CURVAS DE ÍNDICE DE SITIO DE FORMA Y ESCALA VARIABLES EN INVESTIGACIÓN FORESTAL VARIABLE FORM AND SCALE SITE INDEX CURVES IN FOREST RESEARCH Juan M. Torres-Rojo Centro de Investigación y Docencia Económicas. División de Economía. Carr. México-Toluca Núm. 3655 Col. Lomas de Santa Fé. 01210, México D. F. ([email protected]) RESUMEN ABSTRACT Las curvas de índice de sitio pueden ser anamórficas o polimórficas y ambas tienen propiedades complementarias. De aquí que las curvas de índice de sitio que presenten las propiedades de ambos tipos de curvas se convierten en una herramienta importante para mejorar las estimaciones de altura del rodal y productividad forestal. Este artículo presenta un procedimiento para generar curvas de índice de sitio compuestas, con parámetros de forma y escala variables. Tal estimación incorpora efectos de cambio de forma y escala en las curvas de índice de sitio. Estas curvas se generan al suponer cambios discretos o continuos en la relación altura-edad para el intervalo de interés. En ambos casos las funciones presentan las ventajas tradicionalmente asociadas a las funciones anamórficas y polimórficas. El análisis de datos empíricos mostró que la bondad de ajuste de estos modelos es similar a los ajustes obtenidos con las formas anamórficas o polimórficas derivadas de modelos con mayor número de parámetros. Una prueba de validación mostró que las curvas de índice de sitio compuestas proporcionan mejores predicciones sólo en el caso de tener diferencias de edad muy pequeñas. Usual site index curves are either anamorphic or polimorphic and both have complementary properties. Hence, site index curves having properties from both types of curves become an important tool for the improvement of height and productivity estimates. A procedure to generate composed site index curves with variable shape and scale parameters is presented in this paper. Such an estimation incorporates effects of shape and scale changes in the site index curves. These curves are generated by assuming either discrete or continuous changes for the height-age relationship within the interval of interest. In both cases the composed curves present advantages traditionally attached to polimorphic and anamorphic curves. Analysis of empirical data showed that the goodness of fit of these models is similar to fits obtained from anamorphic or polimorphic forms derived from models with a larger number of parameters. A validation test showed that composed site index curves yield better predictions for site index than traditional models only when there are very small age differences. Key words: Ana-polimorphic curves, poli-anamorphic curves, validation test, dominant height-age relationship. Palabras clave: Curvas ana-polimórficas, curvas poli-anamórficas, prueba de validación, relación altura dominante-edad. INTRODUCTION INTRODUCCIÓN I n recent years site indexes have become the most popular and practical method to evaluate forest productivity. This method consists on evaluating the height that dominant or co-dominant and healthy trees would attain at a predetermined age, frequently referred to as base age or index age (Payandeh and Wang, 1994). Such evaluation requires the assumption of a model that represents the height-age relationship, as well as the assumption for the behavior of the family of curves generated under the same model. The form of the family of site index curves has been divided into two types: anamorphic and polymorphic (Clutter et al., 1983). The first one is characterized because the height keeps the same proportion at different ages, and for that reason the curves seem to have the same shape. On the contrary, polymorphic curves can be of two different kinds: disjoint and nondisjoint; in both cases E n años recientes los índices de sitio se han convertido en el método más popular y práctico para evaluar la productividad forestal. Este método consiste en evaluar la altura que lograrían los árboles dominantes o codominantes y sanos a una edad predeterminada, frecuentemente referida como edad base o edad índice (Payandeh y Wang, 1994). Tal evaluación requiere la suposición tanto de un modelo que represente la relación altura-edad, como de un comportamiento de la familia de curvas generadas bajo el mismo modelo. La forma de la familia de curvas de índice de sitio se ha dividido en dos clases: anamórfica y polimórfica (Clutter et al., 1983). Las primeras se caracterizan por Recibido: Septiembre, 1998. Aprobado: Agosto, 2000. Publicado como ENSAYO en Agrociencia 35: 87-98. 2001. 87 88 AGROCIENCIA VOLUMEN 35, NÚMERO 1, ENERO-FEBRERO 2001 que la altura guarda la misma proporción a diferentes edades, por lo que las curvas aparentan tener la misma forma. Por el contrario, las curvas polimórficas pueden ser de dos tipos: con intersecciones y sin intersecciones; en ambos casos la proporción que guarda la altura es diferente entre curvas, y por tanto éstas aparentan diferente forma en cualquiera de sus dos variantes. Desde que se inició el uso de los índices de sitio como medidas de productividad de terrenos forestales, también empezó la polémica entre el uso de curvas anamórficas o polimórficas. A la fecha nadie puede argumentar sobre la superioridad real de alguna de ellas, dado que su uso prácticamente depende de la especie en cuestión (Payandeh, 1977; Hahn y Carmean, 1982), detectándose que algunas ventajas de un tipo de curva se convierten en desventajas para el otro tipo y viceversa. Se ha planteado la hipótesis de que la integración de variaciones tanto en forma como en escala de las curvas de índice de sitio podría dar por resultado un tipo de curva que mezcle las ventajas de ambas. Así, se ha señalado que las curvas anamórficas asemejan el comportamiento teórico esperado de curvas de índice de sitio; sin embargo, en años recientes se ha descubierto que varias especies presentan el tipo de curva polimórfico en su relación altura-edad (Newnham, 1988; Ker y Bowling, 1991; Stansfield et al., 1991; Goelz y Burk, 1992; Payandeh y Wang, 1994). Dado este marco de referencia, convendría integrar tanto el componente anamórfico como el polimórfico en una función de índice de sitio, la cual podría llamarse ana-polimórfica o poli-anamórfica. Tal integración consistiría en combinar los cambios en forma y escala de una función cualquiera que relacione las variables altura-edad. La derivación de una función o una metodología que proporcione