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铁坚油杉天然林生长规律的研究



全 文 :西北林学院学报 2014,30(5):140~146
Journal of Northwest Forestry University
  doi:10.3969/j.issn.1001-7461.2014.05.27
铁坚油杉天然林生长规律的研究
 收稿日期:2013-12-17 修回日期:2014-01-11
 作者简介:韦秋思,女,硕士研究生,工程师,研究方向:林木良种培育与技术推广。
*通信作者:秦武明,男,教授,硕士生导师,研究方向:森林培育与生态经济。
韦秋思1,吴 敏2,黄毅翠1,秦武明2*,钟连香1
(1.广西国有雅长林场,广西 百色533209;2.广西大学 林学院,广西 南宁530004)
摘 要:采用树干解析方法对广西国有雅长林场30a铁坚油杉天然林生长规律进行研究。结果表
明,30a铁坚油杉树高、胸径和材积生长量分别为14.4m、32.80cm和0.479 9m3。树高和胸径快
速生长期分别为1~12a和6~14a,连年生长曲线与平均生长曲线分别相交于12~13a和14~15
a。材积连年生长量在26a达到最大值0.030 0m3·a-1,之后逐渐降低,模型分析得出材积连年生
长曲线与平均生长曲线相交于38~39a之间。借助系统聚类分析将材积生长期划分为生长缓慢
期(1~8a)、生长加速期(9~19a)和生长快速期(20~30a)3个阶段。树高、胸径和材积生长回归
方程分别以理查德、理查德和威布尔模型拟合效果最好。
关键词:铁坚油杉;生长规律;聚类分析;生长模型
中图分类号:S791.150.3   文献标志码:A   文章编号:1001-7461(2014)05-0140-07
Growth Regularity of Keteleeria davidiana Natural Forest
WEI Qiu-si 1,WU Min2,HUANG Yi-cui 1,QIN Wu-ming2*,ZHONG Lian-xiang1
(1.Yachang Forest Farm,Baise,Guangxi 533209,China;
2.Forestry College,Guangxi University,Nanning,Guangxi 530004,China)
Abstract:The growth regularities of Keteleeriadavidiananatural forest in Yachang Forest Farm,Guangxi
were studied by using the method of stem analysis.The results showed that the height,DBH and volume
of 30-year-old trees were 14.4m,32.80cm and 0.4799m3,respectively.The fast growing periods of tree
height and DBH were in the 1st to 12th and the 6to 14th year,respectively.The curves of current annual
growth and and average growth of tree height and DBH intersected in the 12to 13th and 14to 15th year,re-
spectively.Current annual increment of volume reached the peak value,which was 0.0300m3·a-1 in the
26th year.After that it reduced gradualy.According to the growth model of the volume,current annual
increment curve and average increment curve didn't intersect until the 38~39th year.The volume growth
period was divided into three stages based on the results of cluster analysis,period of slow growth(1~8
a),the growth acceleration period(9~19a)and the period of rapid growth(20~30a).The optimal mod-
el of tree height,DBH and volume was Richard,Richard and Weibul model,respectively.
