冀北山地樺落混交林空間結(jié)構(gòu)與直徑生長(zhǎng)關(guān)系研究

王勝楠，薛 帥

（1.承德市灤平國(guó)有林場(chǎng)管理處老虎溝林場(chǎng)，河北 灤平068253；2.沙河市林業(yè)局，河北 沙河 054100）

林木空間結(jié)構(gòu)為林木在林地中的分布格局和屬性在空間上的組合，即林木的分布、大小、樹種等空間關(guān)系的結(jié)合[1]。林木空間結(jié)構(gòu)是林分的重要特征，對(duì)于了解林木的生長(zhǎng)、發(fā)育、更新過程有特別重大的意義[2]。林分空間結(jié)構(gòu)對(duì)林分的穩(wěn)定性、經(jīng)營(yíng)措施及發(fā)展方向有決定性作用，能反映出林木之間的空間生態(tài)位和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[3]。由惠剛盈提出的大小比數(shù)，即中心樹的直徑大于相鄰樹木的數(shù)量觀察周邊全部相鄰樹木的比例[4]。大小比數(shù)的參照指標(biāo)有林木直徑、樹高、冠幅等，其中林木直徑應(yīng)用方便簡(jiǎn)單，使用較多[5-6]。大小比數(shù)是描述空間結(jié)構(gòu)的參數(shù)之一，可用來度量相鄰樹木之間的生長(zhǎng)差異。

樺樹（Betua platyphylla）是次生林破壞后次生裸地天然更新的先鋒樹種，通過伐樁萌芽[7]和天然下種[8－9]更新，生長(zhǎng)迅速，材質(zhì)優(yōu)良。落葉松（Larix principic-rupprechtii.）屬于人工更新的樹種，生長(zhǎng)迅速，生產(chǎn)力高，適應(yīng)性強(qiáng)，易于栽培，其木材密度高、纖維長(zhǎng)，是一種優(yōu)良的造林樹種[10]。但是，現(xiàn)階段大部分樺落混交林經(jīng)營(yíng)水平還很低，生態(tài)平衡能力較低，生態(tài)效益較低。而且目前對(duì)樺落混交林的空間結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)之間的關(guān)系的研究還很少，因此，本研究可以為提高針闊混交林的現(xiàn)代化經(jīng)營(yíng)管理水平，制定更合理的經(jīng)營(yíng)管理方案，優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)森林的可持續(xù)利用提供一定的理論基礎(chǔ)，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義[11]。

1 研究區(qū)概況

本研究在圍場(chǎng)縣西部桃山林場(chǎng)，位于燕山山脈余脈。平均海拔1400m，地理坐標(biāo)為E116°32′～118°14′，N41°35′～42°40′，屬于中溫帶向寒溫帶、半干旱向半濕潤(rùn)過度、典型大陸性季風(fēng)型的高原山地氣候，年平均氣溫為3℃，無霜期為110d，年均降水量450 mm，主要集中在7～9月。喬木樹種主要有山楊（Pobulus davidi-anaDode）、白樺（Betula platyphyllaSuk.）、樟子松（Pinue sylvescrisvar.mongolicaLitv.）、 落 葉 松 （Larix principic-rupprechtii.），灌木主要有榛子（Corylus heterophyllaFisch.ex Bess.Corylus heterophyllaFisch.ExBess.var）、白丁香、胡枝子（Lespedeza bicolorTurcz.），草本主要有玉竹（Polygonatum odoratum）、龍牙草（Agrimonia pilosa）、歪頭菜（Vicia unijuga）、茜草（Rubiacordifolia）、 獨(dú) 活 （Heracleumhemsleyanum）等。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

通過對(duì)研究地的調(diào)查及觀測(cè)，用羅盤儀設(shè)置一個(gè)50m×30m的樣地，樣地內(nèi)共計(jì)390株樹，然后對(duì)樣地內(nèi)的樹木進(jìn)行每木檢尺，對(duì)測(cè)得的胸徑按徑階排列好，然后從不同徑階中按比例抽取具有代表性的樹木共36株，用測(cè)高器對(duì)其進(jìn)行測(cè)高，并做好記錄。

