昌化江流域天然林直徑結(jié)構研究

李 俊，佘濟云，胡煥香，沈金明，毛旭鵬

昌化江流域天然林直徑結(jié)構研究

李 俊，佘濟云，胡煥香，沈金明，毛旭鵬

(中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004)

為了探明昌化江流域天然林結(jié)構分布規(guī)律，合理調(diào)整林分結(jié)構，在對海南省昌化江流域典型樣地共20塊調(diào)查基礎上，綜合考慮不同林分類型和不同地理位置，利用直方圖法、威布爾分布函數(shù)(Weibull)和伽瑪分布函數(shù)(Gamma), 結(jié)合卡方(x2)檢驗，對昌化江流域天然林直徑結(jié)構進行分析及擬合。結(jié)果表明：昌化江流域天然林直徑分布形狀均呈現(xiàn)倒“J”形，形狀參數(shù)具體排序為：源頭(0.94)＞硬闊混交(0.93)＞全流域(0.90)＞闊葉混交(0.89)＞上游(0.85)，徑階范圍跨度大(6～74 cm)，基本以小徑階為主(6～18cm)，小徑階累計百分比都在70%以上；Weibull分布函數(shù)與Gamma分布函數(shù)對天然林的擬合效果相近，無顯著差異；從不同林分類型及不同地理位置劃分看，闊葉混交林的徑階波動較硬闊混交林大，源頭地區(qū)天然林的徑階波動較上游地區(qū)天然林大。

天然林；直徑結(jié)構；Weibull分布函數(shù)；Gamma分布函數(shù)

全球環(huán)境變化與可持續(xù)發(fā)展是當前人類社會面臨的2大重要挑戰(zhàn)，全球變化實際上是人與自然之間關系的變化[1-2]。森林是實現(xiàn)環(huán)境與發(fā)展相統(tǒng)一的紐帶。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，它不僅滿足人類生存與發(fā)展的物質(zhì)產(chǎn)品和環(huán)境服務需求，而且在維護全球生態(tài)平衡和保護生物多樣性中發(fā)揮了重要作用。要充分發(fā)揮森林的這些作用，科學經(jīng)營與管理森林至關重要。水是生命之源，昌化江作為海南省第二大河流，是海南省經(jīng)濟發(fā)展的命脈之源。林分結(jié)構是森林生態(tài)系統(tǒng)的主要屬性之一，決定了樹木之間的競爭優(yōu)勢及其空間生態(tài)位，在很大程度上決定了林分的穩(wěn)定性、發(fā)展的可能性和經(jīng)營空間的大小。

林分結(jié)構的研究一直以來都是廣大林學領域研究的熱點及難點問題。專家學者從林分結(jié)構的概念及內(nèi)涵[3-4]，到樹種組成[5-6]、直徑結(jié)構[7-8]、樹高結(jié)構[9-10]及年齡結(jié)構[11]，到現(xiàn)在最新的空間結(jié)構[12-15]都進行了非常廣泛及深入的研究，并獲得了喜人的成果。由于直徑與其他因子存在密切的相關性，因此通過直徑結(jié)構可以較直接反映林分結(jié)構特征，所以林分結(jié)構的研究一般也是從研究直徑結(jié)構開始。本研究通過典型抽樣技術設置樣地，并充分利用直方圖法、威布爾函數(shù)[16]及伽瑪函數(shù)對不同林分類型不同地理位置的天然林林分直徑結(jié)構進行綜合研究，以期從昌化江流域天然林林分直徑結(jié)構特征出發(fā)，為合理調(diào)整昌化江流域林分結(jié)構，提高其經(jīng)濟及生態(tài)效益提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

試驗地設在海南省昌化江流域源頭及上游地區(qū)，昌化江流域位于海南島西南部，干流全長232公里，流域面積 5 150 km2，位于 18°32′～ 19°21′ N，108°36′ ～ 109°44′ E，海拔 176 ～ 795 m。昌化江流域處于熱帶和亞熱帶海洋性季風氣候區(qū)，降雨時空分配不均，上游多于下游，山區(qū)多于沿海，多年平均雨量上游1 700 mm，中游1 500 mm，下游1 150 mm。蒸發(fā)量自山區(qū)至沿海遞增，多年平均蒸發(fā)量1 800 mm，上游1 767 mm，中游1 669 mm，下游2 419 mm。昌化江流域的山區(qū)土質(zhì)為黃棕色壤土，盆地土質(zhì)為黃色和灰色沙壤土，沿海為堆積沙土。昌化江流域森林資源比較豐富，試驗地共調(diào)查到喬木樹種60多種。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

