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基于ANN的栓皮栎天然次生林直径分布模型研究

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路买林

摘要：研究了伏牛山区栓皮栎天然次生林直径分布，以期为当地天然次生林优化林分结构、合理经营管理提供参考。以伏牛山区栓皮栎天然次生异龄纯林为研究对象，用连续调查的固定标准地为数据源，构建了ANN和负指数函数直径分布模型。拟合结果表明：①ANN拟合精度均在97%以上，负指数函数拟合精度在60%～80%，ANN拟合精度明显高于负指数函数拟合精度;②与传统建模方法相比，ANN不论树种、起源、林分生长曲线复杂度、分布曲线类型，均有极好的拟合效果;③随着林分年龄增加，偏度和峰值逐渐减小，林分直径分布由相对集中向相对分散转变。说明ANN具有无限逼近任意非线性的能力，可以用来拟合复杂的林分生长过程。

关键词：伏牛山;栓皮栎;天然次生林;异龄林;ANN;直径分布

：S758

：A：1674-9944（2020）13-0005-04

1引言

林分直径分布是林分结构最基本、最重要的结构特征[1]，最优的林分结构能够充分发挥森林功能[2]。了解直径分布规律是预估林分生长与收获、编制各种生产过程表及林分出材量表的根本，也是制定有效的森林经营措施及发挥森林效益的基础[3]。

目前，研究林分直径分布多采用概率密度函数，Gul等研究认为负指数函数对拟合异龄林直径分布效果较好[4]，SghaierT等研究认为负指数函数对未受干扰的异龄林直径分布有较好的拟合效果[5]。李凤武研究发现不同年龄段的云杉天然林直径分布类型不同，先由Gamma分布转换为Logistic分布，再变为正态分布，最后变为Weibull分布[6]。

林分的生长过程是一个复杂的非线性过程，采用概率密度函数拟合直径分布，过于依赖现存的数学模型，并且在求解模型参数的过程中要考虑参数的生物学意义。本研究采用神经网络建模技术建立直径分布模型，神经网络是一个复杂的非线性系统，非常适合用来建立林分生长模型[7]。

栓皮栎（Quercusvariabilis）是重要的木材、软木、栲胶等资源树种，栓皮栎等栎类树种是最长寿的树种之一，森林生态系统以栓皮栎等栎类树种为支撑，可以长久稳定[8]。由于过度采伐利用，我国现存的栎类林多为天然次生林，其生态价值和经济价值大大降低。本文通过构建栓皮櫟天然次生林直径分布模型，旨在为优化伏牛山区栓皮栎林分结构、充分发挥森林功能效益提供参考。

2研究区概况

供研究的材料来源于伏牛山区国家自然保护区（33°02′～34°08′N，111°27′～112°54′E），伏牛山是河南省的重要山脉，约占河南省山地丘陵面积的40%，一般海拔在1000～1500m，属北亚热带和暖温带气候类型，栓皮栎是伏牛山地区海拔1000m以下山地和丘陵的建群种，是伏牛山区的地带性植被[9]。

3材料与方法

3.1材料来源

利用2003～2013年森林资源清查数据，选择一块人为干扰较少、优势树种为栓皮栎的林分作为研究对象。为便于比较，将2003年、2008年、2013年调查数据分别命名为1号样地数据、2号样地数据、3号样地数据，研究其生长过程期间直径分布变化规律。调查所用标准地位于南阳市南召县乔端乡，面积20m×30m，海拔800m、坡向南坡、坡位上坡、土壤黄棕壤。林分基本信息如表1。

3.2数据可行性分析

调查所用标准地，90%以上树种为栓皮栎，符合相对纯林的概念[10]。表2及图1可以看出，3块样地，小径阶林木株数偏多，随着直径增大，径阶林木株数锐减，达到一定直径后，株数减少趋于平缓，曲线整体形状符合反J型曲线，林分特征符合异龄林林分特征，因此，所用标准地林分为栓皮栎异龄纯林。

3.3模型构建

用于构建异龄林直径分布模型的曲线很多，前人研究认为负指数函数对天然异龄林直径分布有较好的拟合效果。本研究采用人工神经网络建模技术构建林分生长模型，如式（1）。为便于比较，同时构建了林分负指数函数模型，函数模型如式（2）。

Fd=purelin（w21ilogsig（w1i1Rd+b1i）+b2）?（1）

（i=1，2，3…，s）

y=ke-ax（2）

式（1）、（2）中：Fd为株数累计频率，Rd为相对直径，W21i，W2i1，b1i，b2为模型的权值、阈值;x为径阶，y为径阶株数，k，a为负指数函数参数。Logsig为matlab软件的曲线函数，purelin为matlab软件的直线函数。

4结果与分析

4.1林分直径分布特征

栓皮栎异龄林直径分布特征值如表3所示，由3块样地的标准差及变异系数可知，随着林分年龄增加，标准差及变异系数为增大趋势，栓皮栎直径分布离散度逐渐增大。三块样地的偏度均远大于0，表明样地栓皮栎小径阶林木偏多;偏度逐渐减少表明随着年龄增加，大径阶林木株数逐渐增多，林分平均值增大。3块样地峰值