实测数据,分别利用非线性独立回归估计、非线性误差变量联立方程组和含哑变量的非线性误差变量联立方程组方法,建立了林分水平的蓄积量、生物量和碳储量模型。【结果】基于全部样地通过误差变量联立方程组方法建立的蓄积量、生物量和碳储量总体平均模型,其确定系数分别为0.945、0.805和0.839,而包含森林类型参数的蓄积量、生物量和碳储量哑变量模型,其确定系数分别达到0.959、0.949和0.951。10种主要森林类型的蓄积量、生物量和碳储量模型,确定系数(R2)都在0.86以上,平均预估误差(MPE)都在3%以内,平均百分标准误差(MPSE)大多数在10%以内。蓄积量模型的R2在0.876～0.980之间,MPE在0.90%～1.95%之间,MPSE在5.1...     

贵州人工杉木相容性立木材积和地上生物量方程的建立

在国家级森林资源监测中增加森林生物量估计已成为必然趋势,而所需建立的生物量方程应该考虑与立木材积方程的相容性。本文以贵州省人工杉木立木材积和地上生物量数据为例,通过利用度量误差模型方法,研究建立了相容的立木材积方程、地上生物量方程及生物量转换函数。结果表明：在胸径基础上再增加树高因子,对立木材积方程的估计效果有明显改进...     

基于度量误差方法的油松林分生长模型

为掌握北京地区油松Pinus tabulaeformis生长过程,建立相容的断面积和蓄积模型,通过引入间伐林分与未间伐林分的哑变量,分别建立林分断面积、林分蓄积生长模型,然后从相容的角度出发,建立林分断面积、蓄积量的误差变量联立方程组,并与不含哑变量的传统生长模型的误差变量联立方程组进行比较。经检验,传统误差变量联立方程组中林分断面积和林分蓄积生长模型的预测精度都在92%以上,对油松林分断面积的预测精度高达0.921 5,决定系数高达0.900 1,对油松林分蓄积量的预测精度达到了0.928 3,决定系数高达0.912 3,而引入哑变量的误差变量联立方程组中,模型的预测精度和确定系数稍高,均在93%以上,对油松林分断面积的预测精度高达0.939 8,决定系数达到了0.927 9,对油松林分蓄积量的预测精度在0.930 0以上,决定系数达0.932 8。这说明引入哑变量,一定程度上提高了模型的预测精度,而且所建模型比较合理,形式相对简单,便于应用,不仅使得林分水平上的林分断面积、蓄积量的预测结果具有相容性,同时还考虑了间伐措施对林分生长的影响,达到了林分生长与收获模型整体化研究的目的,为林分的经营管理提供了可靠依据。     

基于优化k-NN模型的高山松地上生物量遥感估测

针对传统k-最近邻法（k-nearest neighbor,k-NN）在搜索最近邻单元时赋予特征变量相等的权重,缺少对特征变量加权优化等不足问题,在云南省香格里拉市,以高山松Pinus densata为研究对象,基于49块实测标准地,116株高山松样木和Landsat 8/OLI影像,在前期进行基于遗传算法（genetic algorithm,GA）优化的k-NN模型实现的基础上,对k-NN的3个参数（k,t和d）进行反复测试优化组合,在像元尺度上对研究区高山松地上生物量进行遥感估算。结果表明:基于遗传算法优化的k-NN模型精度优于传统的k-NN模型,优化前均方根误差为30.0 t·hm-2,偏差为-0.418 t·hm-2,相对标准误差百分比（R_MSE）为54.8%;优化后均方根误差为24.0 t·hm-2,偏差为-0.123 t·hm-2,R_MSE为43.7%。基于优化k-NN模型的研究区高山松地上生物量总储量估测结果为0.89×107 t。     

不同演替程度下马尾松人工林生物多样性对生物量的影响

  目的  为了解决长期纯林经营模式下马尾松Pinus massoniana林地力衰退、生物多样性降低、生物量下降等问题,探究马尾松人工林在自然演替程度下生物量与生物多样性变化规律以及相关关系。  方法  以湖北省荆门市京山县太子山3种不同自然演替程度下的马尾松人工林为研究对象,采用典型样地法探究其生物量与生物多样性、林分密度之间的关系。  结果  ① 40年生林分与50年生林分的生物量相对于30年生林分具有显著差异(P＜0.05),其中40年生林分的平均生物量最高。②多样性指数随着演替的进行不断增加,但在不同演替阶段有所差异。其中Shannon-Wiener指数与Simpson指数在各个演替阶段之间都具有显著差异(P＜0.05);Pielou指数在40年生林分与50年生林分之间差异不显著(P＞0.05),但都与30年生林分差异显著(P＜0.05);功能丰富度、功能多样性与Pielou指数变化一致;功能离散度在40年生林分与其他演替阶段的林分都差异不显著(P＞0.05),30年生林分与50年生林分差异显著(P＜0.05);功能均匀度在各个演替阶段林分之间都具有显著差异(P＜0.05)。③林分密度在40年生林分与其他演替阶段的林分都差异不显著(P＞0.05),30年生林分与50年生林分之间差异显著(P＜0.05),其变化趋势随着演替程度的进行有所增加。④最佳解释模型中,解释变量包含功能离散度、Shannon-Wiener指数、Simpson指数以及Pielou指数,其中功能离散度相较于其他物种多样性指数更能有效地解释生物量的变化。  结论  生物多样性因子对生物量的变化具有一定可解释性,其中功能参数中的功能离散度对于生物量的影响最大。图1表4参34     

马尾松立木干曲线方程研究

利用25株马尾松解析木的相关资料建立马尾松立木干曲线方程并对各方程进行了分析评价。结果表明:4次多项式比3次多项式更适宜作为干曲线方程,其模拟树干基部形状较好,且在计算树干材积时有更高的精度;马尾松立木胸高形数为0.499。研究结果可以为马尾松经营数表的修订或更新提供理论依据。     

