典型中亞熱帶天然闊葉林林層特征及蓄積估計研究

莊崇洋，黃清麟*，馬志波，2，鄭群瑞，王 宏

(1.中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所，國家林業(yè)局林業(yè)遙感與信息技術(shù)重點實驗室，北京 100091；2.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，北京 100091；3. 建甌萬木林省級自然保護區(qū)管理處，福建 建甌 353105)

典型中亞熱帶天然闊葉林林層特征及蓄積估計研究

莊崇洋1，黃清麟1*，馬志波1，2，鄭群瑞3，王 宏1

(1.中國林業(yè)科學研究院資源信息研究所，國家林業(yè)局林業(yè)遙感與信息技術(shù)重點實驗室，北京 100091；2.中國林業(yè)科學研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護研究所，北京 100091；3. 建甌萬木林省級自然保護區(qū)管理處，福建 建甌 353105)

[目的]研究典型中亞熱帶天然闊葉林各林層(包括全林分和各亞層)主要測樹因子的特征，特別是各林層樹高和蓄積的關(guān)系，探討中亞熱帶天然闊葉林蓄積的估計方法。[方法]通過計算各林層林分平均胸徑、平均高、標準差、變異系數(shù)等指標，分析各亞層株數(shù)和蓄積占全林分的比重，采用亞層平均高Hs和亞層中值高Hz代替林木樹高H計算林分蓄積，并對結(jié)果進行相對誤差和方差分析檢驗。[結(jié)果]表明，與全林分相比，分層后各亞層胸徑和樹高的變異系數(shù)明顯變小，各亞層之間胸徑的變異系數(shù)隨亞層高度的增加而減小，而第Ⅰ、Ⅱ亞層樹高的變異系數(shù)基本一致，小于第Ⅲ亞層。第Ⅰ、Ⅱ亞層的株數(shù)占全林分的20%～30%，蓄積卻占全林分的90%以上。相對誤差結(jié)果表明3種方法計算林分蓄積時全林分、第Ⅰ亞層和第Ⅱ亞層誤差均在5%以內(nèi)，第Ⅲ亞層在10%以內(nèi)，方差分析結(jié)果表明3種方法算出各林層的蓄積差異p值均大于0.05。[結(jié)論]在典型中亞熱帶天然闊葉林中，受光層(第Ⅰ、Ⅱ亞層)的蓄積占絕對優(yōu)勢，是外業(yè)調(diào)查的重點。亞層平均高Hs和亞層中值高Hz代替林木樹高H計算林分蓄積計算方法的誤差總體上符合生產(chǎn)實踐中精度的要求，方差分析得出3種方法計算得到的結(jié)果沒有顯著差異，表明在典型中亞熱帶天然闊葉林中采用亞層平均高Hs和亞層中值高Hz代替林木樹高H計算林分蓄積，可在滿足精度的同時提高工作效率。

中亞熱帶；典型天然闊葉林；分層；主要測樹因子；蓄積估計

林分中所有活立木材積之和稱為林分蓄積[1]。蓄積是森林資源調(diào)查的重要因子，林分蓄積與林分中林木的胸徑、樹高、株數(shù)密切相關(guān)，準確測量林分蓄積對了解林分狀況、制定營林措施、預(yù)測生長收獲等方面有重要的意義和作用。蓄積的測算主要有標準木[2-3]、數(shù)表法[4-6]、模型法(包括單木模型和全林分模型)[7-9]、遙感方法[10-12]、3S技術(shù)方法[13]，蓄積估算的重點在于林木樹高的確定，現(xiàn)有的蓄積估算方法對于樹高的確定較為繁瑣，如何快速、準確的測定天然林蓄積一直是林業(yè)調(diào)查的重點和難點，分林層研究天然林各林層特征的文獻較少[14]，本文在分林層(包括全林分和各亞層)的基礎(chǔ)上，討論主要測樹因子的特征，特別是各林層樹高和蓄積的關(guān)系，探討劃分林層對林分樹高測量和蓄積估計的作用。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)調(diào)查

