貴陽市長坡嶺林場次生林林分空間結構分析

2018-06-20 02:32:46張友元陳雪梅蔣玉才王藝蓉

浙江林業科技 2018年2期

張友元，龍皎，李平，陳雪梅，蔣玉才，王藝蓉

（1. 貴陽市園林綠化科學研究院，貴州貴陽 550001；2. 貴陽市長坡嶺林場，貴州貴陽 550014；3. 貴州省農產品質量監測檢驗檢測中心，貴州貴陽 550004）

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，也就是林木之間樹種、大小、分布等空間關系，林分空間結構在很大程度上決定了林分的穩定性、發展的可能性和經營空間的大小[1-3]。次生林是原始植被人為干預或異常自然干擾破壞后，又重新天然更新起來的林分[4]，我國約有1/3的次生林林分，其中不少是屬于質量較低的林分。因此，次生林的經營與恢復在我國森林資源的開發利用起到了舉足輕重的作用。林分空間結構的研究近年來倍受關注，提出了多種描述其結構的參數[5-6]，如林木的混交、林木空間分布格局，分別采用混交度和角尺度進行表征[7-8]。眾多林業研究者十分重視次生林空間結構的研究，運用角尺度、大小比數、混交度等研究了各自區域的次生林現狀，提出了有借鑒意義和指導意義的經營方案[9-12]。如游曉慶等提出的針對閩楠Phoebe bournei天然次生林林分空間結構現狀，采用補植與采伐相結合的方法進行林分空間結構的調整，采伐選擇混交度程度低以及處于劣汰或絕對劣汰的非目的樹種，同時，在林窗或林木密度較低處補植閩楠，以提高樹種的混交度、調整林木水平分布格局以及減少目的樹種的競爭壓力。本研究采用固定樣地法，運用混交度、角尺度、大小比數等林分空間結構的分析方法，對貴州省貴陽市長坡嶺林場次生林進行研究，以期為進一步優化林分結構，改善其生態功能和可持續經營提供科學依據。

1 研究區概況

貴陽市長坡嶺林場位于貴州省中部，地理位置 26°35′～26°40′ N，106°33′～106°47′ E。亞熱帶氣候區，冷暖氣流交替強烈，季風高原氣候明顯，夏無酷暑，冬無嚴寒，年平均降水量1 147～1 191 mm，年平均氣溫12.5 ～14.5℃，氣候宜人，四季不分明，溫差小。地質屬揚子準地臺黔北臺隆，以前泥盆紀褶皺為基底的準地臺，以石灰巖為主次為白云巖及少量砂巖，土層厚度大多數在30～35 cm。喀斯特地貌，最低海拔1 201.9 m，最高海拔1 370 m，坡度多在5°～15°。林場建于1914年，作為貴陽環城林帶的重要組成部分，在林業生態建設中起著舉足輕重的作用。

研究區位于林場場部工區，面積197.1 hm2，其中次生林面積約100.05 hm2。林場的森林起源以人工林為主，樹種組成以馬尾松Pinus massoniana和華山松P. armandii純林為主，刺槐Robinia pseudoacacia林為人工林跡地上栽培樹種的萌生林。女貞Ligustrum lucidum，樸樹Celtis sinensis，燈臺樹Bothrocaryum controversum等為主的次生林分是由其原生林的后代繁育混生而成。

按照國務院2001年同意國家林業局《關于各省、自治區、直轄市“十五”期間年森林采伐限額審核意見的報告》，根據貴陽市地方經濟發展定位及經濟結構調整，森林資源從采伐轉變為保護，并依托天然林資源保護工程，使林業生態建設有了較大的發展，既保證了貴陽市第一環城林帶的森林資源需求，也給貴陽市的林業生態系統提供了可靠的保證。雖然近年來對森林資源進行了有效的保護，但現有森林資源結構制約了林場的可持續發展，如林種、樹種、齡組結構不合理，使得林分質量不高。