funciones con tales características, sería útil en los estudios de productividad y crecimiento, pues mejoraría la calidad de las estimaciones de crecimiento en altura. Este trabajo presenta una alternativa metodológica para desarrollar curvas ana-polimórficas o polianamórficas, mismas que en lo sucesivo se denominarán “Curvas compuestas”. the height proportion is different among curves, and therefore they show different shapes in any of its two variants. Since site indexes have been used as a productivity measure for forestlands, the controversy over using anamorphic or polymorphic curves began. Even now, nobody can argue the superiority of either of them, since their use depends basically on the species (Payandeh, 1977; Hahn and Carmean, 1982), noticing that some advantages of one type of curve become disadvantages for the other type and viceversa. The hypothesis of how the integration of variations in shape and scale on site index curves could result in a type of curve that encompasses the advantages of both has been proposed. In this way, it has been pointed out that anamorphic curves have a similar theoretical behavior to the expected one from site index curves; however, in recent years it has been found that a variety of species have the polymorphic curve height-age relation type (Newnham, 1988; Ker and Bowling, 1991; Stansfield et al., 1991; Goelz and Burk, 1992; Payandeh and Wang, 1994). Given this framework, it would be convenient to integrate the anamorphic component and polymorphic component in a single site index function, which could be named ana-polymorphic or poly-anamorphic. Such integration would consist on mixing the changes in shape and scale of any function that relates the variables height and age. The derivation of a function or methodology that produces such functions would be helpful in productivity and growth studies because it would improve the quality of growth-height estimates. This paper presents an alternate methodology to develop ana-polymorphic or poly-anamorphic curves, which from here on will be called “Composed curves”. VARIABLE SHAPE AND SCALE PARAMETER MODEL To illustrate the ana-polymorphic function derivation, assume a simple function (Schumacher, 1939) which relates the variables height and age ln(h) = a + b / E (1) MODELO CON PARÁMETROS DE FORMA Y ESCALA VARIABLES Para ilustrar la derivación de la función ana-polimórfica supóngase una función simple (Schumacher, 1939) que relacione las variables altura-edad ln(h) = a + b / E (1) donde h representa altura, E la edad, a y b son los parámetros del modelo y ln(.) indica el logaritmo natural. Si se considera que el Indice de Sitio (IS) se define como la altura que se logra a la edad base where h represents height, E representes age, a and b are model parameters and ln(.) represents the natural logarithm. If we define the Site Index (IS) as the height reached at the base age (Eb), then it is possible to estimate the IS with the same functional form trough the relationship: ln(IS) = a + b / Eb (2) The traditional procedure to develop site index curves from Model 2, initially requires an assumption on the shape of the family of curves. Assume that the site index form we wish to obtain is of the anamorphic TORRES-ROJO: CURVAS COMPUESTAS DE ÍNDICE DE SITIO EN INVESTIGACIÓN FORESTAL (Eb), entonces es posible estimar el IS con la misma forma funcional a través de la relación: ln(IS) = a + b / Eb (2) El procedimiento tradicional para construir familias de curvas de índice de sitio a partir del Modelo 2, inicialmente requiere de la suposición de la forma de la familia de curvas. Supóngase que la forma de índice de sitio que se desea obtener es del tipo anamórfico, lo que implica que las curvas deben tener la misma forma, por lo que el parámetro de escala a se supondrá variable, mientras que el parámetro de forma (b ) permanecerá constante (lo que garantiza la misma forma). Al despejar a de (1), se obtiene la función que muestra la variación de a con cambios en edad y altura: a = ln (h) - b / E (3) Al sustituir (3) en (2) se obtiene la siguiente función anamórfica de índice de sitio para el Modelo 1: ln(IS) = ln(h) + b (1 / Eb - 1 / E) (4) En esta función el parámetro de forma b es constante; sin embargo sería posible suponer una variación de este parámetro dentro del intervalo de estimación del índice de sitio, al considerar el cambio incremental de b. Este cambio podría integrarse a (4) como: ln(IS) = ln(h) + b (1 / Eb - 1 / E) + db (1 / Eb - 1 / E) 89 type, which implies that the curves must have the same shape, hence we assume that the scale parameter a is variable, and that the shape parameter (b) remains constant (which ensures the same shape). From (1), we obtain a function that shows how a changes when age and height change: a = ln (h) - b / E (3) Substituting (3) into (2) we obtain the following anamorphic site index function for Model 1: ln(IS) = ln(h) + b (1 / Eb - 1 / E) (4) In this function the shape parameter b holds constant; however, it would be possible to suppose a variation in this parameter within the site index estimation interval by considering an incremental change on b. This change could be integrated into (4) yielding: ln(IS) = ln(h) + b (1 / Eb - 1 / E) + db (1 / Eb - 1 / E) (5) where db shows the change in the shape parameter within the age interval (E - Eb ) and the height interval (h - IS ), that is, db is the total differential of b with respect to height and age variables. Solving Model 1 for b it is possible to obtain the total differential db, which yields: af af db = Ed ln h + ln h - a dE (5) donde db muestra el cambio en el parámetro de forma dentro del intervalo de edades (E - Eb ) y el intervalo de alturas (h - IS ), esto es, db es la derivada total de b con respecto a las variables altura y edad. Substituting the d[ln(h)] and dE values by the ones we would obtain considering the differences within the estimation interval, db could be re-written as: Al despejar b del Modelo 1 es posible obtener el valor de db por una simple derivada total, la cual tomaría la siguiente forma: db = E ln IS - ln h + ln h - a Eb - E af Al sustituir los valores de d[ln(h)] y dE, por los que se obtendrían al considerar las diferencias en el intervalo de estimación, db se puede reescribir como: af b b a f RS 2EE- E UV{lnahf + b- Elnahf+ lnahf - a T W 1 / 1 / Eq E l ln IS = b b Eb - E } (7) (6) Al sustituir (6) en (5) y rearreglando se obtiene