馬尾松人工林空間結(jié)構(gòu)分析與評價

尹 茜，羅海兵，汪 洋，吳文霖，黃 芳

（1.湖北生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學院，湖北武漢 430200；2.隨縣林業(yè)局，湖北隨州 431500）

林分結(jié)構(gòu)是林分發(fā)展過程中更新方式、競爭關(guān)系和自然稀疏等干擾活動的綜合反映[1]。作為森林的主要特征之一，林分結(jié)構(gòu)是影響林分生產(chǎn)力的重要因素，是決定森林是否能充分發(fā)揮其功能的前提[2]，是森林可持續(xù)經(jīng)營的重要組成部分[3-4]。一個森林的林分是否需要經(jīng)營需以林分結(jié)構(gòu)狀態(tài)為依據(jù)[5]，即林木空間分布格局、競爭關(guān)系及樹種組成等，還可從林木健康和林木多樣性等方面來判定[6]。對林分進行合理的評價，優(yōu)化森林的林分空間結(jié)構(gòu)和非空間結(jié)構(gòu)因子，有利于培育健康穩(wěn)定的森林。

以培育健康穩(wěn)定的森林為出發(fā)點，學者們先后建立了森林健康狀況評價[7]、森林自然度評價[2]和林分經(jīng)營迫切性評價[6,8-9]等方面的評價指標。相比于林分空間結(jié)構(gòu)量化分析和優(yōu)化經(jīng)營模型，林分經(jīng)營迫切性評價指標方面的研究和新方法較少[10-11]。

馬尾松（Pinus massoniana）和櫟類（QuercusL.）是湖北地區(qū)中山和低山丘陵地區(qū)地帶性植被樹種，是生態(tài)公益林的重要組成部分[12]，在湖北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境和林業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。因此，判定馬尾松人工林的經(jīng)營迫切性，調(diào)整林分的不合理指標，達到培育健康森林的目的，具有現(xiàn)實意義。本研究以馬尾松人工林為研究對象，在分析林分空間結(jié)構(gòu)和非空間結(jié)構(gòu)因子的基礎(chǔ)上，建立馬尾松人工林經(jīng)營迫切性指標，根據(jù)評價指標，判斷林分經(jīng)營的迫切性，為促進湖北地區(qū)馬尾松人工林向復(fù)層化、異齡化和混交化方向健康穩(wěn)定發(fā)展提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于武漢市江夏區(qū)湖北生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學院校內(nèi)山林（114°19′E，30°20′N），海拔53 ～92 m；屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫15.9 ～17.9 ℃，年均降水量1 347.7 mm，年均日照時長1 450 ～2 050 h，年均無霜期266 天；氣候溫暖濕潤，四季分明，熱量豐富，雨熱同期；土壤為紅黃壤。

林分為上世紀70年代人工種植的馬尾松純林，后逐漸向馬尾松-櫟類混交林轉(zhuǎn)化。馬尾松占據(jù)森林植被的主林層，但生長趨勢減退，且林地內(nèi)未見馬尾松自然更新，為鄂中南地區(qū)馬尾松林分典型特征[13]。除馬尾松外，優(yōu)勢喬木樹種有苦櫧（Castanopsis sclerophylla）、枹櫟（Quercus serrata）、樟（Cinnamomum camphora）和君遷子（Diospyros lotus）等。藤本和攀援灌木主要有紫藤（Wisteria sinensis）、凌霄（Campsis grandiflora）和菝葜（Smilax china）等；灌木主要有高粱泡（Rubus lambertianus）、檵木（Loropetalum chinense）和山胡椒（Lindera glauca）等；草本植物主要有中華薹草（Carex chinensis）、闊鱗鱗毛蕨（Dryopteris championii）和狗脊（Woodwardia japonica）等。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查

