基于经验模型和机理模型的杉木人工林生物量估测对比研究

为了揭示间伐干扰下杉木人工林生物量的变化规律,研究利用江西省吉水县石阳林场的36块杉木人工林样地的实测数据和研究区气候数据,通过基于经验的引入地位指数(SI)的生物量生长方程组和基于机理的3-PG模型,模拟并预估林分生物量,分析在间伐和非间伐的情况下,不同立地的林分其生物量0-50a的变化。结果表明:(1)构建了生物量生长方程组,并在参数a、b、c中引入地位指数SI,发现改进后的模型对于基础模型拟合精度更高,且对数似然比检验表明,改进效果显著(P<0.05)。(2)通过对3-PG模型预测精度验证发现,预估值和实测值之间有很高的一致性,各因子的决定系数(R²)在0.65-0.96之间,其中,胸径和树高的R²均高于0.92;各因子的平均相对误差(MRE)不超过26%。(3)通过比较经验模型和机理模型的生物量预测发现,经验模型的预测误差MRE为16.50%,机理模型为23.52%,经验模型预估精度更高。进一步对未来预测对比分析表明,机理模型预估值高于经验模型。(4)两个模型模拟的杉木人工林生物量规律一致,即随着林龄的增加,杉木人工林林分总生物量均表现出先快速增加,后逐渐平稳的趋势;并且间伐不会改变这种趋势,但间伐林分在间伐后的生物量生长速率高于无间伐林分。此外,由于SI对经验模型影响显著,改进模型拟合效果更好,更具有生态学意义。参数化后的3-PG模型模预估精度较高,能够为江西杉木人工林生长规律研究提供依据。虽然经验模型和机理模型在对研究区杉木人工林生物量的预估上均具有较好的表现,但各具特点和局限性。经验模型参数较易获得,且经验模型预测生物量、林分胸高断面积和林分平均树高的R²、MRE均优于机理模型;但模型对于建模数据内的评价效果较好,对于建模数据外的应用具有局限性,即经验模型更适合模拟生长期间的某一阶段的林分生物量。机理模型虽然需要的参数较多,但是考虑了生态学原理,弥补了经验模型的不足,可较好解释和模拟环境因子对树木生长的影响,对校正数据之外生长阶段的林分生物量预测更有优势。     

间伐对杉木人工林碳储量的长期影响

间伐改变了林分环境,影响林木生长及碳储量,准确评估间伐后人工林碳储量变化对碳汇林业的发展具有重要意义.在浙江开化采用下层间伐法,开展了3种间伐处理(对照、中度和强度间伐)对22年生杉木人工林碳储量及其组分分配影响的研究.强度间伐(总间伐强度50%)和中度间伐(总间伐强度35%)均在第7年和第14年进行共计2次间伐,对照在林木生长中期(第14年)进行1次轻度间伐(间伐强度15%).结果表明： 树干碳储量的比例随间伐强度增大而增加,树枝、叶和根碳储量的比例则略有降低,表明间伐有利于树干碳储量的累积.中度和强度间伐处理杉木人工林乔木层碳储量随间伐强度增加而减小,碳储量分别为对照的89.0%和83.1%.第1次间伐后2 a乔木层碳储量显著减少,第2次间伐后8 a,间伐处理乔木层碳储量恢复速率较快,强度间伐乔木层碳储量增量接近对照.林下植被层、凋落物层和土壤层碳储量在不同间伐处理间差异不显著.对照、中度和强度间伐杉木人工林系统总碳储量分别为169.34、156.65和154.37 t·hm^-2,不同间伐处理间差异不显著.可见,试验区杉木人工林间伐15 a后不会导致生态系统总碳储量降低.     