Key words:Keteleeria davidiana;growth regularity;cluster analysis;growth model
  铁坚油杉(Keteleeria davidiana)又名铁坚杉,
属松科油杉属常绿大乔木,为我国特有种,树高可达
30m左右,树皮暗深灰色、纵裂。叶条形长达2~5
cm,宽3~4mm,先端圆钝或者凹缺。木材淡黄色,
花纹美观,硬度适中,坚韧耐腐,不变形,易加工,为
制作高档家具、装饰等的优质材[1-2]。铁坚油杉常混
生于海拔600~1 300m的针阔叶林之中,散生区域
为四川、贵州、湖南、广西等地[3]。1983年广西首次
发现铁坚油杉[4]。铁坚油杉优质的木材和其对环境
条件要求的不苛刻,使其迅速成为山地林区培养中、
大径优质木材的重要选择树种之一,同时也因其树
形优美,可培育优雅的木本盆景,还受到城市森林绿
化的青睐。对该树种的研究主要是集中在引种栽培
和造林技术[5-8],生物学特性[9],群落的类型[10],生
物量和木材的物理力学性质[11]等方面。近年来,对
其研究又逐渐增多[12-14]。然而,对于铁坚油杉从苗
木生长到林分成熟这一生长历程的研究以及其生长
特点,并通过生长模型的拟合来探讨其生长的一般
性规律等报道尚少。为此,从林木的生长过程出发,
通过树干解析,分析了其树高、胸径和材积的生长规
律,并建立生长模型,以期对铁坚油杉现实生长状况
的总结和对未来生长的预测,为其天然林的经营提
供依据。
1 样地概况
试验地位于广西国有雅长林场果麻分场25林
班和益来分场36林班。分布区土壤主要为黄壤和
黄红壤,属亚热带气候,雨量充沛,冬短夏长,干湿季
节明显。年平均气温16.8℃,历年最高气温38℃,
极端最低气温-3℃,冬季有霜雪;年降雨量1 056
mm,年蒸发量最高达1 484.7mm,相对湿度82%。
每年5-10月为雨季,11月至次年4月为旱季。主
要灌木有盐肤木(Rhus chinensis)、野牡丹(Melas-
toma candidum)、余甘子(Phyllanthus emblica)、十
大功劳(Mahonia fortunei)、乌饭树(Vaccinium
bracteatum)等;草本常见有石珍芒(Arundinella
nepalensis)、白茅(Lmperata cylindrica)、龙须草
(Eulaliopsis binata)、五节芒(Miscanthus floridu-
lus)等。
2 研究方法
2.1 生长规律调查
2013年4月于铁坚油杉天然林中建立面积为
20m×30m的标准地,测定标准地内林木的胸径、
树高、枝下高等,记录标准样地的地理位置、林下植
被的组成、高度、盖度等信息。选择5株平均木作为
解析木,伐倒前用指南针定其北向,伐倒样木后,按
2m区分段收取取圆盘,圆盘厚度为5cm左右,在
圆盘上标明南北方向、解析木编号以及圆盘编号,带
回实验室刨光,从东西方向和南北方向分别测定圆
盘的生长轮宽度,取其平均值作为当年的生长轮宽
度,各龄阶的树高由树高生长曲线图查出,各龄阶的
去皮材积利用区分段法求算[15]。
2.2 生长模型拟合
很多学者对林木的生长过程都有过研究[16-20],
普遍认为一个理想的生长规律模型一般具备精确性
和通用性的要求,有时候还要求具备数学和生物学
的意义。为研究铁坚油杉人工林的生长规律,选择
较为常用的逻辑斯蒂模型、苏玛克模型、威布尔模
型、坎派兹模型、理查德模型5种经验模型和理论模
型对30年生的铁坚油杉胸径、树高和材积的生长进
行拟合分析,选择拟合决定系数R2 最大、F值最大
的拟合模型为最优生长模型。
2.3 数据分析
采用 windows系统自带的 Excel 2003以及
DPS 7.05数据处理系统,对数据进行统计和分析
处理。
3 结果与分析
3.1 树高生长规律研究
对铁坚油杉标准木经树干解析得到其树高生长
的结果(表1、图1)表明:平均树高在第30年时达到
14.4m,平均年生长量为0.48m·a-1。铁坚油杉
树高生长曲线与理论的树高生长曲线有所不同,树
高连年生长曲线与平均生长曲线有多个交点。树高
连年生长曲线呈现出双峰型的生长曲线,生长高峰
期主要出现在第2~5年和第10~12年这2个时
期,树高生长快速期峰值达到0.70m·a-1;6~9a
期间树高的增长速度有所回落,在0.50m·a-1左
右的生长水平,第12年之后,树高连年生长量稳定
