蒼山東坡云南松次生林林分結構特征*

宣帥,王建明,尹繼庭,管亞東

(1.大理大學 數(shù)學與計算機學院,云南 大理 671003;2.大理州林業(yè)和草原科學研究所,云南 大理 671000;3.云南省林業(yè)調查規(guī)劃院大理分院,云南 大理 671000)

次生林在我國分布范圍廣,樹種類型多,不僅是木材、薪炭等森林資源的重要基地,同時還具有固持土壤、涵養(yǎng)水分和改善生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點[1]。然而,次生林普遍存在林分結構不合理、生物多樣性低、森林火險等級高等問題,面臨病蟲害及林火等自然災害的威脅[2-3]。在沒有高強度的人為干擾和自然干擾的情況下,次生林會通過特定的演替序列進行漫長的正向演替[4]。目前,云南省大理市蒼山東坡地區(qū)的云南松(Pinusyunnanensis)主要以次生林為主,但大部分處于中幼齡林階段[3],林分組成簡單,結構不合理,普遍存在品質退化,火災與病蟲害較重等問題[5]。對蒼山東坡次生林可持續(xù)經(jīng)營研究的需求較為迫切,但未見相關研究報道。

林分結構是林分經(jīng)過長時間的演替與周圍環(huán)境共同作用的結果。林分結構特征的量化是森林結構化經(jīng)營的基礎[6],對于次生林的健康經(jīng)營具有重要的理論和實踐意義[7-8]。林分結構由林分非空間結構指標和空間結構指標來共同描述。林分非空間結構指標包括物種數(shù)量特征、直徑結構和樹高分布等?？臻g結構指標包括角尺度[9-10]、大小比[11]、混交度[12-13]和密集度[14-15]等。在描述復雜的林分空間結構時,單獨的林分結構參數(shù)可以從整體上描述林分狀態(tài),而2個或多個林分結構參數(shù)的合理組合能夠客觀地描述林分內幾種結構參數(shù)之間的關系。

因此,本研究以云南省大理市蒼山東坡云南松次生林為研究對象,分析其物種數(shù)量特征、林木直徑和樹高分布規(guī)律以及角尺度、大小比、混交度和密集度之間的一元、二元和四元分布特征,對其林分結構進行量化和分析,以期為其可持續(xù)經(jīng)營提供理論參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

蒼山位于云南省西部,蒼山呈西北-東南走向,南北長約75 km,東西寬約30 km,總面積499 km2,地理坐標99°58′～100°27′E、25°25′～26°02′N,海拔1 966～4 122 m。研究區(qū)位于蒼山東坡。該區(qū)屬于典型的亞熱帶高原季風氣候,日照充足、熱量豐富、年溫差小、日溫差大、干濕季分明、四季不分明,年平均降水量861.6 mm,年平均相對濕度61%,年平均氣溫16.1℃,年均日照時數(shù)2 375.4 h。水平地帶性土壤為紅壤,并鑲嵌著石灰土、紫色土等非地帶性土壤;山地垂直帶土壤主要有高山草甸土、暗棕壤、棕壤、黃棕壤、紅壤、石灰(巖)土、紫色土7個土壤類型。樣地設置在蒼山東坡海拔2 136～2 396 m范圍內,坡位多為中坡,平均坡度20.2°,地勢相對平緩,土壤類型為紅壤。

1.2 樣地調查

在樣地調查中,相比于傳統(tǒng)的方形樣地,圓形樣地具有易于建立、定位,地形適應性好等優(yōu)勢[16]。相同面積下,圓形樣地的邊緣誤差更小。在小班調查中,方形樣地一般以20 m ×20 m為起始樣地大小,通過面積換算得到對應的圓形樣地半徑大約為11.29 m。

蒼山東坡云南松次生林主要分布于海拔2 000～2 500 m[17],本研究基于地形條件及林分情況,設立10塊半徑為12～35 m的固定圓形樣地,使用全站儀對樣地內直徑大于5 cm的林木全部進行定位、掛牌/編號,并進行檢尺,詳細記錄直徑、樹高、冠幅、樹種等林木因子及海拔、坡度、坡向等樣地信息(表1)。

表1 樣地基本信息

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Voronoi圖法確定空間結構單元[18]。每個多邊形代表每株林木與其相鄰木構成的空間結構單元[19]。為減少誤差,本研究使用距離緩沖區(qū)法(圖1),將樣地邊界向內2 m作為緩沖區(qū),以最大程度減少邊緣林木空間結構參數(shù)計算時的誤差[20]。

