基于枝条生长和节子属性的落叶松人工林抚育措施_的研究-硕士论文开题报告

东北林业大学硕士研究生学位论文开题报告姓 名： 李 露 学 院 （室）： 林 学 院 学 科： 森 林 经 理 学 研 究 方 向： 林分生长模型 指 导 教 师： 贾炜玮副教授 入 学 年 月： 2010 年9 月 填表时间： 2011 年 5 月 4 日论文题目基于枝条生长和节子属性的落叶松人工林抚育措施的研究一、论文选题的目的意义落叶松是黑龙江省主要的速生丰产树种，是重要的更新造林树种，也是华北地区和东北地区的主要造林树种，具有速生、丰产、材质好、寿命长、耐寒冷的特点，也是强度较高的针叶材树种，且具有良好的耐久性。提高落叶松人工林木材的材积积累和木材质量对满足市场需求的数量和质量有很大意义124。树木枝条的生长直接关系到树木的生长和木材材积，研究枝条的生长动态能够直接反映整株树木的光合作用营养积累和树木生长规律。而木材的材质和利用率很大程度上决定于树干上的枝条和节子分布及结构，尤其是节子的位置，数量，直径，长度和死节的边缘。因此，研究枝条的生长动态和节子属性影响到树木的材积积累和材质状况。在已郁闭的林分中，林木下部枯枝长期残留在林木上，随着树干直径的增长将把死枝包在树干里，从而形成死节，影响木材质量。另一方面，林冠下层的活枝叶很少，叶子干重也少，光合作用较弱。在呼吸作用中消耗其它枝叶的光合作用产物。这部分枝条的存在对全株的生长是无利的，因此，在人工整枝时也要把它们砍去。人工整枝就是将已枯死或将要枯死的枝条及时砍去。从而使林木形成通直的树干和正常的冠形，同时能起保证材质。整枝后造成的伤口，上部保留下来的枝条所制造的大量有机物向下输送受到一定的阻碍，使更多的有机物质留给伤口以上的枝条，促进上部枝条茂盛生长3。间伐抚育等营林措施已经有大范围的应用，是人工林的经营管理的主要内容，但人工修枝在林分内的应用还未普及。通过模拟枝条（或节子）的生长发育过程，可以为森林经营者提供合理的经营决策（整枝、间伐等），尽量控制枝条（或节子）的大小，提高木材质量。配合人工林的适时间伐等抚育措施，在林分的经营管理及木材材质提高有很大的发展空间。在东北地区，现已有相当数量的落叶松已郁闭成林。对已郁闭的落叶松人工林适时进行人工整枝和间伐抚育是一项重要的经营措施。林业经营者需要林分的整个生长过程中的动态信息，包括树干动态和树冠动态；而且林业的经营者需要树干和枝条的相关信息来确定经营抚育方案；而过长时间的观察收集数据没有实际意义。但树冠的动态模型和枝条的生长模型可以和节子的模型互补。有关研究针对落叶松人工林进行动态模拟，为其集约经营提供合理、详细的林分动态信息，结合适宜的抚育间伐措施，对于大力发展人工林，解决我国木材日趋尖锐的供需矛盾具有重要意义。二、国内外相关研究现状及发展趋势1.国内外研究现状国内外有关枝条生长和节子属性及抚育间伐方面都有不同层度的研究。从国内外的相关文献看，在枝条生长和修枝方面的研究结论与国内是一致的。国外对人工林枝条生长动态和人工修枝对树木生长和材质影响的研究，如Johnson在1959年对14年生的杨树进行整枝试验，结果表明当整枝强度达到林分平均树高的35%时，在整枝后的第3年，经过整枝抚育的林分直径平均增长为4.6cm，而不整枝抚育林分直径平均增长为4.3cm11，整枝处理的林分使直径的增长比没经过整枝抚育的多3cm。Megraw在1985年对于火炬松的整枝进行研究时，得出整枝可促林分从幼龄材到成熟材的过渡，增加木材密度大约5%。人工林的整枝通过整枝可以生产经济价值较高的无节材12。