福壽林場杉木人工林林分空間結構的研究

曹小玉，李際平，封 堯，周永奇

（中南林業(yè)科技大學 林學院， 湖南 長沙 410004）

福壽林場杉木人工林林分空間結構的研究

曹小玉，李際平，封 堯，周永奇

（中南林業(yè)科技大學 林學院， 湖南 長沙 410004）

以福壽林場杉木人工林為研究對象，用角尺度、大小比和混交度3個空間結構參數分析了其空間結構特征。結果表明：林分平均混交度是0.138，為零度混交和弱度混交過渡類型。說明樹種的空間隔離程度較小，林分的穩(wěn)定狀態(tài)差。平均角尺度為0.533，分布格局為聚集分布。大小比數為0.478，林木大小比數分布均勻，表明林分內林木個體胸徑差異不大，林木分化不嚴重。

杉木人工林；空間結構；參數分析；福壽林場

第七次全國森林資源清查結果，杉木人工林面積為853.86萬hm2，占全國人工林面積的21.35%，在我國南方主要造林樹種中占有舉足輕重的地位和作用。但許多杉木人工林，林分樹種結構單一，生物多樣性低，森林健康狀況較差，森林病蟲害和森林火災時有發(fā)生，經濟產出低下嚴重影響了森林多功能的發(fā)揮。大量科學研究表明森林功能的發(fā)揮在很大程度上取決于森林空間結構是否合理，因此要通過優(yōu)化森林空間結構實現培育多功能森林的目標，就必須了解森林空間結構的現狀，通過調整建立或者維護最佳的森林空間結構[1]。森林的空間結構是指林木的分布格局及其屬性在空間上的排列方式，其不僅決定了樹木之間的競爭勢及其空間生態(tài)位,而且在很大程度上決定林分的穩(wěn)定性、發(fā)展的可能性和經營空間大小[2]。目前空間結構的描述指標主要有混交度、大小比數和角尺度等。這些指標分別描述了樹種空間隔離程度(即混交)；林木個體大小分化程度(即競爭)和林木個體在水平面上的分布形式，即林木空間分布格局[3]。本研究利用空間結構指標，分析了福壽林場13年生的杉木人工林的空間結構，旨在為制定和實施科學的森林經營及保護規(guī)劃提供一定的技術支持。

1 研究區(qū)的概況

福壽林場位于平江縣南部的福壽山上，地處北 緯 28°3′00″～ 28°32′30″， 東 經 113°41′15″～113°45′00″之間。東接獻沖森工林場，北連思村鄉(xiāng)尚山村，西鄰思村鄉(xiāng)五等村，南抵瀏陽市。

總面積為1 274.9 hm2，其中國有山林1 133.9 hm2，集體山林面積141 hm2。處于中亞熱帶向北亞熱帶過渡的氣候帶，屬濕潤的大陸性季風氣候。年平均氣溫12.1℃極端最高氣溫33.4℃最低氣溫為-15℃，年日照1 500 h，無霜期217 d，有效積溫4 547 ℃，年相對濕度87%。地勢南高北低，最高峰轎頂山，海拔1 573.2 m，最低處為湖口峽底，海拔835 m，林場場部海拔1 078 m。山體下部多陡峭，中部較平緩，上部較陡，平均坡度為22～27°，形成群山重疊，起伏綿延的中山地貌。林地土層深厚肥沃，腐殖質較豐富。場內海拔800 m以下的土壤為山地黃壤；800～1 400 m為山地黃棕壤；海拔1 400 m以上的山頂、山脊有小塊草甸土。場內植被繁茂，群落較多。有木本植物55科，275種。

2 研究方法

2.1 數據調查方法

在全面踏查的基礎上,選擇有代表性的地段用羅盤儀閉合導線測量法設置20 m×30 m的標準地1塊( 海拔為1 012 m，坡向為陽坡，坡度為28° 郁閉度為0.8，林齡為13 a)，要求閉合差不大于1/200。如坡度大于5o，測量斜距后，按坡度改算為水平距。用相鄰網格法將標準地劃分為6個10 m × 20 m小樣方，以小樣方作為調查單元，對小樣方內的林木逐株進行編號，坐標定位(確定x，y坐標)，測定胸徑、樹高和冠幅。

2.2 數據處理及分析方法

（1）空間結構單元大小的確定

森林中任意一株對象木和距離它最近的n株相鄰木之間的空間關系，構成了森林最基本的空間結構單元。計算空間結構指數的基礎是確立空間結構單元，即應該采用幾株最近相鄰木最好,本文采用n=4，即對象木及其周圍4株相鄰木組成的結構單元為基礎,分析杉木人工林的空間結構特征[4]。

