全 文 ：林 业科 学研 究 2010, 23( 2) : 288～ 292
Forest Research
᭛ゴ㓪ো : 1001-1498( 2010) 02-0288-05
ढ࣫≭ഄϡৠᆚᑺᇣ咥ᴼᵫ⫳䭓⡍ᕕ *
჆ ௵1 , ֳ౲݉1, 2 * , ঞڜা2 , רݐຸ1 , ᆗ࿇у1 , ׎·ܟ3
( 1. 中国林业科学研究院林业研究所 , 国家林业局林木培育重点实验室 , 北京 100091;
2. 国际竹藤网络中心 , 国家林业局竹藤科学与技术重点实验室 , 北京 100102 ;
3. 中国林业科学研究院木材工业研究所 , 北京 100091)
݇䬂䆡 : 小黑杨; 生长特征; 树冠;相关性
Ё೒ߚ㉏ো : S792.11 ᭛⤂ᷛ䆚ⷕ : A
收稿日期 : 2009-04-15
基金项目 : 国家自然科学基金重点项目“利用遥感技术预测人工林木材性质和利用价值的研究”( 编号 30230420)
作者简介 : 张群 ( 1978— ) ,女 , 福建福州人 , 博士研究生 , 助理研究员 .
* 通讯作者 .
Research on the Growth Characteristics of Populus×xiaohei on
Beach Land in North China
ZHANGQun
1
, FAN Shao-hui
1,2
, LIU Guang-lu
2
, FENGHui-xiang
2
, ZONGYi-chen
1
, FEI Ben-hua
3
( 1. Research Institute of Forestry, Chinese Academy of Forestry; Key Laboratory of Tree Breeding and Cultivation, State Forestry Administration,
Beijing 100091, China; 2. International Centre for Bamboo and Rattan; Key Laboratory on Bamboo and Rattan Science and Technology,
State Forestry Administration, Beijing 100102, China; 3. Research Institute of Wood Industry,
Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091, China)
Abstract: The growth characteristics and correlation between the canopy index and growth characteristics of Populus
×xiaohei plantation with different densities and stand ages were studied by the methods of sampling typical plot and
allometric dimension analysis in Xuejiazhuang Forest Farm in Shanxi Province. The results showed that the DBHs of
Populus×xiaohei plantations with various tree densities were different. The Logistic growth model could accurately
describe the tree height and DBH growth of Populus×xiaohei. The fast growing period of tree height was obviously
earlier and longer than that of DBH. The dh value decreased with the increase of tree age, the DBH and the tree