2010年，在昌化江流域內(nèi)采用典型抽樣技術，根據(jù)不同地理位置及林分類型選取了20塊典型樣地，地理位置選擇方面，考慮昌化江流域天然林主要分布在源頭及上游地區(qū)，中下游地區(qū)僅有少量天然次生林分布，因此樣地設置為源頭13塊，上游7塊。林分類型選擇方面，考慮昌化江流域天然林基本為闊葉樹種，而闊葉樹種以硬闊樹種為主，因此樣地設置為硬闊混交12塊，闊葉混交8塊，共調(diào)查到闊葉樹種60余種。樣地每塊面積為100 m2，標準地調(diào)查要素為：立地條件和林分特征，主要包括地形地貌、坡度、坡向、土壤、植被及每木檢尺，對樣地內(nèi)胸徑≥5.0 cm的所有林木分樹種實測其胸徑等各項因子，典型樣地基本概況見表1。

表1 樣地基本概況Table 1 Basic conditions of experimental plots

2.2 研究方法

根據(jù)眾多分布函數(shù)研究結(jié)果顯示，Weibull分布函數(shù)和Gamma分布函數(shù)具有適應性強、靈活性大、參數(shù)表現(xiàn)能力強的特點，可擬合不同偏度、峭度的曲線，特別是對異齡混交林的擬合效果較好。因此，本研究選擇Weibull函數(shù)和Gamma函數(shù)分別進行分株數(shù)——直徑分布擬合，擬合結(jié)果的檢驗采用X2檢驗法。

2.2.1 威布爾分布函數(shù)

Weibull分布最初由瑞典物理家W.Weibull提出，現(xiàn)已經(jīng)成為林分結(jié)構模型研究中的一種重要的分布,它對直徑分布和樹高分布均能進行很好的擬合。實踐和理論都表明其靈活性強、適應性廣，但參數(shù)估計方法至關重要，它在一定程度上決定了其模擬效果，三參數(shù)威布爾分布函數(shù)概率密度函數(shù)為：

式(1)中：參數(shù)a為位置參數(shù)，指明x變量的可能最小值，參數(shù)b為尺度參數(shù)，確定其尺寸的大小，而c為形狀參數(shù)，確定其形狀，在生態(tài)學中認為，當c=3.6 時近似為正態(tài)。

2.2.2 伽瑪分布函數(shù)

Gamma分布函數(shù)概率密度函數(shù)為：

式(2)中：a為x變量的可能最小值，b為尺度參數(shù)，c為形狀參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 昌化江流域天然林林分的徑級結(jié)構特征

根據(jù)樣地調(diào)查，整個流域林分平均胸徑17.4 cm，變動范圍為6.0～74.0 cm，平均樹高為10.4 m，變動范圍為2.0～32.0 m；硬闊混交林林分平均胸徑16.3 cm，變動范圍為6.0～70.0 cm，平均樹高為10.1 m，變動范圍為4.0～32.0 m，闊葉混交林林分平均胸徑18.9 cm，變動范圍為6.0～74.0 cm，平均樹高為10.9 m，變動范圍為2.0～30.0 m；源頭地區(qū)林分平均胸徑18.8 cm，變動范圍為6.0～74.0 cm，平均樹高為11.1 m，變動范圍為2.0～32.0 m，上游地區(qū)林分平均胸徑14.3 cm，變動范圍為6.0～70.0 cm，平均樹高為8.8 m，變動范圍為4.0～24.0 m。

昌化江流域天然林按不同林分類型不同地理位置區(qū)分的各徑階分布株數(shù)見圖1，其直徑結(jié)構相對簡單，基本規(guī)律都是6徑階到18徑階的林木株數(shù)在林分所占比重最多，基本累計百分比都在70%左右，源頭最低為68.4%，上游的最高達到80.1%；徑階分布的離散程度非常大，雖然樹木大都集中分布在小徑階，但較大徑階仍有樹木分布。從林分類型劃分看，兩種林分類型平均胸徑和樹高的變動范圍都非常接近，但平均胸徑和平均樹高方面，闊葉混交林數(shù)值偏高，主要原因是軟闊樹種生長較硬闊樹種快，但同時軟闊樹種在闊葉混交林中的比重不是特別大，一般都在50%以下，因而影響還是非常有限的。從地理位置劃分看，源頭地區(qū)樹木大小分布較上游更加廣泛，平均胸徑和平均樹高也明顯高于上游地區(qū)，主要原因為源頭地區(qū)基本為天然林保護區(qū)范圍，保護的投入大，效果好，且無人工干擾；上游地區(qū)林分只有部分為天然林保護區(qū)管理范圍，保護的投入有限，且存在少量人工干擾，因此林分整體狀況較源頭林分差。

