东北林区4种森林类型直径分布研究

东北林区4种森林类型直径分布研究

支架直径分布是支架结构的最基本特征。研究林分直径分布对计算材种出材量、收获预估、生长量测定以及评价经营效果等起着十分重要的作用。天然林是生物与环境相互依存和相互作用长期协同进化的产物。由于过去对天然林的严重破坏和不合理经营,致使目前我国的原始林已很少,天然林中留下的大都是受到不同程度破坏的过伐林和天然次生林。我国过伐林一般是由原始林经过强度择伐后残余的林分,这种林分缺少目的树种,结构不合理。如果得到合理经营,这类林分恢复到原生结构最有保证而且最快。因此本文利用正态分布、Weibull分布、Gamma分布以及对数正态分布4种分布函数对东北林区4种主要森林类型的直径分布进行了模拟,以期对东北林区主要林分的经营、收获预估和经营效果定量评价提供科学依据。1一般图表和数据分类1.1立地条件、土壤和植物种类研究地点位于吉林省汪清林业局的金沟岭林场、金苍林场和浪溪林场,123°56′~131°04′E,43°05′~43°40′N,属长白山系的中低丘陵区,海拔360~1477m,属温带大陆性季风气候,年平均气温3.9℃,极端最高气温37.5℃,极端最低气温-37.5℃,无霜期为138d,年平均降水量为547mm,其中5-9月的降水量为438mm,占全年总降水量的80%。土壤种类中,山地以暗棕壤为主,谷地以草甸土为主。该区植物为长白山植物区系的一部分。从优势树种看,该局人工林以长白落叶松(Larixolgensis)为主;天然林以阔叶混交林、柞木(Quercusmongolica)林和针阔混交林为主。1.2林分类型的按径阶分布本研究的数据主要来自1999年在吉林省汪清林业局的金沟岭林场、金苍林场和浪溪林场设置的79个样地的数据。其中阔叶混交林22个,针阔混交林16个,柞木林21个,长白落叶松人工林20个。经对数据进行初步的整理分析,4种类型的林分:阔叶混交林、针阔混交林、柞木林、长白落叶松人工林的株数按径阶分布情况如图1。从图1可以看出,阔叶混交林直径径阶8cm时的株数最多,其次为10cm和6cm;针阔混交林直径径阶也是8cm时的株数最多,其次为6cm,再其次为10cm;柞树林直径径阶也是8cm时的株数最多,其次为6cm,再其次为10cm;长白落叶松人工林直径径阶在20cm时的株数最多,其次为18cm,再次为16cm;总体来看长白落叶松人工林的直径要比其他3种林分的直径偏大,而柞树林的直径要比其他3种林分的直径偏小。2学习方法2.1综合分布函数描述林分直径分布的函数很多,常见的有正态分布、Weibull分布[3~4]、负指数分布、β分布、γ分布、SB分布以及综合γ分布等分布函数。本文主要采用了正态分布、对数正态分布、Weibull分布、Gamma分布来模拟东北林区4种主要森林类型的直径分布,并对这几种方法进行分析比较,据此分析东北林区四种主要森林类型的直径分布规律。2.1.1各态曲线及对称式中:为随机变量x的数学期望;σ为随机变量x的标准差。正态曲线是一条钟形曲线:中间高、两边低、左右对称。决定正态分布的位置,σ决定正态分布的分散大小:σ愈小,分布愈集中,正态曲线呈高而瘦;σ愈大,分布愈分散,正态曲线呈矮而胖。2.1.2参数分布的稳定性Weibull分布概率密度函数为:式中:a—位置参数,这里指的是每一组中最小径阶的下限值;b—尺度参数;c—形状参数;x—组中值。当Weibull分布参数c=1~3.6时,为单峰左偏山状分布;当c<1时,为倒J型分布;当c=1时,为指数分布;当c=2时,为χ2分布;当c=3.6时,为近似正态分布;当c→∞时,变为单点分布。2.1.3密度函数曲线式中:b、p为两个正参数,其中p>0称为形状参数,b>0称为尺度参数。p>1时,Gamma密度函数是单峰,峰值位于x=(p-1)/b;1<p≤2时,其密度函数曲线是先上凸,后下凸;当p>2时,其密度函数曲线是先下凸,中间上凸,最后又下凸。当p=1时,为指数分布;当p=n/2,b=1/2时,为卡平方分布。2.1.4正态分布式中:b为随机变量log(x)的数学期望值,c为随机变量log(x)的标准差。2.2各株数的拟合与检验将正态分布、Weibull分布、Gamma分布以及对数正态分布进行实际拟合,并对他们各自的理论株数与实际株数在α=0.05的显著水平下作χ2检验,即:式中:F(xi)表示第i径阶的理论株数,S(xi)表示第i径阶的实际株数,m表示径阶数。