遼東山區(qū)紅松人工林空間分布格局研究

王 剛

（遼寧省森林經營研究所，遼寧 丹東 118002）

林分空間對林分的生長、穩(wěn)定、經營等有著十分重要的影響。為研究林分空間分布情況，1954年Clark等研究提出，林木中林分的分布格局為隨機分布、均勻分布、團狀分布[1]。1999年，惠剛盈采用角尺度對個體林木分布格局進行探索研究[2]。經過多年發(fā)展，角尺度已經成為研究林分空間分布情況的重要參數。在相關研究中，采用距離緩沖區(qū)、8鄰域平移式、8鄰域對稱式和第4鄰體距離判定法對形狀規(guī)整的樣地進行研究[3-4]。由于樣地邊界形狀不規(guī)則，很難采用以上方法進行研究。本文嘗試采用剔除邊界木的方法研究調查樣地的空間分布情況。

調查樣地具有較長的人為經營行為干擾歷程，研究該樣地當前的林木空間結構狀況，檢驗樣地林木生長狀況，分析歷史經營行為的效果，為進一步提高森林經營效果提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究樣地位于遼寧省本溪市本溪滿族自治縣草河口鎮(zhèn)（123.908° E，40.869° N），地處沈丹屋脊，長白山余脈，平均海拔310 m，四周皆山，山嶺重疊，林地坡度為10°～20°。屬溫帶氣候，溫度低，雨量大，冬季干冷，年均氣溫6.5 °C，最低氣溫-31.7 °C，最高氣溫36.7 °C，≥10℃的年積溫2 829.7℃，年均降水量926.3 mm，年蒸發(fā)量900～1 000 mm。相對濕度74%，無霜期150 d左右。土壤為山地棕色森林土，土層厚度為30～50 cm，pH值為5.5～6.5，疏松肥沃，透水性良好，有機質含量3%～5%。研究區(qū)于1949年春造林，林齡73 a，為我國解放后第一片人工紅松林，主要樹種為紅松Pinus koraiensis。灌木有榛子、忍冬、繡線菊等。草本植物有羊胡苔草、烏頭、大葉獐、和尚草、鳳毛菊等。自造林以來，根據經營需求，長期對樣地林木進行修枝、撫育等人為措施，2013年進行輕度擇伐1次。

2 研究方法

2.1 數據采集與樣地概況

2018年10 月，使用佳明GPSmap（621sc）測量GPS坐標，對樣地內紅松林木進行每木檢尺，記錄胸徑、GPS坐標。

調查樣地林地面積4.9 hm2，坡向東北，平均樹高22.0 m，樣地林木為463株。圖1中位于坐標（100，260）附近的空白區(qū)域為山路交叉口。

圖1 林木分布情況

2.2 指標分析方法

利用林分空間結構參數中的角尺度值分析樣地林木格局，參照角尺度（Wi）概念[2，5-7]，

式中：當第j個α角小于標準角α0時，zij為1，否則zij為0。取相鄰木個數n=4。Wi=0.50的林木為隨機木，Wi為0或0.25為均勻木，Wi為0.75或1為聚集木。

2.3 數據處理與計算

采用forest模塊腳本[8]在python（3.9.1）中完成相關數據計算。geohash（1.0）默認采用Peano曲線空間填充算法[9]，根據Peano曲線填充算法索引目標樹8鄰位區(qū)域，在索引區(qū)域內計算距離最近的4株相鄰木。如圖1所示，樣地區(qū)域為不規(guī)則圖形，距離緩沖區(qū)、8鄰域平移式、8鄰域對稱式和第4鄰體距離判定法不適用于調查樣地，為排除邊界木的影響，采用剔除邊界木的方法，代替設置距離緩沖區(qū)。利用alphashape（1.3.1）庫，descartes（1.1.0）庫選取邊界木，從全部樣本參數中剔除邊界木角尺度值，對目標木進行分析。在選取邊界木的計算中，當alpha＞18時，alphashape庫的計算結果會將樣地劃分為兩塊樣地，故選取alpha=18進行選取邊界木。

