基于数量化理论的白桦胸径的生长模型研究

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  摘要:白桦(Betulaplatyphylla suk.)是承德塞罕坝机械林场人工林的主要造林树种。近年来,由于经营条件的限制,其林分生长状况较差,管理好白桦林分的生长关系着塞罕坝机械林场森林的可持续经营和林业的可持续发展。能否充分地了解现实林分的生长状况、正确地分析和研究白桦林分的生长规律及生长规律与其影响因子的关系,决定了白桦林分能否健康可持续的发展下去,因此,研究白桦林分生长规律与影响因子的关系很有必要。该文采用标准地法调查外业数据,并用SASS17.0对立地条件和白桦胸径近5a生长量进行描述性分析和相关性分析,再用ForStat2.1对数据进行数量化理论I的处理,对塞罕坝机械林场的白桦林分进行了研究。研究结果证明,海拔、密度、坡向和土层厚度4个立地因子对白桦近5a胸径的生长量有显著影响,并通过数据分析建立了白桦胸径近5a生长量与这4个立地因子的预测模型。
  关键词:数量化理论;白桦;胸径生长量;立地因子
  近年来,为了满足人们对森林资源的各种需求,人工林被大量的种植。塞罕坝机械林场是中国北方最大的人工林区,白桦是塞罕坝机械林场重要的森林类型之一,其在维护京津生态安全、为社会提供木材方面有着不可替代的作用。近年来,由于经营条件的限制,其林分生长状况较差,管理好白桦林分的生长关系着塞罕坝机械林场森林的可持续经营和林业的可持续发展。而能否充分地了解现实林分的生长状况、正确地分析和研究白桦林分的生长规律及生长规律与其影响因子的关系,决定了白桦林分能否健康可持续的发展下去,因此,研究白桦林分的生长规律与影响因子的关系很有必要。
  影响林木生长规律的因子有很多,包括林木的生物学特征、树木年龄、环境条件和经营措施等。生物学特征和年龄是树木固有的性质,是不能人为改变的,而环境条件和经营措施在一定程度上是可以人为改变的。在环境条件中,立地条件是很重要的一方面,对土壤、植被和小气候的变化在一定程度上起着决定性的作用,立地条件是影响林木生长的重要因素。
  很多学者对林分的生长与立地条件的关系进行了研究讨论。例如,王庆锁等用树干解析的方法对海拔不同的坝上和坝下地区白桦生长情况进行了分析研究,结果表明,海拔1 350m的坝下地区林分的生长情况明显好于海拔1 600m的壩上地区;宿以明和刘兴良用解析木的方法研究了不同立地条件对粗枝云杉人工林生长的影响,结果表明,对粗枝云杉各生长指标作用较大的因子是林龄、海拔、密度和坡位;荀守华等用双重筛选逐步回归法对日本落叶松生长量与立地因子的关系进行了研究,结果表明,海拔是影响日本落叶松胸径和树高生长的主要立地因子,其次是土层厚度、坡向和坡度,坡位对其影响并不显著;张燕平等研究了干热河谷印楝生长与立地条件的关系,结果表明,坡位、土壤毛管孔隙度、土壤有机质含量及其组合是影响印楝生长的主导因子;梁文俊等研究了密度对落叶松人工林生长的影响,结果表明,在一定的林分密度范围内,随着林分密度的增加,林分胸径、冠幅呈减小趋势,且二者呈幂指数函数关系;胡淑萍等用数量化理论I对北京山区天然荆条灌丛的立地条件进行了相关研究,结果表明,坡向、坡位、海拔、土壤厚度、土壤质地和裸岩率影响荆条灌丛的高生长,坡向、坡位、坡度、土壤质地和裸岩率影响荆条灌丛的径生长。由此可见,对于立地因子对林木生长规律的影响还没有统一的说法,立地因子对白桦生长的影响也没有统一的定论,而且现在还没有学者用数量化理论的方法对塞罕坝机械林场的白桦建立生长模型,为此,本文用数量化理论I的方法对塞罕坝地区的白桦进行研究,分析立地因子对胸径生长量的影响。
  1.研究区概况
  塞罕坝机械林场位于河北省围场满族蒙古族自治县最北部,地理坐标为北纬42°02′-42°36′,东经116°51′~117°39′,南北宽51.46km,东西长17.84km。毗邻京、津、内蒙地区,地处内蒙古高原南部的边缘和坝上的山地,地势分为坝上和坝下两个地区:坝下是大兴安岭与阴山山脉的交汇处,是典型的山地地形,海拔为1 010-1 500m;坝上位于内蒙古高原的南缘部边缘,以曼甸、丘陵为主要地貌,海拔为1 500-1 940m。