不同间伐强度对杉木人工林碳储量及其分配的影响

间伐改变了林分环境,影响林木生长及碳储量,准确评估不同间伐强度对杉木人工林生物量及碳储量的影响对碳汇林业的发展具有重要意义。2013年,以中国林业科学研究院热带林业实验中心1992年造林并于2005年实施3种不同间伐强度(74%:H、50%:M和34%:L)的杉木人工林为研究对象,样地内每木检尺,实测样木生物量,并结合杉木群落各组分含碳率的实测值,对杉木人工林的生物量和碳储量进行估算,结果表明:H(74%)显著增加了林木的胸径(P0.01),分别比M(50%)、L(34%)和CK(0%)增加了13.65%、20.74%和18.37%。3种间伐强度之间树高差异均不显著,而CK的树高均大于3种间伐强度的树高,分别比H、M和L增加了6.64%、15.73%和16.70%。与对照相比,H显著增加了林木的单株生物量(P0.01)。对照林地乔木层的碳储量均显著高于其他3种间伐强度的乔木层碳储量(P0.05),而乔木层各器官碳储量大小顺序为:树干树枝树根树皮树叶;3种间伐强度和对照处理杉木人工林之间的生态系统碳储量差异性不显著(P0.05),其中乔木层和土壤层为主要碳库,两者所占总的碳储量超过生态系统总的碳储量的97.62%。     

不同间伐强度对南亚热带杉木人工林林下植物功能群的影响

间伐作为我国森林经营的主要措施之一,对提高森林生态系统内部生物多样性起着不可忽视的作用。然而,不同间伐强度对森林林下植物功能群的影响程度尚不明确。以广西凭祥热林中心经过4种不同强度抚育间伐8年后的杉木人工林为研究对象(轻度间伐ST,34%;中度间伐MT,50%;重度间伐HT,74%;不进行间伐的对照,CK),对林下植被及其环境因子进行调查和测定。研究结果表明:不同间伐强度对禾草植物功能群的物种丰富度均无显著影响(P0.05),MT显著增加杂草植物功能群的物种丰富度(P0.05),HT显著提高蕨类植物功能群的物种丰富度(P0.05),ST显著增加木本植物功能群的物种丰富度(P0.05),与CK相比,ST、MT和HT均能显著增加藤本植物功能群的物种丰富度(P0.05);不同间伐强度对禾草和木本植物功能群的重要值均无显著影响(P0.05),但HT显著降低了杂草植物功能群的重要值(P0.05),ST显著降低了蕨类植物功能群的重要值(P0.05),ST显著增加藤本植物功能群的重要值(P0.05)。主成分分析(PCA)表明,ST和HT的林下植物功能群组成和分布与对照组相比均发生了显著的变异。方差分解分析(Variation partitioning analyses)结果显示,林分和土壤因子对林下植物功能群变异的解释率相似,二者在决定杉木人工林林下植物功能群变异中都起着重要作用。     

林分密度对桉树人工林群落结构和物种多样性的影响

采用典型样地法,以四川新津县普兴镇桉树(Eucalyptus robusta)人工林为研究对象,设置5种不同林分密度(A.625株·hm~(-2);B.750株·hm~(-2);C.875株·hm~(-2);D.1 000株·hm~(-2);E.1 125株·hm~(-2))样地各3个,对不同林分密度人工林群落结构和物种多样进行分析,探讨确定桉树人工林的合理栽植密度,为维持桉树人工林群落结构稳定、增加物种多样性提供依据。结果表明:(1)研究区桉树人工林群落共记录到96种植物,隶属于51科79属;在各个林分密度的群落中,植物科属种数量变化规律均为:草本层灌木层乔木层;当密度为1 000株·hm~(-2)时,乔木层物种数最高(6种);当密度为750、875株·hm~(-2)时,灌木层群落物种数最高(17种);在林分密度625株·hm~(-2)下,草本层物种数最高(32种)。(2)桉树人工林群落各层次的丰富度指数D值、Shannnon-Wiener指数H值、Simpson指数H′、Pielou均匀度指数Jsw)值均表现为:草本层灌木层乔木层;乔木层的D值和H′值在875株·hm~(-2)密度下最大,H值在625株·hm~(-2)密度下最大,Jsw)值在750株·hm~(-2)密度下最大;灌、草层各指数分别均在密度750、625株·hm~(-2)时有最大值。(3)从群落结构上看,5种林分密度的群落径级结构均呈单峰型分布,乔木个体多分布在中径级(7.0≤d23.0cm);高度级结构与径级结构对林分密度的响应不一致,密度A、B、C和D、E的个体分别集中在高度级Ⅱ~Ⅴ(6.0≤h18.0m)、Ⅲ~Ⅴ(9.0≤h18.0m)、Ⅱ~Ⅲ(6.0≤h12.0m)和Ⅳ~Ⅴ(12.0≤h18.0 m)。(4)各层次优势种不同,乔木层中桉树是绝对优势树种,各密度林分中构树(Broussonetia papyrifera)的重要值基本仅次于桉树;灌木层中,桉树幼苗只在密度E出现,构树在各密度下优势地位显著,在密度B~D中,均有八角枫(Alangium chinense)和女贞(Ligustrum lucidum)存在,并在密度B下八角枫(0.118 4)和女贞(0.183 2)长势较好,具有较大的更新潜力;青蒿(Artemisia carvifolia)和荩草(Arthraxon hispidus)作为草本层的优势种在5种林分密度下都有生长。研究认为,林分密度750株·hm~(-2)(密度B)是新津桉树人工林的最适林分密度,该密度更有利于该地区桉树人工林群落结构和物种多样性的稳定可持续发展。     