2.2 樣木選取與木芯的采集

本研究主要選擇大小比數(shù)為1和0.5，劃分大小比數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)為胸徑。按照以n=4，即中心樹及其周圍4株相鄰木組成的結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ)，即每組樹木的數(shù)量為5。找到滿足條件的5株樹后，用生長(zhǎng)錐在距地面1m左右處鉆取中心樹和周圍4株樹中最粗一株的木芯，所鉆出的木芯必須過髓心，同時(shí)測(cè)量中心樹和周圍樹之間的距離、角度及每株樹的胸徑、冠幅、樹高，并做好記錄。

樺落混交林有株間混交、塊狀混交等，本研究地為塊狀混交。選取以落葉松為中心樹大小比數(shù)為0.5和1的樹木組合分別為19、20組；以樺樹為中心樹大小比數(shù)為0.5和1的樹木組合分別為 21、19組。

2.3 木芯的處理

2.3.1 野外處理

將采集的木芯按照“樹種+大小比數(shù)+組號(hào)+株號(hào)”形式進(jìn)行編號(hào)，然后用紙進(jìn)行包裝并集中保存，在自然風(fēng)干過程中要時(shí)常觀看翻晾，防止失水過度或發(fā)霉。

2.3.2 室內(nèi)處理

采集的木芯自然風(fēng)干后，用白乳膠固定在木槽內(nèi)；然后先用粗砂紙后用細(xì)砂紙打磨木芯，直到木芯樣本表面發(fā)光發(fā)亮且年輪清晰為止；再將打磨好的木芯用掃描儀掃描到電腦上進(jìn)行保存，所用分辨率為1200。

2.3.3 年輪測(cè)量

定年畫線：在Photoshop軟件中將掃描的圖片用交叉定年法確定年限，然后畫一條垂直于年輪且過髓心的直線，保存?zhèn)溆谩?/p>

定點(diǎn)取坐標(biāo)：將上步處理好的圖片在CooRecorder7軟件中打開，然后在年輪與線的交點(diǎn)處點(diǎn)點(diǎn)，即得到每點(diǎn)的坐標(biāo)。

計(jì)算年輪寬度：將得到的坐標(biāo)導(dǎo)入Excel中，根據(jù)兩點(diǎn)之間的距離公式

計(jì)算年輪的寬度。

2.4 林分的空間結(jié)構(gòu)

計(jì)算林分大小比數(shù)、角尺度、混交度等林分結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，利用空間結(jié)構(gòu)分析軟件計(jì)算，緩沖區(qū)邊緣設(shè)置為5m，這樣可以消除林分邊緣對(duì)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算的影響，公式如下：

式中vij、zij、kij均為離散型變量。當(dāng)中心樹i與第j株相鄰木非同種時(shí)vij＝1，

反之，vij＝0；當(dāng)相鄰木 j比中心樹 i大時(shí) kij＝1，反之，kij＝0；當(dāng)?shù)趈個(gè) α 角小于標(biāo)準(zhǔn)角 α（0α0＝72°）時(shí) zij＝1，反之，zij＝0。

3 結(jié)果分析

3.1 林分的空間結(jié)構(gòu)

林分直徑分布是指林分中的各徑階樹木的分布情況，它的特征展現(xiàn)出了林分生長(zhǎng)及其組成結(jié)構(gòu)情況，可以直接影響林木的樹高、樹冠、材積及樹種等因子[6]。直徑分布見圖1，從圖1中可以看出直徑分布幾乎為正態(tài)分布，林分的平均直徑所在徑階中的林木數(shù)量最多，其他徑階中的林木數(shù)量向兩端逐漸減少。

圖1 林分直徑分布

由圖1可以看出：林木大多集中于10～16cm徑階，大徑階林木比例不大，這就表明林分內(nèi)的樹種結(jié)構(gòu)和組成限制了林木的生長(zhǎng)，需要對(duì)其進(jìn)行間伐，促進(jìn)林木的合理分布。

