施俊美,楊啟運,吳顏奎,張占忠
(1. 云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院 大理分院,云南 大理 671000; 2. 云南省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院,云南 昆明 650051)
林分非空間結(jié)構(gòu)主要包括林種結(jié)構(gòu)、樹種結(jié)構(gòu)、直徑結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)和林木株數(shù)等林分因子類型,其可以從量上反映出林分的基本特征和生產(chǎn)力信息,是傳統(tǒng)森林經(jīng)理學(xué)的主要內(nèi)容[1]。直徑結(jié)構(gòu)指林分內(nèi)不同直徑林木按徑階大小的分布狀態(tài),是林分結(jié)構(gòu)最基本的組成結(jié)構(gòu)。不同直徑大小的林木的分配形式很大程度上會決定其他林分因子的變化,而且由于林分直徑非常易于測得,經(jīng)常被用來當(dāng)做研究林分結(jié)構(gòu)的指標(biāo)之一。近年來,許多研究者采用不同的概率分布函數(shù)對直徑分布進(jìn)行了擬合,且擬合結(jié)果精確度不一,主要有正態(tài)分布函數(shù)、Weibull分布函數(shù)、指數(shù)分布函數(shù)、β分布函數(shù)等。樹種結(jié)構(gòu)是反應(yīng)林分中樹種在組成和數(shù)量等方面的相互關(guān)系。就一個森林經(jīng)營管理單位林業(yè)局或林場來說,應(yīng)保持合理的針葉林、闊葉林以及針闊混交林比例關(guān)系和合理的空間地域分布,應(yīng)提高闊葉林、混交林尤其是地方樹種的比例。
思茅松(Pinuskesiya),屬松科松屬常綠喬木,高可達(dá)30 m,胸徑達(dá)60 cm。思茅松樹干通直,材質(zhì)優(yōu)于云南松,供建筑、枕木、礦柱等用,樹干可采松脂,樹皮可提取烤膠,是重要的用材及林化工原料樹種,具有生長快、質(zhì)量高、產(chǎn)脂高和生長適應(yīng)性強等優(yōu)良特點[2]。思茅松的相關(guān)研究主要涉及思茅松天然林群落生態(tài)學(xué)、光合生理生態(tài)、林木育種等方面[3],本研究中運用空間結(jié)構(gòu)參數(shù)定量分析研究思茅松天然林非空間結(jié)構(gòu)特征。
鎮(zhèn)沅彝族哈尼族拉祜族自治縣位于云南省西南部,普洱市北部,跨東經(jīng)100°21′~101°31′,北緯23°24′~24°22′,縣城駐地恩樂鎮(zhèn)距省會昆明市434 km,距普洱市駐地思茅市180 km。鎮(zhèn)沅縣地勢可概括為:“四河(者干河、恩樂河、勐統(tǒng)河、景谷河)流經(jīng)兩山下(哀牢山、無量山),北高南低高差大,河谷只有兩小壩(恩樂、勐統(tǒng)),形似東馳一駿馬”。鎮(zhèn)沅縣處于橫斷山脈縱谷區(qū)東南余梢,云嶺余脈的哀牢山和無量山縱貫全境,與河流相間,構(gòu)成北高南低、北向南走的“五谷五嶺”地貌輪廓。鎮(zhèn)沅縣平均海拔1 376 m,屬亞熱帶季風(fēng)氣候,地貌復(fù)雜,氣候垂直差異突出,形成熱帶、亞熱帶、暖溫帶3種氣候類型??h域內(nèi)有大小江河190余條,水利資源總流域面積413.68 km2,水資源總量28.38億m3,開發(fā)利用的僅占可開發(fā)量的19%。據(jù)2016年鎮(zhèn)沅縣最新一輪森林資源設(shè)計調(diào)查成果數(shù)據(jù),全縣土地總面積為41.45萬hm2,其中:林地34.22萬hm2,非林地7.23萬hm2。全縣活立木總蓄積3 434.12萬m3。
