小興安嶺白樺落葉松混交林空間結(jié)構(gòu)特征

高秀華

（大興安嶺林業(yè)集團(tuán)公司，黑龍江 加格達(dá)奇 165000）

0 引言

林分空間結(jié)構(gòu)能夠決定林木間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系及林木空間生態(tài)位，林分空間結(jié)構(gòu)是否合理，將會(huì)對(duì)林木的生長(zhǎng)狀態(tài)產(chǎn)生影響，在一定程度上可以決定森林的穩(wěn)定性、經(jīng)營(yíng)空間的大小以及森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的可能性[1]。林分空間結(jié)構(gòu)由樹種的生物學(xué)特性、林分經(jīng)營(yíng)措施及林木的生長(zhǎng)環(huán)境共同作用形成，是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要屬性[2]，是森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的關(guān)鍵因素[3]。

目前已有學(xué)者利用角尺度、混交度、大小比數(shù)等空間結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)林木個(gè)體的水平分布格局、樹種的空間隔離程度和林木個(gè)體的競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)等開展了研究。崔成乘等[4]采用聚集度、角尺度、大小比數(shù)、競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)、空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)等對(duì)北京通州平原生態(tài)林的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了評(píng)價(jià)；張向龍等[5]基于角尺度、混角度和大小比數(shù)分析了內(nèi)蒙古大興安嶺白樺（Betula platyphylla）次生中幼齡林的空間結(jié)構(gòu)；和敬淵等[6]采用角尺度、大小比數(shù)和混角度等空間結(jié)構(gòu)參數(shù)分析了吉林省金溝林場(chǎng)不同天然起源的楊樺（Populusdavidiana-Betula platyphylla）次生林空間結(jié)構(gòu)；劉銘波等[7]選取角尺度、大小比數(shù)、混角度、密集度及林層指數(shù)分析了山西靈空山典型天然林空間結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)生產(chǎn)力的影響。但對(duì)小興安嶺林分空間結(jié)構(gòu)特征的研究相對(duì)較少。

本研究利用溪水國(guó)家森林公園白樺落葉松（Larix gmelinii）混交林為研究對(duì)象，利用角尺度、混交度、大小比數(shù)、林分空間結(jié)構(gòu)距離和林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)，分析了白樺落葉松混交林的空間結(jié)構(gòu)特征，以期為小興安嶺白樺落葉松混交林的科學(xué)經(jīng)營(yíng)和森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升提供一定科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于上甘嶺林業(yè)局溪水國(guó)家級(jí)森林公園境內(nèi)，地處小興安嶺中斷，屬湯旺河流域，森林公園總面積4 580公頃。該區(qū)域?qū)俦睖貛Т箨懶詽駶?rùn)季風(fēng)氣候，冬季嚴(yán)寒干燥，夏季溫暖多雨；冬季受極地大陸氣團(tuán)影響，多西北風(fēng)；夏季受亞熱帶海洋氣團(tuán)影響，多東南風(fēng)；全年無霜期87～102天；年平均氣溫1.6℃，年平均降水量584毫米。該區(qū)域植被屬長(zhǎng)白山植物區(qū)系小興安嶺亞系，地帶性植被主要有闊葉紅松林、云冷杉林、蒙古櫟林、楊樺林、白樺林、落葉松林，主要喬木樹種有紅松、落葉松、云杉、冷杉、楓樺、白樺、青楊、椴樹、蒙古櫟、色木槭、黃菠蘿、水曲柳、胡桃楸等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置和調(diào)查

2022年6 月在溪水國(guó)家級(jí)森林公園內(nèi)設(shè)置100米×100米的白樺落葉松混交林樣地，平均海拔318米，林分郁閉度0.7，樹種組成4白樺3落葉松1黑樺1蒙古櫟1雜木。采用相鄰格子法把樣地劃分為100個(gè)10米×10米的調(diào)查單元，對(duì)每個(gè)調(diào)查單元進(jìn)行每木調(diào)查和坐標(biāo)定位。在每木調(diào)查中，對(duì)樣地內(nèi)胸徑≥5厘米的喬木進(jìn)行測(cè)量，記錄樹種和胸徑。在坐標(biāo)定位中，以樣地西南角為坐標(biāo)原點(diǎn)，利用RTK對(duì)樣地內(nèi)胸徑≥5厘米的喬木進(jìn)行坐標(biāo)定位。樣地基本信息及林木點(diǎn)格局分布見表1、圖1。