（2）林分空間結構參數的計算

本文采用角尺度(Wi)、大小比數(Ui)和混交度(Mi)3個空間結構參數來描述杉木人工林空間結構。

角尺度(Wi)被定義為α角（相鄰木的較小夾角）小于標準角α0（＝72°）的個數占所考察的4個α角的比例，是描述圍繞對象木的相鄰木水平分布格局的參數。表達式為：

其 中： 角 尺 度 的 取 值 為Zij， 當αij＜α0，Zij=1，反之Zij=0。取值由小變大表示林木的水平分布從均勻分布向團狀分布變化，當Wi取值范圍在[0.475，0.517]之間，表示隨機分布。小于0.475是均勻分布，大于0.517是聚集分布[5]。

混交度(Mi)為對象木的4株相鄰木與對象木不是同一樹種的個體所占的比例，是描述不同樹種間相互隔離的參數。用公式表示為：

其中：混交度的取值為Vij，當對象木i與第j株相鄰木不是同種時Vij=1，否則，Vij=0。

大小比數(Ui)大于對象木的相鄰木個數占最近4株相鄰木的比例。本文采用胸徑作為特征因子[6]，用公式表示為：

其中：kij為大小比數取值，當對象木i小于鄰近樹j時，kij=1，否則，kij=0。

在計算上述各項空間結構參數時，為避免邊緣效應，將林地內距每條林分邊緣線2 m之內的環(huán)形區(qū)設為緩沖區(qū)，其中的標記林木只作為相鄰木，緩沖區(qū)環(huán)繞的區(qū)域為核心區(qū)，其中所有的標記單木作為對象木，統(tǒng)計各項參數[7]，如圖1所示。

圖1 樣地林木點格局Fig. 1 Points pattern of trees in sample plots

3 結果與分析

3.1 杉木人工林樹種組成及混交度分析

根據樣地數據，從每個樹種所占的株數比例看，杉木占88.4%,柳杉占10.2%，野山椒和野山桃及枯立木所占的比例之和為1.4%；從各個樹種每公斷面積所占的比例看，為 9杉木+柳杉-毛櫻桃-野山椒。由此表明：杉木在群落中占有絕對優(yōu)勢，為該群落喬木層的優(yōu)勢種，其他樹種占的比例小。

表1 福壽林場杉木人工林林分基本情況Table 1 Basic information of stands of Chinese fir plantations in Fushou Forest Farm

表2 各樹種的混交度分布頻率及均值?Table 2 Frequency distribution and mean values of mingling index of different tree species

根據表2可知，樣地內全林分的平均混交度是0.138，為零度混交和弱度混交過渡類型，其中零度混交的比例達72%，弱度混交的比例為12%，中度、強度和極強度混交的比例之和只有16%。說明樣地內基本是相同樹種的林木單種聚集在一起，樹種的空間隔離程度較小，林分的穩(wěn)定狀態(tài)差。按樹種來看，杉木的平均混交度只有0.078，零度混交的比例高達77%，且林分中零度混交全為杉木的貢獻。柳杉的混交度為0.715，接近強度混交，毛櫻桃和野山椒的平均混交都為1.000，為極強度混交。這說明柳杉、毛櫻桃、野山椒這3 種樹木在林分中都沒有出現單種聚集的情況，均與其它不同樹種進行混交，樹種的空間隔離程度較高，但由于毛櫻桃和野山椒在整個林分中所占的比例極小，所以對整個林分的混交度影響不大。各樹種混交度分布頻率如圖2。

3.2 角尺度分析

圖2 各樹種混交度頻率分布Fig. 2 Frequency distribution of mingling index for different tree species

表3 各樹種的角尺度分布頻率及均值?Table 3 Frequency distribution and mean of uniform angle index for different tree species

從表3可以看出，全林分和杉木的平均角尺度為0.533,為聚集分布，但聚集分布的程度很低，接近隨機分布，均勻和不均勻分布的頻率基本持平，隨機分布的頻率最大，為0.63，說明整個林分和杉木的單株木大都呈隨機分布。柳杉的平均角尺度為0.470，為均勻分布。毛櫻桃的平均角尺度為0.500，為隨機分布，野山椒的平均角尺度為0.75，為不均勻分布。從圖3可以看出，全林分和杉木角尺度取值為0.5右側的頻率略高于左側，高出的頻率為0.06，柳杉尺度取值為0.5左側的頻率略高于右側，高出的頻率為0.12，而毛櫻桃角尺度分布取值0.5左右兩側的頻率呈對稱分布。野山椒角尺度取值為0.5右側的頻率高出左側的頻率為1.00。

圖3 各樹種角尺度頻率分布Fig. 3 Frequency distribution of uniform angle index for different tree species

