第三章-林分结构.ppt

第三章林分结构,（本章教法及学时分配）一、授课方式:课堂讲授、综合实习二、授课对象:林学,本科三、教学目的和要求：通过对本章课程的学习，使同学掌握林分结构内涵及其反映林分特征因子的变化规律，以及这些因子之间的相关规律。探讨这些规律，对森林经营技术、编制经营数表及林分调查都有着重要意义。,四、主要讲解内容：1.林分直径结构2.林分直径分布拟合方法3.林分树高结构4.形数、形率及材积结构五、时间分配：理论讲授2学时。六、讲授重点:重点掌握林分直径结构规律及其拟合法，理解林分树高结构规律，了解形数、形率及材积结构。,七、教学难点：林分直径分布拟合八、教学法：1、多媒体教学；2、多举实例，结合图形加强学生对方法的理解。九、教具：1、多媒体课件；2、林分结构实例图片。,十、参考资料,日本大隅真一等著森林计测学1984中国林业出版社；美国B.胡希等著森林计测学1979年农业出版社关玉秀等著测树学1986年中国林业出版社；,第三章林分结构,不论是人工林还是天然林，在未遭受到严重地干扰（如自然因素的破坏及人工采伐等）的情况下，林分内部许多特征因子，如直径、树高、形数、材积、树冠以及复层异龄混交林中的林层、年龄和树种组成等，都具有一定的分布状态，而且表现出较为稳定的结构规律性，在测树学中称它为林分结构规律（lawofstandstructure）。因此，林分结构内涵着这些反映林分特征因子的变化规律，以及这些因子之间的相关规律。探讨这些规律，对森林经营技术、编制经营数表及林分调查都有着重要意义。,本章提要本章将主要介绍林分结构中最基础、最重要的林分直径结构规律，并以人工林为对象，介绍林分直径结构规律、特征及其拟合方法。在此基础上，将简要地介绍树高、干形及材积等主要测树因子的结构规律及特征。,第三章林分结构,无论在理论还是在实际应用中，林分直径结构是最重要、最基本的林分结构。不仅因为林分直径便于测定，而是因为林分内各种大小直径的树木的分配状态，将直接影响树木的树高、干形、材积、材种及树冠等因子的变化。经研究也表明，上述各因子的结构规律与林分直径结构规律紧密相关。在理论上它为许多森林经营技术及测树制表技术提供了依据。,第一节林分直径结构,一、林分直径结构概述在林分内各种大小直径林木按径阶的分配状态，称作林分直径结构（Standdiameterstructure），亦称林分直径分布（Standdiameterdistribution）。在林分直径结构又以同龄纯林的直径结构规律为基础，而复层异龄混交林的直径结构规律要复杂的多。因此，在林分直径结构中，主要研究同龄纯林的直径结构规律以及在营林技术中的作用。在此说明，当采用数理统计分布函数研究林分直径结构时，都是以算术平均直径（）为准；而采用相对直径法研究林分直径结构时，则以林分平方平均直径（g）为准。,第一节林分直径结构,第一节林分直径结构,同龄纯林的直径结构规律的重要作用:林分材种结构与林分直径结构密切相关，并且对林分材种结构规律及特点起着重要作用；林分直径结构与林分断面积、材积等因子密切相关；林分其他调查因子(如树高、断面积、干形和材积)与直径之间有着密切的关系，可依据他们的相关性，利用林分直径结构规律，研究、推断相关因子的结构规律；研究结构表明同龄林直径结构规律近似于正态分布，其山状分布曲线随着林龄增加呈现出规律性变化。,二、同龄纯林直径结构在同龄纯林中，每株林木由于遗传性和所处的具体立地条件等因素的不同，会使林木的大小（直径、树高、树冠等）、干形等林木特征因子都会产生某些差异，在正常生长条件下（未遭受严重自然灾害及人为干扰），这些差异将会稳定地遵循一定的规律。