楊樺中幼齡次生林結(jié)構(gòu)與自然度的比較研究

霍艷玲，金 輝，趙海玉，王志彬，劉麗穎，黃龍生，李永寧

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；2.張家口市黑龍山林場，河北 張家口 075000；3.陜西省鳳翔縣林業(yè)技術(shù)推廣站，陜西 鳳翔 721400 ）

楊樺中幼齡次生林結(jié)構(gòu)與自然度的比較研究

霍艷玲1，金 輝3，趙海玉2，王志彬2，劉麗穎1，黃龍生1，李永寧1

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；2.張家口市黑龍山林場，河北 張家口 075000；3.陜西省鳳翔縣林業(yè)技術(shù)推廣站，陜西 鳳翔 721400 ）

楊樺次生林是冀北山地的典型森林類型，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境建設(shè)與經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展具有重要作用。研究以冀北黑龍山的楊樺次生林為例，利用角尺度、混交度及大小比數(shù)以及參數(shù)熵權(quán)修正層次分析法，對中齡林與幼齡林的結(jié)構(gòu)及森林自然度進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明：幼齡林與中齡林的樹種組成均較單一，中齡林的樹種多樣性指數(shù)較高，樹種組成較好；中齡林的直徑分布范圍較大，林木個(gè)體分化程度明顯；幼齡林與中齡林的樹高結(jié)構(gòu)均呈單峰型，幼齡林樹高分布范圍較小，林層分化不明顯；幼齡林與中齡林的林分角尺度都呈聚集分布，但中齡林林木個(gè)體分布較趨于隨機(jī)；中齡林與幼齡林均以零度混交比例為主，中齡林的林分整體混交度相對較好；幼齡林與中齡林林分大小比數(shù)分化差異不明顯，林分不同大小比數(shù)分布頻率較均勻。幼齡林森林自然度等級為4，屬于鄉(xiāng)土樹種混交林狀態(tài)，中齡林森林自然度等級為5，屬于次生林狀態(tài)。

楊樺次生林；林分結(jié)構(gòu)；角尺度；混交度；大小比數(shù)；森林自然度

楊樺次生林在華北、東北地區(qū)分布廣泛，多數(shù)是由于森林采伐、放牧和自然災(zāi)害等干擾破壞而形成的森林群落。冀北山地的楊樺次生林是本地區(qū)的典型森林類型，分布范圍廣，生態(tài)區(qū)位重要，承擔(dān)著為京津地區(qū)阻沙源、保水源的重要任務(wù)。但長期以來，楊樺次生林經(jīng)營粗放，林分結(jié)構(gòu)不合理，造成林木生長狀況較差、生態(tài)功能低下、生物多樣性低、病蟲害嚴(yán)重等一系列問題[1]。楊樺次生林的可持續(xù)經(jīng)營已成為迫在眉捷的問題。

林分結(jié)構(gòu)主要包括非空間結(jié)構(gòu)中的樹種組成、直徑結(jié)構(gòu)、樹高結(jié)構(gòu)[2-4]，以及空間結(jié)構(gòu)中角尺度、混交度和大小比數(shù)幾個(gè)方面[5-7]。林分結(jié)構(gòu)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[8]，決定著森林的生長、功能以及干擾機(jī)制[9]。林分結(jié)構(gòu)調(diào)整是森林可持續(xù)經(jīng)營的重要手段，森林可持續(xù)經(jīng)營需要基礎(chǔ)的森林結(jié)構(gòu)信息。此外，森林自然度反映了森林與地帶性頂極森林的相似程度，是反映森林質(zhì)量和生態(tài)狀況的一項(xiàng)重要指標(biāo)[10]。掌握森林生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)律和演替過程，利用森林自然度劃分森林經(jīng)營類型，是森林可持續(xù)經(jīng)營的重要前提。本研究以冀北黑龍山林場的楊樺次生林為例，對楊樺次生林中齡林及幼齡林的林分結(jié)構(gòu)、森林自然度進(jìn)行分析比較，探討林分在演替過程中的結(jié)構(gòu)和自然度變化，可為森林經(jīng)營措施的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供參考，為楊樺次生林的近自然經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

