退化第四紀(jì)紅黏土重建馬尾松林恢復(fù)27年后林分直徑分布模型研究

黃榮珍，李 鳳，肖 龍，樊后保，李燕燕，廖迎春

（1．南昌工程學(xué)院 生態(tài)與環(huán)境科學(xué)研究所／江西省水文水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌330099；2．泰和縣水土保持站，江西 泰和343700）

我國中亞熱帶是人口密集地區(qū)，長期以來，該地區(qū)森林遭受嚴(yán)重破壞，是土壤侵蝕、自然生態(tài)環(huán)境破壞與退化最為嚴(yán)重的區(qū)域之一。紅壤為該區(qū)最主要的土壤資源，在江西省境內(nèi)，紅壤總面積為9．3萬k m2，約占全省總面積的55．8%，是江西省分布最廣、面積最大的地帶性土壤。其中第四紀(jì)紅色黏土區(qū)是江西省的主要水土流失區(qū)之一，占全省水土流失面積的13．9%［1］?！凹t色沙漠”就是對(duì)第四紀(jì)紅土侵蝕劣地的一種形象描述，其表土層乃至亞表土層被剝蝕后的裸露網(wǎng)紋層土壤養(yǎng)分貧乏，結(jié)構(gòu)不良，保水保土能力極差，加之降水分布不均和季節(jié)性高溫、干旱，一般植物很難成活和正常生長。因此退化紅壤生態(tài)功能恢復(fù)的重要目標(biāo)是通過森林植被恢復(fù)與重建恢復(fù)土壤［2］。

林木直徑分布是種群結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律和種群生長的重要特征之一，是了解森林經(jīng)營管理措施合理性的重要手段［3］。了解林分的直徑結(jié)構(gòu)，即可對(duì)林分的整體生長態(tài)勢進(jìn)行比較詳盡的掌握，探討林分直徑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，有利于揭示林分發(fā)展規(guī)律的實(shí)質(zhì)，精確的林分直徑結(jié)構(gòu)預(yù)測能為林木生長情況提供科學(xué)依據(jù)［4－5］。林分直徑結(jié)構(gòu)模型不僅可以提供林分中各徑級(jí)林木的株數(shù)信息，而且是估算樹林出材量、指導(dǎo)生產(chǎn)管理和人為促進(jìn)恢復(fù)、掌握林木枯損進(jìn)程，以及準(zhǔn)確評(píng)定生產(chǎn)力和碳固定能力的基礎(chǔ)［6］。前人已經(jīng)展開了大量關(guān)于林分直徑結(jié)構(gòu)分布模型的研究，總體上可分為兩個(gè)階段，即基于現(xiàn)實(shí)林分的靜態(tài)模擬階段和基于未知林分的動(dòng)態(tài)預(yù)測階段。在靜態(tài)擬合階段，大都用概率密度函數(shù)，如正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、Ga mma分布、Beta分布和Weibull分布等來表征樹木徑級(jí)株數(shù)的分布規(guī)律。在動(dòng)態(tài)預(yù)測階段，采用參數(shù)預(yù)測（Para meter f orcast model）、參數(shù)回收（Parameter recovery model）以及概率轉(zhuǎn)移矩陣等技術(shù)建立林分直徑結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)預(yù)測模型［4－5］。

以江西省嚴(yán)重退化的第四紀(jì)紅黏土為研究對(duì)象，運(yùn)用不同的林木直徑結(jié)構(gòu)模型分析對(duì)比不同模式重建馬尾松林恢復(fù)27 a后的直徑分布規(guī)律，為科學(xué)地進(jìn)行水土保持林的人促更新?lián)嵊峁┛煽康睦碚撘罁?jù)，以期為侵蝕劣地的植被恢復(fù)、水土流失治理以及優(yōu)選水土保持措施模式提供必要的科學(xué)依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于泰和縣老虎山小流域內(nèi)，地理位置為東經(jīng)114°52′－114°54′，北緯26°50′－26°51′，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，多年平均雨量為1 363 mm。無霜期288 d，平均氣溫為18．6℃，平均大于10℃的積溫為5 918℃，極端最高、最低氣溫分別為 40．4℃ 和－6℃。老虎山小流域?qū)倨皆鹆陞^(qū)，海拔80～200 m，境內(nèi)丘坡平緩，坡度多在5°左右，土壤為第四紀(jì)紅色黏土發(fā)育而成的紅壤，厚度一般為3～40 m。試驗(yàn)地屬強(qiáng)度侵蝕退化紅壤。