表1 樣地基本信息

圖1 樣地內(nèi)林木點(diǎn)格局分布

2.2 喬木樹種的重要值

重要值能夠反映不同喬木樹種在群落中的地位和作用，可以通過相對(duì)多度、相對(duì)頻度和相對(duì)優(yōu)勢(shì)度計(jì)算[8]，計(jì)算公式如下：

2.3 空間結(jié)構(gòu)分析單元的確定

利用空間結(jié)構(gòu)分析單元，對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，不僅能夠利用林木本身的特性，還可以對(duì)林木與相鄰木間的關(guān)系進(jìn)行分析，有助于對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)的全面認(rèn)識(shí)[9]。研究表明參照木與4株最近相鄰木構(gòu)成的結(jié)構(gòu)關(guān)系，空間結(jié)構(gòu)信息比較完整，可操作性強(qiáng)，因此本研究利用參照樹和4株最近相鄰木作為最佳空間結(jié)構(gòu)分析單元。

2.4 邊緣矯正

樣地邊緣參照木的相鄰木可能位于樣地外，因此為防止邊緣效應(yīng)的產(chǎn)生，在整個(gè)樣地的林分邊緣設(shè)置5米的緩沖帶，進(jìn)行邊緣矯正。

2.5 林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

本研究基于林分中任意1株參照木與最近相鄰的4株對(duì)照木構(gòu)成的基本結(jié)構(gòu)單元計(jì)算林分的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)[10]。為分析小興安嶺白樺落葉松混交林的林木競(jìng)爭(zhēng)大小分化程度、林木水平分布格局及空間隔離程度，采用大小比數(shù)、角尺度和混交度來分析林分空間結(jié)構(gòu)情況。林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表2 林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)

利用林分空間結(jié)構(gòu)距離和林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)[5]可以從整體上對(duì)林分的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。林分空間結(jié)構(gòu)距離（FSSD）表示林分空間結(jié)構(gòu)和理想結(jié)構(gòu)之間的遠(yuǎn)離和逼近程度[6，11]。公式如下：

式中，M為平均混交度；U為平均大小比數(shù)；W為平均角尺度。FSSD取值范圍為[0,1.5]。林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)（FSSI）表示林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的投入與林分整體空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)出間的關(guān)系[6，11]。公式如下：

式中：M為平均混交度；U為平均大小比數(shù)；W為平均角尺度。FSSI取值范圍為[0,1]。

2.6 數(shù)據(jù)分析與處理

本研究利用Winkelmass 1.0軟件計(jì)算角尺度（W）、混角度（M）和大小比數(shù)（U）；利用Excel計(jì)算林分空間結(jié)構(gòu)距離（FSSD）和林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)（FSSI）及作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 白樺落葉松混交林樹種組成特征

1公頃白樺落葉松混交林樣地內(nèi)共有17個(gè)樹種，樣地內(nèi)重要值≥1%的喬木樹種共14種，排在前4位的分別是白樺、落葉松、黑樺和柞樹，分別為22.80%、21.61%、11.50%和10.13%。云杉相對(duì)優(yōu)勢(shì)度最大為25.65%，但僅有11株，屬于樣地內(nèi)的散生木。樣地內(nèi)樹種組成及重要值見表3。

表3 樣地內(nèi)樹種組成及重要值

3.2 白樺落葉松混交林徑級(jí)結(jié)構(gòu)

樣地內(nèi)白樺的平均胸徑為14.14厘米，分布在5～18厘米徑級(jí)范圍內(nèi)的白樺246株，占白樺總株數(shù)的83.40%；白樺大徑級(jí)木（胸徑≥30厘米）21株，占落葉松總株數(shù)的7.12%。

落葉松平均胸徑17.25厘米，分布在5～18厘米徑級(jí)范圍內(nèi)的落葉松185株，占落葉松總株數(shù)的75.20%；落葉松大徑級(jí)木（胸徑≥30厘米）53株，占落葉松總株數(shù)的21.54%。樣地內(nèi)主要樹種徑級(jí)分布情況見圖2。

