环境温度对活立木横截面电阻值的影响

为研究环境温度对活立木内电阻值的影响,采用树木电阻断层成像仪在不同温度下对落叶松和小叶杨两种活立木进行检测,获取截面二维电阻图像并分析其变化,量化横截面内各点电阻值及其与温度之间的关系。结果表明:①落叶松横截面心材电阻值较低,边材较高。随温度降低,边材红色区域(高电阻区)面积减少,心材蓝色区域(低电阻区)面积增大; 而小叶杨电阻图像呈现完全相反的规律。但随温度降低,两树种整体平均电阻值均增大。②样本立木电阻值与环境温度之间存在极显著的指数函数关系(P<0.01),模型相关系数R≥0.822,小叶杨甚至高于0.926,因此认为模型有很好的拟合优度。 ③在落叶松样本立木中,当温度大于0 ℃时,横截面内沿径向分布的各点电阻值之间变化不明显,最大差值为1 236 Ω(3.0 ℃时); 而温度小于0 ℃时波动很大,最大差值达到3 299 Ω(-5.0 ℃时),曲线存在较为明显的两个波谷和中间一个波峰。④在小叶杨样本立木中,随环境温度降低,横截面内沿径向分布的各点电阻值都呈增大趋势; 从边缘到髓心再到另一侧边缘,沿径向分布的电阻值呈由低向高逐渐增大、到最大值后再逐渐降低的趋势。     

火灾条件下落叶松木材抗弯性能研究

本文以木建筑结构用材——兴安落叶松为研究对象,考虑实际火灾条件的影响,以N2为保护气体,开展了木材炭化温度以下(20~280℃)绝氧条件中不同受热时间落叶松木材的抗弯性能试验。结果表明:落叶松木材的密度和含水率随着环境温度的升高而降低,试件质量损失率随着温度的升高而提高;随着环境温度的升高,落叶松木材的颜色逐渐加深,在20~160℃时颜色变化较为缓慢,在190~280℃时变化剧烈;试验范围内,火灾条件中温度(20~280℃)对落叶松木材抗弯强度的影响大于受热时间(60、90和120 min);落叶松木材的抗弯强度和弹性模量随着温度的升高非单调递减,并对相对抗弯强度进行3次多项式拟合,拟合精度较好。     

应力波在落叶松活立木中的传播规律

【目的】探究应力波在落叶松活立木中的传播形式和传播规律,为人工林材质预测评估提供理论基础。【方法】依据固体介质中的应力波传播理论和弹性力学理论,基于活立木的正交各向异性假定,利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对应力波在活立木中传播的波阵面进行了模拟计算,并通过试验验证数值模拟方法的合理性。【结果】应力波传播波阵面在开始阶段为倾斜曲线(二维)或倾斜曲面(三维),且曲线和曲面都弯向脉冲力输入点,随着距离的增大,波阵面倾斜度逐渐减小,直至最后与活立木的长度方向近似垂直,即应力波在活立木中由三维膨胀波传播形式逐渐转向准平面波传播形式; 波阵面倾斜度的减小速度随着活立木直径的减小而加快; 传播距离对波速没有影响,波速总体上随着直径的增大而增加。最后,通过试验验证,证明了这种数值模拟研究应力波在活立木中传播规律的方法是可行的。【结论】通过数值模拟手段研究应力波在活立木中的传播规律以及直径和传播距离对波速的影响是合理可行的,直径和传播距离都会对应力波在活立木中的传播形式及规律造成影响,但二者对波速的影响不同。     