density. The correlation coefficient between tree canopy and the DBH was increased with the tree densities. The
DBH could be estimated by the canopy size in stands with low density. Therefore, the medium density Populus×
xiaohei plantation should be selected for satellite image interpretation of tree canopy.
Key words:Populus×xiaohei; growth characteristics; canopy; correlation
小黑杨 ( Populus ×xiaohei T. S. Hwang et Li-
ang) 是一种生长迅速、抗寒性强、抗旱效果好、树干
通直圆满、材质洁白等特性的优良树种之一。是我
国具有代表性的短周期用材树种,快速准确地获取
其木材性质,对于更好地监控树木生长,指导木材合
理加工与利用具有重要意义。传统上木材性质的预
测与分析基本是采取现场测树和树木实体锯解检测
等方法,费时费力,对林分的破坏较大。本项研究拟
利用现代遥感手段即高空间分辨率卫星图像处理技
术,建立先进有效的森林管理与木材性质结合的分
析模型,在大范围内快速地对具有典型意义的长江
滩地欧美杨( Populus × euramericana( Dode) Guineir
cv. I-72 /58)和华北沙地小黑杨林分进行动态高效
地预测、监测、和管理。其中卫星树冠图像与人工林
第 2 期 张 群等:华北沙地不同密度小黑杨林生长特征
杨树木材性质相关关系模型的建立,需要以树木生
态学特性和生物学特性等方面研究的基础数据为联
系桥梁,确定出林分条件、种植密度、及树木生长特
性等测树因子与树冠形态特征因子及木材材性的内
在联系。华北沙地小黑杨林木生长过程 [ 1] 、林分生
物量分配规律 [ 2] 以及长江滩地欧美杨生长特性 [ 3] 、
生物量和生产力的研究 [ 4] 已做报道。
树高和胸径是反映林木生长特征的重要测树因
子,研究表明应用 Logistic曲线方程可以描述植物或
林分的生长规律 [ 5 - 14] 。同时,树高和胸径随着林木
年龄的增加而增长,是林木年龄的函数 [ 15 ]。此外,
高径比又是林木树高与胸径的比值,它的变化规律
体现了树高与胸径相关关系的变化过程。当前关于
黑杨派( Sect. Aigeiros Duby) 系幼苗的生长特性已有
报道 [ 6] ,但是关于近、成熟林小黑杨生长特性的研究
未见报道。本研究对不同密度华北沙地小黑杨树
高、胸径、高径比、冠幅等生长特征进行了系统研究,
既可以反映小黑杨的生长过程,揭示小黑杨林分的
结构和功能,为华北沙地杨树人工林集约栽培和经
营决策提供科学依据,又可以为实现利用现代遥感
手段监测、预测、和管理森林, 评价木材性质提供数
据支持。
1 ೋི௕ؠࣣރཙࡎֺ֥
试验点设在山西杨树丰产林实验局薛家庄国营
林场,地理位置 112°06′E, 39°02′N。该地区为大陆
性季风气候(细分为半干旱草原气候) ,冬季漫长而
寒冷干燥,夏季短暂而温热多雨, 春秋凉爽;气温日
较差和年较差大, 降水集中。多大风,云量小, 日照
充足。年均温 7. 5 ℃左右,无霜期 134 天,年均降水
量 360 ～ 460 mm。主要气象灾害是干旱。平均海
拔 1 060 ～ 1 400 m,主要地貌为冲积平原,成土母
质以马兰黄土和冲积物为主, 其次为风积物。土壤
类型为草甸土,多呈碱性,其 pH值为 8 ～ 9。
调查对象为小黑杨人工林, 1977 年栽植,经营
管理按常规进行。2004 年 6 月,在试验区内按不同
密度( 1 000、500、250 株· hm - 2 ) 进行标准地设置,
做 3 个重复,共设 9 块标准地( 25 m×25 m) 。调查
内容包括每木检尺、树高、枝下高和冠幅测定、林下
