基于Voronoi圖的不同擇伐強(qiáng)度下云冷杉林結(jié)構(gòu)分析

于亦彤，王新杰，劉 麗，和敬淵，楊英軍

(1 北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，北京 100083；2 吉林省汪清林業(yè)局，吉林 延吉 133200)

森林采伐是以木材收獲利用的方式,人為對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行干擾的、改變森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的森林經(jīng)營(yíng)措施。合理的森林采伐方式能夠提高森林質(zhì)量、促進(jìn)林分生長(zhǎng)和更新、提高生物多樣性，而不合理的采伐則會(huì)導(dǎo)致森林結(jié)構(gòu)和功能的損害。擇伐作為森林采伐收獲的一種保證生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的主要手段被廣泛采用，繼而基于可持續(xù)經(jīng)營(yíng)思想的低強(qiáng)度擇伐的森林經(jīng)營(yíng)技術(shù)被提出，此技術(shù)目前多應(yīng)用于東北天然林經(jīng)營(yíng)中，可使生態(tài)功能低下的次生林恢復(fù)到健康狀態(tài)，以促進(jìn)林分多功能發(fā)揮。

森林結(jié)構(gòu)決定其功能[1]?，F(xiàn)代森林經(jīng)營(yíng)以培育健康穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)高效的森林為目標(biāo)，更加強(qiáng)調(diào)創(chuàng)建或維護(hù)最佳的森林空間結(jié)構(gòu)[2]。與傳統(tǒng)的四鄰木算法[3-4]相比，基于Voronoi圖的空間結(jié)構(gòu)單元的確定更符合林木的實(shí)際分布情況[5-10]。曹小玉等[11]采用Voronoi圖結(jié)合6個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)杉木生態(tài)公益林進(jìn)行評(píng)價(jià)，采用定性與定量相結(jié)合的方法，通過(guò)間伐、補(bǔ)植對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。石樂(lè)[12]采用胸徑加權(quán)Voronoi圖并借助競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)和大小比數(shù)，對(duì)閩南人工林目標(biāo)樹(shù)最適密度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，基于加權(quán)Voronoi計(jì)算的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)為有效指數(shù)，且證明了胸徑倒數(shù)作為權(quán)重的合理性。趙春燕等[13]提出借助Voronoi圖和Delauney三角網(wǎng)為“林隙”排序的方法，能更好地確定杉木人工林的林木補(bǔ)植位置，使林分趨于均勻分布。目前關(guān)于云冷杉天然林擇伐的研究還較少[14-19]，且多采用傳統(tǒng)的四鄰木算法[3-4]，結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算亦比較單一。本研究以吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)經(jīng)不同擇伐強(qiáng)度作業(yè)的天然云冷杉針闊混交林為對(duì)象，利用ArcGIS的空間分析功能，形成林分Voronoi圖，結(jié)合近年來(lái)新提出的基于Voronoi圖的邊緣校正方法——Voronoi圖結(jié)點(diǎn)距離判定和Delaunay三角網(wǎng)，并通過(guò)計(jì)算角尺度、混交度、競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)、林木點(diǎn)密度、林層指數(shù)和開(kāi)闊比數(shù)6個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)云冷杉天然林林分的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析，比較了不同擇伐強(qiáng)度對(duì)林分結(jié)構(gòu)的影響，以期為云冷杉用材林改造成空間結(jié)構(gòu)合理、生態(tài)功能穩(wěn)定的多功能森林生態(tài)系統(tǒng)提供思路。

1 研究區(qū)概況

金溝嶺林場(chǎng)位于吉林省汪清縣境內(nèi)長(zhǎng)白山北麓，地理坐標(biāo)129°56′-131°04′E，43°05′-43°40′N(xiāo)，四面環(huán)山，地形為低山丘陵。氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均氣溫3.9 ℃，年日照2 700 h，年均降水量580 mm，多集中于7月份，全年無(wú)霜期110～141 d[20]。該地區(qū)海拔300～1 200 m，地勢(shì)較平坦，坡度5°～25°。土壤以暗棕壤為主，土層厚約40 cm。

