立地质量及林分密度.docx
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立地质量及林分密度
第4章立地质量及林分密度
[本章提要]林分生长量和收获量的高低除与林地固有的生长潜力及其生长潜力的充分利用程度有关系外,还与林分年龄（异龄林的年龄分布）、林分经营措施（如施肥、疏伐等）等因子相关。
因此，本章将重点介绍立地质量的概念及其评价方法，以及林分密度对林分生长的影响。
同时，也简要地介绍了地位指数表的编制方法和单木竞争指标，为研究林分生长收获预估模型奠定基础。
4.1立地质量及立地质量的评价方法
4.1.1立地和立地质量
立地（Site）和立地质量（SiteQuality）是两个既有联系又有区别的概念。
立地在生态学上又称作“生境”，指的是“林地环境和由该环境所决定的林地上的植被类型及质量”（美国林学会，1971）。
更确切地说，立地是森林或其他植被类型生存的空间及与之相关的自然因子的综合（马建路，1993）。
它有两个含义，第一，立地这个词具有地理位置的含义；第二，它是指存在于一个特定位置的环境条件（生物、土壤、气候、地文）的综合（ClutterJ.L.,1983）。
因此，可以认为立地在一定的时间内是不变的，而且，与生长于其上的树种无关。
但是，立地质量则指在某一立地上既定森林或者其他植被类型的生产潜力，所以立地质量与树种相关联，并有高低之分。
一个既定的立地，对于不同的树种来说，可能会得到不同的立地质量。
立地的调查应包括两个内容，一个是立地的分类，一个是立地质量的评价。
一般来说，具体的森林经营工作总是针对一定的树种和一定的地理区域而言的，因此，在测树学中关于这部分内容是以立地质量评价为主。
4.1.2立地质量评价方法
评价立地质量的方法很多，总的来说可分为两大类，即立地质量的直接评定法及间接评定法。
4.1.2.1直接评定法
直接评定法（methodofdirectevaluation）指直接用林分的收获量和生长量的数据来评定立地质量，又可分为：
⑴根据林分蓄积量（或收获量）进行立地质量评定
①根据固定标准地的长期观测或历史记录资料的评定方法。
②利用正常收获表的预估数据的评定方法。
⑵根据林分高进行立地质量评定
对于许多树种，生长在立地质量好的林地上，其树高生长快。
换句话说，对于这些树种，材积生产潜力与树高生长成正相关。
在同龄林中，根据较大林木树高生长过程所反映的材积生产潜力与树高生长之间的关系，受林分密度和间伐的影响不大，因此，根据林分高估计立地质量的方法视作评定立地质量的一种最为常用且行之有效的技术。
4.1.2.2间接评定法
间接评定法（methodofindirectevaluation）是指根据构成立地质量的因子特性或相关植被类型的生长潜力来评定立地质量的方法，具体方法有：
⑴根据不同树种间树木生长量之间的关系进行评定的方法。
⑵多元地位指数法。
⑶植被指示法。
以上简要地介绍了立地质量的评定方法，当采用直接评定法时，要求生长在这一林地上的目的树种至今一直存活着，否则，只能采用间接评定方法。
4.1.3立地质量的直接评定方法
4.1.3.1根据林分蓄积量或收获量评定立地质量
林分蓄积量是用材林经营中最关心的指标之一，直接利用林分蓄积量评定立地质量既直观又实用。
但是，由于影响林分蓄积量的因子不仅仅是立地质量，因此，采用这种方法时应将林分换算到某一相同密度状态下才为有效，否则，评定结果是难以置信的。
另外，这种评定方法一般适用于同龄林。
⑴利用固定标准地或根据林分蓄积量的历史记录评定立地质量
利用固定标准地的蓄积量测定记录，可以得到林分蓄积量及其生长量，将其换算为某一标准林分密度状态下的蓄积量和生长量，即可以评定、比较林分的立地质量。
对于森林经营历史较长、经营集约度高的地区，它是一种较好的评定立地质量的方法，尤其是在不同的轮伐期对同一林地上生长的不同世代的林分，采用相同的经营措施条件下，这种方法是非常直观和实用的。