圖1 天然林各徑階分布株數(shù)Fig.1 The tree numbers of every diameter class distribution of natural forest

3.2 林分直徑分布擬合與檢驗

3.2.1 參數(shù)估計及檢驗

Weibull及Gamma分布函數(shù)參數(shù)估計的求解方法較多，研究直徑分布時一般將參數(shù)a定為林分直徑最小徑階的下階值，對于b、c兩參數(shù)的求解方法有最大似然估計法、參數(shù)回收法、百分位數(shù)法、線性求解法及近似估計法等等。其中最大似然估計法最精確，因此本研究采用此方法進行估計。檢驗方法采用卡方(X2)檢驗。

參數(shù)估計及檢驗結(jié)果見表2，5個分組類型的Weibull分布函數(shù)及Gamma分布函數(shù)形狀參數(shù)c的估計值均1以下(0.71～0.94之間)，表明昌化江流域天然林各類分組林分類型的直徑分布呈倒“J”型遞減分布，整體上看，小徑階的林木占多數(shù)，其徑級結(jié)構中，小徑階的林木株數(shù)最多，隨著直徑的增大林木株數(shù)開始快速遞減，達到一定徑階后，遞減速度變緩直至平衡，與圖1所顯示的徑級分布完全相符。經(jīng)X2檢驗，5個分類僅有硬闊混交林和上游天然林兩類服從威布爾分布和伽瑪分布，從擬合結(jié)果看，威布爾分布擬合效果稍優(yōu)于伽瑪分布，兩類分布擬合效果非常接近，無顯著差異，在將來的研究中，兩類分布函數(shù)均可以被選擇為海南天然林林分直徑結(jié)構株數(shù)分布預測函數(shù)。

表2 直徑分布函數(shù)參數(shù)估計及檢驗值Table 2 Parameter estimation and test values of diameter distribution function

3.2.2 分布擬合

根據(jù)樣本觀測資料進行估計求得全流域、硬闊混交林、闊葉混交林、源頭天然林、上游天然林各徑階的實際株數(shù)和理論株數(shù)(表3)。

直徑分布擬合曲線見圖2～5，從全流域看，林木徑階分布范圍廣、跨度大，從6徑階到74徑階均有分布，整體形狀上為倒“J”形，在12徑階上出現(xiàn)一個較為平緩的小山峰，說明全流域天然林林分以小徑階樹木占絕對優(yōu)勢，而大徑階樹木明顯偏少。從林分類型劃分看，兩種林分類型整體形狀上均為倒“J”形，徑階分布上以小徑階樹木為主，大徑階樹木也有少量分布。兩種林分類型分布比較而言，闊葉混交林的徑階波動較大，在8、12、18三個徑階分別出現(xiàn)相對尖峭的山峰，硬闊混交林僅在徑階12時出一個較平緩的山峰，主要原因為硬闊和軟闊樹種的生長速率不一致，導致同一周期，不同林分類型中徑階分布的波動有所差異。從地理位置劃分看，兩個區(qū)域的天然林林分整體形狀上均為倒“J”形，徑階分布上以小徑階樹木為主，大徑階樹木也有少量分布。兩個區(qū)域林分分布比較而言，源頭天然林的徑階波動較大，在8、12兩個徑階分別出現(xiàn)相對尖峭的山峰，上游天然林僅在徑階10時出一個較平緩的山峰，主要原因為源頭天然林保護狀況良好，由于各樹種的生長速率的不一致，基本上表現(xiàn)出尖峭山峰的出現(xiàn)，但隨著樹木徑階的逐步增大，競爭加劇，產(chǎn)生自然稀疏，致使尖峭山峰進一步趨于平緩，這屬于天然林分布正常規(guī)律；上游天然林徑階分布規(guī)律較源頭不明顯的原因主要為人為干擾所致。

