云南萬掌山林場思茅松林分結(jié)構(gòu)特征*

蘇俊武，劉永剛，陳強，劉云彩，孫志剛，李先澤，魯興武，槐可躍，周紅

(1.云南省林業(yè)和草原科學(xué)院，云南 昆明 650201； 2.普洱市思茅區(qū)萬掌山林場，云南 普洱665000；3.保山市昌寧縣西山國社合作林場，云南 昌寧 678100)

思茅松(Pinuskesiyavar.langbianensis)是云南特有的鄉(xiāng)土樹種，天然分布于云南熱帶北緣和亞熱帶南部半濕潤地區(qū)，分布的海拔范圍一般為700～1 800 m，而多集中分布于1 100～1 700 m之間。思茅松是脂、材兼用樹種[1]，具有重要的經(jīng)濟價值和生態(tài)價值，其人工林在20世紀(jì)80年代后得到快速的發(fā)展，面積達(dá)10.56×104hm2以上[2]，在其集中分布區(qū)的經(jīng)濟和社會發(fā)展中占有舉足輕重的地位。

目前，有關(guān)思茅松的研究主要集中在良種選育[3-8]、無性擴繁[9-10]、豐產(chǎn)栽培[11-13]、病蟲害防治[14-15]、松脂利用[16]等方面，對于其林分結(jié)構(gòu)的研究多集中于天然次生林，如：胥輝等[17]利用Normal、Weibull、Beta和Gamma分布函數(shù)擬合并預(yù)測思茅松天然次生林的直徑分布，結(jié)果顯示W(wǎng)eibull分布在思茅松天然次生林直徑分布的應(yīng)用中效果最佳；歐光龍等[18]利用Weibull函數(shù)擬合思茅松天然林林分直徑、用冪函數(shù)模型擬合樹高結(jié)構(gòu)，結(jié)果直徑符合Weibul函數(shù)分布，樹高符合冪函數(shù)分布；李超等[19]在思茅松天然林林分直徑大小多樣性及環(huán)境解釋研究中采用Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)對林分大小多樣性進(jìn)行量化排序分析，表明林分直徑大小多樣性隨立地條件和環(huán)境因子變化。針對思茅松人工林林分結(jié)構(gòu)特征方面的研究僅見張文勇[20]對思茅松人工林開展過直徑分布的研究。林分結(jié)構(gòu)是林分功能的基礎(chǔ)和表現(xiàn)[21]，是森林經(jīng)營和分析中的重要因子，也是實施森林經(jīng)營活動的具體對象[22-23]，分析林分結(jié)構(gòu)有助于人們了解森林的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和生態(tài)系統(tǒng)將來的發(fā)展方向[24]。本文通過對思茅松人工幼、中齡林林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，以揭示思茅松人工林幼、中齡林林分直徑、樹高、蓄積結(jié)構(gòu)狀態(tài)和演變規(guī)律，有助于預(yù)判林分生長趨勢、確定林分間伐強度和調(diào)整林分結(jié)構(gòu)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

萬掌山林場(22°33′7″～23°0′23″N，100°29′54″～101°6′56″E)位于云南南部普洱市思茅區(qū)，現(xiàn)有林地面積17 440 hm2，林場管護(hù)區(qū)內(nèi)最高海拔2 010 m，最低海拔570 m，相對高差1 440 m。該區(qū)域?qū)俚途暽降啬蟻啛釒Ц咴约撅L(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫19.4 ℃，最冷月平均氣溫10.5 ℃，最熱月平均氣溫22.7 ℃，≥10 ℃活動積溫6 302 ℃，無霜期318 d；年均降雨量1 340.9 mm，相對濕度87%，雨水充足，氣候濕潤。思茅松林大多數(shù)為純林，伴生樹種在林分內(nèi)所占的比重小，林中常見的樹種主要有紅錐(Castanopsishystrix)、短剌栲(C.echidnocarpa)、杯狀栲(C.calathiformis)、西南木荷(Schimawallichii)、西南樺(Betulaalnoides)等，林下多見密花樹(Myrsineseguinii)、銀柴(Antidesmaspp.)、余甘子(Phyllanthusemblica)、算盤子(Clochidionspp.)、水錦樹(Wendlandiaspp.)、崗柃(Euryaspp.)、野牡丹(Melastomaspp.)、斑鳩菊(Vernoniaspp.)、粽葉蘆(Thysanolaenamaxima)、山菅蘭(Dianellaensifolia)、白花蛇舌草(Hedyotisdiffusa)、紫莖澤蘭(Ageratinaadenophora)等植物。土壤主要為赤紅壤、紅壤和紫色土。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