黑龍山林場位于赤城縣東北部，東與豐寧滿族自治縣鄧柵子林場接壤，西接沽源縣老掌溝林場，南連白草鎮(zhèn)及三道川鄉(xiāng)，北靠豐寧滿族自治縣大灘鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為 41°17′04″～ 41°22′14″N，116°00′37″～ 116°11′30″E。海拔高度 1 330 m ～2 292 m。屬東亞大陸性季風(fēng)氣候，全年四季分明，冬季嚴(yán)寒漫長，夏季雨熱同期，春秋氣候變化劇烈，晝夜溫差大。林場區(qū)域?qū)倮錄鲚^濕潤氣候區(qū)，七月平均最高氣溫19.7 ℃，一月平均最低氣溫-13.6 ℃，年平均氣溫4.1 ℃，年降水量563.8 mm，≥10 ℃年積溫2 237.0 ℃，無霜期138 d左右。

楊樺次生林在林場內(nèi)分布廣泛，海拔在1 600 m～2 100 m之間，占有林地面積的67.7%。年齡在25～70 a之間，平均樹高11 m，平均胸徑28 cm。林中喬木主要有白樺Betula platyphylla、山楊Populus davidiana、色木槭Acer mono、棘皮樺Betula dahurica等，灌木主要有毛榛Corylus mandshurica、紅瑞木Swida alba，鼠李Rhamnus davurica等。草本植物主要有細(xì)葉苔草Carex rigescens、茜草Rubia cordifolia、歪頭菜Vicia unijuga、獨(dú)活Heracleum hemsleyanum、山牛蒡Synurus deltoides、糙蘇Phlomis umbrosa、龍牙草Agrimonia pilosa、玉竹Polygonatum odoratum等。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

樣地調(diào)查于2011年10月進(jìn)行。選擇典型的、未經(jīng)人為干擾的楊樺次生林幼、中齡林各2塊，幼齡林樣地大小為20 m×20 m，中齡林樣地大小為30 m×30 m，研究中應(yīng)用幼、中齡林的平均指標(biāo)。樣地主要調(diào)查因子包括樹種、坐標(biāo)、胸徑、樹高、枝下高、冠幅、損傷狀況、干形質(zhì)量、病蟲害狀況。

表1 林分基本情況Table1 Basic situations of standard plots

2.2 林分結(jié)構(gòu)

2.2.1 林分非空間結(jié)構(gòu)

采用的林分非空間結(jié)構(gòu)包括：樹種組成及多樣性結(jié)構(gòu)、直徑結(jié)構(gòu)、樹高結(jié)構(gòu)，用以揭示典型的林分非空間結(jié)構(gòu)特征。樹種組成采用十分法表示，即各樹種組成系數(shù)之和等于“10”；樹種多樣性主要利用Simpson多樣性指數(shù)、 Pielou 均勻度指數(shù)以及Margalef豐富度指數(shù)[11-12]；直徑結(jié)構(gòu)中以2 cm 為徑階進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，探討林木的徑階分布狀況，其中幼齡林的起測徑階為2 cm，中齡林為4 cm；根據(jù)樹高曲線得到各株樹的樹高，以2 m為一高度級進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析林分的樹高結(jié)構(gòu)。

2.2.2 林分空間結(jié)構(gòu)

林分空間結(jié)構(gòu)包括角尺度、混交度、大小比數(shù)等指標(biāo)，以n=4，即參照樹及其周圍 4 株相鄰木組成的結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ)，計(jì)算各林分的角尺度、混交度、大小比數(shù)，具體計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[5-7,13]。

2.3 森林自然度

森林自然度的確定采用熵權(quán)修正層次分析法[14]，遵循科學(xué)性及可操作性原則選取評價(jià)指標(biāo)，按照層次分析法構(gòu)造森林自然度評價(jià)體系，并且采用定性與定量相結(jié)合法把自然度劃分等級，自然度等級越小，自然度值相對就越小。

森林自然度(S)為評價(jià)指標(biāo)去量綱后評價(jià)值及修正后權(quán)重的乘積之和：

式（1）中：λj為森林自然評價(jià)指標(biāo)運(yùn)用熵權(quán)法修正后的權(quán)重，Bj為各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后的評價(jià)值。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分結(jié)構(gòu)

3.1.1 非空間結(jié)構(gòu)