抚育间伐对蒙古栎次生林生长的影响

科学合理的抚育间伐措施是实现天然次生林稳定、高效、可持续经营的必然要求。以辽宁白石砬子国家级自然保护区萌生蒙古栎次生林为研究对象,设置幼龄林(15年生)和中龄林(35年生)两组抚育间伐试验区,利用两组试验区伐后8a和26a的长期连续测定数据,比较分析了不同抚育间伐强度对林分生长及结构的影响。结果表明,蒙古栎次生林幼龄林阶段经轻度、中度、强度间伐8a后,林分平均胸径及定期生长量与对照相比均有极显著差异,平均胸径分别比对照高2.1、1.3和2 cm;不同间伐强度对林分蓄积增长量影响不大,轻度、中度和强度间伐12 cm以上径阶蓄积定期生长量累计分别是对照的0.97、1.03和1.21倍。中龄林阶段,轻度、中度、强度间伐26a后林分平均胸径分别比对照高0.3、1.7和5.1 cm,强度间伐能显著提高林分平均胸径生长量;间伐能显著提高林分蓄积定期生长量累计及定期生长量,轻度、中度和强度间伐12 cm以上径阶蓄积定期生长量累计分别是对照的1.97、1.65和1.63倍;轻度、强度间伐林分胸径呈单峰右偏山状分布,大径阶树木占绝对优势,而中度间伐、对照林分胸径呈单峰左偏山状分布。综合分析不同林龄阶段不同强度抚育间伐措施对林分生长状况的影响,可以得出蒙古栎天然次生林高效经营技术为幼龄阶段时采用轻度、中度、强度间伐均可,在中龄林时宜采用强度间伐(保留密度1600株/hm2)。     

杉木人工林林分叶面积动态变化规律

叶面积与树木生长密切相关,是量化树木潜在生产能力的重要因子,其动态变化直接驱动林木生长的变化,但目前学者们对于林分叶面积动态变化规律却持有不同的观点。以亚热带不同气候区杉木人工林为研究对象,基于54个样地,共144株解析木的数据,采用6种生长方程通过非线性混合效应模型分别构建杉木单木叶面积模型和林分密度模型,将二者相乘得到林分叶面积动态变化模型,进而探究其动态变化规律。结果表明,以样地作为随机效应因子,考虑Logistic方程a参数上的随机效应,同时不考虑异方差结构的混合模型(样地水平)作为单木叶面积的最优模型;以地区作为随机效应因子,考虑Logistic方程a参数上的随机效应,同时不考虑异方差结构的混合模型(总体平均水平)作为林分密度的最优模型;林分叶面积动态变化呈单峰形式,幼龄阶段增长较快,达到峰值后迅速下降,之后下降幅度减少。本研究在考虑林分自然稀疏的前提下从生长模型的角度证明了杉木林分叶面积动态变化呈单峰型,而非达到顶峰后保持不变,同时也表明林分叶面积达到顶峰后下降是由于林分密度的降低引起的。研究结果对于合理经营不同气候梯度的杉木人工林具有重要意义。     