4 結(jié)論與討論

(1)昌化江流域天然林直徑結(jié)構相對簡單，基本規(guī)律都是6徑階到18徑階的林木株數(shù)在林分所占比重最多，基本累計百分比都在70%左右，源頭最低為68.4%，上游的最高達到80.1%；徑階分布的離散程度非常大，雖然樹木大都集中分布在小徑階，但較大徑階仍有樹木分布。從林分類型劃分看，闊葉混交林平均胸徑和平均樹高均高于硬闊混交林，主要原因是軟闊樹種生長較硬闊樹種快。從地理位置劃分看，源頭地區(qū)樹木大小分布較上游更加廣泛，平均胸徑和平均樹高也明顯高于上游地區(qū)，主要原因是保護力度及人為干擾差異所致。

表3 各徑階實際株數(shù)與分布函數(shù)擬合結(jié)果Table 3 Actual tree numbers of every diameter class distribution functions fitting results

圖2 硬闊混交林直徑分布的實際值和估計值Fig.2 The actual values and estimated values of hardwood mixed forest diameter distribution

圖3 闊葉混交林直徑分布的實際值和估計值Fig.3 The actual values and estimated values of broadleaved mixed forest diameter distribution

圖4 源頭天然林直徑分布的實際值和估計值Fig.4 The actual values and estimated values of diameter distribution of headstream area

圖5 上游天然林直徑分布的實際值和估計值Fig.5 The actual values and estimated values of diameter distribution of upstream area

(2)昌化江流域5種類型林分的Weibull分布函數(shù)及Gamma分布函數(shù)形狀參數(shù)c的估計值均1以下(0.71-0.94之間)，表明昌化江流域天然林各類分組林分類型的直徑分布呈倒“J”型遞減分布，小徑階的林木株數(shù)最多，隨著直徑的增大林木株數(shù)開始快速遞減，達到一定徑階后，遞減速度變緩直至平衡。經(jīng)X2檢驗，5個分類僅有硬闊混交林和上游天然林兩類服從威布爾分布和伽瑪分布，造成此結(jié)果的原因很可能是因為起測徑階為5 cm，小于5 cm的樹木未被調(diào)查入內(nèi)的結(jié)果所致。從擬合結(jié)果看，威布爾分布擬合效果稍優(yōu)于伽瑪分布，兩類分布擬合效果非常接近。

(3)直徑分布擬合結(jié)果表明，五種類型林分整體形狀均為倒“J”形，林木徑階分布范圍廣、跨度大，從6徑階到70多徑階均有分布，以小徑階樹木占絕對優(yōu)勢，而大徑階樹木明顯偏少。從兩種林分類型直徑分布比較而言，闊葉混交林的徑階波動較大，主要原因為硬闊和軟闊樹種的生長速率不一致，導致同一周期，不同林分類型中徑階分布的波動有所差異。從兩個區(qū)域林分直徑分布比較而言，源頭天然林的徑階波動較大，主要原因為源頭天然林保護狀況良好，上游天然林存在人工干擾。

(4)昌化江流域天然林保護區(qū)現(xiàn)在推行的主要森林經(jīng)營管理措施以封山育林為主，以不干預為主要手段，因此，造成了現(xiàn)在森林結(jié)構不合理的現(xiàn)狀。通過昌化江流域天然林樣地數(shù)據(jù)和擬合結(jié)果更加明確的反映了該流域林分結(jié)構極其不合理的特征，急需根據(jù)擬合分布模型參數(shù)，針對不同林分類型不同地理位置進行適當?shù)母脑欤{(diào)整林分內(nèi)部直徑株數(shù)分布，提高其經(jīng)濟和生態(tài)效益。具體可以采用撫育、團狀采伐、擇伐、人工補植等一系列措施促進其形成結(jié)構合理、生態(tài)效能良好的林分；對于密度過大，自然更新強的林分，可采用疏伐的方式促進幼樹的生長，使其逐步過渡到合理的林分結(jié)構；同時，為了更加全面、深入地認識昌化江流域天然林林分結(jié)構特征，應進一步增加典型樣地的數(shù)量，并進一步對林分類型進行細分，進行長期定位觀測。

[1] IGBP.Global Change and Earth System：A Planet under Pressure[R].IGBP Science Series, 4：2001.

[2] Will Steffen, Joao Morais, Wendy Broadgate.The challenge of Amsterdam 2001： Building towards a new science for global sustainability[J].IGBP New Sletter, 2001, 44：1-3.