的下降,并且始终低于平均生长量曲线。树高连年
生长量曲线与平均生长量曲线相交于第12~13年
之间,此时的平均生长量为0.61m·a-1。纵观树高
的生长曲线可以得出:树高的生长受环境的影响较
为明显,使其与理论的生长曲线有较大出入,表现最
为明显的是树高生长在2~12a之间,此阶段正是
树高生长的旺盛期,对不良环境的抵御能力差,生长
稳定性较弱,容易受环境因子(光照、降水、稳定、肥
等)的影响而出现树高生长在6~9a期间迅速降
低,低于平均水平的情况。
3.2 胸径生长规律研究
对铁坚油杉胸径生长规律的研究发现胸径生长
规律稳定性较好。测定结果(表1、图2)表明:30a
铁坚油杉胸径的总生长量达到了32.80cm,年平均
生长量为1.09cm·a-1,总体维持了一个较高的生
长水平。但是对其胸径生长具体到每一年的的连年
生长量曲线的研究发现,曲线具有一个峰值(1.90
cm·a-1),峰值出现在树木生长第11年。胸径的
连年生长量第0~11年期间是随年龄的增加而增
长,第11年之后,随年龄的增长而降低。连年生长
曲线与平均生长曲线相交于第14~15年之间,此时
胸径的年平均生长量最大,为1.37cm·a-1。这个
141第5期 韦秋思 等:铁坚油杉天然林生长规律的研究
时候则应该考虑林分的间伐问题,将生长较差的植
株砍伐,以保持整个林分的良好生长,达到速生丰产
的效果[21]。根据铁坚油杉胸径的生长特性,将其生
长历程划分为3个生长期,胸径生长缓慢期(0~5
a):其生长速度为0.65~0.85cm·a-1之间,5a内
的平均生长量为0.76cm·a-1;快速生长期(6~14
a):此时树木处于生长旺盛期,连年生长量在1.50
~1.90cm·a-1之间,快速生长阶段的平均生长量
为1.73cm·a-1;第14年之后,连年生长出现明显
的随年龄的增长而降低的趋势,降幅从第15年的
1.20cm·a-1逐渐降低到0.45cm·a-1,降幅
较大。
表1 铁坚油杉天然林树高、胸径、材积生长
Table 1 The height,DBH and volume growth of K.davidiananatural forest
树龄
/a
树高生长/m
总生长量 连年生长量 平均生长量
胸径生长/cm
胸径 连年生长量 平均生长量
材积生长/m3
材积 连年生长量 平均生长量
0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.0000 0.0000 0.0000
1  0.60  0.60  0.60  0.65  0.65  0.65  0.000 0  0.000 0  0.0000
2  1.30  0.70  0.65  1.35  0.70  0.68  0.000 1  0.000 1  0.0000
3  1.90  0.60  0.63  2.15  0.80  0.72  0.000 4  0.000 3  0.000 1
4  2.60  0.70  0.65  2.95  0.80  0.74  0.001 0  0.000 5  0.000 2
5  3.30  0.70  0.66  3.80  0.85  0.76  0.001 8  0.000 9  0.000 4
6  3.80  0.50  0.63  5.50  1.70  0.92  0.004 3  0.002 5  0.000 7
7  4.30  0.50  0.61  7.15  1.65  1.02  0.007 3  0.002 9  0.001 0
8  4.80  0.50  0.60  8.90  1.75  1.11  0.012 4  0.005 2  0.001 6
9  5.30  0.50  0.59  10.70  1.80  1.19  0.019 6  0.007 2  0.002 2
10  6.00  0.70  0.60  12.55  1.85  1.26  0.029 6  0.010 0  0.003 0
11  6.60  0.60  0.60  14.45  1.90  1.31  0.040 1  0.010 5  0.003 6
12  7.30  0.70  0.61  16.10  1.65  1.34  0.053 2  0.013 1  0.004 4