人工林修枝的研究，澳大利E.A.Pinkard和C.L.Beadle(1998)做了修枝对桉树生长和干形的影响，得出了修枝能够影响书稿干形和胸径及桉树最适宜的修枝强度。美国R.M.Krinard也做了修枝处理对美国黑杨的影响。目前各国对枝条动态生长的研究还很不完善。由临时样地所获得的数据来建立枝条生长模型，并不能提供有关过去枝条生长动态的可靠信息，最好数据应取自固定样地。采用树干解析技术或枝解析技术。有些学者采用枝解析的方法对观测到的数据重新构建模型。Kershaw 和Maguire用枝解析的方法分析了枝条半径的生长和枝条的寿命。我国在很早就注意到树木的形体结构对生长影响，并用修枝来达到促进木材生长及果树结实。对枝条生长动态进行大量统计和模拟，建立动态模型，能较好的描述树木结构和冠形。程朝阳在杉木人工林无节材培育技术研究中用连续四年的观测数据研究表明杉木8年生前林分的保留密度对杉木生长无显著影响,在1 800株hm-2范围内可以采用较大的保留密度;不同的修枝强度对杉木生长造成显著影响,随着修枝强度的增大,杉木的树高、胸径和冠幅生长都显著下降,考虑到修枝效果和杉木生长两方面因素,以10 cm的修枝强度(修枝的基础粗度)最好7。 邵锦锋、魏柏松在湿地松林抚育间伐与修枝技术中对立地、密度、林龄基本一致的湿地松林分采取不同强度的抚育间伐和修枝试验,确定了湿地松林第1次间伐和修枝年龄为78 a;林分标准郁闭度达0.85以上时,胸径连年生长量已下降,株数间伐强度以不超过30%为宜。第2次间伐应根据培育目的和经营管理水平确定强度,一般林分间伐强度不超过35%;间伐间隔期为56 a。间伐后应进行修枝,修枝强度第1次以树高的1/3为宜,第2次以树高的1/2为宜,间隔期为35 a,时间以深秋至早春为好56。李凤日等人则以枝龄、着枝深度和树高为变量构造了落叶松人工林枝长和基径的生长模型，利用数学方法建立模型，预测活枝的数量，并确定全部枝条在树冠内的分布模式，分析不同着枝深度的枝生长规律，根据枝条的属性和树木的大小来构建枝生长的动态模型。贾炜玮等以樟子松人工林为研究对象，研究了枝条生长和节子的大小，建立了节子大小的预测模型。另外在对分枝格局，分枝角度的分析，冠形、林分密度对节子生长和干形影响方面也有相关的研究810。我国对人工林进行修枝尚不普遍，涉及的树种也比较少，有红松马尾松，杉木等。邹绍荣和程朝阳等对杉木修枝进行过研究。2.发展趋势影响木材材质和利用率的节子分布及结构，如位置，数量，直径，长度和死节的边缘这些属性的参数是在树干之内的很难测量。传统的是用树干解析和剖析节子的方法，单独枝条的生长过程可以通过树干木材和节子木材上连续的或不连续的年轮及其宽度来进行研究。树干上的节子可以提供一棵树木生长过程中树冠结构动态丰富的信息。这就为研究提供了充足的数据来源。在人工修枝方面，通过对人工林固定标准地的连续试验及调查，设立对照试验，并加以数据分析，得出不同树种修枝的强度和相关技术，已经有研究先例，修枝技术的发展同样也为进一步的研究奠定了基础。对人工林抚育间伐已经有很长的历史了，不同生长阶段，不同的密度及立地条件下，抚育间伐的措施和任务也不相同，抚育的时间次数及强度也不相同。培育落叶松速生丰产林抚育间伐的种类，一般分为四种，透光伐、疏伐、生长伐和卫生伐13-15 。3.存在的问题1）林分条件（林龄、立地和林分密度等）对枝条生长和节子大小影响较大，且不易准确测量控制。抚育间伐等营林措施可以达到相应的效果，却不能解决单株树木在材质方面存在的问题。2）模型的建立缺乏系统性，树冠内枝条生长模型与死枝、节子大小的预测模型应当作为整体加以考虑。3）未能将整枝作为一项经营措施来控制节子大小，提高木材质量。