根據(jù)中亞熱帶天然闊葉林理想結(jié)構(gòu)的標準[15]，在全面踏查基礎(chǔ)上，在建甌萬木林省級自然保護區(qū)內(nèi)較平坦的地段中選擇最典型的中亞熱帶天然闊葉林作為試驗林分，共設(shè)置5塊50 m×50 m的樣地。對樣地內(nèi)胸徑≥5.0 cm的林木進行定位并調(diào)查林木的樹種、胸徑、樹高和林層歸屬等因子[16]。

1.2 研究方法

研究方法包括劃分林層的最大受光面法(Maximum Light Receiving Plane，MLRP)，計算各林層的平均胸徑，平均高、胸徑和樹高的標準差和變異系數(shù)等測樹因子，選擇亞層平均高和亞層中值高代替林木樹高計算林分蓄積，并采用相對誤差和方差分析驗證新蓄積求法是否可行。

1.2.1 最大受光面 采用最大受光面法(MLRP)進行典型中亞熱帶天然闊葉林林層劃分，確定林分所有林木所屬林層，在此基礎(chǔ)上進行相關(guān)的林層特征分析[16]。

1.2.2 其他指標 林木蓄積由福建省主要樹種的二元材積表計算得到，平均胸徑為林分平均胸徑，平均高為斷面積加權(quán)平均高。

胸徑和樹高的標準差公式為

(1)

變異系數(shù)，公式為

(2)

Shannon-Winener指數(shù)：

(3)

上式中，SW表示Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，S表示物種數(shù)量，ni表示某一物種的個體數(shù)，N表示全部物種的個數(shù)，Pi表示第i個種個體數(shù)量的百分數(shù)。

2 結(jié)果分析

2.1 各林層主要測樹因子

計算全林分及各亞層胸徑和樹高的變動系數(shù)，各林層占全林分的株數(shù)比例和蓄積比例，結(jié)果如表1，2，3所示。

表1 各林層平均胸徑

從表1中可以看出，不同標準地全林分平均胸徑的差距較小，2號標準地最大為26.1 cm，1號標準地最小為21.3 cm，相差不超過5 cm；標準地全林分平均胸徑的標準差在15.0～19.9 cm之間，彼此相差較小，說明各標準地胸徑的波動情況也較為接近；標準地全林分胸徑的變異系數(shù)均在70%以上，這說明在復(fù)層混交林中，胸徑跨度較大，離散程度較高。

從亞層角度看，標準地在分層之后各亞層的平均胸徑與亞層高度成正比，第Ⅰ亞層的高度最高，其平均直徑也最大，不同標準地第Ⅰ亞層平均胸徑的差異較大，最大的2號標準地和最小的1號標準地之間的差距超過20 cm，說明雖然整體平均胸徑差不多的林分優(yōu)勢木差異還是很顯著的；第Ⅰ亞層平均胸徑的標準差數(shù)值與全林分相對變化不大，但由于第Ⅰ亞層平均胸徑較大所以其變異系數(shù)相對全林分是較小的，處于27%～34%之間，說明第Ⅰ亞層的胸徑變化范圍較小。

第Ⅱ亞層的高度次高，其平均直徑也僅低于第Ⅰ亞層，第Ⅱ亞層平均胸徑的差距較小，最大的3號標準地與最小的1號標準地之間相差10 cm。第Ⅱ亞層的平均胸徑與林分整體平均胸徑較為接近，最大差距同樣為10 cm(3號標準地)，最小差距為0.6 cm(1號標準地)。第Ⅱ亞層平均胸徑標準差在6.3～12.1 cm之間，其變異系數(shù)在29%～46%之間。雖然第Ⅱ亞層的平均直徑與全林分差不多，但第Ⅱ亞層的標準差和變異系數(shù)都顯著小于全林分，總體上略大于第Ⅰ亞層，說明第Ⅱ亞層的胸徑相對集中，但與第Ⅰ亞層比離散較高。

第Ⅲ亞層的樹高最低，平均胸徑較小，各標準地間的差距較小，最大的11.0 cm(2號標準地)與最小的9.4 cm(1號標準地和5號標準地)相差為1.6 cm。其標準差在3.2～5.2 cm之間，變異系數(shù)在34%～48%之間。第Ⅲ亞層的變異系數(shù)較全林分小，比第Ⅰ亞層大，也略大于第Ⅱ亞層，是所有亞層中林木胸徑分化最大的林層。

