內(nèi)蒙古旺業(yè)甸華北落葉松人工林空間結(jié)構(gòu)分析及其優(yōu)化

張苗苗,羅于洋,王樹森,張麗娜,馬成功,于勝利,王景圓

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 沙漠治理學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護與修復(fù)國家林業(yè)和草原局重點實驗室,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018;3.內(nèi)蒙古赤峰市旺業(yè)甸實驗林場,內(nèi)蒙古 赤峰 024423;4.烏拉特后旗林業(yè)和草原局,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)

森林群落被認為是相互作用的林木個體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。林分結(jié)構(gòu)對森林的整個生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能產(chǎn)生著影響,關(guān)于林分結(jié)構(gòu)的研究對后期森林經(jīng)營及優(yōu)化起到了關(guān)鍵作用[2]。林分結(jié)構(gòu)主要包括林分非空間結(jié)構(gòu)及空間結(jié)構(gòu),非空間結(jié)構(gòu)包括樹種組成、年齡分布、直徑分布、樹高分布、生長量以及樹種多樣性等,空間結(jié)構(gòu)是指林木在空間上的分布格局[3],惠剛盈等[4-6]通過建立角尺度、大小比數(shù)及混交度3個參數(shù)對林分的空間結(jié)構(gòu)進行描述。

在對林分進行合理的經(jīng)營前,需要了解其整體生長狀況。很多學者利用空間結(jié)構(gòu)參數(shù)對林分的狀態(tài)進行描述以及林分空間結(jié)構(gòu)評價指標構(gòu)建研究[7],以空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化為目標確定采伐木,從而實現(xiàn)對林分空間結(jié)構(gòu)的調(diào)整。孫宇等[8]對東升林場落葉松人工林進行研究,基于加權(quán)三角網(wǎng)計算了角尺度、大小比數(shù)、混交度、競爭指數(shù)、密集度、開敞度6個林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù),構(gòu)建了林分空間結(jié)構(gòu)評價方法。呂忠爽等[9]、盛琪等[10]對帽兒山林場闊葉林進行研究,結(jié)合乘除法思想的基礎(chǔ)上進行了林分空間結(jié)構(gòu)評價指數(shù)的構(gòu)建。曹小玉等[11]對福壽林場杉木生態(tài)公益林進行了研究,對空間結(jié)構(gòu)評價指數(shù)進行歸一化處理,采用定性與定量相結(jié)合的方法將林分空間結(jié)構(gòu)評價指數(shù)劃分為5個等級,客觀地反映林分空間結(jié)構(gòu)的實際情況。趙晨昊等[12]對金盆山林場天然闊葉混交林空間結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和采伐模擬,綜合評價結(jié)果表明,相較于僅對被壓木及枯死木等劣質(zhì)林木個體進行采伐能夠更好地發(fā)揮森林多種功能。

旺業(yè)甸實驗林場林木種類多,占地面積廣,張濤[13]、劉兆華等[14]、趙波[15]、王春霞[16]對該地森林生物量、碳儲量、蓄積量、土壤持水及多樣性等方面做了大量研究。華北落葉松人工林由于近些年管理不當,部分林木生長狀況差,林木之間競爭較大,且目前尚未見有人對該地的林分空間結(jié)構(gòu)進行研究。因此整體掌握該地華北落葉松人工林林分空間結(jié)構(gòu)以及科學合理地判斷保留木與采伐木對后期加強人工林經(jīng)營管理和林分健康穩(wěn)定的發(fā)展具有重要意義?；诖?本研究以旺業(yè)甸實驗林場的落葉松人工林為對象,計算角尺度、大小比數(shù)、混交度及競爭指數(shù)4個參數(shù),通過乘除法思想構(gòu)建空間結(jié)構(gòu)評價指數(shù)并劃分等級,對落葉松人工林空間結(jié)構(gòu)進行客觀評價,并通過空間結(jié)構(gòu)評價指數(shù)選取采伐木,對該地落葉松人工林進行空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化的模擬,以期為旺業(yè)甸后期落葉松人工林結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

旺業(yè)甸實驗林場位于赤峰市喀喇沁旗西南部(118°09′-118°30′E,41°21′-41°39′N)。地形起伏不平,地貌主要為中山和低山山地,地勢西南較高、東北較低,平均海拔800～1 890 m。該地區(qū)為大陸性季風氣候,雨量較充沛,降雨主要在7-8月,年平均降水量300～500 mm,年平均氣溫4.2 ℃,年有效積溫2 000～3 000 ℃,主導(dǎo)風向為西北風。該地土壤類型呈多樣化特點,棕壤為主,植物種類豐富。林場土地總面積24 668.2 hm2,有林地面積為22 397.1 hm2。主要樹種有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、油松(Pinustabuliformis)。除天然生長的落葉松林,分別于1974、1988年及2004年栽植了落葉松人工林。落葉松林面積共4 835.4 hm2,占有林地面積的21.60%。