2020年3 — 5月，在查閱資料及全面踏查的基礎(chǔ)上，在試驗地選擇具有典型性和代表性的馬尾松林地并設(shè)置8個樣方，規(guī)格為20 m×20 m，記錄每個樣方的坡度、坡向、坡位和郁閉度。采用相鄰格子法，在每個樣方內(nèi)設(shè)置10 m×10 m 的喬木小樣方作為樣木因子單元，以小樣方西南角為每個樣方坐標原點，測量每株林木在樣方內(nèi)的相對位置坐標（xi，yi），記錄種名、胸徑、樹高和冠幅。以每個樣方西南角為坐標原點，整合樣方內(nèi)每株林木的相對位置坐標（x，y）。試驗地平均坡度15.9°，各樣方樹種平均7個，林分平均胸徑16.1 cm，平均樹高11.8 m，平均公頃斷面積33.8 m2/hm2，平均密度1 346.9株/hm2，林分郁閉度0.8。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 空間結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用角尺度（Wi）表示林分的水平空間分布格局[14]，采用混交度（Mi）表示不同林木在空間上的隔離程度[15]，采用林層指數(shù)（Si）描述林分的垂直結(jié)構(gòu)[10]。應(yīng)用上述4個空間結(jié)構(gòu)參數(shù)均值為林分經(jīng)營迫切性分析指標。

式中，Zij為離散型變量。當?shù)讦?＜α0（標準角）時，Zij= 1，否則Zij= 0。Wi可能取值為0.00、0.25、0.50、0.75 和1.00，對應(yīng)很均勻、均勻、隨機、不均勻和很不均勻分布[7]。當?shù)娜≈翟赱0.475，0.517]時，為隨機分布；＜0.475 時，為均勻分布；＞0.517時，為團狀分布[6]。

式中，Vij為離散型變量。當對象木與鄰近木為不同樹種時，Vij= 1，反之Vij= 0。Mi可能取值為0.00、0.25、0.50、0.75 和1.00，表示對象木與相鄰木零度混交、弱度混交、中度混交、強度混交和極強度混交[16]。以= 0.5 作為林分是否需要經(jīng)營的評判標準，即當≥0.5時，森林不需要經(jīng)營。

參考IUFRO（國際林聯(lián)）的標準劃分林層[10]。式中，Sij為離散型變量，當對象木與鄰近木所處林層不同時，Sij= 1，反之Sij= 0。Si可能取值為0.00、0.25、0.50、0.75 和1.00，表示單一、較簡單、中等、較復(fù)雜和復(fù)雜5種林層結(jié)構(gòu)[2]。以=0.25作為林分是否需要經(jīng)營的評判標準，即當≥0.25 時，森林不需要經(jīng)營。

1.3.2 樹種優(yōu)勢度

結(jié)合林木個體大小分化程度和優(yōu)勢種的顯著度，統(tǒng)計分析林分樹種優(yōu)勢度（Dsp）[6,8]，計算公式如下[8,16]：

式中，Kij為離散型變量。當對象木比相鄰參照樹j小時，Kij=1，反之Kij=0。

式中，Dg為相對顯著度；Uˉ為樹種平均大小比數(shù)。

1.3.3 林分徑級結(jié)構(gòu)

林木直徑的分配狀態(tài)直接影響林木的樹高、干形、材積、材種及樹冠等因子[17]。異齡林株數(shù)按徑級的分布可用負指數(shù)分布表示，計算公式如下[18]：

式中，N為株數(shù)；e為自然對數(shù)底；D為胸徑；a、k為常數(shù)；

將兩個相鄰徑級株數(shù)之比（q）與負指數(shù)分布聯(lián)系起來[6]，可判斷林分徑級結(jié)構(gòu)分布的合理性，計算公式如下[18]：

式中，a為負指數(shù)分布的結(jié)構(gòu)常數(shù)；h為徑級距。本研究以5 cm 為起測徑測量樣方內(nèi)所有木本植物，以2 cm 為徑階距進行計算；即當滿足a≥0.091 時，q∈[1.2，1.7]，林木的株數(shù)分布是合理的[19-21]。

林分樹種組成用樹種組成系數(shù)表達，即各樹種的蓄積量（或斷面積）占林分總蓄積量（或斷面積）的比重用十分法表示，當組成系數(shù)表達式中10%以上的項數(shù)大于或等于3 項時不需要經(jīng)營，否則需要經(jīng)營[18]。依據(jù)《森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)程》[22]評價森林更新等級。以不健康的林木株數(shù)比例超過10%為評價標準，評價林分健康狀況[8]，即當不健康林木株數(shù)比例超過10%時需要對林分進行經(jīng)營，否則不需要經(jīng)營。林木成熟是森林經(jīng)營工作中一個重要的林學指標和經(jīng)濟指標[2]，本研究以大徑級林木的胸高斷面積占比超過全部林木的胸高斷面積70%為依據(jù)判定林木成熟度（林分中大徑級林木蓄積）[23]，當林分大徑級林木蓄積超過全林積蓄的70%，可擇伐利用個別達到起測胸徑的林木，否則不需要經(jīng)營[6]（表1）。各樣方邊緣均設(shè)置2 m寬的帶狀緩沖區(qū)，消除邊緣效應(yīng)。