本研究采用云南省第九次森林資源連續(xù)清查鎮(zhèn)沅縣部分成果,選取58塊連續(xù)清查樣地,根據(jù)林分非空間結(jié)構(gòu)的研究需要,從中挑選出14塊以思茅松為優(yōu)勢樹種且無人為干擾、保護(hù)較好的天然林典型樣地。森林資源連續(xù)清查樣地面積為28.28 m×28.28 m,編號分別為1~14。利用羅盤儀、卷尺等設(shè)備對樣地內(nèi)胸徑大于5 cm的每株主干明顯的活立木或喬木化的灌木進(jìn)行位置確定和記錄。以樣地西南角正東方向作為橫坐標(biāo)X軸,正北方向為縱坐標(biāo)Y軸,確定每株檢尺樣木的相對位置,并測定每株活立木的胸徑,調(diào)查記錄樣地林分平均年齡、郁閉度以及相關(guān)立地因子。對所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計和整理,以此作為研究思茅松天然林分空間結(jié)構(gòu)規(guī)律的基本數(shù)據(jù)。樣地基本信息見表1和圖1。
表1 鎮(zhèn)沅縣思茅松天然林樣地基本信息
圖1 鎮(zhèn)沅縣思茅松天然林樣地位置分布
2.2.1林分直徑結(jié)構(gòu)
林分直徑結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為不同大小直徑按徑階的分布,本文采用正態(tài)分布函數(shù)、指數(shù)分布函數(shù)和韋伯分布函數(shù)以及偏度系數(shù)、峰度系數(shù)來研究思茅松天然林分直徑結(jié)構(gòu)[5]。
1)正態(tài)分布函數(shù):
(1)
式中:a是數(shù)學(xué)期望;σ是標(biāo)準(zhǔn)差。
2)指數(shù)分布函數(shù)
F(x)=1-e-λx
(2)
式中:λ是常數(shù)(λ>0)。
3)韋伯分布函數(shù)
(3)
式中:a為位置參數(shù)(最小徑階下限值);b為尺度參數(shù);c為形狀參數(shù)。
4)偏度(SKEW)與峰度(KURT)
偏度是描述分布對稱的偏離程度指標(biāo),偏度為正,表示左偏,均值在大于峰值的一邊;偏度為負(fù),表示右偏,均值在小于峰值的一邊。峰度是描述分布對稱的離散程度指標(biāo),峰度為正,表示分布較集中,為尖頂峰;峰度為負(fù),表示分布較分散,為平頂峰。
(4)
(5)
式中:n為樣木株數(shù);Xi為林分每木直徑;X為林分算術(shù)平均直徑;S為胸徑徑階的標(biāo)準(zhǔn)差。
2.2.2林分樹種結(jié)構(gòu)
由于各樣地的樹種組成不盡相同,樹種結(jié)構(gòu)自然會有很大區(qū)別,主要從相對多度、相對頻度、相對顯著度和重要值方面分析思茅松天然林分樹種結(jié)構(gòu)。多度指單位面積上植物種的個體數(shù)目,一般表示為株/hm2;頻度是指植物在群落中水平分布的均勻程度,即群落中某植物在一定區(qū)域的特定樣方中所出現(xiàn)的樣方百分率;顯著度是指植物基部斷面積之和與樣地面積之比,其中喬木的顯著度通常是通過胸高直徑的測定按圓形計算,可以反映出植物種在群落中的優(yōu)勢度。重要值是表示植物在群落中相對重要性指標(biāo)。重要值越大的物種,在群落結(jié)構(gòu)中的重要性越大,對群落環(huán)境、外貌和發(fā)展方向的影響作用也越大。種的重要值通常是綜合種的多度、頻度和顯著度指標(biāo)計算得出,一般由相對多度、相對頻度和重要值三者和的均值來表示[5]。
3.1.1分布函數(shù)法
利用Excel(Excel 2016)和ForStat(ForStat 2.2)軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù),繪制林分直徑分布曲線,采用正態(tài)分布函數(shù)、指數(shù)分布函數(shù)和韋伯分布函數(shù)分齡組對思茅松天然林分直徑結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究(表2~表5,圖2~圖5)。