1.2 研究方法

2021年8月對旺業(yè)甸林場自2013年起長期監(jiān)測的落葉松人工林固定樣地進行踏查,樣地的選取包括華北落葉松幼齡林、近熟林和成熟林,每種樣地類型3個重復(fù),設(shè)置半徑為13.82 m的圓形樣地,樣地大小均為600 m2,對樣地中所有林木進行掛牌編號。對樣地內(nèi)所有林木進行每木調(diào)查,內(nèi)容包括樹種、位置、胸徑,并記錄林分海拔、坡度、坡向等基本信息(表1)。

表1 樣地基本情況

1.3 指標計算

對林分空間結(jié)構(gòu)的分析采用角尺度、混交度以及大小比數(shù)3個空間結(jié)構(gòu)參數(shù),具體計算方法詳見文獻[17]。以林內(nèi)任意林木個體與其4株最近相鄰木所構(gòu)成的林分空間結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ),通過角尺度、大小比數(shù)、混交度及競爭指數(shù)4個空間結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析并構(gòu)建空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。角尺度可表達林木空間分布格局,大小比數(shù)可反映林木大小分化程度,混交度可表示林木樹種空間隔離程度,競爭指數(shù)可表達林木之間的競爭強度。

利用乘除法思想構(gòu)建空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

(1)

式中:Q(x)為目標函數(shù);f(x)表示各指標目標值;分子上各指標要求實現(xiàn)目標最大值,分母上各指標要求實現(xiàn)目標最小值。

根據(jù)乘除法基本思想,材積取大為優(yōu),角尺度、大小比數(shù)及競爭指數(shù)取小為優(yōu),但在計算空間結(jié)構(gòu)評價指數(shù)時,角尺度的所有數(shù)據(jù)同時減去0.5,因為角尺度最優(yōu)值是接近0.5的隨機分布。因樣地為人工林,存在混交度為0的情況,為防止混交度取值為0導(dǎo)致整體取值為0,綜合材積、角尺度、大小比數(shù)及競爭指數(shù)4個子目標構(gòu)建評價指數(shù)。

(2)

式中:Qg、Vg、Wg、Ug、UCIg分別為單木綜合擇伐指數(shù)、材積、角尺度、大小比數(shù)及競爭指數(shù),σV、σW、σU、σUCI分別為材積、角尺度、大小比數(shù)及競爭指數(shù)的標準差。

為將各林分的空間結(jié)構(gòu)評價指數(shù)值進行統(tǒng)一分析比較,通過歸一化處理,利用等量變換將值的范圍歸納到[0,1]區(qū)間內(nèi)。

2 結(jié)果與分析

在數(shù)據(jù)調(diào)查的基礎(chǔ)上,利用Winkelmass 1.0處理數(shù)據(jù),SigmaPlot 14.0及Origin 2018繪圖,為避免邊緣效應(yīng),計算時設(shè)定2 m緩沖區(qū)[19-20],緩沖區(qū)內(nèi)的林木只作為相鄰木處理,不參與空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算。

2.1 林分空間結(jié)構(gòu)

通過對不同林齡的落葉松人工林林木角尺度(W)、大小比數(shù)(U)及混交度(M)的計算,得到不同取值(0.00、0.25、0.50、0.75、1.00)等級的相對頻率。林木角尺度最適分布范圍為[0.475,0.517],由表2可知,落葉松幼齡林、近熟林及成熟林的角尺度平均值分別為0.498 8、0.461 9、0.469 0,即落葉松幼齡林為隨機分布,林分分布狀態(tài)較好,近熟林及成熟林則靠近隨機分布,呈輕微均勻分布。各樣地中,隨機分布占比最多,均>50%,均勻分布次之。角尺度整體分布頻率呈現(xiàn)中間高兩邊低的近似正態(tài)分布趨勢。由表3可知,落葉松幼齡林、近熟林及成熟林大小比數(shù)各取值等級頻率變化均較小,取值多數(shù)分布在20%左右。大小比數(shù)均值分別為0.504 3、0.480 4、0.499 3,取值在0.5左右小范圍波動,表明各樣地不同優(yōu)勢程度的樹木數(shù)量較接近,各林分生長處于中庸狀態(tài)。幼齡林、近熟林及成熟林各樣地混交度取值集中在0,取值等級為0的占比分別達100%、85.6%及94.7%,混交度均值分別為0、0.080、0.026,混交程度低,整體呈現(xiàn)零度混交及弱混交的狀態(tài)。由表4可知,落葉松幼齡林、近熟林及成熟林的競爭指數(shù)平均值分別為4.671 5、3.663 5、1.822 4,隨著林齡的增加,各樣地競爭指數(shù)逐漸降低,其原因是幼齡林時期,林木株數(shù)最多,林內(nèi)競爭較大。