昆明西山林场5种可燃物的火行为研究

【目的】通过估测西山林场内主要可燃物特征,预测潜在的火行为大小,为西山林场的防火管理提供科学参考。【方法】通过外业调查,对柏木(Cupressus funebris)、旱冬瓜(Alnus nepalensis)、云南松(Pinus yunnanensis)、华山松(P. armandii)和麻栎(Quercus acutissima)5种可燃物采样,估算西山林场内主要可燃物载量大小,并在实验室内进行燃烧模拟试验,量化火行为特征,包括引燃时间、火焰维持时间、无焰燃烧维持时间、蔓延时间、火焰高度、火焰温度、无焰燃烧温度、火焰热辐射、无焰燃烧热辐射等。【结果】云南松林内的载量达到2.35 kg/m²、燃烧火焰最高温度628 ℃、燃烧火焰最大高度70 cm、最大热辐射为6.92 kW/m²、燃烧后无焰燃烧的最高温度266 ℃,均与每年进行计划烧除时云南松纯林内的载量1.15 kg/m²、火焰最高温度697.6 ℃、火焰最大高度44.5 cm、最大热辐射8.02 kW/m²,无焰燃烧的最高温度194.3 ℃有差异。不同林种可燃物的火强度大小依次为:云南松(786.07 kW/m) >麻栎(564.39 kW/m)>华山松(275.30 kW/m) >柏木(6.26 kW/m),其中云南松的火强度(786.07 kW/m,中强度火)与云南松纯林计划烧除时的火强度403.60 kW/m(低强度火)有差异。【结论】森林可燃物的载量对火强度影响较大,麻栎和华山松属于低强度火,柏木的火强度几乎可以忽略不计。森林抚育更新等人为干预措施,可对林内可燃物进行有效调控,减少和预防森林火灾的发生。     

银杏白果干燥过程中水分分布及迁移的变化

【目的】探讨银杏白果在干燥过程中水分分布、迁移规律及低场核磁共振信号量与含水量之间的关系,为银杏白果水分传递模型的建立以及储存过程中含水量的快速测定提供依据。【方法】利用低场核磁共振技术,对不同热风干燥温度(50、60、70、80、90 ℃)处理的银杏白果中氢核的横向弛豫衰减信号进行测试,并利用SIRT模型对数据进行反演,得出横向弛豫时间T₂的反演数据。利用自旋回波脉冲序列对银杏白果的质子密度加权成像。【结果】银杏白果中的水分主要有3种存在状态,分别为结合水(0.79~7.32 ms)、束缚水(13.67~89.07 ms)和自由水(109.70~1 072.27 ms)。经过热风干燥处理改变了银杏白果中水分的结合状态,水分发生明显迁移,自由水和束缚水的信号幅值随干燥温度的升高而逐渐减弱。不同含水率银杏白果的反演峰总面积不同,随着干基含水率的增加,核磁共振信号增强、峰面积增大,两者具有显著的相关性,拟合方程为y=7 436.46x + 153.32(R²=0.993)。核磁共振成像技术通过图片明暗的不同,直观地呈现出不同阶段的水分含量。【结论】干基含水率与核磁共振横向弛豫时间、弛豫峰面积之间有较好的相关性,可以利用低场核磁技术快速检测出银杏白果中的水分含量。通过核磁共振图谱也可以直观地观察银杏白果内部水分含量的变化。     

兴安落叶松林缘天然更新与立地环境因子的相关分析

【目的】揭示兴安落叶松林缘更新与土壤特性及小气候因子的深层次关系。【方法】在测定兴安落叶松林缘天然更新状况、小气候因子及土壤理化性质的基础上,用单因素方差分析与相关性分析法研究了兴安落叶松林缘天然更新指数与土壤理化性质及小气候因子的相关性。【结果】①距离林缘0 m处的样带更新指数最大,距离林缘20、40、60 m的3条样带更新指数变化不大且趋于平稳。②兴安落叶松林缘的光合有效辐射和空气温度显著大于林内。③林缘的土壤养分高于林内,林缘土壤pH小于林内。④通过主成分分析法得到影响兴安落叶松林缘更新的主要因子为土壤含水率、土壤有机质和光合有效辐射,通过多元线性回归分析法得到影响兴安落叶松林缘更新的主要因子为土壤含水率和土壤有效磷。【结论】兴安落叶松林缘的更新效果比林内好,林缘效应对兴安落叶松林更新的影响大致在距离林缘20 m范围以内;光合有效辐射、空气温度和土壤理化性质能有效影响兴安落叶松林缘的更新,其中土壤含水率是影响兴安落叶松林缘更新的最主要因素。因此可以通过改善林缘的环境促进兴安落叶松林缘区域的更新。     

