落葉松成熟林林分空間結(jié)構(gòu)對(duì)林下紅松幼樹高生長(zhǎng)的影響

李國偉，劉冠兵，劉 盛，羅曉君，王 斌，何 箭，王承剛

(1.北華大學(xué)林學(xué)院，吉林 吉林 132013；2.吉林省林業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，吉林 長(zhǎng)春 130022；3.吉林省臨江林業(yè)局，吉林 白山 134600；4.吉林市豐滿區(qū)國有林總場(chǎng)，吉林 吉林 132013)

落葉松(Larixgmelinii)是中國東北地區(qū)主要造林樹種之一，在東北林區(qū)占據(jù)重要地位[1].長(zhǎng)期的人工純林經(jīng)營導(dǎo)致的森林生物多樣性降低、立地條件退化、森林生產(chǎn)力下降等問題日益凸顯[2-4].研究[5-7]認(rèn)為，將落葉松人工純林改造成復(fù)層混交林，可以有效解決人工純林存在的問題[6-7]，而林下幼樹人工更新是一種快速構(gòu)建復(fù)層混交林的有效途徑[8].

林分空間結(jié)構(gòu)是林分的基本特征之一，是樹種、位置、大小和疏密等林木空間關(guān)系的綜合體現(xiàn)，在很大程度上決定了林分的健康程度、競(jìng)爭(zhēng)狀況和生長(zhǎng)潛力[9].根據(jù)惠剛盈等[10]的研究可知，當(dāng)角尺度大于等于0.75時(shí)，參照樹可以獲得更大的營養(yǎng)空間；當(dāng)角尺度小于0.5時(shí)，目標(biāo)樹會(huì)承受巨大的競(jìng)爭(zhēng)壓力；當(dāng)角尺度為0.5時(shí)，目標(biāo)樹承受的生存壓力小于相鄰木，為隨機(jī)分布.易烜等[11]認(rèn)為，各種林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)對(duì)林下更新的影響由大到小為大小比數(shù)>開敞度>聚集指數(shù)>混交度.沈海龍等[12-13]利用人工調(diào)整開敞度的方法，研究了林冠下處于演替時(shí)期的紅松，認(rèn)為將開敞度調(diào)整到1最為合理.目前，關(guān)于林分空間結(jié)構(gòu)的研究多是以上層林木為目標(biāo)樹開展定性或定量研究[14-22]，而將下層幼樹作為目標(biāo)樹，以上層林木作為相鄰樹研究林分空間結(jié)構(gòu)對(duì)幼樹影響的文獻(xiàn)還未見報(bào)道.本研究以位于落葉松成熟林及林下人工栽植6 a的紅松幼樹為對(duì)象，通過計(jì)算林下幼樹角尺度與開敞度，分析幼樹相鄰4株上層林木對(duì)其樹高生長(zhǎng)的影響，可為落葉松純林改造、成熟林下紅松幼樹更新提供理論指導(dǎo).

1 研究地概況與研究方法

1.1 研究地概況

研究地位于吉林省蛟河市東北部的吉林省林業(yè)實(shí)驗(yàn)區(qū)國有林保護(hù)中心內(nèi)，地理坐標(biāo)為43°51′～44°05′N，127°35′～127°51′E，屬長(zhǎng)白山系張廣才嶺西南坡余脈.氣候?qū)贉貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，春季較為干旱，夏季降雨集中，年平均氣溫3.4 ℃，主要降水集中在6—8月，年平均降水量為700～800 mm，無霜期120～130 d[23].土壤類型主要為暗棕色森林土，厚度約為20～100 cm[24].植物區(qū)系屬長(zhǎng)白山植物區(qū)系，森林覆蓋率為88.4%.主要森林類型為紅松闊葉林，主要喬木樹種有落葉松(Larixgmelinii)、紅松(Pinuskoraiensis)、云杉(Piceaasperata)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、紫椴(Tiliaamurensis)等40余種.

