פיתוח מודל תוספת קבועה של אזור בזלית של עץ יחיד באמצעות גישה ליניארית של אפקטים מעורבים
Summary
מודלים של אפקטים מעורבים הם כלים גמישים ושימושיים לניתוח נתונים עם מבנה סטוכסטי היררכי ביערנות ויכולים לשמש גם לשיפור משמעותי בביצועים של מודלים לצמיחת יער. כאן מוצג פרוטוקול המסונתז מידע הקשור למודלים של אפקטים מעורבים ליניאריים.
Abstract
כאן, פיתחנו מודל של עץ יחיד של מרווחי שטח בסיסיים ל-5 שנים המבוססים על ערכת נתונים הכוללת עצי אספרטה של Picea משנת 21898 מ-779 חלקות לדוגמה הממוקמות במחוז שינג’יאנג, צפון-מערב סין. כדי למנוע מתאמים גבוהים בין תצפיות מאותה יחידת דגימה, פיתחנו את המודל באמצעות גישה ליניארית מעורבת אפקטים עם אפקט עלילה אקראית כדי להסביר את השונות הסטוצ’סטית. משתנים שונים ברמת העצים והמעמד, כגון מדדים לגודל עץ, תחרות ומצב אתר, נכללו כאפקטים קבועים כדי להסביר את השונות השיורית. בנוסף, הטרוסקסטיות וטיפוח אוטומטי תוארו על ידי החדרת פונקציות שונות ומבני תיקון אוטומטי. מודל ההשפעות המעורבות הליניאריות האופטימלי נקבע על ידי מספר סטטיסטיקות התאמה: קריטריון המידע של Akaike, קריטריון המידע הבייסיאני, הסבירות לוגריתם ומבחן יחס הסבירות. התוצאות הצביעו על כך שמשתנים משמעותיים של שטח הבסיס של עץ יחיד היו הטרנספורמציה ההופכית של קוטר בגובה השד, שטח הבסיס של עצים הגדולים מעץ הנושא, מספר העצים לדונם וגובהם. יתר על כן, שגיאות במבנה השונות תוכננו בהצלחה רבה על-ידי הפונקציה המעריכית, והתיקון האוטומטי תוקן באופן משמעותי על-ידי מבנה תוקפנות אוטומטית מסדר ראשון (AR(1)). הביצועים של מודל האפקטים המעורבים הליניאריים שופרו באופן משמעותי ביחס לדגם באמצעות רגרסיה רגילה של ריבועים לפחות.
Introduction
בהשוואה למונוקולטורה מיושנת, ניהול יערות מעורבים בגילאים לא אחידים עם מטרות מרובות זכה לאחרונה לתשומת לב מוגברת1,2,3. חיזוי חלופות ניהול שונות הכרחי לגיבוש אסטרטגיות חזקות לניהול יערות, במיוחד עבור יער מורכב שאינו מיושן בין מינים מעורבים4. גידול יער מודלים תשואה שימשו בהרחבה כדי לחזות עץ או לעמוד פיתוח וקציר תחת תוכניות ניהול שונות5,6,7. מודלים של צמיחת יערות ותפוקה מסווגים למודלים של עצים בודדים, דגמי גודל ומודלים של צמיחה שלמים6,7,8. למרבה הצער, מודלים בגודל מעמד ומודלים שלמים אינם מתאימים ליערות מעורבים בגילאים לא אחידים, הדורשים תיאור מפורט יותר כדי לתמוך בתהליך קבלת ההחלטות של ניהול היער. מסיבה זו, מודלים של צמיחת עצים בודדים ומודלים של תשואה קיבלו תשומת לב מוגברת לאורך העשורים האחרונים בגלל יכולתם לבצע תחזיות עבור יער עומד עם מגוון רחב של הרכבים מינים, מבנים, ואסטרטגיות ניהול9,10,11.
רגרסיה רגילה הריבועים הפחותים (OLS) היא השיטה הנפוצה ביותר לפיתוח מודלים לצמיחת עצים בודדים12,13,14,15. ערכות הנתונים עבור מודלים של צמיחת עצים בודדים שנאספו שוב ושוב לאורך זמן קבוע על אותה יחידת דגימה (כלומר, חלקת מדגם או עץ) יש מבנה סטוכסטי היררכי, עם חוסר עצמאות מתאם מרחבי וטמפורלי גבוה בין תצפיות10,16. המבנה הסטוצטי ההיררכי מפר את הנחות היסוד של רגרסיה OLS: כלומר שאריות עצמאיות ונתונים מופצים בדרך כלל עם שונות שווה. לכן, השימוש ברגרסיה OLS מייצר באופן בלתי נמנע הערכות מוטות של השגיאה הסטנדרטית של אומדני הפרמטרים עבור נתונים אלה13,14.