表1 林分經(jīng)營迫切性評價指標體系及標準Tab.1 System and criteria of stand management urgency evaluation index

1.3.4 經(jīng)營迫切性評價

林分迫切經(jīng)營指數(shù)（Mu）計算公式如下[6]：

式中，Si為第i個林分結(jié)構(gòu)指標取值；當林分結(jié)構(gòu)指標不滿足標準取值，Si=1，否則Si=0。Mu量化了林分經(jīng)營的迫切性，其值越接近于1，說明林分需要經(jīng)營的迫切性越強。Mu在[0,0.6]等距取值，可劃分為5 個等級，分別為不迫切（Ⅰ級）、一般性迫切（Ⅱ級）、比較迫切（Ⅲ級）、十分迫切（Ⅳ級）和特別迫切（Ⅴ級）（表2）[6,8]。

表2 林分經(jīng)營迫切性等級劃分Tab.2 Classification of stand management urgency level

1.3.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007 進行數(shù)據(jù)處理，采用Winkelmass 1.0計算林分空間結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 林分空間結(jié)構(gòu)

2.1.1 林木水平空間分布格局

樣方1 ～8 內(nèi)，林木隨機分布頻率分別為69.0%、61.5%、46.3%、68.8%、56.1%、63.2%、54.8%和68.3%，占比均較高（圖1）。由于其他分布類型的林木頻率不一致，每個樣方的有差異，但相差不大。樣方1、3 和4 的林木為隨機分布，樣方2、5 和7的林木為均勻分布，樣方6 和8 的林木為團狀分布（表3）。

2.1.2 林木混交程度

樹種隔離程度越高，林分越穩(wěn)定[6]。樣方4 中，林木周圍有1 株相鄰木為其他樹種的比例為62.5%，占比較大；樣方2 中，林木周圍相鄰木均為2 ～4 株不同樹種；樣方1、3、5、6、7 和8 中，林木周圍相鄰木均為2 ～4 株不同樹種的比例分別為55.1%、80.3%、82.9%、86.8%、76.2%和82.9%（圖1）。樣方4林木的＜0.5，為弱度混交，林分穩(wěn)定性較低；其他7個樣方林木的≥0.5，為中度或強度混交，林分穩(wěn)定性高（表3）。

表3 不同樣方林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3 Stand spatial structure parameters of different sample plots

圖1 不同樣方林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)分布Fig.1 Distributions of stand spatial structure parameters of different sample plots

2.1.3 林木垂直分布結(jié)構(gòu)

8個樣方林木的≥0.25，表明林分均有2個或2個以上林層，為復(fù)層林（表3）。樣方4 中，林木與1株最近相鄰木不屬于同一林層（Si=0.25）的比例達到50.0%，林層整體復(fù)雜度偏低；其他樣方中，林木至少與2 株相鄰木不屬于同一林層的比例較高，表明其林層的復(fù)雜程度較高，成層性良好（圖1）。

2.2 相鄰徑級株數(shù)之比

天然林的直徑分布呈倒“J”形，即株數(shù)按徑級以常量q值遞減，是理想的直徑分布特征。利用負指數(shù)函數(shù)對8 個樣方內(nèi)林木徑階和株數(shù)進行擬合（表4）。樣方2、3 和7 林木直徑擬合的a≥0.091，q≥1.2，表明林木徑階與株數(shù)分布合理，其余樣方q值不在1.2 ～1.7內(nèi)，表明林木徑階與株數(shù)分布不合理。

表4 不同樣方林分徑級結(jié)構(gòu)擬合參數(shù)Tab.4 Fitting parameters of stand diameter class structures of different sample plots