三、研究的主要内容1.主要内容：1）不同大小落叶松人工林林木枝条（或节子）大小及其变化规律的研究。根据树干解析，枝解析和树干剖析（节子分析）技术所获得的活枝和死枝（节子）大小的生长动态数据，研究不同林分条件下（年龄、立地和林分密度）枝条（或节子）不同生长阶段生长发育规律，分析枝条及节子的大小（包括直径、长度）及其在树干上的分布对木材质量的影响。分析枝条发育过程中生长、被压、死亡和自然整枝规律，分析不同大小林木的枝条在树冠内的空间分布格局；2）不同落叶松人工林林分条件下不同大小林木枝叶生物量模型的建立。以树干解析和枝解析数据为基础，以各树冠因子和测树因子为自变量，建立枝叶生物量模型，主要建立：1）节子（或死枝）直径预测模型；2）节子（或死枝）频数分布模型；3）生节（Sound knot）长度预估模型；4）疏松节（Loose knot）长度预估模型。分析不同林分条件下不同大小林木枝叶生物量在树冠内的垂直分布规律，研究枝叶生物量垂直分布与树干生长的关系；从生理生态学角度解释枝条和树干生长的机理。3）确定不同林分条件下落叶松人工林合理的人工整枝高度。根据枝条（节子）生长发育的模拟结果，结合枝叶生物量在树冠内的分布，确定不同林分条件下落叶松人工林的有效冠高度，提出不同林分条件下（年龄和密度）人工整枝的高度及强度，控制树干上死枝和节子的大小，提高林木的木材质量。4）制定抚育间伐和人工修枝的经营措施。根据节子生长发育的模拟结果，提出不同林分条件下（年龄和密度）修枝和抚育间伐的具体措施。结合不同立地条件下落叶松人工林的经营目标，制定一套抚育间伐强度和预测目标径级收获量相符的具体方法。同时与修枝技术相结合，进行合理抚育，提高木材材质及收获量。5）从测树学的角度，通过建立生长、收获预估模型进行分析预测，评价、检验及确定抚育间伐技术措施。四、研究方法与技术路线研究方法1.数据材料调查本文数据来源于孟家岗林场07、08年外业调查的枝解析和干解析数据，19块标准地中,共获得样木95株。选测标准地后，对标准木进行解析测定，本研究重点测定枝解析和树干剖析。枝解析对样木分别轮枝进行编号，并测定枝的方位角、着枝深度、着枝角度、基径、枝长、弓高及弦长等。选取标准枝，将其沿枝条基部截下，截面尽量平整，在截面上测定枝条的年轮数作为枝条的观测年龄，枝条的实际年龄可以由枝条所在轮枝查出。二者之差为枝条丢失年轮数。树干剖析主要是对节子的剖析测定，根据枝条死亡后在树干上的疤痕确定节子的位置和方位角，测量每个死枝或节子离地面的高度。每段选取两个最大的死枝或节子，纵剖得到死枝或节子的纵剖面。在纵剖面上可以显示枝条发育过程从枝条形成、停止生长、死亡及包藏的各个阶段。将节子纵剖面扫描后，采用年轮图像分析系统，测定枝条生长发育四个时期的年轮数和宽度，并测量节子（或死枝）的直径，倾斜角度，节子长度（包括生节长度和疏松节长度（KLloose）。利用这些数据建立模型，预测枝条的生长。落叶松人工林的抚育经营对不同林龄的林分，采用透光伐，疏伐和生长伐等抚育措施。透光伐一般在幼林中进行，次生林中砍去非目的树种和压抑落叶松生长的灌木，纯林则间密留稀，落叶松林透光伐最好是在春末夏初（五至六月）时进行，幼林材积量很小，故常不确定采伐强度；幼林进入壮龄林阶段后生长定型需要进行疏伐，调整林分密度，使保留木得以良好生长；生长伐主要是为加速林木直径生长的一种，结合林地的利用规划，生长伐可以达到合理的密度，缩短工艺成熟期。另外，根据林地的卫生情况可适时适度进行卫生伐，在保持一定的郁闭度的情况下，尽可能除去受害木，对轻度受害木选择性保留。2.