la siguiente función de índice de sitio: a f RS 2EE- E UV{lnahf+ b- Elnahf + lnahf- a T W l1 / E -1 / Eq (6) b db = E ln IS - ln h + ln h - a Eb - E ln IS = af Substituting (6) into (5) and rearranging, we obtain the following site index function: af db = Ed ln h + ln h - a dE a f af a f af Eb - E } (7) b Function (7) was derived from an site index anamorphic function; however, adding the db component makes it also variable in shape within the age and height interval of interest, so it can be considered as a site index ana-polymorphic function. This function has some desirable features, such as the fact that when E = Eb then ln(h) = LM N Eb ln(IS). There is a general weight 2E - E b OP Q in (7) which is the inverse of the difference between Eb and its proportion with E. As shown, the La Función 7 se derivó a partir de una función anamórfica de índice de sitio, sin embargo, al incorporar el componente db, la hace también variable en forma dentro del intervalo de interés de edades y weight is undefined when the age is twice or more than the base age (E³2Eb), which would be very rare in practice. The result of such a weight is to change the function’s shape as E gets farther from Eb in 90 AGROCIENCIA VOLUMEN 35, NÚMERO 1, ENERO-FEBRERO 2001 alturas, por lo que puede considerarse como una función anapolimórfica de índice de sitio. Esta función tiene algunas características deseables en su estructura, como el hecho de que cuando E = Eb, en- both directions. Another feature of Model 7 is that the term 1 / Eb - 1 / E af n af is weighted by -Eln h + ln h - a Eb - E s , this tonces ln(h) = ln(IS). En (7) existe un ponderador general value reflects the site index curve’s scale change within the interval of LM E OP N 2E - E Q que es el inverso de la diferencia entre E y su proporción interest, being equal to zero when E=Eb. con E. Como se puede apreciar, el ponderador queda indefinido cuan- interval. However, the change in (db) could be considered in its discrete do la edad es mayor o igual al doble de la edad base (E³2Eb), caso form (Db). To illustrate this strategy, assume the same Function 1 for que en la práctica sería muy raro. El efecto de tal ponderación es cam- the height-age relationship. If the (h, E) and (IS, Eb ) pairs are two biar la forma de la función conforme E se aleja de Eb en ambos senti- points within the curve, and from (1) it is known that b = [ln(h)-a]E, dos. Una característica más del Modelo 7 es que el término 1 / Eb - 1 / E está ponderado por -Eln h + ln h - a Eb - E , then Db can be defined as: b b b n af af s The site index model defined in (7) assumes that the shape parameter b continuously changes (db) within the age and height c a f h valor que refleja el cambio en la escala de la curva de índice de sitio c af h Db = bEb - bE = ln IS - a Eb - ln h - a E dentro del intervalo de interés, siendo nulo cuando E=Eb. (8) El modelo de índice de sitio definido en (7) supone que el parámetro de forma b cambia continuamente (db) dentro del intervalo de alturas y edades. Sin embargo, el cambio (db) también podría considerarse en forma discreta (Db). Para ilustrar esta estrategia supóngase la misma Función 1 para la relación altura-edad. Si los pares (h, E) y (IS, Eb ) son dos puntos dentro de la curva, y de (1) se sabe que b = where bE is the value of b at age Eb (and height IS) and bE is the value b of b at age E (and height h). Substituting (8) into (5) and changing db by Db, it is possible to obtain an ana-polymorphic function, under the assumption of discrete changes in the shape parameter b, within the interval of interest. The resulting function has the form: [ln(h)-a]E, entonces Db se puede definir como: c a f h a f LM EE OP lnahf + a1 / E -1 / E f N Q cb - aE - lnahfE + aE h ln IS = c af h Db = bEb - bE = ln IS - a Eb - ln h - a E b b (8) (9) b donde bE es el valor de b a la edad Eb (y altura IS) y bE es el valor de b b a la edad E (y altura h). Al sustituir (8) en (5) y cambiar db por Db, es posible obtener una función ana-polimórfica, bajo la suposición de cambios discretos en el parámetro de forma b, dentro del intervalo de interés. La función resultante tiene la forma: The procedure used to define an ana-polymorphic function can be repeated to define a poly-anamorphic. This is a function that adds a variation of the scale parameter (a) to a polymorphic function. The a f LM EE OP lnahf + a1 / E -1 / E f N Q cb- aE - lnahfE + aE h ln IS = Functions 7 and 9 are similar and the main difference between them is the weight. reader can verify that for Model 1 and assuming a continus change in the scale parameter (da), the poly-anamorphic curve that can be derived b b (9) has the following expression: b a f LMN EE -1OPQ LMNa+ Eb aE - E fOPQ +lnahfLMN2- EE OPQ ln IS = Las Funciones 7 y 9 son similares y la diferencia básica entre b 2 b b (10) ellas es el ponderador. El procedimiento seguido para definir una función ana-polimórfica se puede repetir para definir una poli-anamórfica, esto es, una en la On the other hand, if the change is discrete (Da), then the expression is: que a partir de una función polimórfica se incorpore una variación del a f LMN EE OPQ a - lnahf + ba1 / E -1 / E f + 2 lnahf - a + ba1 / E - 1 / E f parámetro de escala (a). El lector puede comprobar que para el Mode- ln IS = lo 1 y al suponer un cambio continuo en el parámetro de escala (da), la curva poli-anamórfica que se puede derivar tiene la siguiente ex- b b (11) b presión: a f LMN EE -1OPQ LMNa+ Eb aE - E fOPQ +lnahfLMN2- EE OPQ ln IS = b 2 b b Using equation (4) it is possible to rearrange terms and rewrite (10) mientras que si el cambio es discreto Da adoptará la siguiente expresión: (11) as: a f ln IS = LISA + LM E -1OP a- lnahf + ba1 / E -1 / E fFG E IJ (12) HEK NE Q b b b TORRES-ROJO: CURVAS COMPUESTAS DE ÍNDICE DE SITIO EN INVESTIGACIÓN FORESTAL a f LMN EE OPQ a- lnahf + ba1 / E -1 / E f + 2 lnahf - a + ba1 / E - 1 / E f ln IS = b b (11) b Con la Ecuación 4 es posible reacomodar términos y reescribir (11) como: a f ln IS = LISA + LM E -1OP a- lnahf + ba1 / E -1 / E fFG E IJ (12) HEK NE Q b b b donde LISA representa el valor del logaritmo del índice de sitio anamórfico (lado derecho de la Expresión 4). En (12) se observa que la nueva expresión de IS considera el modelo anamórfico, más una ponderación que incluye el cambio de escala (segundo término del lado derecho) y un factor adicional que considera la forma de la curva, propocional