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2019年 第55卷 第11期 刊出日期:2019-11-25
目次
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林业科学. 2019, 55(11):  0-0. 
摘要 ( 100 )   PDF (3393KB) ( 170 )  
相关文章 | 多维度评价
论文与研究报告
我国人工杨树生物量建模和生产力分析
曾伟生,陈新云,杨学云
林业科学. 2019, 55(11):  1-8.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191101
摘要 ( 192 )   HTML ( 19 )   PDF (985KB) ( 196 )  
数据和表 | 参考文献 | 相关文章 | 多维度评价

目的: 建立人工杨树生物量模型,分析生产力与气候因子间的关系,为提升我国森林质量提供参考。方法: 基于在全国15个省(区、市)采集的450株人工杨树样木实测地上生物量和147株地下生物量数据,综合利用哑变量建模方法和误差变量联立方程组方法,建立一元和二元立木生物量联立方程组;基于样木胸径、树高和年龄的成对数据,建立与气候因子相关的单木生长模型。根据胸径和树高单木生长模型及二元立木生物量方程,分析气候因子对人工杨树单木生产力的影响。利用全国森林资源连续清查人工杨树林样地调查数据,计算每个样地的生物量和生产力,建立人工杨树林生产力与气候因子间的相关模型,进一步验证气候因子对生产力的影响。结果: 本研究建立的一元和二元人工杨树地上生物量方程,确定系数(R2)在0.90以上,平均预估误差(MPE)在5%以内;地下生物量方程的R2在0.83以上,MPE在10%以内;含气候因子的胸径和树高单木生长模型,R2均在0.70以上,MPE分别在5%和3%以内。人工杨树的胸径、树高生长均与年均气温显著相关,林木年龄为20年,年均气温20℃时的胸径、树高和总生物量分别是年均气温0℃时的2.4、2.4和9.5倍。连清样地数据验证结果表明,年均气温提高10℃,人工杨树林的平均生产力可以提高2.5 t·hm-2a-1;年均气温20℃时的人工杨树林,其平均生产力达到年均气温0℃时的7倍以上,与所建单木生长模型的可比推算结果完全一致。结论: 本研究建立的人工杨树立木地上和地下生物量方程及其相容的生物量转换因子和根茎比模型,达到相关技术规定的预估精度要求,可以推广应用;温度是影响人工杨树生产力的重要因素,随着年均气温升高,人工杨树生产力也相应提高。

天山中部雪岭云杉林多功能权衡与协同关系
兰洁,雷相东,张毓涛
林业科学. 2019, 55(11):  9-18.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191102
摘要 ( 145 )   HTML ( 10 )   PDF (3249KB) ( 114 )  
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目的: 分析森林供给(生产力)、调节(固碳释氧和涵养水源)、支持(生物多样性)功能间的权衡和协同性,为森林多功能经营提供理论依据。方法: 以新疆天山中部雪岭云杉林为研究对象,基于42块样地调查数据和板房沟林场森林资源二类调查1 170个小班数据,采用随机森林法对小班生产力、固碳释氧、涵养水源和生物多样性进行预测,分析林分4种功能间及平均林龄、平均树高、平均胸径、郁闭度、坡度、海拔、植被盖度和蓄积量8个林分因子与功能的关联特征。结果: 对生产力、涵养水源、固碳释氧、生物多样性影响较大的因子有林分平均胸径、蓄积量、植被盖度、平均年龄和郁闭度。林分平均年龄、平均树高、平均胸径、郁闭度、蓄积量与生产力、涵养水源、固碳释氧、生物多样性和综合功能间呈正相关,相关系数为0.225~0.917(P < 0.01);坡度与涵养水源、固碳释氧和生物多样性间呈正相关,相关系数为0.167~0.393(P < 0.01);海拔与生产力、涵养水源和综合功能间呈负相关,相关系数为-0.264~-0.143(P < 0.01);植被盖度与涵养水源和生物多样性间存在正相关关系,相关系数分别为0.237和0.081(P < 0.01)。生产力、涵养水源、固碳释氧、生物多样性4种功能均存在不同程度正相关关系,相关系数为0.228~0.645(P < 0.01),其中生物多样性与固碳释氧间相关程度最高;林分功能间均呈协同关系。结论: 雪岭云杉林生产力、涵养水源、固碳释氧、生物多样性4种功能间呈协同关系,通过合理的森林经营可实现多种功能的协调。

永安市半天然马尾松阔叶混交林的树种组成与多样性
王金池,黄清麟,马志波,黄如楚,郑群瑞
林业科学. 2019, 55(11):  19-26.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191103
摘要 ( 151 )   HTML ( 8 )   PDF (1294KB) ( 156 )  
