邊緣校正方法對(duì)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)影響的尺度效應(yīng)*

于 帥 蔡體久 張丕德 任銘磊 張海宇 琚存勇

（1. 東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院 森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營(yíng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150040；2. 東寧市林業(yè)和草原局鬧枝溝林場(chǎng) 牡丹江 157299）

森林空間結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了林分中樹(shù)木在林地上的分布格局及其屬性在空間上的排列方式，是影響林木生長(zhǎng)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)因素，在很大程度上決定著經(jīng)營(yíng)空間的大小、林分的穩(wěn)定性和發(fā)展的可能性，對(duì)發(fā)揮森林生態(tài)功能、增強(qiáng)森林抵御自然災(zāi)害的能力、提高生產(chǎn)力等具有重要作用（辛力，2011；Ali，2018；Nguyenet al.，2018）。目前，尚無(wú)森林空間結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一定義（湯孟平，2010；魏紅洋等，2019），常用的描述森林空間結(jié)構(gòu)的參數(shù)包括角尺度、混交度、大小比數(shù)等，計(jì)算這些參數(shù)時(shí)，首先需確定調(diào)查樣地，測(cè)定樹(shù)木位置坐標(biāo)，調(diào)查其種名、高度、胸徑等屬性信息，然后以中心木與其近鄰樹(shù)構(gòu)成一個(gè)結(jié)構(gòu)單元分別進(jìn)行（Pommerening，2002；曹小玉等，2016）。近年來(lái)，結(jié)構(gòu)單元的近鄰樹(shù)如何選擇、選擇多少存在很大爭(zhēng)議，比較流行的是基于Voronoi 圖確定空間結(jié)構(gòu)單元（郝月蘭等，2011；宋語(yǔ)涵等，2021）以及中心木與最近的4 株樹(shù)構(gòu)成結(jié)構(gòu)單元（4 近鄰法）（趙中華等，2013；惠剛盈等，2016a；Ghalandarayeshiet al.，2017）。

（3）區(qū)分核算對(duì)象。醫(yī)療服務(wù)項(xiàng)目和各種科研項(xiàng)目都是醫(yī)院成本核算的對(duì)象。其中，醫(yī)療服務(wù)項(xiàng)目通常按臨床診療類、綜合醫(yī)療服務(wù)類、中醫(yī)及其他診療類、醫(yī)技診療類等類別來(lái)區(qū)分，而科研項(xiàng)目的區(qū)分依據(jù)則應(yīng)該是項(xiàng)目的名稱。

無(wú)論采用何種方法確定結(jié)構(gòu)單元，均須考慮樣地邊緣木如何處理的問(wèn)題，即在計(jì)算空間結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，必須考慮邊緣效應(yīng)的影響（湯孟平等，2003；周紅敏等，2009），否則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算產(chǎn)生偏差（Lillelehtet al.，2014）。為減輕甚至消除邊緣效應(yīng)，需對(duì)樣地進(jìn)行邊緣校正，以將邊緣木（即在樣地之外有相鄰木的邊界鄰木）從目標(biāo)樹(shù)中識(shí)別出來(lái)并予以排除（Radtkeet al.，1998；安慧君等，2005）。目前，常用的林地邊緣校正方法有鏡像復(fù)制法（邵國(guó)凡等，1995）、八鄰域平移復(fù)制法（邵國(guó)凡等，1995；湯孟平，2003）、緩沖區(qū)校正法（Diggle，2003）、Voronoi 圖近鄰校正法（陳軍等，2003；李際平等，2014）、NN 近鄰校正法（Pommereninget al., 2006）等，不同邊緣校正方法計(jì)算的結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，而現(xiàn)有研究較少涉及邊緣校正方法的比較（Pommereninget al., 2006；周紅敏等，2009；劉帥等，2017），且多基于固定大小樣地。鑒于此，本研究選取不同大小樣地，以4 近鄰法確定結(jié)構(gòu)單元，采用3 種邊緣校正方法（緩沖區(qū)校正法、Voronoi 圖近鄰校正法和NN 近鄰校正法）消除邊緣效應(yīng)，計(jì)算樣地空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，比較不同邊緣校正方法計(jì)算的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)隨樣地大小的變化情況，判斷不同邊緣校正方法在不同樣地上的適用性，以期為邊緣校正方法選擇、森林空間結(jié)構(gòu)分析提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黑龍江省雞東縣境內(nèi)鳳凰山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)，44°54′42″—45°03′50″N，131°04′41″—131°14′38″E，總面積約26 570 km2。屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫3.8 ℃。冬季寒冷，降雪量可達(dá)2 000 mm；夏季短而熱，雨量充沛，年均降水量800 mm 左右。研究區(qū)毗鄰俄羅斯，森林群落多為幾乎未經(jīng)干擾的原始林結(jié)構(gòu)。保護(hù)區(qū)內(nèi)植物種類資源豐富，主要喬木有興凱赤松（Pinus densifloravar.ussuriensis）、 紅松（Pinus koraiensis）、 白樺（Betula platyphylla）、冷杉（Abies fabri）、紫椴（Tilia amurensis）、魚(yú)鱗云杉（Picea jezoensis）、 水曲柳（Fraxinus mandshurica）、 暴馬丁香（Syringa reticulatavar.amurensis）、 楓樺（Betula costata）、 青楷槭（Acer tegmentosum）、色木槭（Acer pictum）等，灌木有平榛（Corylus heterophylla）、胡枝子（Lespedeza bicolor）、尖葉杜鵑（Rhododendron mucronatum）等，草本有羊胡苔草（Carex rigescens）等。