同龄纯林直径结构规律的主要特征，可归纳如下：,第一节林分直径结构,各林分直径分布曲线的具体形状虽略有差异，但就其直径结构规律来说，尽管林分平均直径不同，但都具有以下规律:以林分算术平均直径（）为峰点;中等大小的林木株数占多数;径阶两端的林木株数逐渐减少;单峰左右近似于对称的山状曲线。,1、直径正态分布,第一节林分直径结构,（见图4-，表41）。这条曲线近似于正态分布曲线，多年来林学家曾利用正态分布函数（Normaldistributionfunction）拟合、描述同龄纯林直径分布，并取得了较好的拟合效果。因此，可认为同龄纯林直径结构近似遵从正态分布。,第一节林分直径结构,直径正态分布曲线的形状随着林分年龄的增加而变化，即幼龄林平均直径较小，直径正态分布曲线的偏度（skewness）为左偏（亦称正偏，即偏度值大于零），其峰度（亦称峭度，kurtosis）为正值，这种左偏直径分布属于截尾正态分布（truncatednormaldistribution）。随着林分年龄的增加，林分算术平均直径逐渐增大，直径正态分布曲线的偏度由大变小，峰度也由大变小（由正值到负值），林分直径分布逐渐接近于正态分布曲线（正态分布曲线的偏度值及峰度值均为零）。（如图4所示）,第一节林分直径结构,2.直径变动幅度林分中各株林木胸径（di）与林分平均胸径（Dg）的比值，称作相对直径（Ri），即RidiDg(4-1)这样，林分平均直径（Dg）的1.0，而林分内最粗林木的相对直径max=1.71.8倍，最细林木的相对min=0.40.5倍。,第一节林分直径结构,即林分中最粗林木直径一般为平均直径的1.71.8倍，最细林木直径为平均直径的0.40.5倍。当然，林分直径变动幅度与林龄有关，一般幼龄林的直径变幅大些，而成过熟林的直径变幅略小些。根据这一特征，在同龄林调查中，可目测选定林分内最小或最大树木，然后可依据最小或最大胸径实测值，分别与林分平均直径（Dg）的关系估测林分平均直径（Dg）；另外，也可依据目测林分平均直径（Dg），利用0.45Dg（或1.75Dg），确定林分内最小（或最大）直径值，进而确定林分调查起测径阶及相应的径阶距。,第一节林分直径结构,3.累积分布曲线采用相对直径表示林木直径时，若把各径阶内林木株数同时也换算为相对值，并计算出各径阶株数累积百分数，这样，便于将不同林分平均直径、不同林木株数的林分置于相同尺度上进行分析比较。经过对各树种不同条件的林分分析结果表明，不论树种、年龄、密度和立地条件如何，其林分平均直径（Dg）在株数累积分布曲线上所对应的株数累积百分数的位置在55%64%，一般近于60%处。,第一节林分直径结构,现以河南农业大学森林经理教研室收集的伏牛山小叶青冈的资料说明株数累积分布曲线（表42，图44），从这个资料中可以看出，相对直径等于1.0（即林分平均直径）所对应的株数累积百分数在55.9%处。,第一节林分直径结构,前苏联林学家久林（1931）教授将相对直径按0.1的间距划分的径阶称为自然径阶，依此求得的各自然径阶的株数百分比（如表43），当1.0时株数累积百分数为66.3%，并得出如下结论：“林木按自然径阶分布的情况，并不依树种、地位级和疏密度而变，仅在某种程度上随林分年龄而改变，但在很大程度上随着抚育采伐的特点而改变。”