  塞罕坝机械林场植物区系为东北区系、内蒙古区系和华北区系的交汇带,植被类型十分丰富,有森林、草原、沼泽、灌草丛、灌丛和草甸,天然植被和人工植被并存,森林植被属于重度干扰的植被,灌丛和灌草丛属于轻度干扰的植被,草原和草甸属于略带原生性质的植被类型。塞罕坝林区的植物可以划分为7个植被类型和25个群系,其中有维管植物81科312属659种。乔木树种主要有华北落叶松(Larix principis-rupprechtii Mayr.)、油松(Pimus tabolaeformis Carr.)、白桦(Betula platyphylla suk.)、云杉(Picea asperata Mast.)、山杨(Populus davidiana Dode.)、榆(Ulmuspumila L.)、柞(Quercus L.)等;灌木主要有沙棘(Hippophae rhamnoides L.)、榛子(Coryl~heterophyllaFisch.ex Bess.Corylus heterophylla Fisch.Ex Bess.var)、土庄绣线菊(spiraea pubescens Turcz.)、胡枝子(Lespedeza bicolr,rTurcz.)等;草本植物主要有宽叶苔草(Carex siderostic把)、乌苏里苔草(Carex ussuriensis)、阴地蒿(Artemisia sylvatica Maxim.)、歪头菜(Vicia unijuga)、小红菊(Dendranthema chanetii Shih.)、披针叶苔草(Carex lalweolataBoott.)、小花油点草(Tricyrtis macropoda Miq.)、野艾蒿(Artemisia lavandulaefolia DC.)等。阴坡植被盖度情况好于阳坡盖度,阴坡盖度为30%-80%,阳坡盖度为10%~20%。塞罕坝地区的7个主要植被类型为阔叶林、常绿针叶林、落叶针叶林、针阔叶混交林、沼泽及水生林、草原与草甸、灌丛或灌草丛。其中华北落叶松林即为落叶针叶林,属于华北落叶松的群系,是塞罕坝原始森林的建群种,分布于海拔1 500-1 900m地段,林相比较整齐,郁闭度大,疏密情况均匀,林下草木层和灌木层极其稀少。   2.研究方法
  2.1樣地设置 为了比较全面的研究塞罕坝白桦的胸径生长规律和模型,2014年6-7月份,在塞罕坝的林分内,随机设置20mX20m的标准地,记录下标准地的海拔、坡度、坡向、坡位、密度、土层厚度等指标,并对标准地内的所有乔木进行每木检尺。在每个标准地内的每个树种都选取5棵优势木进行测量,测出其近5a的生长量和其他的因子,并做详细的记录。将测得的数据在Excel里进行整理,共77块标准地,立地因子有海拔、胸径、坡度、坡位、坡向、株数、土层厚度,对这些因子进行描述性分析,用SPSS17.0软件进行分析,因为坡位和坡向不是数值类型,所以无法进行描述性分析,对其他因子进行分析得到表1。
  2.2限制性因子筛选 每个立地因子对胸径生长量的影响不同,而且有的因子存在正相关关系,有的因子存在负相关关系,因此要对这些因子进行相关性分析,从而选择出对胸径生长量影响较大的因子。用SPSS17.0对这些因子与白桦近5a胸径的生长量进行相关性分析。
  2.3模型建立 通过SPSS17.0对立地因子和白桦近5a生长量相关性分析,得出几个对白桦胸径近5a生长量的影响较大的立地因子,因此,用ForStat2.1对这几个因子和白桦近5a生长量进行数量化理论I的处理。
  3.结果与分析
  3.1相关分析 用SPSS17.0对这些海拔、密度、坡位、坡向、坡度、土层厚度6个立地因子与白桦胸径近5a生长量进行相关性分析,可以筛选出对白桦近5a胸径的生长量影响较大的立地因子,有的因子与生长量存在正相关,有的因子与生长量存在负相关,进行相关性分析,见表2。由表2可知,株数和海拔与白桦近5a胸径的生长量有着明显的正相关,坡向与土层厚度与白桦近5a的生长量有着明显的负相关,而坡度与坡位与近5a生长量的相关关系不明显。
  3.2数量化理论模型建立 通过ForStat2.1用数量化理论I对株数、海拔、坡向、土层厚度4个因子与白桦近5a生长量的数据进行处理后,其因子的方差分析得分分别见表3、表4。
  表3中平方和表示因子对生长量y的贡献(总贡献是模型平方和);均方等于平方和除以自由度,它服从(因子自由度=1,残差自由度=13)的F分布,在本实验中取值是“F值”,通俗的说,该因子对y影响显著的可靠性是(卜“Pr>F”);残差的均方表示模型配置的误差,残差均方+模型均方=校正计;模型平方和/校正计平方和=“确定系数”,等于回归模型相关系数的平方;校正计平方和+截距平方和=合计平方和。
