全 文 ：应 用 生 态 学 报 年 月 第 卷 第 期
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林 带 疏 透 度 模 型 及 其 应 用
‘
姜凤岐 周新华 付梦华“ 朱教君 林鹤鸣
中国科学院沈阳应用生态研究所 , 沈阳
【摘要 】 在应用数字图象处理法侧定东北西部典型杨树林带硫透度的基础上 , 采用逐步
回归分析和推理方法分别构筑了疏透度与林带结构因子相关的主导因子模型和因配置方
式和树种而异的机理模型 , 并阐述了两种模型在林带结构调控中的作用
关键词 林带 疏透度 模型 结构调控
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引 言
正如用材林的结构与其生产力密切相
关一样 , 农防林结构直接影响其防护效益 ,
因此 , 关于结构与效益的研究在农防林的
研究中不仅起步早而且一直保持经久不衰
的势头 以往的研究结果可以概括为以下
点 ”疏透度是林带结构的重要特征指
标 疏透 、 通风和紧密结构是林带结构
的 种基本类型并分别有其适用范围 , 以
疏透结构为最优 林带结构 疏透度 随
诸多因子而变化 , 通过合理设计和抚育措
施可以适 当调整仁 〕 这些研究结果 为林带
结构的调控指明了方向 , 但远不能适应科
学经营的要求 为此 , 必须突破以下技术关
键 ” 探索林带结构的量化指标 一 疏
透度测定新方法 确定林带最适结构
疏透度范围 建立疏透度变化的数学
模型 建立合理结构调控体系
应用数字图象处理法确定林带疏透度
疏透度是林带结构的重要特征指标
疏透度的测定方法通常以 目测法应用最普
遍 , 目测法的粗放性很 不适应结构研究与
指导生产实践的需要 , 为此 , 首先探索一种
新的测定方法 —数字图象处理法 本法的原理是应用数字图像处理 系统 , 根据象
片上林带枝体与其空隙之间的灰度差异 ,
经二值图象处理将它 们严格分割开来 , 由
各 自所占据的“ 像素 ” 统计林带影
象的孔隙度 林带象片疏透度 , 用以估计
林带实际疏透度
, 数字图像处理法确 定林
带疏透度包括从测定样本量的确定和野外
摄影到室内测定直至各项误差计算的一整
, 国家自然科学基金资助项 目
‘ , 现在林业部规划院工作
一 年 月 日收到 月 , 日改回
应 用 生 态 学 报 卷
表
翻
各林带 、 、 及枝下高条件下的硫透度 脚现侧值
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林带结构参数
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枝下高 有叶期
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注 带“ , ”为估算值 拍摄时因有玉米等庄稼遮掩 没有观测值
套技术已有专文论述〔 一 ‘ 值得一提的是
在本项研究的过程中
, 加拿大学者
于 年发表了应用数学图象法
测定林带疏透度的论文 , 两相对照 , 相差无
几
疏透度变化的数学模型
杨树林带疏透度与其主要结构因子
的相关模型 —主导因子模型
试验地区 昌图县宝力镇北京杨
岁 林带建于 年 , 林带
高度在 一 , 一般 一 行 , 为通风结构
类型 应用数字图象处理法对野外拍摄的
林带黑 白照 片分别按树干 层和林冠层 测
定 , 然后加权平均计算整个林带疏透度 对
应 林 带 疏透 度 的林带结 构调 查 因 子 为
林带段 所有林木胸高断面 积 总 和
、 林带行数 、 密度 和林带相对
期 姜凤岐等 林带疏透度模型及其应用
枝下高 。 , 即枝下高与树高之 比 , 结果列
于表 通过逐步 回归分析 , 结构参数与林
带疏透度之间有如下数学关系
有叶期树干部分
夕, 一
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有叶期树冠部分
几 一
有叶期全林带
夕有 一
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无叶期树冠部分
风 一
无叶期全林带
夕无 一
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结果表 明 , 无论是无 叶期还是有 叶期 , 树
干 、 树冠及整个林带的疏透度 各有其同一
形式的数学表达式 树干部分疏透度 由林
带单位长度胸高断面积值和林带行数两因
子决定 在林带幼期 , 若要使林带达到比较
理想的 日值 , 除了不修枝叶 , 可以用增加行
数 同时也增大 了 值 来加 以解决 , 待林
带长成后再行抚育伐 , 保留 一 行即可
相对枝下高 。 是影响疏透度的一个重要
因素 林带相对枝下高每增加 , 林带疏
透度在一定范围内在有叶及无叶期分别增
加 和 因此 , 控制修枝高度也是
对林带结构进行调控的重要手段
杨树林带疏透度机理模型
为探讨适宜性较 广 , 能够指导区域性
农田防护林带疏透度定量调控的一般性理
论 , 以林带配置 、 行数 、 株距 、 保存率
、胸径 , 、冠下平均干径 、 相对
枝下高 。 等易测 因子对林带疏透度影响
规律的机理为依据 , 分别以矩形 、 品字形和
随机 随机配置指无固定株距或行距的配
置方式 种配置类型 , 推导建立了相应于
干部与冠部的疏透度模型 , 通过林带冠长
和干长加权确立林带整体疏透度模型 , 权
且称为机理模型 推理模拟结果
矩形配置林带的为
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品字形配置林带的为
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随机配置林带的为
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式 中 , , 、 、 、 、 、 。 为取决 于树种