13  7.80  0.50  0.60  17.60  1.50  1.35  0.067 3  0.014 0  0.005 2
14  8.30  0.50  0.59  19.15  1.55  1.37  0.084 2  0.017 0  0.006 0
15  8.80  0.50  0.59  20.35  1.20  1.36  0.102 3  0.018 0  0.006 8
16  9.30  0.50  0.58  21.55  1.20  1.35  0.120 6  0.018 3  0.007 5
17  9.70  0.40  0.57  22.55  1.00  1.33  0.140 1  0.019 5  0.008 2
18  10.00  0.30  0.56  23.50  0.95  1.31  0.159 6  0.019 5  0.008 9
19  10.30  0.30  0.54  24.40  0.90  1.28  0.182 3  0.022 7  0.009 6
20  10.60  0.30  0.53  25.45  1.05  1.27  0.209 7  0.027 4  0.010 5
21  10.90  0.30  0.52  26.45  1.00  1.26  0.236 0  0.026 3  0.011 2
22  11.30  0.40  0.51  27.45  1.00  1.25  0.260 7  0.024 7  0.011 8
23  11.70  0.40  0.51  28.45  1.00  1.24  0.289 2  0.028 5  0.012 6
24  12.10  0.40  0.50  29.35  0.90  1.22  0.318 9  0.029 7  0.013 3
25  12.50  0.40  0.50  30.00  0.65  1.20  0.347 3  0.028 4  0.013 9
26  12.90  0.40  0.50  30.65  0.65  1.18  0.377 3  0.030 0  0.014 5
27  13.30  0.40  0.49  31.25  0.60  1.16  0.406 0  0.028 7  0.015 0
28  13.60  0.30  0.49  31.80  0.55  1.14  0.431 4  0.025 4  0.015 4
29  14.00  0.40  0.48  32.25  0.45  1.11  0.456 7  0.025 3  0.015 7
30  14.40  0.40  0.48  32.80  0.55  1.09  0.479 9  0.023 2  0.016 0
图1 铁坚油杉树高生长曲线
Fig.1 Growth curve of tree height K.davidiana
241 西北林学院学报 30卷 
图2 铁坚油杉胸径生长曲线
Fig.2 Growth curve of DBHK.davidiana
3.3 材积生长规律研究
由图3可知,铁坚油杉的材积生长随时间推移
先是缓慢的增长,然后再快速增长,在达到第30年
时材积生长总量为0.479 9m3,此时的年平均生长
量达到了0.016 0m3·a-1,30a期间连年生长量与
平均生长量还未相交,由此可以判定30a的铁坚油
杉材积生长还未达到数量上的成熟[17]。材积连年
生长曲线呈单峰型曲线,0~26a之间材积生长量随
时间增长而增长,第26年时最大,达到0.030 0m3
·a-1,第26年之后连年生长量逐渐降低。采用系
统聚类最短欧式距离分析法对1~30a之间材积的
连年生长量进行聚类分析,并依据分析的结果(图
4)对材积生长的不同生长期进行归类划分,将30a
的铁坚油杉材积生长归为3个生长期:生长缓慢期
(1~8a)、生长加速期(9~19a)以及生长快速期
(20~30a)。生长缓慢期时材积的生长量很小,期
间材积生长量为0.012 4m3,占总材积增长的
2.58%,连年生长量在0~0.005 2m3·a-1之间,平
均生长量为0.001 6m3·a-1;9~19a材积生长进
入加速期,连年增长量从第9年的0.007 2m3·a-1
连续增长到第19年的0.022 7m3·a-1,涨幅明显,