例如英国的人工林经营体系中，就是利用林分蓄积量和生长量评定林分生长潜力的收获级和产量级。
⑵利用正常收获表的蓄积量估计值评定立地质量
正常收获表列示出林分充分利用林地潜力时林分所能达到的蓄积量及其生长量，依据正常收获表中的蓄积量可以评定现实林分立地质量的高低。
使用时，需根据现实林分的年龄、蓄积量及其林分疏密度，换算为正常林分的蓄积量；再由正常收获表即可求出该林分在不同年龄时可能达到的最大蓄积量，这样就可以评定及比较林分间的立地质量高低。
在比较不同林分的立地质量时，需以同一年龄时的蓄积量作为比较的依据。
例如，在美国，利用林龄为１０年时的每公顷蓄积量作为评定立地质量的特定统计量。
这种方法的实用性和有效性取决于有无合适的正常收获表。
4.1.3.2利用林分高评定立地质量
林分树高生长扇形分布相关法则
由于生态、气候等随机因素的影响，使得林分树高（包括优势树高）生长是一个随机过程，这个过程可用林分树高生长的全体样本函数空间表示。
在林分树高生长样本函数空间中，林分立地质量因子的作用是不容忽视的，这个立地质量因子不能看成随机因子，随着林分年龄的增大，它对林分树高生长的影响而逐渐明显。
这种因立地质量引起树高生长绝对差异随林分年龄增大而加大，使得树高方程生长的样本函数簇呈扇形分布的现象，称为林分树高生长扇形分布相关法则。
林分树高生长呈扇形分布，奠定了地位指数曲线簇的生成法则的基础。
同时，也为利用基准年龄的确定提供了理论依据。
另外由于树高易于测定，而且受林分密度影响较小，因此，利用林分高已成为林业上最常采用的评定立地质量的方法。
在利用林分高评定立地质量的方法中，又依所使用的林分高不同而分为地位级法和地位指数法。
⑴地位级法
地位级（Siteclass）是反映林地生产力的一种相对度量指标，它是依据林分条件平均高与林分平均年龄的关系，按相同年龄时林分条件平均高的变动幅度划分为若干个级数，通常为5—7级，以罗马数字Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、……符号依次表示立地质量的高低，将每一地位级所对应的各个年龄时的平均高列成表，称为地位级表（如表2—4）。
使用时，先测定林分的平均年龄和林分条件平均高，据此可由地位级表中可查出该林地的地位级。
如果是复层混交林，则应依据主林层中的优势树种来确定地位级。
⑵地位指数法
地位指数（Siteindex）是指在某一立地上特定基准年龄时林分优势木的平均高度值。
依据林分优势木平均高与林分优势木年龄的关系所编制的表称作地位指数表（如表4—4）。
其基本原理是根据各不同林分在某一特定年龄（基准年龄或标准年龄）时的优势木平均高作为评定林地立地质量高低的依据。
这种评定立地质量的方法最早产生于美国，美国学者布鲁斯（Bruce，1926）在编制南方松收获表时首次采用了50年优势木平均高作为地位指数值。
关于基准年龄（亦称作标准年龄、指示年龄、基础年龄等）（ReferenceAge、Key Age）的确定，至今尚无统一的方法，一般综合考虑以下几个方面：
①树高生长趋于稳定后的一个龄阶。
②采伐年龄。
③自然成熟龄的一半年龄。
④材积或树高平均生长最大时的年龄。
一般以１０年为单位，大多以20、30、40、……作为基准年龄，如实生杉木的基准年龄为20年。
有关我国主要树种（人工林）的标准年龄的确定，可参阅《林业专业调查主要技术规定》，1999.中国林业出版社）。
克拉特（ClutterJ.L.,1983）指出，对于许多树种，在实际工作中选择什么年龄作为基准年龄，评定的立地质量的优劣结果并没有什么差异。
关于在标准地中确定测高优势木的方法及测高优势木的株数，作法也不尽相同，大致有如下几种：
①在林分中测定所有上层木的树高，求其算术平均值作为优势木平均高。
