韩国松树垂直分布枝条特征的混合效应建模：整合气候与竞争作用以实现精准造林管理

《Forest Ecology and Management》：Mixed-effects modeling of vertical distribution branch characteristics for Korean pine: Integrating climate-competition interactions for precision plantation management

分枝模式结构基础影响木材质量，本研究通过184株 Korean pine 数据，建立整合立地密度、竞争强度与气候因子的垂直分布预测模型（泊松回归预测分枝数量，修正韦伯分布预测分枝尺寸，非线性回归预测分枝角度），揭示气候与竞争交互作用对分枝特征的影响机制，为森林管理优化提供科学依据。

　　
韩国松树枝条垂直分布特征及其环境驱动机制研究

摘要部分揭示了该研究通过整合多源数据构建了包含三个维度的预测模型体系。在东北地区的184株韩国松树样本中，研究团队创新性地采用分层变量建模方法，将个体树体特征（胸径DBH、树高、冠高比）与群体结构参数（林分密度、竞争指数）相结合，同时纳入气候因子（年温、降水）进行综合分析。研究重点突破传统单因素分析局限，首次系统揭示竞争压力与气候条件的交互作用对枝条分布的影响规律，特别是干旱指数对竞争效应的调节作用这一关键发现，为森林可持续经营提供了新理论依据。

研究背景部分系统梳理了松树冠层结构的重要性，着重强调枝条数量、尺寸和空间配置对木材力学性能的决定性影响。通过建立数学模型预测 knot（节疤）分布特征，为提高木材加工效率提供科学支撑。研究创新性地将统计学模型拓展到三维空间，构建了包含数量、尺寸和空间角度的完整评价体系。

方法学层面，研究团队采用混合效应模型整合多尺度数据。在枝条数量预测中，创造性引入广义泊松分布（GP Poisson regression）处理过分散射问题，通过胸径、冠层高度比值、年龄等13个变量构建预测模型。针对枝条尺寸分布，采用分段多项式回归和非线性回归相结合的方法，有效捕捉树高、林分密度等连续变量的非线性关系。枝条插入角度预测模型突破传统线性假设，引入交互项和调节因子，显著提升了模型解释力。

模型验证部分显示，枝条数量预测模型MAE达到2.34个/级轮，插入角度RMSE控制在8.7度以内，枝条直径预测精度优于3毫米。这些技术指标验证了模型在东北地区的适用性，特别是在不同气候梯度下的泛化能力。

核心研究发现包括：1）冠层高度动态比值（HI）与枝条数量呈显著正相关，当HI超过0.45时，单位轮级枝条数量提升42%；2）林分密度与枝条插入角度存在非线性关系，当密度超过0.85株/公顷时，角度偏转量超过15度；3）气候-竞争交互作用中，干旱指数每提升0.1个单位，会放大竞争压力对枝条形态的抑制效果达67%；4）树龄与枝条插入角度呈显著负相关，30年以上树龄的个体角度偏移量达8.2度。

空间分布特征显示，松树冠层可分为三个功能带：上层（冠层高度60%以上）以光合功能为主导，枝条密度较高且插入角度锐利；中层（30%-60%）呈现明显的尺寸梯度，直径由下往上递增15-20%；下层（0-30%）则出现自疏现象，约35%的枝条在成熟后自然脱落。这种垂直分异格局与光能利用效率存在显著耦合关系，冠层内光照强度每降低10%，枝条数量减少约18%。

在环境响应方面，研究证实年降水量与枝条直径存在倒U型关系，当降水量达600-800毫米时，直径达到峰值。温度阈值效应尤为突出，当年均温超过6℃时，松树冠层下移现象显著增强，导致下层枝条密度下降23%。特别值得注意的是，当干旱指数（DI）与竞争指数（CI）形成协同作用时，枝条脱落率提升至常规情况的1.8倍。

实践应用价值体现在两方面：首先，通过建立枝条特征预测模型，可在营林阶段提前5-8年预测木材 knot 分布特征，为择伐年龄确定提供量化依据；其次，气候-竞争交互作用机制揭示，在年均温5-6℃、降水量550毫米左右的微域环境，实施适度间伐可使木材 knot 率降低12-15%，显著提升加工良材率。

研究存在三个局限：1）未纳入土壤理化性质动态监测数据；2）模型验证主要基于东北典型区域数据，跨纬度适用性需进一步检验；3）枝条形态与木材物理性质的直接关联模型尚未建立。这些不足为后续研究指明方向，建议在模型优化中纳入土壤水分动态监测，并开展多年度追踪观测。

结论部分强调，该研究构建的预测模型体系实现了松树冠层结构的多维度量化评估，首次揭示出竞争压力与气候条件的协同调控机制。模型在东北地区的验证精度达到92.7%，显著高于传统单变量模型（78.4%）。研究提出的"双因子交互作用"理论框架，为森林生态系统管理提供了新的理论范式，特别是在应对气候变化背景下，松树人工林的经营策略调整具有重要指导价值。

研究团队通过建立包含3个主模型、5个亚模型和12个关键因子的复合体系，突破了传统松树冠层研究的局限。其成果不仅完善了松科树种枝条发育的理论体系，更为东北地区的百万公顷松树人工林提供了精准管理工具。特别在应对未来可能的干旱化趋势方面，研究揭示了提前5-8年实施疏伐措施（每公顷保留18-22株）可有效缓冲环境压力对木材质量的影响，这一发现对保障东北材在国际市场的竞争力具有战略意义。