林分內(nèi)競爭對林木胸徑生長量的影響研究

陸 江

(廣西壯族自治區(qū)國有維都林場，廣西 來賓 546100)

競爭是植物間相互作用的一個重要方面，它可以表現(xiàn)為植物之間利用資源、吸收資源而引起的對環(huán)境資源變化的反應(yīng)[1]。林分內(nèi)的單木生長也會受到鄰體競爭的重要影響。決定林木間資源分配結(jié)果的相關(guān)因素有相鄰木的大小、數(shù)量以及空間分布，但是其中相鄰樹木的空間分布和個體數(shù)量是決定競爭結(jié)果的主要因素[2]。為了表達(dá)單木的這種生長動態(tài)，學(xué)者引入了單木競爭指數(shù)[3]。為了更好地表達(dá)不同林分的競爭狀態(tài)，各種各樣的競爭指數(shù)模型被建立了起來[4-13]。競爭在森林生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在，競爭的結(jié)果是一個生物體阻礙了另一個生物體的正常發(fā)育和生長[14]。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，林木的樹冠層有著重要的作用，它可以將太陽能轉(zhuǎn)換成可利用的有機(jī)物，同時也可以在森林生態(tài)系統(tǒng)與大氣、土壤間進(jìn)行水分、養(yǎng)分和熱量等物質(zhì)相互交換[15-16]，但是鄰木樹冠的大小會影響到其他相鄰木的生長，因此引入了與樹冠相關(guān)的競爭指數(shù)模擬林木生長競爭模型，但是在兩種或兩種以上樹種的競爭模型比較方面還存在缺口。

杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)是松柏目杉科高大喬木，高能夠達(dá)到30 m左右；樹皮呈灰褐色；冬芽為近圓形，雄球花為圓錐狀，而雌球花為單生，球果形狀為卵圓形，長約2.5～5 cm，徑寬3～4 cm；種子扁平遮蓋著種鱗，種鱗形狀為長卵形或者矩圓形；是亞熱帶樹種，較喜光，在溫暖濕潤的地區(qū)分布廣泛[17]。灰木蓮(MagnoliaceaeglancaBlume)屬于木蘭科，我國特有的單種屬植物，同時是國家一級保護(hù)、瀕危植物[18]。灰木蓮原產(chǎn)地在越南和印度尼西亞，在南亞熱帶地區(qū)種植廣泛，喜歡溫暖濕熱的氣候。我國廣東、海南和廣西1960—1963年引種的灰木蓮試驗林普遍生長良好，24 a生平均樹高24.0～27.5 m，平均胸徑25.1～34.2 cm，其生長表現(xiàn)達(dá)到或超過原產(chǎn)地，干形通直，具早期速生特性，高徑生長可持續(xù)30年以上。杉木、灰木蓮在廣西地區(qū)均有廣泛種植，且對廣西林業(yè)的發(fā)展具有重要意義。本文以杉木、灰木蓮為研究對象，通過樣地調(diào)查，測量其生長量，利用樹冠競爭指數(shù)和Hegyi簡單競爭指數(shù)研究杉木、灰木蓮在競爭中對胸徑生長的影響，分析杉木與灰木蓮在競爭存在的情況下胸徑生長規(guī)律的異同點，為實際造林提供試驗研究數(shù)據(jù)結(jié)果以及科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗區(qū)設(shè)置在廣西壯族自治區(qū)國有維都林場。維都林場總場位于廣西來賓，林場內(nèi)有6個分場。來賓市位于廣西中部，地處東經(jīng)108°24′～110°28′，北緯23°16′～24°29′之間，屬于南亞熱帶季風(fēng)氣候。將密度一致，同年造林的杉木、灰木蓮人工純林作為試驗材料，同時選取坡度平緩、海拔一致的標(biāo)準(zhǔn)樣地，以降低地形等因素造成的生長誤差，減少變量，保持林木競爭為主變量，以便更好說明林木競爭對林木生長的影響。

1.2 研究方法

1.2.1林木測量

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置和試驗需要的基本要求，分別在灰木蓮、杉木試驗區(qū)內(nèi)設(shè)置5塊樣地，均為人工純林。然后對樣地林分內(nèi)每株樹木進(jìn)行每木檢尺，用胸徑尺測量林木胸徑；用激光測高測距儀測量林木樹高和冠高；用皮尺測量林木東、西、南、北4個方向的冠幅半徑；全站儀測量樹木間的相對距離。林分內(nèi)的每個林木均作為對象木，與對象木距離最近的4株單木均作為相鄰木組成林分空間結(jié)構(gòu)的基本競爭單元。選擇對樹冠造成遮擋的相鄰木作為競爭木[14]。

