树冠竞争对日本落叶松树干生长及木材性质影响机制的研究

Crown profile is the main crown characteristics and is the connection between the effect of tree competition on the tree growth and timber quality. Based on the long-term observations for the permanent plots, stem and branch analysis of Larix kaempferi（Lamb.）Carr in east of Liaoning province, the present research uses the variable-exponent equation and segmented polynomial function as the basic model to study the crown profile in relation to competition for north, east, south and west sides of dominant, intermediate tree and suppressed tree for Larix kaempferi（Lamb.）Carr based on the novel statistical technology of Bayesian quantile regression for nonlinear mixed effects regression. The research further analyzes the effects of competition on the four directions of crown profile and compares to the crown profile fitted by nonparametric boundary regression approach. Based on the developed crown profile model, the crown profiles of the sample trees and neighbors are predicted and the overlapping volume between sample tree and neighbors are calculated using coordinate method. The radial growth, specific volume increment and sapwood and heartwood distribution model are developed based on crown competition. Thus, the relationship between crown competition-tree growth-sapwood and heartwood are studied to explain the effect of competition on growth eccentricity and timber quality.

冠形是重要的树冠特征因子，是连接林木竞争对树木生长及木材性质影响的重要桥梁。本项目以辽东地区日本落叶松人工林为研究对象，利用长期观测的固定样地及树干解析和枝条解析调查数据，以变指数方程及分段抛物线方程为基础模型，基于近代新的统计学理论贝叶斯非线性混合效应分位数回归（Bayesian-NLMEQR）技术，构建耦合竞争指数的日本落叶松优势木、平均木、劣势木的东、南、西、北四个方向的冠形模型，分析林木竞争对不同方向冠形的影响，并与基于非参数边界回归模拟的冠形进行比较。基于构建的冠形模型模拟解析样木及其相邻木的冠形，采用坐标计算方法计算解析木与相邻木树冠重叠部分的空间体积，构建基于树冠竞争的树干径向生长、比材积生长及边心材空间分布预估模型。从而以树冠为桥梁，揭示树冠竞争-树木生长-边心材分布三者之间的关联性，阐释竞争对树木偏心率及木材性质的影响机制。

本项目以日本落叶松人工林为研究对象，在对大量的解析木进行枝条解析和树干解析的基础上，对日本落叶松树冠形态及其树冠竞争对冠形的影响进行了深入的研究，并建立了树冠形态变异与树干偏心生长的关联性。主要研究成果如下：（1）基于非线性边际回归（nonparametric boundary regression ，NMR）模型，通过竞争指数整合建立了东北地区落叶松人工林北、东、南、西四个方向的外部轮廓与内部轮廓模型。同时，利用非参数边界回归（nonparametric boundary regression，NBR）来建立树冠轮廓模型。利用NBR和NMR计算树木的最大树冠半径和拐点，并用目的树的直径与二次平均直径的比值及目的树的断面积与林分平均断面积的比值的竞争指数分别确定为用于外部轮廓和内部轮廓模型的最佳距离独立竞争指数。竞争指数对优势木、平均木和劣势木的四个方向的外部轮廓有显著影响，但对内部树冠轮廓没有显著影响。（2）一半以上的日本落叶松的树冠半径和树冠上部面积在北面和东面最大，兴安落叶松在北面和南面最大。日本落叶松的树冠位移在北面和东面更大，而兴安落叶松的树冠位移在南面和东面更大。COAH对两个树种的树冠轮廓模型都有明显的影响。对日本落叶松和兴安落叶松来说，相对于不含COAH的模型而言，包含COAH的树冠轮廓模型的均方误差降低（MSER）分别为1.68%和2.10%。COAH对兴安落叶松的树冠轮廓的影响要大于对日本落叶松的影响。这两个树种的优势木和平均木的拐点对COAH很敏感，随着相邻竞争的加剧，拐点逐渐向树冠基部移动，而劣势木的拐点对COAH的响应很弱。四个方向的树冠轮廓与当前茎的径向生长密切相关。（3）考虑竞争和立地指数的最终冠形模型的均方误差降低(MSER)为3.9%。立地指数对冠形的影响大于相邻竞争。立地质量对树冠半径延伸有正向影响，相邻竞争对树冠半径延伸有负向影响。根据量化理论，影响立地质量的前3个非生物因子为海拔、坡向和位置(类型Ⅰ)，平均BL和最大VA也随海拔升高而显著升高(P < 0.05)。我们的研究结果表明，最终树冠形状对立地质量和相邻竞争的响应与树龄有关。