杉木人工林林下植物多样性及其环境对不同间伐强度的短期响应

以江西省官山林场的杉木人工林为研究对象,探究不同间伐强度（0%、20%、40%）物种多样性、地上生物量、林分光环境和土壤理化性质及其之间的相关性。结果表明：（1）林下物种数量随间伐强度的增加而增加,林下灌木层优势种不断变化,而草本层一直不变。（2）林下植物各多样性指数均随间伐强度的增大而增大,除Margalef指数外,其余各指数均在间伐40%与未间伐间呈显著差异。（3）灌木层地上生物量占总生物量的主体,且随间伐强度的增大而增大,不同间伐强度间差异显著,而草本层却呈相反趋势。（4）叶面积指数随间伐强度的增加而下降,冠层开度、林下直射光、散射光、总光照随之上升,但仅在间伐40%后显著。（5）土壤全氮含量间伐后显著上升,但土壤磷、钾、有机质含量均显著下降（6）灌木层多样性指数与灌木层地上生物量、土壤全氮呈显著正相关,与草本层地上生物量、速效磷、全钾含量呈显著负相关。草本层多样性指数与冠层开度、林下直射光、林下散射光、林下总光照呈显著正相关,与草本层地上生物量、叶面积指数呈显著负相关。总之,林下植物地上生物量、土壤化学性质是影响灌木层多样性指数变化的主要控制因子,林分光环境是影响草本层的主要控制因子。就本研究3种间伐强度而言,该地杉木人工林的最适宜间伐强度为40%。     

间伐强度对杉木—火力楠混交林生长影响的研究初报

对杉木－火力楠混交林进行４种间伐强度试验表明,间伐６年后各林分的杉木、火力楠胸径净生长量比对照分别增加７０－１３９、１１－２５％,树高增加４６－９０、７－１０％,材积生长增加５４－１４０、１０－４３％,林分蓄积量增加４９－７５ｍ＾３．ｈａ＾－１,平均冠高增加２－６、８－１３％,第１活枝高下降０．５－３、３５－４８％,冠幅杉木下降１－２％、火力楠增加１－８％,可以认为,以间伐强度为３０和４０％２种方     

林分因子对云顶山不同人工林林下植物多样性的影响

该研究采用典型抽样法,以成都云顶山5种人工林——柏木 枫杨林(BF)、银杏 楠木林(YN)、光皮梾木 香樟林(GZ)、枫杨 桤木林(FQ)、柏木林(CB)为研究对象,分析不同人工林的林下植物组成与多样性特征,并确定影响林下植物多样性的主导林分因子,为当地人工林经营管理提供理论依据。结果表明：(1)研究区共记录林下植物168种,隶属于62科130属;5种人工林灌木层与草本层的科属种数均以GZ最多。(2)5种不同人工林灌木层与草本层的优势种数分别为7、4、7、6、4种和5、4、9、9、10种,数量都较少。(3)5种人工林的Shannon Wiener多样性指数(H)、Simpson优势度指数(H′)、物种丰富度指数(D)、Pielou均匀度指数(J_sw) 均基本表现为草本层>灌木层,BF、GZ灌木层的D略高;灌木层的H、H′、D值均以GZ最大,但不同人工林的J_sw差异不显著;草本层的H、H′、D、J_sw均基本呈现CB>FQ>GZ>BF>YN趋势,GZ的D值略高于FQ。(4)6个林分因子对灌木层4个物种多样性指数的影响均无显著差异;林分平均树高、平均枝下高、平均胸径、平均冠幅和林分密度是影响草本层H、D的主要因子,但各林分因子对草本层H′、J_sw的影响差异不显著。研究认为,林分结构对林下草本层物种多样性的影响更大,平均树高、平均枝下高、平均胸径、平均冠幅、林分密度对草本层多样性有显著影响。     

杉木人工林自然衰老叶和绿色叶凋落物分解对间伐强度和施肥的响应

凋落物分解是森林生态系统能量流动与养分循环的重要过程.叶凋落物包括自然衰老叶凋落物(SL)和绿色叶凋落物(GL),但针对自然衰老和绿色叶凋落物分解速率和养分释放对人工林间伐强度和施肥措施的响应是否存在差异性尚不清楚.因此,本研究以亚热带13年生杉木(Cunninghamia lanceolata(Lamb.)Hook)...     

