松林“低改闊”林分干擾和植被空間格局分析

程玉娜,石磊橋,林 洪,李 亮，賈全全，劉麗婷★

（1.江西省林業(yè)科學(xué)院·珍貴樹種與森林提質(zhì)增效產(chǎn)研創(chuàng)新團(tuán)隊，江西 南昌330013；2.贛州市林業(yè)局，江西 贛州341000；3.江西省科學(xué)院微生物研究所，江西 南昌330096）

松樹在荒山復(fù)綠、采收松脂、木材培育上有重要作用。近年來，因林分過熟、地力退化等多種原因，松類純林已經(jīng)成為江西退化面積最大的森林類型[1]。質(zhì)量低效的松樹純林，因其林分結(jié)構(gòu)單一、生物多樣性下降、生態(tài)功能低下等多種原因，不能滿足江西省“森林四化”建設(shè)的需要。尤其是因松材線蟲等病蟲害影響，大面積的松類純林亟需改造提升。在松類純林中補(bǔ)植鄉(xiāng)土闊葉樹，營造異齡針闊混交林是提升松樹低效林質(zhì)量的有效途徑之一[1-2]。不少學(xué)者[2-3]對松樹低效林的成因、改培技術(shù)及改培效果進(jìn)行了研究，多集中在改造林分近地表空間的特征變化，如生物多樣性、土壤肥力和土壤碳匯變化等方面，缺乏對改造過程中樹冠改變及樹冠變化帶來的林分影響的研究，亦缺乏“干擾-植被”間互作效果和機(jī)理的研究，基于此，文章以濕地松低效林改造過程中干擾歷程、林冠變化及地表事物等為研究對象，應(yīng)用擴(kuò)展點(diǎn)格局的方法，通過對林分中多對事物空間格局關(guān)聯(lián)分析，找到林冠、干擾、各類營林改造措施等事物之間的相互影響，從而分析林地利用和林分改造對森林質(zhì)量的影響。

空間點(diǎn)格局（Point pattern）是研究空間分布格局的重要工具[4]，于1998 年引入我國生態(tài)學(xué)的研究，側(cè)重對種群間、種群與環(huán)境間相互關(guān)系的分析[5]。高猛[6]從數(shù)學(xué)生態(tài)學(xué)的角度，以具有空間結(jié)構(gòu)的種群模型與空間格局為例，介紹了空間點(diǎn)格局的原理和模型：將研究對象的個體視為一個具有位置、形成時間、狀態(tài)等屬性的點(diǎn)，映射到空間中；基于點(diǎn)的屬性和空間信息數(shù)據(jù)，用二階統(tǒng)計量RIplay’s K-function、Gfuntion 等函數(shù)，歸類個體分布特征及分析不同類型個體間的相互關(guān)系。

在應(yīng)用點(diǎn)格局分析時，首先調(diào)查樣地以獲得個體特征屬性及個體的空間信息，建立個體空間信息的柵格數(shù)據(jù)庫?；跀?shù)據(jù)的點(diǎn)格局分析，可以得到：①對個體的分布格局進(jìn)行零假設(shè)檢驗；②在完成假設(shè)檢驗的同時，結(jié)合K-function 等函數(shù)模型判定具體的點(diǎn)分布格局的類型；③對K-function 延申后判斷物種間的關(guān)聯(lián)度。如果分析個體大小差異很大或者所感興趣的尺度與個體大小屬于一個數(shù)量級時存在局限性[6]，可將研究對象由點(diǎn)拓展到具有一定大小、不規(guī)則形狀的事物（點(diǎn)集合），衍生出擴(kuò)展點(diǎn)格局方法[7]，此時分析對象可由“點(diǎn)”拓展到“面”，并且將事物本身的屬性、不規(guī)則形狀和對研究尺度的影響等因素均考慮在內(nèi)。陳麗等[7]利用擴(kuò)展點(diǎn)格局分析方法分析了群落中四合木（Tetraena mongolica）單種的空間分布格局及其與群落中霸王(Zygophyllum xanthoxylum)種群的關(guān)系；黃琴[8]應(yīng)用擴(kuò)展點(diǎn)格局的方法，研究了民勤地區(qū)綠洲-荒漠過渡帶環(huán)境因素對白刺（Nitraria tangutorum）的種群空間格局的影響，兩者均通過零模型檢測和空間聚類分析得到這些事物（點(diǎn)集合）之間的空間分布格局和空間關(guān)聯(lián)性[7-8]。