圖2 樣地內(nèi)主要樹種徑級(jí)分布

3.3 白樺落葉松混交林空間結(jié)構(gòu)參數(shù)零元分布

零元分布是指用林分內(nèi)角尺度（W）、混交度（M）和大小比數(shù)（U）的平均值來描述林分空間結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。林分平均角尺度（W）在[0.475,0.517]范圍時(shí)，為隨機(jī)分布；當(dāng)W＜0.475時(shí)，為均勻分布；當(dāng)W＞0.517時(shí)，為聚集分布[10]。林分的平均角尺度為0.540，說明整個(gè)林分呈聚集分布格局；林分的平均混交度為0.539，說明整個(gè)林分呈中度混交狀態(tài)；林分的平均大小比數(shù)為0.497，說明整個(gè)林分呈中庸?fàn)顟B(tài)。

3.4 白樺落葉松混交林空間結(jié)構(gòu)參數(shù)一元分布

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，林分角尺度（W）呈正態(tài)分布，W=0.5時(shí)，林木個(gè)體所占的比例最高，為57.74%；W=0和W=1時(shí)，林木個(gè)體所占的比例最小，分別為0.52%和7.72%。說明林分中處于隨機(jī)分布狀態(tài)的林木個(gè)體數(shù)量占多數(shù)，而非常均勻和非常不均勻的個(gè)體比例較小。

圖3 角尺度分布頻率

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，林分混交度（M）從零度到極強(qiáng)度混交的林木個(gè)體數(shù)量呈先增加后減小的趨勢(shì)，M=0.5時(shí)，林分中林木個(gè)體所占的比例最高，為23.45%；M=0.75和M=1時(shí)，林分中林木個(gè)體所占的比例分別為22.57%和20.34%。說明林分中處于中度以上混交狀態(tài)的林木占多數(shù)。

圖4 混交度分布頻率

圖5可以發(fā)現(xiàn)，林分中不同大小比數(shù)（U）林木的個(gè)體數(shù)量基本相同，說明林分中各樹種的大小分化程度不明顯。

圖5 大小比數(shù)分布頻率

3.5 白樺落葉松混交林空間結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布

空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的二元分布能夠在多維度上更好地發(fā)掘林分空間結(jié)構(gòu)信息，比零元和一元分布在空間結(jié)構(gòu)特征分析中具有更強(qiáng)的解析能力[12]。角尺度（W）-大小比數(shù)（U）的二元分布見圖6。隨著角尺度（W）等級(jí)的增加，對(duì)應(yīng)的大小比數(shù)（U）的相對(duì)頻率呈先增加后減小的趨勢(shì)，整體上呈現(xiàn)正態(tài)分布的規(guī)律。當(dāng)W=0.5時(shí)，大小比數(shù)各等級(jí)的值均最大，林分中林木個(gè)體總相對(duì)頻率值為57.75%，說明整個(gè)林分中有57.75%的林木處于隨機(jī)分布狀態(tài)。

圖6 角尺度和大小比數(shù)的二元分布

角尺度（W）-混交度（M）的二元分布見圖7。隨著角尺度（W）等級(jí)的增加，混交度（M）的相對(duì)頻率整體呈先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)W=0.5時(shí)，混交度各等級(jí)的值均最大，說明處于同一混交等級(jí)的林木個(gè)體主要呈隨機(jī)分布；W=1或W=0時(shí)，混交度各等級(jí)的值均較小，說明角尺度太大或太小都對(duì)林分混交度的提升產(chǎn)生不利影響。

圖7 角尺度和混交度的二元分布

混交度（M）-大小比數(shù)（U）的二元分布見圖8。同一大小比數(shù)的林木在不同混交狀態(tài)下的相對(duì)頻率有所不同，林分中U=0.5，M=0.5的林木個(gè)體相對(duì)頻率最高，為6.69%。

圖8 混交度和大小比數(shù)的二元分布

3.6 白樺落葉松混交林空間結(jié)構(gòu)距離與空間結(jié)構(gòu)指數(shù)

研究發(fā)現(xiàn)林分空間結(jié)構(gòu)距離在[0,1.5]范圍內(nèi)，取值越小，說明林分結(jié)構(gòu)越理想；林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)在[0,1]范圍內(nèi)，取值越大，說明林分結(jié)構(gòu)越優(yōu)化。林分空間結(jié)構(gòu)距離為0.679，林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)為0.630，說明研究區(qū)域內(nèi)白樺落葉松混交林空間結(jié)構(gòu)一般。