研究區(qū)內(nèi)的森林類(lèi)型是以云冷杉為主的天然針闊葉過(guò)伐混交林，植被屬長(zhǎng)白山植物區(qū)系，種類(lèi)豐富[21]。主要樹(shù)種有云杉(PiceajezoensisCarr.)、冷杉(Abiesnephoriepis(Trantv.) Maxin)、紅松(PinuskoraiensisSieb.et Zucc.)、紫椴(TiliaamurensisRupr.)、楓樺(BetulacostataTrautv.)，另外還有數(shù)量較少的山楊(Populusdavidiana)、水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)、色木槭(AcermonoMaxim.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、落葉松(Larixgmelinii(Rupr.) Kuzen.)、黃波欏(PhellodendronamurenseRupr.)等樹(shù)種。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與調(diào)查

本研究數(shù)據(jù)來(lái)自吉林省汪清林業(yè)局金溝嶺林場(chǎng)于1986年設(shè)置的12塊經(jīng)過(guò)撫育的云冷杉針闊混交林固定樣地，分別編號(hào)為1～12。各樣地林分起源均為天然林，立地條件基本一致，樣地面積為0.20～0.21 hm2。將樣地分為3組，每組進(jìn)行不同強(qiáng)度擇伐(20%，30%，40%)，同時(shí)設(shè)置擇伐強(qiáng)度為0%的對(duì)照樣地。其中2～4號(hào)樣地于1995年進(jìn)行二次采伐，6～8號(hào)樣地于1997年進(jìn)行二次采伐，10～12號(hào)樣地于1999年進(jìn)行二次采伐。各樣地的基本概況見(jiàn)表1。對(duì)12塊固定樣地每2年進(jìn)行1次復(fù)測(cè)，對(duì)胸徑≥5 cm的林木進(jìn)行每木檢尺，記錄林木編號(hào)、樹(shù)種、胸徑(cm)、冠幅(m)和樹(shù)高(m)，且進(jìn)行林木定位。本研究采用2009年樣地復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地的基本情況Table 1 Basic situation of spruce-fir forest sample plots under different selective cutting intensities in Jingouling forest farm,Wangqing,Jilin

注：冷.冷杉Abiesnephoriepis(Trantv.) Maxin；紅.紅松PinuskoraiensisSieb.et Zucc；云.云杉PiceajezoensisCarr.；楓.楓樺BetulacostataTrautv.；椴.紫椴TiliaamurensisRupr.；雜.雜木W(wǎng)eedtree；色.色木槭AcermonoMaxim.；柳.水曲柳FraxinusmandshuricaRupr.；白.白樺BetulaplatyphyllaSuk.；黃.黃波欏PhellodendronamurenseRupr.；榆.榆樹(shù)Ulmuspropinqua；落.落葉松Larixgmelinii(Rupr.) Kuzen.;楊.山楊Populusdavidiana。

2.2 林分空間結(jié)構(gòu)單元的確定

基于ArcGIS 10.3軟件平臺(tái)，運(yùn)用Create Thiessen Polygons工具，根據(jù)林木坐標(biāo)的點(diǎn)圖層生成Voronoi圖，所形成的每個(gè)泰森多邊形中心的一點(diǎn)為其所包含的中心木(圖1)，再利用Spatial Join工具確定每株中心木的相鄰木株數(shù)n，由此可計(jì)數(shù)每個(gè)Voronoi多邊形的邊數(shù)。結(jié)合Create/Modify TIN工具創(chuàng)建Delaunay三角網(wǎng)(圖2)，三角網(wǎng)與泰森多邊形為對(duì)偶關(guān)系，在明確了空間結(jié)構(gòu)單元具體分布的基礎(chǔ)上，以此確定林木彼此間的直線距離，并依據(jù)NEAR_ANGLE屬性計(jì)算相鄰林木間的實(shí)際角度關(guān)系。

.邊緣木所在泰森多邊形。圖中不同數(shù)字表示樹(shù)木編號(hào)，下圖同.Tyson polygon of edge wood.Different numbers mean tree numbers,the same below圖1 吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)云冷杉林5號(hào)樣地Voronoi圖及其邊緣校正Fig.1 Information of Voronoi diagram and edge correction in plot 5 of spruce-fir in Jingouling forest farm,Wangqing,Jilin

圖2 吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)云冷杉林5號(hào)樣地TIN三角網(wǎng)信息Fig.2 Information of TIN triangulated network in plot 5 of spruce-fir forest in Jingouling forest farm,Wangqing,Jilin