在小區(qū)域尺度上，通常環(huán)境異質(zhì)性、生物因素、種子擴(kuò)散機(jī)制和干擾被認(rèn)為是決定植物種群空間格局的關(guān)鍵因素[9]，本文將擴(kuò)展點(diǎn)格局分析的研究對象進(jìn)一步拓展，由植物種群間及種群與環(huán)境間的關(guān)系，拓展到林分中涵括干擾和營林措施的各類事物間的關(guān)聯(lián)判定，即：以樹冠、林分破壞、林地利用、林窗補(bǔ)植、林下草本等事物（包括事件個體）在空間中的真實分布信息為基礎(chǔ)進(jìn)行格局分析，找到各類事物之間的聯(lián)系。通過分析各類干擾、營林措施對生物體、環(huán)境更具體的影響，從而判斷林分質(zhì)量的發(fā)展趨勢。

1 研究材料與方法

1.1 擴(kuò)展點(diǎn)格局的方法

擴(kuò)展點(diǎn)格局分析的對象是能轉(zhuǎn)化成柵格數(shù)據(jù)的點(diǎn)集合[7]。某一類點(diǎn)集合可映射到事物，其本質(zhì)是若干組二維數(shù)集。所有的點(diǎn)要求有類別、有坐標(biāo)、有狀態(tài)、對應(yīng)一組柵格數(shù)據(jù)。

本研究應(yīng)用擴(kuò)展點(diǎn)格局的方法，去分析同一空間的各類事物間的格局關(guān)聯(lián)，大致分為4 個步驟（圖1）

圖1 擴(kuò)展點(diǎn)格局分析同一空間事物格局關(guān)系流程圖Fig.1 Point pattern method is used to analyze the flow chart of correlation between things in the same space

擴(kuò)展點(diǎn)格局分析方法與理論涉及到三類空間分析統(tǒng)計量[7]：描繪點(diǎn)集合的格局特征的一次結(jié)構(gòu)特征的點(diǎn)密度（λ）、及二次結(jié)構(gòu)特征的協(xié)方差(K)；體現(xiàn)點(diǎn)及點(diǎn)集合間距離的測定指標(biāo)函數(shù)Ripley K 函數(shù)（K(r)函數(shù)）、K 函數(shù)的推導(dǎo)函數(shù)g 函數(shù)；體現(xiàn)任意形狀間格局關(guān)系的二元g12函數(shù)。

點(diǎn)格局分析對柵格數(shù)據(jù)的分析處理，以Ripley's K 函數(shù)為例，用K(r)函數(shù)對點(diǎn)數(shù)據(jù)集進(jìn)行不同距離的聚類程度分析。當(dāng)分析窗口大?。ㄓ蓃 確定）發(fā)生變化時，窗口內(nèi)的不同類型的點(diǎn)密度會發(fā)生變化，Ripley's K 函數(shù)就是用來表明這批點(diǎn)的空間聚集或空間擴(kuò)散的程度，以及在鄰域大小發(fā)生變化時是如何變化的。這種所謂的離散或者距離，更多的是一種定性的說法，至于哪個距離上聚集效果好，哪個程度上離散程度大，一般通過觀察k 值和預(yù)期k 值進(jìn)行比較得來。所謂的觀察k 值，指的是我們計算出來的實際密度值，而預(yù)期k 值，指的是在隨機(jī)分布的情況下，預(yù)期的分布情況。在研究空間分布的時候，更多是利用零假設(shè)的方式，來設(shè)定隨機(jī)數(shù)進(jìn)行分布，作為預(yù)期值，因此有備擇模型：假設(shè)事物空間格局為完全隨機(jī)模型(CSR)布局；假設(shè)因為復(fù)雜背景（環(huán)境異質(zhì)性和點(diǎn)與點(diǎn)之間存在相互作用），事物在空間的格局分布假設(shè)服從為異質(zhì)泊松模型HP 分布[6-7,10]。

