Stem taper models for maritime pine plantations in Istanbul Sarıyer Region

Abstract

Maritime pine (Pinus pinaster Ait.) is one of the most important tree species in Turkey for establish industrial plantations. In this study, stem taper models were developed for maritime pine plantations in İstanbul-Sarıyer region. For this aim, two commonly used and well-known taper models belonging to different groups (segmented and variable-form) were evaluated. In this frame, totally 194 destructively sampled trees were used. The equations were fitted with ordinary nonlinear least squares method. We incorporated a second-order continuous-time autoregressive error structure (CAR(2)) to address of autocorrelation problem and used condition numbers to detect presence of multicollinearity. The predictive performance of the taper models was evaluated using five different evaluation criteria (R2, RMSE, AIC, BIC, and AAE). According to evaluation statistics, Fang et al. (2000) model provided better results than the Kozak (2004) model for height at a specific diameter, merchantable volume and total volume predictions except for diameter at a specific height. However, there are no significant differences among both models in terms of prediction performance of the models. Therefore, it will be more reasonable for the decision maker to decide which model will be preferred in maritime pine plantations.

Keywords

• Diameter
• Autocorrelation
• Stem form
• Segmented model
• Volume estimation
• Hacim tahmini

İstanbul-Sarıyer Yöresi sahil çamı ağaçlandırmaları için gövde çapı modelleri

Abstract

Sahil çamı (Pinus pinaster Ait.) ülkemizde endüstriyel plantasyon kurmak amacıyla kullanılan en önemli ağaç türlerinden biridir. Bu çalışmada, İstanbul-Sarıyer Yöresi sahil çamı plantasyonları için gövde çapı modelleri geliştirilmiştir. Çalışma kapsamında toplam 194 örnek ağaç üzerinde yapılan detaylı ölçümlerden yararlanılmıştır. Modellerin geliştirilmesi için en küçük kareler yöntemi kullanılmıştır. Gövde çapı modellerinin geliştirilmesi sırasında karşılaşılan otokorelasyon probleminin çözümü için ikinci derece otoregresif hata yapısı (CAR(2)) ve çoklu bağıntı probleminin varlığının araştırılması için koşul sayıları kullanılmıştır. Modellerin performansları çap, boy, ticari hacim ve toplam ağaç hacmi tahminleri açısından değerlendirilmiştir. Bu amaçla beş farklı ölçüt (R2, RMSE, AIC, BIC ve AAE) kullanılmıştır. Ölçüt değerleri incelendiğinde; çap tahminlerinde Kozak (2004), ağaç boyu, ticari ve toplam hacim tahminlerinde ise Fang vd. (2000) tarafından geliştirilen modelin daha başarılı olduğu görülmüştür. Ancak tahmin performansları açısından modeller arasında önemli farklılıkların olmadığı da söylenebilir. Bu nedenle, sahil çamı plantasyonlarında yapılacak gövde çapı ve hacim tahmini çalışmalarında hangi modelin tercih edileceğine uygulayıcının karar vermesi daha doğru olacaktır.