用数学统计方法建立模型模型的拟合过程主要包括候选模型的确定、模型参数估计及拟合统计量计算、备选模型的比较以及模型的统计诊断（残差分析、异常点分析等）等。确定备选模型的方法有两种：a）根据专业理论知识（从理论上推导或根据以往的经验）和前人研究结果来确定；b）在不能确定的情况下，通过观测自变量和因变量之间散点图，并结合专业知识确定模型的大体类型。对于回归模型的比较，采用以下拟合统计量作为比较和评价备选模型的标准。（1） 剩余残差平方和(RSS)： （2） 剩余均方差(MRS)： （3） 剩余标准差(Sy.x)： （4） 相关指数(R2)： （5） 调整的相关指数(R2a)： 式中 实测值；模型预测值；p方程参数个数；n样本数。当前对节子和死枝的研究大都采用林分或树木因子为参数采用生长模型来预测枝条属性，基于内部节子属性的模型能够提供一个同时研究过去和现在生长状态的方法。本研究拟定用胸径，树高， 树冠长度，枝下高及立地条件等作为变量，使用逐步回归的方法，采用不同的模型，引入不同数量的独立变量及其组合形式来来估计Kdmean的分布，最大值，从中选择最优的模型。3.模型的检验：利用独立检验样本数据，通过计算平均误差、平均误差绝对值、相对误差、相对误差绝对值和预估精度等指标对所建模型进行独立性检验。4.预测整枝强度和时间枝条在生长发育过程中，首先满足其自身生存所需的物质和能量，之后将剩余的有机物传输给树木的其他器官，如果枝条不再为树干输出碳水化合物的话，可以称为非功能枝，因此，根据枝条生长研究结果，我们将不同林分条件下“非功能枝”的上限高度，并将其确定为人工整枝的下限。另一方面，虽然处于树冠较下部位的“功能枝”还能继续向树干传输有机物并提高树干生长量，同时也会产生较大的节子，影响木材质量。合理的整枝高度是优化木材质量和不明显影响树干总材积生产之间的一个折中高度。在不影响树木生长的前提下，修去下部枝条，可以明显减小节子的大小对材质的影响，促进树木健康生长。将根据林龄和立地条件制定出的间伐措施与修枝时间强度等措施结合，制定出最佳的抚育方案。对于人工修枝，可选在秋季生长停止以后春季生长开始之前，以减少树液流动对伤口的影响。整枝高度参考以往研究可选择在树高的1/31/2之间，整枝强度因树种而异，以10cm整枝强度为最好。具体整枝高度和强度一预测出的模型为依据，结合理论和实践经验来制定，做出适当的调整。间伐时间的可以用叶面积指数来确定，间伐强度则要考虑树木的生长空间和人工修枝的情况，间伐过强会给林木足够的生长空间，但枝条生长过盛会对修枝带来难度，影响木材材质的生长，适宜的密度能够自发抑制枝条的横向生长，减少人工修枝的难度。间伐间隔时间主要依据依据间伐后林木生长量重新下降的程度和及其间隔时间来判断。技术路线研究的过程就是从基础理论出发，获取数据，分析枝条和节子的生长发育规律，建立枝条和节子的动态模型，并预测修枝的最佳时间和强度，结合不同的间伐措施制定出落叶松人工林抚育经营法案。既不影响树木生长，又能获得最好的材质，使枝条对材质影响达到最小。07、08年外业实地调查数据基础理论数据处理节子的生长发育规律建立节子大小和分布模型模型的检验 制定经营措施间伐抚育预测修枝方案五、开展研究已具备的条件、可能遇到的困难与问题及拟解决措施我国落叶松人工林已有分布广泛，需求量大，材质有待提高。近十几年来，国际上及国内越来越多的学者意识到研究枝条（节子）大小、数量和生长动态在模拟树冠动态、研究树木的机理模型和提高木材质量方面的重要性，陆续出现一些有关针叶树种树冠结构、枝条生长和节子动态方面的文献。另外，我们近几年来在落叶松人工林树冠结构静态、动态模型以及枝条生长模型方面作过一些尝试，这对本项研究提供了丰富的资料。