圖1 樣地矯正后的Voronoi

為確保不同半徑樣地數(shù)據(jù)的一致性和可比性,本研究基于相同的測量標準和劃分規(guī)則,采用一致的數(shù)據(jù)處理和分析方法,對林分結構參數(shù)進行歸一化處理,將其轉化為相對值,以盡可能消除樣地半徑不同可能帶來的數(shù)據(jù)差異,減小半徑差異對研究結果的潛在影響。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 林分非空間結構

(1)樹種組成和重要值

樹種組成是林分非空間結構特征之一。本研究以樹種組成系數(shù)來表示各樹種在樣地林分中所占的數(shù)量比例,通過計算各樹種蓄積量占林分總蓄積量的比重得到樹種組成系數(shù)[21]。以樹種重要值來表示樣地中起到重要作用的樹種[22]。

重要值=(相對多度+相對頻度+相對顯著度)/3

(2)林分直徑和樹高結構

對樣地內林木的直徑、樹高進行測量和統(tǒng)計。起測直徑為5 cm,將測得的直徑分別以2 cm、3 cm和4 cm為徑階距劃分整化徑階,樹高分別以1 m、2 m和3 m為間距劃分不同的樹高距。以徑階中值為橫坐標,各徑階林木株數(shù)為縱坐標,繪制直徑分布圖;以樹高距中值為橫坐標,各樹高距林木株數(shù)為縱坐標,繪制樹高分布圖。分析林分直徑、樹高的分布規(guī)律。采用正態(tài)分布對直徑分布和樹高分布特征進行擬合。

1.4.2 林分空間結構

(1)角尺度

角尺度是對林分水平分布格局的描述,指對象木i與其最近相鄰木j之間所構成的夾角α小于標準角α0的個數(shù)在形成的n個夾角中所占的比例[23],其中標準角α0=360°/(n+1),n為對象木i周圍相鄰木j的株數(shù)。對象木i的角尺度(Wi)計算公式[9,23]為:

當Wi均值落在[0.475,0.517]的區(qū)間內時,表示該林分為隨機分布;當Wi均值落在區(qū)間[0.475,0.517]的左側時,表示該林分為均勻分布;當Wi均值落在區(qū)間[0.475,0.517]的右側時,表示該林分為團狀分布[24]。

(2)大小比

大小比是對林木個體直徑大小分化程度的描述,指與對象木i最近的n株相鄰木j中大于對象木i的株數(shù)在n株相鄰木中所占的比例。對象木i的大小比(Ui)計算公式[11,25]為:

Ui值越低,說明比對象木i大的相鄰木j越少。

(3)混交度

混交度是對樹種空間隔離程度的描述,指相鄰木j中與對象木i不屬于同一樹種的林木株數(shù)在n株相鄰木中所占的比例。對象木i的混交度(Mi)計算公式[12-13,26]為:

(4)密集度

密集度是對林木密集程度的描述,指與對象木i樹冠投影存在重疊的相鄰木的株數(shù)在n株相鄰木中所占的比例。對象木i的密集度(Ci)計算公式為[14-15,27]:

利用R4.2.0對林分調查數(shù)據(jù)進行計算和分析,采用Microsoft Excel 2019對數(shù)據(jù)進行處理并用OriginLab 2019作圖。

2 結果與分析

2.1 林分非空間結構特征

2.1.1 樹種組成和重要值

從表2可以看出,群落中主要喬木樹種的數(shù)量特征及其在林分中的地位和影響。云南松在該群落中占據(jù)著68.21%的重要值,遠超排名第二的華山松(P.armandii)(20.21%),表明云南松在該群落中處于絕對優(yōu)勢地位且優(yōu)勢十分顯著。而麻櫟(Quercusacutissima)、南燭(Vacciniumbracteatum)、西南樺(Betulaalnoides)、尾葉白珠(Gaultheriagriffithiana)等樹種的重要值都很低,均在5.00%以下。這些較低重要值的樹種在林分中是主要的伴生種,作為不可或缺的一部分,對于提高林分的穩(wěn)定性具有重要作用。因此,該區(qū)域的群落主要由云南松和華山松組成。