单向冻结条件下根河黏土水热特征试验研究

为研究内蒙古东北根河地区地基土体的水热特征,对根河饱和黏土在-5℃、-10℃和-15℃三种环境负温下开展了单向冻结试验,得到试样在不同深度处的温度分布规律和变化过程及冻结前后试样中的水分变化规律。结果表明:单向冻结过程中土体的平均降温速率随深度的增加线性减小,且环境温度越高降温速率越慢;冻结过程中过冷现象的出现与降温速率相关,降温速率越低出现过冷阶段的几率越大;土体自由水冻结阶段的持续时间主要受各层土样的降温速率和含水率的影响,随深度的增加而减小,-5℃环境温度下其持续时间在深度20mm、40mm、60mm处分别约为12min、8min、4min,-10℃环境温度下分别约为8min、4min、2min,在-15℃环境温度环境下也有类似变化,但持续时间均在1min以内,变化幅度不明显;单向冻结后试样中的水分发生重分布,且环境温度对含水率的数值变化影响显著,降温速率越低,冻结前后不同深度处的土层含水率变化越明显,-5℃环境温度下冻结前后含水率沿深度方向平均变化值达到0.240(%/cm)、依次大于-10℃环境温度下的0.070(%/cm)与-15℃环境温度下0.015(%/cm)。     

羧甲基壳聚糖和季铵盐壳聚糖的制备工艺

【目的】对羧甲基壳聚糖和季铵盐壳聚糖的制备工艺进行优化,改善壳聚糖在水中的溶解性。【方法】分别以氯乙酸(ClCH₂COOH)和3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CTA)为改性剂,对壳聚糖进行羧甲基化和季铵化改性,并以改性壳聚糖对蒙脱土的插层效果为基准进行有关CM-CTS合成条件研究。【结果】通过X-射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、红外吸收光谱(FT-IR)和核磁共振氢谱(¹H-NMR)的分析,得出了壳聚糖的优化改性条件。制备羧甲基壳聚糖的优化条件为:反应时间6.0 h,反应温度60 ℃,m(氯乙酸)/m(壳聚糖)为3,m(NaOH)/m(壳聚糖)为4.5; 制备季铵盐壳聚糖的优化条件为:反应时间10 h,反应温度75 ℃,m(CTA)/m(壳聚糖)为4.5,m(NaOH)/m(壳聚糖)为0.8。【结论】对壳聚糖进行羧甲基化和季铵化改性,向壳聚糖中引入新的官能团,不仅可以改善壳聚糖的水溶性,同时壳聚糖/蒙脱土纳米复合材料的制备也极大地扩展了壳聚糖的应用范围。     

不同条件下花岗岩中声波传播速度的规律

应用超声波混凝土测试仪(TICO),系统研究了含水率、裂纹、应力和温度对花岗岩内波速传播的影响.实验发现含水率对波速影响比较大,饱和岩样的声波传播速度高于不饱和岩样的声波传播速度;人工预制裂纹对声波传播速度影响不大;单轴压缩条件下,声波传播速度随应变增加逐渐降低;在同一温度(160℃)下,波速随保温时间的增加而逐渐降低;在对岩样逐渐加热情况下,初始加热阶段波速略有升高,当温度达到60℃时,岩样波速达到峰值,之后随着温度继续升高其波速逐渐下降;波速随温度变化具有一定的尺寸效应.实验结果表明,声波在岩石内传播速度受很多外在因素影响,并具有一定的传播规律.     

基于3-PG模型的长白落叶松人工林生长和生物量模拟

【目的】模拟预测森林经营及气候变化下长白落叶松人工林林分生长及生物量变化,以期为长白落叶松人工林经营管理提供科学依据。【方法】以吉林省和龙、舒兰、通化、汪清、长春林区内15块长白落叶松人工林固定样地为对象,基于气候、土壤、林分生长等观测数据,运用3-PG模型模拟了研究区内长白落叶松的生物量及其分配,并模拟了CO_2浓度升高对生物量的影响。【结果】3-PG模型能够较好地模拟林分蓄积和干生物量的生长变化,除叶生物量外(R~2=0.39),各指标的预测值与实际值的相关性较高(R~2在0.62~0.86之间),平均相对误差和相对均方根误差均小于15%。参数敏感性分析表明:土壤肥力等级和生物量分配参数是该模型的关键参数。研究还发现长白落叶松人工林的生物量随CO_2浓度升高而增加。【结论】3-PG模型可以用于长白落叶松人工林的生长模拟。     