此阶段平均生长量为0.015 4m3·a-1;20~30a期
间,材积的生长始终维持一个高增长的水平,连年生
长量在0.023 2~0.030 0m3·a-1之间,平均生长
水平为0.271 0m3·a-1。比较这3个阶段材积的
生长状况及特点发现:生长第一阶段材积生长稳定
但是缓慢;第二阶段材积连年生长涨幅明显,同时生
长水平在第一阶段和第三阶段之间;第三阶段材积
生长快速,此阶段材积生长稳定并且维持高生长水
平。在材积生长能力上生长快速期材积总生长量
(0.297 6m3)和平均生长水平(0.271 0m3·a-1)分
别是生长加速期 (0.169 9 m3)和生长缓慢期
(0.012 4m3)材积总生长量的1.75倍和24.0倍,
相对应的平均生长水平是生长加速期(0.022 7m3
·a-1)和生长缓慢期(0.001 6m3·a-1)的1.76倍
和16.9倍。
图3 铁坚油杉材积生长曲线
Fig.3 Growth curve of volume K.davidiana
341第5期 韦秋思 等:铁坚油杉天然林生长规律的研究
图4 材积连年生长量系统聚类分析结果
Fig.4 Cluster analysis results for volume growth of K.davidiana
3.4 生长方程拟合研究
3.4.1 模型生长方程的拟合 林木生长方程的研
究,采用较为常用的5种林木生长模型对树干解析
得到的树高、胸径和材积的生长数据与进行拟合,结
果(表2)显示:5种模型总体拟合效果良好,都达到
极显著水平,相关系数R2 除了最低的树高生长的
逻辑斯蒂模型为0.985 1以外,其余的拟合决定系
数R2 都在0.99以上,其中以威布尔模型对材积的
拟合效果最优,相关系数R2 达到0.999 9。
综合模型拟合决定系数R2 值和F值的大小,
选取以决定系数R2 值最大并且F值也最大的理查
德模型作为树高、胸径生长的最终模型,威布尔模型
作为材积生长的最优模型,3个模型的表达式分别
为:
树高生长理查德模型:Y=23.436 5/((1-
1.001 7*EXP(-0.031 9*T))^(1/-0.965 5))
胸径生长理查德模型:Y=37.180 2/((1-
0.935 9*EXP(-0.096 7*T))^(1/-0.401 5))
材积生长威布尔模型:Y=0.749 9*(1-EXP
(-((T-1.972 1)/27.684 6)^2.588 6))
其中,Y 表示树高、胸径和材积的总生长量,T
表示对应的树龄。
表2 铁坚油杉树高、胸径、材积生长方程拟合表
Tabel 2 Curve fitting types and modeling results for tree height,DBH and volume growth of K.davidiana
项目 模型类型
参考系数
c1  c2  c3  c4
显著
F值 R2






逻辑斯蒂模型 14.115 3  2.162 1 -0.174 6  925.565 0  0.985 1
苏玛克模型 27.389 8  24.019 7  5.908 3  7 086.142 7  0.998 0
威布尔模型 23.309 1  0.067 2  31.869 6  1.024 9  7 977.290 5  0.998 9
坎派兹模型 15.525 4  2.785 7  0.104 6  2 155.823 7  0.993 5
理查德模型 23.436 5  0.031 9 -1.001 7 -0.965 5  8 009.263 0  0.998 9






逻辑斯蒂模型 31.994 1  2.808 5 -0.222 0  1 628.750 1  0.991 5
苏玛克模型 58.301 7  17.962 2  1.815 6  15 122.338 7  0.999 1
威布尔模型 35.455 9  0.506 4  16.345 1  1.547 8  9 043.315 6  0.999 0
坎派兹模型 34.584 7  3.985 8  0.133 2  8 107.292 6  0.998 3
理查德模型 37.180 2  0.096 8 -0.935 9 -0.401 5  12 767.392 3  0.999 3






逻辑斯蒂模型 0.572 2  4.821 6 -0.212 3  6 858.180 7  0.998 0