a la diferencia entre la edad base y la edad de referencia (tercer término del lado derecho). Resulta obvio que las expresiones ana-polimórficas y las polianamórficas siempre serán diferentes a menos que la relación alturaedad sea una relación directa (h=E), en la que el parámetro de escala y de forma son iguales a la unidad; sin embargo, éste es un caso poco atractivo porque la relación altura: edad no es lineal. Adicionalmente, es claro que al existir siempre una diferencia entre ambas formas se vuelve a la disyuntiva original: ¿Qué es mejor: iniciar con una función anamórfica o con una polimórfica? Teóricamente las expresiones finales incorporan tanto la variación en escala como en forma; sin embargo, como se mostrará posteriormente, existen diferencias en su comportamiento. COMPARACIÓN DE FUNCIONES DE ÍNDICE DE SITIO La base de datos para las variables altura y edad se integró con información proveniente de análisis troncales. La elección del arbolado no incluyó solamente arbolado dominante o codominante en un rodal, aunque fue requisito que el arbolado fuese de varias edades y que creciera libre de competencia y sobre diferentes condiciones de sitio. Así se asegura que la información refleje el crecimiento real en altura en una amplia gama de edades, evitando el sesgo de usar sólo arbolado maduro. La muestra consistió de 164 árboles de diferentes especies clasificados en tres grupos (Cuadro 1). El muestreo fue selectivo y se efectuó a lo largo de la región denominada Guanacevi-Tecuan, localizada al Noreste del Edo. de Durango. Los análisis troncales se hicieron de acuerdo con la metodología definida por Kiessling (1978), mientras que la estimación de alturas derivada de tales análisis se hizo de acuerdo con el método ISSA (Fabbio et al., 1994). Los datos se dividieron aleatoriamente en dos grupos. El primero se integró con 127 árboles, cuya información se utilizó para los ajustes de modelos. El segundo (37 árboles) se utilizó para validar los modelos de índice de sitio probados (Cuadro 1). Adicionalmente, las especies se dividieron en tres grupos de acuerdo con sus tasas de crecimiento en la zona de estudio. El análisis se realizó para cada grupo de especies. 91 where LISA represents the logarithmic value of the anamorphic index site (right hand side in expression 4). Equation (12) shows that the new IS expression considers the anamorphic model, plus a weight that includes scale change (right hand side, second term) and an additional factor considering the curve’s shape, proportional to the difference between base age and reference age (right hand side, third term). It becomes obvious that ana-polymorphic and poly-anamorphic expressions will be always different, unless the height-age relationship is a direct one (h = E), for which the shape and scale parameters equal the unit; however, this is not an attractive case because the height-age relation is not linear. Additionally, it becomes clear that since there is always a difference between these two forms, we return to the original question: Is it better to start with an anamorphic or with a polymorphic function? Theoretically, the final expressions incorporate variations in scale and shape; however, as will be shown later, there are differences in its behaviour. SITE INDEX FUNCTIONS COMPARISONS The database for height and age variables was integrated with information from stem analyses. The choice of trees did not only include the dominant or co-dominant trees in a stand, even though it was required that trees had different ages and were growing free of competition and on different site conditions. In this way it is certain that the information reflects real height growth in a wide range of ages, avoiding bias derived of using only mature trees. The sample was made out of 164 trees of different species arranged in 3 different groups (Table 1). The sampling was selective and was obtained along the Guanaceví-Tecuan region, located to the northeast of Durango State. The stem analyses were made following the methodology defined by Kiessling (1978), while the height estimates derived from such analyses were made following the ISSA methodology (Fabbio et al., 1994). Data were randomly divided in two groups. The first one was made out of 127 trees, whose information was used for model fitting. The Cuadro 1. Número de análisis troncales por especie. Table 1. Number of stem analysis per specie. Especie Pinus arizonica Engelm. Pinus duranguensis Martínez Pinus ayacahuite K Ehrenb. ex Schltdl. Pinus leiophylla Schltdl. et Cham. Pinus lumholtzii Robinson & Fern. Pinus herrerai Martínez Pinus engelmanii Carr. Pinus teocote Schltdl. et Cham. Total Grupo de especies Núm. de árboles analizados Núm. de árboles usados en la validación 1 44 9 1 17 4 2 39 8 3 14 3 3 3 3 10 16 10 3 4 3 3 14 3 164 37 92 AGROCIENCIA VOLUMEN 35, NÚMERO 1, ENERO-FEBRERO 2001 Dada la disponibilidad de análisis troncales, se decidió utilizar la metodología de la diferencia algebraica (Clutter et al., 1983) para estimar las funciones de índice de sitio. A fin de ampliar la muestra y mejorar la calidad de la información, se tomaron varias diferencias de los análisis troncales, esto es, en lugar de tomar sólo las alturas de una década para definir edad y altura, inicial y final respectivamente, se tomaron alturas con diferencias de 20, 30, 40 y 50 años cuando fuese posible. De esta forma la información se enriqueció y se aumentó de 1659 a un total de 5038 observaciones. Otra ventaja de esta estrategia es que permite agregar información para intervalos de proyección grandes de índice de sitio, con lo que es posible detectar polimorfismos en las trayectorias. Los ajustes se realizaron por mínimos cuadrados ordinarios (lineales o no lineales de acuerdo con el modelo), usando los procedimientos REG y NLIN del sistema SAS (1996). Los Modelos ana-polimórficos 7 y 9 y poli-anamórficos 10 y 11 se compararon contra los modelos anamórficos y polimórficos derivados del modelo de Schumacher (1939) y del modelo de Richards (Richards, 1959). En años recientes, este último modelo se ha modificado para mejorar los ajustes (Ker y Bowling, 1991) y para definir índices de sitio polimórficos (Payandeh y Wang, 1994). También se ha usado para evaluar nuevos modelos de crecimiento en altura (Newnham, 1988; Ker y Bowling, 1991; Goelz y Burk, 1992; Payandeh y Wang, 1994; Meng et al., 1997) de gran eficiencia. Para completar la comparación