树干形数研究进展_张剑英

第2期山西林业科技No.2 2003年6月SHA N XI　F O REST RY SCIEN CE AN D T ECHN O L OG Y Jun.2003
文章编号:1007-726X(2003)02-0001-03
树干形数研究进展
张剑英
(山西省林业建设工程质量监督站,山西　太原　030002)
摘要:论述了林木树干形数研究的历史背景、现有各种形数的优缺点、新绝对形数的
意义、不足之处以及可能的发展方向。

关键词:形数;新绝对形数;树干形质;生长规律
中图分类号:S711 文献标识码:A
1　树干形数研究的历史背景
为了寻找计算树干材积确定其变化规律的最合理的方法,早在19世纪初,就认为把树干材积与相应的圆柱体体积相比是恰当的。

比较结果得到了一个后来被称为形数的特殊系数。

形数是树干材积与等高、同底的圆柱体体积之比,用作比较的圆柱体叫做比较圆柱体。

对于一个给定的树干(材积一定),采用不同的底断面,比较圆柱体体积就不同,求出的形数也就不同。

底断面采用胸高断面时求出的形数叫胸高形数[1]。

很容易证明,在树干形状相同的情况下,树木越高,形数越小。

而按照制定树干形状指数的本意,树干形状相同时作为反映树干形状指数的形数因而也应该保持不变。

胸高形数虽然从理论上就是根本不成立的,但是因为胸高直径是基本测树因子,不用另外作补充测量,使用方便,而一直被广泛采用。

使用树干1/20高处的断面作比较圆柱体底断面的叫正形数,树干形状一定时正形数也一定,例如任何高度的抛物线体的正形数都等于常数0.526,因此它是一个能正确反映树干形状的指数。

但确定正形数必须首先根据树高计算H/20,然后再测定该高度的树干直径,测算的复杂性使得其缺乏使用价值。

绝对形数是以树干自然底断面作底断面的,由于自然底断面往往形成不规则扩张不仅使得量测困难,且引起绝对形数的不合理偏小,因而也未得到应用。

20世纪60年代,我国林学家林昌庚教授根据实践经验创立了“实验形数”,底断面使用胸高断面,而在树高上加常数3作比较圆柱体的高,成功地消除了胸高形数随树高增大而降低的缺陷,又无须另外增加测定步骤,使用方便。

然而不幸的是,实验形数不只是能较确切地反映树干形状,就其名称“实验”形数而言,在昭示其本质缺陷时也是相当确切的,它是一个成功的“实验”产物,但缺乏理论上的严密性,它无法从理论上证明自己。

以上是几种比较成功而且影响较大的形数,因为各有缺憾而难以胜任树干形质及其生长规律的科学研究。

2　对现有树干形数的研究
收稿日期:　2003-03-21
作者简介:　张剑英(1957—　),男,山西沁县人,1982年毕业于山西农业大学,高级工程师。

2 山西林业科技 2003年
研究已有形数的特点,得出以下几点重要启示:
(1)胸高形数在树高较低时表现过高,甚至超过1,说明胸高断面小于理论上最适宜的比较圆柱体断面。

(2)绝对形数往往表现出过小,是由于自然底断面的扩张,提示自然底断面大于理想的底断面。

(3)在数值上已逼近真形数的实验形数采取以胸高断面为底断面而增加比较圆柱体高度的方法,也提示了在胸高形数的基础上比较圆柱体的体积应当增大。

显而易见,如果高仍然采用树高,那么科学合理的比较圆柱体底断面必然要大于胸高断面。

(4)第1至第3点有一个共同的指向:理想断面积的数值应大于胸径而小于自然底径。

提示假如理论上确实存在一个理想的底断面,那么一定可以而且必须在由胸高断面向自然底断面过渡的途中找到它。

这一推论与正形数的理论也并无矛盾。

单从数量上分析,在树高低于26 m时,正形数的底断面位置都在胸高断面以下,高于26m时位置则要高于胸高断面。

而根据正形数的理论,1/20并非一个唯一的确定系数,而是可以在很大范围内可以任意选择的一系列值中的一个而已,只不过选取不同系数会得出不同的形数系列,而任何选择都并不影响正形数的科学性。

因此,一方面可以选择较小的系数例如1/40,可以保证树高在50m以内其标准断面位置都在胸高位置以下。

另一方面,即使仍按照1/20的既定系数确定的位置高于胸高位置,也不构成对选取胸高以下位置的底断面的否定。

(5)在理论上近乎完美的正形数使用的相对高度概念,明确地揭示了形数的一个基本原则:形数与树高相关。

(6)在形数研究初期有一个约定,即计算树干材积要求是用树干的简单中央断面求积法(即以树干1/2高处横断面面积乘以树干高度)。

现代的树干求积早已改为区分段中央断面求积法,所以确定合理底断面时应该与各区分段的底断面相联系,以代表各个区分段的饱满度。

3　树干形数研究的最新进展
新绝对形数(New Abso lute Form-facto r)[2]是在漫长的沉寂之后该研究领域里的一次成功的探索。

他们在研究建立新形数的时候没有企图在胸高断面与自然底断面之间发现一个新的可以作为理想形数比较圆柱体底断面的确切位置,而是力图找到一个在数值上介于这两个断面之间的一个理想的底断面面积。