3.1.1.1 樹種多樣性及組成

樹種組成作為森林的重要林學(xué)特征之一，是制定森林經(jīng)營目標(biāo)與調(diào)整林分結(jié)構(gòu)的重要因子。幼齡林與中齡林都以山楊和白樺為主，同時(shí)伴生有山柳、落葉松、棘皮樺、色木槭等，樹種組成分別為4楊4樺2雜、4楊3樺1花2雜，中齡林中樹種較為豐富，花楸、色木槭有所增加（表2）。與幼齡林相比，樹種Simpson多樣性、Pielou均勻度指數(shù)以及Margalef豐富度指數(shù)均以中齡林較高。整體上來看，楊樺次生林中樹種組成比較簡單，但中齡林比幼齡要好。隨著林分的生長與競爭加劇，林木的自然稀疏使白樺與山楊的密度降低，其他樹種有了更多的生長空間，開始不斷的發(fā)育與生長，但還缺少本地的頂極樹種如蒙古櫟、云杉等樹種。在森林撫育經(jīng)營中要注意樹種結(jié)構(gòu)的調(diào)整，特別是鄉(xiāng)土頂極樹種的培育。

表2 樹種多樣性及組成?Table2 Species diversity and composition

3.1.1.2 直徑結(jié)構(gòu)

林分直徑分布可以體現(xiàn)出林分內(nèi)不同林木直徑的一種分布狀態(tài)，是林分最重要、最基本的結(jié)構(gòu)，對林木的材積、干形以及樹冠的生長均有重要作用。由圖1來看，幼齡林直徑分布呈單峰狀，林木直徑集中于4 cm～8 cm，其中以小徑階4 cm最多；中齡林直徑分布呈反“J”型，徑階分布集中在6 cm～10 cm。與幼齡林相比，中齡林徑階分布范圍較大，林木個(gè)體間分化程度增加。形成這種現(xiàn)象的原因主要有兩個(gè)，一是幼齡林密度較大，雖然由于競爭發(fā)生自然稀疏，但林木生長緩慢，還維持著原有林分的基本直徑結(jié)構(gòu)；二是中齡林由于林木競爭發(fā)生分化，處于林冠上層的林木表現(xiàn)出明顯的生長優(yōu)勢，不但使直徑的分布范圍變大，而且表現(xiàn)出一個(gè)較長的右截尾。

3.1.1.3 樹高結(jié)構(gòu)

林分樹高結(jié)構(gòu)是指林分內(nèi)不同樹高的林木分配情況，也稱林分樹高分布。幼齡林和中齡林的樹高結(jié)構(gòu)均呈單峰型，幼齡林樹高分布范圍在2 m～10 m，以低樹高級2 m和4 m級居多，林分內(nèi)最高樹高級達(dá)到了10 m，但數(shù)量極少，說明該林分林層較低，中齡林樣地樹高分布范圍分別為4 m～16 m，以6 m～10 m居多（圖2）。與中齡林相比，幼齡林同一樹高級林木較集中，樹高分布范圍較小，林層分化不明顯。一般說，樹高與直徑之間存在著正相關(guān)關(guān)系，直徑越大樹高越高，中齡林直徑分化程度較大，樹高差異也大，林層分化明顯。

圖1 直徑結(jié)構(gòu)Fig.1 Diameter structure

圖2 樹高結(jié)構(gòu)Fig.2 Tree height structure

3.1.2 空間結(jié)構(gòu)

3.1.2.1 角尺度

角尺度可用來描述相鄰木圍繞參照樹的均勻性。根據(jù)林木空間分布格局的判斷標(biāo)準(zhǔn)，∈(0.475～0.517)時(shí)為隨機(jī)分布，＜0.475時(shí)為均勻分布，＞0.517為聚集分布。幼齡林與中齡林的平均角尺度分別為0.61和0.56，均屬于聚集分布，但中齡林的平均角尺度較小，林分聚集程度較低（圖3）。對于角尺度為0.5的林木，中齡林的分布頻率明顯高于幼齡林，分別占各自單元總株數(shù)的59.4%、46.2%，說明中齡林中參照樹周圍最近相鄰木出現(xiàn)隨機(jī)分布情況較多。幼齡林中處于不均勻和極不均勻的頻率，即平均角尺度為0.75和1的頻率明顯高于中齡林，分別占各自單元總株數(shù)的47.2%、35%。