מודלים של אפקטים מעורבים מספקים כלי רב עוצמה לניתוח נתונים עם מבנים מורכבים, כגון נתוני מדידות חוזרות ונשנות, נתונים אורך ונתונים מרובי רמות. מודלים של אפקטים מעורבים מורכבים הן מרכיבים קבועים, המשותפים לאוכלוסיה המלאה והן רכיבים אקראיים, הספציפיים לכל רמת דגימה. בנוסף, מודלים של אפקטים מעורבים לוקחים בחשבון הטרוסקסואליות ותיקון אוטומטי במרחב ובזמן על ידי הגדרת מבנה שונות-שונות-שונות לא אלכסוני מטריצות17,18,19. מסיבה זו, מודלים של אפקטים מעורבים שימשו בהרחבה ביערנות, כגון במודלים בגובה קוטר20,21, דגמיכתר 22,23, מודלים לדילול עצמי24,25, ומודלים צמיחה26,27.
כאן, המטרה העיקרית הייתה לפתח מודל בהפרש קבוע של אזור בזלת של עץ יחיד באמצעות גישה ליניארית של אפקטים מעורבים. אנו מקווים כי הגישה אפקטים מעורבים יכול להיות מיושם באופן נרחב.
Protocol
Representative Results
Discussion
נושא מכריע לפיתוח מודלים של אפקטים מעורבים היא לקבוע אילו פרמטרים ניתן להתייחס כמו אפקטים אקראיים ואשר צריך להיחשב אפקטים קבועים34,35. הוצעו שתי שיטות. הגישה הנפוצה ביותר היא להתייחס לכל הפרמטרים כאל אפקטים אקראיים ולאחר מכן לבחור את המודל הטוב ביותר על-ידי A…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
מחקר זה מומן על ידי קרנות המחקר הבסיסיות לאוניברסיטאות המרכזיות, מענק מספר 2019GJZL04. אנו מודים לפרופסור וישנג זנג באקדמיה למלאי ותכנון יערות, מינהל היערנות הלאומי וארץ העשב, סין על מתן גישה לנתונים.
References
- Meng, J., Lu, Y., Ji, Z. Transformation of a Degraded Pinus massoniana Plantation into a Mixed-Species Irregular Forest: Impacts on Stand Structure and Growth in Southern China. Forests. 5 (12), 3199-3221 (2014).
- Sharma, A., Bohn, K., Jose, S., Cropper, W. P. Converting even-aged plantations to uneven-aged stand conditions: A simulation analysis of silvicultural regimes with slash pine (Pinus elliottii Engelm). Forest Science. 60 (5), 893-906 (2014).
- Zhu, J., et al. Feasibility of implementing thinning in even-aged Larix olgensis plantations to develop uneven-aged larch–broadleaved mixed forests. Journal of Forest Research. 15 (1), 71-80 (2010).
- Leites, L. P., Robinson, A. P., Crookston, N. L. Accuracy and equivalence testing of crown ratio models and assessment of their impact on diameter growth and basal area increment predictions of two variants of the Forest Vegetation Simulator. Canadian Journal of Forest Research. 39 (3), 655-665 (2009).
- Pretzsch, H. . Forest Dynamics, Growth and Yield. , (2009).
- Weiskittel, A. R., et al. Forest growth and yield modeling. Forest Growth & Yield Modeling. 7 (2), 223-233 (2002).
- Burkhart, H. E., Tomé, M. . Modeling Forest Trees and Stands. , (2012).
- Zhang, X. Chinese Academy Of Forestry. A linkage among whole-stand model, individual-tree model and diameter-distribution model. Journal of Forest Science. 56 (56), 600-608 (2010).
- Peng, C. Growth and yield models for uneven-aged stands: past, present and future. Forest Ecology & Management. 132 (2), 259-279 (2000).
- Lhotka, J. M., Loewenstein, E. F. An individual-tree diameter growth model for managed uneven-aged oak-shortleaf pine stands in the Ozark Highlands of Missouri, USA. Forest Ecology & Management. 261 (3), 770-778 (2011).
- Porté, A., Bartelink, H. H. Modelling mixed forest growth: a review of models for forest management. Ecological Modelling. 150 (1), 141-188 (2002).
- Moses, L. E., Gale, L. C., Altmann, J. Methods for analysis of unbalanced, longitudinal, growth data. American Journal of Primatology. 28 (1), 49-59 (2010).
- Biging, G. S. Improved Estimates of Site Index Curves Using a Varying-Parameter Model. Forest Science. 31 (31), 248-259 (1985).
- Kowalchuk, R. K., Keselman, H. J. Mixed-model pairwise multiple comparisons of repeated measures means. Psychological Methods. 6 (3), 282-296 (2001).