植被调查、土壤剖面调查、解析木、生物量调查等。
在每木检尺的基础上,以 2 cm为 1 个径阶,从 12 cm
到 26 cm共 8 个径阶,各径阶分别选取了 1、1、3、7、
5、2、3、3 株标准木,共 25 株。将标准木以 2 年一个
龄级进行树干解析, 获得解析木树高 ( H) 和胸径
( D) 的数据, 并用区分断面积求积法求得相应材积
( V) 。2006 年 7 月对标准地林木的树高、胸径、枝下
高和冠幅等的生长状况进行了复查。
2 ࠒڴူד๥
2.1 ᇣ咥ᴼᵫߚᷥ催੠㛌ᕘ⫳䭓ࡼᗕ
2. 1. 1 ໌۱ཷॿד೮غc༃ࡅಓЩ੦໸ 根据林木
的生理特性,用 Logistic 曲线方程来模拟树高、胸径
生长规律。表 1 中序号为 x( x = 1, 2, . . . . . . , 13) ,
表示相应的时间 ( 年 ) ; 树高、胸径为因变量 y, 用
Logistic曲线方程进行拟合。
y =
K
1 + e
a - bx ( 1)
式中 K值表示林木生长的极限高度或极限胸径,用
等差三点法 [ 5 , 11 , 1 6] 按下式估算
K =
y
2
2 ( y1 + y3 ) - 2y1 y2 y3
y22 - y1 y3
( 2)
根据小黑杨解析木胸径、树高生长数据,利用公
式( 1)和( 2) 计算得出树高、胸径的参数 a、b、K的值
及相关系数 R( 表 1) 。可见, 随着小黑杨密度的降
低,小黑杨林分极限高生长差异较小,而胸径有较明
显的提高( 见图 1、2) , 培育大径级小黑杨林降低林
分密度是必然的选择。
㸼 1 ϡৠᆚᑺᇣ咥ᴼᵫߚ⫳䭓ࡼᗕߚᵤ㒧ᵰ
数学模型
密度 /
( 株·hm- 2 )
因子 a b K
相关
系数
1 000 树高 ( m) 1 . 513 0. 687 17. 274 0. 954
胸径 ( cm) 2 . 446 0. 680 17. 160 0. 972
y = K
1 + ea - bx
500 树高 ( m) 1 . 465 0. 708 17. 572 0. 948
胸径 ( cm) 2 . 465 0. 615 19. 460 0. 977
250 树高 ( m) 0 . 957 0. 663 17. 581 0. 924
胸径 ( cm) 2 . 143 0. 644 24. 779 0. 960
2. 1. 2 ໌۱ཷॿד೮غc༃ࡅಓЩമէᆫӖᄔԅٹ
സ 对曲线方程 ( 1) 式求二阶导数得d
2 y
dx
2 = b
2
ke
a - bx
( - 1 + ea - bx ) ( 1 + ea - bx ) ,令d
2
y
dx2
=0,则得林木生长速
度最大值( K/2) 时的 X值: X = ab - 1 , 把生长速度最
大时的 X值称为树高、胸径生长进程中的速生点。
据此求得,不同密度条件下小黑杨林的树高和胸径
速生点时间,但没有显著规律。1 000 株· hm- 2和
500 株·hm- 2的小黑杨林分树高速生点为第 4 年,
250 株·hm- 2的小黑杨林分树高速生点为第 3 年
982
林 业 科 学 研 究 第 23卷
(见图 3) ,低密度林的树高速生时间略早于高密度
林。500 株·hm- 2的小黑杨林分胸径速生点出现在
第 8 年,而 1 000 株·hm- 2和 250 株·hm - 2的小黑
杨林分胸径速生点出现在第 7 年 ( 图 3) 。另外,同
一密度林分的胸径和树高的速生点时间不同步,树
高生长进入速生早于胸径生长。
图 1 不同密度小黑杨林树高生长 图 2 不同密度小黑杨林胸径生长
图 3 不同密度小黑杨林树高 /胸径速生点年龄
2. 1. 3 ໌۱ཷॿד೮غc༃ࡅಓЩࠩёࠈխܣד
对曲线方程( 1) 求 3 阶导数得方程:
x1 = ( a - 1. 317) b
- 1
, x2 = ( a + 1. 317) b
- 1
( 3)
将 a、b值代入可求得林木树高、胸径连年生长
速度变化最大的两点,即由初生到速生、由速生转入
缓慢生长的分界点 ( 拐点) , 两点间称为速生期,这
两点分别称为速生期的起始点和终止点。由此可把