表2 各樹種數(shù)量特征和重要值

2.1.2 林分直徑分布特征

如圖2所示,樣地內林木主要分布于較小直徑范圍,大直徑樹木較少。與正態(tài)分布相比,林分的直徑分布更平坦,分布范圍廣、徑階差異大、離散程度高。在不同徑階間距下,林木直徑分布相似,呈現(xiàn)單峰偏左趨勢,隨徑階增加,林木株數(shù)先增后減,中小徑階樹木最多。綜合多徑階分析,整體林分直徑分布符合近正態(tài)分布特征。在研究區(qū)的云南松次生林中,中小徑階樹木占絕大多數(shù),與侯梅等[28]的研究結果一致。此現(xiàn)象或因人為干擾以及林分更新增加了中小徑階樹木的數(shù)量。

圖2 不同徑階直徑分布及擬合

2.1.3 林木樹高分布特征

如圖3所示,不同樹高距的樹高分布呈現(xiàn)單峰曲線,整體上表現(xiàn)為先增后減的趨勢,峰值左偏,并以峰值為中心向兩側遞減,林木株數(shù)下降速度較快,曲線較陡。盡管樹高距劃分不同,樹高分布規(guī)律基本一致,可能是因為人為干擾、林下更新幼樹增加以及林內斷梢樹的存在所致。

圖3 不同樹高距分布及擬合

2.2 林分空間結構特征

2.2.1 一元分布特征

通過計算角尺度(W)、大小比(U)、混交度(M)和密集度(C)的不同取值等級(0.00、0.25、0.50、0.75、1.00)的相對頻率(Relative frequency)獲得空間結構參數(shù)的一元分布[29]。圖4顯示了不同結構參數(shù)在不同取值級別下的頻率變化。在群落中,約41.22%的林木呈現(xiàn)隨機分布,其角尺度均值為0.480 4,整體呈現(xiàn)隨機分布格局。大小比等級相對頻率相對穩(wěn)定,但絕對優(yōu)勢木和絕對劣勢木占比最高,分別約占35.88%和33.49%,表明林木的優(yōu)劣差異顯著?；旖欢炔町惷黠@,大多數(shù)林木混交度為0.00,林分內樹種單種聚集的情況較多。而林分整體密集度較低,98.77%的林木呈現(xiàn)非常稀疏狀態(tài),表明了林木間競爭較小。

圖4 空間結構特征一元分布

2.2.2 二元分布特征

以參數(shù)A(0.00、0.25、0.50、0.75、1.00)和參數(shù)B(0.00、0.25、0.50、0.75、1.00)的可能取值進行組合[30-31],構建角尺度-大小比、角尺度-混交度、角尺度-密集度、大小比-混交度、大小比-密集度和混交度-密集度6種組合。每種組合方式可產(chǎn)生25種不同的參數(shù)組合[32],計算得到相對頻率,用以表示一個空間結構參數(shù)在另一個空間結構參數(shù)上的相對影響,最終得到的聯(lián)合頻率數(shù)據(jù)構成了林分空間結構的二元分布。

由圖5a可知,角尺度的變化對林木數(shù)量呈現(xiàn)先增后減的趨勢,在W=0.50時達到峰值,這表明隨機分布對林木直徑生長的影響不顯著。W=0.50時,林木個體主要處于絕對優(yōu)勢木和絕對劣勢木狀態(tài)。整體上,W=0.50、U=0.00的組合頻率最高,表示林木均勻分布且絕對優(yōu)勢木最多,以云南松為優(yōu)勢樹種。

圖5 空間結構特征二元分布

圖5b顯示,在特定混交度下,隨著角尺度的增大,林木數(shù)量呈現(xiàn)相似趨勢,在W=0.50時達到峰值。當混交度增大時,林木數(shù)量急劇減少,表明以隨機分布和極弱混交為主的林分結構最常見。針對此結構,可以通過補植鄉(xiāng)土樹種來改善林分結構。

角尺度-密集度(W-C)二元分布與角尺度-混交度(W-M)二元分布類似,處于隨機分布且稀疏的林木占比最高,表明樹冠重疊較少,林木間競爭平緩(圖5c)。

大小比-混交度(U-M)二元分布顯示林分中幾乎所有林木都處于零度混交狀態(tài),表明混交情況較差。在弱混交的情況下,林木個體大小差異較為顯著,應通過補植不同直徑等級的鄉(xiāng)土樹種來優(yōu)化林木個體差異和樹種組成(圖5d)。

