基于節間成像技術確定林下紅松上層木調整期

叢 健

(遼寧省林業廳，沈陽110036)

紅松生長與光照關系十分密切，光因子是影響紅松生長諸因子中的主導因子［1-2］，但是在不同發育階段，紅松需要的光照條件不同。生長初期，紅松幼苗和幼樹具有一定的耐蔭性，隨年齡增長需光量逐漸增大［3-4］，耐蔭能力逐漸減弱，直至需要全光條件才能維持正常生長［5］。由于紅松幼樹生長過程中需光量逐漸增強，應及時撫育、逐漸加大透光伐的強度，以滿足紅松幼樹生長的需要［2，6］，因此科學確定紅松林分調整時期成為亟待解決的首要問題。科學合理確定紅松人工林透光撫育時期，能夠優化樹種和徑級結構，提高紅松闊葉混交林結構的穩定性，為群落正向演替提供良好的環境基礎［7-8］。關于撫育時期的確定目前主要依據胸徑大小、營林經驗或徑向生長等方面［9-10］，且多數研究認為林分的調整時期應該在10～15 a［10-12］。

節間生長在單子葉植物中普遍存在，在禾本科植物中尤為典型，尤其是植物的節間分生組織與節間生長曾有過許多研究和記載［13-14］。近年來對多年生竹類植物也展開了相關研究［15］。利用節間反映針葉樹生長情況的相關研究較少，且主要集中在反映立地質量方面的研究［16-17］。紅松生長初期主要以樹高生長為主，以樹高生長量來判斷紅松林分調整時期的研究目前尚無報道。本研究通過建立紅松實測樹高與根據節間長度讀取樹高的回歸方程，用紅松樹高年生長量來判斷冠下栽植紅松的調整時期，為次生林冠下栽植紅松的撫育提供研究方法和理論依據。

1 研究方法

1．1 研究區域

研究地點位于黑龍江省尚志市境內的東北林業大學帽兒山實驗林場，屬張廣才嶺西坡小嶺余脈，地理位置 127°30'～127°34'E，45°21'～45°25'N，平均海拔300 m，屬溫帶大陸性季風氣候區。年平均氣溫2．8℃，極端最高氣溫38．0℃(7月份)，極端最低氣溫-37．3℃(1月份)，年平均濕度70%，年平均降水量723．8 mm(集中在6～8月)，年蒸發量1 093．9 mm，年日照時數 2 471．3 h，無霜期120～140 d。地帶性土壤為暗棕壤。次生林主要以槺椴、色木、柞樹、水曲柳和榆樹等為主。

1．2 樣地設立

選擇次生闊葉樹與人工紅松處于相持狀態的紅松闊葉樹人工混交林作為試驗林分，1989年于次生林下營造的紅松林。紅松的初植密度為2 500株/hm2，造林后3 a內均進行了幼林撫育，其后未進行林分調整。林分中紅松平均地徑是3．78 cm，于2004年設立樣地，選取林分中直立生長的紅松50株編號掛牌，對紅松進行跟蹤調查。

1．3 調查方法

1．3．1 紅松樹高

從2004年到2009年，每年11月份使用同一型號塔尺對所有編號的紅松樹高進行測量，記錄備案。

1．3．2 照片采集和數據讀取

2010年6月，使用Nikon D70數碼相機對紅松進行數據圖像采集，將圖片導入電腦備用。照相時，塔尺直立于紅松前方，與紅松主干保持平行，枝條要擋在塔尺后面，以保證讀數精確。

使用Photoshop 7．0軟件對紅松相片數據進行讀取，利用紅松節間長度的特點逐級讀數，梢頭視為2010年的生長量，從第一個輪枝節點的高度開始讀數，記為2009年紅松樹高，第二輪枝節點的高度記為2008年樹高，依此類推，數據讀到1999年。根據節間長度的生長量來衡量樹高生長狀況，結合本研究在固定樣地的連年數據，對相持狀態紅松實測樹高和照片讀取樹高進行相關性分析。

1．4 相關參數及數據處理方法

本研究對節和節間的定義為:樹干上著生枝的部位稱為節(node)，相鄰兩節之間的無葉部分稱為節間(internode)，紅松節間長度指兩個輪枝間的長度。

利用Excel 2007進行數據整理與繪圖，采用SPSS 13．0軟件利用Linear中stepwise變量選擇方法對相持狀態紅松實測樹高和照片讀取樹高進行回歸分析與檢驗。

2 結果與分析

2．1 回歸模型的建立

基于每年所測定的紅松樹高與根據節間長度在照片中讀取的數據間的關系，依照時間序列，即照片上反映紅松樹高的節間長度由上而下，對二者進行線性回歸，如圖1所示，回歸模型如下:

式中:y為測量的紅松樹高，m;x為照片中根據節間長度讀取的紅松樹高，m，a和b為參數。

圖1 紅松樹高與照片中讀取樹高的回歸模型Fig．1 Height fitting between actual measurement in the field and interpretation from images

測量紅松樹高的生長情況與根據節間長度在照片中讀取的數據的建模結果見表1。共建立6個模型，模型1使用2009年紅松測量樹高與照片中根據節間長度讀取的紅松樹高間建立的線性回歸模型，模型2使用2008和2009兩年紅松測量樹高與照片中根據節間長度讀取的2008年和2009年紅松樹高間建立的線性回歸模型，模型3使用2007～2009年紅松測量樹高與照片中根據節間長度讀取的2007～2009年紅松樹高間建立的線性回歸模型，模型4使用2006～2009年紅松測量樹高與照片中根據節間長度讀取的2006～2009年紅松樹高間建立的線性回歸模型，模型5使用2005～2009年紅松測量樹高與照片中根據節間長度讀取的2005～2009年紅松樹高間建立的線性回歸模型，模型6使用2004～2009年紅松測量樹高與照片中根據節間長度讀取的2004～2009年紅松樹高間建立的線性回歸模型(見表1)。

由R2值判斷，紅松樹高與照片中讀取樹高均為極顯著的正相關關系，利用節間長度在照片中讀取的樹高數據可以反映紅松樹高生長情況的。

表1 線性回歸模型摘要Tab．1 Selective linear fitting model between actual measurement and interpretation from images

2．2 模型的應用

利用紅松樹高模型和根據節間長度在照片上的讀數計算2000年到2009年紅松樹高，見表2。各個模型計算的2004～2009年紅松樹高變化趨勢與測量的紅松樹高的變化趨勢一致，預測的2000～2003年紅松樹高的變化趨勢也全部一致，因此所有模型均可以計算紅松樹高生長(見表2)。模型2、模型3和模型4模型計算2000～2003年紅松樹高年生長量的結果完全相同，其中模型2和模型4對2004～2009年紅松樹高的模擬與實際測量樹高結果最接近，所以本研究采用模型2、模型4模型計算2000～2003年紅松的樹高生長量。

表2 紅松樹高模型計算結果Tab．2 Height of korean pine calculated by using the models

2002年紅松樹高年生長量達最低值，為0．087 m，低于相鄰年份紅松年生長量13%，2001年和2003年紅松樹高年生長量一致，均為0．100 m，2004年紅松樹高年生長量有所下降，為0．097 m，2005年紅松樹高年生長量升高到0．108 m，隨后逐年遞增，2007年紅松樹高年生長量達最高點，為0．120 m，2008年紅松年生長量出現第二個相對低谷，低于近兩年紅松的年生長量，到2009年紅松樹高年生長量增至0．113 m，如圖2所示。因此，在2001年末或2002年初和2007年末或2008年初對林分進行透光撫育是科學的調整時期。

圖2 紅松樹高年生長量Fig．2 Annual height growth of korean pine

3 結論與討論

研究表明利用節間長度可以估算紅松樹高生長。紅松樹高是由數個節間的長度決定的，根據節間長度原理，使用數碼相機成像技術，利用紅松樹高生長與根據節間長度在照片中讀取的樹高間的關系，建立了極顯著的線性回歸模型。根據模型生成紅松樹高生長量變化曲線，樹高在2002年和2008年進入生長緩慢期，因此需要更多光照來改善生長環境，即需要調整上層木。驗證了在次生林下，紅松初植密度為2 500株/hm2時，林分調整時期第一次應該在第十三年末或十四年初，第二次應該在第十九年末或二十年初。

關于冠下紅松造林撫育適宜時期的研究很多，包括根據胸徑大小來確定撫育時期［9］，大部分研究認為第一次撫育時期應該在10～15 a［10-12］，根據多年紅松人工林透光撫育實踐總結，紅松造林最好采用2 m×2 m規格，初植密度每公頃2 500株。如果造林后5 a，保存率在90%以上，林齡10～12 a時應進行第1次透光撫育;林齡18～20 a時進行第2次;林齡24～26 a時進行第3次;林齡31～35 a時進行第4次為宜［18］。有研究從徑向生長量分析紅松幼樹生長光需求，認為紅松在12 a生時需要對其進行透光撫育［9］，本研究與其結果相近。

撫育時期的確定對紅松的生長發育至關重要，撫育過早會耗費人力和財力，撫育過晚影響紅松的生長發育。基于節間成像技術確定林下紅松樹冠調整期的優點在于無需破壞性取樣，操作簡單，減少野外工作量，讀數直觀、可靠。

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