圖3 不同林分角尺度頻率分布Fig.3 Uniform angle index frequency among different stand types

3.1.2.2 混交度

混交度可以反映森林群落中樹種個(gè)體間相互隔離狀況，是衡量林分群落組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的一個(gè)重要指標(biāo)。由于林分樹種組成單一，林分中有較多的同種林木聚集在一起，幼齡林和中齡林均以零度混交和弱度混交為主，林分平均混交度分別為0.14和0.23，林分中樹種空間隔離程度很小，混交狀況差（圖4）。其中，幼齡林零度混交比例明顯高于中齡林，中齡林混交情況相對較好，這可能是因?yàn)闃鍢浼吧綏钤谟啄觌A段常呈聚集分布的特性，樹種混交度低；而達(dá)到中齡林階段，其他樹種增多，混交程度也得到提高。

3.1.2.3 大小比數(shù)

大小比數(shù)可以描述林木與其周圍樹種的大小分化程度，是參照樹和相鄰木大小關(guān)系的數(shù)量化表現(xiàn)，一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的大小比數(shù)值越低，比參照樹大的相鄰木越少，該結(jié)構(gòu)單元參照樹的生長越處于優(yōu)勢地位。幼齡林與中齡林大小比數(shù)分布頻率無明顯差異，各大小比數(shù)分布頻率比較平均，平均大小比數(shù)分別為0.48、0.49，均屬于中庸?fàn)顟B(tài)，但林分內(nèi)分化處于中等水平Ui= 0.50的林木株數(shù)比例較低，均在20%左右，林分中處于劣態(tài)Ui= 1或0.75與優(yōu)勢狀態(tài)Ui= 0或0.25的林木較多，占林分總株數(shù)的40%左右（圖5）。說明，林分內(nèi)部處于競爭激烈的林木較多，同時(shí)較多林木面臨的競爭狀況嚴(yán)重影響其生長，林分大小分化不理想，應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行間伐進(jìn)行調(diào)整。

圖4 不同林分混交度頻率分布Fig.4 Mingling degree frequency among different stand types

圖5 不同林分大小比數(shù)分布頻率Fig.5 Neighborhood comparison frequency among different stand types

3.2 森林自然度

根據(jù)森林自然度劃分林分類型，按照森林的生長和演替規(guī)律對林分提供針對性經(jīng)營措施，是森林可持續(xù)發(fā)展和森林健康穩(wěn)定的重要前提。由表3可以看出，中齡林的自然度明顯高于幼齡林，幼齡林森林自然度值為0.506，按照森林自然度等級劃分系統(tǒng)，林分自然度等級為4，屬于鄉(xiāng)土樹種混交林狀態(tài)；中齡林森林自然度值為0.742，林分自然度等級為5，屬于次生林狀態(tài)。中齡林屬于次生林狀態(tài)的特征主要表現(xiàn)為，中齡林郁閉度在 0. 7以上，樹種組成以伴生樹種白樺或山楊為主，頂極樹種落葉松數(shù)量較少，林層數(shù)達(dá)到了復(fù)層結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，林木分布格局為聚集分布，林下更新較為良好。幼齡林屬于鄉(xiāng)土樹種混交林狀態(tài)的特征主要表現(xiàn)為，郁閉度較低，林層結(jié)構(gòu)簡單屬于單層林，樹種隔離程度小，多樣性較低。

與幼齡林相比，中齡林的樹種隔離程度、林層結(jié)構(gòu)、天然更新、蓄積量以及郁閉度等指標(biāo)層的加權(quán)后得分值明顯高于幼齡林，說明中齡林林分直徑分布較合理，林分的成層性分化明顯，林下物種更新較豐富、林分蓄積量較高以及林分內(nèi)林木利用空間程度良好。在樹種組成、頂級樹種優(yōu)勢度、樹種多樣性等指標(biāo)層方面，幼齡林較高于中齡林。所以，在進(jìn)行管理時(shí)應(yīng)注重調(diào)整林分樹種組成，提高頂級樹種優(yōu)勢度，同時(shí)采用天然更新、人工促進(jìn)天然更新、補(bǔ)植等相結(jié)合的措施提高林分的樹種多樣性。

