بررسی مدل‌های قطر - ارتفاع بلوط ایرانی (Quercus brantii Lindl) در جنگل‌های دانه‌زاد زاگرس میانی

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مدیریت جنگل، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، ایران

2 دانشیار، گروه جنگلداری، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه لرستان، خرم‌آباد، ایران

چکیده

مقدمه و هدف: برای مدیریت پایدار و برنامه­ریزی اصولی منابع جنگلی به اطلاعات کارآمد و باکیفیتی از وضیعت حال و آینده جنگل نیازمند است. جنگل­های زاگرس به­عنوان یکی از مهم­ترین ناحیه­های رویشی ایران، تأثیر بسیار مهمی در تأمین آب، حفظ خاک، تعدیل آب و هوا و تعادل اقتصادی و اجتماعی در کل کشور دارند، از این­­رو، حفاظت و مدیریت پایدار این بوم­سازگان­های جنگلی به دغدغۀ اصلی محققان و مدیران در این ناحیه رویشی تبدیل شده است. گونه غالب این جنگل­ها، گونه بلوط ایرانی (Quercus brantii Lindl) است. این گونه بر حسب شرایط جغرافیایی و محیطی دارای رویشگاه­های متنوعی در ناحیه رویشی زاگرس میانی است. با توجه به جایگاه ارشمند گونه بلوط ایرانی در جنگل­های زاگرس، اهمیت توسعه پژوهش­های هرچه بیشتر در رابطه با این گونه امری ضروری است. مشخصه­های قطر و ارتفاع درخت از مهم­ترین مؤلفه­های موردنیاز در آماربرداری جنگل هستند. این متغیرها از اصلی­ترین متغیرها برای اندازه­گیری خصوصیات ظاهری درختان جنگلی بوده و در مواردی از جمله تعیین حجم و ترسیم منحنی ارتفاع کاربرد دارند. با توجه به این­که اندازه­گیری ارتفاع تمام درختان جنگلی عملیاتی زمان­بر و پرهزینه است، از این­رو، استفاده از مدل­های قطر و ارتفاع برای برآورد ارتفاع درختان توسعه پیدا کرده است. هدف از این پژوهش بررسی مدل­های خطی و غیرخطی قطر - ارتفاع گونه بلوط ایرانی در جنگل­های دانه­زاد زاگرس میانی برای دست­یابی به پاسخ این سوال که آیا امکان برآورد ارتفاع درختان دانه­زاد بلوط ایرانی به­عنوان تابعی از قطر برابرسینه در این ناحیه رویشی وجود دارد یا خیر.
مواد و روش: این پژوهش در منطقه حفاظت­شده سفیدکوه لرستان انجام شد. پوشش درختی غالب این منطقه مانند دیگر مناطق زاگرس از بلوط تشکیل شده است اما به گیاهان و درختان دیگری نظیر زالزالک، بادام کوهی، گون و غیره می­توان در آن اشاره کرد. برای انجام این پژوهش با انجام جنگل­گردشی­های متعدد و شناخت جنگل­های منطقه، توده­ای به مساحت تقریبی پنج هکتار که دارای ساختار رویشی دانه­زاد بود انتخاب شد. در تودۀ جنگلی انتخاب شده، مشخصه­های قطر برابرسینه و ارتفاع کل تمامی درختان بلوط ایرانی که قطر برابرسینۀ بیش از 5/12 سانتی­متر، مورد آماربرداری 100 درصد قرار گرفت. در مجموع قطر برابرسینه و ارتفاع کل تعداد 642 اصله درخت بلوط ایرانی اندازه­گیری شد. برای برازش داده­های قطر برابرسینه و ارتفاع درختان از مدل­های خطی و غیرخطی استفاده شد که شامل انواع مدل­های نمایی، توانی، تراکم - محصول، رویش، سیگموییدی و دیگر توابع است. در این پژوهش 80 درصد داده­ها در فرآیند مدل­سازی و 20 درصد برای ارزیابی به­کار گرفته شدند. همچنین برای برازش داده­ها و برآورد شاخص­های هر یک از مدل­ها از نرم­افزار Curve Expert Professional استفاده شد. در فرآیند مدل­سازی، داده­های قطر به­عنوان متغیر مستقل و داده­های ارتفاع به­عنوان متغیر وابسته بکار گرفته شدند. برای صحت­سنجی مدل­ها، مجذور میانگین مربعات خطا (RMSE)، میانگین قدر مطلق خطا (MAE) و اریبی (Bias) به­صورت مطلق و نسبی و نیز ضریب تبیین (R2) و معیار اطلاعات آییک (AIC) به­عنوان شاخص­های اعتبارسنجی محاسبه شدند.
یافته­ها: براساس بررسی آماره­های توصیفی درختان دانه­زاد بلوط ایرانی میانگین، کمینه و بیشینۀ قطر برابرسینه به­ ترتیب 4/42، 5/12 و 150 سانتی­متر و ارتفاع به ­ترتیب 3/6، 2/1 و 17 متر بود. مدل­های استفاده­شده بر اساس مقادیر R2، 62 تا 86 درصد از تغییرات کل ارتفاع درختان را توجیه کردند. نتایج حاصل از مدل­سازی­های قطر - ارتفاع درختان نشان داد که مدل­های Gompertz، MMF و Richard به­ترتیب دارای بالاترین ضریب تبیین (86/0، 86/0، 86/0)، کمترین اشتباه معیار (307/1، 307/1، 307/1) و معیار اطلاعات آییک (04/276، 13/277، 03/277) بودند. نتایج حاصل از معیارهای استفاده­شده برای اعتبارسنجی مدل­های به­کار رفته نشان داد که مدل­های Gompertz، MMF و Richard با RMSE به­ترتیب 19/22، 20/22 و 20/22 درصد و نیز MAE به­­ترتیب 69/16، 74/16 و 79/16 درصد بهتر توانستند مشخصۀ ارتفاع درختان را برآورد کنند. باتوجه به نتایج ذکرشده مشخص شد که سه مدل Gompertz، MMF و Richard در مقایسه با دیگر مدل­ها از توانایی بالاتری در برآورد مشخصۀ ارتفاع درختان دانه­زاد بلوط ایرانی برخوردار هستند.
نتیجه­گیری کلی: در مجموع نتایج این پژوهش نشان داد که مدل­های خطی و غیرخطی توانایی برآورد ارتفاع درختان دانه­زاد بلوط ایرانی را در ناحیه رویشی زاگرس میانی دارند، که از میان این مدل­ها سه مدل غیرخطی Gompertz، MMF و Richard بر اساس معیارهای ارزیابی عملکرد از دقت بالاتری برخوردار بودند. بنابراین این مدل­ها می­توانند در مناطق جنگلی ناحیۀ رویشی زاگرس میانی که دارای ساختار و شرایط رویشگاهی مشابهی با منطقه موردبررسی هستند مورداستفاده قرار گیرند. پیشنهاد می­شود که در پژوهش­های آینده از مدل­های تعمیم­یافته ارتفاع و قطر استفاده شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigating diameter-height models of Persian oak (Quercus brantii Lindl) in height forests of Middle Zagros