圖5 思茅松天然成熟林分布函數(shù)擬合
表5 思茅松天然成熟林分直徑擬合數(shù)據(jù)及結(jié)果
由表2可以看出,所有選用的函數(shù)關(guān)于思茅松天然幼齡林的擬合均存在不同程度的誤差,其中總相對誤差大小排序依次為:指數(shù)分布函數(shù)>正態(tài)分布函數(shù)>韋伯分布函數(shù);平均相對誤差大小排序依次為:正態(tài)分布函數(shù)>指數(shù)分布函數(shù)>韋伯分布函數(shù);平均相對絕對誤差大小排序依次為:正態(tài)分布函數(shù)>指數(shù)分布函數(shù)>韋伯分布函數(shù);在預(yù)估精度方面大小排序依次為:韋伯分布函數(shù)>正態(tài)分布函數(shù)>指數(shù)分布函數(shù)。綜上所述,韋伯分布函數(shù)能夠較好地擬合思茅松天然幼齡林分直徑結(jié)構(gòu)。
表2 思茅松天然幼齡林分直徑擬合數(shù)據(jù)及結(jié)果
由圖2可以看出,小徑階株數(shù)遠(yuǎn)多于大徑階株數(shù),且隨著直徑的增大,林木株數(shù)開始急劇減少,直徑達(dá)到16 cm后,株數(shù)減少幅度相對穩(wěn)定,但在直徑20 cm時,株數(shù)略有增長,后又下降漸趨平緩,且韋伯分布函數(shù)能夠較好地跟隨擬合。
圖2 思茅松天然幼齡林分布函數(shù)擬合
由表3可以看出,所有選用的函數(shù)關(guān)于思茅松天然中齡林的擬合均存在不同程度的誤差,其中總相對誤差大小排序依次為:指數(shù)分布函數(shù)>正態(tài)分布函數(shù)>韋伯分布函數(shù);平均相對誤差大小排序依次為:正態(tài)分布函數(shù)>指數(shù)分布函數(shù)>韋伯分布函數(shù);平均相對絕對誤差大小排序依次為:正態(tài)分布函數(shù)>指數(shù)分布函數(shù)>韋伯分布函數(shù);預(yù)估精度大小排序依次為:韋伯分布函數(shù)>正態(tài)分布函數(shù)>指數(shù)分布函數(shù)。綜上所述,韋伯分布函數(shù)能夠較好地擬合思茅松天然中齡林分直徑結(jié)構(gòu)。
表3 思茅松天然中齡林分直徑擬合數(shù)據(jù)及結(jié)果
由圖3可以看出,小徑階株數(shù)遠(yuǎn)多于大徑階株數(shù),且隨著直徑的增大,林木株數(shù)減少程度有起伏,甚至在直徑18、22、30 cm處略有增加,但總體呈下降趨勢,后又下降漸趨平緩,韋伯分布函數(shù)能夠較好地跟隨擬合。
圖3 思茅松天然中齡林分布函數(shù)擬合
由表4可以看出,所有選用的函數(shù)關(guān)于思茅松天然近熟林的擬合均存在不同程度的誤差,其中總相對誤差大小排序依次為:指數(shù)分布函數(shù)>正態(tài)分布函數(shù)>韋伯分布函數(shù);平均相對誤差大小排序依次為:正態(tài)分布函數(shù)>指數(shù)分布函數(shù)>韋伯分布函數(shù);平均相對絕對誤差大小排序依次為:正態(tài)分布函數(shù)>指數(shù)分布函數(shù)>韋伯分布函數(shù);預(yù)估精度大小排序依次為:韋伯分布函數(shù)>正態(tài)分布函數(shù)>指數(shù)分布函數(shù)。綜上所述,韋伯分布函數(shù)能夠較好地擬合思茅松天然近熟林分直徑結(jié)構(gòu)。
表4 思茅松天然近熟林分直徑擬合數(shù)據(jù)及結(jié)果