在典型的天然闊葉林中，全林分的平均胸徑的變異系數(shù)要遠大于各個亞層，各個亞層的變異系數(shù)隨平均胸徑的降低有增大的趨勢，但相鄰亞層間的增加不明顯。同一標準地內(nèi)3個亞層的胸徑變異系數(shù)差別不是很大，這是因為林層的劃分基礎(chǔ)是樹高，而在復(fù)層異齡林中樹種數(shù)量較多，具有較為多樣的生物學特性，不同樹種的生長策略不同，可能出現(xiàn)有的林木有較小的胸徑卻有較高的樹高、有的林木有較大的胸徑卻有較小樹高的情況。

表2 各林層平均高

從2表中可以看出，不同標準地間的平均樹高具有一定差異，最高的是2號標準地(28.06 m)，最低的是3號標準地(24.10 m)，兩者之間相差不到4 m；標準地全林分平均樹高的標準差在12.62～15.94 cm之間(最小的是3號標準地，最大的是2號標準地)，標準地全林分平均樹高的變異系數(shù)均在50%以上，這說明在復(fù)層混交林中，樹高離散程度較高，在同一標準地內(nèi)，較大樹高的差異是劃分林層的基礎(chǔ)。

從亞層角度看，不同標準地第Ⅰ亞層平均樹高的差異較大，最大的2號標準地達到33.68 m，最小的4號標準地只有27.91 m；第Ⅰ亞層平均樹高的標準差數(shù)值與全林分平均樹高比顯著減小，處于3.97～4.12 m之間，其變異系數(shù)相對全林分是顯著減小，處于10%～12%之間，說明第Ⅰ亞層的林木樹高高度相對集中，變化范圍較小。

第Ⅱ亞層中平均樹高處于19.06～21.56 m之間，最大的是5號標準地與最小的1號標準地之間相差2.5 m。第Ⅱ亞層平均樹高標準差在1.37～2.60 m之間，變異系數(shù)在7%～12%之間，第Ⅱ亞層和第Ⅰ亞層平均樹高的變異系數(shù)基本相同，說明第Ⅱ亞層林木樹高高度與第Ⅰ亞層一樣相對集中。

第Ⅲ亞層的樹高最低，各標準地間的差距較小，最大的12.39 m(3號標準地和4號標準地)與最小的11.28 m(5號標準地)相差為1.11 m。其標準差在3.43～4.02 m之間，變異系數(shù)在30%～32%之間，其變異系數(shù)較全林分小，比第Ⅰ亞層和第Ⅱ亞層大。第Ⅲ亞層是所有亞層中林木樹高分化最大的林層。

本次林層劃分是以樹高為基礎(chǔ)進行的，從5塊標準地各林層(包括全林分和各亞層)樹高的平均值、標準差和變異系數(shù)可以看出，各林層平均值差異顯著，分層后各亞層的標準差和變異系數(shù)相較于全林分有顯著的降低，特別是第Ⅰ亞層和第Ⅱ亞層，分層后這兩個亞層的樹高變動系數(shù)只有全林分的1/5，第Ⅲ亞層的變動系數(shù)雖然較第Ⅰ、Ⅱ亞層高，但也明顯低于全林分的變動系數(shù)。第Ⅲ亞層平均樹高變異系數(shù)較高的原因是第Ⅲ亞層林木數(shù)量較多，分化相對第Ⅰ、Ⅱ亞層更為嚴重。