,第一节林分直径结构,三、异龄林直径结构在林分总体特征上，同龄林与异龄林有着明显的不同，正如T.W.Daniel（1979）指出的那样，同龄林与异龄林在林分结构上有着明显的区别，就林相和直径结构来说，同龄林具有一个匀称齐一的林冠，在同龄林分中，最小的林木尽管生长落后于其他林木，生长得很细，但树高仍达到同一林冠层；而异龄林分的林冠则是不整齐的和不匀称的；异龄林分中较常见的情况是最小径阶的林木株数最多，随着直径的增大，林木株数开始时急剧减少，达到一定直径后，株数减少幅度渐趋平缓，而呈现为近似双曲线形式的反形曲线，如图45所示。,第一节林分直径结构,在同龄林分和异龄林分这两种典型的直径结构之间，存在着许多中间型，且林分直径分布曲线的形状与林相类型有些关系。但是，由于异龄林的直径结构规律受林分自身的演替过程、树种组成及树种特性、立地条件、更新过程以及自然灾害、采伐方式及强度等因素的影响，使其直径结构曲线类型多样而复杂。林分直径分布模型的应用研究用的较多的有正态分布、对数正态分布、JonsonsSB和Weibull分布。近年来，Weibull分布用的最为普遍，它具有适应性强、灵活性大的特点，能清楚直观地解释其参数意义。根据在林业中已应用的直径分布模型的统计特征，Meyer指出，可用负指数分布、韦布尔分布来模拟异龄林分直径结构.,第一节林分直径结构,为了研究复层异龄混交林分的直径结构规律，前苏联特烈其亚科夫（Tpetb.B.B.，1927）提出了“森林分子”学说，主张把复杂林分划分成若干个森林分子进行调查，研究森林分子的结构规律。森林分子是指“在同一立地条件下生长发育起来的同一树种同一年龄世代和同一起源的林木”。若某林分有两个树种，每个树种都分别属于同一年龄世代，则此林分就是由两个森林分子组成。如果某林分有两个树种，其中一个树种只有一个年龄世代，另一个树种则分属两个不同的世代，则此林分由三个森林分子组成。显然，一个同龄纯林只由一个森林分子组成。,第一节林分直径结构,特列其亚科夫的研究以及其他人的大量检验都充分证明，当把复杂林分划分成森林分子后，在每个森林分子内部都存在着与同龄纯林一样的结构规律，这一发现是研究复杂林分结构规律的一个重要进展。应该指出，有些极端复杂的林分，如热带雨林，一个林分往往有上百种树种，林木年龄从一年到几百年，树冠形成垂直郁闭状态，在这类林分中，划分森林分子是不可能的。,第一节林分直径结构,H.H.斯瓦洛夫（1970）根据前苏联远东地区的松树、云杉及落叶松标准地资料，分析了林分直径结构，均为不对称的山状曲线，在314块松林标准地中，有245块呈现为左偏山状曲线，在265块云杉标准地中有264块呈现为左偏山状曲线。并且认为，偏度的大小与单位面积上树木株数成正比，而与林分平均直径成反比关系。,第一节林分直径结构,我国对于异龄林分直径结构也进行了较深入地研究，如钱本龙（1984）利用岷山原始冷杉异龄林分45个小班全林检尺资料（近30万株）对林分直径结构进行了研究，并认为，岷山冷杉林分直径分布为不对称的山状曲线，偏度为正，在平均直径较小（24cm以下）的林分中，曲线尖峭，偏度较大；但随着平均直径的加大，峭度从正到负，偏度逐渐变小；平均直径超过40cm的林分，形成了宽而平的分布曲线（图46）。,第一节林分直径结构,孟宪宇（1988）利用内蒙古大兴安岭兴安天然落叶松林78块标准地资料，分析了林分直径结构，其中有29块（37%）林分直径分布呈反型曲线，49块（63%）林分直径分布呈不对称的山状曲线。在5块全林测径、高的标准地中，有1块（龙66）为天然复层异龄林（、两层），若不分层时其林分直径分布为双峰山状曲线；而分层后各层的林分直径分布分别为单峰山状曲线（表45，图47）。这种情况正如阿努钦（1950）指出的那样，“如果把两个林层，或两个年龄世代的林木混合在一起进行每木调查，则所得结果可能是在最低的径阶中株数最多，或者是同时得出两个最大值”。