由圖4可以看出,小徑階株數(shù)要遠(yuǎn)多于大徑階株數(shù),且隨著直徑的增大,林木株數(shù)開始急劇減少,直徑達(dá)到10 cm后,株數(shù)減少幅度相對穩(wěn)定,略有起伏,當(dāng)直徑達(dá)到18 cm時,株數(shù)又一次急速降低至24 cm處,最后又平緩下降,且韋伯分布函數(shù)能夠較好地跟隨擬合,預(yù)估精度達(dá)到91.6%。
圖4 思茅松天然近熟林分布函數(shù)擬合
由表5可以看出,所有選用的函數(shù)關(guān)于思茅松天然成熟林的擬合均存在不同程度的誤差,其中總相對誤差大小排序依次為:指數(shù)分布函數(shù)>正態(tài)分布函數(shù)>韋伯分布函數(shù);平均相對誤差大小排序依次為:正態(tài)分布函數(shù)>指數(shù)分布函數(shù)>韋伯分布函數(shù);平均相對絕對誤差大小排序依次為:正態(tài)分布函數(shù)>指數(shù)分布函數(shù)>韋伯分布函數(shù);預(yù)估精度大小排序依次為:韋伯分布函數(shù)>正態(tài)分布函數(shù)>指數(shù)分布函數(shù)。綜上所述,韋伯分布函數(shù)能夠較好地擬合思茅松天然成熟林分直徑結(jié)構(gòu)。
由圖5可以看出,小徑階株數(shù)遠(yuǎn)多于大徑階株數(shù),且隨著直徑的增大,林木株數(shù)開始急劇減少,直徑達(dá)到16 cm后,株數(shù)減少幅度相對穩(wěn)定,略有起伏,當(dāng)直徑達(dá)到24 cm時,株數(shù)突然增加又急劇降低至平緩,且韋伯分布函數(shù)能夠較好地跟隨擬合,預(yù)估精度達(dá)到93.6%。
由分布函數(shù)擬合圖可以看出,4個不同齡組的林分內(nèi),小徑階株數(shù)均遠(yuǎn)大于大徑階株數(shù),且隨著直徑的增大,整體呈下降趨勢。4個齡組林分直徑結(jié)構(gòu)擬合精度最高的均為韋伯分布函數(shù),大小排序依次為:中齡林>幼齡林>成熟林>近熟林。各齡組林木直徑分布特征見表6。
表6 各齡組林木直徑分布特征值
由表6可以看出,各齡組的平均胸徑從9.50~13.60 cm,偏度系數(shù)均為正值,徑階分布曲線均為左偏。除近熟林,其他齡組的峰度系數(shù)均為正值,徑階分布曲線均為尖頂峰。總體來看,幼齡林組的偏度和峰度系數(shù)均最高,其徑階分布曲線為左偏集中尖頂峰型;近熟林的偏度系數(shù)接近零,且其峰度系數(shù)為負(fù)值,徑階分布曲線為左偏離散平頂峰型。一定程度上說明,在幼齡林階段,林木主要集中在小、中徑階,隨著年齡的增長,林木在各徑階上均有分布,逐漸接近于正態(tài)分布。
3.1.2株數(shù)累積分布
利用Excel軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù),繪制林分株數(shù)累積分布曲線,分析林分直徑分布形狀、特點及變化規(guī)律(表7,圖6)。
表7 思茅松林分相對直徑與株數(shù)累積百分?jǐn)?shù)
由表7和圖6可以看出,當(dāng)相對直徑為1.0(林分平均直徑為14.1 cm)時,株數(shù)累積百分?jǐn)?shù)約為64%,且林分直徑變動幅度較大,最大林木直徑約為林分平均直徑的3.6倍,說明林分內(nèi)林木直徑差異較大,林分直徑結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性。
圖6 株數(shù)占比累積曲線