混交度是以相鄰最近單株中非同種單株所占比例來描述樹種間空間隔離關(guān)系的結(jié)構(gòu)參數(shù)。樺落混交林林分混交度分布規(guī)律性明顯，混交度比例隨Mi值的增大而減小，林分的平均混交度為0.105263，以零度混交為主，中度、強(qiáng)度和極強(qiáng)度混交的林木比例較小。說明林分空間隔離狀況較差，混交程度較低，林分中同種樹種大多與本種伴生，呈聚集分布，見圖2。

圖2 樺落混交林大小比數(shù)、混交度及角尺度的分布

大小比數(shù)是以大于中心樹的相鄰木占全部相鄰木的比例來描述林分空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的結(jié)構(gòu)參數(shù)。由圖2可以看出，林分大小比數(shù)株數(shù)頻率分布于［0.177，0.213］區(qū)間，5種狀態(tài)的林木分布較均勻，林分平均大小比數(shù)為0.48，說明林分內(nèi)個(gè)體分化較為明顯，不同徑級(jí)林木分布較為均勻。由樹種大小比數(shù)分析樹種優(yōu)勢(shì)度可以得出，種群林木優(yōu)勢(shì)狀態(tài)分布較為平均。

角尺度是以相鄰樹木圍繞中心樹的均勻性來描述林木水平分布格局的結(jié)構(gòu)參數(shù)。由圖2可以看出，角尺度呈顯著單峰分布，峰值出現(xiàn)在Wi＝0.5，頻率達(dá) 58.5%并向兩側(cè)遞減，Wi＝0.25 和 Wi＝0.75 的分布頻率分別為 15．0%和 27.0%，Wi＝0 和Wi＝1的分布頻率均為0%，數(shù)量差異較大。林分內(nèi)處于Wi＝0.5等級(jí)的林木最多，其株數(shù)比例超過總株的1/2，說明林木大多為聚集生長(zhǎng)，即團(tuán)狀分布。從林分平均角尺度來看，W＝0.530471，也說明該群落內(nèi)林木水平格局呈團(tuán)狀分布，但聚集程度較低，接近隨機(jī)分布。

3.2 樺樹的大小比數(shù)與直徑生長(zhǎng)

以中心樹為大小比數(shù)0.5的空間結(jié)構(gòu)單元，與其最粗木比較，分3種情況：一直處于劣態(tài)共10組，前后期處于劣態(tài)中期競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)共4組，前期處于劣態(tài)中后期競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)共7組。每種情況選取具有代表性的一組見圖3。

由圖3可知，中心樹連年生長(zhǎng)量較小，一直處于劣態(tài)。但是后期差異減小的趨勢(shì)不明顯，說明中心樹的生長(zhǎng)受到抑制；中期中心樹與最粗樹競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)，主要集中于8～20a；競(jìng)爭(zhēng)開始時(shí)間是從第7年開始。但是最粗樹的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)不太明顯。

圖3 樺樹中心樹和最粗樹的直徑連年生長(zhǎng)量變化

3.3 落葉松的大小比數(shù)與直徑生長(zhǎng)

以中心樹為大小比數(shù)0.5的空間結(jié)構(gòu)單元，與其最粗木比較，分3種情況：一直處于劣態(tài)共12組，前后期處于劣態(tài)中期競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)共3組，前期處于劣態(tài)中后期競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)共4組。每種情況選取具有代表性的一組見圖4。

由圖4可知，中心樹的連年生長(zhǎng)量一直低于最粗樹，說明中心樹雖然受到抑制，但抑制較?。恢行臉湓谇昂笃谔幱诹討B(tài)，中期兩者差異較小競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，兩者競(jìng)爭(zhēng)主要集中于8～15a，較大小比數(shù)為1的競(jìng)爭(zhēng)時(shí)間長(zhǎng)2～3a，可能因?yàn)檫@種生長(zhǎng)關(guān)系的林木附近林分充分郁閉，對(duì)營(yíng)養(yǎng)空間的爭(zhēng)奪激烈，競(jìng)爭(zhēng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；中心樹與最粗樹的競(jìng)爭(zhēng)開始于第8年。