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目的: 揭示半天然马尾松阔叶混交林特别是其中天然更新阔叶林木的树种组成与多样性特征,为该类型林分的经营利用提供科学依据。方法: 在福建省永安市岭头村半天然马尾松阔叶混交林中设置1块50 m×160 m样地,将样地划分为80个10 m×10 m样方,对样方乔木层和灌木层进行每木调查,在样地内设置128个2 m×2 m草本层小样方进行草本植物调查。采用最大受光面法将乔木层划分为第Ⅰ亚层(受光层)和第Ⅱ亚层(非受光层),运用重要值及常用生物多样性指标分析乔木层(包括第Ⅰ亚层和第Ⅱ亚层)和灌木层的树种组成与多样性。结果: 乔木层、灌木层、草本层的物种丰富度分别为47、109和56;乔木层的Shannon-Wiener指数、均匀度和生态优势度分别为2.93、0.53和0.26;乔木层密度为2 686株·hm-2,其中灌木树种仅有9种,密度为28株·hm-2,总重要值为1.58%;乔木层所有树种中,重要值排前5位的为马尾松(37.87%)、杉木(16.85%)、拟赤杨(10.40%)、檫木(7.01%)和木荷(4.91%);最大受光面的高度为12.6 m;第Ⅰ亚层的物种丰富度、Shannon-Wiener指数、均匀度和生态优势度分别为23、1.80、0.40和0.47,第Ⅰ亚层所有树种中,重要值排前5位的为马尾松(55.49%)、拟赤杨(13.38%)、檫木(10.69%)、杉木(9.04%)和丝栗栲(2.00%);第Ⅱ亚层的物种丰富度、Shannon-Wiener指数、均匀度和生态优势度分别为45、3.17、0.77和0.23,重要值排前5位的为杉木(38.84%)、拟赤杨(10.73%)、木荷(9.21%)、赛山梅(8.29%)和丝栗栲(4.26%);灌木层的Shannon-Wiener指数、均匀度和生态优势度分别为4.44、0.65和0.08,层内林木密度高达9 651株·hm-2,其中灌木树种的密度仅为3 143株·hm-2、重要值仅占28.23%,层内所有树种中,重要值排前5位的为杉木(15.47%)、赛山梅(11.10%)、细枝柃(7.84%)、丝栗栲(5.75%)和拟赤杨(5.61%);草本层中草本植物株数占比为37.90%。结论: 半天然马尾松阔叶混交林已形成多树种混交的复层异龄林结构,乔木层、灌木层和草本层均具有较高的物种丰富度。人工马尾松是乔木层的优势种,天然更新的阔叶树以拟赤杨、檫木、木荷和赛山梅等为主,层内阔叶树的树种组成与多样性已接近相近年龄的人促阔叶林。第Ⅰ、Ⅱ亚层物种丰富度分别为23和45,第Ⅰ亚层中马尾松占据绝对优势,第Ⅱ亚层中杉木的重要值最大。灌木层内大多为乔木幼树,草本层中草本植物较少。

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
李春明,赵丽芳,李利学
林业科学. 2019, 55(11):  27-36.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191104
摘要 ( 159 )   HTML ( 2 )   PDF (1259KB) ( 89 )  
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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。

气候变化情景下基于潜在NPP的河北省华北落叶松生长适宜性
吕振刚,李文博,黄选瑞,张志东
林业科学. 2019, 55(11):  37-44.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191105
摘要 ( 93 )   HTML ( 12 )   PDF (3244KB) ( 89 )  
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目的: 模拟华北落叶松当前及未来气候变化情景下的潜在NPP,并以此为基础评价其生长适宜性,为评估气候变化对华北落叶松林的影响和精准提升森林质量提供理论依据。方法: 基于河北省森林资源二类调查数据和2001-2010年累年平均NDVI数据,采用Climate AP气候模型生成当前及未来(2040-2069年和2070-2099年)时期的气候数据,利用CASA模型计算华北落叶松当前及未来气候变化情景下的潜在NPP,以此为基础分析其生长适宜性,并运用Pearson相关分析法在像元尺度上分析气温和降水变化对潜在NPP的影响。结果: 河北省华北落叶松当前潜在NPP均值为342.7 gC·m-2a-1,其生长适宜性较低的区域主要集中在平原和西北部高海拔地区,占研究区总面积的80%以上,生长适宜性较高的区域主要集中在亚高山地带,占研究区总面积的比例低于20%;2040-2069年的年均潜在NPP上升为392.9 gC·m-2a-1,总体生长适宜性明显提高,中适宜生长区面积大规模扩大至59.4%;2070-2099年的年均潜在NPP略微下降为375.1 gC·m-2a-1,总体生长适宜性下滑,生长适宜性较高区域面积明显缩小;河北省华北落叶松潜在NPP主要受降水量影响,大部分区域华北落叶松的潜在NPP与降水量显著正相关(P < 0.05),当前的降水条件限制华北落叶松的生产力。结论: 随着气候变化,河北省华北落叶松生长适宜性将发生显著变化,变化主要发生在低适宜生长区和中适宜生长区,总体适宜性将提高。在华北落叶松当前及未来生长适宜性均较高的地区适当扩大其营造面积,有利于防范气候变化的不利影响。。