Keywords

• Çap
• Otokorelasyon
• Gövde formu
• Parçalı model

References

1. Akaike, H., 1974. A new look at the statistical model identification. IEEE Transactions on Automatic Control, 19(2): 716–723.
2. Alkan, O., Özçelik, R., Alkan, H., 2019. Türkiye’nin bazı önemli ağaç türleri için yöresel gövde çapı modellerinin geliştirilmesi: Bucak örneği. Türkiye Ormancılık Dergisi, 20(4): 333-340.
3. Balekoğlu, S., 2015. İstanbul bölgesindeki sahilçamı (Pinus Pinaster Aiton) plantasyonlarının silvikültürel yönden incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
4. Belsey, D.A., 1991. Conditioning Diagnostics, Collinearity and Weak Data in Regression. John Wiley and Sons, New York.
5. Bi, H., 2000. Trigonometric varible-from taper equations for australian eucalyptus. Forest Science, 46(3): 397-407.
6. Birler, A.S., Koçar, S., Avcıoğlu, E., Diner, A., Gürses, M.K., Gülbaba, A.G., 1995. Okaliptüs Ağaçlandırmalarında Hacim ve Kuru Madde Hasılatı. Kavak ve Hızlı Gelişen Yabancı Tür Orman Ağaçları Araştırma Enstitüsü, Kocaeli.
7. Birler, A.S., Yüksel, Y., 1983. Sahil çamı ağaçlandırma meşçerelerinde hasılat araştırması. Kavak ve Hızlı Gelişen Yabancı Tür Orman Ağaçları Araştırma Enstitüsü Yıllık Bülteni, 19: 295-348.
8. Cao, Q.V., Burkhart, H.E., Max, T.A., 1980. Evaluation of two methods for cubic volume prediction of loblolly pine to any merchantable limit. Forest Science, 26(1): 71–80.