通過對(duì)比分析得出，樺樹和落葉松的生長(zhǎng)過程基本一致。中心樹的生長(zhǎng)過程都分3種情況：一直處于劣態(tài)；前后期處于劣態(tài)，中期競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)；前期處于劣態(tài)，中后期競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)。與最粗樹的競(jìng)爭(zhēng)主要集中于8～15a，這樣樺樹與落葉松混交容易撫育管理，充分發(fā)揮混交林的作用。

圖4 落葉松中心樹和最粗樹的直徑連年生長(zhǎng)量變化

3.4 不同大小比數(shù)木的直徑生長(zhǎng)差異

將不同大小比數(shù)的樣本以2cm為徑階排列，從每徑階中選取一株具有代表性的樹木，然后將其直徑生長(zhǎng)量平均后做成折線圖。

圖5 落葉松不同大小比數(shù)木直徑連年生長(zhǎng)量

圖5可以看出，劣態(tài)木的連年生長(zhǎng)量一直低于優(yōu)勢(shì)木和中庸木，生長(zhǎng)受到抑制，處于被壓狀態(tài)。1～7a為落葉松的速生階段，隨后生長(zhǎng)量逐漸下降，23a以后趨于穩(wěn)定。

圖6 樺樹不同大小比數(shù)木直徑連年生長(zhǎng)量

圖6可以看出，1～9a之間，優(yōu)勢(shì)木、中庸木和劣態(tài)木三者分化明顯，優(yōu)勢(shì)木一直處于優(yōu)勢(shì)，而劣態(tài)木一直處于被壓狀態(tài)；9a以后中庸木與優(yōu)勢(shì)木生長(zhǎng)量相當(dāng)，兩者競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)，甚至中庸木占一定優(yōu)勢(shì)，劣態(tài)木一直被壓?？赡苁且?yàn)橹杏鼓局車鷺淠疽驗(yàn)樽匀枷∈瓒劳?，為中庸木?chuàng)造了足夠的生長(zhǎng)空間，生長(zhǎng)加速。

綜上，樺樹和落葉松出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)的年限基本一致，9a以后連年生長(zhǎng)量都下降很快，因此第9年需要進(jìn)行撫育采伐，保留優(yōu)勢(shì)林木。

由圖7可知：樺樹和落葉松的生長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致，總生長(zhǎng)量曲線隨年齡的增長(zhǎng)呈直線上升，優(yōu)勢(shì)木和中庸木的生長(zhǎng)量總是比劣態(tài)木大。但是樺樹的優(yōu)勢(shì)木與中庸木隨著時(shí)間的推移差異沒有明顯變化，劣態(tài)木與中庸木在9a之前差距極小，隨后差距逐漸增大。而落葉松的優(yōu)勢(shì)木與中庸木在9a之前差距極小，隨后逐漸增大，劣態(tài)木始終被壓。

圖7 不同大小比數(shù)木直徑總生長(zhǎng)量

4 結(jié)論與討論

（1）樺樹和落葉松的中心樹直徑生長(zhǎng)過程基本一致。對(duì)于大小比數(shù)為0.5的空間結(jié)構(gòu)單元，與相鄰最粗樹比較，分3種情況：一直處于劣態(tài)；前后期處于劣態(tài)，中期競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)；前期處于劣態(tài)，中后期競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)。

（2）不同大小比數(shù)木的林木之間的競(jìng)爭(zhēng)主要集中于8～15a。

（3）樺樹和落葉松的生長(zhǎng)趨勢(shì)基本一致，總生長(zhǎng)量曲線隨年齡的增長(zhǎng)呈直線上升，9a之前差異極小，之后逐漸增大。

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