基于多站扫描的点云特征参数与材积结构动态分析

【目的】采用地面激光雷达(TLS)进行多站点扫描获取立木的点云信息,提取有关点云分布的特征参数,拓展立木测树因子,建立基于特征参数的材积模型。【方法】以马褂木(Liriodendron chinense)人工林为研究对象,利用点云数据提供的立木上部直径(d)、树高(H)等因子对两期(2014、2017年)林分结构变化进行分析;设计并提取基于TLS点云的特征参数高度累计百分比,同时提取了其他与高度相关的特征参数作为一组变量;将提取的立木胸径(DBH)与特征参数作为另一组变量;最后分析特征参数、胸径与材积的相关性,通过逐步回归法分别建立基于两组变量的材积模型,并分析两期材积的动态变化。【结果】选用特征参数H₂₅与H_{t, var}(点云高度方差)拟合两期材积模型,其决定系数R²分别为0.771 1、0.742 6;利用特征参数H₂₅与胸径拟合,模型预测精度有明显的提升。以上两组材积模型预测各径阶材积变化,其模型值与实测值无显著差异,R²均高于0.9。【结论】研究提取的高度累计百分比与立木测树因子紧密相关,可以很好地反演林木的动态结构。研究建立的材积模型均有较高的精度,可用于林木材积动态变化监测,为地面激光扫描点云参与森林资源动态监测提供理论参考。     

基于TLS数据的杨树削度方程建立及材积估算

【目的】削度方程可以很好地描述树干直径随树高变化的情况,基于地基激光雷达(terrestrial laser scanner, TLS)的高精度三维点云数据建立准确的削度方程并进行立木材积估算,对活立木尺度的材积估计具有重要意义。【方法】以江苏省黄海海滨国家森林公园杨树人工林为研究对象,获取4块样地的TLS点云数据,通过MATLAB 2020a软件计算点云平坦度和法向量以提取单木主干,采用圆拟合方法进行不同高度处的直径拟合,利用32株样木的数据,选取6种削度模型进行建模,得到杨树树干削度方程最优拟合模型,并进行材积估算。【结果】利用TLS数据提取的胸径能替代实测胸径,其平均误差小于0.90 cm。通过对6种模型的拟合优度检验,Schumacher and Hall模型为该地区杨树削度方程最优拟合模型,模型的决定系数R²=0.984,均方根误差为1.00 cm,相对百分误差为2.79%,平均预估误差为0.271%。利用Schumacher and Hall 削度方程最优拟合模型进行活立木材积的估算,经与二元材积方程估计结果进行对比,其相对差异为3.34%,二者在统计上无显著差异。【结论】该方法可以减少地面调查对树木造成的永久性破坏,为人工林的蓄积量调查提供有效的技术支持。     

基于机器学习算法的樟子松立木材积预测

【目的】 通过非线性和多种机器学习算法构建并对比不同的立木材积模型,为樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)立木材积的精准预测提供理论依据。【方法】 以大兴安岭图强林业局184株樟子松伐倒木数据为基础,建立非线性二元材积模型(NLR),并通过十折交叉检验和袋外数据(OOB)误差检验的方法得到3种最优机器学习算法,包括:反向神经网络(BP)、ε-支持向量回归(ε-SVR)和随机森林(RF)。对比分析不同模型间的差异,得到最优立木材积模型。【结果】 机器学习算法在立木材积的拟合和预测中均优于传统二元材积模型,具体拟合结果排序为RF>BP>ε-SVR> NLR。其中RF的决定系数(R²)比传统模型的提高了2.00%,均方根误差(RMSE)、相对均方根误差(RMSE%)、平均绝对误差(MAE)分别降低了22.90%、22.93%、36.34%,且与真实值相比平均相对误差(MRB)的绝对值更低,证明了RF在立木材积预测中的优越性。【结论】 机器学习算法作为一种新兴的建模方法可以有效地提高立木材积的预测精度,为森林资源的精准调查和经营管理提供新的解决方案。     