表3 各林層株數(shù)和蓄積

從表3中可以看出，所有標準地的第Ⅰ亞層的株數(shù)占全林分的比例為9%～20%(最小的是3號標準地，最大的是4號標準地)，而蓄積卻占全林分的62%～83%(最小的是3號標準地，最大的是4號標準地)；第Ⅱ亞層株數(shù)占全林分的9%～21%(最小的是4號標準地，最大的是2號標準地)，蓄積最小的4號標準地只有9%，最大的3號標準地達到28%，這與各亞層中林木基本情況相一致，4號標準地第Ⅱ亞層的株數(shù)只占全林分的7%，而3號標準地雖然株數(shù)所占的比例不是最大，但平均胸徑達到31.9 cm，說明該標準地內(nèi)第Ⅱ亞層的林木較大。第Ⅰ亞層與第Ⅱ亞層的蓄積之和占到全林分的90%以上，株數(shù)只占全林分的30%不到，而第Ⅲ亞層的株數(shù)占全林分的70%左右，蓄積所占比例均在10%以下(如圖1所示)。因此，在測定林分蓄積量時，應(yīng)把重心放到第Ⅰ亞層和第Ⅱ亞層，準確測定這兩個亞層的蓄積量是準確測定全林分蓄積量的關(guān)鍵。

2.2 林分蓄積估算和樹高測量探討

通過對標準地中各亞層林層特征的分析可知，第Ⅰ亞層和第Ⅱ亞層的樹高變動系數(shù)較小，樹高相對集中，株數(shù)較少，而蓄積量總和占到全林分的90%，所以準確測定這兩個亞層的蓄積是準確測定全林分蓄積的關(guān)鍵。根據(jù)這兩個亞層樹高變異較小的特點，本研究嘗試采用亞層平均高Hs代替單株木樹高計算每株林木的單木材積，進而求出全林分蓄積。即對于每個亞層采用Hs代替林木樹高與胸徑采用二元材積式計算每個亞層內(nèi)單株木的材積，然后以亞層為單位進行統(tǒng)計得到每個亞層的蓄積量，最后匯總為全林分的蓄積量。用Hs和林木的胸徑采用二元材積公式計算各亞層蓄積的結(jié)果如表4所示。

圖1 受光層和非受光層株數(shù)、蓄積比例Fig.1 The Proportion of Stems and Volume of Light Stratum and Non-light Stratum

表4 亞層平均高(Hs)計算的各亞層蓄積

從表4中可以看出，由Hs得出的蓄積Vs與由H得出的蓄積V間的差異很小，假設(shè)V為真值，Vs為測量值，其相對誤差均為5%，滿足林業(yè)相關(guān)調(diào)查的精度要求。在外業(yè)中，在林層劃分后可根據(jù)各個亞層的實地情況選擇標準木，準確測定其樹高后推算各亞層的平均高，然后推算各亞層的蓄積。

通過對林分優(yōu)勢高，各亞層下限值的分析發(fā)現(xiàn)，第Ⅰ亞層的平均高HⅠs與林分優(yōu)勢高Hd(林分最高林木的高度)和第Ⅰ亞層下限HⅠL的算術(shù)平均值接近，第Ⅱ亞層的平均高HⅡs與第Ⅰ亞層下限值HⅠL和第Ⅱ亞層下限值HⅡL(最大受光面高度)的算術(shù)平均值接近，第Ⅲ亞層的平均值是第Ⅱ亞層下限值HⅡL的2/3很接近。通過采用亞層中值高代替林木樹高計算亞層蓄積發(fā)現(xiàn)其第Ⅰ亞層第Ⅱ亞層的相對誤差在5%以內(nèi)，第Ⅲ亞層的相對誤差在10%以內(nèi)，結(jié)果見表5。這便于外業(yè)中的經(jīng)驗判斷，在得出林分中各個亞層的分界線后，可以用這個經(jīng)驗判斷大致了解林分的蓄積狀況。

任何一種歷史事件的精神凝練都是基于對歷史本來的精準概括與還原，從該事件的歷史定位、歷史緣起、歷史遺存去衡量，放到歷史事件所處的特定的社會歷史條件和社會形態(tài)中去分析。1948年11月6日至1949年1月10日，中國人民解放軍華東野戰(zhàn)軍、中原野戰(zhàn)軍在以徐州為中心的淮海地區(qū)和國民黨軍隊進行了戰(zhàn)爭史上有名的淮海戰(zhàn)役，人民解放軍奮戰(zhàn)65天，以60萬人民解放軍的兵力戰(zhàn)勝80萬裝備精良、號稱“王牌”的國民黨軍，成為以少勝多的經(jīng)典戰(zhàn)例，“創(chuàng)造了中國戰(zhàn)爭史上的奇跡”[2]381。淮海戰(zhàn)役與遼沈戰(zhàn)役、平津戰(zhàn)役共同稱為偉大的“三大”戰(zhàn)略決勝戰(zhàn)役。

