魯山國家森林公園油松、刺槐和側柏人工林空間結構分析

王凱，曹幫華，孫超，陳建建，臺秀國，楊振亞

(山東農業大學林學院，山東 泰安 271018)

林分結構決定林分功能，即有什么樣的林分結構，就有相應的林分功能［1］。林分空間結構是指林木在林地上的分布格局及其屬性在空間上的排列方式，決定了樹木之間的競爭勢及其空間生態位，在很大程度上影響著林木的生長和林分的穩定性、發展的可能性和經營空間的大小［2］。分析和重建林分空間結構是創建新一代林分生長模型的重要基礎，也是制定森林經營規劃方案的前提［3］。國內有關油松(Pinus tabulaeformis)、刺槐(Robinia pseudoacaia)和側柏(Platycladus orientalis)空間結構的研究有很多［4－9］，但是，山東地區對其空間結構的研究較少。本文在查閱相關資料及實地調查的基礎上，應用傳統林分結構因子配合角尺度和大小比數對魯山國家森林公園油松、刺槐和側柏人工林的空間結構進行分析，旨在通過了解各人工林的空間結構，為魯山地區人工林的經營及撫育提供技術支撐，以便更好地發揮其生態及社會功能。

1 試驗地概況

試驗地位于山東省淄博市魯山國家森林公園，東經 117°56′～118°11′，北緯 36°17′～36°24′。該園位于魯山主峰的核心部位，總面積42 km2，園區內群山聳立、溝壑縱橫、飛瀑流泉、森林茂密，是典型的山岳風景區。地貌屬魯中山地，巖石以花崗巖為主體，土壤主要有棕色森林土和山地褐土，氣候屬暖溫帶大陸性濕潤季風氣候。全年平均氣溫7.7℃，7月份平均氣溫20℃，最高氣溫不超30℃。全場現有經營面積4325.06 hm2，有林地 4267.04 hm2，其中油松林面積 2523.44 hm2、刺槐林面積 1287.40 hm2、側柏林面積335.32 hm2。這3種林分在森林公園中都主要以純林狀態存在。

2 研究方法

2.1 調查方法

本研究采用全面調查法，結合國家二類清查數據并在全面踏查的基礎上每種林分各選取具有代表性的4塊標準樣地，樣地的大小設置為30m×40m。記錄標準地群落類型、海拔、坡向、坡度和土壤等立地條件因子。對標準樣地內胸徑大于5 cm的活立木逐株編號，并進行每木檢測，檢測內容包括樹種、胸徑、樹高、冠幅、枝下高以及X、Y坐標等因子。

2.2 樣地邊緣效應的校正和空間結構單元的確定

樣地設置時樣地的邊界木問題是一個非常重要的問題，目前對于該問題的處理方法主要有4種:距離緩沖區法、8鄰域對稱式法、8鄰域平移式法和第4鄰體距離判定法。每種方法都有各自的優缺點和適用性，由于本試驗在樣地設置時是規整的標準樣地，所以本文采用8鄰域平移式法處理樣地的邊界木［10］。

林分內任意一株單株樹木和距離其最近的n株相鄰木均可以構成林分空間結構的基本單位——林分空間結構單元?？臻g結構分析以空間結構單元分析為基礎。結構單元核心的那株樹就是參照樹，而最近的n株相鄰樹木則被稱為相鄰木。FüLDNER、惠剛盈等［11－16］通過研究發現當n=4時，4株最近相鄰木與參照樹構成的結構關系有5種，即零度、弱度、中度、強度和極強度，空間信息完整，具有較強的可釋性和可操作性，因此本文選定相鄰木n=4(n表示最近相鄰木的棵數)。

2.3 分析方法

對于各個純林的空間結構本文主要從兩個方面進行研究，一是林木個體在水平地面上的分布形式(角尺度);二是林木個體大小的分化程度(大小比數)。

2.3.1 角尺度(uniform angle index)

角尺度(Wi)用來描述相鄰樹木圍繞參照樹i的均勻性，被定義為α角(從參照樹出發，任意2株最近相鄰木所構成的兩夾角中的較小角)小于標準角α0(72°)［17］的個數占所考察的最近相鄰木的比例。公式為

式中，當第j個角小于標準角α0時，Zij=1;否則Zij=0。

Wi值反映了林分中林木個體的分布格局，林分中全部Wi的平均值則反映了林分內林木的整體分布格局，即式中，N為參照樹的總株數，ˉW表示林分中全部Wi的平均值。當ˉW＜0.475時，為均勻分布;0.475≤ˉW≤0.517時，為隨機分布;ˉW≥0.517時，為團狀分布［18］。

2.3.2 大小比數(neighborhood comparison)