表2 角尺度分布頻率及平均值

表3 大小比數(shù)分布頻率及平均值

表4 競爭指數(shù)分布頻率及平均值

2.2 林分空間結(jié)構(gòu)評價

根據(jù)空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標函數(shù)的構(gòu)建過程可知,空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)取值越小,空間結(jié)構(gòu)分布越差。綜合陸元昌[21]、曹小玉等[11]研究結(jié)果,可將空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)劃分為5個等級,取值為[0,0.2]、(0.2,0.4]、(0.4,0.6]、(0.6,0.8]、(0.8,1],評價等級對應(yīng)為1、2、3、4、5,分別代表空間結(jié)構(gòu)差、較差、一般、較好、非常好。落葉松幼齡林空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)分別為0.247、0.178、0.234,平均空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)約為0.220,近熟林空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)分別為0.321、0.271、0.311,平均空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)約為0.301,成熟林空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)分別為0.265、0.296、0.240,平均空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)約為0.267,各林分類型平均空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)評價等級均為2。說明該地落葉松林空間結(jié)構(gòu)距離理想狀態(tài)還有差距,需要進行空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

2.3 林分空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.3.1 間伐木及株數(shù)確定 根據(jù)林分空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化的原則,通過調(diào)整角尺度取值的分布范圍,調(diào)整林木整體分布狀態(tài),將均勻分布及聚集分布向隨機分布的狀態(tài)調(diào)整,通過降低大小比數(shù)及競爭指數(shù),調(diào)控林木生長狀態(tài),增加林木生長空間。由各林分空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)及評價等級結(jié)果可知,該地不同林齡的落葉松人工林樣地空間結(jié)構(gòu)均有調(diào)整優(yōu)化的空間,因此對幼齡林、近熟林及成熟林各選取1塊樣地,對LY1、LJ1及LC1 3個樣地進行林分空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。幼齡林平均胸徑為11 cm,樣地內(nèi)的理論株數(shù)為130株,近熟林平均胸徑為12 cm,樣地內(nèi)的理論株數(shù)為118株,成熟林平均胸徑為17 cm,樣地內(nèi)的理論株數(shù)為78株。結(jié)合華北落葉松經(jīng)營密度表[22],優(yōu)先選取各樣地空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)的較小值,從中選取角尺度、大小比數(shù)及競爭指數(shù)較大的林木進行采伐,每采伐1株林木,重新計算各空間結(jié)構(gòu)參數(shù),若得到優(yōu)化則確定該林木為擇伐備選木,重復(fù)上述步驟,得到所有備選木,控制采伐量不超過總株數(shù)的20%[23]。部分代表性間伐木信息及原因見表5,采伐木點位分布見圖1。

圖中紅色圓點代表保留木,黑色圓點代表采伐木,圓點的大小表示胸徑的大小。

表5 采伐木信息及采伐原因

2.3.2 間伐前后空間結(jié)構(gòu)變化 由圖2～圖5可見,將各樣地備選木進行采伐后,角尺度變化均不大,林內(nèi)各林木結(jié)構(gòu)單元多數(shù)呈隨機分布。幼齡林及成熟林樣地大小比數(shù)采伐前后取值變化不大,近熟林大小比數(shù)采伐前后由0.506 8降低為0.485 8,林木大小整體呈中庸狀態(tài)。競爭指數(shù)均發(fā)生較大變化,幼齡林競爭指數(shù)采伐前后由4.207 8降低為2.423 5,近熟林競爭指數(shù)采伐前后由4.028 6降低為2.890 6,成熟林競爭指數(shù)采伐前后由2.407 0降低為2.104 6。落葉松幼齡林空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)采伐前后由0.247增加為0.308,近熟林空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)采伐前后由0.312增加為0.406,成熟林空間結(jié)構(gòu)綜合指數(shù)采伐前后由0.265增加為0.319,近熟林評價等級由2級提升為3級,各樣地整體空間結(jié)構(gòu)較采伐前得到了優(yōu)化。

圖2 采伐前后角尺度

圖3 采伐前后大小比數(shù)

圖4 采伐前后競爭指數(shù)

圖5 采伐前后空間結(jié)構(gòu)評價指數(shù)