2.3 林分經(jīng)營迫切性評價

8 個樣方的樹種優(yōu)勢度均≥0.5，多數(shù)樣方具有良好的林分空間結(jié)構(gòu)，林下天然更新良好，健康樹木比例均≥90%；3 個樣方內(nèi)林木相鄰徑級株數(shù)之比合理；3 個樣方林木樹種組成達到3 種；各樣方林木大徑級胸徑斷面積均低于全林整體斷面積的70%（表5）。樣方2 和3 的經(jīng)營迫切性指數(shù)為0.11，經(jīng)營迫切性評價等級為一般性迫切（Ⅱ級）。其余6 個樣方經(jīng)營迫切性指數(shù)分別為0.22 ～0.44，經(jīng)營迫切性評價等級為比較迫切（Ⅲ級）和十分迫切（Ⅳ級）。

表5 不同樣方林分經(jīng)營迫切性評價指標Tab.5 Stand management urgency evaluation indexes of different sample plots

3 討論與結(jié)論

森林功能與森林結(jié)構(gòu)緊密關(guān)聯(lián)，即結(jié)構(gòu)決定功能，功能影響結(jié)構(gòu)發(fā)育[24]。從森林結(jié)構(gòu)出發(fā)，從森林經(jīng)營的多目標角度評價森林的經(jīng)營迫切性指數(shù)，從結(jié)構(gòu)指標的取值追溯到需要調(diào)整結(jié)構(gòu)的特征因子，可制定有針對性的經(jīng)營措施[6]。

林分結(jié)構(gòu)參數(shù)均值反映林分結(jié)構(gòu)狀況。作為經(jīng)營性評價指標，實踐中可能與真實空間結(jié)構(gòu)特征存在差別[6]。本研究中，樣方2 的平均角尺度為0.452，但林木隨機分布頻率（Wi=0.50）為61.5%，林分趨于隨機分布。樣方7 的林木隨機分布頻率（Wi=0.50）為54.8%，團狀分布頻率（Wi=0.75）僅為9.5%，極強度聚集分布頻率（Wi=1.00）為0，造成平均角尺度下降（=0.423），偏離林分真實空間分布特征。因此，在實際工作中，應(yīng)綜合考慮林分結(jié)構(gòu)參數(shù)均值和不同取值等級的分布特征。

5 個樣方的林木直徑分布偏離天然林分直徑分布特征，即林木直徑分布不能滿足負指數(shù)函數(shù)分布，分布不合理?？赡苁且驗椴缓侠淼牟煞?、自然災(zāi)害或病蟲害等造成林木直徑分布數(shù)量在個別徑階上較多或較少，或在個別徑階上林木分布缺失，甚至缺失的徑階較多。本研究樣方取樣范圍較小（20 m×20 m），起測林木個體數(shù)量較少。在生產(chǎn)經(jīng)營調(diào)研中，可適當增加樣方取樣面積，可減小對直徑分布水平的干擾，提高研究精度。

樹種組成影響經(jīng)營脅迫性指數(shù)。除樣方2、3和8 有3 種樹種外，其他5 個樣方的樹種組成未達到十分法要求（≥3 項）。樣方1 的優(yōu)勢樹種為馬尾松與少量苦櫧；樣方4的優(yōu)勢樹種為馬尾松，有極少量君遷子；樣方5 的優(yōu)勢樹種為馬尾松與苦櫧和少量桂花（Osmanthus fragrans）；樣方6和7的優(yōu)勢樹種為馬尾松與苦櫧，有極少量枹櫟，這可能與樣方的取樣面積較小有關(guān)。樣方內(nèi)闊葉樹種，如苦櫧、枹櫟、樟和君遷子等，幼樹或幼苗具有自然更新且生長良好，但馬尾松自然更新缺乏。由于馬尾松結(jié)實正常，缺乏自然更新的原因可能與林分內(nèi)光照條件有關(guān)，這也是湖北地區(qū)馬尾松林分更新的普遍特征[25-26]。各樣方闊葉樹種大徑級斷面積比例均較低，且樹種組成比例中，馬尾松占比高達90%，林分幾乎全部為馬尾松純林。

根據(jù)經(jīng)營迫切性評價，針對林分結(jié)構(gòu)問題，可適當伐除馬尾松弱株、松材線蟲（Bursaphelenchus xylophilus）危害的病株和影響目標樹生長的樹木，提高林分內(nèi)苦櫧、君遷子等闊葉樹種的比例，調(diào)節(jié)相鄰徑級株數(shù)之比，實現(xiàn)林分直徑分布的調(diào)整。同時調(diào)整林木的水平分布格局和林木大小分化，補植鄉(xiāng)土樹種，促進林分天然和人工更新，合理經(jīng)營，提高森林健康水平。