②在每100m2面积的林地上测一株最高树木的树高，以整个标准地或样地内所选测树木树高平均值作为优势木平均高。
③在林分中测定20株以上的优势木（含亚优势木），以其平均值作为优势木平均高。
④测定3～6株均匀分布在标准地或样地内的优势木树高，以其平均值作为优势木平均高。
与地位级法相比，地位指数是一个能够直观地反映立地质量的数量指标，而地位级则只能给予相对等级的概念。
另外，优势木高受林分密度和树种组成的影响较小，并且优势木平均高的测定工作量比林分条件平均高的测定工作量小，因此，地位指数成为比地位级更常采用的评定立地质量的方法。
对于没有受到显著人为干扰的林分，使用地位级或地位指数两种方法评定立地质量，两者没有明显的差异。
但是，地位级法不适用于采用下层抚育伐的林分，地位指数法不适用于采用上层抚育伐（“拔大毛”式）的林分。
若林分受人为干扰较少时，林分条件平均高与林分优势木高之间存在着显著的线性相关，如张少昂（1986）对兴安落叶松天然林各种不同密度林分的优势木高与其条件平均高之间的关系进行了研究，不仅优势木高与条件平均高之间存在着密切的线性相关，而且其相关性与林分密度大小无关。
需要指出，从理论上来说，利用地位指数确定立地质量时，要求决定地位指数的优势木应在其整个生长过程中均应处于优势位置。
⑶多型地位指数曲线
地位指数表是以导向曲线为依据编制的，而导向曲线又是根据优势木平均高与年龄之间的关系即优势木高的平均生长过程推出的。
这种方法假设所有立地条件下优势木高的生长过程曲线形状都相同，因此，这种地位指数曲线又被称作同型（或合成）地位指数曲线。
在这种曲线簇中，对于任意两条曲线，一条曲线上任意年龄的树高值与另一条曲线上同一年龄的树高值成一定的比例关系（如图4—4）。
然而许多研究表明，并非所有立地上的优势木高生长曲线都有相同的趋势（如图4—1）。
根据这种非同型的树高曲线簇的性质，可分为分离形的多形相交曲线簇和交叉形的多形相交曲线簇两类（图4—2）。
因此，从20世纪60年代开始出现了多形地位指数曲线（polymorphicsitecurve）。
利用多型地位指数曲线确定地位指数时，不仅根据优势木平均高，还要引入其它反映立地条件的因子，结合起来评定立地质量。
在这里，引入其它反映立地或立地质量因子的目的，在于利用这个因子将多形树高生长曲线簇转化为若干个同型的树高生长曲线簇。
如Zahner（1962）利用林分的土壤条件作为辅助变量，将一个火炬松的多形地位指数系统分解成３个独立的地位指数方程，即黄土土壤、下层分解良好的非黄土土壤及下层分解差的非黄土土壤３种土壤类型的地位指数方程。
马建路（1993）以红松林型为辅助变量，将红松林地位指数分成五类（即林型）。
在使用这样的地位指数表（或图）时，需要先确定辅助变量，然后决定选用哪种树高曲线图或方程来导出地位指数。
*4.2地位指数表和地位级表的编制
*4.2.1同型地位指数表的编制方法
以全国杉木专业调查福建试点技术总结资料为例，介绍利用树高调整法编制地位指数表的简要方法及过程。
*4.2.1.1资料收集
⑴确定标准地的数量
根据未来用表地区范围的大小及该预定编表树种的生长状况，确定标准地的数量，一般在300块以上为宜，使标准地覆盖本地区各种立地条件（如地形、地势、坡度、坡向、坡位或各种土壤类型）及各个年龄。
⑵标准地选设条件
①标准地设置在同一起源的同龄纯林分中（编表树种占８成以上）。
②林分疏密度0.4以上的林分中设置。
③标准地均匀分布在各种立地类型及各年龄的林分中。
⑶标准地的形状、面积及调查同第2章第2.2节。
⑷选测优势木
选测优势木的方法很多，原则上，编表与使用表时选测的方法应一致，当前多采用每100m2选测一株优势木。
根据我国试验的结果，认为每个标准地内选测３株优势木树高，其平均高作为优势高的效果较好。
⑸选伐解析木
各标准地内选伐平均优势木和平均木各一株作树干解析。
*4.2.1.2资料整理