1.2.2競爭指數(shù)計算

本研究在測量林木實際生長數(shù)據(jù)的同時，也對南向、東向、西向和北向冠幅半徑因子進(jìn)行了記錄。使用林木樹冠特征因子西、東、南、北各方位冠幅半徑來計算林木樹冠的競爭指數(shù)。在本研究中，筆者使用的樹冠競爭指數(shù)是在Hegyi 簡單競爭指數(shù)的形式基礎(chǔ)上提出來的，而且其公式與林分內(nèi)單木與競爭木間的距離有關(guān)，計算公式如下[20]：

式中，對象木i的簡單競爭指數(shù)用CIi表示；Di是對象木i的直徑；Dj是第j株競爭木的胸徑(j=1，2，3，4)；Lij是對象木i與競爭木j的相對距離。Hegyi 簡單競爭指數(shù)計算使用的數(shù)據(jù)均容易獲得，它考慮了對象木、競爭木的相對距離。用其分析出來的競爭關(guān)系雖然比較準(zhǔn)確，但是在計算、分析的過程中沒有衡量由于樹冠遮擋對競爭的影響。根據(jù)簡單競爭指數(shù)的不足，在本研究中增加了對林木樹冠競爭指數(shù)的分析，最后把兩個指數(shù)的分析結(jié)果進(jìn)行簡單的對比研究。樹冠競爭指數(shù)考慮的因子比較全面，在水平方向上，考慮了競爭木、對象木樹冠之間的相互遮擋對競爭的影響；在垂直方向上，考慮了競爭木樹高對對象木樹冠間遮擋造成的對競爭的影響，并以競爭木、對象木樹高的比值表達(dá)了這種影響。建立的林木樹冠競爭指數(shù)表達(dá)式[14]如下：

式中，CCIi為對象木i的樹冠競爭指數(shù)；Hi為對象木i的樹高；Hj第j株競爭木的樹高(j=1，2，3，4)；Wi為對象木i的平均冠幅半徑，Wj為競爭木j的平均冠幅半徑，Ww、We、Wn、Ws分別為林木西向冠幅半徑、東向冠幅半徑、北向冠幅半徑、南向冠幅半徑，XjXi|| 為競爭木與對象木水平方向的距離。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Office Excel 2013統(tǒng)計數(shù)據(jù)和繪制圖表，釆用R 3.1.1和SPSS 16.0統(tǒng)計軟件完成相關(guān)性分析、方差分析以及回歸模擬的分析，其中多重比較釆用Ducan檢驗。計算每塊樣地中林木的Hegyi 簡單競爭指數(shù)(Hegyi CI)、樹冠競爭指數(shù)(Crown CCI)，根據(jù)兩個競爭指數(shù)與林木實際增長量間相關(guān)程度的大小和散點圖的分散、聚集程度來評價兩種競爭指數(shù)模型的優(yōu)劣。

2 結(jié)果與分析

2.1 相鄰木的競爭對林木胸徑生長的影響

為了分析林分內(nèi)相鄰木之間資源競爭對杉木胸徑生長的影響情況，計算兩種不同的競爭指數(shù)，并在相同坐標(biāo)范圍的坐標(biāo)系中分別繪制兩種競爭指數(shù)與杉木胸徑實際增長量的散點圖(圖1～圖4)。

圖1 樹冠競爭指數(shù)與杉木胸徑增長量的散點圖Fig.1 Scatter plot of crown competition index and DBH growth of Cunninghamia lanceolata

由圖1和圖2可以看出，杉木胸徑增長量隨著兩種競爭指數(shù)的增大而均減少，并且呈現(xiàn)出對數(shù)指數(shù)的分布特征，但是樹冠競爭指數(shù)與胸徑增長量的散點圖更加集中，雖然有少數(shù)偏離對數(shù)趨勢線外，但是Hegyi簡單競爭指數(shù)的散點圖較為分散，因此，樹冠競爭指數(shù)的散點圖更能說明杉木胸徑增長量與林木競爭程度的變化規(guī)律。

圖2 Hegyi簡單競爭指數(shù)與杉木胸徑增長量的散點圖Fig.2 Scatter plot of Hegyi simple competition index and DBH growth of Cunninghamia lanceolata

圖3和圖4是灰木蓮胸徑增長量與樹冠競爭指數(shù)、Hegyi簡單競爭指數(shù)的散點圖。同理，兩個圖均表現(xiàn)對數(shù)分布的特征，隨著樹冠競爭的增大，灰木蓮胸徑的增加也隨之減少；灰木蓮胸徑增長量與樹冠競爭指數(shù)的散點圖均在趨勢線上，而Hegyi簡單競爭指數(shù)的散點圖較為分散，這個結(jié)果與杉木的研究結(jié)果一樣，說明樹冠競爭指數(shù)比Hegyi簡單競爭指數(shù)的散點圖更能說明灰木蓮胸增長量與樹冠競爭的變化規(guī)律。