2.3 基于Voronoi圖的樣地邊緣校正

本研究采用新近提出的一種依據(jù)Voronoi圖林木實(shí)際分布進(jìn)行邊緣校正的方法——Voronoi圖結(jié)點(diǎn)距離判定。其具體校正步驟為[22]： 篩選以樣地邊界線為邊形成的不完整泰森多邊形，將此類(lèi)林木單元的中心木從林分中心木集合中排除；分別計(jì)算每個(gè)Voronoi圖結(jié)點(diǎn)與對(duì)應(yīng)中心木的距離b，如果其值大于Voronoi圖結(jié)點(diǎn)與最近樣地邊界的距離a，則當(dāng)前Voronoi圖結(jié)點(diǎn)所關(guān)聯(lián)的中心木均視為邊緣木予以排除(圖3)。

a為結(jié)點(diǎn)與最近邊界的距離，b為結(jié)點(diǎn)與相應(yīng)中心木的距離a is the distance between the node and the nearest boundary;b is the distance between the node and the corresponding center wood圖3 吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)云冷杉林樣地Voronoi結(jié)點(diǎn)距離的判定Fig.3 Distance determinant of Voronoi nodal of sample plots of spruce-fir forest in Jingouling forest farm,Wangqing,Jilin

2.4 林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取

1) 表示林木空間格局分布的參數(shù)。 以角尺度[23]表示，計(jì)算公式為：

式中：Wi為中心木i的角尺度，n為中心木i的相鄰木j的株數(shù)，α角為中心木與相鄰木的夾角。Wi∈[0,0.475),[0.475,0.517],(0.517,1]，依次代表均勻分布、隨機(jī)分布和團(tuán)狀分布。

2) 表示樹(shù)種隔離程度的參數(shù)。 以混交度[24]表示，計(jì)算公式為：

式中：Mi為中心木i的混交度，vij為離散變量。Mi∈0,(0,0.25]，(0.25，0.5]，(0.5,0.75],(0.75,1]，依次代表零度混交、弱度混交、中度混交、強(qiáng)度混交、極強(qiáng)度混交。

3) 表示林木競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)烈程度的參數(shù)。 以國(guó)內(nèi)外最常用的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)和林木點(diǎn)密度表示。競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)[25]計(jì)算公式為：

式中：CIi為中心木i的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)，di為中心木i的胸徑，dj為相鄰木j的胸徑，Lij為中心木i到相鄰木j的距離，n為中心木i的相鄰木j的株數(shù)。

以林木點(diǎn)密度[26]表示單木在小環(huán)境中所承受的競(jìng)爭(zhēng)壓力，計(jì)算公式為：

式中：ρi為第i株林木的點(diǎn)密度；si為第i株林木的Voronoi多邊形面積，近似反映單木的生存空間。

4) 表示林層多樣性和復(fù)雜程度的參數(shù)。 以林層指數(shù)[27]表示，計(jì)算公式為:

式中：Si為林層指數(shù)；zi為中心木i所在的空間結(jié)構(gòu)單元的林層數(shù)目；n為中心木i的相鄰木j的株數(shù)；Sij為離散變量，Si越接近1，林分在垂直方向上的成層性越復(fù)雜。

5) 表示林木受遮蔽程度的參數(shù)。 以開(kāi)闊比數(shù)[28]表示，計(jì)算公式為：

式中：hi為中心木樹(shù)高，hj為相鄰木樹(shù)高，lij為中心木i與相鄰木j之間的距離。OPi∈0,(0,0.25],(0.25,0.5],(0.5,0.75],(0.75,1]，分別對(duì)應(yīng)中心木的光環(huán)境為完全遮蔽、遮蔽、中等開(kāi)闊、開(kāi)闊、完全開(kāi)闊。