利用Excel軟件處理相關(guān)數(shù)據(jù),計算樣地內(nèi)各樹種的相對多度、相對顯著度、相對頻度和重要值,分析各樣地林分樹種組成。組成樹種主要有思茅松(Pinuskesiy)、錐連櫟(QuercusfranchetiiSkan)、茶梨(AnnesleafragransWall)、紅木荷(SchimaReinw)、木荷(Schimasuperba)、樺木(Betula)、南燭(VacciniumbracteatumThunb)、余甘子(PhyllanthusemblicaL)、西南樺(BetulaalnoidesBuch.-Ham. ex D. Don)、紅椿(ToonaciliataRoem)、麻櫟(QuercusacutissimaCarruth)、火繩樹(KydiacalyinaRoxb)、栲樹(CastanopsisfargesiiFranch)、毛葉青岡(Cyclobalanopsiskerrii(Craib) Hu)、栓皮櫟(QuercusvariabilisBl)、榕樹(FicusmicrocarpaLinn. F)、高山栲(Castanopsisdelavayi)、密花樹(Rapanea)、鈍葉黃檀(Dalbergiaobtusifolia(Baker) Prain)、鹽膚木(RhuschinensisMill)、槲櫟(QuercusalienaBl)、毛葉黃杞(EngelbardtiacolebrookianaLindl)等(表8)。
表8 林分樹種組成
續(xù)表8
續(xù)表8
續(xù)表8
由表8可以得出,在研究的14塊標(biāo)準(zhǔn)樣地中共有42個樹種,主要樹種有思茅松、南燭、其他軟闊類、麻櫟、華南石櫟、楊梅、高山栲、川梨和紅木荷等。據(jù)統(tǒng)計,樣木總株數(shù)共1 503株,其中思茅松1 032株,占全林分的68.66%;殼斗科櫟類96株,占6.39%;其他軟闊類98株,占6.52%;木荷57株,占3.79%;殼斗科栲樹類20株,占1.33%;其他樹種200株,占13.31%。在所有標(biāo)準(zhǔn)地中可以明顯看出,思茅松在株數(shù)和相對多度上占據(jù)絕對數(shù)量優(yōu)勢,且在全林分中占比達(dá)68.73%,表明研究區(qū)域內(nèi)思茅松在整個林分中占據(jù)主要優(yōu)勢,而其他樹種均呈現(xiàn)不同程度的弱勢,此結(jié)果與現(xiàn)地真實情況較為接近。研究區(qū)內(nèi)思茅松天然林分主要呈現(xiàn)純林或相對純林的樹種結(jié)構(gòu),其他伴生樹種很少。
從各樣地單株樹種的數(shù)量看,除1、8和13號標(biāo)準(zhǔn)樣地,其他標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)均有一定比例的單株樹種,其中6、9、10、11和14號標(biāo)準(zhǔn)樣地均超過3個不同樹種,主要的單株樹種為樺木、木荷、南燭、小葉青岡、旱冬瓜、云南黃杞、川梨、木麻黃、歪葉榕、腺葉桂櫻、櫻桃、麻櫟、純?nèi)~黃檀、茶梨、崗柃和女貞等,說明以上樣地均有不同的伴生樹種,但所占比例較小。從胸徑大小來看,各單株樹種均在其各自的樣地中占據(jù)一定的優(yōu)勢地位,多以霸王樹的形式存在,如4號標(biāo)準(zhǔn)地的麻櫟,胸徑達(dá)16.1 cm,其優(yōu)勢種思茅松的平均胸徑也僅為11.1 cm;9號標(biāo)準(zhǔn)樣地的木荷和旱冬瓜,胸徑更是分別達(dá)40.5 cm和21.5 cm,其優(yōu)勢種思茅松的平均胸徑僅為16.9 cm,存在較大差距;14號標(biāo)準(zhǔn)樣地的歪葉榕,胸徑達(dá)42.8 cm,其優(yōu)勢種思茅松的平均胸徑僅為13.2 cm,差距明顯。然而,有些樣地的單株樹種卻表現(xiàn)與此完全相反,如5號標(biāo)準(zhǔn)樣地的余甘子,胸徑僅為5.9 cm,7號標(biāo)準(zhǔn)樣地的青岡,胸徑僅為5.4 cm,10號標(biāo)準(zhǔn)樣地的川梨,胸徑僅為5.6 cm,11號標(biāo)準(zhǔn)樣地的櫻桃,胸徑僅為6.0 cm。以上樹種的胸徑均與樣地的優(yōu)勢種存在很大差距,這些單株樹種均在其各自的林分中處于絕對劣勢地位。