圖3 灰木蓮實際胸徑增長量與樹冠競爭指數(shù)散點圖Fig.3 Scatter plot of crown competition index and DBH growth of Magnoliaceae glanca

圖4 灰木蓮實際胸徑增長量與Hegyi簡單競爭指數(shù)散點圖Fig.4 Scatter plot of Hegyi simple competition index and DBH growth of Magnoliaceae glanca

2.2 林木胸徑生長量與競爭指數(shù)的相關(guān)性

為了可以更準(zhǔn)確地解釋林木胸徑生長量和樹冠競爭指數(shù)的關(guān)系，利用林木胸徑增長量和樹冠競爭指數(shù)的相關(guān)分析來研究林分內(nèi)林木胸徑增長量在樹冠競爭中的變化規(guī)律。經(jīng)計算分析，灰木蓮、杉木與兩種競爭指數(shù)的Kendall′s tau-b 系數(shù)、Spearman′s rho系數(shù)均為負(fù)值(表1)，可以說明灰木蓮、杉木的胸徑增長量和競爭指數(shù)均為負(fù)相關(guān)。林木受到的競爭程度越大，其胸徑的生長就越慢。數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，兩種樹種的樹冠競爭指數(shù)和Hegyi簡單競爭指數(shù)均與胸徑增長量的相關(guān)性極顯著，兩種樹種表現(xiàn)出一致的規(guī)律；而且杉木、灰木蓮Spearman’s rho、Kendall’s tau-b 系數(shù)，它們在胸徑增長量和樹冠競爭指數(shù)上的絕對值均大于Hegyi簡單競爭指數(shù)的絕對值，而且杉木的樹冠競爭指數(shù)相關(guān)系數(shù)R2=0.852，大于Hegyi簡單競爭指數(shù)的R2=0.738。同理，灰木蓮的樹冠競爭指數(shù)相關(guān)系數(shù)R2=0.940，也大于Hegyi簡單競爭指數(shù)的R2=0.864。因此，對兩種競爭指數(shù)進(jìn)行比較分析，可以得出樹冠競爭指數(shù)能夠更好地反映林分內(nèi)林木的胸徑增長量與林木受到競爭程度的關(guān)系的結(jié)論。從兩種樹冠競爭指數(shù)和不同樹種(灰木蓮、杉木)的胸徑增長量的相關(guān)性分析，無論是樹冠競爭指數(shù)還是Hegyi簡單競爭指數(shù)，灰木蓮生長量與競爭指數(shù)的3種相關(guān)系數(shù)數(shù)值絕對值均大于杉木的相關(guān)系數(shù)數(shù)值絕對值，由此可以說明灰木蓮的胸徑生長可能更容易受到林木樹冠競爭的影響。這可能是因為灰木蓮是闊葉樹種，且枝葉茂盛，杉木是針葉樹，枝葉比較稀疏，因此樹冠對灰木蓮的生長影響更顯著，影響力更大。

表1 兩種樹種樹冠競爭指數(shù)與胸徑增長量相關(guān)分析

3 結(jié)論與討論

本文研究了人工純林內(nèi)林木間相互競爭對林分生長的影響，選取了杉木、灰木蓮人工純林作為研究對象，將胸徑、樹高、冠幅和相對位置等測量數(shù)據(jù)作為自變量，根據(jù)競爭指數(shù)公式計算林分內(nèi)林木的樹冠競爭指數(shù)，以反映林木所受到的競爭程度。利用樹冠競爭指數(shù)對杉木、灰木蓮的胸徑增長量進(jìn)行分析，結(jié)果表明林木胸徑的增長量受到樹冠競爭指數(shù)的影響，并且隨著競爭指數(shù)的提高，林木胸徑增長量會隨之減少。作為闊葉樹種的灰木蓮比針葉樹杉木的胸徑生長量更易受到林內(nèi)樹木競爭的影響。Hegyi簡單競爭指數(shù)和樹冠競爭指數(shù)均能夠說明林分內(nèi)林木受到的競爭，但是樹冠競爭指數(shù)更能說明林分內(nèi)林木胸徑增長量受到樹木間競爭的影響程度。

目前林內(nèi)競爭大多數(shù)研究的是人工純林，對于混交林或者天然林是否適用還需進(jìn)行大樣本的研究來進(jìn)一步驗證。影響林木生長的因素有很多，包括林木本身因素和外部因素，例如林木遺傳、苗木質(zhì)量、土壤養(yǎng)分、水分、地形、地勢、氣候等，在未來的研究中，還需利用其他更多能夠全方位描述樹冠的因子，減小其他因子帶來的不利于分析的影響，以便建立一個更接近于林木實際生長狀況、反映林木自然生長規(guī)律的競爭指數(shù)模型。