基于自适应神经模糊系统的杉木冠幅估算方法
李永亮,张怀清,杨廷栋,马载阳,李思佳,沈康
林业科学. 2019, 55(11):  45-51.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191106
摘要 ( 109 )   HTML ( 1 )   PDF (2139KB) ( 56 )  
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目的: 基于相邻木特征与对象木冠幅间的复杂关系,提出一种基于自适应神经模糊系统的冠幅估算方法,以提高林木冠幅智能化估算水平。方法: 以杉木为研究对象,根据相邻木相对对象木的距离和方位,采用象限补树法构建空间结构单元。测定100组4方向冠幅、距离和方位角,提出相邻木冠幅、距对象木距离2个自变量的计算方法,以对象木冠幅与相邻木冠幅的比值作为因变量。根据样本数据,分析变量间非线性映射关系,建立25条模糊逻辑推理规则,设计以2个自变量为输入、1个因变量为输出的零阶Takagi-Sugeno模型,以70组数据训练自适应神经模糊系统,以30组数据检验系统冠幅估算效果,并与多元线性回归法和BP神经网络法进行对比。结果: 3种方法冠幅估算值与真实值的线性关系均达显著水平,经检验,本研究方法、BP神经网络法和多元线性回归法的判定系数分别为0.71、0.67和0.66。结论: 基于自适应神经模糊系统的冠幅估算方法可在自变量不含对象木属性特征的情况下,根据空间结构单元内相邻木特征,直接实现对象木冠幅的智能化估算。

基于模拟退火算法逆转搜索的森林空间经营规划
孙云霞,刘兆刚,董灵波
林业科学. 2019, 55(11):  52-62.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191107
摘要 ( 88 )   HTML ( 7 )   PDF (3758KB) ( 49 )  
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目的: 研究逆转搜索策略对模拟退火算法性能的提升作用,为复杂森林经营规划问题的优化求解提供技术支撑。方法: 以大兴安岭塔河林业局盘古林场森林空间收获安排问题为例,以模拟退火算法1-邻域和2-邻域技术为基础构建逆转搜索过程,并将其应用于具体的森林经营规划实践。规划模型以10年规划期内的木材均衡收获为目标函数,根据经营措施选用不同空间约束形式,对抚育措施采用面积限制模型,对皆伐措施采用单位限制模型,2种模型均满足3年的绿量约束期。结果: 对于最小化森林经营规划问题而言,逆转搜索中不同邻域间的交互次数对规划结果影响不显著,但其平均目标函数值均显著低于传统模拟退火算法1-邻域(P < 0.01)和2-邻域(P < 0.01),而算法优化时间分别比1-邻域和2-邻域增加约5和2倍,逆转搜索策略具有显著的优越性能和广泛的应用前景;最优森林经营方案表明,整个规划期(10年)内预计可收获木材约5.00×105 m3,其中抚育出材量3.12×105 m3,抚育林分面积占林场总面积的10.94%,皆伐出材量1.88×105 m3,皆伐林分面积占林场总面积的1.02%,该方案能够满足森林可持续经营的目标。结论: 逆转搜索是一种高效、稳定的优化求解技术,能够满足复杂森林经营规划问题的需要,可为森林经营方案的编制提供技术支撑。

基于三维激光点云与断面轮廓曲线的树干材积计算
尤磊, 哈登龙, 谢明坤, 张晓鹏, 宋新宇, 庞勇, 唐守正
林业科学. 2019, 55(11):  63-72.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191108
摘要 ( 85 )   HTML ( 3 )   PDF (3657KB) ( 72 )  
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[目的] 利用地面三维激光扫描仪获取的单木树干点云,提出一种基于断面轮廓曲线的树干材积计算方法,为准确测定单木树干材积提供参考。[方法] 首先,将树干点云按设定高度thick划分为若干等高垂直分段,对于一个垂直分段,将其树干点云投影至下断面得到一个平面点集,以该点集凸包点形成闭合凸多边形的质心为中心点,以角度参数θ对该平面点集角度分区,一个角度分区中所有点的重心点为该角度分区的轮廓点,根据角度分区在上下垂直分段上的相邻性和连续性修复无轮廓点的角度分区;然后,以当前垂直分段所有角度分区的轮廓点为插值点,构建一条闭合连续光滑的三次B样条曲线(称之为垂直分段的断面轮廓曲线),该曲线所围面积为断面积,断面积与高度thick之积为垂直分段体积,所有垂直分段体积累加得到树干材积。分别以可准确计算体积的圆柱体、圆台体和抛物线体的模拟点云与地面三维激光扫描仪获取的来自7个树种183个长度为1 m的树干点云为实测数据,开展模拟试验和实测试验。[结果] 模拟试验结果表明,对于圆台体和抛物线体的体积计算,断面轮廓曲线法在合适的thick与θ参数下计算精度高于拟合圆、拟合圆柱体和Bézier凸曲线法的计算精度。实测试验结果表明,与断面轮廓曲线法计算的材积(thick=2 cm,θ=2°)相比,拟合圆、拟合圆柱体和Bézier凸曲线法计算材积的平均绝对百分比误差(MAPE)分别为0.64%、433.65 cm3和0.54%,均方根误差(RMSE)分别为0.63%、429.06 cm3和0.53%,总相对误差(TRE)分别为11.88%、3 361.36 cm3和9.51%。[结论] 断面轮廓曲线法计算的树干断面积和材积最为精确,传统以横断面是圆为理论计算的树干断面积和材积均大于其真值。