نویسندگان [English]

  • Peyman Amiri 1
  • Javad Soosani 2
  • Hamed Naghavi 2
1 PhD student of Forest Management, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Lorestan University, Khorramabad, I. R. Iran
2 Associate Professor, Department of Forestry, Faculty of Agriculture and Natural Resources, Lorestan University, Khorramabad, I. R. Iran
چکیده [English]

Background and objectives: Efficient and high-quality information about the current and future state of the forest is needed for sustainable management and basic planning of forest resources. Zagros forests, as one of the most important vegetation areas of Iran, have a very important effect on water supply, soil conservation, climate adjustment and economic and social balance in the whole country, hence, the sustainable protection and management of these forest ecosystems The main concern of researchers and managers in this area has become vegetation. The dominant species of these forests is Iranian oak (Quercus brantii Lindl). According to geographical and environmental conditions, this species has various habitats in the vegetation zone of the middle Zagros. Considering the noble position of the Iranian oak species in the forests of Zagros, the importance of developing more researches regarding this species is essential. The characteristics of tree diameter and height are the most important components needed in forest statistics. These variables are one of the main variables for measuring the appearance characteristics of forest trees and are used in cases such as determining the volume and drawing the height curve. Considering that measuring the height of all forest trees is a long and expensive operation, hence the use of diameter and height models to estimate the height of trees has been developed. The purpose of this research is to investigate the linear and non-linear diameter-height models of Iranian oak species (Q. brantii Lindl) in the high forests of the Middle Zagros in order to find the answer to the question of whether it is possible to estimate the height of Iranian oak high forest trees as There is a function of the diameter of the chest in this vegetative zone or not.
Methodology: This research was conducted in Sefidkoh protected area of Lorestan. The dominant tree cover of this area is made of oak, like other areas of Zagros, but other plants and trees such as Cratagus persica pojark, Amygdalus sp, Astragalus sp, etc. can be mentioned in it. To carry out this research, by conducting numerous forest tours and getting to know the forests of the region, a stand with an area of approximately five hectares, which had a high forest vegetation structure, was selected. In the selected forest stand, the characteristics of DBH and total height of all Iranian oak trees whose DBH was more than 12.5 cm were counted as 100%. In total, 642 Iranian oak trees were measured in DBH and height. Linear and non-linear models were used to fit the data of DBH and height of trees, which include various models of exponential, power, density-product, growth, sigmoid and other functions. In this research, 80% of the data were used in the modeling process and 20% were used for evaluation, as well as for fitting the data and estimating the indicators of each of the models from the Curve Expert Professional software, which is a software Comprehensive software was used to fit the curves. In the modeling process, diameter data were used as independent variables and height data were used as dependent variables. In the upcoming research, to verify the accuracy of the obtained models, the RMSE, MAEand Bias in absolute and relative terms, as well as the R2 and the AIC was calculated as validation indices.