2018年對云南省普洱市思茅區(qū)萬掌山林場8、11、15 a思茅松人工林進(jìn)行調(diào)查，在3種林齡的思茅松林分中各設(shè)置15塊樣地，共計45塊，樣地大小為20 m×20 m。調(diào)查記錄每塊樣地的基本情況，包括海拔、坡向、坡度和土壤等因子；對樣地內(nèi)林木進(jìn)行每木檢尺，實測胸徑、樹高、冠幅和郁閉度等因子。用圍尺測量胸高直徑，精確至0.1 cm；連接多根短測桿以延長其高度并舉至與樹同高，計算測桿總長作為樹高，精確到0.1 m；用皮尺分別測量南、北向冠幅，精確到0.1 m；采用目測法調(diào)查郁閉度，記載到小數(shù)點后2位。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用各樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，計算其胸徑、樹高的平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)以及偏度、峰度，以及各樣地株數(shù)密度、郁閉度、蓄積量等。

胸徑以2 cm為間距，采用上限排外法劃分徑階，并按徑階統(tǒng)計株數(shù)、蓄積量(m3/hm2)、平均單株蓄積(m3/株)、累積蓄積量(m3/hm2)等。

以林分平均直徑1個徑階以上的林木為優(yōu)良木，平均直徑1個徑階以下的林木為被壓木進(jìn)行量化分級，優(yōu)良木為5級分類法中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級木，被壓木為Ⅳ級和Ⅴ級木。按林木分級類別統(tǒng)計其株數(shù)、蓄積量。

調(diào)查數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行統(tǒng)計分析和柱狀圖、散點圖的繪制。采用思茅松二元材積公式[25]V=0.000 075 592 9D1.941 31H0.823 88計算單株材積。

2 結(jié)果與分析

2.1 幼、中齡林林分郁閉度

調(diào)查樣地分布于海拔1 300～1 500 m之間，處于不同的坡位和坡向，所有樣地林分郁閉度都在0.7以上，其中郁閉度在[0.70～0.80]區(qū)間的林分占調(diào)查樣地數(shù)40%，郁閉度0.80以上的占調(diào)查樣地數(shù)60%，林分生長正常。各林地?fù)嵊胧┎槐M相同，現(xiàn)有保存密度、郁閉度也存在差異： 8、11 a林分密度相對較大，期間未進(jìn)行過人為干預(yù)，其郁閉度0.80以上樣地占比分別為80%、100%，表現(xiàn)出林齡大的林分其郁閉度大的特點；15 a林分幼林期曾進(jìn)行過撫育間伐(間伐強度為20%)，現(xiàn)林分郁閉度相對較小，其郁閉度0.80以上樣地占比為0%(表1)。

表1 林分郁閉情況Tab.1 Forest canopy closure 塊

2.2 直徑結(jié)構(gòu)特征

林分直徑分布是林分中林木株數(shù)在徑階上的分配，是最重要、最基本的林分結(jié)構(gòu)。思茅松幼、中齡林林分直徑分布范圍較大，立木最小胸徑為2 cm，最大胸徑為24.2 cm。從直徑分布特征因子(表 2)可看出：8 a思茅松林分平均直徑為9.7 cm，最大胸徑為17.3 cm，最小胸徑為2 cm，變異系數(shù)為23.51%，直徑偏度系數(shù)為-0.077 2，峰度系數(shù)為-0.034 6；11 a思茅松林分平均直徑為9.3 cm，最大胸徑為18.3 cm，最小胸徑為3 cm，變異系數(shù)為23.50%，直徑偏度系數(shù)為0.196，峰度系數(shù)為-0.009 3；15 a思茅松林分平均胸徑為12.5 cm，最大胸徑為24.2 cm，最小胸徑為5.6 cm，變異系數(shù)為22.26%，直徑偏度系數(shù)為0.213 2，峰度系數(shù)為0.055 7。從3種不同的幼、中齡林林分直徑的變化來看，其極差在15.3～18.6 cm之間，變異系數(shù)在22.26%～23.51%之間，各林分的極差和變異系數(shù)均較大。