林木空间分布格局分析方法比较及其适应性
刘帅, 李建军, 李丹, 朱凯文, 郭瑞, 文益君, 马振燕
林业科学. 2019, 55(11):  73-84.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191109
摘要 ( 140 )   HTML ( 5 )   PDF (7446KB) ( 99 )  
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[目的] 对比研究各类林木空间分布格局分析方法及其对不同应用场景的适应性,为选取最适宜的空间分布格局方法提供参考。[方法] 以模拟样地和实际调查样地为数据源,采用MATLAB和R语言工具,对比分析最近邻体法、角尺度、Voronoi变异系数法、Ripley's L函数和双相关函数5种方法在工作原理、使用方式和评价标准上的异同以及各方法对不同样地条件的适应性。为便于比较,按照是否依赖于空间尺度将空间分布格局分析方法分为固定尺度型和可变尺度型两大类。[结果] 研究区阔叶林具有显著的空间分布规律,以聚集分布和随机分布为常见格局。固定尺度型方法依赖空间邻域,适用于小尺度,在林分经营和林分微结构调控中应用广泛。可变尺度型方法与空间尺度密切相关,能提供更为丰富的空间信息,适合复杂条件下对森林进行长期监测。角尺度和Voronoi变异系数法对空间分布格局的判断较为一致,实际应用中可互相验证或替代,而最近邻体法对空间分布格局则可能产生误判。多数情况下,概率密度函数(双相关函数)比累计分布函数(Ripley's L函数)更易于解释和分析,双相关函数优于Ripley's L函数。角尺度与双相关函数和Ripley's L函数的性能优劣尚存争议,每种空间分布格局分析方法均有其适用前提和条件,性能优劣只是相对而言。固定尺度型和可变尺度型两大类空间分布格局分析方法均受林木样本量、样地大小、林分密度等因素影响,样地越大、样本越多,评价结果越准确,但也会增加样地调查和分析计算的工作量。[结论] 各类空间分布格局分析方法有其自身特点及适用前提,实际应用中应结合具体样地条件选择合适的方法。林木空间分布格局研究不应仅仅局限于对整体数据是聚集分布、均匀分布或随机分布的简单描述上,还应将其应用于优化和调节森林结构以充分发挥森林的多种功能,为林业数据精准分析以及林业生产经营实践提供参考和科学依据。
基于贝叶斯法的针阔混交林树高与胸径混合效应模型
王冬至, 张冬燕, 李永宁, 张志东, 李大勇, 黄选瑞
林业科学. 2019, 55(11):  85-94.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191110
摘要 ( 115 )   HTML ( 9 )   PDF (2794KB) ( 128 )  
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[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(R2)、均方根误差(RMSE)和绝对误差(Bias)分别为0.849 5、2.378 6和0.365 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0.930 4和0.103 4,白桦树高与胸径关系模型的RMSE和Bias分别为0.982 7和0.112 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0.910 5和0.096 8,白桦树高与胸径关系模型的RMSE和Bias分别为0.963 3和0.100 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。
高分影像树种分类的最优分割尺度确定方法
刘金丽, 陈钊, 高金萍, 高显连, 孙忠秋
林业科学. 2019, 55(11):  95-104.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191111
摘要 ( 111 )   HTML ( 9 )   PDF (16391KB) ( 70 )  