Results: Based on the descriptive statistics of Iranian oak trees, the average, minimum and maximum DBH was 42.42, 12.5 and 150 cm, respectively, and the height was 6.3, 1.2 and 17 meters, respectively. Based on R2 values, the used models explained 62 to 86% of the total changes in tree height. The results of tree height-diameter modeling showed that Gompertz, MMF and Richard models have the highest explanatory coefficient (0.86, 0.86, 0.86), respectively, and the lowest standard error (307. 1, 1/307, 1/307) and AIC information criterion were (276/04, 277/13, 277/03). The results of the criteria used to validate the used models showed that the Gompertz, MMF and Richard models have RMSE of 22.22, 22.20 and 22.20%, respectively, as well as MAE respectively. 16.69, 16.74 and 16.79 percent were better able to estimate the characteristics of the height of trees. According to the mentioned results, it was found that Gompertz, MMF, and Richard models have a higher ability to estimate the characteristic height of Iranian oak trees compared to other models.
Conclusion: Overall, the results of this research showed that linear and non-linear models have the ability to estimate the height of Iranian oak high forest trees in the growing region of the middle Zagros, and among these models, three non-linear models are Gompertz, MMF and Richard based on evaluation criteria. The performance was more accurate. Therefore, these models can be used in the forest areas of the middle Zagros vegetation zone, which have the same structure and habitat conditions as the studied area. It is suggested to use the generalized models of height and diameter in future researches.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Modeling
  • Quercus brantii
  • Regression
  • Statistics
  • Validation
Adame, P.; del Rio, M.; Canellas, I., A mixed nonlinear height–diameter model for pyrenean oak (Quercus pyrenaica Willd.). Forest Ecology and Management 2008, 256, 88 – 98.
Ahmadi, K.; Alavi, S.J.; Kouchaksaraei, M.T.; Aertsen, W., Non-linear height-diameter models for oriental beech (Fagus orientalis Lipsky) in the Hyrcanian forests, Iran. Biotechnology, Agronomy, Society and Environment 2013, 17, 431–440.
Ahmadi, K.; Alavi, S.J.; Kouchaksaraei, M.T.; Aertsen, W., Compersion of non-linear height and diameter functions for oriental beech (Fagus orientalis Lipsky.) in a mixed and uneven-aged Caspian forest (Case Study: Tarbiat Modares University forest research station). Iranian Journal of Forest 2014, 6 (1), 11 – 22. (In Persian)
 Aishan, T.; Halik, U.; Betz. F.; Gartner, P.; Cyffka, B., Modeling height–diameter relationship for Populus euphratica in the Tarim riparian forest ecosystem, Northwest China. Journal of Forestry Research 2016, 27 (4), 889–900.
Alemi, A.; Oladi, J.; Fallah, A.; Maghsodi, Y., Evaluating of different height-diameter nonlinear models for hornbeam in uneven-aged stands (Case Study: Golestan Rezaeian Forest). Ecology of Iranian Forests 2021, 8 (16), 29 – 38. (In Persian)
Alijani, V.; Namiranian, M.; Feghhi, J.; Bozorg – Hadad, O.; Etemad, V., Investigation of height-diameter models in different development stages of unmanaged beech Forest (Case Study: Educational and research forest of Kheirud). Journal of Environmental Science and Technology 2020, 21 (12), 127 – 134. (In Persian)
Amiri, P.; Soosani, J.; Naghavi, H.; Seyedna, V.; Nourmohamadi, K., Investigating the quantitative characteristics of the less degraded forest areas of the middle Zagros region (case study: the forests of Khoramabad Nozhian region). National congress of vew findings in agricultural and natural resources, environment and tourism 2022, 1 – 7. (In Persian)
Bayat, M.; Hasani, M.; Heidari Masteali, S., Ten-year estimation of Fagus orientalis lipsky increment using artificial neural networks model and multiple linear regression Ramsar forests. Forest Research and Development 2020, 6 (3), 381 – 394. (In Persian)
Bolat, F.; Urker, O.; Günlü, A., Nonlinear height-diameter models for Hungarian oak (Quercus frainetto Ten.) in Dumanlı Forest Planning Unit, anakkale/Turkey. Austrian Journal of Forest Science 2022, 139, 199-220.
Bihamta, M.R.; Zare Chahouki, M.R., Principles of statistics for the natural resources science. University of Tehran Press, 2008, 322p. (In Persian)
Cui, K.; Wu, X.; Zhang, C.; Zhao, X.; Gadow, K., Estimating height-diameter relations for structure groups in the natural forests of Northeastern China. Forest Ecology and Management 2022, 519, 120298.