大小比數(Ui)是描述n株最近相鄰木與參照樹i的大小關系的量化指標，被定義為大于參照樹的相鄰木占所考察的全部最近相鄰木的比例。公式為

式中，若相鄰木j比參照樹i小，Kij=0;否則，Kij=1。

Ui的5 種取值，即 0、0.25、0.50、0.75、1，對應于參照樹在 4 個相鄰木中不同的優勢程度，即優勢、亞優勢、中庸、劣勢和絕對劣勢。大小比數量化了目標樹與其相鄰木的關系，其值越低，說明比目標樹大的相鄰木越少。

3 結果與分析

3.1 林分基本狀況

本研究調查的各種林分均為二十世紀七八十年代營造的人工林，各林分樣地的基本狀況為:油松樣地為2個陰坡2個陽坡，樣地平均坡度為25°，平均海拔為679.5 m，林分平均郁閉度為0.8;刺槐主要分布于陽坡，樣地平均坡度為23°，平均海拔為475 m，林分平均郁閉度為0.85;側柏樣地為2個陰坡2個陽坡，樣地平均坡度21°，平均海拔為538.8m，林分平均郁閉度為0.8。各個林分樣地內的基本狀況見表1。

表1 各林分樣地內的基本狀況Table 1 Survey of sample－plots in individual stand

3.2 角尺度分析

反映了林木個體在水平地面上的分布形式，而ˉW能夠反映林分內林木的整體分布格局。當ˉW＜0.475時，Wi為均勻分布;0.475≤ˉW≤0.517時，為隨機分布;ˉW≥0.517時，為團狀分布。由圖1可知，油松、刺槐和側柏人工林的角尺度都服從標準的正態分布，都在Wi=0.5處取得最大值，并且3種林分為0和1的比例都不高，也就是說絕對均勻和絕對不均勻的情況都不多。3種林分的平均角尺度分別為 0.484、0.503、0.504，說明其分布方式均為隨機分布。

圖1 油松、刺槐、側柏人工林角尺度頻率分布Fig.1 Frequency distribution of uniform angle index of Pinus tabulaeformis，Robinia pseudoacaia and Platycladus orientalis

3.3 大小比數分析

Ui根據比較的指標的不同可以分為胸徑大小比數、樹高大小比數和冠幅大小比數，由于測定的樹高和冠幅的精度較低，所以本文采用胸徑大小比數進行分析。油松、刺槐和側柏林的平均大小比數分別為0.484、0.498、0.478。由圖2可知，油松、刺槐、側柏林分在大小比數不同等級之間個體分布頻率相差不大，說明林分不同徑級的林木胸徑分布較均勻，林木個體分化程度較大。

圖2 油松、刺槐、側柏人工林胸徑大小比數頻率分布Fig.2 Frequency distribution of neighborhood comparison of Pinus tabulaeformis， Robinia pseudoacaia and Platycladus orientalis

4 結果與討論

林分結構的研究對森林經營技術、森林結構與功能量化研究乃至森林健康評價都有著重要意義。在對混交林林分空間結構的分析中一般使用樹種混交度描述空間隔離程度，使用大小比數描述林木大小分化程度，使用角尺度描述林木水平分布格局。本文是以油松、刺槐和側柏人工純林為研究對象，采用角尺度和大小比數2個空間結構參數，概念上易于理解，測量上方法簡單，結合傳統的林分結構因子便能夠很好地解析人工林林分的結構。

本文研究得出:(1)魯山國家森林公園油松、刺槐和側柏人工林的平均角尺度分別為0.484、0.503、0.504，林分分布均為隨機分布。(2)在前人的研究中［19－23］，林木大小差異程度常采用林木的直徑分布來表達，雖然直徑分布能給出群落內樹木個體各徑級所占的頻率，但是缺乏空間信息的表達［24－25］。本文采用表示參照樹在空間結構單元中所處生態位的大小比數(Ui)，分析林分中所有樹種在胸徑指標上的優劣程度［26］。該園油松、刺槐和側柏林的平均大小比數分別為0.484、0.498、0.478，人工林林分在大小比數為0～1的株數比例基本相同，說明林分不同徑級的林木胸徑分布較均勻，林木個體分化程度較大。

越向穩定群落發展，強度和極強度混交的頻率有越高的趨勢［27］。所以，為了在樹種間形成種間的協調互利關系，維持群落的穩定狀態，有必要采取人工更新或是引進不同的樹種，以增加物種多樣性。在以上研究的基礎上，為魯山國家森林公園油松、刺槐和側柏人工林的經營提出如下建議:由于研究林分郁閉度比較大，需要先對林分進行適當地撫育間伐，伐除被壓木、病弱木，采取天然更新和人工更新相結合的方法，在油松、側柏純林中增加鄉土闊葉樹種的比例，在刺槐純林中補植針葉樹種或其他闊葉樹種，以增加林分物種組成的多樣性，逐步建立多樹種、多層次、多齡級的復合混交林，從而加速林分空間結構向近自然林結構發展。

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