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[目的] 研究面向对象树种分类过程中多尺度分割算法参数组合确定方法,寻找替代传统依赖于参考多边形的最优分割尺度评价方式,并对ESP2工具所得最优分割尺度对树种分类的适宜性做出定量评价。[方法] 以黑龙江省伊春市桦皮羌子林场为研究区,基于GF-2遥感影像数据,开展面向对象分类的分割试验。利用ESP2工具找出固定尺度范围内(100~400,步长为1)同质性局部方差变化率随分割尺度变化曲线中明显峰值所对应的分割尺度,将其定义为最优分割尺度范围。执行最佳同质性准则组合参数配合下最优分割尺度范围内各尺度的多尺度分割,统计树种样本点对在各分割结果中的分布情况并记录分割时间,通过对比树种样本点对正确落入相邻对象比和分割时长来确定最优分割尺度。[结果] 相同尺度下的同质性准则组合参数试验表明,当组合两因子参数分别为shape=0.5、compactness=0.3时,其分割效果相对最好。基于树种样本点对的分割结果评价表明,树种样本点对正确落入比最高时对应的分割尺度参数为259,210对相异相邻树种样本点对中共有203对样本点正确落入相邻分割对象中。最优分割尺度范围内各分割结果的矢量距离指数和ED3modified指数表明,其评价结果与基于树种样本点对的评价结果相吻合。[结论] 不同同质性准则组合参数对分割结果的影响具有明显差异,设计高效的试验方案寻找该组合十分必要。基于树种样本的评价方法充分利用地面调查数据,将以往评价中常用的多边形样本简化为点样本,可避免人工勾画真实地物边界的繁杂工作量。将分割效率考虑在内的最优分割尺度评价点指数方法与基于对象匹配法或面积相近原理的评价方法相比,可提高操作上的简易性和评价因素的全面性。
基于地理加权回归模型的大兴安岭中部天然次生林更新分布
张凌宇, 刘兆刚
林业科学. 2019, 55(11):  105-116.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191112
摘要 ( 84 )   HTML ( 9 )   PDF (4644KB) ( 88 )  
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[目的] 研究大兴安岭地区天然次生林不同位置间森林更新的空间相关性和空间分布模式,探索尺度效应对空间自相关性的影响,对森林更新的影响因子进行分析,从更深层次了解更新动态中潜在的规律性,为该地区天然次生林的经营决策提供理论依据和技术支持。[方法] 以黑龙江省大兴安岭新林林业局翠岗林场为研究区,基于2018年7-8月在研究区建立的45块固定样地数据,以林分因子、地形因子、林分空间结构、土壤厚度和物种多样性5方面的9个因子为自变量,建立全局泊松模型和以地理加权回归模型为基础的4种尺度(5、10、15和20 km)地理加权泊松模型(GWPR)对该地区天然次生林更新状况进行模拟,利用全局Moran I和局域Moran I分别对模型残差的全局空间自相关性和空间分布状况进行描述,评价全局模型和各尺度局域模型的拟合效果,对尺度效应下各局域模型之间的差异进行说明,采用5 km尺度局域模型绘制研究区森林更新的空间分布,对研究区森林更新状况进行评价和分析。[结果] 5 km尺度局域模型具有最好的模型残差局域化空间分布效果,可形成不同模型残差聚集分布的理想状态,模型变量的参数估计值产生跨度最大的变化范围,模型稳定性最好,随着空间尺度逐渐增大模型稳定性不断下降,但总体上要好于全局模型;同时,处于该尺度下的局域模型,模型残差的空间自相关性最低。局域模型的拟合效果好于全局模型,其中5 km尺度局域模型的MSE和AIC在所有模型中最小。研究区内更新株数呈南高北低、东西差异不明显的分布趋势。[结论] 在构建局域模型时,应考虑空间尺度的影响,5 km尺度局域模型可以很好模拟研究区天然次生林更新的空间分布状况,有效降低甚至去除空间自相关性。研究区的林分更新株数主要集中在1 000~2 000株·hm-2之间,更新等级处于不良水平,森林天然更新能力整体较弱,可采用人工促进天然更新等措施进行森林经营。
基于两期无人机影像的针叶林伐区蓄积量估算
周小成, 何艺, 黄洪宇, 许雪琴
林业科学. 2019, 55(11):  117-125.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191113
摘要 ( 121 )   HTML ( 5 )   PDF (5613KB) ( 125 )  
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[目的] 提出一种基于两期无人机影像的针叶林伐区蓄积量估算方法,为促进无人机数据在多类型林业样地资源调查中的深度应用提供依据。[方法] 以福建省三明市将乐县金森林业股份有限公司伐区森林小班为试验区,首先,利用无人机遥感获取分辨率优于10 cm的两期影像,经Pix4D软件处理得到点云数据,在此基础上将小班区域未采伐前的林冠点云匹配到采伐后的小班地形点云上;然后,通过布料模拟滤波算法(CSF)分离匹配后的林冠点云和地形点云,采用自然领域插值法分别将林冠点云数据插值生成数字表面模型(DSM)、地形点云数据插值生成数字高程模型(DEM),二者相减获得冠层高度模型(CHM);接着,基于改进的局域最大值法搜索冠层高度模型中的林冠顶点,提取树高;最后,根据野外采集的400株马尾松和杉木树高、胸径数据,建立5个适用于福建省马尾松和杉木的胸径-树高模型,选择相关系数最高的模型推算胸径,并利用福建省单木材积公式估算小班区域蓄积量。[结果] 1)两期无人机数据的点云匹配能较好消除陡峭地形对树高提取的影响;2)改进的局域最大值法可有效减少固定窗口搜索林冠顶点时出现的多提和漏提错误;3)小班区域估算株数为339株,实测株数为366株,估算的平均树高为18 m,实测平均树高为19 m,估算蓄积量为182 m3,实测蓄积为199 m3,株数、树高和蓄积量的估算精度均较高。[结论] 借助无人机遥感技术,可实现森林蓄积量自动化估算,降低传统野外调查成本,推动森林资源的快速调查和更新。