- Hayes, A. F., Cai, L. Using heteroskedasticity-consistent standard error estimators in OLS regression: An introduction and software implementation. Behavior Research Methods. 39 (4), 709-722 (2007).
- Gutzwiller, K. J., Riffell, S. K. . Using Statistical Models to Study Temporal Dynamics of Animal-Landscape Relations. , (2007).
- Calama, R., Montero, G. . Multilevel linear mixed model for tree diameter increment in stone pine (Pinus pinea): a calibrating approach. 39, (2005).
- Vonesh, E. F., Chinchilli, V. M. Linear and nonlinear models for the analysis of repeated measurements. Journal of Biopharmaceutical Statistics. 18 (4), 595-610 (1996).
- Zobel, J. M., Ek, A. R., Burk, T. E. Comparison of Forest Inventory and Analysis surveys, basal area models, and fitting methods for the aspen forest type in Minnesota. Forest Ecology & Management. 262 (2), 188-194 (2011).
- Sharma, M., Parton, J. Height-diameter equations for boreal tree species in Ontario using a mixed-effects modeling approach. Forest Ecology & Management. 249 (3), 187-198 (2007).
- Crecente-Campo, F., Tomé, M., Soares, P., Diéguez-Aranda, U. A generalized nonlinear mixed-effects height–diameter model for Eucalyptus globulus L. in northwestern Spain. Forest Ecology & Management. 259 (5), 943-952 (2010).
- Fu, L., Sharma, R. P., Hao, K., Tang, S. A generalized interregional nonlinear mixed-effects crown width model for Prince Rupprecht larch in northern China. Forest Ecology & Management. 389 (2017), 364-373 (2017).
- Hao, X., Yujun, S., Xinjie, W., Jin, W., Yao, F. Linear mixed-effects models to describe individual tree crown width for China-fir in Fujian Province, southeast China. Plos One. 10 (4), 0122257 (2015).
- Vanderschaaf, C. L., Burkhart, H. E. Comparing methods to estimate Reineke’s Maximum Size-Density Relationship species boundary line slope. Forest Science. 53 (3), 435-442 (2007).
- Zhang, L., Bi, H., Gove, J. H., Heath, L. S. A comparison of alternative methods for estimating the self-thinning boundary line. Canadian Journal of Forest Research. 35 (6), 1507-1514 (2005).
- Hart, D. R., Chute, A. S. Estimating von Bertalanffy growth parameters from growth increment data using a linear mixed-effects model, with an application to the sea scallop Placopecten magellanicus. Ices Journal of Marine Science. 66 (9), 2165-2175 (2009).
- Uzoh, F. C. C., Oliver, W. W. Individual tree diameter increment model for managed even-aged stands of ponderosa pine throughout the western United States using a multilevel linear mixed effects model. Forest Ecology & Management. 256 (3), 438-445 (2008).
- Condés, S., Sterba, H. Comparing an individual tree growth model for Pinus halepensis Mill. in the Spanish region of Murcia with yield tables gained from the same area. European Journal of Forest Research. 127 (3), 253-261 (2008).
- Pokharel, B., Dech, J. P. Mixed-effects basal area increment models for tree species in the boreal forest of Ontario, Canada using an ecological land classification approach to incorporate site effects. Forestry. 85 (2), 255-270 (2012).
- Wykoff, W. R. A basal area increment model for individual conifers in the northern Rocky Mountains. Forest Science. 36 (4), 1077-1104 (1990).
- Stage, A. R. Notes: An Expression for the Effect of Aspect, Slope, and Habitat Type on Tree Growth. Forest Science. 22 (4), 457-460 (1976).
- Gregorie, T. G. Generalized Error Structure for Forestry Yield Models. Forest Science. 33 (2), 423-444 (1987).
- Zhao, L., Li, C., Tang, S. Individual-tree diameter growth model for fir plantations based on multi-level linear mixed effects models across southeast China. Journal of Forest Research. 18 (4), 305-315 (2013).
- Hall, D. B., Bailey, R. L. Modeling and Prediction of Forest Growth Variables Based on Multilevel Nonlinear Mixed Models. Forest Science. 47 (3), 311-321 (2001).
- Yang, Y., Huang, S., Meng, S. X., Trincado, G., Vanderschaaf, C. L. A multilevel individual tree basal area increment model for aspen in boreal mixedwood stands : Journal canadien de la recherche forestière. Revue Canadienne De Recherche Forestière. 39 (39), 2203-2214 (2009).
- Pinheiro, J. C., Bates, D. M. Mixed-effects models in S and S-Plus. Publications of the American Statistical Association. 96 (455), 1135-1136 (2000).