最直接的考虑是依据胸高断面与除它之外的第一个区分段中央断面之间的削度为依据推算出在地面位置(0m)的底断面。

但这只是依据两个断面之间树干饱满度推算而不能达到与整个树干的饱满度相适应,适宜的做法就是将这一概念继续延伸,用各区分段断面之间的削度值因而也就代表了整个树干的饱满度的削度建立调整底断面。

新绝对形数是在此基础上产生出来的,用f0(n)表示。

它的比较圆柱体的底径采用与材积计算相适应的合理调整的新底径。

调整方法是,以胸径为基础,用它与各区分段中央直径(包括树顶直径为0)之差,使用各区分段中径至胸径的间距除之,所得各区分段和胸径间的各个削度,并用加权平均取得的削度平均值(表达树干的饱满度)来推算比较圆柱体的底径d0(n)。

符号f0(n)的意义:“0”表示断面位置在自然底径的高度(距地面为0),“n”是指区别于直接采用自然底断面而是经过调整的新(new)底断面。

具体算法是:分别计算胸径(d1.3)与各区分段中径(d i)(包括树顶直径为0)之差(绝对值)、各区分段中径处的高度(h i)与胸高即1.3m之差(绝对值),再用二者总和相除得加权平均削度。

调整后的底断面数值上是介于胸高断面和自然底断面之间,与上述前三点启示相吻合,与树干各区分段的饱满度相协调(第4点启示),因而,新绝对形数可视为形数的标准值。

直接计算新绝对形数须通过解析木或标准木数据,根据上述方法求算。

这在没有先进计算手段的时代显得过于繁琐。

而借助现代计算机技术,在研究工作中使用专门编制的应用程序在按区分段求算材积的同时就可很容易地求算出来。

实际应用中如果并不需要很高的精度,为了应用方便也可借助其与树高、胸高形数的相关规律得到。

4　新绝对形数的科学性、合理性及实用性
(1)该形数在理论上受到绝对形数概念的支持,同时克服了绝对形数的缺点,是对绝对形数的完善和提高。

通过和实验形数的比较,实际数值非常接近,二者殊途同归,相互印证。

(2)用新绝对形数研究树干形质的生长规律[3],揭示出: 树干形质随年龄增长呈递增的趋势; 树干形质随树高生长而增长,同龄林木中树高较大者具有较高的形质; 正确显示了高径比与树木主干形质之间的复杂关系。

这些规律性本身受到了数学原理和生物学原理的有力支持,但在使用其它树干形质指标时却无法显露出来。

(3)新绝对形数的主要用途是提供了一个简捷的途径求出确切的树干干形指标,从而研究林木个体的干形生长规律。

具体的应用除了分年龄(级)编制材积表外,还可以分树高、分地位级编制相应的材积表,这些都是新绝对形数的独到之处。

5　新绝对形数的不足之处与形数研究的展望
新绝对形数也可以称作修正绝对形数(m odified absolute form -factor )的不足之处至少有以下几点: 不象其它现有形数那样有一个确切的比较圆柱体断面位置,不够直观。

不适用于林分蓄积速测和计算,而这正是形数应用最广泛的领域。

确切的新绝对形数值必须通过解析木或标准木资料计算。

但新绝对形数毕竟是该研究领域的一项最新的成果,理论上具有重大突破,在树干形质的精确研究中可以大显身手。

该研究也为进一步的形数研究提供了方向,将来有可能借助拓扑学的理论和方法加以发展提高。

参考文献:
[1]　大隅真一[曰].森林计测学[M ].北京:中国林业出版社,1984.
[2]　吴纪昌,李铁民,孙拖焕,等.胸高圆锥系数和新绝对形数的研究[J].山西林业科技,1997(4).
[3]　李铁民,杨　静,王晓军,等.林木主干形质生长[J].山西林业科技,2001(2).
A Review of Studies on Tree Form -factor
ZHANG Jian -ying
(S hanx i Forestry Eng ineer ing Quality S up erv ision Off ice ,030002T aiyuan ,China )
Abstract :T his paper discussed the backg r ound o f studies on tree for m facto r ,t he adv antag es and disadv antages o f tr ee fo rm factor s ex isted,the significa nce and deficiency o f N ew A bso lute Fo rm -factor ,and possible w ay for fur ther st udies in this field.
Key words :for m factor ;N ew A bso lute F or m -facto r ;tr ee stem for m ;g r ow th reg ular ity 3
　第2期 张剑英:树干形数研究进展 。