林分年龄、造林密度和林分自然稀疏对杉木人工林个体大小分化和生产力关系的影响
杨桂娟,胡海帆,孙洪刚,张建国,段爱国
林业科学. 2019, 55(11):  126-136.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191114
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目的: 研究林分生长过程中个体大小分化规律以及个体分化对林分生产力的影响,为通过培育措施调整改变林分内个体大小分化进而提高林分生产力提供理论依据。方法: 基于5种造林密度(2.0 m×3.0 m、2.0 m×1.5 m、2.0 m×1.0 m、1.0 m×1.5 m和1.0 m×1.0 m)的26年生杉木密度试验林定位观测数据,采用广义线性混合模型研究林分年龄、造林密度和林分自然稀疏对林分个体大小分化的影响以及个体分化与林分生产力的数量关系。结果: Gini系数(个体大小分化)随林分年龄和造林密度增加而增大,林分发生自然稀疏时Gini系数降低,但在林分自然稀疏进程中林分内个体大小分化程度再次增大。造林密度越大,林分生产力越高;林分发生自然稀疏时林分生产力下降,但自然稀疏后生产力增加速度大于自然稀疏前;林分生产力与个体大小分化呈负相关。结论: 随林分年龄和造林密度增加,个体间分化程度增大,林分生产力增加;发生林分自然稀疏时,个体间分化程度降低,林分生产力下降;在随后的林分生长进程中,个体间分化程度不断增大,林分生产力也继续提高。林分自然稀疏可改变林分种内竞争强度,进而改变个体分化和生产力之间关系的轨迹。

基于空间聚类的杉木生长预测方法
张英凯,刘鹏举,刘长春,任怡
林业科学. 2019, 55(11):  137-144.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191115
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目的: 基于空间聚类对杉木分布区进行分组,在不同组内分别建立杉木生长模型,为适用于全国范围的杉木生长高精度预测提供方法。方法: 以杉木分布的16个省区为研究区,基于第七次、第八次全国森林资源连续清查杉木固定样地复测数据和研究区的地形、土壤、气象等环境数据,采用随机森林-递归特征消除(RF-RFE)算法对影响杉木生长的环境因子进行分析。选择对杉木生长影响较大的前8个环境因子,利用ArcGIS 10.2的分组分析功能,根据环境相似性对杉木分布区进行分组,分别建立林分分组和未分组蓄积生长率模型。以全国未分组模型作为参考,采用决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)、平均相对误差(MRE)、系统误差(SE)和剩余标准差(S)对建模结果进行分析。结果: 对杉木生长影响较大的前8个环境因子分别为bio4(温度季节变化标准差)、elevation(海拔)、bio3(等温性)、bio8(最湿季度平均温)、bio1(年均温)、bio14(最干月降水量)、bio12(年均降水量)和bio2(昼夜温差月均值)。将研究区划分为7组时可使组内环境相似性最大、组间环境相似性最小。7组中只有4组有杉木样地数据,在4组中采用2种模型分别建立杉木林分生长率模型,与全国未分组模型相比,分组模型的决定系数提高0.1左右,拟合度更好;分组建模精度也明显提高,RMSE降低0.5左右,MRE降低6%左右,SE降低3%左右,S降低1左右。结论: 根据环境相似性对研究区分组并在此基础上建立生长模型是一种适用于全国范围杉木生长的高精度预测方法,可用于全国区域范围杉木林分生长量的整体预估和森林资源小班数据的模型更新,为实现主要人工林树种的大区域生长预测提供新的方法。

幼龄降香黄檀冠层叶片全磷含量的无损估计
陈珠琳,王雪峰,管青军
林业科学. 2019, 55(11):  145-152.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191116
摘要 ( 72 )   HTML ( 8 )   PDF (3130KB) ( 41 )  