e incluir modelos más eficientes se usaron también las formas de tres parámetros del modelo de Richards definidas por Goelz y Burk (1992) y la de Payandeh y Wang (1994). A continuación se muestran los modelos utilizados: second group (37 trees) was used to validate the site index models tested (Table 1). Additionally, the species were divided in three groups according to their growth rates within the studied area. The analysis was made for each group of species. Given the availability of stem analyses, it was was decided to use the algebraic difference methodology (Clutter et al., 1983) to estimate the site index functions. In order to enlarge the sample, and to improve the quality of information, several differences of the stem analyses were used; that is, rather than just taking the height of a decade to define age and height, initial and final respectively, heights with differences of 20, 30, 40 and 50 years were taken when possible. In this way information was enriched and the number of observations rose from 1659 to 5038. Another advantage of this strategy is that allows to add information to large site index projection intervals, which enables to detect polymorphisms in the trajectories. Adjustments were made by ordinary least squares (linear or non-linear according to the model), using the REG and NLIN procedures of the SAS system (1996). The ana-polymorphic models 7 and 9 and the poly-anamorphic models 10 and 11 were compared to the anamorphic and polymorphic derived from the Schumacher model (1939), and from the Richards model (Richards, 1959). In recent years the later model has been modified to improve the fits (Ker and Bowling, 1991) and to define polymorphic site index curves (Payandeh and Wang, 1994). It has also been used to evaluate new height growth models (Newnham, 1988; Ker and Bowling, 1991; Goelz and Burk, 1992; Payandeh and Wang, 1994; Meng et al., 1997) of great efficiency. To complete the comparison and in order to include more efficient models the three parameter form from the Richards model defined by Goelz and Burk (1992) and Payandeh and Wang (1994) were used. The models are shown below: Modelo anamórfico (Schumacher): ma f h2 = exp ln h1 + b 1 / Eb - 1 / E r Anamorphic model (Scumacher): ma f h2 = exp ln h1 + b 1 / Eb -1 / E Modelo polimórfico (Schumacher): Polymorphic model (Schumacher): RS T af E Eb h2 = exp a + ln h - a UV W RS T af E Eb h2 = exp a + ln h - a Modelo anamórfico (Richards): Anamorphic model (Richards): h2 = h1 LM 1- e MN 1- e b 2 E2 b 2 E1 OP PQ b3 Modelo polimórfico (Richards): d h2 = b1 1- e bE2 LM F h I OP MM GH b JK PP N Q 1 -1 donde b = E1 ln 1- 1 1 b3 h2 = h1 LM 1- e OP MN 1- e PQ b 2 E2 b3 b 2 E1 Polymorphic model (Richards): i b3 d h2 = b1 1- e bE2 LM F h I OP MM GH b JK PP N Q 1 where b = E1 1ln 1- 1 1 b3 i b3 UV W r TORRES-ROJO: CURVAS COMPUESTAS DE ÍNDICE DE SITIO EN INVESTIGACIÓN FORESTAL Modelo polimórfico de Goelz y Burk (1992): Goelz and Burk’s polymorphic model (1992): L Fh I O 1- expM- b G J E E P MN H E K PQ h =h L Fh I O 1- expM- b G J E E P MN H E K PQ b4 b2 1 1- exp - b1 1 2 1 b2 1 h2 = h1 b3 1 1 1 b d i h2 = b1h1 2 1- e b 3E2 1 b2 b3 1 1 1 1 Payandeh and Wang’s polimorphic model (1994): v donde b4 b3 2 1 1 1 1 Modelo polimórfico de Payandeh y Wang (1994): LM F h I O E E P G J MN H E K PQ L Fh I O 1- expM- b G J E E P E MN H K PQ b2 b3 2 1 1 93 b d i h2 = b1h1 2 1- e b 3E2 v where F h I GH b h JK ln v= d 1 b2 1 1 - b 3E1 ln 1- e i v= En estos modelos h1 y h2 representan respectivamente la altura inicial y final, mientras que E1 y E2 representan las edades inicial y final. Una vez ajustados los diferentes modelos se procedió a su validación. El análisis consistió en calcular valores de los estadísticos R² tanto para toda la muestra como para varias diferencias de edad. Este segundo análisis se realizó con el fin de identificar el efecto de la diferencia de edad en la predicción de la altura. El estadístico R² se calculó con la fórmula: R2 = 1- F h I GH b h JK ln ådhi - h$i i åchi - h h 2 2 donde hi = Altura real a la edad de proyección para la i-ésima observación; h$i = Altura predicha a la edad de proyección para la i-ésima observación; y h = Altura real promedio. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El Cuadro 2 muestra los resultados de los ajustes obtenidos para el primer grupo de especies, mientras que los Cuadros 3 y 4 presentan los de los Grupos 2 y 3. Obsérvese que en los tres cuadros las varianzas son aproximadamente de la misma escala, pues los modelos de escala y forma variable se ajustaron en su forma no lineal usando como variable dependiente la altura y no el logaritmo de esta variable, que es como lo muestran las Ecuaciones 3, 5, 6 y 9. Adicionalmente es importante hacer notar que el modelo denominado curva guía corresponde al Modelo 1 igualmente ajustado en su forma d 1 b2 1 1 - b 3E1 ln 1- e i In these models h1 and h2 represent the initial and final height respectively, while and represent initial and final age respectively. Once all different models were fitted, a validation process was carried out. The analysis consisted in calculating the values of the R2 statistics for the whole sample and for several age differences. The purpose of this second analysis was to identify the effect of the age difference on forecasting height. The R2 statistic was calculated according to the formulae: R2 = 1- ådhi - h$i i åchi - h h 2 2 where hi = Current height at projection age for the i-th observation; h$i = Forecasted height at projection age for the i-th observation; h = Average current height. RESULTS AND DISCUSSION Table 2 shows the results of the fits obtained for the first group of species, while tables 3 and 4 present the results from groups 2 and 3. Notice that in these three tables the variances are approximately of the same scale, this is because the variable shape and scale models were adjusted in their non-linear form, using height rather than the variable’s logarithm as dependent variable, as shown in equations 3, 5, 6 and 9. Additionally it is important to point out that the model denominated guide curve corresponds to Model 1 also fitted in its non-linear form. The later model was 94 AGROCIENCIA VOLUMEN 35, NÚMERO 1, ENERO-FEBRERO 2001 Cuadro 2. Estadísticos de bondad de ajuste para diferentes formas de las curvas de índice de sitio para el Grupo 1. Table 2. Goodness of fit statistics for different shapes of index site curves