树木生长划分为 3 个阶段:初生阶段、速生阶段、缓
慢生长阶段。不同密度小黑杨人工林的树高速生期
约维持 7 年左右,其生长进程阶段划分见图 4。不同
密度小黑杨人工林的胸径速生期约维持 8 年左右,
其生长进程阶段划分见图 5。
图 4 不同密度小黑杨树高生长进程 图 5 不同密度小黑杨胸径生长进程
2. 2 ᇣ咥ᴼᵫߚᷥ催Ϣ㛌ᕘ䯈݇㋏
利用小黑杨解析木树高、胸径数据,以胸径值( x)
为自变量,树高值( y)为因变量,得对数模型( y = alnx
+ b) ,发现不同密度小黑杨树高和胸径的关系可以用
对数方程来描述,相关系数达到 0. 999(表 2)。
㸼 2 ϡৠᆚᑺᇣ咥ᴼᵫߚಲᔦ῵ൟঞ݊খ᭄ؐ
数学模型
密度 /
( 株· hm - 2)
a b 相关系数
y = alnx + b 1 000 5 . 855 0. 487 0. 999
500 5 . 695 0. 837 0. 999
250 5 . 751 - 0. 824 0. 999
2.3 ᇣ咥ᴼ催ᕘ↨ব࣪㾘ᕟ
2. 3. 1 ໌۱ཷࠓ๥ઁغࡅΑԅέܤ 不同密度小
黑杨林的 dh值均呈现逐年下降趋势,且在林分进入
缓慢生长阶段后 dh值趋于稳定。同时,随着林分密
度的降低, dh 值也呈现下降趋势。尤其 250 株·
hm- 2小黑杨林分 dh值明显低于 1 000 株·hm - 2和
500 株·hm- 2的小黑杨林分 ( 见图 6) 。在同一密度
林分中,随着径阶的增大, dh值呈现下降趋势 ( 见图
7)。小黑杨人工林的树高生长早于胸径生长, 当树
高生长趋于稳定,胸径生长持续增长, dh 值呈现出
随树龄、径级、密度的增大而降低。
092
第 2 期 张 群等:华北沙地不同密度小黑杨林生长特征
图 6 不同密度小黑杨林分 dh值随年龄的变动规律 图 7 不同密度小黑杨林分 dh值随径阶的变动规律
2. 3. 2 ໌۱ཷॿדغࡅΑԅדϣ 单株木的 dh值
变动范围主要在 ( 0. 60, 1. 10] 之间 ( 图 8) 。在 107
株小黑杨实测木中 dh值在( 0. 60, 1. 10] 之间的株数
有 100 株占 93. 46% , dh≤0. 60 有 4 株占 3. 74% , dh
> 1. 10 有 3 株占 2. 80%。其中区间( 0. 90, 1. 00] 的
株数最多,有 32 株占 29. 91% ,并向左、右逐渐减少,
呈向右的偏态分布。
图 8 小黑杨 dh值分布
2.4 ᇣ咥ᴼᵫߚ⫳䭓⡍ᕕⳌ݇ߚᵤ
不同密度小黑杨林分各生长特征指标相关性表
现有所差异。在 1 000 株·hm- 2和 500 株·hm- 2的
小黑杨林分中,各生长特征指标的相关性较高,达到
显著或极显著水平 ( 见表 3、表 4) 。在 250 株·
hm- 2的小黑杨林分中,各生长特征指标没有达到相
关水平( 见表 5) 。另外从总体上看, 枝下高与其他
生长特征指标没有相关性。冠幅与胸径、树高等主
要生长特征指标具有较高相关性,且随着密度的增
大,相关性增强。因此可以认为,随着林分密度的增
大,对小黑杨人工林的胸径生长和林分冠幅的影响,
由于生长空间的变小也随之增大。
㸼 3 1 000᷾ghm- 2ᇣ咥ᴼᵫߚ⫳䭓⡍ᕕⳌ݇ᗻ㋏᭄
项目 胸径 树高 高径比 枝下高 L东西 L南北 冠幅
胸径 1. 000 0* *
树高 0. 705 9* 1. 000 0 * *
高径比 - 0. 801 9* * - 0. 156 1 1. 000 0* *
枝下高 0. 015 4 0. 217 3 0. 139 2 1. 000 0* *
L东西 0. 762 0* 0. 653 2 * - 0. 549 6* 0. 143 7 1 . 000 0 * *
L南北 0. 467 0 0. 539 6 * - 0. 237 2 0. 210 5 0 . 588 6 * 1 . 000 0 * *
冠幅 0. 656 9* 0. 644 5 * - 0. 407 5 0. 170 8 0 . 885 6 * * 0 . 855 9 * * 1 . 000 0 * *
㸼 4 500᷾ghm- 2ᇣ咥ᴼᵫߚ⫳䭓⡍ᕕⳌ݇ᗻ㋏᭄
