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美国森林植被模拟系统(FVS)在北京地区人工林上的应用研究

刘平  
【摘要】: 本文在引进、消化和吸收美国森林植被模拟系统(Forest Vegetation Simulator,简称FVS)的基础上,以北京地区两个主要树种油松和侧柏为例对FVS在中国的应用进行个案研究,探索出一套适用于我国主要人工林树种的单木生长与收获模拟预测体系,为逐步构建全国性的森林植被模拟系统奠定基础,也为指导我国人工林的合理经营提供参考。基于此模拟系统可根据实际情况对林分的生长做出准确的诊断,从而达到科学干预林分生长的目的。本文研究的主要内容包括:(1)FVS模拟体系的研究;(2)中国FVS生长与收获模型的研究;(3)中国FVS模拟系统的研究。其主要研究结果如下: 1、FVS模拟系统的研究。FVS是美国林务局70年代开发出来的一套森林植被模拟系统,目前仍在不断地更新发展。该模拟系统的主要功能是评估林分当前的生长状况、预测不同经营管理措施下林分未来的动态变化、评价病虫害和林火对林分所产生的影响及其评估林分作为野生动物栖息地的适宜性。该模拟系统根据美国森林植被分布特征,划分成20多个不同的区域变量。本文通过对FVS南方变量进行解剖发现,该模拟系统主要由输入系统、数据转换器、图形用户界面、森林生长与收获模型、文件输出处理器、林分可视化系统、关键字系统和扩展模块等部分组成,森林生长与收获模型是其中的核心部分。FVS生长与收获模型主要包括直径生长模型、树高生长模型、枯损率模型、树冠动态变化模型和材积模型。通过解读软件源代码找出各生长模型的具体形式和参数,并了解各模型参数的校正方法。另外,对FVS进行大量的案例分析,熟悉了FVS的运行流程、FVS模拟所需数据要求、FVS输出文件类型及其各种关键词的应用。然后,利用北京市固定样地复位数据,按照软件要求的格式规范录入后,设定不同的经营措施对某一林分或多个林分进行模拟,从中找出该模拟系统引入中国后模拟中国森林资源清查数据及森林经营措施中存在的问题,并找出相应的解决办法,为FVS模拟系统在中国的应用研究找到一个良好的结合点和突破口。 2、中国FVS生长与收获模型的研究。在充分研究FVS模拟系统的基础上,找出FVS模拟系统中树木主要的生长与收获模型,结合中国森林资源调查数据的特点,构建并校正了树冠动态变化模型、单木直径生长模型、单木树高生长模型、单木直径-树高模型和单木枯损率模型。并以北京两个主要树种油松和侧柏作为案例对模型参数进行了校正并对其精度进行了评价。 树冠动态变化模型主要探讨树冠率模型、树冠宽模型和树冠体积、表面积和生产效率模型。其中油松、侧柏树冠率采用Weibull函数拟合其分布状态,并采用未参加建模的样地对所建的模型进行检验,发现该方法在预测油松、侧柏不同林分密度下的树冠率分布是可行的。油松和侧柏树冠宽采用4种模型进行拟合,精度最高的是线性模型,分别为CW=-0.311+0.28×DBH和CW=0.734+0.174×DBH。本文借鉴国外使用树冠因子评价林分健康的方法,尝试采用树冠顶梢枯死和树冠密度两个指标对西山林场魏家村分场的油松和侧柏林分进行了评价,研究发现油松和侧柏绝大多数林木的树冠顶梢枯死和树冠密度都在美国森林健康监测(FHM)定义的较好范围之内,因此认为西山林场魏家村分场内的油松和侧柏林分总体上是健康的,但是有一部分油松林木的树冠顶梢枯死比较严重,需采取有效措施进行控制。另外,本文还通过树冠体积、表面积和树冠生产效率来评价林分健康,并探讨这三个树冠指标在单木水平和林分水平上的分布规律,及其这些指标在单木和林分尺度上与林木胸径和林分因子之间的关系,开发出树冠复合指标预测模型CROWN=bo+b1DBH+b2BA,并在单木水平和林分水平上对其参数进行了校正。此外,把这几个树冠复合指标观测值统计分布的5%作为树冠J下常与否的统计临界点,发现当林分平均CCV1.08m3或CCSA7.22m2或CEFF1.33时,认为该林分是健康的。 直径生长模型在FVS模拟系统中都采用了多元线形回归方法来预测直径生长量,因此,本文也采用该方法来拟合油松、侧柏直径生长,建立了单木定期直径生长量与立地条件、树木大小和竞争因子等之间的回归方程,其相关系数R2分别为0.602和0.699,达到极显著水平。在构建直径生长方程之前,本文编制了适用北京地区油松、侧柏的地位指数表,该地位指数表经油松、侧柏解析木数据进行检验,发现所反映的树高生长过程与解析木树高生长过程无显著差异,因此该地位指数表能应用于各生长模型的预测。 本文采用6种理论生长方程,Logistic方程、Richard方程、Weibull方程、Korf方程、Schumacher方程和Mischerlich方程来拟合油松、侧柏单木树高生长。比较发现修正后的Logistic方程y=β1SIβ2/1+exp(b-(β3+β4LN(SI))x)式预测精度最高,对其模型预测的残差进行分析,发现其预测精度可适用于对不同立地条件下的油松、侧柏树高生长进行模拟。 林木枯损率模型也是生长与收获模型系统中重要的方程之一,本文在综合前人研究的基础上,使用Logistic模型,采用DBH、1/DBH、DBH2、BAL、DBH2/BA和BA指标为自变量,较好地预测了油松、侧柏中幼人工林的林木枯损率,使用检验数据对所建模型进行评价,发现林木枯损率观测值与预测值之间无显著差异。 3、中国FVS模拟系统的研究。充分研究FVS模拟框架体系,分析其模拟体系在二次开发中的利弊,针对FVS模拟体系在修改生长与收获模型及其动态调整参数上的复杂性,为了使其能够在实践中获得广泛的应用和简化模型修改过程,克服FVS框架所存在的缺陷。因此,本文基于FVS模拟体系上构建油松、侧柏生长动态模拟体系,尝试采用一种新的框架体系Agent,利用XML群分布运算模型作为运算Agent的基本属性。这样构建起来的新的FVS模拟框架体系可以大大简化FVS系统各生长方程的修改过程,同时也加快了运算过程,使其进一步智能化,为FVS的进一步推广应用创造条件。将已建立好的油松、侧柏生长与收获模型输入到新的FVS模拟体系中,对油松和侧柏林分进行动态模拟,模拟结果显示,所建立的模型对于油松侧柏中幼人工林的直径生长、树高生长和材积生长都表现出很高的模拟精度,因此可以在实践中进行应用。


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