1.2 樣地選擇與矢量數(shù)據(jù)獲取

選擇位于南昌市江西省林業(yè)科學(xué)院內(nèi)1972 年造濕地松(Pinus elliottii)實驗林（145 m×60 m）為調(diào)查樣地；調(diào)查事物從上至下有三類冠層、芒萁層片、人跡干擾、人工林窗干擾；三類冠層分為針葉冠層、常綠闊葉冠層、落葉闊葉冠層。通過分析松林自2002 年起經(jīng)歷的事件有：城市建設(shè)開挖道路的林分破壞、2008 年開始林下戶外活動基地建設(shè)及2002 年逐步開始的“針改闊”林相改造。結(jié)合發(fā)生的事件和影響范圍，分析得到林分受到的干擾類型、干擾發(fā)生位置及干擾范圍，將干擾分成人跡干擾、林窗干擾。利用Google earth 軟件和無人機(jī)航拍，確定調(diào)查樣地邊界和地理坐標(biāo)；通過從上至下，從實物到事件痕跡的次序，將各層研究對象分類；通過調(diào)查、測量、測繪后將各類事物斑塊化后繪制在同一矢量圖上。本研究中用擴(kuò)展點(diǎn)格局的方法分析：①芒萁種群（層片）的格局特點(diǎn)；②芒萁層片與針葉、常綠闊葉樹冠、落葉闊葉3 種樹冠的格局關(guān)聯(lián)關(guān)系；③芒萁層片與人跡干擾、林窗干擾和邊坡干擾的格局關(guān)聯(lián)關(guān)系。

1.3 柵格數(shù)據(jù)獲取

上述獲得的斑塊形狀均是不規(guī)則的“塊”屬性矢量圖形。應(yīng)用GIS 軟件“面轉(zhuǎn)點(diǎn)工具”[11]，將各類事物的斑塊“塊”屬性轉(zhuǎn)化成“點(diǎn)集合”屬性[7,12-13]。在轉(zhuǎn)化的過程中，要確定單位元的大?。–ell size）[4]。各類型樹冠斑塊組成點(diǎn)大小由喬木平均冠幅確定，芒萁斑塊組成點(diǎn)大小由芒萁完整植株的平均面積確定；干擾斑塊分解成大小為1 單位的點(diǎn)集合。最終，可建立點(diǎn)集合柵格數(shù)據(jù)庫[11]：

其中，A 表示事物類型，An是表示A 類型事物映射的n 個柵格，xi，yi表示橫縱坐標(biāo)點(diǎn)；1(0)、0(1) 表示坐標(biāo)（xi，yi)點(diǎn)上An的有無。

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

1）單個事物格局分析

選用函數(shù)Ripley K 函數(shù)、g (r) 函數(shù)分析；選擇CSR 為備測模型；應(yīng)用蒙特卡洛（Monte-Carlo）擬合方法，設(shè)置擬合次數(shù)為99，置信度為99%[6-7]。

2）二元g 函數(shù)分析兩類事物間關(guān)聯(lián)分析

以鄰體距離r 為變量。點(diǎn)格局分析過程使用ProgramitaWiegand 2014 軟件完成。分析時定義芒萁斑塊為pattren 1，其它斑塊為pattern 2，設(shè)置pattern 2為背景環(huán)境（fix）、pattern1 隨機(jī)分布（CSR）；擬合方法同上[6-7]。擬合時背景距離(HP 距離)的設(shè)置依據(jù)：植被斑塊形成時間或干擾出現(xiàn)時間段內(nèi)芒萁單株最大移動距離，結(jié)合斑塊形成時間(表1)、芒萁種群克隆擴(kuò)散速率（1.5 m·a-1）求得(表2)。3 種格局分析在0~40 m 空間尺度內(nèi)進(jìn)行，測試步長（ring wight）單位為m，值為1,3,5,7,9,11,13,15,17。