3.3 大小比分析

由表4可知全林分大小比數為0.478，接近中庸狀態(tài)。全林分的大小比數為優(yōu)勢、亞優(yōu)勢、中庸、劣態(tài)和絕對劣態(tài)的林木個體比例相差不大，為0.2左右，表明全林分林木個體胸徑差異不大，林木分化不嚴重。杉木的平均大小比數為0.471，為中庸狀態(tài)，且大小比數分布頻率差異不大，表明杉木胸徑差異不明顯。但杉木占的株數比例最大，優(yōu)勢度非常明顯。柳杉大小比的平均水平處于中庸和劣態(tài)之間，常與杉木等較粗的相鄰木生長在一起，樹種優(yōu)勢度不明顯。毛櫻桃的平均大小比數為0.500，為中庸狀態(tài)，野山椒的平均大小比數為0.750，為劣態(tài)，但由于毛櫻桃和野山椒在整個林分中所占的比例極小，所以對整個林分的大小比影響不大。各樹種大小比分布頻率如圖4。

表4 樣地內各樹種的大小比分布頻率及均值?Table 4 Frequency distribution and mean of neighborhood comparison for different tree species

圖4 各樹種混交度頻率分布Fig. 4 Frequency distribution of neighborhood comparison for different tree species

4 結論和討論

本研究采用空間結構參數混交度、大小比和角尺度分析了福壽林場19年生的杉木人工林空間結構特征。結果表明：杉木人工林的平均混交度是0.138，為零度混交和弱度混交過渡類型。說明樹種的空間隔離程度較小，林分的穩(wěn)定狀態(tài)差，需要調整樹種結構，引進其他樹種，提高林分混交度；平均角尺度為0.533，表明空間分布格局聚集分布。這主要是由于杉木人工林是在沒有完全挖除采伐樹樁的林地上人工更新形成的，有相當一部分地段是天然萌生形成的，導致成林后出現向聚集分布的態(tài)勢。因此在經營過程中，應該通過人工干預，降低團狀分布林木的比例，將林分分布格局向隨機分布調整。大小比數為0.478，接近中庸狀態(tài)。且全林分的大小比數為優(yōu)勢、亞優(yōu)勢、中庸、劣態(tài)和絕對劣態(tài)的林木個體比例相差不大，為0.2左右，表明全林分林木個體胸徑差異不大，林木分化不嚴重。

利用角尺度、大小比數和混交度等參數分析林分結構，能增加人們對森林空間結構信息的直觀認識[8]?；旖欢炔粌H可以說明整個林分樹種間的空間隔離程度，而且可以表達1個對象木與最近相鄰木的空間隔離程度，而傳統(tǒng)的混交比只能說明各樹種在整個林分中所占的比例，不含有空間信息[9]。大小比數反映的是大于對象木的相鄰木占所有相鄰木的比例，相直徑結構只表達林木胸徑的差異程度，大小比數可以反映對象木的空間生態(tài)位[10]，還可以表達出整個林分中所有樹種在胸徑或其他特征指標上的優(yōu)劣程度[11]。角尺度不僅能夠從單木的角度表征林分所有林木的空間分布格局，而且可以表征整個林分的空間分布格局[12-13]，而傳統(tǒng)的密度指標只表達林分的稀密程度。但空間分布格局受尺度的影響呈現不同的分布規(guī)律。本文研究的樣地采用20 m×30 m，滿足人工林空間結構研究的需要。

為了更加全面充分的反映林分結構，應該采用傳統(tǒng)的林分結構因子配合空間結構因子。二者結合分析不僅能夠增進人們對林分空間結構的認識，而且為林分結構的優(yōu)化奠定了基礎，從而為制定和實施科學的森林經營及保護規(guī)劃提供一定的技術支持。

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Study on spatial structure of Chinese fi r plantations in Fushou Forest Farm

CAO Xiao-yu, LI Ji-ping, FENG Yao, ZHOU Yong-qi
(School of Forestry, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

By taking Chinese fir plantations in Fushou Forest Farm as the study objects, their spatial structure characteristics were analyzed with three space structure parameters including mingling index, neighborhood comparison and uniform angle index. The results show that the average mingling degree of the stands was 0.138, belonging to the transitional type of zero degree and relatively weak degree mixed; the segregation of tree species was low, and the stability of the stands were not good; the average uniform angel indexes were 0.533, the distribution pattern of the stand was on aggregative distribution; the average neighborhood comparison of DBH in thestands were 0.478, the distribution of neighborhood comparison were in moderate state, which indicated that the trees in different diameter classes were distributed uniformly.

Chinese fi r plantations; spatial structure; parameter analysis; Fushou Forest Farm

S791.27

A

1673-923X(2014)02-0016-04

2013-04-30

“十二五”國家科技支撐計劃專題（2012BAD22B0505）

曹小玉（1977-），男，甘肅靈臺人，博士研究生，講師，主要從事森林經理方面的研究

李際平（1957-），男，湖南醴陵人，博士，教授，博導，主要從事林業(yè)系統(tǒng)工程方面的研究；E-mail：lijiping@vip.163.com

[本文編校：吳 彬]