[3] 孟憲宇.測樹學[M].北京：中國林業(yè)出版社,1996.50-100．

[4] 惠剛盈,克勞斯·馮佳多．森林空間結(jié)構量化分析方法[M]．中國科學技術出版社, 2003：19-62．

[5] 黃清麟.福建青岡萌芽林分結(jié)構及生產(chǎn)力的研究[J].福建林學院學報 ,1995,15(2)：107-111．

[6] Takuo Nagaike.Plant species diversity in abandoned coppice forests in a temperate deciduous forest area of central Japan[J].Plant Ecology ,2003,166：145-156．

[7] 孟憲宇．使用Weibull函數(shù)對樹高分布和直徑分布的研究[J].北京林業(yè)大學學報,1988,10(1)：40-48．

[8] Nanang D.M.Suitability of the Normal,Log-normal and Weibull distributions for fitting diameter distributions of neem plantations in Northern Ghana[J].Forest Ecology and Management,1998.103：1-7.

[9] 呂 勇.樹木樹高曲線模型研究[J].中南林學院學報, 1997,17(4)： 86-89.

[10] 王益和.馬尾松人工林相對樹高曲線模型及其應用研究[J].福建林業(yè)科技 ,2000,27(1)：36-39．

[11] 孫 冰,楊國亭,李 弘,等.白話種群的年齡結(jié)構及其群落演替[J].東北林業(yè)大學學報,1994,22(3)：43-48．

[12] 惠剛盈,Von Gadow K, Albert M.角尺度——一個描述林木個體分布格局的結(jié)構參數(shù)[J].林業(yè)科學,1999,35(1)：37-42．

[13] 李明輝,何風華,劉 云,等．林分空間格局的研究方法[J].生態(tài)科學 ,2003,22(1)：77-81．

[14] Pretzsch H.Analysis and modeling of spatial stand structures.Methodological considerations based on mixed beech-larch stands in Lower Saxony[J].Forest Ecology and Management,1997,97( 3 )： 237-253.

[15] Hegyi F.A simulation model form anaging jack-pine stands//Fries J.Growth models for tree and stand simulation[M].Stockholm：Royal College of Forestry,1974：74-90.

[16] Bailey R L, Dell T R.Quantifying diameter distributions with the Weibull function[J].For.Sci.,1973,19(2)：97-104.

Research on diameter structure of natural forest in Changhua River Basin

LI Jun, SHE Ji-yun, HU Huan-xiang, SHEN Jin-ming, MAO Xu-peng
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In order to study the distribution structure of natural forest of Changhua River Basin and adjust stand structure reasonably,based on the survey aiming to the typical sample totally 20 in Hainan Province Changhua River Basin, comprehensive consideration of the different forest stands and geographical location, the natural forest diameter structure of Changhua River Basin was analyzed and fitted by using histogram, Weibull distribution function and Gamma distribution function, combining with x2checking method.The results show that the tree diameter distribution form of the natural forest of distribution shape in Changhua River Basin presented a reverse J-form, the concrete scheduling of shape parameters were as followings： source(0.94)＞ hardwood mixed forest(0.93)＞ the whole basin(0.90)＞broadleaved mixed forest(0.89)＞upstream(0.85); The span of diameter class ranked 6～74 cm, which mainly were small diameter class (6～18 cm), the accumulating percentage all were above 70%.The fitting effects of the Weibull function and the Gamma function to the natural forest was similar, without remarkable difference.Viewed from the division of different forest stand type and the different geographical location, were as followings： the diameter class fluctuation of the broadleaved mixed forest was larger than that of the hardwood mixed forest, the diameter class fluctuation of the natural forest in the headstream area’s was larger than that of the natural forest in the upstream area.

natural forest; diameter structure; Weibull distribution function; Gamma distribution function

S757.1； TP18

A

1673-923X(2012)03-0037-07

2012-01-20

海南省林業(yè)局重點科研項目(LK20118478)；森林經(jīng)理學湖南省“十一五”重點學科資助項目(034-0014)

李 俊(1975—)，男，江西豐城人，博士研究生，主要從事林業(yè)信息工程、GIS和森林可持續(xù)經(jīng)營的科研工作；E-mail：lij75@sina.com

佘濟云(1966—)，男，湖南邵東人，教授，博士生導師，主要從事森林經(jīng)理和林業(yè)資源管理方面的教學和科研工作；E-mail：shejiyun@126.com

[本文編校：歐陽欽]