  表4中,系数的值就是该因子水平的得分b(i,i);一个因子的最后一个水平是多余参数,得分为0,没有标准差;标准差是所得分的标准差;得分的95%区间估计=系数值±t0.05(f1)*标准差;系数除以标准差服从学生氏t分布,“T值”=系数值/标准差,其中(Pr>T)是表示t分布随机变数≥T的概率,即P(≥ITI),而1-(Pr>T)表示此参数不等于0的可靠性;因此当(Pr>T)较小时,就有较大的把握认为该系数不等于0。
  由表3和表4可知,4个立地因子的得分也就是系数在-0.201 039-0.304 185,标准差在0.078 173-0.302124,Pr>T都特别小,因此说明海拔、密度、坡向、土层厚度这4个因子对白桦近5年的生长量都有比较显著的影响。
  由得出的两个表可知,阳坡情况下白桦近5a胸径的生长量大于阴坡情况下的生长量;密度1 000-1 500株/hm2的生长量大于密度大于1 500株/hm2的生长量;海拔700-1 300m的生长量大于海拔大于1 300m的生长量。
  通过表格可以对白桦近5a胸径的生长量建立模型,即白桦近5a胸径的生长量y=1.069142-0.201039B-0.185126&(2,1)+0.230118B(3a>+0.304185&(3,2>+0.212271B(4,1)+0.284812B,24,2)。
  通过表中的系数可以预测白桦胸径近5a的生长量:如果要预测在阳坡、海拔1 400m、密度为1 200株/hm2、土层厚度为34cm条件下的生长量,则生长量y=1.069142+(-0.083168)+0.212271+0.304185+(-0.185126)=1.317304cm;如果要预测在阴坡、海拔1 100m、密度为1 600株/hm2、土层厚度为25cm条件下的生长量,则生长量y=1.069142+(-0.201039)+0.284812+0.230118+0=1.383033cm;如果要预测阳坡、海拔600m.密度为800株/hm2、层厚度为40cm条件下的生长量,则生长量y=1.069 142+(-0.083 168)+0+0+(-0.185 126)=0.800 848cm。
  4.讨论与结论
  4.1讨论 白桦胸径的生长量并不直接受海拔的影响,但一些环境条件会随着海拔的变化而发生变化,从而对白桦胸径的生长量产生一定的影响。一般来说,气温和海拔呈负相关的关系,而降水量与海拔的关系不仅是正相关或者负相关这么简单。除了这两个环境条件外,随着海拔的变化大气压和太阳辐射量也发生一定的变化。这些条件综合在一起,从而对白桦胸径近5a的生长量产生影响。
  坡向分为阴坡和阳坡,就意味着太阳光照量和太阳辐射强度的不同,从而造成日照强度和热量的不同,除此之外,也会影响着湿度一定范围的变化,包括土壤和空气两方面的湿度。除了对光照和太阳辐射强度的影响之外,坡向还对降水有一定的影响。而且白桦生性喜欢阳光,不喜阴,因此坡向会对白桦胸径近5a生长量有一定影响。
  林分的密度即株数影响着郁闭度,进而影响着土壤接受着光照和太阳辐射量,也影响着土壤对降水量吸收。林分密度越小,树木的枝干可以获得足够的伸展空间和光照条件,土壤也可以更充足地吸收降水的水分,所以胸径生长较快;而密度过大时,除了光照、太阳辐射和降水吸收都有影响外,由于树木间的竞争关系,也会对胸径生长量造成很大的影响。因此,林分的密度对白桦胸径近5a生长量有很大的影响。
  土层厚度是影响土壤水分的主要因素,因为土壤厚跟涵水量有很大的关系,而且土层厚度影响着土壤肥力,比如有机质的多少、有效磷的含量、氮的含量等,另外土层厚度还在一定程度上影响着林木根的呼吸。多方面影响综合,土层厚度对白桦胸径近5a生长量有一定程度的影响。
  影响白桦生长的因子有很多,比如生物学特征、年龄、立地条件、经营措施等,而生物学特征和年龄是数目固有的、没有办法改变的因素,立地条件和经营措施在一定程度上是可以改变的。其实白桦的生长量是各个因子共同作用的结果,每个因子都会起到或多或少的作用。在具体的森林经营过程当中,可以进行适当的人为干预,比如进行择伐以保证白桦生长的更快。
  4.2结论 海拔、林分的密度、坡向和土层厚度都会在不同程度上对白桦近5a胸径的生长量产生比较显著的影响。对白桦近5a胸径的生长量建立模型,即白桦近5a胸径的生长量y=1.069142-0.201039g(1,1)-0.185126(2.1)+0.230118(3,1)+0.304185(3,2)+0.212271(4,1)+0.284812(4,2)。
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