青島城區水杉和銀杏立木結構特征分析

劉志君，管洋洋，徐穎瀾，徐 悅，李士美

（1.青島農業大學園林與林學院，山東青島 266109；2.平度市自然資源局，山東青島 266100）

立木結構特征決定著樹干材積的數量和質量，是森林計測用表編制的基礎，對森林資源調查、評估及經營管理意義重大[1-3]。研究地徑與胸徑、樹高的關系，構建合適的數學模型，在林業資源管理上有重要的現實意義，相關成果可運用于林木盜伐案件與林權糾紛處置、航空攝影測量中單木和林分特征信息的提取等[4-6]。鄭聰慧等[4]基于149株栓皮櫟（Quercus variabilis）解析木的數據，建立了華北地區栓皮櫟根徑相關模型。顧麗等[5]利用小興安嶺地區標準地調查資料，編制了落葉松（Larix gmelinii）人工林根徑材積表，發現胸徑與根徑、冠幅的相關關系均以二次拋物線模型最佳。劉曉農等[6]對實測的冠幅與無人機影像提取的冠幅進行了相關分析，并根據實測樹高和冠幅的關系，構建了杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林影像冠幅樹高聯立方程組反演模型。

近年來，隨著城市森林建設的快速發展，城市森林的結構與功能得到越來越多的關注[7-8]。此外，遙感和地理信息技術已越來越多地被用以觀測和記錄城市森林的結構及動態，但其難以識別樹種及胸徑、高度等結構特征[9-11]。由于胸徑是立木結構特征的基本參數，明確胸徑與樹高、冠幅等結構特征的確切關系，是城市森林結構準確計測的前提和基礎。目前有關城市森林重要樹種的立木結構特征研究尚鮮有報道。水杉（Metasequoia glyptostroboides）和銀杏（Ginkgo biloba）均是古老珍稀孑遺樹種，也是城市重要綠化樹種，栽培范圍廣。本研究通過水杉和銀杏立木結構特征因子的實測，基于立木地徑、胸徑、冠幅、樹高等特征因子的關系分析，構建水杉和銀杏立木結構特征模型，以期為區域森林資源調查與監測、森林資源保護與管理等提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

青島市位于山東半島東南部的黃海之濱（119°30′～121°00′E，35°35′～37°09′N）。屬溫帶季風氣候，兼具季風氣候與海洋氣候特點，年均氣溫12.7℃，年均降水量662.1 mm。2015年，青島市森林覆蓋率達到39.4%，建成區綠化覆蓋率44.7%，人均公園綠地面積14.6 m2。水杉和銀杏是青島市城區綠化的重要樹種。

1.2 測定方法

選擇無生長缺陷、樹干生長正常的水杉和銀杏作為樣木。樹干直徑的測量含地徑（D0）、距地表10 cm直徑（D0.1）和胸徑（D1.3），運用測徑圍尺測量，樹高（H）運用布魯萊斯測高器測量，枝下高（h）使用塔尺測量，用皮尺測量東西冠幅和南北冠幅（EW+NS）并計算其平均冠幅（CW）。本研究共測定水杉樣木150株、銀杏樣木175株。

1.3 數據分析

首先，運用SPSS 19.0的相關分析功能，利用實測的樣木數據，確定林木結構指標之間的相關關系。然后，運用Origin Pro 8進行各指標之間的回歸分析，構建各指標間的回歸模型。

2 結果與分析

2.1 各指標之間的相關性

相關性分析結果表明（表1、2），在P=0.01水平（雙側）上，水杉和銀杏的立木結構指標間存在不同程度的相關性，且銀杏立木結構指標間的相關性優于水杉。在立木結構指標中，水杉和銀杏不同部位的直徑（D1.3、D0、D0.1）之間具有極顯著的強相關性，胸徑（D1.3）與樹高（H）間也存在極顯著相關性。

表1 水杉立木結構指標之間的相關性Tab.1 Relationship among structure indicators of Metasequoia glyptostroboides standing tree

2.2 不同部位直徑之間的回歸模型

水杉和銀杏D0-D1.3的相關系數分別為0.891、0.945。按2 cm徑階對胸徑劃分徑階組，水杉D1.3/D0的分布范圍為0.64～0.93，平均值為0.77，其中34 cm徑階最接近平均值；銀杏D1.3/D0的分布范圍為0.58～0.83，平均值為0.69，其中28 cm徑階的D1.3/D0值最大。擬合分析結果表明（圖1），水杉D0-D1.3之間的關系用Logistic方程擬合優度最佳，其校正可決系數為0.818 6，銀杏D0-D1.3之間的關系用直線性式擬合最佳，其校正可決系數為0.893 2。

表2 銀杏立木結構指標之間的相關性Tab.2 Relationship among structure indicators of Ginkgo biloba standing tree

圖1 水杉和銀杏D0-D1.3擬合模型Fig.1 Models for D0-D1.3of Metasequoia glyptostroboides and Ginkgo biloba standing tree

水杉和銀杏D0.1-D1.3的相關系數分別為0.930、0.939。按2cm徑階對胸徑劃分徑階組，水杉D1.3/D0.1的分布范圍為0.68～0.95，平均值為0.80；銀杏D1.3/D0.1的分布范圍為0.61～0.89，平均值為0.74。擬合分析結果表明（圖2），水杉D0.1-D1.3之間的關系用Logistic方程擬合優度為0.877 3，銀杏D0.1-D1.3之間的關系用直線性式擬合優度為0.880 3。

圖2 水杉和銀杏D0.1-D1.3擬合模型Fig.2 Models for D0.1-D1.3of Metasequoia glyptostroboides and Ginkgo biloba standing tree