表5 亞層中值(Hz)算出的各亞層蓄積和相對誤差

為進一步說明這3種方法之間是否存在顯著差異，采用單因素方差分析對3種方法得出的各林層蓄積之間的差異性進行分析,結(jié)果如表6。

表6 方差齊性檢驗

從表6中可以看出，在給定顯著度α=0.05的前提條件下，林層(包括全林分和各亞層)顯著度p為0.996，0.991，0.987，0.817，均大于顯著度0.05，說明分析對象通過方差齊性檢驗，可對其進行方差分析，具體結(jié)果如表7所示。

從表7中可以看出，3種方法計算的蓄積的組間誤差非常小，主要來源為組內(nèi)誤差，說明這3種方法之間的差異很小，從顯著度來看，在給定顯著水平α=0.05的條件下，各林層(包括全林分和各亞層)的顯著性p為1，0.999，1，0.761，均大于0.05，故結(jié)果接受原假設(shè)，說明這3種計算的蓄積結(jié)果沒有顯著差異。

表7 單因素方差分析

3 討論

全林分平均胸徑的標準差和變異系數(shù)都比較大，劃分林層之后，各亞層平均胸徑的標準差和變異系數(shù)都有顯著的降低。各亞層之間隨著亞層平均直徑的降低，其標準差和變異系數(shù)都略有增加，但差異不大，這是因為分層的基礎(chǔ)是樹高的差異，在天然闊葉林中，樹種較多，具有較為多樣的生物學特性，樹高胸徑關(guān)系遠比同齡林復(fù)雜。全林分平均高的標準差和變異系數(shù)同樣顯著大于各亞層，而在劃分亞層后，第Ⅰ、Ⅱ亞層平均樹高的變異系數(shù)相差不大并且小于第Ⅲ亞層。

在天然林中，由于樹高關(guān)系遠比同齡林復(fù)雜，在實踐中如果采用徑階平均高法來繪制樹高曲線，可能會有較大的誤差，從而導(dǎo)致對林分蓄積估計的較大誤差。在劃分林層后，采用各亞層平均高或中值高的方法來計算蓄積，則可以回避天然林中的樹高曲線關(guān)系，提高林分蓄積測量精度。同時又因受光層中林木數(shù)量較少，樹高變異系數(shù)較低，可較為快速的確定各亞層的平均高和中值高，在滿足調(diào)查精度的同時提高工作效率。

從測算蓄積的角度講，亞層平均高可以很好地代替樹高曲線的功能，樹高曲線最重要的作用之一便是估算林分的蓄積，而在天然闊葉林中，第Ⅰ、Ⅱ亞層樹高直徑之間沒有明顯的分布規(guī)律，很難用模型來推算不同胸徑林木的樹高，在劃分亞層后，第Ⅰ、Ⅱ亞層樹高的變異系數(shù)較小，說明這兩個亞層的樹高相對集中，通過誤差分析和方差檢驗證明采用林層平均高和亞層中值高代替林木高求蓄積是可行的。因此，作為一種選擇，可采用亞層平均高來代替樹高曲線求天然闊葉林的蓄積，這樣即可簡化天然闊葉林中樹高的調(diào)查和林分蓄積的測算。

采用各亞層平均高和中值高估計林分蓄積的在結(jié)果上與采用二元材積法得出的結(jié)果是沒有差異的，采用亞層平均高或亞層中值代替林木平均高計算單木材積進而求全林分的蓄積是可行的，這將在很大程度上簡化天然闊葉林蓄積的調(diào)查，天然闊葉林蓄積的調(diào)查是一個難點，原因在于天然闊葉林不僅樹種多，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以獲得樹高的準確值，對林分蓄積的估計有較大的影響，而在劃分亞層后，由于上層林木樹高變動系數(shù)較小，株數(shù)較少，蓄積占比較大，如果這部分的蓄積能夠準確測定，那么全林分的蓄積精度就能達到要求。