1.2 樣地設(shè)置與數(shù)據(jù)采集

樣地位于葦塘溝西坡(43°53.87′N，127°41.5′E)，坡向?yàn)闁|坡，坡度小于5°，樣地總面積4 hm2.林分類型為落葉松人工成熟林，設(shè)置樣地時(shí)林分年齡為49 a.經(jīng)營前樣地的平均胸徑為22.4 cm，平均高為19.6 m.在樣地內(nèi)設(shè)計(jì)2條皆伐帶，寬度分別為20 m和30 m，長(zhǎng)度為150 m，南北走向；在擇伐作業(yè)區(qū)設(shè)計(jì)的采伐強(qiáng)度為15%～40%.2013年冬季進(jìn)行采伐作業(yè)，2014年春季造林.在林下沿東西方向，以株行距2 m×2 m進(jìn)行帶狀造林，更新幼樹的種類為紅松、水曲柳、紫椴、云杉等，均為生長(zhǎng)良好的3 a生實(shí)生苗(本研究?jī)H以紅松幼樹為研究對(duì)象).樣地內(nèi)所有樹木(包括胸徑大于5 cm的上層木與下層人工更新幼樹)編號(hào)后，利用RTK(上海華測(cè)公司制造，i80旗艦版)采集坐標(biāo)，利用Arcgis 10.6軟件建立空間數(shù)據(jù)庫.每年7—8月，對(duì)上層木與下層幼樹進(jìn)行生長(zhǎng)調(diào)查，包括上層木的樹高(m)、胸徑(cm)、冠幅(m)，下層幼樹的樹高(m)、地徑(cm)、當(dāng)年樹高生長(zhǎng)量(cm)、胸徑(cm)(當(dāng)樹木高度超過1.3 m時(shí)).

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

選取樣地內(nèi)所有上層林木與下層紅松幼樹2019年的樹高數(shù)據(jù)，以下層紅松幼樹為目標(biāo)樹、上層樹木為相鄰木進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)指數(shù)計(jì)算.利用Arcgis 10.6軟件設(shè)置樣地邊緣緩沖區(qū)，建立上層樹木與下層紅松幼樹的空間數(shù)據(jù)庫.樣地樹木分布見圖1.利用Arcgis 10.6軟件中的鄰域分析功能，提取與目標(biāo)樹相鄰的4株上層木距離與方位角數(shù)據(jù).

圖1 樣地樹木分布

本文涉及的林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)：

1)角尺度.表示林木空間格局分布的指標(biāo)[25-30]

式中：Wi為角尺度；Zij為離散型變量；n為最鄰近木數(shù)量.當(dāng)?shù)趈個(gè)α角小于標(biāo)準(zhǔn)角α0(72°)時(shí)，Zij=1，否則Zij=0.

2)開敞度.指林分內(nèi)任意1株對(duì)象木到n株最近鄰木的水平距離與該最近鄰木高度比的均值.開敞度用來描述林木個(gè)體生長(zhǎng)空間，可以反映林內(nèi)光照條件和林木營養(yǎng)空間大小，開敞度越大，表明林內(nèi)光照越強(qiáng)，林木生長(zhǎng)空間越充足[31-34].開敞度：

林分平均開敞度：

根據(jù)鄧送求等[32]的研究，將開敞度劃分為5個(gè)區(qū)間：(0，0.2]、(0.2，0.3]、(0.3，0.4]、(0.4，0.5]、(0.5，+ ∞)，對(duì)應(yīng)生長(zhǎng)空間的充足程度分別為嚴(yán)重不足、不足、基本充足、充足、很充足[35].

根據(jù)惠剛盈等[36]的研究結(jié)論，本文進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)計(jì)算時(shí)采用的最鄰近木取值均為n=4.

以林下紅松幼樹為目標(biāo)樹進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)計(jì)算時(shí)，由于部分指標(biāo)并不適用于以林下幼樹為目標(biāo)樹進(jìn)行計(jì)算，因此，本研究選取角尺度與開敞度進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算.

利用Microsoft Excel 2016軟件整理數(shù)據(jù)，利用SAS 9.4統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 幼樹的林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)分布

紅松幼樹角尺度與開敞度指標(biāo)計(jì)算結(jié)果見表1、圖2、圖3.

表1 林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)

圖2 角尺度分布頻率

圖3 開敞度分布頻率

由圖2、表1可見：以林下幼樹為目標(biāo)樹計(jì)算的林分平均角尺度為0.471，小于隨機(jī)分布的置信區(qū)間[0.475，0.517]，為均勻分布[14]，說明林下幼樹整體生存壓力較大[10].由圖3與表1分析可知：試驗(yàn)樣地內(nèi)林下幼樹平均開敞度為0.180，約60%紅松幼樹的開敞度處于0.1～0.2，大于0.3的僅占9.5%，說明該林分林下幼樹整體生長(zhǎng)空間嚴(yán)重不足.

2.2 開敞度與幼樹生長(zhǎng)的關(guān)系

對(duì)幼樹目標(biāo)樹的樹高生長(zhǎng)與開敞度散點(diǎn)圖(圖4)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：當(dāng)下層幼樹的開敞度小于0.3時(shí)，幼樹樹高與開敞度之間并未呈現(xiàn)出上升或下降的規(guī)律(圖4 a)；當(dāng)開敞度大于0.3時(shí)(圖4 b)，幼樹高度與開敞度呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性，隨著開敞度的增大樹高增大，但隨著開敞度持續(xù)增大，樹高增速變緩.利用二次多項(xiàng)式構(gòu)建的擬合曲線可以較好地展現(xiàn)其變化規(guī)律.將開敞度大于0.3的區(qū)域進(jìn)一步劃分為0.3～0.4與大于0.4兩個(gè)區(qū)間(圖4 c、d)，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開敞度位于0.3～0.4區(qū)間時(shí)，擬合后直線的斜率為6.042 6；當(dāng)開敞度大于0.4后，擬合后直線的斜率降為1.256 5.由此說明，相對(duì)于林下幼樹的開敞度介于0.3～0.4區(qū)間，林下幼樹的樹高生長(zhǎng)是快速的；當(dāng)開敞度大于0.4以后，林下幼樹的樹高生長(zhǎng)速度則逐漸變緩.