的冠体形状 、 分枝角的大小 、 枝的粗细以 及
叶的疏密有关外貌形态的待定参数
现以东北西部具代表性的杨树林带为
例 , 求解待定参数
基本资料取 自于 年 一 月对
吉林省长春地区农安等 县区以及辽宁省
昌图县的农 田防护林调查 , 共摄得 条
林带有叶期黑 白照 片 张 , 其 中北京杨
林带 张 双 阳快杨
林带象片 张 小黑杨 、 小
青黑杨 尸 。爪 、 白城杨
又 , 等 个 树种 林 带
张 , 小 青 杨 和 小 叶 杨
张 所有林带为 同龄纯
应 用 生 态 学 报 卷
林 , 其中 一 年生的 条 , 一 年生 青黑 、小钻类杂交杨 双阳快 、 白城杨 、 乡
的 条 , 一 年生的 条 带内配置 土杨 小青杨和小叶杨 个树种组 , 用麦
有矩形 、 品字形和随机等 种类型 夸脱 摊 , 迭代法模拟 出
用于估计模型中待定参数的林带疏透 种配置林带冠部和干部疏透度模型中诸参
度 , 用数字图象处理法确定 , 其绝对误差限 数 的最 小 二乘估计组合成 套参数 表
为 鉴于调查的杨树种类较多 , 故按 若将其相应代入 一 式中则可得
外貌特征的相似性和样本数的要求将全部 到 种配置方式对应于 个树种组的 个
调查树种归为杂交杨 北京杨 、小黑杨 、 小 林带疏透度变化模型
衰 种配工林带千部和冠部班透度徽型中对应于 个树种组的 橄
, 砚 吐 目 钟 限 脚 “脚
配 置 树种组 祥本数 干 部 冠 部
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矩 形 杂交杨
小钻类
了护口 一 。
品字形 杂交杨
因
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小钻类
尸 了川 一
随 机 杂交杨
小钻类
尸 。 。二 口 一
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乡土杨
因
。 , 。
林带最适疏透度的确定
调整林带结构 , 除了要满足林木正常
生长发育的要求之外 , 更重要的是使林带
处于最佳防护状态 因此 , 确定维持林带最
佳状态的最适疏透度至为关键 以往的研
究表明 , 当疏透度值达 一 时 , 林
带的防护效益最大 , 〕, 为了应用这一结论
不致产生偏颇 , 年在宝力试验 区选取
具不同疏透度的林带在主害风盛行的 一
月 全叶期 对林带的防风效益进行了对
比观测 结果发现 , 具不同疏透度的林带均
在迎风面 至背风面 范围 内产生
明显作用 , 处的风速均恢复到 旷野水
平 但是 , 具不同疏透度的林带之 间的防风
效果及有效防护距离是有显著差别的 图
反映了林带防风效果与林带疏透度的关
系 从图 可更直观地看出 , 当疏透度 为
时 , 个风速减弱值均达到最大 由此
可以得出在昌图试验地区 , 疏透度为 。
的林带具最优的防护效益 , 疏透度大于或
小于 均会导致防护效益的降低 , 偏差
,月,含互今
留妞暇丈
图 不同疏透度林带防风效果比较
诬
期 姜凤岐等 林带疏透度模型及其应用
愈大 , 防护效益也就愈不理想
疏透度模型在林带结构调控中的应用
主导因子模型的应用
以 昌图县宝力镇的林带为例 , 应用 已
建立的疏透度模型 , 取最优结构 。 疏透
度时的各林分结构 因子制成不同林带高 、
枝下高对应的最适胸高断面积 和最适
株数表 表 对于现实林带的任一条 , 只
要通过常规的林带调查 , 取 得 段林
带的 值和 。 后 , 代入 一 式 , 即可
得到该林带的疏透度 值 若有叶期林带
疏透度小于 , 表明林带过于紧密 , 可
以通过修枝或间伐 , 即改变 值或 。 值使
林带恢复到最适结构状态 抚育调整量均
可由 式计算得出
间伐强度一毕
义
式中 , 适 为表 中所给参数 , 为林
带实际调查值
调查及计算表明 , 昌图宝力镇大约有
林带需要进行不同程度的间伐 , 其平
衰 杨树林带不同树高及枝下高条件下最适 值 · 一 ,
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枝下高 、 树 高 、
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量调控方案的依据
为减少上述 个方面应用的计算量 ,
以 个模型为基础 , 编写出 程序
略 以供应用
参考文献
朱廷暇 林带防风作用的风洞实脸 中国科
学院林业土壤研究所集刊 , 科学出版社 , 北京 ,
一
周新华等 引 数字图象处理法测定林带疏透度
随机误差研究 应用生态学报 , 一
周新华等 数字图象处理法测定林带疏透度
投影 误差和 影缩误差研究 应 用生 态学报
,
一
姜凤岐等 应用“ 数字图象处理 ”对林带疏透
度进行测定 东北西部内蒙东部防护林研究 东北
林业大学 出版社 , 哈尔滨 , 一
曹新孙主编 农 田防护林学 中国林业出版
社 , 北京 , 一
,
元。
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均间伐强度约为 纬
机理模型的应用
林带疏透度机理模型是根据林带诸项
易测因子对疏透度影响机理一般规律而建
立的 , 具有较普遍的适用性 在实际 中 , 每
一个模型对于其相应的配置与树种组成的
林带可解决以下 个结构定量调控技术问
题 ”计算林带疏透度 , 为其最基本的应
用 在给定 、 、 。 的条件下模拟 出
维持林带既定疏透度 , 段林带需保留
的林木株数 , 为以间伐为手段调控林带结
构提供依据 在给定 、 、 马 、 的条
件下 , 模拟出维持林带既定疏透度 大于其
冠部疏透度 应该保留的相对枝下高 , 为以
修枝为手段调控林带结构提供依据 在
给定 。 、 、 。 条件下 , 计算出对应于与胸径
和每 段林带株数的疏透度动态变化
表 , 作为制定林带各生长发育阶段结构定