基于GreenLab结构—功能模型的油松随机形态结构模拟及个体竞争效应研究

发布时间：2017-11-07 02:02

  本文关键词：基于GreenLab结构—功能模型的油松随机形态结构模拟及个体竞争效应研究

  更多相关文章： 油松 GreenLab 结构-功能模型随机形态模拟混合效应模型竞争效应采伐模拟

【摘要】：结构-功能模型，是指能明确表达由生理过程和环境因子调控的植物三维结构生长和变化的一类模型。它既考虑了林木的形态结构，又考虑了其生理生态过程，能描述林木各器官的三维动态的生长和拓扑结构的发展，并且可以考虑环境因素的影响。目前该模型主要应用于单木的模拟，缺少在林分层次的应用研究及森林经营的结合。本研究以我国北方主要针叶树种油松(Pinus tabulaeformis)为对象，基于16株实测的油松数据，在GreenLab结构-功能模型框架内，建立了油松形态结构的随机模型，模拟了油松个体在不同发育阶段的随机形态；建立了异速生长的混合效应模型，更真实地反映了油松的异速生长规律和参数在树木之间及内部的变异性；建立了包含竞争和随机形态参数的结构-功能模型，获得了GreenLab结构-功能模型参数与年龄之间的关系规律，定量研究竞争对油松形态及生物量生产和分配过程的影响，并对采伐进行了模拟。 1）建立了油松叶面积和比叶面积的估计模型。叶面积和比叶面积是GreenLab结构-功能模型中的重要参数。本文通过winSEEDLE种子和针叶图像分析系统获得油松522个单个针叶的表面积LA、针叶长度L、针叶宽W、针叶周长P，分别建立了以针叶长、针叶宽、针叶周长等形状属性为自变量的叶面积估计模型和以针叶干重为自变量的叶面积估计模型。通过对算术平均法、比估计法、最小二乘法三种方法的比较，得到油松的比叶面积为0.708m2/kg。 2）建立了包含随机效应的油松节间异速生长模型。异速生长模型是GreenLab结构-功能模型中的一部分，它可以提供节间的形状参数与比例参数。本研究考虑树木之间以及各级枝枝与枝之间的存在的差异，建立了不同生理年龄的节间异速生长的混合效应模型。通过AIC与BIC指标选出最优的混合效应模型。与基础模型相比，混合效应模型的决定系数R2一级枝节间提高了27.84%,二级枝提高了31.59%,三级枝提高了24.53%，大大提高了节间异速生长模型的精度。通过形状参数和比例参数的随机效应的方差发现,在树木水平节间异速生长的差异性要大于分枝水平，一级枝水平上的差异要大于二级枝，说明随着分枝级别的增加，节间的差异性有所下降。因此需要建立单个分枝和单株木的异速生长模型，更真实地反映油松节间的生长规律和随机效应。 3）建立了油松形态结构的随机模型，模拟了油松个体在不同发育阶段的随机形态。树木由于受到环境的影响，形态结构相当复杂，生长过程会出现一些随机性，如芽的休眠、生长、死亡等，分枝的出现的时间以及死亡等。本文主要通过主干及各级枝节间的生长概率、生长节律、分枝概率、分枝的死亡概率以及芽的存活概率等参数来构建油松的随机形态结构，参数的求解主要是通过分枝节间数的均值以及之间的方差等统计量获得；通过参数主干及各级枝节间的生长概率、生长节律结合实测主干及各级枝的节间数，可以得到主干及各级枝的节间数量，通过分枝概率以及分枝的死亡概率得到油松的分枝情况，从而得到油松的形态结构。结果显示随着分枝级别的增加，分枝的生长概率和分枝概率均有所下降，随着年龄的增加，除了主干的生长速度基本不变外，主干及各级枝的分枝概率以及各级枝的生长概率均呈现先增加后减小的趋势，模型可以合理并较为逼真地描述油松的随机形态结构。 4）通过拟合不同年龄不同密度油松的GreenLab结构-功能模型，获得了相应的参数，拟合结果表明模型对于主干节间生物量、针叶生物量以及主干节间长度的拟合效果较好，决定系数均在0.7以上。主干节间直径的模拟值比实际值要高，这可能是由于模型对于次生生长汇强参数的估计有所偏差造成的。模型输出了与森林经营直接相关的单木树高、胸径、冠幅以及冠长，其拟合值和实际值的决定系数分别为0.85、0.65、0.82和0.91，拟合效果较好。 5）分析了油松GreenLab结构-功能模型参数随年龄的变化规律，建立了油松年龄与结构-功能模型参数之间的关系模型。对油松的结构和生物量生产和分配进行了预测。通过经验模型得到的幼龄到成熟油松的总生物量、树干生物量、枝以及针叶生物量,与由GreenLab结构-功能模型模拟得到相应年龄油松各生物量，二者之间的决定系数分别为0.80、0.56、0.92和0.91,模型的预估效果较好。 6)分析了不同年龄不同密度的油松林分竞争单元内对象木与竞争木在形态上和生物量上的差异，包括主干及各级枝最后一个节间的平均长度、平均直径、平均重量、树木分枝的活枝数、死枝数、分枝的总生物量以及其上针叶的总生物量等的；GreenLab结构-功能模型的模拟结果显示，对象木与竞争木的植株投影面积、各节间以及针叶的汇强、次生汇强等参数有很大差异，从而影响了结构-功能模型中生物量的生产与分配，导致竞争木与对象木在形态和生物量方面有很大差异。根据模型输出的形态信息和生物量信息与实测数据检验得到各级枝最后一个节间的平均长度、平均直径以及平均重量的决定系数均大于0.5，分枝的活枝个数的模拟的决定系数为0.93。活枝生物量与针叶生物量的决定系数分别为0.91和0.89，说明GreenLab结构-功能模型可以很好的模拟树木之间的竞争效应。 7）建立了经验模型中的竞争指数-生存面积指数与结构-功能模型中的竞争指数植株投影面积之间的关系模型，利用GreenLab结构-功能模型模拟了采伐对形态结构和生物量生产和分配的影响。模拟结果表明：采伐2株竞争木与1株竞争木相比，，对象木的总生物量、树高、胸径、冠幅、冠长以及活枝个数的生长量均大于采伐1株竞争木。采伐改变了对象木的植株投影面积，对GreenLab模型中的生物量的生产方程产生影响，增加了树木的生物量的生产，从而导致导对象木的总生物量、树高、胸径、冠幅、冠长以及活枝个数的增加，研究为基于结构-功能模型的森林经营决策提供了方法和依据。
【学位授予单位】：中国林业科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：S791.254

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本文编号：1150341