4 結(jié)論與討論

本文利用小興安嶺地區(qū)溪水國(guó)家級(jí)森林公園1公頃的白樺落葉松混交林為研究對(duì)象，采用樹種組成、徑級(jí)結(jié)構(gòu)2個(gè)非空間結(jié)構(gòu)參數(shù)；角尺度、混交度和大小比數(shù)等空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了白樺落葉松混交林的空間結(jié)構(gòu)特征。研究發(fā)現(xiàn)白樺落葉松混交林樣地內(nèi)共有17個(gè)樹種，白樺和落葉松為主要樹種，重要值分別為22.80%、21.61%；樣地內(nèi)白樺平均胸徑14.14厘米，落葉松平均胸徑17.25厘米。

白樺落葉松林空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的零元分布發(fā)現(xiàn)，林分的平均角尺度為0.540，說明林分整體上呈聚集分布。而在一元分布模式下，角尺度（W）為0.5時(shí)，林分中林木個(gè)體所占的比例最高，即有57.74%的林木處于隨機(jī)分布狀態(tài)，說明角尺度的均值僅能反映林分的整體分布狀態(tài)，這與付翠林等[13]研究柏木人工林空間結(jié)構(gòu)特征及其評(píng)價(jià)和張君鈺等[14]研究油松林林分空間結(jié)構(gòu)分析及評(píng)價(jià)指數(shù)構(gòu)建的研究結(jié)果相似。

林分的平均混交度為0.539，說明林分整體上呈中度混交狀態(tài)；林分的平均大小比數(shù)為0.497，林分中不同大小比數(shù)林木的個(gè)體數(shù)量基本相同，說明整個(gè)林分呈中庸?fàn)顟B(tài)。

根據(jù)林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的二元分布特征發(fā)現(xiàn)，在角尺度（W）和大小比數(shù)（U）關(guān)系中，隨著角尺度（W）等級(jí)的增加，對(duì)應(yīng)的大小比數(shù)（U）的相對(duì)頻率呈先增加后減小的趨勢(shì)，整體上呈現(xiàn)正態(tài)分布的規(guī)律。這與孫明港等[15]對(duì)長(zhǎng)白山地區(qū)白樺紅松混交林結(jié)構(gòu)特征分析和付翠林等[13]對(duì)柏木人工林空間結(jié)構(gòu)特征及其評(píng)價(jià)研究結(jié)果相似。在角尺度（W）和混角度（M）關(guān)系中，隨著角尺度（W）等級(jí)的增加，混交度（M）的相對(duì)頻率整體呈先增加后減小的趨勢(shì)，當(dāng)角尺度（W）為1或0時(shí)，混交度各等級(jí)的值均較小，說明角尺度太大或太小都對(duì)林分混交度的提升產(chǎn)生不利影響，這與梁文俊等[16]研究結(jié)果一致。在混交度（M）和大小比數(shù)（U）關(guān)系中，混交度和大小比數(shù)關(guān)系不明顯。

綜合上述情況，白樺落葉松混交林的空間分布整體呈聚集分布，中度混交狀態(tài)，林木分化程度中庸，林分的結(jié)構(gòu)未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)[13]，這與林分空間結(jié)構(gòu)距離和空間結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)果一致。在長(zhǎng)期未受到干擾的天然林分中，林分空間結(jié)構(gòu)呈隨機(jī)分布[17]，林分混交度越高，空間結(jié)構(gòu)越優(yōu)化[18]，林木分化程度處于中庸?fàn)顟B(tài)時(shí)林分越穩(wěn)定[19]，因此在今后的森林經(jīng)營(yíng)中，要保留角尺度（W）為0.5的林木個(gè)體，選擇聚集分布的林木作為采伐目標(biāo)，進(jìn)而使林分空間分布格局由聚集分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機(jī)分布；在此基礎(chǔ)上要選擇大小比數(shù)（U）為0.75和1的林木作為次選采伐目標(biāo)，將林分中處于劣勢(shì)或絕對(duì)劣勢(shì)的林木伐除。在補(bǔ)植補(bǔ)造方面，在林間空地上補(bǔ)植合適的樹種，提高林分混交度，增強(qiáng)林分空間異質(zhì)性。