表1 林分類事物信息調(diào)查及斑塊化Tab.1 Type and characteristics of patches

表2 擴(kuò)展點(diǎn)格局分析中點(diǎn)單元大小值及異質(zhì)性背景范圍值Tab.2 The value of cell size and HP in extending point pattern analysis

1.5 結(jié)果分析方法

根據(jù)選擇的備擇假設(shè)模型下隨機(jī)模擬分布格局來構(gòu)建置信區(qū)間。由于每一次模擬都會生成對應(yīng)的g(r)或g12(r)值，重復(fù)模擬過程直到達(dá)到滿足置信水平的次數(shù)，利用r 值為橫坐標(biāo)，模擬產(chǎn)生的g(r)或g12(r)的最大和最小值為縱坐標(biāo)值繪圖，形成稱之為包跡線的兩條曲線[4,7]；計算出不同空間尺度r 值的g(r)或g12(r)值后繪制曲線，當(dāng)曲線在包跡線以內(nèi)，則點(diǎn)格局分布屬隨機(jī)分布，顯示出點(diǎn)集合間(斑塊)之間相互獨(dú)立；若在包跡線之外的上方或下方，則顯著偏離了假設(shè)模型。

2 結(jié)果分析

2.1 調(diào)查樣地斑塊屬性、及點(diǎn)集合屬性轉(zhuǎn)換結(jié)果

調(diào)查樣地12 300 m2樣地里共分布芒萁居群72個，投影面積1 110.9 m2，展開面積1 205.6 m2，分蓋度9.8%。人工林窗種植樹種有閩楠(Phoebe bournei)、紫花泡桐(Paulownia tomentosa)、樂昌含笑(Michelia chapensis)、紅 楠(Machilus thunbergii)、櫻 花(Cerasusspp.)； 自然更新的樹種有構(gòu)樹 (Broussonetia papyrifera)、紫花泡桐、大葉女貞(Ligustrum lucidum)。景觀斑塊的布局見圖2。

圖2 調(diào)查樣地斑塊布局圖Fig.2 The pattern of patches

2.2 芒萁種群格局特點(diǎn)

芒萁格局特征(圖2，圖3)：在0~38 m 區(qū)間內(nèi)，g(r)＞1，芒萁種群表現(xiàn)出聚集性；在0~10 m 區(qū)間g(r)值在包跡線外側(cè)，芒萁植株分布不符合隨機(jī)分布特點(diǎn)，由較強(qiáng)的聚集性，這與芒萁在林地里居群的大小有關(guān)；隨著r 值增加和單位元大小的增加，芒萁種群強(qiáng)聚集性有減弱趨勢，當(dāng)r 足夠大時(＞38 m)，芒萁種群趨向于離散型分布。

圖3 芒萁種群斑塊格局Fig.3 Patch pattern of D.pedata population

2.3 芒萁層片與不同樹冠間空間關(guān)聯(lián)

芒萁層片跟落葉闊葉樹冠空間格局關(guān)聯(lián)分析結(jié)果顯示，不同空間尺度上，兩種間關(guān)聯(lián)關(guān)系體現(xiàn)出多樣化的特點(diǎn)。0~12 m 區(qū)間內(nèi)，成對相關(guān)函數(shù)值g12(r)＜1且分布在包跡線外側(cè)下方，兩種斑塊呈顯著負(fù)關(guān)聯(lián)并偏離HP 模型假設(shè)；在12~22 m 和32~40 m 區(qū)間內(nèi)，g12(r)＞1 且分布在包跡線上方，兩種斑塊顯著正關(guān)聯(lián)關(guān)系，同樣偏離HP 模型假設(shè)；在22~32 m 區(qū)間，g12(r)＞1 且分布在包跡線內(nèi)，兩種斑塊正關(guān)聯(lián)且這種關(guān)聯(lián)關(guān)系顯示出隨機(jī)分布特征，符合HP 模型假設(shè)(圖4a)。