9. Carle, J.B., Ball, J.B., Del Lungo, A., 2009. The Global Thematic Study of Planted Forests, Planted Forests Uses Impacts and Sustainability. Food and Agriculture Organization of the United Nations, UK.
10. Castedo-Dorado, F., Gómez-García, E., Diéguez-Aranda, U., Barrio-Anta, M., Crecente-Campo, F., 2012. Aboveground stand-level biomass estimation: a comparison of two methods for major forest species in northwest Spain. Annals of Forest Science, 69(6): 735-746.
11. Clark, III A., Souter, R.A. Schlaegel, B.E., 1991. Stem profile equations for southern tree species. United States Department of Agriculture Forest Service Research Paper, SE-282.
12. Coble, D.W., Hilpp, K., 2006. compatible cubic-foot stem volume and upper-stem diameter equations for semi-ıntensive plantation grown loblolly pine trees in east Texas. Southern Journal of Applied Forestry, 30(3): 132-141.
13. Crecente-Campo, F., Alboreca, A.R., Dieguez – Aranda, U., 2009. A merchantable volume system for Pinus sylvestris L. in the major mountain ranges of Spain. Annals of Forest Science, 66(8): 808.
14. De-Miguel, S., Mehtatalo, L., Shater, Z., Kraid, B., Pukkala, T., 2012. Evaluating marginal and conditional predictions of taper models in the absence of calibration data. Canadian Journal of Forest Research, 42(7): 1383-1394.
15. Dieguez- Aranda, U., Castedo- Dorado, F., Alvarez-Gonzalez, J.G., Rojo, A., 2006. Compatible taper function for Scots pine plantations in nortwestern Spain. Canadian Journal of Forest Research, 36(5): 1190–1205.
16. Eker M., Özçelik R., 2017. Estimating recoverable fuel wood biomass from small diameter trees in brutian pine (Pinus brutia Ten.) stands. Fresenius Environmental Bulletin, 26(12A): 8286-8297.
17. Eker, M., Poudel, K. P., Özçelik, R., 2017. Aboveground biomass equations for small trees of brutian pine in Turkey to facilitate harvesting and management. Forests, 8(12): 477.
18. Ercanlı, İ., Güvendi, E., Güney, D., Günlü, A., Altun, L., 2008. Single and double entry tree volume tables for Pinus pinaster ait. plantations Sinop forest district. Kastamonu Üniversitesi Orman Fakültesi Dergisi, 8(1): 14-25.
19. Fang, Z., Borders, B.E., Bailey, R.L., 2000. Compatible volume taper models for loblolly and slash pine based on system with segmented-stem form factors. Forest Science, 46(1): 1-12.
20. Fortin, M., Schneider, R., Saucier, J.P., 2013. Volume and error variance estimation using integrated stem taper models. Forest Science, 59(3): 345-358.
21. Güner, Ş.T., Cezmi, Ö., Türkkan, M., Akgül, S,. 2019. Türkiye’deki sahilçamı ağaçlandırmalarında ağaç bileşenlerine ait karbon yoğunluklarının değişimi. Ormancılık Araştırma Dergisi, 6(2): 167-176.
22. Jiang, L., Brooks, J.R., Wang, J., 2005. Compatible taper and volume equations for yellow-poplar in west Virginia. Forest Ecology and Management, 213(1-3): 399-409.
23. Kozak, A., 1988. A variable-exponent taper equation. Canadian Journal of Forest Research, 18(11): 1363-1368.
24. Kozak, A., 2004. My last words on taper equations. Forestry Chronicle, 80(4): 507–515.
25. Kozak, A., Kozak, R.A., 2003. Does cross validation provide additional information in the evaluation of regression models? Canadian Journal of Forest Research, 33(6): 976–987.
26. Kozak, A., 1997. Effects of multicollinearity and autocorrelation on the variable-exponent taper functions Canadian Journal of Forest Research, 27(5): 619-629.
27. Kozak, A., Smith, J.G.H., 1993. Standards for evaluating taper estimating systems. Forest Chronicle, 69(4): 438-444.
28. Lee, W.K., Seo, J.H., Son, Y.M., Lee, K.H., Von Gadow, K., 2003. Modeling stem profiles for Pinus densiflora in Korea. Forest Ecology and Management, 172(1): 69-77.
29. LeMay, V.M., Kozak, A., Muhairwe, C.K., Kozak, R.A., 1993. Factors effecting the performance of Kozak’s (1988) variable-exponent taper function. IUFRO Conference (S 4.02, Forest Resources Inventory) and Society of American Foresters on Modern Methods of Estimating Tree and Log Volume, 14-16 June, Morgantown, pp. 34-53.
30. Li, R., Weiskittel, A., Dick, A.R., Kershaw, J.A., Seymur, R.S., 2012. Regional stem taper equations for eleven conifer species in the acadian region of north America: Development and assessment. Northern Journal of Applied Forestry, 29(1): 5-14.
31. Li, R., Weiskittel, A.R., 2010. Estimating and predicting bark thickness for seven conifer species in the Acadian region of north America using a mixed-effects modeling approach: Comparison of model forms and subsampling strategies. European Journal of Forest Research, 130(2): 219-233.
32. Liu, Y., Trancoso, R., Ma, Q., Yue, C., Wei, X., Blanco, J.A., 2020. Incorporating climate effects in Larix gmelinii improves stem taper models in the greater Khingan Mountains of inner Mongolia, northeast China. Forest Ecology and Management, 464: 118065.