從相對顯著度看,思茅松處于絕對的優(yōu)勢,除11號標(biāo)準(zhǔn)樣地外,其他所有樣地的思茅松占比均為最大,均大于66.01%,11號標(biāo)準(zhǔn)樣地的思茅松占比僅為19.99%,而紅椿占比達(dá)40.59%,但紅椿數(shù)量僅為3株,其平均胸徑卻達(dá)到46.0 cm,這也解釋了紅椿的相對顯著度為何會很高。剩余樹種的相對顯著度基本低于10%,高于10%的較少,主要有6號標(biāo)準(zhǔn)樣地的麻櫟、7號標(biāo)準(zhǔn)樣地的西南樺、11號標(biāo)準(zhǔn)樣地的華南石櫟和其他軟闊類、12號和13號標(biāo)準(zhǔn)樣地的紅木荷以及14號標(biāo)準(zhǔn)樣地的歪葉榕。而在全林分中思茅松的相對顯著度達(dá)78.15%,更表明了思茅松的優(yōu)勢地位。
從相對頻度看,思茅松在14個標(biāo)準(zhǔn)樣地中均有出現(xiàn),相對頻度達(dá)到所有樹種的最高值,為13.48%;其次是其他軟闊類,出現(xiàn)在10塊標(biāo)準(zhǔn)樣地中,相對頻度為9.62%;再者是紅木荷,相對頻率為7.70%;其余分別為茶梨、麻櫟、南燭、余甘子、木荷、川梨、櫟類、樺木、紅椿等僅出現(xiàn)在1~2個樣地且相對頻率較低的樹種。
從重要值可以看出,思茅松在14個標(biāo)準(zhǔn)樣地中的重要值均為最大,其中1、2、3、4、5、8、10、13和14號標(biāo)準(zhǔn)地思茅松的重要值均在55%以上,表現(xiàn)出絕對的重要性,6、7、9和12號標(biāo)準(zhǔn)地中思茅松的重要值相比以上樣地則未與其他樹種拉開絕對距離,但依然表現(xiàn)出相對的重要性,而在11號標(biāo)準(zhǔn)地中,除思茅松外,紅椿和其他軟闊類樹種的重要值均在13%以上,加上華南石櫟的8.73%,三者的重要值達(dá)到37.16%,思茅松的重要值僅為26.52%,進(jìn)一步擠占了思茅松的重要性,說明樣地中不同樹種的競爭較為激烈。而在全林分中,思茅松的重要值達(dá)53.45%,展現(xiàn)了絕對的重要性。
綜上所述,在研究區(qū)域,思茅松呈現(xiàn)絕對優(yōu)勢,但由于每個樣地的伴生樹種種類和數(shù)量不同,其優(yōu)勢度呈現(xiàn)一定的波動,而其它樹種則表現(xiàn)出不同程度的弱勢。
利用位于云南省鎮(zhèn)沅縣以思茅松為優(yōu)勢樹種的14塊標(biāo)準(zhǔn)典型樣地為研究對象,采用分布函數(shù)擬合思茅松天然林分直徑結(jié)構(gòu),對思茅松天然林分直徑分布、樹種組成等進(jìn)行綜合分析,以探討思茅松天然林分的非空間結(jié)構(gòu)規(guī)律,為改善其林分結(jié)構(gòu)以及提高林分質(zhì)量提供新的途徑。
1)對林分直徑結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果表明,韋伯分布函數(shù)對思茅松天然林分直徑分布擬合效果最好,且小徑階樹木株數(shù)最多,隨著直徑的增大,林木株數(shù)開始急劇減少,達(dá)到一定直徑后,株數(shù)減少幅度漸趨平緩。各齡組的偏度系數(shù)均為正值,徑階分布曲線均為左偏;除近熟林外,其他齡組的峰度系數(shù)均為正值,徑階分布曲線均為尖頂峰。
2)對樹種組成的研究結(jié)果表明,在思茅松天然林分中,林分樹種數(shù)量不一,但其他伴生樹種的數(shù)量很少,基本以思茅松純林或相對純林為主,且伴生有櫟類、其他軟闊類、木荷、南燭、青岡、栲樹等樹種,其在林分中表現(xiàn)出不同程度的劣勢,而思茅松在其中占據(jù)絕對優(yōu)勢。
研究中所有實測樣木均為胸徑≥5 cm的有明顯主干的喬木或灌木樹種,缺少了胸徑為5 cm以下的林木,可能導(dǎo)致思茅松天然林分直徑分布由不對稱的山狀曲線變?yōu)轭愃品碕型曲線,需在下一步研究中進(jìn)一步補充和完善。