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目的: 以树木图像为数据源,采用图像理解方法估算幼龄降香黄檀单位质量叶片的全磷含量,为林农在施肥时间与数量方面经营该树种提供参考。方法: 首先提出从图像中分割降香黄檀树木冠层的算法;然后构建用于估计叶片全磷含量的统计模型形式和有效图像参数;最后采用混合模型方法,引入随机效应,建立以图像参数为自变量的植物叶片全磷含量预测模型,实现基于图像的叶片全磷含量预测。结果: 由于森林图像的自然属性,林木分类提取成为图像处理中的难点问题,利用林木前景与背景存在颜色差异这一特性,提出简洁的绿率树冠图像提取方法,通过大量图像测试,获知当绿率取0.35~0.42时,能够有效屏蔽背景保留树冠;进一步组合分析图像参数构建养分含量计算模型,确定将标准化灰度值作为指数并用暖距进行调整的二元叶片全磷含量预测模型,该模型能够实现对树冠叶片单位质量全磷含量的较高精度估算;同时,在模型参数估计时引入随机效应,对于各地区土壤条件等存在差异的降香黄檀全磷含量预测表现出较好适应性。结论: 对于与背景存在一定差异的林木图像,绿率是一种很好的树冠图像分割提取方法;在全磷含量预测模型中,双图像参数模型能够有效提高估计精度;对于各地区土壤或环境等存在差异的降香黄檀冠层叶片全磷含量预测,混合效应模型有效融合差异到一个模型中,表现出强大的适应性。

塞罕坝华北落叶松人工林间伐和混交改造对大型土壤动物群落结构的影响
扈梦梅,田龙,吴亚楠,杨晋宇,吕小翠,黄选瑞
林业科学. 2019, 55(11):  153-162.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191117
摘要 ( 102 )   HTML ( 7 )   PDF (1838KB) ( 71 )  
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目的: 比较研究塞罕坝地区华北落叶松人工林间伐和混交改造对大型土壤动物群落组成和多样性的影响,为实现华北落叶松人工林质量精准提升和可持续利用提供理论依据和技术支撑。方法: 以塞罕坝机械林场未经营的华北落叶松人工林(CK)、抚育间伐后的华北落叶松人工林(TH)和引入阔叶树的华北落叶松白桦混交林(M)为对象,于2014年5-9月,利用手拣法调查大型土壤动物群落,研究不同经营措施林分内土壤动物的结构组成、空间分布、多样性和功能群组成的差异及其影响因素。结果: 共获得大型土壤动物55类1 405头,隶属2门4纲12目,优势类群为正蚓目、叶甲科幼虫、象甲科幼虫。总体上,经间伐和混交改造后华北落叶松人工林内大型土壤动物的类群数显著高于未经营的对照林分(P < 0.05),TH内土壤动物密度亦显著高于CK(P < 0.05)。不同经营措施林分大型土壤动物类群数均表现为沿土壤剖面位置上升逐渐增加的趋势,且M和TH凋落物层土壤动物类群数及0~10 cm土层土壤动物密度显著高于CK(P < 0.05)。间伐和混交改造后,土壤动物群落各多样性指数均有提高,其中M的Shannon-Wiener多样性指数(H)显著高于CK(P < 0.05)。各功能群中,植食性土壤动物所占比例(47.19%)最高,其次为腐食性土壤动物(33.31%);捕食性(19类)和植食性(18类)土壤动物的类群数居多;多因素方差分析显示,经营措施、土层和时间均对大型土壤动物功能群组成和结构影响显著(P < 0.05),其中间伐和混交改造均可显著提高植食性土壤动物的类群数。冗余度分析(RDA)显示,凋落物全碳含量(P=0.03)和C/N(P=0.08)对凋落物层大型土壤动物分布影响显著;而土壤含水量(P=0.008)、pH(P=0.012)和土壤密度(P=0.062)对土壤层大型土壤动物分布影响显著。结论: 塞罕坝华北落叶松人工林经间伐和混交改造后,林分结构和微环境的改善可提高大型土壤动物的种类、数量和多样性水平,尤其是部分功能群种类增加可能更有利于凋落物早期的粉碎和分解。

研究简报
广东省木荷碳密度及其不确定性估计
何潇,雷渊才,薛春泉,徐期瑚,李海奎,曹磊
林业科学. 2019, 55(11):  163-171.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191118
摘要 ( 105 )   HTML ( 15 )   PDF (1868KB) ( 96 )  
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目的: 基于实测的广东省木荷地上和地下生物量数据及加权平均含碳率,建立单木地上、地下生物量模型,获得区域尺度木荷碳密度及其估计误差,为其他树种的区域尺度碳汇估计提供参考。方法: 参考广东省木荷分布数据,选择并伐倒90株木荷测定地上部分的含碳率和生物量,并从中抽取40株木荷测定地下部分的含碳率和生物量。分地上、地下部分构建生物量随胸径变化的异速模型,利用非线性回归拟合模型参数。基于广东省第八次森林资源连续清查数据,使用Monte Carlo模拟法分地上、地下部分估计区域尺度上木荷的碳密度。采用决定系数、均方根误差和平均预估误差评价单木生物量模型拟合效果,通过均方根误差和相对均方根误差度量区域碳密度估测的不确定性。结果: 广东省木荷地上部分含碳率为0.554 9,地下部分含碳率为0.548 7;建立的单木地上和地下生物量模型的决定系数分别为0.909 8和0.793 1,表明木荷单木生物量模型具有良好的拟合优度和预估精度;广东省第八次森林资源清查时的木荷地上碳密度为5.80±0.44 t·hm-2,不确定性占比7.62%,地下碳密度为1.73±0.17 t·hm-2,不确定性占比9.76%,总碳密度为7.53±0.54 t·hm-2,不确定性占比7.23%。结论: 广东省木荷地上和地下部分含碳率均大于南方地区的平均水平,有明显的地域特征。使用Monte Carlo方法可得到稳定可靠的区域尺度的碳密度,并可量化广东省木荷碳密度估计的不确定性。