,第一节林分直径结构,综上所述，可以看出异龄林分直径结构比同龄林分要复杂得多，其分布曲线类型受林分年龄结构、树种特征及组成、更新方式及过程、自然灾害、采伐方式及强度、立地条件等多种因素影响。对于异龄林分直径分布，除了呈典型的反型曲线外，还经常呈现为不对称的单峰或多峰山状曲线。,第一节林分直径结构,为了研究林分直径结构规律，标准地林木检尺株数应足够多（一般不应少于250株），并且记录林木胸径实际值，便于内业分组分析，同时要求标准地每木检尺时，对树高达1.3m以上的林木都应测定胸径，若据此得到的林分直径分布为不对称左偏山状曲线时，如采取确定起测径阶检尺方法，往往会人为地遗漏掉小于起测径阶的林木直径数据，其直径分布就可能会由不对称的山状曲线转为反型曲线。这一点对于研究林分直径结构规律是不可忽视的。,第一节林分直径结构,树高与直径、材积的相关紧密，也较容易测定，而且树高生长受林分密度的影响较小，在很大程度上决定于立地条件的优劣。因此，在森林经营管理中，常常利用树高对立地条件反映比较灵敏的特点，而采用林分优势木高或林分条件平均高与林分年龄或林分平均直径（异龄林）的关系作为评价立地质量的依据。,第二节林分树高结构,在森林调查中，也利用树高与直径、材积的关系编制树高表，借此确定林分高及林分蓄积量。另外，在编制林分密度控制图时，也把树高作为一个控制因子。所有上述经营技术之所以可行、都是直接或间接地利用了林分树高结构规律，所以，林分树高结构规律在营林技术中有着重要意义。,第二节林分树高结构,一、林分树高结构规律概述在林分中，不同树高的林木按树高组的分配状态，称作林分树高结构（standheightstructure），亦称林分树高分布（standheightdistribution）。在林相整齐的林分中，仍有林木高矮之别，并且形成一定的树高结构规律。在同龄纯林中林木株数按树高分布也具有明显的结构及变化规律，一般呈现出接近于该林分平均高的林木株数最多的非对称性的山状曲线（图410）。,第二节林分树高结构,在研究林分树高结构中，也常采用相对树高（h）值表示各林木在林冠层中的位置，相对树高Rh为林木高（h）与林分平均高（HD）的比值（表46）。,第二节林分树高结构,由表46中可以看出，林分树高结构规律特征类同于林分直径结构规律，即相对树高Rh=1.0时，相应株数累积近似为61%，林分中Rmin=0.67，Rmax=1.19，与直径相比，树高变幅较小。希弗尔等人利用不同树种的大量资料研究结果表明，林分中最小树木的相对树高值平均为0.69，最大树木的相对树高值平均为1.16，当Rh=1.0时，其相对应的株数累积百分数为60。,第二节林分树高结构,因此，对于同龄纯林，一般可以把超过林分平均高（HD）15的林木当作林分中的最大树高，而把低于林分平均高（HD）30的林木当作林分最小的树高。这些数值在研究、分析林分树高结构规律中有一定的意义。,第二节林分树高结构,林木高与胸径之间存在着正相关关系。为了全面反映林分树高的结构规律及树高随胸径的变化规律，可将林木株数按树高、胸径两个因子分组归纳列成树高胸径相关表（如表47）。由此表可以看出树高有以下变化规律：（1)树高随直径的增大而增大。（2)在每个径阶范围内，林木株数按树高的分布也近似于正态，即同一径阶内最大和最小高度的株数少，而中等高度的株数最多。,二、林木高与胸径的关系1、林木高随胸径的变化规律,第二节林分树高结构,（3)树高具有一定的变化幅度。