3 結(jié)果與分析

3.1 擇伐對(duì)云冷杉林分整體空間結(jié)構(gòu)的影響

3.1.1 空間格局 表2表明，不同擇伐強(qiáng)度云冷杉樣地的平均角尺度為0.369～0.373，林分屬均勻分布狀態(tài)，擇伐強(qiáng)度20%樣地角尺度均值最高，但各樣地角尺度值差異極小，幾乎可以忽略不計(jì)。表明擇伐10年后，擇伐對(duì)于林分空間格局的分布幾乎不產(chǎn)生干擾，林分總體處于穩(wěn)定的分布狀態(tài)。分析角尺度的不同分布頻率得出，不同擇伐強(qiáng)度下林木個(gè)體均為均勻分布的結(jié)構(gòu)單元最多，隨機(jī)分布結(jié)構(gòu)單元次之，團(tuán)狀分布結(jié)構(gòu)單元最少。相比而言，擇伐強(qiáng)度20%樣地中處于隨機(jī)分布的結(jié)構(gòu)單元比例最高，林分分布格局較好。

表2 吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地的角尺度分布頻率及平均值Table 2 Distribution frequency and mean value of uniform angle index of spruce-fir forest sample plots under different selective cutting intensities in Jingouling forest farm,Wangqing,Jilin

3.1.2 空間隔離 表3表明，不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地的平均混交度為0.630～0.716，表明林分處于強(qiáng)度混交狀態(tài)。整體而言，擇伐10年后，樣地平均混交度由大到小表現(xiàn)為擇伐強(qiáng)度40%樣地平均混交度最高，擇伐強(qiáng)度20%樣地次之，擇伐強(qiáng)度30%樣地的混交度最低。分析混交度的不同分布頻率得出，林木結(jié)構(gòu)單元大多處于強(qiáng)度混交和極強(qiáng)度混交狀態(tài)，其中擇伐強(qiáng)度40%樣地的強(qiáng)度和極強(qiáng)度混交結(jié)構(gòu)單元數(shù)量之和最多，二者分布頻率之和為0.763,擇伐強(qiáng)度20%樣地以上狀態(tài)分布頻率之和為0.739；擇伐強(qiáng)度20%樣地中零度和弱度混交的結(jié)構(gòu)單元所占比例最小，二者分布頻率之和為0.044,表明相同樹(shù)種相鄰幾率較低?？芍獡穹?qiáng)度20%樣地混交較均勻，林分混交分布狀態(tài)相對(duì)較好。

表3 吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地的混交度分布頻率及平均值Table 3 Distribution frequency and mean value of mingling of spruce-fir forest sample plots under different selective cutting intensities in Jingouling forest farm,Wangqing,Jilin

3.1.3 競(jìng)爭(zhēng)壓力 采用競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)和林木點(diǎn)密度2種參數(shù)分析擇伐強(qiáng)度對(duì)云冷杉林分整體競(jìng)爭(zhēng)壓力的影響?；赩oronoi圖的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的均值代表了樣地內(nèi)林木承受的平均競(jìng)爭(zhēng)壓力，而其總和代表了林分承受的總競(jìng)爭(zhēng)壓力;林木點(diǎn)密度描述單木在小環(huán)境中的競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。表4顯示，不同擇伐強(qiáng)度下，競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)均值排序?yàn)?%>30%>20%>40%，其值總和排序?yàn)?%>30%>40%>20%；林木點(diǎn)密度均值排序?yàn)?%>30%>40%>20%，其值總和排序?yàn)?%>30%>40%>20%。盡管計(jì)算方法不同，兩參數(shù)卻得出了十分接近的競(jìng)爭(zhēng)排序。總體而言，對(duì)照樣地所受競(jìng)爭(zhēng)壓力最大，林分生長(zhǎng)受到抑制，由于擁擠可能導(dǎo)致林地健康衛(wèi)生條件較差，林分質(zhì)量較低；擇伐強(qiáng)度20%林分所受競(jìng)爭(zhēng)壓力均值與總和較其他林分低，林地整體生長(zhǎng)活力較高，所受競(jìng)爭(zhēng)壓力較小，林地質(zhì)量較佳，有利于林分生長(zhǎng)。

表4 吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地的林木競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度比較Table 4 Comparison of competitive strength of trees of spruce-fir forest sample plots under different selective cutting intensities in Jingouling forest farm,Wangqing,Jilin