表3 林分自然度評價(jià)結(jié)果Table3 Results of various stands naturalness

4 結(jié)論與討論

通過對張家口黑龍山楊樺次生林幼齡林和中齡林結(jié)構(gòu)及森林自然度的比較研究表明，幼齡林和中齡林樹種組成都較簡單，與幼齡林相比，中齡林的樹種多樣性指數(shù)較高，樹種組成較好；中齡林林分直徑分布范圍較大，林木個(gè)體分化程度明顯；幼齡林與中齡林的樹高結(jié)構(gòu)均呈單峰型，但幼齡林同一樹高級林木較多，樹高分布范圍較小，林層分化不明顯；中齡林與幼齡林均屬于聚集分布，但中齡林林木個(gè)體分布較趨于隨機(jī)；幼齡林與中齡林均以零度混交比例為主，中齡林的林分整體混交度相對較好；幼齡林與中齡林林分大小比數(shù)分化差異不明顯，林內(nèi)不同大小比數(shù)分布頻率較均勻。林分的森林自然度比較，以中齡林的森林自然度較高，中齡林自然度值為0.742，自然度等級為5，屬于次生林狀態(tài)；幼齡林自然度值為506，自然度等級為4，屬于鄉(xiāng)土樹種混交林狀態(tài)。

楊樺次生林大部分是經(jīng)人工采伐后天然更新而形成，由于缺乏經(jīng)營管理，林分密度過大、生長狀況不良，生態(tài)功能較低。在進(jìn)行森林經(jīng)營時(shí)，應(yīng)以形成合理的林分結(jié)構(gòu)為目的，調(diào)整林分的樹種組成、水平分布格局和林內(nèi)樹種競爭關(guān)系，同時(shí)采用天然更新、人工促進(jìn)天然更新、補(bǔ)植等相結(jié)合的措施提高林分的樹種多樣性，改變樹種單一的現(xiàn)狀。本研究表明，本地區(qū)的楊樺次生林林分密度較大，林木聚集程度高，限制了林木的正常生長，可通過撫育間伐減少林木之間的競爭，促進(jìn)林分的正常發(fā)育，加速演替的進(jìn)行，促進(jìn)形成隨機(jī)分布的林分以及較高的群落生物多樣性，從而使組成林分的樹木個(gè)體和整個(gè)林分群體均朝健康方向發(fā)育。

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Comparison study on stand structures and naturalness between middleaged and young secondary poplar-birch forest

HUO Yan-ling1, JIN Hui3, ZHAO Hai-yu2,WANG Zhi-bin2, LIU Li-ying1, HUANG Long-sheng1, LI Yong-ning1
(1.College of Forestry of Agricultural University of Hebei, Baoding 071000,Hebei,China;2. Heilong Mountain Forest Farm of Zhangjiakou, Zhangjiakou 075000, Hebei, China; 3. Forestry Bureau of Fengxiang County of Shanxi Province, Fengxiang 721400,Shaanxi, China)

Secondary poplar-birch forest is a typical forest type in mountain area of north Hebei, and plays an important role in ecological construction and economic development of the region. Secondary poplar-birch forest in Heilongshan, mountain area of north Hebei was studied, comparative analysis about structure and naturalness were conducted in the middle-aged forest and young forest,and three parame-ters-angle index, neighborhood comparison, mingling and entropy weight AHP- were used. The results show that the species composition of young forest and middle-aged forest were single, tree species diversity of middle-aged forest was higher, species composition was better; The diameter distribution range of middle-aged forest was larger, individual differentiation was obvious; The tree height structure of young forest and middle-aged forest both showed single peak type, the height distribution range of young forest was smaller, the layer differentiation was not obvious; The uniform angle index of young forest and middle-aged forest were aggregated distribution, but tree distribution of middle-aged forest was tended to random; The mingling degree of young forest and middle-aged forest were dominated by zero mixed proportion, the mingling degree of middle-aged forest was relatively well; The neighborhood comparison of young forest and middle-aged forest was not signif i cant, the different size neighborhood comparison frequency of forest stands were uniform. The naturalness ratio of young forest and middle-aged forest were four and fi ve, respectively belonged to native species mixed forest and secondary forest.

secondary poplar-birch forest; stand structure; uniform angle index; mingling degree; neighborhood comparison; forest naturalness

S758.5+3

A

1673-923X(2014)12-0091-05

2013-12-20

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計(jì)劃“華北土石山區(qū)森林可持續(xù)經(jīng)營技術(shù)研究與示范”（2012BAD22B0304）；河北省“張家口天然次生林經(jīng)營診斷和結(jié)構(gòu)調(diào)整技術(shù)研究”

霍艷玲（1988-），女，河北保定人，碩士研究生，主要從事森林可持續(xù)經(jīng)營方面的研究

李永寧（1970-），男，河北灤南人，副教授，博士，研究方向：森林可持續(xù)經(jīng)營

[本文編校：文鳳鳴]