湖南栎类天然林断面积生长模型研究

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中文摘要：天然混交林的林分生长和收获模拟还处于早期阶段，仍然没有统一的建模手段和方法。随着天然混交林在国民经济和生态保护中地位的增加，迫切需要研究合适的模型用于混交林的生长预测和经营。天然混交林的林分结构特点决定了在构建混交林生长模型时，必须解决混交林年龄、树种组成、立地指数和竞争效应的表达等问题。鉴于此，本研究将采用非线性混合效应模型方法，考虑林分类型和立地类型效应影响，以断面积生长模型为核心进行栎类林分生长模型的构建，以期建立一套新的混交林断面积生长模型构建方法，为天然混交林的林分生长收获与经营管理提供参考与理论依据。本文以湖南栎类天然林为研究对象，采用非线性混合效应模型方法，构建了含随机效应的栎类天然林立地指数模型。并以立地指数为驱动变量，考虑天然混交林的树种组成与立地类型差异，从全林分、单木和林层三个水平建立了湖南栎类天然林断面积生长模型系。主要研究内容和结论如下: (1)构建了天然林立地指数模型。采用多元逐步回归分析方法，筛选出年平均温度(MAT)、年降水量(MAP)与平均气温差(TD)3个影响林分平均优势高生长的气候因子。通过模型再参数化，构建了气候敏感的立地指数模型。并以此为基础，考虑林分类型与立地类型效应影响，建立了含随机效应的天然林立地指数模型:HTk=(a0+a0k+a1×MAT+a2×MAP)×(1-exp(-b×Tk)）(c+c1×TD)+εk，并基于该模型计算了各样地的地位指数（基准年龄为20年）。与气候敏感的立地指数模型相比，确定系数(R2)增加了约106.72％，平均绝对误差(MAE)降低了68.47％，均方根误差(RMSE)降低了58.66％。 (2)选择常用的Richards和Schumacher模型来模拟林分断面积生长，结果发现含年龄、平均优势高与林分密度指数的Schumacher模型的模拟效果最优，在此基础上构建含林分类型、立地类型效应的非线性混合效应模型。通过随机效应参数构造与精度评价结果，确定了3种随机效应的最优形式参数构造，并比较了不同随机效应的模型拟合效果。其中，含林分类型、立地类型共同效应的模型的拟合效果最优:Gik=HTikβ0+β1/Tik(SDIik/1000)β2+β3/Tikexp(β4+β4i+β4k+β5/Tik)+εik。与基础模型相比，确定系数(R2)增加了6.04％，平均绝对误差(MAE)降低了49.11％，均方根误差(RMSE)降低了64.24％。 (3)提出基于林层划分的林分断面积生长模型构建方法，建立了林层断面积模型。采用全树高聚类、国际林联标准与光竞争高度法划分林层后，以Schumacher式分别对全林分及上层林、下层林断面积进行拟合，其确定系数(R2)均在0.92以上，相比不分层的全林分断面积生长模型，分层后的不同林层断面积模型确定系数(R2)从0.9259提高到0.9455～0.9846。其中，国际林联的优势高划分的断面积生长模型精度最高（R2=0.9704，MAE=1.4588，RMSE=2.1786），与不分层的全林分断面积模型相比，确定系数(R2)提高了5.0％，平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)分别降低了39.8％与26.4％。采用比例平差法构建了相容性林层断面积模型，相比各分项的独立预估模型，上层林平均绝对误差、均方根误差分别降低了75.36％、68.01％，下层林平均绝对误差、均方根误差分别降低了79.42％、78.04％。 (4)采用多元逐步回归分析方法，进行因子筛选后发现:单木树高(H)、林分平均胸径(Dg)、年热:湿指数(AHM)、地位指数(SI)与丰富度指数(Gleason)对单木断面积生长的影响显著。通过再参数化的方法，以林木生长的最大值参数A为基础，构建了再参数化的栎类林单木断面积生长模型。并以此为基础，分别以林分类型效应、立地类型效应及林木层次效应作为随机效应，建立了含随机效应的单木断面积生长模型。其中，基于立地类型聚类的单木断面积生长模型的模拟效果最优:Gk=(a+a1·Hka2·Dgka3·AHMka4·SIka5·Gleasonka6+ak)/(1+b×exp(-c×Tk))+εk,与基础模型相比，确定系数(R2)增加了约26.63％，平均绝对误差(MAE)降低了31.40％，均方根误差(RMSE)降低了54.23％。 (5)研究证明了随机效应构造天然混交林断面积生长模型的科学性与合理性，模拟结果可作为栎类天然林林分生长收获与经营管理的依据。

作者：

胡松

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关键词：

栎类天然混交林断面积生长模型随机效应林分类型立地类型

授予学位：

硕士

学科专业：

森林经理学

导师：

朱光玉

学位年度：

2019

学位授予单位：

中南林业科技大学

语种：

中文

中图分类号：