for Group 1. Estimador de a Modelo Curva guía Anamórfica (Schumacher) Polimórfica (Shumacher) Ana-polimórfica con cambio continuo Ana-polimórfica con cambio discreto Poli-anamórfica con cambio continuo Poli-anamórfica con cambio discreto Anamórfica (Richards) Polimórfica (Richards) Goelz y Burk (1992) Payandeh y Wang (1994) † R²† 0.723 0.792 0.823 0.830 0.841 0.846 0.866 0.834 0.885 0.490 0.843 Valor Estimador de b Significancia 3.233 ** Estimador Significancia -45.182 ** ** -44.493 3.493 2.122 3.831 3.390 3.5383 b2 = -0.017 b1 = 27.010 ** ** ** ** ** ** ** -50.600 ** ** ** ** ** ** -37.817 -21.997 -59.037 b3 = 1.725 b3 = 2.009 Varianza del modelo 6.123 5.564 3.267 3.167 3.005 2.927 2.598 3.445 2.068 11.94 2.72 Para todos los modelos el estadístico R² corresponde al valor de R² ajustada. Cuadro 3. Estadísticos de bondad de ajuste para diferentes formas de las curvas de índice de sitio para el Grupo 2. Table 3. Goodness of fit statistics for different shapes of index site curves for Group 2. Estimador de a Modelo Curva guía Anamórfica (Schumacher) Polimórfica (Shumacher) Ana-polimórfica con cambio continuo Ana-polimórfica con cambio discreto Poli-anamórfica con cambio continuo Poli-anamórfica con cambio discreto Anamórfica (Richards) Polimórfica (Richards) Goelz y Burk (1992) Payandeh y Wang (1994) † R²† 0.654 0.634 0.824 0.647 0.734 0.718 0.758 0.707 0.825 0.4486 0.848 Valor Estimador de b Significancia 3.080 ** Estimador Significancia -41.010 ** ** -38.981 3.400 2.040 3.559 3.242 3.422 b2 = -0.014 b1 = 20.960 ** ** ** ** ** ** ** -50.384 ** ** ** ** ** ** -37.614 -18.475 -49.717 b3 = 1.448 b3 = 2.531 Varianza del modelo 7.134 6.883 3.319 6.670 5.025 5.32 4.560 5.53 3.318 9.135 3.168 Para todos los modelos el estadístico R² corresponde al valor de R² ajustada. Cuadro 4. Estadísticos de bondad de ajuste para diferentes formas de las curvas de índice de sitio para el Grupo 3. Table 4. Goodness of fit statistics for different shapes of index site curves for Group 3. Estimador de a Modelo Curva guía Anamórfica (Schumacher) Polimórfica (Shumacher) Ana-polimórfica con cambio continuo Ana-polimórfica con cambio discreto Poli-anamórfica con cambio continuo Poli-anamórfica con cambio discreto Anamórfica (Richards) Polimórfica (Richards) Goelz y Burk (1992) Payandeh y Wang (1994) † R²† 0.589 0.650 0.834 0.719 0.761 0.793 0.750 0.673 0.806 0.643 0.712 Valor 3.083 Estimador de b Significancia ** Estimador -40.685 -40.317 3.454 2.034 3.415 3.260 3.439 b2 = -0.023 b1 = 23.300 Para todos los modelos el estadístico R² corresponde al valor de R² ajustada. ** ** ** ** ** ** ** -54.816 -44.279 -17.983 -48.853 b3 = 1.824 b3 = 2.409 Significancia ** ** ** ** ** ** ** ** Varianza del modelo 8.192 7.427 3.562 5.973 5.090 5.465 5.323 6.973 4.123 8.311 5.870 TORRES-ROJO: CURVAS COMPUESTAS DE ÍNDICE DE SITIO EN INVESTIGACIÓN FORESTAL adjusted with the purpose of comparing the a and b estimated values obtained from different forms of site index. The use of several age differences within each group makes the curves’ trajectories show more clearly the shape differences caused by site variations. Doubtless, this is amplified by the use of various species in each group, since for the same initial height-age pair (base age) several projection values are given (projection age). For the fist group of species, the composed anapolymorphic and poly-anamorphic models yield better fits than the simple model (anamorphic or polymorphic) and even than the improved models of Goelz and Burk (1992) or Payandeh and Wang (1994), which include more parameters. The best model for this group was the polymorphic form derived from Richards. It also can be noticed that for this group of species, and even for the other groups, the poly-anamorphic forms had better performance than the ana-polymorphic. Results obtained for Group 2 and Group 3 are similar to those obtained for Group 1; even though for these groups the polymorphic form derived from the Schumacher model had better adjustment than the composed forms and even than the polymorphic form derived from the Richards’ model. Stands out the fact that the estimates of composed models were similar to the ones obtained with the guide curve, this means that these are estimates that resemble the model’s original form, which relates height-age. Figure 1 shows the form that two composed models adopts for the first group of species using 80 years as base age. Here we can notice an important difference between the ana-polymorphic and the poly-anamorphic curves. The first maintain the trajectory of a growth function because of their anamorphic base, while the shape change happens 25 Polimórfica Ana-polimórfica Poli-anamórfica 20 Altura (m) no lineal. Este último modelo se ajustó a fin de comparar los valores de los estimadores de a y b obtenidos con diferentes formas de índice de sitio. El uso de varias diferencias de edad en cada grupo hace que las tendencias de las curvas muestren más claramente las diferencias en forma ocasionadas por variaciones en sitio. Ello sin duda se ve amplificado por el uso de varias especies en cada grupo, dado que para una misma dupla de altura-edad iniciales (edad base) se proporcionan diferentes valores de proyección (edad de proyección). Para el primer grupo de especies, los modelos compuestos ana-polimórfico y poli-anamórfico proporcionaron mejor ajuste que el modelo simple (anamórfico o polimórfico) e incluso que los modelos mejorados como el de Goelz y Burk (1992) o el de Payandeh y Wang (1994), mismos que tienen mayor cantidad de parámetros. Para este grupo el mejor modelo fue la forma polimórfica derivada de Richards. Asimismo, se puede observar que para este grupo de especies, e incluso para los demás grupos, las formas poli-anamórficas tuvieron mejor desempeño que las ana-polimórficas. Los resultados, tanto para el Grupo 2 como para el Grupo 3, fueron similares a los obtenidos para el Grupo 1; aunque para estos grupos la forma polimórfica derivada del modelo de Schumacher resultó con mejor ajuste que las formas compuestas e incluso mejor que la forma polimórfica derivada del modelo de Richards. Destaca que los estimadores de los modelos compuestos fueron similares a los obtenidos con la curva guía, esto es, son estimadores que se asemejan a la forma original del modelo que relaciona altura-edad. La Figura 1 muestra la forma que adoptan dos modelos compuestos para el primer grupo de especies usando