Delpasand, S.; Maleknia, R.; Kazemi, Y., Evaluating the impact of climatic factors on vegetation changes in the protected area of Sefid Koh Lorestan using the MODIS sensor. Conference: National Geomatics Conference 2017, 1 – 10. (In Persian)
Eshagh Nimvari, J.; Zobeyri, M.; Sobhani, H.; Pourshafi Zanganeh, H., A comparison of randomized -systematic sampling with circule shape plot and transect method, based on precisiona nd cost in west oak forest. Iranian Journal of Natural Resources 2003, 56 (4), 383-395. (In Persian)
Fattahi, M., Investigation of Zagros oak forests and the most important factors of its destruction. Research Institute of Forests and Rangelands Tehran press, 1994. (In Persian)
Fang, Z.; Bailey, R.L., Height-diameter models for tropical forest on Hainan Island in southern China. Forest Ecology and Management 1998, 110, 315-327.
Ghaderi, P.; Mohammadi, J.; Shataee, Sh.; Rahmani, R.; Kariminejad, N., Efficiency of nonlinear mixed-effects model in determining height-diameter equations of velvet maple and ironwood trees. Iranian Journal of Forest 2023, 14 (4), 473 – 485. (In Persian)
Golob, Ch.; Ritter, T.; Vosptnic, S.; Wassermann, C.; Nuthtroft. A., A flexible height–diameter model for tree height imputation on forest inventory sample plots using repeated measures from the past. Journal Forests 2018, 9 (368), 1 – 25.
Hamidi, S.K.; Fallah, A.; Bayat, M.; Hosseini Yekani, S.A., Investigating the diameter and height models of beech trees in uneven age forest of northern iran (Case study: Forest Farim). Ecology of Iranian Forests 2021, 9 (17), 30-40. (In Persian)
Hyams, D., Curve expert 1.40: A curve fitting system for Windows. 2010, http://curveexpert.webhop.biz/
Mohammadi, J.; Shataee. Sh., Study of different height-diameter models for hornbeam (Carpinus betulus L.) in uneven-aged stands of Shastkalateh forest of Gorgan. Iranian Journal of Forest and Poplar Research 2016, 24 (4), 700 – 712. (In Persian)
Jafari, J.; Tabari, M.; Hosseini, V.; Sadati, S. E., Effect of artificial tree stands on physical, chemical properties and soil microbial biomass (case study: Zaghmarz of Neka). Forest Research and Development 2021, 7 (1), 123-135. (In persian)
Petras, R.; Bosela, M.; Mecko, J., Height-diameter models for mixed-species forests consisting of spruce, fir, and beech. Folia Forest Polonica 2014, 56, 93–104.
Rahimi, GH.; Mohammadi Samani, K.; Shabanian, N.; Sharif Rahmani. M., Investigating some chemical soil properties in the pollarded and less-disturbed forest stands in the Northern Zagros (case study: Baneh forest, Kurdistan). Journal of Environmental Science and Technology 2020, 22 (3), 68-55. (In Persian)
Salmani, A.; Poursaeed, A.R.; Bayramzadeh, V.; Eshraghi Samani. R., Explaining the criteria and indicators of sustainable management of forests in Zagros basin from the point of view of forest specialists and experts. Iranian Journal of Forest 2021, 13 (1), 43-58. (In Persian)
Scaranello, M. A. S.; Alves, L. F.; Vieira, S. A.; Camargo, P. B. C.; Joly, C. A.; Martinelli, L. A., Height-diameter relationships of tropical Atlantic moist forest trees in southeastern Brazil. Scientia Agricola 2012, 69 (1), 26-37.
Sharma, R.P.; Vacek, Z.; Vacek, S., Nonlinear mixed effect height-diameter model for mixed species forests in the central part of the Czech Republic. Journal of Forest Science 2016, 62 (10), 470–484.
Wang, T. Y.; Lam, T. Y., Modelling height-diameter relationship of fifteen tree species planted on reclaimed agricultural lands with random species effects. Tropical Forestry 2021, 1053, 1-5.
Xu, Q.; Lei, X.; Zang, H.; Zeng, W., Climate change effects on height–diameter allometric relationship vary with tree species and size for larch plantations in northern and northeastern China. Forests 2022, 13 (468), 1-16.
Zeynali Yadegari, L.; Seyedi, N., Effect of altitude on seed germination and biomass of Quercus brantii. Forest Research and Development 2019, 5 (3), 405-417. (In Persian)
Zhang, L., Cross-validation of nonlinear growth functions for modeling tree heightdiameter distributions. Annals of Botany 1997, 79, 251-257.