不同海拔油松和华山松林乔木层生物量与蓄积量的动态变化

【目的】探索秦岭火地塘林区不同海拔油松和华山松林林分生长变化趋势,为森林经营措施的制定提供理论依据。【方法】通过树木年轮学的方法,运用已有的生物量和材积回归方程,反演出1977-2011年秦岭火地塘林区不同海拔油松和华山松林乔木层生物量、生产力和蓄积量的动态变化特征。【结果】35年间不同海拔油松和华山松林乔木层生物量和蓄积量均增长迅速,且油松的增速一直快于华山松;油松林的生物量和蓄积量在海拔1 550~1 650m最大,生物量从1977年的44.40t/hm2增长到2011年的214.67t/hm2,蓄积量从54.98m3/hm2增长到237.50m3/hm2;华山松林的生物量和蓄积量在海拔1 850~2 000m最大,生物量从1977年的16.74t/hm2增长到2011年的182.75t/hm2,蓄积量从25.20m3/hm2增长到225.14m3/hm2;2种森林类型的生产力均随林龄的增大波动上升,在2001年左右达到最大值,随后生产力呈现下降趋势,同一树种不同海拔生产力波动趋势较一致。【结论】环境差异、人为干扰是造成不同海拔间林分生物量、蓄积量产生差异的主要因素;生物学特性和林分环境的共同作用导致了不同森林类型生物量和蓄积量的差异;不同海拔间生产力波动变化的一致性,在一定程度上反映了树木生长对气候因子的响应。     

高山松地上生物量遥感估算的不确定性分析

  目的  采用遥感数据估算森林地上生物量仍存在一些不确定性问题,研究估算过程中的误差来源及其占比,对提高森林地上生物量的估测精度具有重要意义。  方法  从遥感影像提取因子,结合高山松Pinus densata外业调查数据,建立多元线性回归、梯度提升回归树、随机森林等3种地上生物量估测模型,对样地尺度与3种模型的不确定性进行分析和度量。  结果  ①高山松单株生物量模型不确定性为16.43%,样地尺度的不确定性为7.07%;②多元线性回归模型残差不确定性为34.86%,参数不确定性为21.30%,与样地不确定性合成后总不确定性为41.45%;③非参数模型中,梯度提升回归树估测高山松地上生物量的总不确定性为23.12%,随机森林为19.42%。  结论  3种遥感估算模型中,非参数模型的不确定性明显低于参数模型。相较于样地尺度,遥感估算模型的不确定性对地上生物量估算精度的影响较大。图3表3参26     

马尾松林近自然不同经营管理措施下土壤肥力

  目的  研究近自然不同经营管理措施对马尾松Pinus massoniana林下土壤肥力的影响。  方法  在贵阳市近自然经营开阳项目区分别选取马尾松林近自然择伐、近自然间伐、近自然抚育及对照组,综合评价不同管理措施对马尾松林下土壤肥力的影响。  结果  近自然择伐的土壤有机质、全氮、碱解氮、全钾、全磷、速效磷、脲酶、碱性磷酸酶质量分数都高于对照,呈增加趋势,其中有机质、全氮、碱解氮、全钾、全磷、速效磷的质量分数差异显著(P＜0.05);近自然间伐的土壤有机质、全氮、碱解氮、全钾、速效钾、全磷、速效磷、蔗糖酶质量分数都高于对照,呈增加趋势,其中全氮、碱解氮、全钾、速效钾、全磷、速效磷的质量分数差异显著(P＜0.05),但脲酶质量分数呈减少趋势;近自然抚育的土壤碱解氮、全钾、速效磷、脲酶质量分数呈减少趋势。其中碱解氮和全钾差异显著(P＜0.05),蔗糖酶质量分数有增加趋势。近自然间伐和择伐马尾松林分土壤肥力的综合评价得分与相应对照差异显著(P＜0.05),抚育差异不显著(P＞0.05);近自然不同管理措施对土壤物理指标的影响不显著(P＞0.05)。  结论  近自然间伐与择伐对马尾松林分土壤肥力的影响具有显著的促进作用,对马尾松林分土壤肥力的维护和提高有重要意义;近自然抚育对林分影响不显著。图1表6参19     

马尾松低效人工林不同改造模式下降雨及产流特征

为探究马尾松Pinus massoniana低效人工林不同模式改造初期降雨及地表径流特征,以四川省高县来复镇5个相邻径流小区内的马尾松低效人工林为研究对象,采用林下补植樟树Cinnamomum camphora（Ⅱ号小区）、马尾松皆伐后更新樟树（Ⅲ号小区和Ⅳ号小区）、马尾松皆伐后第2年更新樟树（Ⅴ号小区）3种不同林下更新改造方式以及马尾松纯林为对照（Ⅰ号小区）,分析降雨量、不同改造模式产流量以及它们之间的关系。结果表明:研究区降雨主要集中于每年6-9月。在低效林改造初期2.5 a内,24 h累计最大降雨量为93.6 mm,最小产流降雨量6.9 mm;最大产流量3.002 0 m3,最小产流量0.006 4 m3。5个径流小区在小雨条件下几乎无地表径流产生,平均单次产流量大小排序为Ⅲ号小区>Ⅳ号小区>Ⅴ号小区>Ⅱ号小区>Ⅰ号小区,与受人为干扰强度一致;2014年下半年径流系数比2012年下半年分别下降29.36%,26.30%,47.37%,41.54%和43.97%。对降雨量与径流量进行相关性分析表明,其相关系数均大于0.905。3个皆伐径流小区在改造初期对地表径流的减滞效果更为明显。