在同一径阶内最大与最小树高之差可达68m；而整个林分的树高变动幅度更大些。树高变动系数的大小与树种和年龄有关，一般随年龄的增大其树高变动系数减小。如松树的树高变动系数（CH），在龄级时为22%，龄级时为15%，龄级时则仅为7%。（4)从林分总体上看，株数最多的树高接近于该林分的平均高（H）。,第二节林分树高结构,2、树高曲线方程林分各径阶算术平均高随径阶呈现出一定的变化规律。若以纵坐标表示树高、横坐标表示径阶，将各径阶的平均高依直径点绘在座标图上，并依据散点的分布趋势可绘一条匀滑的曲线，它能明显地反映出树高随直径的变化规律，这条曲线称为树高曲线（如图25）。反映树高随直径而变化的数学方程称作树高曲线方程或树高曲线经验公式。常用的表达树高依直径变化的方程有：,第二节林分树高结构,1)h=a0+a1log(d)(419)2)h=a0+a1(d)+a2(d2)(420)3)h=a0d21(421)4)h=(422)5)h=(423)6)h=(424),第二节林分树高结构,以上各式中，h为树高，d为直径，log为常用对数符号，e为自然对数的底，K为常数，a0、a1、a2为方程参数。在实际工作中，可依据林分调查资料，绘制曲线的散点图，根据散点分布趋势选择几个树高曲线方程进行拟合，从中挑选拟合度最优者作为该林分的曲线方程。,第二节林分树高结构,一、胸高形数、形率及形高的结构规律胸高形数（f1.3）和形率（q2）不仅是反映树干圆满程度的重要干形指标，也是计算立木材积及林分蓄积的重要因子。掌握胸高形数和形率的结构规律，对于研制林分测定数表，改进测定方法及提高测定质量也是重要的理论依据。因此，研究胸高形数和形率的结构规律，在理论和实践上都有重要意义。,第三节形数、形率及材积结构,1、胸高形数和形率的结构胸高形数和形率与其它林分调查因子一样，有着各自的结构规律。对于同龄纯林，可采用相对形数与株数累积百分数的关系表示胸高形数结构规律。即把林分平均形数定为1，计算出各相应于株数累积百分数的相对形数，据此表达林分内部相对形数与株数累积百分数的相关关系。根据奥地利希弗尔对云杉林的研究，相对形数与株数累积百分数的相关关系如表411所示。根据表411可看出，当株数累积百分数递增时，相对形数逐渐减小。这反映出形数随直径和树高的增大而逐渐减小的规律。,第三节形数、形率及材积结构,.B.久林教授和莫依新科教授将林木株数按形率级的实际分布与按正态分布曲线规律所得的理论分布做过比较，正态分布理论值与实际值一致，这说明林木形率的分布曲线接近正态。并认为同龄纯林中的林木形率变动幅度一般为0.450.87。但大部分林木的形率为中等，偏大或偏小的林木均为少数。,第三节形数、形率及材积结构,2、胸高形数和形率随直径、树高的变化规律在同龄纯林中，即使林木的直径、树高相同，其形数和形率也不会完全相等。但是，如果以径阶或树高组为单位，计算出相应的平均胸高形数和平均形率后，则会发现形数和形率随胸径、树高的变化规律（如表412，表413及图411，图412）。即林木的形数和形率依胸径、树高的增加而减小。并可以用下列几个类型的曲线方程式表示它们之间的关系。,第三节形数、形率及材积结构,第三节形数、形率及材积结构,3、形高的结构规律在材积三要素中，形数与树高之乘积称作形高（fh），在树干材积或林分蓄积测算中，只要测定出树干胸高断面积或林分的总断面积，乘以相应形高值即可得出树干材积或林分蓄积。因此，形高在树干材积或林分蓄积测定中有着重要意义。相对形高（fh）与林木株数累积百分数的关系如表414中所示。由此可看出，相对形高随株数累积百分数的递增而有所增大，但株数累积百分数超过50%之后，其值几乎不变。