3.1.4 垂直層次 本研究采用的林分垂直層次劃分方法為：各樣地取最高的10株樹(shù)的樹(shù)高均值作為林分優(yōu)勢(shì)高(H優(yōu)勢(shì)高)，上層林分定義為樹(shù)高h(yuǎn)≥2/3H優(yōu)勢(shì)高的林木，下層林分定義為樹(shù)高h(yuǎn)≤1/3H優(yōu)勢(shì)高的林木，中層林分樹(shù)高介于二者之間。計(jì)算得到，林分優(yōu)勢(shì)高為24.77 m，故上層林分樹(shù)高≥16.5 m，中層林分樹(shù)高為16.5～8.3 m ，下層林分樹(shù)高≤8.3 m 。表5顯示，本研究中的林木大部分位于中上層。不同擇伐強(qiáng)度樣地的平均林層指數(shù)為0.331～0.398，均低于0.5，表明林分垂直分層不理想，比較單一，空間利用程度在垂直方向上較低。相比之下，擇伐強(qiáng)度30%樣地林層豐富度稍優(yōu)于其他樣地。以上結(jié)果表明，云冷杉天然林中林木多處于上層，擇伐強(qiáng)度30%樣地在層次分布上更均勻。

表5 吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地林層分布頻率及林層指數(shù)平均值Table 5 Distribution frequency and mean value of layer indices of spruce-fir forest sample plots under different selective cutting intensities in Jingouling forest farm,Wangqing,Jilin

3.1.5 透光性 表6顯示，不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地的平均開(kāi)闊比數(shù)為0.712～0.743，林分整體處于開(kāi)闊狀態(tài)。相比而言，擇伐強(qiáng)度20%樣地開(kāi)闊比數(shù)高于其他樣地，說(shuō)明該樣地內(nèi)光照條件和透光性優(yōu)于其他樣地。不同擇伐強(qiáng)度樣地林分開(kāi)闊比數(shù)大于0.75的比例均占到50%以上，說(shuō)明林分中大多數(shù)林木單元處于完全開(kāi)闊的狀態(tài)，不受遮蔽。對(duì)照樣地從未經(jīng)過(guò)人為干擾，其受遮蔽林木單元較多，整體透光性較差，故開(kāi)闊比數(shù)較低。擇伐強(qiáng)度20%樣地處于完全開(kāi)闊的空間單元最多，且林分中遮蔽和完全遮蔽林木單元所占頻率低于其他樣地，僅為0.098，林內(nèi)生長(zhǎng)空間充足，所受光照環(huán)境良好。

表6 吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地的開(kāi)闊比數(shù)分布頻率及平均值Table 6 Distribution frequency and mean value of open radio of spruce-fir forest sample plots under of spruce-fir forest sample plots different selective cutting intensities in Jingouling forest farm,Wangqing,Jilin

3.2 擇伐對(duì)云冷杉林分中主要樹(shù)種空間結(jié)構(gòu)的影響

3.2.1 空間格局 表7為擇伐后10年不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地中主要樹(shù)種的角尺度均值。表7表明，紫椴、楓樺、紅松、冷杉、云杉在不同擇伐強(qiáng)度樣地中均呈均勻分布狀態(tài)。紫椴和紅松在30%擇伐強(qiáng)度樣地中偏向弱隨機(jī)分布，紅松在40%擇伐強(qiáng)度樣地中較30%擇伐強(qiáng)度更聚集，楓樺和云杉在對(duì)照樣地中偏弱隨機(jī)分布。白樺、黃波欏、水曲柳等少數(shù)樹(shù)種的分布波動(dòng)較大，無(wú)明顯分布特征。

表7 吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地中主要樹(shù)種的角尺度平均值Table 7 Mean value of uniform angle index of main tree species of spruce-fir forest sample plots under different selective cutting intensities in Jingouling forest farm,Wangqing,Jilin

3.2.2 空間隔離 表8為擇伐后10年不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地中主要樹(shù)種的混交度均值。表8表明，紫椴、楓樺、紅松、冷杉、云杉在不同擇伐強(qiáng)度樣地中均屬?gòu)?qiáng)度或極強(qiáng)度混交。紫椴屬極強(qiáng)度混交，在20%擇伐強(qiáng)度樣地中混交度最大；經(jīng)20%～30%擇伐處理后，楓樺、紅松混交度均高于對(duì)照(0%)，但當(dāng)擇伐強(qiáng)度達(dá)40%時(shí)，混交度均下降。擇伐后，紅松由強(qiáng)度混交向極強(qiáng)度混交過(guò)渡；相比于其他樹(shù)種，冷杉混交度較低。色木、雜木、黃波欏、水曲柳和山楊等個(gè)體數(shù)量極少，處于完全混交狀態(tài)，零星分布于各林分內(nèi)，作為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種冷杉的伴生樹(shù)種而存在，數(shù)量少且不能提升林分整體混交度。