节子的大小和分布影响着木材质量，节子可以影响木材的属性，降低整个木材产品的质量，节子可以改变木材颗粒方向从而影响木材的质量。人工修枝，减少节子对木材材质影响，实现落叶松无枝良材的培育，有很大的发展空间。随着计算机软件平台和统计软件包迅速发展，为分析大量复杂数据和建立复杂的数学模型提供了可能。例如近来年轮图像分析系统的问世，可以精确识别和测定枝条和节子的年轮及直径生长，这也为本项研究提供了可能。针对林分条件（林龄、立地和林分密度等）对枝条生长和节子大小影响较大且不易准确测量控制这一问题，要做好间伐抚育，减少对修枝的影响，也便于统计参数的选择和建模的准确性。同时修枝也能解决单株树木在材质方面存在的问题。将整枝作为一项经营措施来控制节子大小，间伐抚育与人工修枝时间强度结合，适时适度地进行人工修枝，对抚育的成效及时的调查并分析，不断的改进预测方案，找到最佳营林措施，这就是本研究的最终目标。 六、研究进度安排包括文献调研，实验设计，理论分析，实验数据的分析处理及撰写论文等分阶段目标和时间安排：2010年8月2011年6月： 1熟悉外业调查流程，获取调查数据，收集试验数据，设置枝解析标准地，完成样木的树干解析、枝解析、树干剖析工作据处理。2学习、熟悉各种统计分析课程及软件，学习基础知识和理论，熟练掌握年轮图像分析系统操作和相关数。3查阅和收集国内外关于落叶松生长分布，材质及应用的调查研究内容，阅读枝条分布规律、节子大小和模拟模型等方面的文献，阅读有关森林间伐、择伐、皆伐等相关抚育措施的文献和书籍。2011年6月2012年11月：1 用分析软件整理分析试验数据，建立完整的数据库2 根据各样木的枝解析和树干剖析数据，初步分析树木的枝条分布和节子生长规律，初步构建数学模型对落叶松人工林节子分布及节子大小进行模拟。3 熟悉人工林抚育间伐措施技术，在不同立地和林龄等条件下，制定营林措施。结合人工修枝，制定既满足材积需求又保证材质的营林方案。4 着手撰写论文2006年11月2007年2月：1 完成查阅和整理文献工作2 完成论文的撰写和修改七 、已阅读的主要文献及参考资料参考文献：1 贾炜玮,姜生伟. 黑龙江东部地区落叶松人工林节子大小的研究. 林业资源管理.2008.5:79-85.2马克明，祖元刚.兴安落叶松分枝格局的分形特征仁J.植物研究，2000，20(2):236一240.3张永光,张洪林,陶涛. 落叶松人工整枝和生长量的研究.林业勘察设计2002（1）：37.4于腊梅,孟宪华.小兴安岭北坡兴安落叶松林群落分布及经营.林业科技情报.2008.40(4).7.5刘盛,倪成才.红松人工林修枝技术对林木生长和干形的影响.吉林林学院校报.1997,13(2):80-84.6邵锦锋,魏柏松. 湿地松林抚育间伐与修枝技术.南京林业大学学报.2005.29(5).69-72.7程朝阳.杉木人工林无节材培育技术研究.林业科学研究. 2005.18(5).530-534.8李凤日, 綦晓波, 李广明等.落叶松人工林树冠结构模型的研究. 祝宁主编, 植物种群生态学研究现状与发展. 1994. P74-81. 黑龙江科学技术出版社. 208.9刘微,李凤日. 落叶松人工林与距离无关的单木生长模型.东北林业大学学报.2010(5):24-2710刘兆刚, 李凤日, 于金成. 落叶松人工林单木模型的研究 J. 植物研究, 2003, 23( 2) : 237-244.11 Johnson R L. Pruning colon woodR.South Lum herman，1959，198(l):28-9.13苏立军.培育落叶松抚育间伐的种类和方法.科学