雌雄异株树种山杨、水曲柳和东北红豆杉光合特性对比

【目的】探究雌雄异株树种的光合生理生态特性,为正确评价其对环境的适应机制以及确定影响种群建成的因素提供理论参考。【方法】以野外成树为研究对象,通过Li-6400XT便携式光合作用测定仪对比分析了山杨(Populus davidiana)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)和东北红豆杉(Taxus cuspidata)雌雄株叶片气体交换参数。【结果】3个树种整体上雌株光合特性优于雄株,雌雄株参数仅在山杨光补偿点(P_LCP)和最大羧化速率(C_E,max),水曲柳水分利用效率(E_WUE),东北红豆杉光饱和点(P_LSP)、光补偿点、羧化效率(C_E)和光呼吸速率(R_p)之间差异显著(P<0.05)。另外,雌株的叶性状指标并不低于雄株的。【结论】3个树种雌株较优的光合特性可能存在获取资源的补偿机制,以同时满足营养生长和生殖生长的生存需求。     

结构方程模型在兴安落叶松林生长中的应用

【目的】通过结构方程模型,确定气候、土壤和海拔对兴安落叶松林生长指标的影响以及路径关系。【方法】选取年平均气温、年平均降水量、太阳辐射、土壤全氮含量、土壤有机碳密度和海拔作为影响因素,探究兴安落叶松地上生物量、地下生物量、树高与这些影响因素的关系,并利用AMOS 21.0软件构建衡量兴安落叶松生长的3个指标与气候、土壤和海拔的结构方程模型。【结果】兴安落叶松的地上生物量、地下生物量随着海拔、年平均降水量的增大呈现先增大后减少的趋势,树高随着海拔的增加而增加。地上和地下生物量随着土壤有机碳密度的增加而增加。海拔对兴安落叶松生长的总效应系数为0.200且是正向效应,海拔对兴安落叶松生长的直接效应(0.224)大于间接效应(-0.024);气候因子对兴安落叶松林生长的总影响系数为-0.771且是负向效应;土壤因子对兴安落叶松生长的总影响系数为-0.216,其对兴安落叶松林生长起到一定的抑制作用。【结论】根据结构方程模型的路径系数,气候因子的总影响系数绝对值最大,其次是土壤和海拔,兴安落叶松林静态生长主要受到气候因子的制约。     

基于广义代数差分法的杉木人工林地位指数模型

【目的】地位指数法是森林立地质量评价常用的一种方法。采用广义代数差分法建立适用于杉木人工林的动态地位指数模型。【方法】利用福建省将乐县国有林场杉木人工林的24个固定样地连续观测数据和20株杉木优势木树干解析数据,基于Bertalanffy-Richards模型、Lundqvist-Kolf模型和Hossfeld模型3个经典的生长方程,以广义代数差分法对杉木人工林构建了6个动态地位指数模型。模型比较时综合考虑了统计学和生物学特征,通过统计分析和图形分析筛选出最佳的模型。【结果】构建的6个动态地位指数模型都具有良好的拟合优度,调整后的决定系数都在0.9左右。基于Hossfeld 生长方程,选择a=b₁+X和b=b₂/X作为与立地有关的参数推导的模型确定为最佳模型,推荐采用该模型对将乐县国有林场人工杉木林进行优势树高生长预测和立地质量分类。【结论】广义代数差分法建立的动态地位指数模型具有较好预测性能,说明广义代数差分法在推导地位指数模型时是准确而有效的。在选择最优生长模型时不仅要考虑统计分析,还应该进行图形分析,从而选出满足统计学以及生物学特征的模型。     