吉林蛟河针阔混交林乔木幼苗存活对密度和生境的响应
孟令君,张春雨,姚杰,赵秀海
林业科学. 2019, 55(11):  172-180.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191119
摘要 ( 96 )   HTML ( 3 )   PDF (1256KB) ( 60 )  
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目的: 探究密度制约和生境过滤在群落、龄级和物种3个水平对幼苗存活的影响及相对重要性,为温带森林幼苗更新与物种多样性维持机制研究提供理论依据。方法: 基于对吉林蛟河针阔混交林209个幼苗监测样站连续3年(2016-2018)的动态监测及光照和土壤条件的测定,运用广义线性混合模型划分零模型、生物模型、生境模型和全模型4个模型,在群落、龄级和物种3个水平分析影响幼苗存活的因素及其相对重要性。结果: 2016-2018年累计调查到乔木幼苗共计3 970株,分属19种10科13属,其中重要值排名前5位的幼苗树种是水曲柳、紫椴、色木槭、红松和东北枫;至调查结束时(2018年9月),幼苗死亡数量共计2 644株,存活率为33.4%;在群落水平上,幼苗存活率与异种幼苗邻体个体数、土壤有效钾和全磷含量均显著正相关(P < 0.05);在龄级水平上,不同年龄幼苗个体的存活对生物邻体和非生物环境因素的响应存在差异,当年生幼苗存活率与同种幼苗邻体密度和异种幼苗邻体密度均显著正相关(P < 0.05;P < 0.01),且与异种大树邻体胸高断面积之和显著负相关(P < 0.05),多年生幼苗存活率与生物邻体变量无显著相关性,而与土壤有效钾和全磷含量等非生物环境因素显著正相关(P < 0.05);在物种水平上,幼苗个体存活的影响因素表现出种间差异,水曲柳幼苗存活率与异种幼苗邻体个体数显著正相关(P < 0.05),色木槭的幼苗存活率与同种大树邻体胸高断面积之和显著负相关(P < 0.05),紫椴幼苗在土壤有效钾含量较高的生境中存活率更高,而红松幼苗偏好有效氮和有效磷含量较低的土壤环境。结论: 密度制约和生境过滤共同影响乔木幼苗存活,但其相对重要性随年龄和树种而变化。当年生幼苗存活主要受邻体的影响,而生境因素对多年生幼苗存活影响更显著。密度制约效应在吉林蛟河针阔混交林群落中得到验证,与土壤养分条件相关联的生境过滤作用对幼苗存活影响显著。在林分更新过程中需综合考虑幼苗个体存活影响因素的种间和龄级差异,在主要树种育苗及林下补植中需结合考虑不同树种偏好的生境因素进行适当管理。

浙江省毛竹竹秆生物量模型
沈钱勇,汤孟平
林业科学. 2019, 55(11):  181-188.  doi:10.11707/j.1001-7488.20191120
摘要 ( 125 )   HTML ( 4 )   PDF (1355KB) ( 68 )  
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目的: 通过样地实测获取毛竹竹秆生物量数据,研建基于不同变量的生物量模型并作比较分析,确定适宜的预测变量及模型,以精准估计毛竹竹秆生物量,为浙江省毛竹林立地质量评价和高效培育提供依据。方法: 从浙江省东、南、西、北、中不同区域选择10个县市采伐216株样竹,并进行样竹测量。引入胸径(D)、竹龄(A)和胸高竹节长(L)变量,利用全部样本信息,基于3个不同异速生长方程拟合竹秆生物量模型。采用似然估计法判定误差结构,确定模型拟合方法。通过3个模型的拟合优度及预估精度的比较分析,确定适用于浙江省的毛竹竹秆生物量模型。结果: 竹秆含水率逐年下降,Ⅴ度竹的平均含水率较Ⅰ度竹低24%;竹秆生物量占地上部分生物量比重逐年增加,且Ⅴ度竹占比超过80%;利用似然估计法分析确定生物量模型误差结构为乘积型,应采用对数转换的线性回归进行模型拟合;经检验,基于胸径的一元模型(M1W=0.104 6D2.257 8确定系数(Ra2)仅为0.774 2,而基于胸径-竹龄的二元模型(M2W=0.052 0D2.205 2A0.445 7和胸径-竹龄-胸高竹节长的三元模型(M3W=0.026 5D2.143 9A0.449 5L0.262 9确定系数均达到0.89,且模型M3的估计值标准差(SEE)和平均系统误差(MSE)均为最小;3个对数回归模型在不同径阶范围的预估精度均较高,预估偏差接近于0,其中模型M3在不同径阶的预估效果均为最佳。结论: 由于模型校正后预估精度有所下降,故本研究在进行对数模型反对数转换时不作校正。二元和三元模型比一元模型具有更高的拟合优度和预估精度,确定基于胸径-竹龄-胸高竹节长的模型M3为最佳模型,即W=0.026 5D2.143 9A0.449 5L0.262 9