2 研究方法

2．1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1983年在試驗(yàn)地（A層土壤全部剝蝕，B層出露，地表無任何草灌，本底條件相似）采取不同的林分模式進(jìn)行人工重建森林，模式A：強(qiáng)烈干擾馬尾松（Pinus massoniana）林分（打松枝、耙松針，無任何撫育管理措施）；模式B：封育馬尾松林分；模式C：竹節(jié)溝馬尾松林分（開挖水平竹節(jié)溝）；模式D：種草竹節(jié)溝馬尾松林分（帶狀種草且開挖水平竹節(jié)溝）；模式E：谷坊馬尾松林分（在溝道下游修建攔擋水沙，以抬高侵蝕基準(zhǔn)面的水土保持措施）；模式F：無谷坊馬尾松林分。試驗(yàn)地基本情況如表1所示，種植密度為2 501株／h m2。

表1 樣地基本情況

2．2 調(diào)查方法

于2010年8月在6種重建森林模式試驗(yàn)區(qū)內(nèi)分別設(shè)置3塊20 m×20 m的樣地，對(duì)DBH＞5 c m以上的樹木每木檢尺，記錄林木樹高、胸徑、冠幅、枝下高等數(shù)據(jù)；并在每塊樣地內(nèi)按對(duì)角線法設(shè)立5個(gè)5 m×5 m的樣方調(diào)查灌木層植被，設(shè)置5個(gè)1 m×1 m樣方調(diào)查草本層植被，記錄種類、株數(shù)、高度、蓋度等指標(biāo)。

2．3 數(shù)據(jù)處理

2．3．1 直徑分布模型 為了適應(yīng)不同情況下直徑分布形狀變化較大的特點(diǎn)，采用正態(tài)分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、Weibull分布、Gamma分布和Beta分布5種分布模型加以描述，概率分布函數(shù)公式見參考文獻(xiàn)［6－10］。

2．3．2 直徑分布特征數(shù) 直徑分布特征數(shù)采用變動(dòng)系數(shù)C、偏度α3和峭度α4，公式見參考文獻(xiàn)［11］。分布模型的模擬以及特征數(shù)的計(jì)算均采用Qbasic軟件自編制程序進(jìn)行。

3 結(jié)果與分析

3．1 直徑分布特征數(shù)比較分析

由表2可以看出，不同重建模式的馬尾松人工林恢復(fù)27 a后平均胸徑大小順序依次為：模式F＞模式E＞模式A＞模式C＞模式D＞模式B。模式A，B，C，D的馬尾松人工林直徑分布曲線偏度值是正值，為左偏，表明分布曲線的頂峰偏右，整個(gè)林分中中小徑階的林木占多數(shù)；而模式E，F(xiàn)的馬尾松人工林直徑分布曲線偏度值是負(fù)值，為右偏，表明分布曲線的頂峰偏右，整個(gè)林分中大徑階的林木占多數(shù)。模式A，B，C的峭度為正值，說明徑階分布的離散程度小而集中；而模式D，E，F(xiàn)峭度為負(fù)值，說明徑階分布離散程度大。

表2 不同重建模式下直徑分布特征數(shù)及χ2檢驗(yàn)

3．2 直徑分布模型比較分析

應(yīng)用正態(tài)分布模型、對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型、Weibull分布模型、Gamma分布模型和Beta分布模型分別對(duì)6種第四紀(jì)紅黏土重建馬尾松林恢復(fù)27 a后直徑分布進(jìn)行擬合，并經(jīng)χ2（0．05）檢驗(yàn)，結(jié)果表明，6種重建模式的馬尾松人工林直徑Weibull分布模型的χ2值均小于臨界值（表2）；而其它4種分布模型的χ2值（除了模式C的對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型和Ga mma分布模型的χ2值小于臨界值外）均遠(yuǎn)大于χ2分布臨界值。這說明重建模式A，B，D，E，F(xiàn)的馬尾松人工林直徑分布只符合Weibull分布，而模式C的馬尾松人工林直徑分布既符合Weibull分布，又符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型和Ga mma分布模型。本研究結(jié)果充分說明了Weibull分布模型具有適用性廣、靈活性大的特點(diǎn)，能夠很好地?cái)M合不同類型林分的直徑結(jié)構(gòu)。5種分布模型擬合參數(shù)如表3所示。