圖4 林下幼樹樹高與開敞度關(guān)系

當(dāng)下層幼樹開敞度小于0.3時(shí)，幼樹的樹高與開敞度之間并未呈現(xiàn)出增長(zhǎng)或降低的規(guī)律.將樣地內(nèi)紅松幼樹的樹高以0.2 m為間隔，開敞度以0.1為間隔進(jìn)行分段統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖5.由圖5可見：隨著開敞度從小于0.1增加到大于0.3，對(duì)應(yīng)值域內(nèi)占比最大的紅松幼樹的苗高從0.6～0.8 m提升到0.8～1.0 m.高度為0.6～0.8 m的幼樹只在開敞度小于0.1時(shí)占比最多，達(dá)到31.43%；開敞度大于0.1以后的各區(qū)間均是0.8～1.0 m幼樹占比最多.隨著開敞度的增大，0.8～1.0 m幼樹占比從22.71%上升到41.67%.而且，隨著幼樹開敞度的增大，樹高小于0.8 m的幼樹在對(duì)應(yīng)區(qū)間內(nèi)幼樹總數(shù)的占比也從42.86%下降到了21.67%.

圖5 不同開敞度幼樹樹高分布

2.3 不同開敞度角尺度變化規(guī)律

不同開敞度區(qū)間幼樹的不同角尺度占比見表2.由表2可見：隨著開敞度的增加，角尺度≥0.5的比例從60.87%提升到了91.67%，林下幼樹的角尺度為隨機(jī)或聚集分布的比例呈現(xiàn)增加趨勢(shì).雖然紅松幼樹獲得的生長(zhǎng)空間仍然不充足，但是由于幼樹周圍隨機(jī)木與聚集木的增加，在一定程度上減小了幼樹的競(jìng)爭(zhēng)壓力[10].該變化規(guī)律與不同開敞度范圍內(nèi)幼樹樹高頻率變化趨勢(shì)一致(圖5).

表2 不同開敞度林下角尺度分布

3 結(jié)論與討論

本文研究了林下更新的紅松幼樹空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)與幼樹樹高之間的關(guān)系.結(jié)果表明：當(dāng)幼樹上方林分的開敞度達(dá)到0.3以上時(shí)，樹木的樹高生長(zhǎng)與開敞度之間存在較強(qiáng)的相關(guān)性.隨著開敞度的不斷增大，林內(nèi)的光照和溫度會(huì)隨之增大，林下幼樹的樹高生長(zhǎng)速度會(huì)隨之增加[32，35]；當(dāng)幼樹生長(zhǎng)空間增大到一定程度時(shí)，幼樹在獲得足夠的光照后，會(huì)將更多的營養(yǎng)分配給側(cè)枝和葉片，增加植物的采光面積，使其可以獲得更多的能量，樹高生長(zhǎng)速度會(huì)變緩，冠幅會(huì)逐漸增大[36-39].在林下幼樹生長(zhǎng)空間不足時(shí)，調(diào)整幼樹與周圍上層相鄰木的空間位置(使其處于隨機(jī)分布或聚集分布狀態(tài))，可以使幼樹承受較小的競(jìng)爭(zhēng)壓力[10].

由此可知，在林冠下更新幼樹時(shí)，開敞度應(yīng)該是首先要考慮的因素，如果條件允許，要盡可能使更新紅松幼樹的開敞度達(dá)到0.3以上；角尺度是第二要考慮的因素，要盡量使林下更新幼樹角尺度保持在0.5以上.

本文以林下幼樹為目標(biāo)樹、相鄰上層木為相鄰木進(jìn)行了林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可以更準(zhǔn)確地呈現(xiàn)幼樹的空間結(jié)構(gòu)，對(duì)于研究林下幼樹林分空間結(jié)構(gòu)與其生長(zhǎng)間關(guān)系具有借鑒意義.但是，目前的林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)均是以上層木為研究對(duì)象，在對(duì)下層林木進(jìn)行研究時(shí)，許多指標(biāo)并不適用.因此，需要設(shè)計(jì)新的指標(biāo)或改進(jìn)一些指標(biāo)，以適用于林下幼樹空間結(jié)構(gòu)研究.