3 討論

3.1 華北落葉松人工林空間結(jié)構(gòu)特征

林分空間結(jié)構(gòu)的研究對于整體把握林分狀態(tài)以及對其作出調(diào)整具有重要意義,林分空間結(jié)構(gòu)的描述主要是通過對角尺度、大小比數(shù)、混交度及競爭指數(shù)的計算[24]。角尺度的計算結(jié)果體現(xiàn)了森林空間內(nèi)部林木的分布格局,主要包括均勻分布、隨機分布以及聚集分布3種情況,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的森林群落一般趨近于隨機分布。本研究選取的樣地為落葉松人工林,人工林林層結(jié)構(gòu)簡單[25],受人為因素影響,初始結(jié)構(gòu)大多數(shù)趨近于均勻分布。隨著林齡的增加,林內(nèi)結(jié)構(gòu)逐漸由均勻分布轉(zhuǎn)變?yōu)殡S機分布,幼齡林、近熟林及成熟林林分中林木單株的胸徑大小的分化程度差距不大,較為均衡,均處于中庸狀態(tài)。種內(nèi)競爭激烈,但隨著林齡的增加,競爭逐漸降低。因樣地為人工林,初始林分處于零度混交狀態(tài),隨著林齡的增加,林分內(nèi)生長出少量其他樹種,但數(shù)量較少,近熟林、成熟林也僅處于弱度混交狀態(tài)。因此,后期需要人為引進其他樹種增大林分混交程度,使其形成健康穩(wěn)定的森林群落。

3.2 林分空間結(jié)構(gòu)模擬優(yōu)化

隨著林木的生長,林木間產(chǎn)生競爭,空間結(jié)構(gòu)不足等問題導(dǎo)致部分林木死亡,需要通過間伐的手段達到林分空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。該林場內(nèi)落葉松人工林空間結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀與理想狀態(tài)仍存在差距,存在著結(jié)構(gòu)問題,林木分布多數(shù)趨近于隨機分布,調(diào)控空間小,但林木生長空間不足,競爭的壓力相對較大,導(dǎo)致落葉松林的空間結(jié)構(gòu)評價指數(shù)較低,這些問題主要是由于部分區(qū)域栽植時林分密度大及后期經(jīng)營不當所造成的。在森林經(jīng)營過程中,處于聚集分布且大小比數(shù)較大的林木可優(yōu)先伐除。通過對落葉松幼齡林、近熟林及成熟林進行采伐,伐除各樣地中比較聚集的林木、大小比數(shù)分布不合理以及處于被擠壓或嚴重被擠壓生長狀態(tài)的林木。根據(jù)采伐后結(jié)果可知,除角尺度變化不明顯,各樣地大小比數(shù)及競爭指數(shù)均有了較大的改變,林分內(nèi)各空間結(jié)構(gòu)參數(shù)均向著較好的方向發(fā)展,林分空間結(jié)構(gòu)有所改善,研究結(jié)果與已有的研究結(jié)果相一致。陳昌雄等[26]利用空間結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇采伐木,制定以角尺度作為主要調(diào)整目標的林分空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,基于林分空間結(jié)構(gòu)格局的采伐使得林分整體質(zhì)量得到了提高。如林富成等[25]通過選用角尺度、大小比數(shù)等4個參數(shù)構(gòu)建空間結(jié)構(gòu)評價指數(shù),結(jié)合經(jīng)營密度確定采伐強度及采伐木,間伐后有效改善了林分空間結(jié)構(gòu)[11]。綜合以上分析,本研究中旺業(yè)甸林場不同林齡的落葉松人工林整體生長狀況一般,生長已經(jīng)達到穩(wěn)定狀態(tài)的成熟林混交程度仍較差。因此,在充分掌握林分空間結(jié)構(gòu)的前提下,后期經(jīng)營過程中應(yīng)當提高林木混交程度,栽植其他樹種,并結(jié)合空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化指數(shù),以空間分布格局為基礎(chǔ),通過合理調(diào)整林分中競爭木與劣質(zhì)木的方式來降低林木間競爭,調(diào)整林分空間結(jié)構(gòu),提高林分穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

旺業(yè)甸落葉松人工林林分空間結(jié)構(gòu)較為簡單,林分內(nèi)有1/2以上林木處于隨機分布狀態(tài),大小分化不明顯,樹種組成單一,部分林木競爭較大。通過空間結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠體現(xiàn)林木的水平分布、生長空間及競爭程度,林木空間分布的狀態(tài)并不能夠成為決定林木生長優(yōu)劣的關(guān)鍵影響因子。

通過對內(nèi)蒙古赤峰市旺業(yè)甸林場的華北落葉松人工林空間結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化,能夠整體把握林分空間結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀并進行優(yōu)化調(diào)整,結(jié)合林分生長狀況進行模擬采伐,采伐后可以較好地改善當?shù)厝A北地區(qū)華北落葉松人工林林分空間結(jié)構(gòu),研究結(jié)果可為我國華北落葉松人工林經(jīng)營提供數(shù)據(jù)支持。