芒萁層片與常綠闊葉樹冠在0~40 m 尺度空間里，兩者呈顯著負(fù)關(guān)聯(lián)關(guān)系(圖4b)。

芒萁層片與針葉樹冠在0~40 m 尺度空間里，兩者呈顯著正關(guān)聯(lián)，且這種關(guān)系在調(diào)查樣區(qū)符合HP 模型假設(shè)，具有隨機(jī)分布特征(圖4c)。

圖4 芒萁層片與3 類樹冠空間格局關(guān)系Fig.4 Relevancy on patches between heterogeneity-crown layer and D.pedata populations

2.4 芒萁與干擾斑塊的格局關(guān)聯(lián)

芒萁與人跡干擾空間格局關(guān)聯(lián)分析結(jié)果表明，在0~1 m 的區(qū)間，兩者顯著正關(guān)聯(lián)，且這種關(guān)系在調(diào)查樣地里滿足HP 模型假設(shè)，具有隨機(jī)特征；在2~35 m區(qū)間，兩者存在顯著負(fù)關(guān)聯(lián)關(guān)系；在35~39 m 區(qū)間，兩者存在滿足隨機(jī)分布的負(fù)關(guān)聯(lián)(圖5a)。

芒萁與邊坡空間格局分析結(jié)果顯示，在0~32 m的區(qū)間，兩者存在顯著正關(guān)聯(lián)關(guān)系，且在距離小于1 m 和9~40 m 空間尺度上，這種關(guān)聯(lián)關(guān)系表現(xiàn)出隨機(jī)性(圖5b)。

芒萁與人工林窗（擇伐松木出現(xiàn)的林窗），在0~34 m 的區(qū)間兩者負(fù)關(guān)聯(lián)；空間尺度大于38 m，兩個斑塊間有正關(guān)聯(lián)關(guān)系，但隨著空間尺度增加，兩者正關(guān)聯(lián)強(qiáng)度減弱(圖5c)。

圖5 芒萁斑塊與3 類干擾空間格局關(guān)系Fig.5 Relevancy on patches between D.pedata populations and disturbance

3 討論與結(jié)論

3.1 芒萁擴(kuò)散對松樹林分趨于低質(zhì)的質(zhì)量指示

芒萁層片是亞熱帶紅壤區(qū)最常見的蕨類植物種群，分布于稀疏林下、邊坡等地，少見于生長良好的常綠闊葉林、郁閉針葉林或闊葉人工林[1,14-15]，這是因為林分質(zhì)量較高的森林，因冠層致密少透光、林相郁閉，林下沒有足夠芒萁克隆擴(kuò)散所需光資源；而松樹等低效林，因樹木生長勢差，樹冠不郁閉，針葉稀疏，冠層透光較強(qiáng)，能夠提供芒萁克隆生長的光資源，加上芒萁根系纖維素降解菌對地表枯落物的強(qiáng)降解功能[14]，芒萁能夠在這種質(zhì)量相對較差的林分中擴(kuò)散。在立地條件較差的區(qū)域，飛播造林形成的“馬尾松-芒萁”群落結(jié)構(gòu)的林分是一種常見林分[1]。因此有芒萁生長的針葉林在某種程度上說林分質(zhì)量趨于低質(zhì)，是需改造對象。同時南方常綠闊葉林相對于針葉純林，生態(tài)質(zhì)量更優(yōu)。因此現(xiàn)階段大面積實施的“針改闊”，尤其是馬尾松病害林針改闊工程，是一項積極促進(jìn)林分質(zhì)量提升的低質(zhì)低效林改造項目[16-17]。

芒萁擴(kuò)散對林分趨于低質(zhì)的質(zhì)量指示是相對的。對于非常貧瘠，破壞程度大的原造林地，如地表裸露崩崗地、光板地等，無疑有植被覆蓋狀態(tài)有利于水土保持和森林形成[18]；對一些尾礦、礦山、高陡邊坡等困難立地，芒萁層片覆蓋更是提升環(huán)境質(zhì)量、生態(tài)修復(fù)的重要舉措[14]。