苏玛克模型 3.664 7  69.065 0  4.211 2  62 908.167 0  0.999 8
威布尔模型 0.749 9  1.972 1  27.684 6  2.588 6  81 820.902 8  0.999 9
坎派兹模型 0.893 6  7.917 4  0.085 0  60 813.801 0  0.999 8
理查德模型 0.893 3  0.085 1  0.000 6  0.000 1  39 079.872 1  0.999 8
3.4.2 材积数量成熟年限的确定 选择最优的材
积生长模型后,将其进行分解,得到关于材积生长的
理论模型估计值(图5):理论推算的材积生长的规
律与通过树干解析实测的材积生长规律(图4)基本
一致,有所不同的是理论模型削弱或者排除了外部
环境对实际材积生长的影响,所以其材积的连年生
长量曲线平滑、无波动。通过理论模型确定铁坚油
杉的材积数量成熟是在第38~39年之间,此时的平
均材积生长量最大,为0.017 2m3·a-1。
4 结论与讨论
30年生铁坚油杉天然林的树高、胸径和材积生
长分别达到14.4m、32.80cm(去皮)以及0.479 9
m3。纵观三者的生长变化规律,在抵抗外部环境干
扰能力上的表现为材积生长>胸径生长>树高生
长;在数量成熟年限的比较分析中,得出材积生长达
到数量成熟的年限要远远长于树高、胸径达到数量
成熟的年限,这符合树木一般的生长特性,因为材积
441 西北林学院学报 30卷 
的增长呈几何级数,达到数量成熟的时间要有所推 迟[22]。
图5 模型拟合铁坚油杉材积生长规曲线
Fig.5 Growth curve of volume K.davidianafrom growth model
  树高的生长高峰期主要是在第12年之前,曲线
主体呈现一个双峰型的生长曲线,峰值达到0.70m
·a-1;第12年后,树高的连年生长量稳定下降,连
年生长曲线与平均生长曲线相交于第12~13年之
间,此时的平均生长量为0.61m·a-1。胸径的生
长曲线为一个单峰曲线,第11年时峰值达到1.90
cm·a-1。胸径生长在0~5a时为生长缓慢期,6~
14a时为生长快速生长期,第14年之后,连年生长
随树龄的增长生长量降低明显,降幅从第15年的
1.20cm·a-1逐渐降低到0.45cm·a-1。材积生
长曲线呈单峰曲线,0~26a之前,材积累积随时间
增长而增长,第26年时最大,达到0.030 0m3·
a-1,第26年之后连年生长量逐渐降低。材积的生
长可归为3个时期:生长缓慢期(1~8a):材积的生
长很小 ,期间总材积生长为0.012 4m3,占总材积
增长的2.58%,连年生长量在0~0.005 2m3·a-1
之间,平均生长量为0.001 6m3·a-1;生长加速期
(9~19a):材积的增长进入加速期,连年增长量从
第9年的0.007 2m3·a-1联系增长到第19年的
0.022 7m3·a-1,涨幅十分明显,此阶段平均生长
量为0.015 4m3·a-1;生长快速期(20~30a):材
积的生长始终维持一个高增长的水平,连年生长量
在0.023 2~0.030 0m3·a-1之间,材积生长稳定
且维持高水平增长,平均生长水平为0.271 0m3·
a-1。
从树高、胸径和材积的生长回归方程的拟合效
果来看,所选择的5种常用的模型拟合的效果良好,
树高生长的逻辑斯蒂模型为0.985 1以外,其余的
拟合相关系数R2 都在0.99以上,综合考虑,选择最
优的理查德回归方程作为树高和胸径的生长模型,
威布尔模型作为材积生长模型。并且通过材积的生
长模型确定材积生长的数量成熟年限为38~39a,
长年限的生长对于铁坚油杉工业原料林和速生丰产
林的培育是不小挑战,如何缩短其生长的数量成熟
年限的同时又不会减少其人工林的生产量意义重
大。对此,可以根据木材培育目标科学性选择林木
经营方式,例如可以通过合理的密度控制来延长或
缩短林木的数量成熟时间[23],或者通过集约型经营
以缩短数量成熟的年限,以满足速生丰产的要
求[24]。或者是在胸径数量成熟时期合理的间伐,降
低林分密度,以延长林木搞生产期的年限和数量成
熟的年限,达到培养大径材的目的。
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