无人机监测柏木修枝效应：不同地形下生长性状与碳储量的影响研究

摘要：本研究旨在探究不同修枝处理对柏木幼龄树生长性状的影响，并筛选出不同地形下的最佳修枝强度。在浙江省杭州市万市镇平山村，建立了3个不同地形（陡坡Site1、缓坡Site2、平整地Site3）的柏木样地，并设置了5种修剪处理方式（对照/不修枝、修枝1/3、修枝1/2、修枝2/3、疏枝1/2）。通过地面人工测量与无人机（UAV）精准测量，提取柏木的树高、冠幅和碳储量等生长性状。

结果表明：UAV测量与地面实测数据具有高度相关性（R^2树高=0.96，R^2冠幅=0.85）。

• 陡坡/缓坡： “修枝2/3”（重度修剪）处理时，柏木的树高、冠幅、地径、枝下高和碳储量较高。
• 平整地： “修枝1/2”（中度修剪）处理时，柏木的各项生长指标较高。
• “疏枝1/2” 处理抑制了所有地形柏木的生长。

综上所述，在柏木未成林时进行合理的修枝处理有利于柏木生长，且UAV技术在预测柏木生长性状方面展现了良好的便捷性和准确性。

关键词

柏木；修枝处理；生长性状；碳储量；无人机（UAV）；坡度地形

引言

柏木（Cupressus funebris）是重要的家具用材和造林更新树种，具有耐干旱、耐瘠薄、抗污染等优点，广泛应用于我国南方石漠化和荒山林的生态修复中[4-5]。准确评估森林生态系统的碳储量对于减缓温室效应具有重要意义[9]。

传统的林业测量方法费时费力、误差大，且缺乏连续观测数据。近年来，无人机（UAV）技术凭借灵活性强、成本低和时效性强等优点，在林业调查和测量中得到广泛应用。

修枝是中幼林抚育的重要措施，通过去除下部枯枝或部分活枝，可以优化林分结构、降低生长压力和提高木材质量[15-16]。本研究旨在通过分析修枝1年后柏木的生长性状，找到不同地形的最佳修枝强度，为柏木人工林的生产和可持续经营提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于浙江省杭州市富阳区万市镇平山村桐毛坞（119^\circ 31'26.41''E、30^\circ 05'52.37''N）。设置了3个不同地形的标准地（总面积4000m^2）：

• Site1：陡坡 (坡度45^\circ，面积1333m^2)
• Site2：缓坡 (坡度20^\circ，面积2000m^2)
• Site3：平整地 (面积667m^2)

三块试验地均在向阳面，土壤条件和肥力基本一致，属于适生柏木的困难立地。于2021年3月中旬采用1年生容器苗造林。

1.2 修枝试验设计

采用随机区组试验设计，每个试验地设置5种处理方式，并于2022年12月完成修枝：

1. 对照： 未进行修剪或疏枝。
2. 修枝1/3： 修去树高1/3以下枝条（轻度修剪）。
3. 修枝1/2： 修去树高1/2以下枝条（中度修剪）。
4. 修枝2/3： 修去树高2/3以下枝条（重度修建）。
5. 疏枝1/2： 疏枝树高1/2以下枝条。

于2023年12月调查柏木树高、冠幅、胸径等生长性状。碳储量采用生物量清查法估算。

1.3 无人机（UAV）采集路线及图像采集

UAV飞行数据采集于2023年12月5日进行。以陡坡地（Site1）为例，UAV在起飞点上方65m高度飞行，采集110张RGB图像。

1.4 无人机（UAV）树高冠幅数据提取

利用SfM摄影测量技术和DJITerra软件处理图像，生成三维点云。点云与数字地形模型（DTM）结合生成冠层高度模型（CHM），从而确定每棵树的具体位置、树冠大小和树高。最终利用lidR软件包进行单株树木分割和信息提取。

1.5 UAV预测柏木的树高与冠幅与实测比较

相关性分析结果显示：

• 树高： 地面实测与UAV测量树高的R^2值为0.96，表明两者呈高度正相关，UAV数据可作为有效替代。
• 冠幅： 地面实测与UAV测量冠幅的R^2值为0.85，表明两者呈高度正相关，UAV测量提供了可靠的估计。

这两个R^2值证明了UAV技术在柏木树高和冠幅测量上的可行性和准确性。

2 结果与分析

2.1 不同处理方式对树高的影响

• Site1（陡坡）： “修枝1/2”和“修枝2/3”促进树高增长。
• Site2（缓坡）： “修枝2/3”促进树高生长。
• Site3（平整地）： “修枝2/3”抑制树高生长。
• “疏枝1/2” 对树高生长的促进作用不明显。

2.2 不同处理方式对冠幅的影响

• Site1（陡坡）： “修枝2/3”表现出较大冠幅。
• Site2/Site3（缓坡/平整地）： “修枝2/3”反而抑制了冠幅增长。
• “疏枝1/2” 显著降低了所有3个地点的冠幅。
• “修枝1/2”和“修枝1/3” 对冠幅影响不显著。

2.3 不同处理方式对地径的影响

• “疏枝1/2” 处理在3个试验地都抑制了地径生长。
• Site1（陡坡）： “修枝2/3”平均地径较大。
• Site2/Site3（缓坡/平整地）： “修枝1/3”处理显示出最大的地径。

2.4 不同处理方式对枝下高地的影响

• Site1（陡坡）： “修枝1/2”和“修枝2/3”显示出较大的枝下高度。
• Site2/Site3（缓坡/平整地）： 枝下高度在各处理方式下的差异较小。

2.5 不同处理方式对碳储量的影响

• Site1（陡坡）： “修枝2/3”和“修枝1/2”展示了较高的碳储量。
• Site2（缓坡）： “修枝2/3”展示了较高的碳储量。
• Site3（平整地）： “修枝2/3”显示出最低的碳储量。

3 结论与讨论

3.1 结论

本研究通过无人机航拍测量，验证了UAV技术在预测林木生长性状上的可行性。不同修枝处理对柏木生长性状的影响存在地形差异：

1. 陡坡（Site1）： “修枝2/3”（重度修剪）处理显示出最高的树高、冠幅、地径和碳储量，最有利于柏树生长。
2. 缓坡（Site2）： “修枝2/3” 处理产生了较高的碳储量和枝下高，其他生长性状对各种处理的反应较稳定。
3. 平整地（Site3）： “修枝1/2”（中度修剪）处理产生了最高的树高、冠幅、地径、枝下高和碳储量。“修枝2/3” 在该地形下产生了最低的值，可能抑制了正常生长。
4. 负面影响： “疏枝1/2” 处理在所有地形中对柏木各项生长性状均产生了消极影响，可能是降低了柏木的光合作用。

3.2 实践指导

本研究对于制定合理的柏木人工林管理和修剪策略至关重要：

• 陡坡和缓坡： 建议进行重度修枝（“修枝2/3”），以促进柏木生长。
• 平整地： 建议进行中度修枝（“修枝1/2”），以促进柏木生长。