表2 林分直徑分布特征因子Tab.2 Characteristic factors of stand diameter distribution

思茅松人工林幼、中齡林林分中包含徑階株數(shù)序列的特征，是以林分平均直徑為中心的概率對稱分布，其林分直徑分布接近正態(tài)分布(圖1)。8 a思茅松人工林直徑分布曲線呈單峰左偏(偏度<0)，峰值出現(xiàn)于平均直徑9.7 cm的位置，并以此為中心向兩側(cè)遞減，且株數(shù)下降較快，曲線較陡(峰度<0)；11 a林分直徑分布曲線呈單峰右偏(偏度>0)，峰值為9.3 cm，并以峰值為中心向兩側(cè)株數(shù)遞減，且下降較快，曲線較陡(峰度<0)。15 a思茅松人工林直徑分布曲線呈現(xiàn)單峰右偏(偏度>0)且峰值偏移至大徑階區(qū)，在平均直徑12.5 cm時達(dá)到最大，并以此為中心向兩側(cè)逐步遞減，但曲線下降較平緩(峰度>0)。8、11 a林分以8、10、12 cm徑階的林木個體數(shù)量最多，15 a林分以10、12、14、16 cm徑階的林木個體數(shù)量最多，林木數(shù)量向中心徑階兩側(cè)依次遞減。

圖1 思茅松幼、中齡林林分直徑分布注：ˉD為林分平均直徑Fig.1 Frequency distribution of diameter classes in young and middle-aged forests of P.kesiya var.langbianensis

表3 思茅松幼、中齡林不同直徑林木百分?jǐn)?shù)Tab.3 Proportion of number of stands in young and middle-aged P.kesiya var.langbianensis forest

2.3 樹高結(jié)構(gòu)特征

林木個體受遺傳品質(zhì)和立地條件的影響，高生長速度不同，形成樹高大小差異及不同層次的林分。幼、中齡林中優(yōu)良木占林分株數(shù)的85.8%～89.6%，被壓木占林分株數(shù)的10.4%～14.2%。8、11 a思茅松幼、中齡林優(yōu)良木(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級木)徑階≥8 cm，立木處于林冠上層，分別占林分株數(shù)的88.8%、85.8%；處于林冠下層的被壓木(Ⅳ、Ⅴ級木)徑階<8 cm，分別占林分株數(shù)的11.2%、14.2%(表4)。15 a思茅松優(yōu)良木(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級木)徑階≥10 cm，占林分株數(shù)的89.6%，立木處于林冠上層；被壓木(Ⅳ、Ⅴ級木)徑階<10 cm，占林分株數(shù)的10.4%，立木處于林冠下層，呈被壓狀態(tài)(表4)。在3種林齡思茅松林分中，直徑小的林木樹高生長量也小，隨著林木直徑生長的增加，樹高相應(yīng)地增大(圖2)；思茅松林木樹高與直徑呈線性正相關(guān)(8、11、15 a林分其R2分別為0.974 4、0.976 9、0.946 3)，樹高分布亦如直徑分布一樣近似于正態(tài)分布。

表4 各林分“株數(shù)-樹高”結(jié)構(gòu)狀態(tài)Tab.4 “Number of plants-tree height” structure status of various forest stands

圖2 思茅松幼、中齡林林分樹高曲線注：ˉD為林分平均直徑Fig.2 The curve of tree heights of various diameter stages of P.kesiya var.langbianensisyoung and middle-aged forests