表3 不同重建模式下直徑分布函數(shù)參數(shù)估計(jì)值

3．3 直徑Weibull分布模型比較分析

如表3所示，Weibull分布模型的參數(shù)α為位置參數(shù)，在直徑分布中表示最小起測徑階，與密度函數(shù)曲線的形狀無關(guān)，只與密度函數(shù)曲線在平面坐標(biāo)系中的位置有關(guān)。b為尺度參數(shù)，是累計(jì)頻度為63%處的直徑與最小直徑之差，b值越大，密度函數(shù)曲線越平緩，頂點(diǎn)離x軸的距離越小。c為形狀參數(shù)，是Weibull分布中具有實(shí)質(zhì)意義的參數(shù)，是分析直徑動(dòng)態(tài)的依據(jù)之一；當(dāng)c＜1時(shí)，Weibull分布為倒“J”型分布；當(dāng)c＝1時(shí)，為指數(shù)分布；當(dāng)1＜c＜3．6（c≠2）時(shí)，呈山形曲線，且為正偏；當(dāng)c＝2時(shí)，Weibull分布為卡平方（χ2）分布的特殊情況，呈Reyleigh分布；當(dāng)c＝3．6時(shí)，為近似正態(tài)分布；c＞3．6時(shí)，為負(fù)偏山分布；c→∞時(shí)，Weibull分布簡化為單點(diǎn)分布。由此可見，Weibull分布通過c值的改變可以擬合成各種形式的直徑分布，尤其對(duì)同齡純林（一般c＞1），可擬合任何時(shí)刻的林分直徑分布，且參數(shù)a，b，c隨年齡的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性［12］。由于重建模式的差異，符合Weibull分布的不同馬尾松人工林徑階株樹分布情況和各徑階理論概率有所不同，這取決于3個(gè)參數(shù)a，b，c，而參數(shù)a，b，c值可能與林分特征因子有關(guān)。從計(jì)算結(jié)果看（表3），6種林分的c均介于1和3．6之間，故6種重建模式的馬尾松林分胸徑分布形狀均為單峰正偏山狀分布，說明林木過大和過小的直徑分布差異不明顯。c值大小順序依次為：模式D＞模式C＞模式A＞模式E＞模式B＞模式F。

4 結(jié)論與討論

人工林直徑擬合過程中，針對(duì)不同的林分需要采用適合其分布規(guī)律的模型來進(jìn)行擬合，才能反映出林分的生長規(guī)律。從理論上，選擇分布函數(shù)應(yīng)具有極大的靈活性，以適應(yīng)一定范圍內(nèi)變化的偏度及峭度值，Weibull分布函數(shù)實(shí)用性強(qiáng)，靈活性大，對(duì)分布形狀的適應(yīng)性較強(qiáng)，應(yīng)用其對(duì)本研究的6種重建模式的馬尾松林恢復(fù)27 a后的總體胸徑分布進(jìn)行模擬，效果均較理想。

通過對(duì)第四紀(jì)紅黏土6種重建模式的馬尾松林恢復(fù)27 a后的直徑分布結(jié)構(gòu)特征的分析，結(jié)果表明：不同重建模式的馬尾松人工林恢復(fù)27 a后平均胸徑大小依次為：模式F＞模式E＞模式A＞模式C＞模式D＞模式B。模式A，B，C，D的馬尾松人工林直徑分布曲線偏度值為正值，為左偏，表明分布曲線的頂峰偏右，整個(gè)林分中中小徑階的林木占多數(shù)；而模式E，F(xiàn)的馬尾松人工林直徑分布曲線偏度值為負(fù)值，為右偏，表明分布曲線的頂峰偏右，整個(gè)林分中大徑階的林木占多數(shù)。模式A，B，C的峭度為正值，說明徑階分布離散程度小而集中；而模式D，E，F(xiàn)峭度為負(fù)值，說明徑階分布離散程度大。雖然本研究選取的馬尾松樣本為同齡林，然而，馬尾松林分呈現(xiàn)出一定的分化現(xiàn)象，說明不同重建模式對(duì)馬尾松林的生長具有一定的影響，即不同重建模式對(duì)植被恢復(fù)的效果不同。這可能與各個(gè)林分的保留密度有關(guān)，從表1可以看出，保留密度越大，平均胸徑越??；反之，平均胸徑越大。林分密度通過影響平均胸徑、平均樹高而影響其材積，進(jìn)而影響林分的碳固定能力［13］。這可為侵蝕退化紅壤地生態(tài)修復(fù)林分初始密度的確定，尤其是生態(tài)修復(fù)實(shí)施成功后林分的經(jīng)營管理、保留密度的確定提供有益的依據(jù)和參考。

不同重建模式的馬尾松人工林直徑Weibull分布模型參數(shù)c值均介于1和3．6之間，且差別不大，故6種重建模式的馬尾松林分胸徑分布形狀均為單峰正偏山狀分布，說明在同一重建模式中林木直徑分布差異不明顯。這主要是因?yàn)楸狙芯繉?duì)象是馬尾松同齡林，且馬尾松是慢生樹種，生長較緩慢，在同林分中由于立地條件相似，因此林木間分化不明顯。

隨著相關(guān)學(xué)科日新月異的變化，如統(tǒng)計(jì)分析科學(xué)的發(fā)展，林分直徑結(jié)構(gòu)模型朝復(fù)雜化、多樣化方向發(fā)展，從而為從整體上提升林分直徑結(jié)構(gòu)模擬與預(yù)測系統(tǒng)的性能及準(zhǔn)確度，更好地為科學(xué)經(jīng)營管理和準(zhǔn)確預(yù)估材積、碳固定量提供依據(jù)。為了更深入地研究和分析調(diào)查地區(qū)林分的生長動(dòng)態(tài)，還需進(jìn)一步對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)地資料進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測與分析，為科學(xué)地進(jìn)行不同重建模式的馬尾松人工林的經(jīng)營與管理提供可靠的理論依據(jù)。

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