将标准地调查结果，按龄阶（组）分别统计计算出平均年龄和优势木平均高，以下式计算各龄阶（组）的树高标准差：
（4—5）
式中：
Ｓi——第i龄阶（组）树高标准差；
Ｈij——第i龄阶（组）中第j株优势木树高（j＝１,2,…ni）；
ni——第i龄阶（组）中优势木株数或标准地数。
各龄阶（组）以平均优势木高为准，以３倍树高标准差为范围（即
±３Ｓi）剔除本龄阶（组）内数据异常的标准地或优势木。
之后，以龄阶（组）为单位，重新整理、统计、计算平均年龄（
）、平均优势高（
）及标准地数量或优势木株数（ni），作为拟合地位指数导向曲线的数据。
*4.2.1.3导向曲线的拟合
在林分优势树高生长曲线簇中，有一条代表在中等立地条件下，林分优势树高随林分年龄变化的平均高生长曲线，这条曲线称作导向曲线（guidecurve），亦称主曲线或平均指数曲线。
它的图形近似呈“Ｓ”形，常用的拟合这条曲线的数字模型有：
对数双曲线式lg（H）=a+b/A
对数曲线式lg（H）=a+blg（A）
H=a+blg（A）
抛物线式H=a+b（A）+c（A2）
单分子（Mitscherlich）式
里查兹（Richards）式H=
双曲线式H=a+b/A
式中：
Ｈ——林分优势木平均高；
Ａ——林分年龄；
a、b、c、m——待定参数，但在单分子式和里查兹式中a为树高生长极大值（Hmax）；e——自然对数底；
lg——常用对数符号。
根据标准地整理资料，采用最小二乘法或非线性拟合技术，拟合导向曲线。
例如，根据福建杉木实生林树高生长资料，拟合得到最优的导向曲线方程为：
Ｈ＝16.15274lg（A）-5.63855 （4—6）
*4.2.1.4基准年龄及地位指数级距的确定
在导向曲线已确定的基础上，以基准年龄的导向曲线值（即将基准年龄（Ａ0）代入导向曲线（4—6所得到的H0）为准，按指数级距展开得到各级地位指数曲线。
基准年龄（A0）及指数级距（Ｃ）的确定方法如下：
⑴基准年龄（A0）的确定
确定基准年龄（A0）的目的是寻找树高生长趋于稳定且能灵敏反映立地差异的年龄。
根据前面所述的确定标准年龄原则，结合本例的标准地Ｎ＝311块资料，利用ＣＨ＝a+blg（A）计算出各龄阶树高变动系数的理论值（示于表4—1），由表4—1中可看出，15年前树高相对变动较大，到20年左右时树高生长趋于稳定。
并且，杉木培育中径级材的轮伐期为20～30年，综合上述因素考虑，将杉木的基准年龄定为20年（即A0＝20年）。
表4—1 杉木各龄阶树高变动系数
龄阶
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
30
树高的的标准差S
平均树高
树高变动系数CH
整列后树高变动系数
1.09
4.1
26.5
26.5
1.54
6.9
22.3
23.8
1.85
8.9
20.7
22.0
2.09
10.5
20.8
20.5
2.29
11.8
19.4
19.6
2.49
12.9
19.1
19.1
2.61
13.8
18.9
18.9
2.74
14.6
18.8
18.6
2.85
15.4
18.5
18.4
2.96
16.1
18.4
18.4
3.05
16.7
18.3
18.3
3.14
17.2
18.3
18.3
3.22
17.7
18.2
18.2
3.30
18.2
18.2
18.2
⑵指数级距（Ｃ）的确定
依据该地区编表树种在基准年龄时，树高绝对变动幅度（ΔＨ）及经营水平确定指数级距（Ｃ）及指数级个数（k），一般指数距1～4m，指数级个数以１０个左右为宜，并可以用下式概算出指数级距：
（4—7）
我国多采用１或２m为指数级距，本例杉木地位指数级距Ｃ＝2m。
*4.2.1.5地位指数表的编制
以导向曲线为基础，按标准年龄时树高值和指数级距，采用标准差或变动系数调整法，可形成地位曲线簇（即树高生长曲线簇）。
变动系数调整法
该方法与标准差调整法的原理、过程基本相同，其结果也基本一致。