2 研究方法

2.1 邊緣校正方法

2.1.1 緩沖區(qū)校正法 緩沖區(qū)校正法指在樣地周圍設(shè)置固定寬度的帶狀緩沖區(qū)，緩沖區(qū)內(nèi)樹(shù)木只作為近鄰樹(shù)而不作為中心木，緩沖區(qū)包圍核心區(qū)域的所有樹(shù)木均作為中心木，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算。帶狀緩沖區(qū)寬度應(yīng)該足夠大，以此減小來(lái)自邊界的干擾，但最佳緩沖區(qū)寬度是不容易做到的，如果寬度太小，邊緣效應(yīng)仍然存在；如果寬度太大，有價(jià)值的中心木會(huì)被淘汰。參考以往研究，本研究將緩沖區(qū)寬度設(shè)為樣地邊長(zhǎng)的5%（曹小玉等，2016；萬(wàn)盼等，2020；和敬淵等，2020）。

簡(jiǎn)單混交度僅注重近鄰樹(shù)與中心木為非同種的概率，即如果結(jié)構(gòu)單元內(nèi)5 株樹(shù)均為同一種樹(shù)，那么簡(jiǎn)單混交度為0，如果4 株近鄰樹(shù)與中心木不屬同一種，那么簡(jiǎn)單混交度為1，其計(jì)算公式為：

2.1.2 Voronoi 圖近鄰校正法 根據(jù)樣地內(nèi)每株樹(shù)的坐標(biāo)信息，運(yùn)用ArcMap 軟件建立林木Voronoi 圖，每個(gè)多邊形中心就是每株樹(shù)所在位置，查找以樣地邊界為邊的多邊形，其所代表的樹(shù)只作為近鄰樹(shù)而不作為中心木參與結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算（劉帥等，2017；宋語(yǔ)涵等，2021）。

2.1.3 NN 近鄰校正法 NN 近鄰校正法是一種專門為近鄰特性而設(shè)計(jì)的邊緣校正方法，其通過(guò)比較樣地內(nèi)樹(shù)木到邊界的距離和到其結(jié)構(gòu)單元內(nèi)近鄰樹(shù)的距離確定邊緣樹(shù)和中心木，只有當(dāng)中心木與邊界的距離大于中心木與最遠(yuǎn)近鄰樹(shù)的距離時(shí)才被作為中心木，否則只當(dāng)作近鄰樹(shù)進(jìn)行計(jì)算（Pommereninget al., 2006）。

2.2 樣地設(shè)置

通過(guò)查詢林相圖與實(shí)地調(diào)查，在幾乎未經(jīng)干擾的原始林區(qū)選擇針闊混交林設(shè)置100 m×100 m 固定樣地，為調(diào)查方便，樣地共分成100 個(gè)10 m×10 m 樣方，按樣方進(jìn)行每木檢尺，記錄所有胸徑大于4 cm 的喬木樹(shù)種胸徑、樹(shù)高和坐標(biāo)等信息，調(diào)查完成后每株樹(shù)的坐標(biāo)統(tǒng)一換算成以樣地西南角點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)。將相鄰樣方合并成不同尺寸樣地，分析邊緣校正方法的尺度效應(yīng)。設(shè)置20 m×20 m、30 m×30 m、40 m×40 m、60 m×60 m、80 m×80 m、100 m×100 m 共6 個(gè)梯度，除了100 m×100 m 外，其他5 個(gè)梯度分別以固定樣地3角點(diǎn)為基準(zhǔn)向樣地內(nèi)部延伸形成3 個(gè)重復(fù)，取3 個(gè)重復(fù)的參數(shù)平均值作為梯度樣地相應(yīng)參數(shù)值。

從鋁股在最大應(yīng)力狀態(tài)下的塑性情況判斷，3個(gè)仿真方案的鋁股塑性區(qū)比例與對(duì)比項(xiàng)接近。研究證明1 660 mm2導(dǎo)線過(guò)張力機(jī)后塑性區(qū)比例小于13.7%為可接受值[15]。同時(shí)，方案3中進(jìn)入塑性區(qū)的鋁股數(shù)量較方案1，2增加較多，所以從減小夾嘴長(zhǎng)度來(lái)減重及保護(hù)導(dǎo)線考慮，夾嘴長(zhǎng)度應(yīng)不小于325 mm。

2.3 空間結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

選取3 個(gè)常見(jiàn)的森林空間結(jié)構(gòu)參數(shù)——角尺度、大小比數(shù)和混交度測(cè)試邊緣校正方法對(duì)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，空間結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算以1 株中心木與4 近鄰法確定的4 株近鄰樹(shù)構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ)，不同尺度樣地的結(jié)構(gòu)參數(shù)為樣地內(nèi)所有中心木的平均值。

樣地內(nèi)調(diào)查到胸徑大于4 cm 的喬木（含亞喬木）共1 089 株，分屬11 科15 屬24 種，最豐富的物種為白樺，占總個(gè)體的20.94%，其次是冷杉，占總個(gè)體的18.55%，紫椴和紅松分別占總個(gè)體的14.33%和8.63%（表1）。喬木平均高度為12.6 m，平均胸徑為16.6 cm，接近中位數(shù)14.5 cm。

式中：當(dāng)?shù)趈個(gè)α 角小于標(biāo)準(zhǔn)角α0時(shí)zij=1，否則zij=0；wi=1 表示近鄰樹(shù)在中心木周圍為聚集分布；wi=0 表示近鄰樹(shù)在中心木周圍為均勻分布；2 個(gè)α 角小于標(biāo)準(zhǔn)角α0時(shí)wi=0.5，表示近鄰樹(shù)在中心木周圍為隨機(jī)分布（惠剛盈等，1999；Donget al，2020）。