不同间伐强度的杉木林生长比较试验

对11年生同一坡面杉木林分设立不间伐（CK）和间伐强度30%、45%、60%四个处理,调查不同间伐强度的林木树高、胸径、材积生长状况。试验表明,间伐6年后实施间伐的林分单株树高、胸径、材积的增长量分别比对照高出5.7%～37.1%、12.5%～112.5%和15.0%～129.8%;其中,间伐强度60%林分树高、胸径的增长最为显著,其次为45%间伐强度。但林分总蓄积量增加最多的是对照小区。间伐强度对培育不同径阶的杉木材有重要影响。     

人为干扰（间伐）对红松人工林林下植物多样性的影响

根据对辽宁东部地区红松人工林林下高等维管植物调查资料,采用Simpson指数（SP）,Shannon-Wiener指数（SW）和Pielou均匀度指数（PI）等进行α多样性测度分析,探讨人为干扰（不同间伐强度）对红松人工林下植物多样性的影响。结果表明：人为干扰改变林下光照环境,促进植物生长,对红松人工林下高等维管植物的物种多样性产生较大影响。随着干扰（间伐）强度增加,红松人工林下植物种类、数量明显增加;不同干扰强度区林下植物种类高于对照区200％～400％;不同干扰强度红松人工林下植物种类的丰富度和多样性明显高于对照区;人为经营干扰改变了红松人工林下植物组成,随干扰强度增加．共有物种增加．且人为干扰林分的共有种和相似系数明显高于对照区。     

林木生长与养分动态模型研究：Ⅳ.杉木林分断面积方程

基于杉木胸径生长方程Ｄ＝Ｄｍｔ（（Ｋ＋ｔ）本文进一步提高林分断面积的动态方程：Ｇ＝Ｇｍ「ｔ／（Ｋ＋Ｔ）＾２」,新方程表达形式简单,基本参数生物意义确切,应用精确度高,能够反映杉木林分断面积随林分年龄增长的变化规律。     

林木个体大小不一致性指标对人工林间伐方式的即时性响应

以广西14年生杉木和马尾松人工林为对象,设同一疏伐强度的下层疏伐、上层疏伐、机械疏伐和干扰树间伐4种处理,分别用标准差、变异系数、偏度、Gini系数、库兹涅茨系数和洛伦茨不对称系数6种指标对4种间伐方式下采伐前后林木个体大小差异进行评价.结果表明: 与间伐前相比,马尾松和杉木人工林下层疏伐或上层疏伐后,林木个体材积的标准差、变异系数、Gini系数和库兹涅茨系数均变小,偏度变大;干扰树间伐后标准差、变异系数、Gini系数和库兹涅茨系数均变大,偏度则不一定.马尾松林和杉木林下层疏伐后洛伦茨不对称系数变大,上层疏伐或干扰树间伐后则变小.机械疏伐后各指标无明显变化规律.干扰树间伐后林木个体大小差异性增加,上层疏伐和下层疏伐后林木个体大小差异性减小.洛伦茨曲线、Gini系数和洛伦茨不对称系数均能较好地反映林木个体大小不一致性,可以进行不同林分间个体差异程度静态和动态比较,较好地反映不同间伐方式引起的林木个体差异.洛伦茨不对称系数可以判断林木个体大小不一致性的来源是大树还是小树.近自然森林经营中干扰树间伐措施可以在减小目标树竞争压力的同时拉大林木个体大小差距,有助于保持目标树在林分中的优势地位.
     