como edad base 80 años. Aquí se puede apreciar una diferencia notable entre las curvas ana-polimórficas y las poli-anamórficas. Las primeras conservan la tendencia de una función de crecimiento dado que su base es anamórfica, mientras que el cambio en forma es en el largo plazo (intervalos grandes). Por el contrario, las curvas poli-anamórficas tienen un cambio en forma en el corto plazo (intervalos pequeños) y adoptan la forma genérica de la función; en este caso, una función no decreciente (modelo de Shumacher). La Figura 2 muestra la tendencia de las curvas polianamórficas (discretas) para tres índices de sitio. Como se puede apreciar, son curvas que muestran la tendencia general del modelo de Schumacher, sin embargo dan la impresión de tener un comportamiento discontinuo (mucha variación entre una y otra edad) al considerar la variación de forma y escala a la vez. El desempeño de las diferentes formas de curvas en la predicción de índices de sitio, se midió con una prueba de validación utilizando la base de datos previamente 95 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Edad (años) Figura 1. Comparación entre curvas compuestas y una curva polimórfica. Figure 1. Comparison between composite curves and a polimorphic curve. AGROCIENCIA VOLUMEN 35, NÚMERO 1, ENERO-FEBRERO 2001 35 IS = 15 IS = 20 IS = 25 30 Altura (m) 25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 80 100 120 140 Edad (años) Figura 2. Comportamiento de tres curvas poli-anamórficas para el Grupo 1. Figure 2. Behavior of three poly-anamorphic curves for group 1. separada. El Cuadro 5 muestra los resultados indicando sólo el estadístico R² y para el primer grupo de especies. En este cuadro la primera columna de cifras ha sido denominada promedio para indicar que la prueba de validación se realizó con toda la muestra, esto es, con todas las diferencias de edad. Los encabezados 10, 30 y 50 indican que la prueba sólo se efectuó para aquellos pares de datos (altura-edad) con 10, 30 y 50 años de diferencia. Como se puede apreciar, los modelos compuestos son bastante competitivos en términos de ajuste con respecto a los modelos tradicionales anamórficos o polimórficos especialmente cuando éstos tienen el mismo número de parámetros. En la prueba es notable el buen desempeño que tienen los modelos mejorados de Goelz y Burk (1992) y el de Payandeh y Wang (1994), probablemente debido al mayor número de parámetros. Es importante notar que cuando las diferencias de edad son pequeñas, el modelo poli-anamórfico es muy eficiente, probablemente debido a que como se señaló, identifica las diferencias de forma en altura en intervalos pequeños de edad. Una observación detenida del modelo ana-polimórfico muestra que este modelo mejora con respecto al poli-anamórfico en la medida que la diferencia de edad aumenta, lo cual corrobora lo que ya se había señalado. Payandeh y Wang (1994) mostraron que es importante aplicar pruebas de validación de los modelos de índice de sitio considerando datos con varias diferencias de edad. El Cuadro 5 muestra que no sólo es necesario incluir varias diferencias de edad, sino que también es importante evaluar los modelos por rangos de tales diferencias. De lo contrario se puede llegar a seleccionar un modelo poco eficiente. Por ejemplo, si la prueba de validación no hubiese incluido varias diferencias de edad, la in the long run (large size intervals). On the contrary, on the poly-anamorphic curves the shape change happens in the short run (small size intervals) and acquire the function’s generic form, in this case, a non-decreasing function (Schumacher Model). Figure 2 shows the tendency of poly-anamorphic curves (discrete) for three site index. As can be seen, these are curves that show the general trajectory of the Schumacher model, however they seem to have a discontinuous behavior (large variations between ages), considering the scale and shape variation at the same time. The performance of different curve forms to forecast site index, was measured with a validation test using the previously selected database. Table 5 shows first numerical column the results indicating only the R2 statistic and for the first group of species. In this Table the first numerical column has been denominated average to indicate that the validation test was made with the whole sample, that is, with all the age differences. The headings 10, 30 and 50 indicate that the test was made only for the pairs of data (height-age) with 10, 30 and 50 years of difference. As can be noticed, the composed models are fairly competitive in terms of fit compared to the traditional anamorphic and polymorphic models, particularly when these have the same number of parameters. In the test is remarkable the good performance attained by the improved models of Goelz and Burk (1992) and of Payandeh and Wang (1994), probably due to the larger number of parameters. It is important to notice that when the age differences are small, the poly-anamorphic model is very efficient, probably, as was previously indicated, because it identifies height form differences in small age intervals. Cuadro 5. Valores de R² para la prueba de validación de proyecciones de altura para el Grupo 1. 2 Table 25 5. R values in the validation test for height projections in GroupPolimórfica 1. Ana-polimórfica Poli-anamórfica Diferencia promedio en edades 20 de proyección (años) Modelo 15 Promedio 10 30 50 Altura (m) 96 Anamórfica (Schumacher) 10 Polimórfica (Shumacher) Ana-polimórfica con cambio continuo 5 Ana-polimórfica con cambio discreto Poli-anamórfica con 0 cambio 0 continuo 20 40 Poli-anamórfica con cambio discreto Anamórfica (Richards) Polimórfica (Richards) Goelz y Burk (1992) Payandeh y Wang (1994) 0.537 0.643 0.853 0.880 0.238 0.522 0.084 0.359 0.552 0.857 0.360 0.218 0.590 0.859 0.409 0.362 0.613 60 800.876100 0.235 120 Edad 0.646(años)0.889 0.537 0.853 0.626 0.873 0.506 0.825 0.694 0.889 0.231 0.290 0.476 0.400 0.518 0.134 140 0.155 0.071 0.310 0.377 0.402 TORRES-ROJO: CURVAS COMPUESTAS DE ÍNDICE DE SITIO EN INVESTIGACIÓN FORESTAL forma poli-anamórfica hubiese sido una buena selección; sin embargo, considerando diferencias más amplias de edad, es evidente que tal selección resulta inapropiada. La información del Cuadro 5 también orienta acerca de la conveniencia de usar cada tipo de curvas. Se observa que en la medida en que la diferencia de edad es más pequeña las curvas poli-anamórficas son