將調查樣地內全部林木分為目標樹和邊界木兩部分，將邊界木設為樣地緩沖區(qū)，目標樹為除邊界木以外的所有林木，用目標樹的分析結果代表調查樣地林木空間分布情況。

3 結果與分析

3.1 角尺度分布特征

全部林木、目標樹、邊界木的角尺度平均值分別為0.67、0.65、0.73。全部林木、目標樹、邊界木的角尺度的分布情況如圖2所示。

圖2 全部林木、目標樹、邊界木角尺度分布數量相對頻率

邊界木的角尺度均大于零，以聚集分布為主，均勻分布數量僅占2.7%。其中有兩株位于邊界處的林木呈現均勻分布，猜測邊界木中出現均勻木與樣地邊界形狀不規(guī)則有關，調查樣地相關數據較少，有待進一步研究。

3.2 林分穩(wěn)定性特征

參照角尺度描述森林穩(wěn)定性的研究結果[6]，林木株數的相對頻率能夠表達林分結構的數量分布特征。目標樹中角尺度為0.25、0.5、0.75和1的相對頻度分別為12.34%、24.94%、49.61%和12.6%，處于聚集分布的林木居多，林分整體呈聚集分布。

3.3 林分質量特征

胸徑可以表達林分結構的質量特征[6]。紅松林樣地林分質量特征見圖3。

圖3 全部林木、目標樹、邊界木的角尺度分布的平均胸徑

如圖3所示，分別將角尺度為0.25、0.5、0.75、1的林木進行單因素方差分析，結果表明不同角尺度紅松胸徑無顯著差異（P＞0.05）。說明林分空間分布格局對紅松胸徑生長影響不顯著。

4 討論

本研究結果表明，邊界木的角尺度以≥0.5為主，如果未排除邊界區(qū)域的影響，樣地分布情況會更偏向于聚集分布，影響林木空間結構分析的準確性，與安慧君[3]、周紅敏等[4]的研究結果一致。本研究中，邊界木對樣地林木空間結構分析結果的影響偏小，未起到決定性作用。邊界木對結果影響偏小這種情況，可能有以下兩個原因：（1）選取的邊界木偏少，導致設置的緩沖區(qū)偏小，未能完全剔除邊界木對整體樣地分析結果的影響；（2）邊界木和林分整體具有相同的林分空間分布特征。調查樣地中邊界木占全林木數量的16%，對全林分的空間結構分析結果影響在16%左右，從角尺度平均值來看，邊界木對空間結構分析結果僅產生了約3%的影響。從圖1林木分布情況來看，調查樣地的林木空間分布呈現不規(guī)則分布狀態(tài)，與本文的分析結果一致。由此推斷，該調查樣地中，邊界木和林分整體具有相同的林分空間分布特征。

調查樣地的林木多以聚集分布為主，林分空間分布類型為聚集分布。從角尺度參數分析結果來看，林分空間分布格局對樣地紅松生長影響不顯著，說明角尺度株樹占比表達了數量分布特征，不能表明林分空間結構的質量特征，與惠剛盈[6]在研究森林穩(wěn)定性中提出的觀點相同。該樣地的角尺度參數可作為補植苗木的參考，提高經濟效益。自樣地造林以來，一直受到人為經營行為的干擾，經歷擇伐和自然稀疏過程，這可能是造成樣地呈現聚集分布的重要原因。參考胸徑生長情況分析結果，長期的修枝、撫育等人為措施可能有利于森林健康生長。

剔除邊界木法屬于設置距離緩沖區(qū)法。與8鄰域平移式、8鄰域對稱式和第4鄰體距離判定法相比較[3]，該方法未人為新增設緩沖區(qū)，與距離緩沖區(qū)法相比，該方法在邊界形狀不規(guī)則的樣地中具有較強的適應性。針對調查樣地，剔除邊界木法得到了與實際情況相符的結論，該方法或可以成為新的緩沖區(qū)設置方法。邊界木的選取方法尚有不足，有待近一步研究探索。