3.2 擴(kuò)展點(diǎn)格局方法評價改造措施對林分質(zhì)量的影響

近年來，低質(zhì)低效林改造是我國林業(yè)森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升工作的重要內(nèi)容之一。我國森林法規(guī)定，縣級以上人民政府林業(yè)主管部門應(yīng)當(dāng)有計劃地組織公益林經(jīng)營者對公益林中生態(tài)功能低下的疏林、殘次林等低質(zhì)低效林，采取林分改造、森林撫育等措施，提高公益林的質(zhì)量和生態(tài)保護(hù)功能[19]。低改項目實施的效果最直觀的體現(xiàn)在林相結(jié)構(gòu)調(diào)整上。通過調(diào)整林分密度、林分中闊葉樹比例、土壤增施肥和土壤熵增加等，均是一定程度的營林干擾，改變原低效林分的產(chǎn)生環(huán)境，達(dá)到各因素重新布局，提高林分質(zhì)量的目的[20]。且改造林管護(hù)期通常在前3 a 內(nèi)。大面積低改項目實施，需要精準(zhǔn)評價改造帶來的林分質(zhì)量變化。贛州市自2016 年大面積實施低質(zhì)低效林改造，按目前改造成效和實踐經(jīng)營來看，林分質(zhì)量提升是個長期的、持續(xù)的過程，需要依據(jù)林分內(nèi)各種因素的變化調(diào)整改造力度和措施[16]。

研究中通過應(yīng)用擴(kuò)展點(diǎn)格局的方法，對成熟松林改造、利用過程中出現(xiàn)的相關(guān)事物之間做了關(guān)聯(lián)分析，對干擾帶來的林分質(zhì)量影響進(jìn)行了判定。結(jié)果顯示，在近15 a 中，擇伐、人工林窗和補(bǔ)植闊葉樹等改造措施是增益性干擾[20]；城市建設(shè)挖斷山體、林地上戶外運(yùn)動基地建設(shè)等林分利用舉措則是破壞性干擾[21]；研究進(jìn)一步論證松樹低效林改造中，擇伐松木后補(bǔ)植闊葉樹是促進(jìn)林分質(zhì)量提升的有效舉措。

目前江西省低質(zhì)低效林改造項目績效評估的指標(biāo)都是較簡單直觀的常規(guī)指標(biāo)。如用改造面積、造林成活率、闊葉樹比例等指標(biāo)來衡量工程實施質(zhì)量，且均用項目實施當(dāng)年的觀測值、調(diào)查值來評定改造成效。事實上低改項目的實施，作為一種對林分的增益型干擾[20]，是一種對致使林分低效的本底環(huán)境的改變，它需要打破原有抑制林分高質(zhì)量生長的均質(zhì)性生境格局，破壞原有抑制林分高質(zhì)量生長的制約性條件，同時引入新的資源，才能啟動和加速林分向更高質(zhì)量森林生長。例如低改項目的實施中，整枝和衛(wèi)生伐改變了林下較弱的光資源分布格局，帶來更多的強(qiáng)光照條件的林窗條件，有利于下層林木生長[21]；通過施有機(jī)肥和種植新的樹種，帶來了更多的生物資源，增加了林分的生物多樣性和生物群落活躍性；通過施肥和培土，打破了原貧瘠且均質(zhì)的土壤環(huán)境，增加土壤肥力和墑值[22]。這一系列的增益性干擾，打破林分原有低質(zhì)格局，形成一個新的更優(yōu)、更佳林分生長狀態(tài)，逐步生長出結(jié)構(gòu)更合理、質(zhì)量更高的森林。這一系列事件的發(fā)生是個持續(xù)的過程，低效林質(zhì)量得到提升是增益型干擾和林分生長的共同效果，因此，不能用剛進(jìn)行改造的低質(zhì)林分的簡單常規(guī)指標(biāo)值來評價低改項目的長期成效。

文章嘗試提供了一種新的低質(zhì)低效林改造成效評測方法，定性評價森林經(jīng)營和利用對林分生態(tài)質(zhì)量的影響——擴(kuò)展點(diǎn)格局事物格局關(guān)聯(lián)分析法。在以后的研究中，會嘗試將林分中更多質(zhì)量指示性的事物斑塊化，分析具體的營造林工序的實施成效及林分利用對森林質(zhì)量的影響。