33. Max, T.A., Burkhart, H.E., 1976. Segmented polynomial regression applied to taper equations. Forest Science, 22(3): 283-289.
34. Özcan, B.G., 2003. Sahilçamı (Pinus pinaster Ait.) ağaçlandırmalarında artım ve büyüme. Doktora Tezi, İstanbul Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
35. Özçelik, R., Alkan, H., 2012. Okaliptüs ağaçlandırmaları için uyumlu gövde çapı ve gövde hacim modellerinin geliştirilmesi. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Doğa Bilimleri Dergisi, 15: 247-254.
36. Özçelik, R., Brooks, J.R., 2012. Compatible volume and taper models for economically important tree species of Turkey. Annals of Forest Science, 69(1): 105-118.
37. Özçelik, R., Crecente-Campo, F., 2016. Stem taper equations for estimating merchantable volume of Lebanon cedar trees in the Taurus Mountains, southern Turkey. Forest Science, 62(1): 78-91.
38. Özçelik, R., Alkan, H., Alkan, O., 2018. Dikili ağaçların hacim tahmini için bazı metotların karşılaştırılması. Türkiye Ormancılık Dergisi, 19(4): 380-385.
39. Özdemir, E., 2005, Tek ağaçta artım ve büyümenin simulasyonu (sahilçamı örneği). Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
40. Pancoast, A., 2018. Evaluation of taper and volume estimation techniques for ponderosa pine in eastern Oregon and eastern Washington. MSc Dissertion, Oregon State University, Graduade School, Oregon, USA.
41. Parresol, B.R., 2003. Recovering Parameters of Johnson's SB Distribution. US Department of Agriculture, Forest Service, Southern Research Station, Asheville, NC.
42. Poudel, K.P., Temesgen, H., Gray, A.N., 2018. Estimating upper stem diameters and volume of douglas-fir and western hemlock trees in the pacific northwest. Forest Ecosystems, 5(1): 16.
43. Poudel, K.P., Cao, Q.V., 2013. Evaluation of methods to predict Weibull parameters for characterizing diameter distributions. Forest Science, 59(2): 243-252.
44. Rodríguez, F., Lizarralde, I., Bravo, F., 2015, Comparison of stem taper equations for eight major tree species in the Spanish Plateau. Forest Systems, 24(3): e034.
45. Rojo, A., Perales, X., Sánchez-Rodríguez, F., Álvarez-González, J.G., Gadow, K., 2005. Stem taper functions for maritime pine (Pinus pinaster Ait.) in Galicia (Northwestern Spain). European Journal of Forest Research, 124(3): 177–186.
46. Sakıcı, O.E., Mısır, N., Yavuz, H., Misir, M., 2008. Stem taper functions for Abies nordmanniana subsp. bornmulleriana in Turkey. Scandinavian Journal of Forest Research, 23(6): 522-533.
47. Sakıcı, O.E., Özdemir, G., 2018. Stem taper estimations with artificial neural networks for mixed Oriental beech and Kazdaği fir stands in Karabük region, Turkey. Cerne, 24: 439-451.
48. SAS Institute Inc., 2008. SAS/STAT© 9.2 user’s guide. SAS Institute Inc., Cary, N.C.
49. Schwarz, G., 1978. Estimating the dimension of a model. The Annals of Statistics, 6(2): 461-464.
50. Schröder, T., Costa, E.A., Valério, A.F., Dos Santos Lisboa, G., 2015. Taper equations for Pinus elliottii Engelm. in southern Parana, Brazil. Forest Science, 61(2): 311-319.
51. Shahzad, M.K., Hussain, A., Jiang, L., 2019. A model form for stem taper and volume estimates of Asian white birch (Betula platyphylla): A major commercial tree species of northeast China. Canadian Journal of Forest Research, 50(3): 274-286. Shahzad, M.K., Hussain, A., Burkhart, H.E., Li, F., Jiang, L., 2020. Stem taper functions for Betula platyphylla in the Daxing’an Mountains. Journal of Forestry Research, doi.org/10.1007/s11676-020-01152-4.
52. Sharma, M., Parton, J., 2009. Modeling stand density effects on taper for Jack pine black spruce plantations using dimensional analysis. Forest Science, 55(3): 268-282.
53. Sharma, M., Zhang, S.Y., 2004. Variable-exponent taper equations for Jack pine, black pine and balsam fir in eastern Canada. Forest Ecology and Management, 198(1-3): 39-53.
54. Tang, X., Pérez-Cruzado, C., Fehrmann, L., Álvarez-González, J.G., Lu, Y., Kleinn, C., 2016. Development of a compatible taper function and stand-level merchantable volume model for Chinese fir plantations. PloS One, 11(1): e0147610.
55. Tecimen, H.B., 2005, Dikimle yetiştirilmiş sahilçamı (Pinus pinaster Aiton) ormanında ayıklama işlemlerinin meşceredeki azot dolaşımına ve ağaçların gelişimine etkileri. Doktora Tezi, İstanbul Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
56. Tunçtaner, K., 1998. Yabancı tür ithal çalışmaları ve endüstriyel plantasyonlar için tür seçimi. Hızlı gelişen türlerle yapılan ağaçlandırma çalışmalarının değerlendirilmesi ve yapılacak çalışmalar, 8-9 Aralık, Ankara.
57. Zakrzewski, W.T., MacFarlane, D.W., 2006. Regional stem profile model for cross-border comparisons of harvested red pine (Pinus resinosa Ait.) in Ontario and Michigan. Forest Science, 52(4): 468-475.