项目 胸径 树高 高径比 枝下高 L东西 L南北 冠幅
胸径 1. 000 0* *
树高 0. 114 8 1. 000 0 * *
高径比 - 0. 893 7* * 0. 331 2 1. 000 0* *
枝下高 - 0. 126 9 0. 422 5 0. 332 9 1. 000 0* *
L东西 0. 385 0* - 0. 310 5 - 0. 524 2* - 0. 471 8 1 . 000 0 * *
L南北 0. 554 3* - 0. 318 9 - 0. 677 0* - 0. 421 3 0 . 761 7* 1 . 000 0 * *
冠幅 0. 524 6* - 0. 343 1 - 0. 664 3* - 0. 449 4* 0 . 914 3 * * 0 . 942 1 * * 1 . 000 0 * *
3 ࠒৢူඉৢ
( 1) Logistic 生长模型可以较好地反映小黑杨的
生长过程。密度为 1 000 株· hm - 2的林分树高初
生阶段为 0 ～ 1 年,快速生长阶段 1 ～ 8 年,缓慢生
长阶段 > 8 年;胸径的初生阶段为 0 ～ 3 年,快速生
长阶段 3 ～ 11 年,缓慢生长阶段 > 11 年。密度 500
株· hm- 2的林分树高生长阶段与密度 1 000 株·
192
林 业 科 学 研 究 第 23卷
㸼 5 250᷾ghm- 2ᇣ咥ᴼᵫߚ⫳䭓⡍ᕕⳌ݇ᗻ㋏᭄
项目 胸径 树高 高径比 枝下高 L东西 L南北 冠幅
胸径 1. 000 0* *
树高 0. 341 8 1. 000 0 * *
高径比 - 0. 557 2* 0. 588 3 * 1. 000 0* *
枝下高 - 0. 002 9 0. 228 3 0. 196 7 1. 000 0* *
L东西 0. 415 1 0. 252 8 - 0. 143 9 - 0. 043 7 1
L南北 0. 179 0 0. 015 7 - 0. 141 4 - 0. 051 1 0. 175 1 1
冠幅 0. 415 1 0. 203 8 - 0. 185 8 - 0. 078 6 0. 879 8 * * 0. 619 1 * 1 . 000 0 * *
hm
- 2的林分相同,胸径的初生阶段为 0 ～ 4 年,快速
生长阶段 4 ～ 12 年,缓慢生长阶段 >12 年。密度为
250 株· hm- 2的林分树高初生阶段为 0 ～ 1 年,快
速生长阶段 1 ～ 7 年,缓慢生长阶段 > 7 年, 胸径生
长阶段与密度 1 000 株· hm- 2的林分相同。不同
密度小黑杨林分的树高和胸径生长进程没有明显差
异,速生期持续时间约为 7 ～ 8 年。树高生长进入
速生期以及速生点时间明显早于胸径生长,速生期
持续时间要低于胸径速生期持续时间。
( 2) 3 种密度小黑杨人工林树高与胸径间的变
化规律可用对数曲线方程来描述,其相关系数均在
0. 99 以上,为野外资源清查带来了方便。
( 3) dh值呈现出随树龄、径级、密度的增大而降
低,且在林分进入缓慢生长阶段后趋于稳定。营林
工作中,可根据不同的经营目的, 控制高径生长,从
而达到最佳的经营效果,获得最大的经济效益。
( 4) 小黑杨人工林各生长特征指标的相关性随
着林分密度的增大而增强。250 株·hm - 2的小黑杨
林分中,各生长特征指标没有达到相关水平。1 000
株·hm- 2的小黑杨林分中,胸径与冠长和树冠面积
的相关性达到极显著水平, 在 500 株·hm - 2的小黑
杨林分中虽然达到显著或极显著水平, 但其值小于
1 000 株·hm- 2的。从总体上看, 枝下高与其他生
长特征指标没有相关性。冠幅与胸径、树高等主要
生长特征指标具有较高相关性,且随着密度的增大,
相关性增强。因此,高密度和低密度的小黑杨人工
林均不适宜用于卫星树冠图像判读。只有选择中等
密度的小黑杨林,通过树冠的大小及面积来估算胸
径、树高等生长特征具有较高的可行性。
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