consistentemente más eficientes. Por el contrario, a medida que tal diferencia aumenta, las funciones ana-polimórficas son más eficientes. Esto sólo indica que cuando el intervalo de predicción de índices de sitio es pequeño son más importantes los cambios en forma que la tendencia general de la curva y viceversa, cuando el intervalo es grande, resulta de mayor importancia la tendencia general de la curva. Este resultado, no sólo es lógico, sino que ha sido usado empíricamente. Es común encontrar en la bibliografía recomendaciones sobre el uso de formas polimórficas para evaluar índices de sitio en plantaciones (Bailey y Clutter, 1974; Winston y Demaerschalk, 1981; Payandeh y Wang, 1994) y el uso de formas anamórficas para evaluar poblaciones naturales (Hann, 1995). CONCLUSIONES La integración del gradiente instantáneo, o cambio diferencial del parámetro que permanece constante al derivar una forma anamófica o polimórfica de índice de sitio, permite derivar una función ana-polimórfica o polianamórfica dependiendo del gradiente o cambio que se incluya. Estas funciones son eficientes para estimar índices de sitio, comparadas con las que tienen el mismo número de parámetros. La prueba empírica mostró que las diferencias en R² no son superiores a 10% del mejor ajuste. Las formas poli-anamórficas predicen eficientemente índices de sitio cuando las diferencias de edad son pequeñas (menos de 20 años), mientras que las formas ana-polimórficas son eficientes sólo si la diferencia de edad es mayor. Ambas formas compuestas permiten modificar en escala y forma la trayectoria típica de la función, logrando más detalle en la evaluación. La selección de modelos de índice de sitio debe basarse en una prueba de validación. Es importante que en esta prueba se analicen varias diferencias de edad a fin de evaluar el desempeño de los modelos con diferentes intervalos de proyección. LITERATURA CITADA Bailey, R. L., and J. L. Clutter. 1974. Base-age invariant polymorphic site curves. For. Sci. 20: 155-159. Clutter, J. L., J. C. Fortson, J. C. Piennar, L. V. Brister, and R. L. Bailey. 1983. Timber Management: A Quantitative Approach. Wiley. New York. 333 p. Fabbio, G., M. Frattegiani, and M. CH. Manetti. 1994. Height estimation in stem analysis using second differences. For. Sci. 40: 329-340. 97 A deeper observation of the ana-polymorphic model shows that as age differences get larger this model improves compared with the poly-anamorphic model. This corroborates what had been previously pointed out. Payandeh and Wang (1994) showed that it is important to apply validation tests of site index models using data with several age differences. Table 5 shows that is not only necessary to include several age differences, but is also important to evaluate models for ranges of such differences. Otherwise, a model with less efficiency could be chosen. For example, if the validation test would not had included several age differences, the ana-polymorphic form would have been a good choice, however, it is clear that if wider age differences are included, it is an inappropriate choice. Information on table 5 gives directions on how to use each type of curve. It shows that as age differences get smaller, poly-anamorphic curves are consistently more efficient. On the other hand, as age differences get bigger the ana-polymorphic functions are more efficient. This only shows that when the forecast interval of site index is small, the form changes are more important than the general tendency of the curve and, viceversa, when the interval is large, the general trajectory of the curve is more important. This result is not only logical, but it has also been used empirically. It is common to find bibliographic recomendation about the use of polymorphic forms to evaluate site index plantations (Bailey and Clutter, 1974; Winston and Demaerschalk, 1981; Payandeh and Wang, 1994) and the use of anamorphic forms to evaluate natural populations (Hann, 1995). CONCLUSIONS The integration of the instant gradient, or differential change in the parameter that remains constant when deriving a site index anamorphic or polymorphic form, allows to derive an ana-polymorphic or a polyanamorphic form depending on the gradient or change to be included. These functions are efficient to estimate site index, compared to others that have the same number of parameters. The empirical test showed that the R2 differences are not larger than a 10% from the best fit. Poly-anamorphic forms efficiently forecast site index when age differences are small (less than 20 years), while ana-polymorphic forms are efficient only if the difference is larger. Both composed forms allow modifying in shape and scale the typical function trajectory, attaining greater detail in the evaluation process. Selection of site index models should be based on a validation test. For this test it is important to analyze several age differences in order to evaluate the performance of models with different projection intervals. —End of the English version— pppvPPP 98 AGROCIENCIA VOLUMEN 35, NÚMERO 1, ENERO-FEBRERO 2001 Goelz, J. C. G., and T. E. Burk. 1992. Development of a well-behaved site index equation: Jack pine in north central Ontario. Can. J. For. Res. 22: 776-784. Hahn, T., and W. H. Carmean. 1982. Lake states site index curves formulated. USDA. Forest Service. Gen. Tech. Rep. NC-88. 5 p. Hann, D. W. 1995. A key to the literature presenting site-index and dominant-height-growth curves and equations for species in the Pacific Northwest and California. For. Res. Lab. Oregon State Univ. Corvallis, Oregon. Research Contribution. No. 7. 26 p. Ker, M. F., and C. Bowling. 1991. Polimorphic site index equations for four New Brunswick softwood species. Can J. For. Res. 21: 728-732. Kiessling, D., F. J. 1978. Análisis troncales, ejecución, aplicación actual y perspectivas. In: La Investigación Forestal en las Unidades Forestales y Organismos Descentralizados. Primera Reunión. Pub. Esp. No. 15. INIF. México. pp: 9-54. Meng, Fan-Rui, Ch. H. Meng, S. Tang, and P. A. Arp. 1997. A new height growth model for dominant and codominant trees. For. Sci. 43: 348-354. Newnham, R. M. 1988. A modification of the Ek-Payandeh nonlinear regression model for site index curves. Can J. For. Res. 18: 115120. Payandeh, B. 1977. Metric site index formulae for major Canadian timber species. Bi-monthly Res. 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