3结果分析3.1直径分布的特征经统计分析,阔叶混交林、针阔混交林、柞树林和长白山落叶松林这4种林分的直径结构特征如表1。由表1可以看出,阔叶混交林和柞树林的最小直径都是5.10cm,针阔混交林的最小直径是5.00cm,长白落叶松人工林的最小直径是5.30cm;在这4种林分中柞树林的最大直径最大,为54.60cm,阔叶混交林的最大直径最小,为49.70cm;在这4种林分中,柞树林的平均直径最小为11.89cm,长白落叶松人工林的平均直径最大为18.24cm。它们的偏度都大于0,说明其概率分布为左偏,它们的直径分布偏向小径阶;这4种林分中,柞树林的偏度最大,所以其分布与对称分布偏离最大,说明柞树林的直径分布比其他4种林分的直径更偏向于小径阶,再次证明了柞树林的平均直径比其他3种林分的平均直径小;长白落叶松人工林的偏度最小,说明它更接近于对称分布。这4种林分的峰度都为正值,说明其峰度比正态分布峰度高;柞树林的峰度更突出一些,说明柞树林林分的直径分布很不均匀,而长白落叶松人工林的峰度最小。结合偏度和峰度可知长白落叶松人工林的直径的分布最接近于对称分布,而柞树林林分的直径分布与对称分布偏离最大。3.2林分对ga介绍-gapp不同的应用根据直径分布的特征,本文选用了正态分布、Weibull分布、Gamma分布以及对数正态分布对这4种类型的林分进行了拟合。这4种分布的未知分布参数都是利用矩法估计计算的,并且利用Forstat软件,分别利用4种林分分布模型对4种类型林分的直径分布进行模拟,结果见表2。表2中的相关性系数是利用SPSS统计软件计算的,相关性系数是实际株数和拟合的理论株数的相关性。模拟曲线与实际分布曲线的比较见图2、图3、图4和图5。由表2可知,阔叶混交林中,各分布函数的理论株数与实际株数的相关性系数Gamma分布的最大,其次为Weibull分布,说明阔叶混交林比较适合于Gamma分布;针阔混交林中,各分布函数的理论株数与实际株数的相关性系数Weibull分布的最大,其次为Gamma分布,说明针阔混交林比较适合于Weibull分布;柞树林中,各分布函数的理论株数与实际株数的相关性系数Gamma分布的最大,其次为Weibull分布,说明柞树林比较适合于Gamma分布;长白落叶松人工林中,各分布函数的理论株数与实际株数的相关性系数Weibull分布的最大,其次为正态分布,说明长白落叶松人工林比较适合于Weibull分布和正态分布,且近似于对称分布;由以上分析总体可以说明:不同的林分,所适用的拟合函数不同。从图2、图3、图4、图5中可以直观地看出:阔叶混交林Gamma分布理论株数的曲线与实际株数的曲线最相似,而正态分布理论株数的曲线与实际曲线相差最大。针阔混交林Weibull分布理论株数的曲线与实际株数的曲线最相似,而正态分布理论株数的曲线与实际曲线相差最大。柞树林Gamma分布理论株数的曲线与实际株数的曲线最相似,而正态分布理论株数的曲线与实际曲线相差最大,这同陈新美等对柞树林直径结构拟合的研究中得出的结论是一致的。长白落叶松人工林Weibull分布理论株数的曲线与实际株数的曲线最相似。所以,在阔叶混交林、针阔混交林和柞树林林分中用Gamma分布拟合直径分布更适宜,而用正态分布拟合阔叶混交林、针阔混交林和柞树林林分的直径分布效果相对较差;在长白落叶松人工林林分中用Weibull分布拟合直径分布更适宜。3.3每径阶理论株数和实际株数之差平方和后,样地各株数之差平方和后,都差下方,求均方差阔叶混交林、针阔混交林、柞树林和长白山落叶松人工林4种类型林分的直径分布模型检验结果见表3。表3中χ2值是典型样地内每径阶理论株数和实际株数之差平方和后,再由样地径阶数求均方差得到。可以看出:阔叶混交林适合于Weibull分布和Gamma分布,柞树林适合于Gamma分布,在针阔混交林和长白落叶松人工林中,2种类型的林分均是Weibull分布的χ2值最小,这初步说明用Weibull分布描述针阔混交林和长白落叶松人工林直径分布是比较适宜的。4概率分布模型拟合结果和检验结果一致表明:阔叶混交林和柞树林用Gamma分布拟合直径分布效果更好,针阔混交林和长白落叶松人工林用Weibull分布拟合直径分布效果更好。这与各分布函数的理论株数与实际株数的相关性分析得出的结论相同。由于地理条件的限制,本次所选取的样地都经过了严重的人为干扰,有可能是致使阔叶混交林、针阔混交林和柞树林的直径都偏向于小径阶的原因,而关于大范围的天然林的直径分布情况还有待进一步研究。正态分布的概率密度函数为:Weibull分布