其他二元分布結果類似地表現(xiàn)了林木的不同分布情況,顯示了大小比、混交度與密集度的相互關系(圖5e、5f)。

2.2.3 四元分布特征

通過組合不同的結構參數(shù)取值,形成625種不同的參數(shù)組合[33],見圖6。

圖6 林分結構特征四元分布

如圖6所示,在特定條件下,如M=0.00,C=0.00,W=0.50時,林木個體總數(shù)占比達到35.49%。當林木大小比從0逐漸增加到1時,相對頻率呈現(xiàn)中間小、兩邊大的趨勢。在此情況下,主要的林木類型包括:處于隨機分布且絕對優(yōu)勢的林木,占總株數(shù)的12.73%;隨機分布、稀疏且極弱混交、絕對劣勢的林木,占總株數(shù)的11.88%;以及隨機分布、稀疏且極弱混交的中庸林木,占總株數(shù)的5.94%。

3 討論與結論

3.1 討論

林分直徑結構和樹高結構反映林分的分化程度[34]。合金鑫等[35]、韋建秋[36]、齊鵬等[37]的研究指出,隨著林木的生長,天然林徑階分布逐漸呈倒“J”型曲線,而人工同齡林則呈正態(tài)分布或近正態(tài)分布。本研究中的蒼山東坡云南松人工次生林處于中幼齡林階段[3],研究發(fā)現(xiàn)其林分林木直徑和樹高分布規(guī)律總體近正態(tài)分布,具有典型的人工林特征,也與莎仁圖雅等[38]對華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林的研究結果相似。

在林分空間結構方面,角尺度對林分分布格局的重要性,尤其是與優(yōu)勢樹種的聚集分布相關。理想的林分平均角尺度應在[0.475,0.517]的范圍內,取其中間值0.496。在林分結構優(yōu)化中,可以將角尺度與0.496的絕對值較大的目標樹作為擇伐木,使得保留木的水平分布格局更接近理想的隨機分布[39]。針對混交度和密集度等二元分布特征,補植鄉(xiāng)土樹種可提高林分的結構穩(wěn)定性和光照利用率。大小比有效衡量了目標樹在結構單元中的競爭優(yōu)勢,反映了蒼山東坡云南松人工次生林中云南松的優(yōu)勢地位,這與宋語涵等[40]的研究結論相同。同時,可將大小比數(shù)超過林分平均值的目標樹作為擇伐對象,使保留木能更好生長[39]。綜上所述,蒼山東坡云南松次生林直徑與樹高近正態(tài)分布,水平分布格局與隨機分布有差距,林木個體大小差異較為顯著,樹種混交情況較差,密集程度低,林分結構不合理,應優(yōu)化經(jīng)營管理措施,制定合理且行之有效的經(jīng)營方案,以促進蒼山東坡云南松次生林的正向演替。建議重點關注云南松的同種競爭壓力,將大小比和角尺度相結合能夠更準確地預測林木生長的競爭壓力,并考慮擇伐劣勢木,以促進保留木的生長潛力;補植鄉(xiāng)土樹種,在林中空曠提升光照利用率,促進自然更新,增強生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性以促進林分的空間分布格局的合理演變。

未來還需對主要種群的動態(tài)變化、目標樹木的生長等方面進行系統(tǒng)評估和長期監(jiān)測,以提供更具體的森林經(jīng)營指導和建議,促進蒼山東坡云南松次生林的正向演替,實現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)營。

3.2 結論

本研究以云南省大理市蒼山東坡云南松次生林為研究對象,設置了10塊圓形固定樣地,以非空間結構參數(shù)(樹種組成和重要值、直徑和樹高結構)以及空間結構參數(shù)(角尺度、大小比、混交度和密集度)為指標,對林分結構特征進行了深入分析。主要結論如下:(1)云南松作為絕對優(yōu)勢樹種在次生林中占據(jù)主導地位。盡管其他伴生樹種數(shù)量較多,但其個體數(shù)相對較少,未能有效提高林分的多樣性;(2)林分內不同直徑范圍和樹高距的樹木分布表現(xiàn)出偏向小的趨勢,符合自然演替的特征。這表明了林分結構受到自然演替的影響;(3)整體上林分表現(xiàn)出隨機分布、低密集度和弱混交的特征。盡管林分的生長狀態(tài)相對平穩(wěn),但絕對劣勢和絕對優(yōu)勢樹木數(shù)量較多,導致競爭壓力不均衡。