2.4 株數(shù)-蓄積量結(jié)構(gòu)特征

統(tǒng)計結(jié)果(表5、表6)顯示，思茅松幼、中齡林林分的蓄積量69.2%～72.0%分布在平均直徑以上的上層林木中，其余28.0%～30.8%分布在平均直徑以下的林木中。隨著林齡的增長，密度大的林分下層被壓木數(shù)量增大，林分中產(chǎn)生的死亡木也增多，這種特點在現(xiàn)有保存密度較大的11 a林分中尤為明顯。林分蓄積的生長量主要產(chǎn)生于上層林木(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級木)，被壓木(Ⅳ、Ⅴ級木)立木蓄積量僅占3.2%～4.8%。3種林分中材積的增長和積累不是均勻分布在各林木個體和各徑階中，而是形成各徑階“株數(shù)-蓄積量”的非均衡結(jié)構(gòu)。在3種林齡林分中，隨著徑階增大，平均單株材積遵乘冪函數(shù)(8、11、15 a林分其R2分別為0.997 9、0.998 7、0.999 9)單調(diào)遞增，但單株材積太大或太小的林木株數(shù)都較少(圖3a)。蓄積在不同徑階中的分布則近似于鐘形，但與直徑分布相比其峰值的出現(xiàn)都有所滯后，8、11、15 a林分蓄積量最大值分別出現(xiàn)在12、10、14 cm徑階(圖3b)，這是因為蓄積除受與之呈正相關(guān)的單株材積影響外，還受隨徑階增大而減少的林木株數(shù)影響。隨徑階增大，蓄積量累積速度呈現(xiàn)“慢-快-慢”的規(guī)律性變化，蓄積累積曲線呈“S”形(圖3c)。

表5 各林分“株數(shù)-蓄積量”的結(jié)構(gòu)狀態(tài)Tab.5 The structure status of “number of plants-stock volume” of various forest stands

表6 思茅松幼、中齡林林分不同類型林木蓄積量及其占比Tab.6 Proportion of stand volume of P.Kesiya var.langbianensis young forest and middle-age forest

圖3 思茅松幼、中齡林林分各徑階的蓄積分布注：ˉD為林分平均直徑

3 討論與結(jié)論

森林結(jié)構(gòu)泛指不同植物種類和大小的空間配置與分布，而林分結(jié)構(gòu)則是森林結(jié)構(gòu)的基本單元[23]。 森林結(jié)構(gòu)由空間結(jié)構(gòu)(林木的點格局及其屬性的空間分布)和非空間結(jié)構(gòu)(林分密度、樹種組成、直徑分布、樹高分布、樹種多樣性及林分活力等)構(gòu)成，非空間結(jié)構(gòu)的分析方法均以指數(shù)即單值形式表達(dá)林分單方面的結(jié)構(gòu)特征,描述的是林分特征的一種平均狀態(tài),這種狀態(tài)常與個體空間屬性無關(guān)，即忽略了林分中個體大小的變化以及不同樹種在林地上的空間分布[26]。這些簡單的平均數(shù)量特征雖然很難對復(fù)雜的森林結(jié)構(gòu)做出較為完整的描述和判斷，但是因其數(shù)據(jù)較易獲取，同時很容易與森林經(jīng)營活動相聯(lián)系，因而在森林經(jīng)營管理中被廣泛使用。尤其是對于人工林純林來說，其空間結(jié)構(gòu)特別是林木大小的水平、垂直分布變異性較小，明顯有別于其它森林，可用林分非空間結(jié)構(gòu)變量來表征人工林純林林分特征的平均狀態(tài)，以此作為制訂森林經(jīng)營管理措施的參考。

45塊思茅松人工林樣地皆為純林，林層較為簡單，由上、下2個亞林層構(gòu)成，優(yōu)良木處于林分上層，被壓木處于林分下層。林分平均直徑以下的林木株數(shù)與平均直徑以上的株數(shù)總的來說大致各占50%。徑階株數(shù)序列特征是以林分平均直徑為中心的概率對稱分布。林分蓄積結(jié)構(gòu)中，下層木蓄積量占比小，低于林分蓄積量的30%，上層木產(chǎn)生的蓄積量大，可占林分蓄積量的70%以上。采用徑階分級“刻劃”思茅松林分株數(shù)-蓄積量結(jié)構(gòu)，能較好地描述林分蓄積量結(jié)構(gòu)狀態(tài)。這與張裕農(nóng)等[27]研究結(jié)果不盡相同，不同之處主要是因為平均直徑取值不同所致，本研究中為算術(shù)平均值而非林分平方平均直徑。