贵州茂兰喀斯特森林两树种叶片气孔形态特征及其对蒸腾的影响

【目的】 石漠化是中国西南喀斯特地区严重的环境问题, 探讨在喀斯特生境下树种气孔对蒸腾需求的响应及环境因子的影响,了解类似气候条件下相似物种对外界环境条件的基本调节策略,为喀斯特地区森林的保护和石漠化治理提供参考。【方法】 在贵州茂兰喀斯特地区,以常绿树种胀果树参(Dendropanax inflatus)和落叶树种瓜木(Alangium platanifolium)为对象,利用热扩散探针(TDP)对树干液流进行了野外监测,同步记录小气候数据,采集两树种叶片样本带回实验室进行干燥处理,然后在电子显微镜下做气孔结构分析。【结果】 ①常绿和落叶树种树干的液流速率(F_S)日变化规律相似,整体来看,观察期落叶树种瓜木的F_S[(585.25±53.46) g/h]高于常绿树种胀果树参的[(384.83±39.12) g/h],说明落叶树种比常绿树种的蒸腾作用强。②落叶树种瓜木的气孔密度(SD)[(1 005.08±80.99) 个/mm²]显著大于常绿树种胀果树参的[(237.16±21.67) 个/mm²](P<0.05,df=48,F=7.08),但两树种的气孔开度(SO)、气孔长度(SC)以及气孔器大小(SAS)均无显著差异(P>0.05,df=48,F=2.65);同时SD与SO、SC之间均存在显著负相关(P<0.05,df=9,F=14.00;P<0.05,df=9,F=17.12),相比较低气孔密度的常绿树种胀果树参气孔较长,开度较大。③两树种的SD与F_s均呈极显著正相关(P<0.01,df=48,F=16.03;P<0.01,df=48,F=32.10),说明两树种蒸腾与气孔密度小有关;同时两树种气孔密度与太阳辐射强度(R_n)均呈显著正相关(P<0.05,df=48,F=7.66;P<0.01,df=48,F=47.18),落叶树种瓜木的SC与R_n呈显著正相关(P<0.05,df=48,F=13.06),常绿树种胀果树参的SD还与大气温度(T_a)呈显著正相关(P<0.05,df=48,F=5.02), SC与T_a呈显著正相关(P<0.05,df=48,F=6.32),SO与T_a、R_n呈极显著正相关(P<0.01,df=48,F=17.20;P<0.01,df=48,F=14.81),说明R_n是影响两树种气孔形态的主要环境因子。【结论】 环境因子和气孔形态变化均在调节树木蒸腾中起作用,以气孔密度较低的常绿树种胀果树参对环境条件的响应更强,从蒸腾调节的角度来看,气孔密度大小以及环境因子影响叶片气孔形态的差异是导致树木蒸腾强弱差异的关键所在,类似落叶树种瓜木有高气孔密度的物种更适合在复杂的喀斯特生境下生长。     

结合树冠体积的油茶树高与产量估测研究

【目的】以长沙县明月村油茶林基地为研究区,探讨利用无人机倾斜摄影提取树冠体积进行油茶树高和产量估测的可行性。【方法】基于无人机正射影像和密集匹配点云,提取波段反射率、植被指数、纹理因子、高度特征等遥感变量和冠幅等冠层参数,同时利用克里金法、反距离权重法、自然邻近点法和过滤三角网法分别获取油茶树冠体积,建立多元线性回归、随机森林、K最邻近模型估测油茶树高和产量,并以地面三维激光点云获取的树冠体积、样地实测树高和产量作为实测值分别对估测结果进行精度评价。【结果】过滤三角网是获取油茶树冠体积最有效的方法,其平均相对误差(31.54%)优于反距离权重法(36.73%)、克里金法(37.04%)和自然邻近点法(38.54%)。将树冠体积作为特征变量参与建模后,树高和产量的多元线性回归、随机森林、K最邻近模型的精度均有所提升(树高相对均方根误差分别减小了3.77%、0.78%、0.64%,产量相对均方根误差分别减小了1.32%、0.34%、0.16%)。对比3种估测模型,随机森林模型的决定系数均优于多元线性回归和K最邻近(树高决定系数分别为0.78、0.51和0.19,产量决定系数分别为0.61、0.48和0.24)。研究发现,分别使用估测树高和实测树高参与产量建模的精度无明显差异。【结论】结合树冠体积和树高参与建模可有效提高油茶产量估测精度,研究结果可为区域范围内利用无人机遥感技术开展油茶树高和产量调查提供参考。