表8 吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地中主要樹(shù)種的混交度平均值Table 8 Mean value of mingling of main tree species of spruce-fir forest sample plots under different selective cutting intensities in Jingouling forest farm,Wangqing,Jilin

3.2.3 競(jìng)爭(zhēng)壓力 表9為擇伐后10年不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地中主要樹(shù)種的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)。表9表明，除云杉外，對(duì)照樣地中其他主要樹(shù)種的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)均遠(yuǎn)高于擇伐樣地，林分所受競(jìng)爭(zhēng)壓力大。各樹(shù)種間競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)呈現(xiàn)較大的種間差異，其中紫椴、紅松隨擇伐強(qiáng)度增加所受競(jìng)爭(zhēng)壓力減?。焕渖甲鳛閮?yōu)勢(shì)樹(shù)種，所受競(jìng)爭(zhēng)壓力較大，生長(zhǎng)活力較差。山楊、水曲柳、雜木等具有較大的生長(zhǎng)活力，但由于個(gè)體數(shù)目較少，對(duì)其鄰近林木所產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)較弱，不會(huì)影響冷杉的優(yōu)勢(shì)地位。

表9 吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地中主要樹(shù)種的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)Table 9 Mean value of competition index of main tree species of spruce-fir forest sample plots under different selective cutting intensities in Jingouling forest farm,Wangqing,Jilin

3.2.4 垂直層次 表10為擇伐后10年不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地中主要樹(shù)種林層指數(shù)均值。表10表明，不同擇伐強(qiáng)度樣地中各樹(shù)種林層指數(shù)均低于0.5，說(shuō)明其垂直結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。擇伐強(qiáng)度30%樣地紫椴、楓樺的林層指數(shù)均較低，而紅松、冷杉、云杉的林層指數(shù)均較高，導(dǎo)致?lián)穹?qiáng)度30%樣地整體垂直分層優(yōu)于其他樣地。擇伐強(qiáng)度40%樣地中，除冷杉林層指數(shù)略高于對(duì)照樣地外，其他主要樹(shù)種林層指數(shù)均低于對(duì)照。紫椴林層指數(shù)值在擇伐強(qiáng)度20%樣地中較高。

表10 吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地中主要樹(shù)種的林層指數(shù)平均值Table 10 Mean value of layer indices of main tree species of spruce-fir forest sample plots under different selective cutting intensities in Jingouling forest farm,Wangqing,Jilin

3.2.5 透光性 表11為擇伐后10年不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地中主要樹(shù)種的開(kāi)闊比數(shù)均值。表11表明，擇伐后林地光照條件總體高于對(duì)照樣地，各樹(shù)種開(kāi)闊比數(shù)總體升高，其中紅松、冷杉、云杉開(kāi)闊比數(shù)均較高，主要分布于上層，所受光照條件良好，在20%擇伐強(qiáng)度下開(kāi)闊比數(shù)高于其他擇伐樣地；紫椴、楓樺開(kāi)闊比數(shù)總體低于其他樹(shù)種，屬中度開(kāi)闊向開(kāi)闊過(guò)渡狀態(tài)，說(shuō)明這2個(gè)樹(shù)種與紅松、冷杉、云杉相比受到了更大程度遮蔽。少數(shù)樹(shù)種多處于完全開(kāi)闊狀態(tài)，但由于數(shù)量過(guò)少不能代表樹(shù)種總體的受遮蔽程度。

表11 吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林樣地中主要樹(shù)種的開(kāi)闊比數(shù)平均值Table 11 Mean value of open radio of main tree species of spruce-fir forest sample plots under different selective cutting intensities in Jingouling forest farm, Wangqing, Jilin