4 結(jié)論

在典型中亞熱帶天然闊葉林中，受光層(包括第Ⅰ亞層和第Ⅱ亞層)的蓄積占全林分的大部分，是全林分蓄積的重點，且株數(shù)較少，變異系數(shù)較小，是測算全林分蓄積的重點。非受光層(第Ⅲ亞層)中樹高變異系數(shù)較大，林木株數(shù)較多，但蓄積比例較低，對全林分蓄積的影響較小。

本研究嘗試采用亞層平均高Hs和亞層中值Hz代替林木樹高H測算林分蓄積，得出的林分蓄積相對誤差上(以林木高的蓄積為真值)都較小，且總體上滿足外業(yè)調(diào)查的精度需求，說明采用亞層平均高Hs和亞層中值Hz代替林木樹高H測算林分蓄積的方法是可行的，可在滿足精度要求的前提下提高工作效率。

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[16] 莊崇洋,黃清麟,馬志波,等.典型中亞熱帶天然闊葉林各林層樹高胸徑關(guān)系研究[J].林業(yè)科學研究,2017,30(3)：

(責任編輯：彭南軒)

Study on Characteristics and Volume Estimation in Each Stratum of Typical Natural Broadleaved Forest in Mid-subtropics

ZHUANGChong-yang1,HUANGQing-lin1,MAZhi-bo1，2,ZHENGQun-rui3,WANGHong1

(1. Research Institute of Forest Resource Information Techniques, Chinese Academy of Forestry, Key Laboratory of Forestry Remote Sensing and Information Technology, State Forestry Administration, Beijing 100091, China; 2. Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China; 3. Administrative Office of Wanmulin Nature Reserve, Jian'ou 353100, Fujian, China)

[Objective] To investigate the key stand-description factors in strata (including the whole stand and each stratum) of typical natural broadleaved forest in mid-subtropics. [Method] The meanDBH, meanH, standard deviation (SD), and coefficient of variation (CV) in each stratum were used to calculate, and the proportion of stems and volumes in each stratum were also analyzed. The mean height (Hs) and the median height (Hz) of stratum were used to replace the individual height (H) to estimate the volume, and the variance analysis and relative error were implemented to test the feasibility. [Result] The results suggested that theCVof whole stand was bigger than stratumⅠ, Ⅱ, and Ⅲ, theCVof each stratum increased with the height of stratum decrease, theCVof stratumⅠ and Ⅱ were coincident approximately and smaller than theCVof stratum Ⅲ. The stem proportion of stratumⅠ and Ⅱ was between 20% and 30%, but the volume proportion more than 90%. The result of the relative error suggested that the errors of the whole stand, stratumⅠ and stratumⅡ were less than 5%, and the error of stratum Ⅲ was less than 10% in each sample plot, corresponding to the accuracy of productive practice in general. The results of variance analysis showed that the value of stand volume (p) calculated in the three methods all bigger than 0.05. [Conclusion] At the typical natural broadleaved forest in mid-subtropics, the volume of light receiving stratum (including stratumⅠand stratumⅡ) is absolutely superior so it is the key point in the field investigation. The relative error among these methods in mean height (Hs) and the median height (Hz) of stratum and the individual height (H) conform to the accuracy requirement in the practices. The result of variance analysis also showed that there is no statistically significant difference in stand volumes calculated by the three methods, which means that the mean height and the median height of stratum could be used to replace the individual height to estimate the volume in typical natural broadleaved forest in mid-subtropics and meet the accuracy requirement and improve work efficiency simultaneously.

mid-subtropics; typical natural broadleaved forest; stratification; key stand description factors; volume estimation

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.04.004

2016-06-20

2016-10-20

國家自然科學基金資助項目中亞熱帶天然闊葉林林層特征研究(31370633)

莊崇洋(1986—)，男(漢族)，福建泉州人，在讀博士生，研究方向為森林可持續(xù)經(jīng)營，E-mail：zhuangchongyang@126.com

* 通訊作者：黃清麟(1967—)，男(漢族)，福建莆田人，博士、研究員、博士生導(dǎo)師，主要從事森林可持續(xù)經(jīng)營理論與技術(shù)研究，E-mail:huangql@caf.ac.cn

S718.54

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1001-1498(2017)04-0559-07