此方法的调整过程不再赘述，仅将所利用的公式列示如下：
调整系数
（4—12）
树高值调整式为：
Hij=Hik（1±Kj·CＡi） （4—13）
式中：
Hij——第i龄阶第j指数级调整后的树高；
Hoj——基准年龄时第j指数级的树高；
Hik——第i龄阶的导向曲线树高；
Hok——基准年龄时导向曲线树高；
CAo——基准年龄所在龄阶树高变动系数理论值；
CAi——第i龄阶树高变动系数理论值。
图4—4地位指数曲线簇
*4.2.2地位级表的编制方法
地位级表是依据林分平均高与林分平均年龄关系编制的，其编制原理、方法及过程基本上与编制地位指数表相同。
主要的区别有二，即根据的指标不同和表达立地质量的方式不同。
因此，这里仅简要介绍采用数式法编制地位级表的过程。
采用数式法编制地位级表时，仍要根据标准地调查资料绘制林分平均高与平均年龄的散点图，依据散点分布状况和趋势，绘制一条平均高生长曲线，并以这条曲线为基础计算树高标准差，以2倍或3倍标准差为限，剔除极个别异常标准地。
之后，利用所有其余的标准地资料，依据平均高生长曲线的形状特点，选择、拟合林分平均高生长过程方程（方程式参见地位指数表编制有关部分）。
根据各龄阶的树高理论值及实际值，计算出龄阶树高标准差（σi）并根据各龄阶树高标准差（σi）散点图，拟合一条龄阶树高标准差与龄阶相关曲线，利用林分平均高生长曲线及树高标准差曲线，依据
原则，确定地位级的上、下限曲线，根据上下限曲线所夹的面积及预定的地位级数，采用等分方法确定各地位级上下限，列示成表就是地位级表。
4.3林分密度和林分生长
4.3.1林分密度对林分生长的影响
在影响林分生长的几个因素中，林分密度（standdensity）是营林工作中能够有效控制的因子。
林分密度在很大程度上决定了林分的内部结构，从而决定了林分的产量结构（不同材种出材量的分配状况）。
如何控制和调整林分密度，成为森林经营者和研究者共同关心的问题。
密度对林分生长的影响，主要体现在对林分因子生长的影响，具体情况如下。
4.3.1.1林分密度对树高生长的影响
林分密度对上层木树高的影响是不显著的，林分上层高的差异主要是由立地条件的不同而引起的。
也正因此，上层木高被认为是反映立地质量的较好的因子。
另外，林分平均高受密度的影响也较小，但在过密或过稀的林分中，密度对林分平均高有影响，这是因为在过密的林分中被压木较多，所以林分平均高较低；而在过稀的林分中，由于林分平均直径较大，依此求得的林分平均高会有所增大。
安滕贵（1982）指出，如果在计算林分平均高时，抛除被压木和枯死木不计，那么，可以认为密度对林分平均高的影响不大。
郑世锴等（1990）的研究结果，也得出相似的结论，即除过大密度的林分外，不同密度之间的林分平均高差异不显著。
4.3.1.2林分密度对胸径生长的影响
密度对林分平均直径有显著的影响，即密度越大的林分其林分平均直径越小，直径生长量也小。
反之，密度越小则林分平均直径越大，直径生长量也越大。
4.3.1.3林分密度对材积生长的影响
密度对平均单株材积的影响类似于对平均直径的影响，而对林分蓄积量的影响情况较为复杂。
总的来说，在相当大的一个密度范围内，密度对林分蓄积量的影响不大，一般地说，密度大的林分蓄积量要大些，较疏的林分蓄积量要低些，这一般性的规律又依林分年龄的不同又有所变化。
从理论上讲，对于成过熟林，密度对林分蓄积量的影响不大。
4.3.1.4林分密度对林木干形的影响
林分密度对树干形状的影响较大，一般地说，密度大的林分内其林木树干的削度小，密度小的林分内其林木树干的削度大。
也可以说，在密度大的林分中，其林木树干上部直径生长量较大，而下部直径生长量相对较小。
4.3.1.5林分密度对林分木材产量的影响
林分的木材产量是由各种规格的材种材积构成的，而各种规格材的材积取决于林木大小、尖削度以及林木株数３个因素，这３个因素均与林分密度紧密相关，因此，使得林分密度与林分木材产量之间的关系较为复杂。