4 結(jié)論與討論

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)化森林經(jīng)營(yíng)以優(yōu)化調(diào)整森林結(jié)構(gòu)為手段，用結(jié)構(gòu)參數(shù)指導(dǎo)森林結(jié)構(gòu)調(diào)整，以期實(shí)現(xiàn)林分的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。本研究從林分空間分布格局、空間隔離、林木競(jìng)爭(zhēng)、垂直分層和透光性等方面，對(duì)吉林省汪清縣金溝嶺林場(chǎng)不同擇伐強(qiáng)度云冷杉天然次生林擇伐后10年的林分結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示，不同擇伐強(qiáng)度間林分平均角尺度值差異極小，呈均勻分布，擇伐對(duì)林分的空間分布格局影響不大；冷杉、云杉、紫椴等主要樹(shù)種多為均勻分布狀態(tài)，在擇伐強(qiáng)度30%林分中更偏隨機(jī)分布。各林分整體處于強(qiáng)度混交狀態(tài)，其中擇伐強(qiáng)度40%林分平均混交度最大；冷杉作為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種屬偏中度混交，其他樹(shù)種多為強(qiáng)度或極強(qiáng)度混交。采用競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)和林木點(diǎn)密度2個(gè)指數(shù)分析林木所受的競(jìng)爭(zhēng)壓力，得到相似的競(jìng)爭(zhēng)排序，其中擇伐強(qiáng)度20%林分的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)和點(diǎn)密度皆小于其他樣地，林分所受競(jìng)爭(zhēng)壓力最小，有較大的生長(zhǎng)活力，林地質(zhì)量較高；不同擇伐強(qiáng)度云冷杉林分中，冷杉作為優(yōu)勢(shì)種所受競(jìng)爭(zhēng)壓力均較高，建議降低冷杉的競(jìng)爭(zhēng)壓力，提升其生長(zhǎng)潛力。各林分垂直分層整體較為單一，空間利用率較低，其中擇伐強(qiáng)度30%林分林層豐富度稍高；冷杉、紅松、云杉處于林分的上層，而其他少數(shù)樹(shù)種多處于中下層。各林分整體受光條件良好，處于開(kāi)闊狀態(tài)，擇伐強(qiáng)度20%林分的開(kāi)闊比數(shù)高于其他林分，林內(nèi)光照充足，林木受遮蔽程度較低。由此可知，不同擇伐強(qiáng)度下林分各個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)較優(yōu)值并未全集中于某一擇伐強(qiáng)度，總體而言，以擇伐強(qiáng)度20%林分的狀態(tài)整體優(yōu)于其他樣地，擇伐強(qiáng)度30%林分的垂直層次豐富度較高，因此建議采伐強(qiáng)度在20%～30%較為合理。這項(xiàng)措施在實(shí)施時(shí)應(yīng)與實(shí)際林分結(jié)合進(jìn)行補(bǔ)植，補(bǔ)植選擇在中心木附近，且將角尺度調(diào)整為0.5左右，建議補(bǔ)植云杉、紅松。

過(guò)去金溝嶺林場(chǎng)一直以木材收獲為主要經(jīng)營(yíng)目標(biāo)，近幾年人們除關(guān)注其經(jīng)濟(jì)效益外，也開(kāi)始注重其生態(tài)效益。本研究旨在以結(jié)構(gòu)參數(shù)量化林分特征，為優(yōu)化調(diào)控天然林林分結(jié)構(gòu)提供指導(dǎo)。本研究結(jié)果顯示，對(duì)林分不進(jìn)行擇伐(0%)和擇伐強(qiáng)度過(guò)大(30%～40%)，林分結(jié)構(gòu)均不合理。綜合來(lái)看，低強(qiáng)度(20%～30%)擇伐的林分空間結(jié)構(gòu)較佳，此時(shí)林地各方面條件較好。因此，為了保證云冷杉天然林經(jīng)營(yíng)的可持續(xù)性和合理結(jié)構(gòu)，應(yīng)進(jìn)行低強(qiáng)度的擇伐經(jīng)營(yíng)。對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的對(duì)比分析只是結(jié)構(gòu)化經(jīng)營(yíng)的第一步，為制定有針對(duì)性的撫育經(jīng)營(yíng)措施，下一步應(yīng)順應(yīng)林業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，或以灰色關(guān)聯(lián)度法建立林分擇伐優(yōu)化模型，進(jìn)而為天然林結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供新思路。