8、11、15 a思茅松人工林其樹高生長量、蓄積量隨林齡增加而增加(圖2、圖3c)；平均單株材積亦隨林齡增加而增加(8、11、15 a林分其值分別為0.037 6、0.041 3、0.087 9 m3)；胸徑生長在不同林齡、密度、立地條件的林分間皆有差異，且其生長受密度效應(yīng)影響較大，表現(xiàn)為11 a林分平均胸徑小于8 a林分。3個林齡思茅松人工林的生長速度都較快，這是因為思茅松較為速生的生長特性使然，按10 a齡級劃分，3種林分正處于幼齡林后期至中齡林中期，此期間思茅松林木生長速度處于快速增長時期。

林木個體受遺傳、立地條件和種植密度等因素的影響，生長過程中樹高、胸徑產(chǎn)生大小差異，在林分中形成優(yōu)良木或被壓木，優(yōu)良木在生長過程中總是不斷地分化和演替，或分化為被壓木生長衰退而死亡[28]，其數(shù)量隨時間的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生變化，這就是林木的自然稀疏過程。對人工林進(jìn)行適時撫育間伐，有利于促進(jìn)優(yōu)良木生長，形成整齊林相，保持良好的林分衛(wèi)生條件，減少病腐木，提高人工林質(zhì)量與產(chǎn)量。8、11 a未間伐林分在幼、中齡林交接期郁閉度較高，林木生長競爭激烈、個體分化程度大，宜及時開展撫育間伐，這與劉永剛等[29]研究結(jié)果相一致。

密度與林木生長、林分蓄積結(jié)構(gòu)相互關(guān)聯(lián)。幼林期造林密度對林木胸徑、樹高等生長作用不太明顯，但隨著林齡的增加，林木之間的生長競爭日趨激烈，林分密度對林木生長的影響逐漸增加。在同等條件下，胸徑隨密度的增加而減小[30]，密度大的林分年平均直徑生長量小[31]，不同密度對思茅松樹高、胸徑和單株材積影響極顯著[32]。8、11、15 a林分間其樹高、胸徑、材積生長差異充分反映了密度效應(yīng)作用下的思茅松生長特點：3種密度的林分中，密度從大到小排序為11 a(3 413株/hm2)、8 a(2 917株/hm2)、15 a(2 258株/hm2)，平均胸徑、樹高及平均單株材積從大到小排序皆是15、8、11 a，表現(xiàn)出與密度的負(fù)相關(guān)效應(yīng)。此外，隨著林齡的增加，林木之間的生長競爭日趨激烈，林分密度對蓄積增長的影響逐漸增加。這種影響主要體現(xiàn)在單株材積隨徑階變化的乘冪式增長導(dǎo)致的林木大小分化及被壓木淘汰后林木株數(shù)的減少，但總體上遵循株數(shù)遞減、總蓄積“S”形增長的規(guī)律，這種規(guī)律性變化至少能保持到成熟林時期。

除密度因素外，人為干預(yù)如幼林期施肥對林木樹高、直徑生長影響也較為顯著[33]，揭示了除密度調(diào)控手段外，可通過林地施肥以促進(jìn)思茅松林木生長。

綜上所述，8、11、15 a 思茅松人工林正處于快速生長期，但分別處于不同的林分生長狀態(tài)：15 a林分曾進(jìn)行過1次撫育，通過撫育間隔期的生長，其林木近似對稱地分布在平均胸徑兩側(cè)，林木雖有分化但不劇烈；8 、11 a林分林木分化較15 a林分劇烈，尤其是11 a林分，其林木分化劇烈，被壓木生長量甚微，瀕臨死亡，另外，8 a林分亦處于分化調(diào)整期，林木開始劇烈分化，宜對此2種林齡的林分及時開展撫育間伐。