澳大利亚种植园中桉树（Eucalyptus globulus）单株树木的树干锥度模型

《Atmosphere-Ocean》：Stem taper model for individual trees of Eucalyptus globulus in Australian plantations

本研究开发了一个两阶段茎干 taper 模型，用于预测澳大利亚南部 Eucalyptus globulus 树种植园中4-30年树龄树木的木材体积。模型通过测量胸径（过皮）和树高，结合树龄、胸径、树形指数等参数，利用非线性回归和联合估计方法优化参数，验证显示预测木材体积的误差在0.3%-1.3%之间。

　　树干形状模型是森林生长与产量预测系统中的关键组成部分，它们能够帮助管理者更好地了解树木的体积分布情况，从而制定科学的采伐计划。在本研究中，科学家们开发了一种适用于澳大利亚南部种植园的两阶段树干形状模型，该模型专门针对“桉树（Eucalyptus globulus）”这一树种。研究基于对2,205棵桉树的详细数据，这些树木的年龄范围为4至30年，并且测量了其在不同高度处的树干直径（去皮后）。研究团队发现，仅需测量树干年龄、树高和胸高直径（去皮后），即可使用该模型预测树干在任意两个选定高度之间的木材体积或单个树干上不同高度的去皮直径。

在模型开发过程中，研究团队首先尝试使用一个非线性模型，但发现其参数估计存在较大的偏差，导致拟合算法难以收敛。为了解决这一问题，他们简化模型，采用线性形式，并进一步引入了二次项，以提升模型的拟合效果。经过多次调整，最终得到了一个能够有效拟合数据的模型，并且通过数据分析发现，模型在大多数情况下能够提供较高的拟合精度，相关系数的平方值（r2）通常超过90%，部分情况下甚至达到99%以上。为了验证模型的可靠性，研究团队使用了不同的方法来估算木材体积，包括数值积分、几何方法（如圆盘法）等，并通过实际测量数据进行比较，发现模型预测的总体积或特定树干部分的体积存在轻微的高估，误差范围在0.3%至1.3%之间。

这一研究成果对于桉树种植园的管理具有重要意义。传统的木材体积预测方法往往需要对树干进行多个点的测量，而该模型只需测量三个基本参数：树干年龄、树高和胸高直径（去皮后），便能预测整个树干或其任何部分的体积。这不仅简化了数据收集过程，还提高了预测的效率和准确性。此外，研究还发现，虽然一些环境和林业变量（如降雨量、温度、土壤条件等）可能影响树木的生长，但它们对模型的拟合效果影响不大。这意味着，树干形状主要由其当前的年龄、树高和胸高直径决定，而非其生长过程中所经历的外部环境因素。

研究团队进一步分析了模型的适用性，发现该模型能够准确反映桉树在不同高度处的直径变化趋势，并且能够根据树木的年龄和高度预测其整体体积。这为桉树种植园的可持续管理提供了重要的工具，使得管理者能够在不进行复杂测量的情况下，快速估算木材资源的分布情况。此外，该模型还可以用于不同树干部分的体积预测，这对于优化采伐计划和木材加工流程具有实际应用价值。

在模型的实施过程中，研究团队还考虑了树木年龄对树干形状的影响。例如，年轻树木（小于2至3年）和老年树木（超过30年）的树干形状可能无法被该模型准确描述。年轻树木的树干直径变化较小，而老年树木则由于树干底部的肿胀现象（butt swell）导致模型难以拟合。因此，模型的应用范围被限制在4至30年的树木之间，这与桉树种植园的实际管理需求相吻合，因为种植园通常不会将树木种植超过30年。

此外，研究团队还发现，树木的总体形状与高度和胸高直径之间的比例关系是影响模型性能的关键因素。例如，树木的总高度和胸高直径之比（T）可以作为衡量树干形状的一个重要指标。这一变量被纳入模型中，进一步提升了模型的准确性。然而，研究也指出，尽管一些环境变量（如降雨量、温度、土壤条件等）可能对树木的生长速度产生影响，但它们对树干形状的预测作用有限。这表明，树木的形态特征主要由其当前的生理状态决定，而非其生长过程中的外部条件。

研究团队还通过图示展示了模型在实际应用中的效果。例如，对于一棵30岁的桉树，模型预测的树干体积与实际测量结果非常接近，误差仅为0.3%至1.3%之间。这说明该模型在预测精度方面表现良好，能够为种植园管理者提供可靠的数据支持。同时，模型的两阶段结构也使得其在不同树木和不同高度上的应用更加灵活，能够适应各种实际需求。

综上所述，这项研究为桉树种植园的木材产量预测提供了一个实用且高效的工具。通过仅测量三个关键参数，该模型能够准确预测树干的形状和体积，从而帮助管理者优化采伐计划和资源管理。研究结果表明，尽管一些环境和林业变量可能对树木的生长产生影响，但它们对模型的预测效果贡献有限，而树木的年龄、高度和胸高直径则是影响树干形状和体积预测的关键因素。这一模型的开发不仅提高了预测的效率，也为桉树种植园的可持续发展提供了科学依据。