海拔高度对江油地区杉木人工林群落结构和物种多样性的影响

物种多样性是群落功能复杂性和稳定性的重要量度指标,海拔高度是影响物种多样性的重要因素。该实验采用典型样地法,在800~900m(低海拔)和1 100~1 200m(高海拔)2个海拔高度分别取4个20m×20m的样地,对江油地区的杉木人工林群落结构和物种多样性进行研究,采用物种丰富度指数(D)、Shannon-Wienner多样性指数(H)、Simpson优势度指数(H′)和均匀度指数(Jsw)来综合衡量不同海拔杉木人工林群落的物种多样性。结果表明:(1)组成江油杉木人工林的物种共计205种,分属66科177属;低海拔地区乔木7种,灌木54种,草本47种;高海拔地区乔木10种,灌木60种,草本41种。(2)低海拔和高海拔的木本植物组成无明显差异,草本层的物种组成有明显差异。(3)群落各层次的物种多样性指数在低海拔和高海拔都表现为:灌木层草本层乔木层,乔木层的各项指数最低;物种多样性指数随海拔升高在特定区间内表现出一定规律性,D、H和Jsw值总体上呈高海拔低海拔,H′则相反,表明高海拔杉木人工林物种多样性和物种在群落中分布的均匀度都有增加的趋势,这与高海拔受人为干扰较轻以及环境因子的变化等密切相关。     

抚育间伐对人工林土壤肥力的影响

研究了杉木、马尾松、建柏、柳杉和木荷人工林的抚育间伐对林分土壤肥力的影响.结果表明,杉木、马尾松、建柏、柳杉、木荷间伐后降低了林分的郁闭度.改变了林内的生境条件,促进了林下乡土植被的生长和繁衍,林下植被覆盖度、植被生物量和物种丰富度有了较大幅度的增加,间伐的强度越大.增加的幅度也越大.与不间伐林分相比,各间伐林分两年后土壤微生物数量增加、酶活性增强、土壤容重降低、总孔隙度和速效养分提高,土壤肥力得到了改善和提高.间伐后林分土壤肥力得到提高的实质在于:间伐后林下植被生物多样性的提高诱发了土壤微生物多样性和数量的提高,并由此而增强了土壤的生物活性,加速了土壤养分的循环.     

基于自稀疏理论的杉木人工林密度指标研究

量化林分密度是精准林业实现的基础。选择合适的林分密度指标用于杉木人工林的模拟和预测研究。基于同一套数据构建3个林分密度指标,根据这些指标的理论分析和动态变化规律进行选优。理论上,Reneike林分密度指数(SDI)和Curtis相对密度(RD)可互相转换,SDI可作为Nilson密度(SD)指标的特例;杉木人工林分的实证结果表明,SD指标的动态变化规律优于传统的SDI和RD密度,更能反映林分的生长规律;而且具有与立地质量不相关的比较优势。Nilson密度指标可用来模拟和预测杉木人工林的生长和收获。     

不同林分密度杉木林养分积累与垂直空间分配

在对1800、3000和4500株hm-23种密度杉木林生长调查及生物量测定的基础上,测定3种密度杉木林各组分养分含量和养分积累量,研究其地上部分养分积累量的垂直空间分配,为杉木林高效培育提供科学依据.结果 表明:1800、3000和4500株·hm-2杉木林养分积累总量分别为1311.57、2531.55和2307....     

不同林地清理方式对杉木人工林生态系统的影响

在杉木中心产区福建尤溪建立径流场,进行不同林地清理方式对杉木人工生态系统影响的６ａ定位研究结果表明：炼山清理迹地导致林地严重的水土流失,炼山后的６ａ中要地的水、土、肥人分别达８７６７．３２ｍ＾３／ｈｍ＾２、３８．００ｔ／ｈｍ＾２、５２３．１６ｋｇ／ｈｍ＾２,分别是不炼山林地的３．１０、１９．７０、６．１０倍。两种清理方式林地流失量差异随时间推移逐年缩小,于第６年趋于一致,炼山具有短期激效效应,经雨