这是因为当直径与树高增大时，形数逐渐减小，从而使形高值的变化不很显著。,第三节形数、形率及材积结构,林分中林木的形高随胸径的变化规律是随着胸径的增大而增加，类似于一条抛物线，如图413所示。其数学表达式为：fh=a0+a1log(d)（439）此外，根据形数与树高的关系式（441），可导出形高与树高的关系式：fh=a0+a1(h)（440）由于林木的形高与胸径、树高有着密切的相关关系，因此，在林分调查中，经常采用形高及相应调查方法进行林分蓄积的测算。,第三节形数、形率及材积结构,实验形数（f）是林昌庚教授（1961）提出的一种使用简便、适用性强且估计林分总体蓄积量效率较高的干形指标。在理论上，实验形数具有正形数不受树高影响及胸高形数测定方便的优点。在实践中，采用实验形数测定林分蓄积可提高工效。因此，在林分调查中已被广泛地采用，成为林分蓄积测定的一种方法。,二、实验形数的结构规律,第三节形数、形率及材积结构,1、实验形数的结构林昌庚教授（1964）及周林生教授（1974）对杉木及云杉的实验形数结构做了深入的研究，并得到类似的结论，即无论在广大的地域内及不同的地区，或在一个林分内，同一树种的林木株数按实验形数级的分配状态近似为正态分布曲线。并且，一个树种在同一径阶和树高组内，其林木株数按实验形数级的分配状态也是近于正态分布曲线（表415）。,第三节形数、形率及材积结构,2、实验形数的稳定性（1）胸高形数受干形和树高双重影响，因此胸高形数的变化包含了干形和树高两个因子的变化，而实验形数则只受干形影响，其变化只反映干形一个因子的变化，因此，实验形数比胸高形数相对稳定（如表416）。（2）久林教授曾指出：“干形在一个林分内的变动幅度与在全国广大地域内大体相同”。林昌庚和周林生的研究进一步证实了这一点，这是采用平均实验形数计算林分蓄积可以取得良好精度的重要理论依据。,（3）针叶树种的树干平均圆满度略大于阔叶树种，前者总平均f接近0.42，后者接近0.405；但是，针叶树种的树干平均圆满度与树种耐荫性有一定联系，耐荫性愈强，干形亦愈饱满。强耐荫针叶树（冷杉）平均f接近0.45，耐荫性针叶树（云杉）接近0.43，中性针叶树（杉木、红松、华山松）接近0.42，喜光针叶树（落叶松、樟子松、油松、赤松、黑松）接近0.41，强喜光针叶树（马尾松）接近0.39。（4）实验形数作为反映树干圆满程度的指标，可依据树种平均实验形数值的大小，进行干形分级。如根据全国主要乔木树种平均实验形数值干形可分为六级。,第三节形数、形率及材积结构,由于林分径阶材积分布序列与林分直径分布序列有着密切关系，因此，材积按径阶的分布序列与林木株数按直径的分布序列一样，具有近似正态分布曲线的特征。根据材积按径阶分布序列，只能比较各径阶之间材积变化规律。但是，根据树高与直径的关系可知，在同一径阶内，尽管直径相同，但树高却不同，其林木材积也不相同。因此，需要根据林分材积胸径相关表进一步研究林分的材积结构及变化规律。,三、林分材积结构规律1、林分材积结构,第三节形数、形率及材积结构,利用表417中松林的原始资料，将同一径阶内的林木再按材积的大小分成若干个组，则可以构成材积胸径相关表（表418）。由表417和表418中可以明显地看出如下材积变化规律：,第三节形数、形率及材积结构,从林分总体看，如果以横坐标示胸径，纵坐标示各径阶的平均材积，绘制材积径阶散点图，并把各点连接起来，则可以构成一条曲线，这条曲线称作材积直径曲线。在各径阶内，材积变动范围很大，例如36cm径阶内，材积变动范围