水杉和銀杏D0-D0.1的相關系數分別為0.981、0.973。按2 cm徑階對胸徑劃分徑階組，水杉D0.1/D0的分布范圍為0.88～0.99，平均值為0.94；銀杏D0.1/D0的分布范圍為0.87～0.98，平均值為0.93。擬合分析結果表明（圖3），水杉D0-D0.1之間的關系用線性方程擬合優度為0.961 7，銀杏D0-D0.1之間的關系用線性式擬合優度為0.946 5。

圖3 水杉和銀杏D0-D0.1擬合模型Fig.3 Models for D0-D0.1of Metasequoia glyptostroboides and Ginkgo biloba standing tree

2.3 胸徑-樹高相關關系

樹木高生長與胸徑生長之間存在著密切的關系，隨著胸徑的增大樹高通常會增加，兩者之間的關系常用胸徑樹高曲線來表示。按2cm徑階對胸徑劃分徑階組，水杉H/D1.3的分布范圍為0.36～0.99，平均值為0.56；銀杏H/D1.3的分布范圍為0.25～0.99，平均值為0.47。水杉D1.3和H之間的關系用Gompertz式擬合優度較高，其校正可決系數為0.603 0；銀杏D1.3和H之間的關系用Gompertz式擬合也具有較高的可決系數（圖4）。就觀測值與擬合結果對比而言，銀杏的D1.3和H之間的相關性更強。

圖4 水杉和銀杏D1.3-H擬合模型Fig.4 Models for D1.3-H of Metasequoia glyptostroboides and Ginkgo biloba standing tree

2.4 冠幅-胸徑相關關系

通常胸徑對冠幅具有顯著的正向作用，且隨著林分的發育，通常呈現正向作用逐漸增強的趨勢。研究結果表明，水杉、銀杏的D1.3與CW之間的相關系數分別為0.558和0.614，分別屬于中等強度相關和強相關。對D1.3和CW之間的關系擬合分析，發現水杉CW-D1.3之間的關系用Gompertz式擬合優度較高，銀杏則用直線式擬合優度較高，相應校正可決系數分別為0.323 8和0.373 8（圖5）。

圖5 水杉和銀杏CW-D1.3擬合模型Fig.5 Models for CW-D1.3of Metasequoia glyptostroboides and Ginkgo biloba standing tree

2.5 冠幅-樹高相關關系分析

水杉、銀杏的CW-H之間分別存在中等強度相關（相關系數r=0.502）和強相關（相關系數r=0.754）關系。擬合分析結果表明，水杉CW-H之間的關系均可用Gompertz式表示，但銀杏的擬合優度（Adj.R2=0.571 2）明顯高于水杉（Adj.R2=0.250 3）（圖6）。

圖6 水杉和銀杏CW-H擬合模型Fig.6 Models for CW-H of Metasequoia glyptostroboides and Ginkgo biloba standing tree

3 結論與討論

立木結構特征是森林資源調查、評估及經營管理的基礎。本研究通過對150株水杉和175株銀杏立木結構特征因子的實測，基于立木地徑（D0）、胸徑（D1.3）、冠幅（CW）、樹高（H）等特征因子的實測和相關關系分析，構建了水杉和銀杏立木結構特征回歸模型。結果表明，水杉、銀杏的胸徑（D1.3）、地徑（D0）、距地面10 cm直徑（D0.1）、樹高（H）、枝冠幅（CW）等指標間存在極顯著的正相關關系，其中以不同部位直徑（D1.3、D0、D0.1）之間的相關性最強。

本研究擬合了水杉和銀杏立木結構指標之間的回歸模型，發現水杉的D0-D1.3、D0.1-D1.3之間的關系用Logistic式擬合優度較高，而銀杏D0-D1.3、D0.1-D1.3、D0-D0.1之間的關系用直線式擬合優度較高，這主要是因為水杉根頸部有凸起導致樹干斷面性狀不規則。

本研究發現，水杉D1.3-H、銀杏D1.3-H之間的關系均可用Gompertz式擬合。林木生長受樹種生物學特性、立地質量、經營管理措施等因子的影響，不同樹種的胸徑樹高曲線模型存在較大差別，如嶗山黑松的樹高曲線為指數式[12]，華北落葉松（Larix principis-rupprechtii）天然次生林樹高曲線為Logistic式[13]，小興安嶺紅松（Pinus koraiensis）、云杉 （Picea asperata） 和椴樹 （Tilia tuan）以Logistic模型擬合優度最佳，而水曲柳（Fraxinus mandschurica）則以拋物線模型最優[14]。

樹木的生產力在很大程度上取決于樹冠結構，其中冠幅和冠高率是反應樹冠結構的重要因子。本研究發現，水杉D1.3-CW、銀杏D1.3-CW之間均存在一定的線性相關關系。然而，由于立地條件、經營管理措施等因素的影響，冠幅與林分調查因子之間存在復雜的關系，且這種關系可能是非線性的。本研究發現水杉、銀杏的CW-H、CW-D1.3之間的關系均可用Gompertz式表示，但模型的擬合優度相對較低，其中以銀杏CW-H之間的關系用Gompertz式擬合優度最佳，但其校正可決系數僅為0.571 2。鄧寶忠等[15]得出紅松、山楊（Populus davidiana）、蒙古櫟 （Quercus mongolica）等10個樹種的胸徑與冠幅的相關系數均達0.96以上。

本研究基于立木實測數據，通過相關與回歸分析，構建了水杉和銀杏立木結構特征模型。由于城市苗木來源地和栽培管理措施并非完全一致，這對模型的預測精度有一定影響。