一般地说，密度小的林分其木材产量较低，但大径级材材积占木材产量的比例较大。
而密度大的林分木材总产量较高，但大径级材材积占总木材产量的比例较小，小径级材材积则占的比例较大。
因此，在森林经营中，应根据森林不同的培育目标及不同的发育阶段，确定其应保留的林分密度，这也正是林分密度控制所要解决的问题。
另外，林分密度及林分密度控制措施对木材性质有明显的影响，即林分密度越小，林木的年轮幅度越宽，管胞长度下降，而对晚材的影响不明显。
在中等密度状况下，木材的顺纹抗压强度、抗弯强度达到最大。
4.3.2林分密度指标
林分密度指标（Standdensityindex）是评定林分内林木间拥挤程度的尺度。
林分中林木间的拥挤程度取决于单位面积上的林木株数、林木平均大小以及林木在林地上的分布。
对于人工林，林分内林木在林地上的分布相对均匀，因此，单位面积上的林木株数和平均林木大小是经常采用的林分密度指标。
另外，随着营林技术的发展，在此基础上又出现了一些林分密度指标。
当前，常用的林分密度指标有以下几种。
4.3.2.1株数密度
株数密度可定义为单位面积上的林木株数（Numberoftreesperhectare），常用每公顷上的林木株数（Ｎ／hm2）表示。
株数密度是一个很有用的密度指标，株数的多少可直接反映出林分中每株林木平均占有的林地面积。
由于株数密度作为密度指标具有直观、简单易行的特点，所以它一直是广泛用于反映人工林密度的密度指标。
譬如，在实际生产中，常用林分的初始株数密度（即造林时的单位面积上的林木株数）来表示林分密度。
4.3.2.2每公顷断面积
林地上每公顷的林木胸高断面积之和即为每公顷断面积，常用Ｇ（m2／hm2）表示。
由于断面积易于测定，而且断面积的大小与林木株数及林木大小有关，同时，它又与林分蓄积量紧密相关，所以，每公顷断面积也是一个广泛使用的林分密度指标。
在既定的年龄和立地条件下，对于经营措施相同的同龄林，或具有较稳定的年龄分布的异龄林，在收获量预估中每公顷断面积是经常使用的林分密度指标。
另外，由于在林分生长过程中，平均单株断面积的增加与林分株数的减少并不呈现出某一固定的关系。
因此，林分断面积是一个随林分生长而变化的密度指标。
此外，株数与平均个体大小的不同组合有可能导致相同的每公顷断面积。
这些说明该指标在应用中受到一定的限制。
4.3.2.3疏密度
疏密度是林分每公顷胸高断面积（或蓄积）与相同立地条件下标准林分每公顷胸高断面积（或蓄积）之比值，以Ｐ表示，即
（4—16）
式中：
Ｇ林、Ｍ林——现实林分每公顷断面积和蓄积量；
Ｇ标、Ｍ标——标准林分每公顷断面积和蓄积量。
从（4—16）式可以看出，疏密度是一个相对密度指标，在东欧、前苏联及我国，它是最常采用的林分密度指标之一。
一般认为，当林分的疏密度达到0.9时，应对林分进行间伐，经营合理的林分其疏密度不应低于0.7。
标准表是以林分平均高为自变量反映标准林分每公顷断面积或蓄积量依平均高变化规律的数表（表2—6）。
由于林分平均高的不同反映了林分年龄的差异或林分立地质量的差异，并且林分断面积或蓄积量与林分平均高之间存在着密切的关系，这也意味着疏密度是一个与立地条件、林分年龄关系较小的密度指标。
另外，疏密度作为密度指标，在林分调查中可以用作计算林分蓄积量，即根据现实林分断面积（Ｇ林）与依据现实林分平均高由标准表中查得的断面积（Ｇ标）及蓄积量（Ｍ标），由Ｐ＝Ｇ林／Ｇ标计算出林分疏密度，再由Ｍ＝Ｐ·Ｍ标计算出该林分的每公顷蓄积量。
在这一点上，它是疏密度的一个特点。
4.3.2.4立木度
立木度（stocking）是现实林分的密度（可以用株数、断面积或蓄积量表示）与最理想林分的密度的比值。
最理想林分可理解为“能够最大限度满足经
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