塞罕坝华北落叶松-白桦混交林生长与结构方程模型构建

摘要

森林生长与结构方程模型构建是研究林分生长规律的重要途径，开展多树种、多层次、结构复杂的混交林生长与结构模型研究，不仅是该领域亟待解决的重要方法问题，并且对揭示混交林生长规律，进而为森林经营决策、森林经营效果评价提供重要依据。本研究以塞罕坝机械林场三种混交比例的华北落叶松纯林、华北落叶松-白桦针阔混交林为研究对象，利用固定标准地和临时标准地调查数据，运用SAS统计软件中的PROC NLIN、PROC NLMIXED语句，以及SPSS和AMOS系统分析软件，基于动态地位指数模型、地位指数模型转换方程、非线性混合效应模型、哑变量及结构方程模型等构建方法，研究与探讨华北落叶松-白桦针阔混交林的地位指数模型、树高-胸径预测模型和胸径生长模型及结构方程模型构建途径。
　　主要研究结果如下:
　　(1)动态地位指数模型构建
　　海拔、土壤质地、土层厚度和坡向是决定地位指数的关键性立地因子，其相关系数分别为0.47、0.46、0.38、0.32。基于Bertalanfy-Richards模型、Hossfeld模型和Lundqvist-Korf模型的五种动态地位指数模型表达式在混交林立地质量评价中的适用性进行了研究，运用线性几何回归方法(GMR)建立了不同混交比混交林树种转换方程。华北落叶松最优模型为基于Bertalanfy-Richards的模型M2，其指标评价值分别为Radj2=0.908、Bias=0.088、RMSE=1.089;白桦最优模型为基于Lundqvist-Korf的模型M5，其指标评价值分别为Radj2=0.916、Bias=0.066、RMSE=1.322;不同混交比华北落叶松和白桦的树种间地位指数相关系数分别为0.91和0.87，F值均小于0.01，表明模型拟合效果较好。当混交比在0.36-0.50的范围内是两个树种地位指数临界年龄为29年，当混交比在0.51-0.65的范围内时两个树种地位指数临界年龄为22年。
　　(2)树高-胸径预测
　　选取了13个具有代表性且具有生物学意义的树高-胸径关系模型进行拟合，筛选出相关系数最大(R2=0.8757)，绝对误差(Bias=0.1291)、均方根误差(RMSE=1.2006)最小，最优基础模型表达式为:h=1.3+eb0+b1/d+b2,b0=a0+a1×h0+a2×BA，在此基础上建立了包含哑变量华北落叶松-白桦混交林树高-胸径关系的混合效应模型为hij=1.3+e((b0+μ1)+γ1+γ2+...+γn/dij+b2+εi，其中b0=a0+a1×h0+a2×BA。利用所构建的混合效应模型（具体模型），以2 cm为一个径阶对不同混交比华北落叶松和白桦树高进行了预测，其树高预测结果与测量值分布一致，表明包含树种哑变量混合效应模型中的参数充分反映出相同径级树高的变异趋势，提高了混交林树高-胸径模型预估精度。
　　(3)胸径生长模型
　　每公顷株数、海拔、坡向、土层厚度是影响立木胸径生长的主要因子，相关系数分别为0.67、0.51、0.54、0.38。用竞争指数来表示密度对立木径向生长的影响，不同混交比华北落叶松-白桦混交林竞争指数分别为2.02、3.67、4.41。建立起包含样地间及样地内随机效应的非线性混合效应模型△rt，j=a0Aa1t,jDa2t,jea3CI0.5t,jHa40，并在混合效应模型中加入哑变量，所建立的混合效应模型△rt，j=a0Aa1t,jD(γ1+...+γn)t,je(a3+μ2)CI0.5t,jH(a4+μ1)0，其中CIj=DBHj/DBH，解决了混交林中样地间及样地内树种对胸径生长的影响，提高了模型精度及适用性。
　　(4)结构方程模型
　　海拔是影响林分生长的主要环境因子，其与林分平均地径、林分平均胸径、平均树高和林分断面积相关系数分别为0.51、0.54、0.59、0.62，且达到0.05显著水平;运用观测变量交叉积协差阵建立了林分结构方程模型，得出了各因子与林分结构因子、立地因子、林分密度因子相关关系及各潜在变量之间相关系数分别为0.863、0.681、0.706，经检验各指标值均表明模型适配性较好，利用该模型指导森林经营，其指导意义在于通过改善立地质量和适度经营，协调林分结构因子、立地因子、林分密度因子之间关系，从而改善林分结构、提高森林质量。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究目的与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 生长模型用途

1．2．2 地位指数模型

1．2．3 树高-胸径关系模型

1．2．4 胸径生长模型

1．2．5 结构方程模型

1．2．6 发展趋势

1．3 研究内容

1．4 技术路线

2 研究区概况

2．1 地理位置

2．2 地形地貌

2．3 气候特征

2．4 水文特征

2．5 土壤特征

2．6 植被类型

2．7 森林资源

3 研究方法

3．1 数据来源

3．1．1 样地选择与设置

3．1．2 样地调查

3．2 林分结构参数

3．2．1 角尺度

3．2．2 大小比数

3．3 混合效应模型

3．3．1 线性模型

3．3．2 线性混合效应模型

3．3．3 线性模型随机效应和随机效应参数估计

3．3．4 非线性混合模型

3．3．5 模型参数初始值确定

3．3．6 混合效应模型常用评价指标

3．4 哑变量

3．5 结构方程模型

3．5．1 模型设计与构建

3．5．2 结构方程模型适配性检验

3．6 统计处理与分析

4 林分结构特征分析

4．1 研究方法

4．2 结果与分析

4．2．1 林分直径分布

4．2．2 林分空间分布格局

4．2．3 林木大小分化程度

4．3 讨论

5 地位指数模型

5．1 研究方法

5．1．1 数据来源

5．1．2 模型选择

5．1．3 基准年龄选择

5．1．4 模型评价

5．1．5 地位指数转换方程

5．2 结果与分析

5．2．1 不同混交比立地指数

5．2．2 限制性因子筛选

5．2．3 最优动态地位指数模型选择

5．2．4 地位指数模型拟合与检验

5．2．5 地位指数转换方程参数估计

5．2．6 模型应用

5．3 讨论

6 树高-胸径模型

6．1 研究方法

6．1．1 数据来源

6．1．2 树高-胸径模型选择

6．1．3 模型及参数检验

6．1．4 树高-胸径混合效应模型

6．2 结果与分析

6．2．1 树高-胸径分布

6．2．2 候选模型拟合与评价

6．2．3 树高-胸径模型构建

6．2．4 树高-胸径模型拟合

6．2．5 树高-胸径模型应用

6．3 讨论

7 胸径生长模型

7．1 研究方法

7．1．1 数据来源

7．1．2 胸径生长模型选择

7．1．3 模型评价与检验

7．2 结果与分析

7．2．1 胸径与年龄关系

7．2．1 限制性因子筛选

7．2．2 立木竞争

7．2．2 胸径生长模型建立

7．2．3 参数估计与检验

7．2．4 胸径生长模型应用

7．3 讨论

8 结构方程模型

8．1 研究方法

8．1．1 数据来源

8．1．2 数据处理

8．2 结果与分析

8．2．1 相关性分析

8．2．2 模型参数估计

8．2．3 适用性检验

8．3 讨论

9 结论与展望

9．1 结论

9．2 展望

参考文献

发表学术论文

作者简介

致谢