2 研究方法

2.1 外業調查

2017年7月在貴陽市長坡嶺林場內選擇遠離林緣、人為活動少、能夠反映林分基本狀況的區域作為典型地段，馬尾松林、華山松林、刺槐林為其上層林分混交的天然次生林，調查采用固定樣地法。為了更好了解林場內的樹種組成以及林分的空間結構狀況，選擇2塊由上述三種林分混交且起源一致的立地作為標準地（60 m×50 m），采用相鄰網格法，再將樣地劃分為30個10 m×10 m的小樣方，調查時以每個小樣方的西南角設定為坐標原點，用皮尺分別測量調查單元中每株胸徑≥5 cm的喬木的位置坐標（x，y），山體等高線為長軸邊x，沿坡面為短軸y。用GPS記錄樣地坡度、坡向、經緯度、海拔等立地因子，并記錄樹木的名稱、坐標、樹高（H）、胸徑（D）等。

2.2 林分空間結構分析方法

采用混交度分析林分的樹種空間分布狀況；用角尺度分析林木的水平分布格局；用大小比數分析樹種在林分內的生長狀況的空間屬性[13]。以樣地調查數據為基礎，利用空間結構分析軟件Winkelmass 1.0進行數據處理和分析。研究過程中選擇參照樹周圍4株相鄰木組成一個結構框架。這樣的結構單元中，參照樹與4株最近相鄰木構成的結構關系有零度、弱度、中度、強度和極強度5種，且這種結構單元的可操作性和可解釋性都較強，適宜于描述林分的空間結構特征[14-15]。因此，本研究中角尺度、混交度、大小比數計算公式中n=4。

2.2.1 角尺度（W）計算角尺度描述了參照樹周圍4株相鄰木的分布格局。研究證明最合適的標準角為72°[5]，其計算公式為：

式中，zij的值定義為：當第j個α角小于標準角α0時zij= 1，否則zij= 0，Wi的取值分別可能為0，0.25，0.5，0.75，1，其對應含義分別為：絕對均勻、均勻、隨機、不均勻、聚集。在分析標準地或者某一樹種角尺度時可以采用角尺度的平均值進行分析。W＜0.475，為均勻分布；0.475≤W≤0.517，為隨機分布；W＞0.517時為聚集分布。

2.2.2 混交度（M）計算混交度反映了林內各個樹種之間隔離程度的大小，一般根據對象樹木周圍4株相鄰木與對象樹木為不同樹種的比例來進行計算[9]，其計算公式為：

式中，vij的值定義為：當vij=1時，對象樹木i與第j株相鄰木為非同種；否則vij=0，

混交度是通過表明任意一株樹的最近相鄰木為其他種的概率來表示樹種間的隔離程度。Mi有5種取值，分別為l，0.75，0.50，0.25，0，對應狀態分別為：極強度混交、強度混交、中度混交、弱度混交和零度混交。

2.2.3 大小比數（U）計算大小比數是反映林木大小分化程度的指標，即大于對象樹木i的周圍4株相鄰木j所占比例，胸徑、樹高、冠幅長度均可作為比較標準[6]。本研究采用胸徑計算大小比數，其計算公式為：

式中，kij的值定義為：kij=1時，相鄰木j比參照樹i大，否則kij=0，Ui有5種取值，即0，0.25，0.50，0.75，l.00，分別表示為其對象樹木i對于其4株最近相鄰木j的情況分別為：優勢木、亞優勢木、中庸木、劣勢木、絕對劣勢木。取值越小，對象樹木的生長在林內占優勢。反之，則處于劣勢。

3 結果與分析

3.1 次生林的樹種組成

長坡嶺林場次生林的物種豐富度較高，本研究選擇在樣地中數量上占有一定優勢的樹種作為研究對象。由表1可以知，長坡嶺次生林樣地內喬木層主要有樹種13種，2個樣地的林分密度分別為879株·hm-2，880株·hm-2，其中就數量、密度、所占比例綜合來看，樸樹，女貞以及燈臺樹等均為該林分的主要優勢樹種，其主要伴生樹種有白櫟Quercus fabri，紅麩楊Rhus punjabensis var. sinica，刺楸Kalopanax septemlobus，亮葉樺Betula luminifera，刺槐，梓Catalpa ovata，山櫻花Cerasus serrulata等。其他伴生樹種如漆Toxicodendron vernicifluum，吳茱萸Tetradium ruticarpum，楸Catalpa bungei，八角楓Alangium chinense等株數比例都非常小，因此未納入研究中。樣地1中，樸樹是群落內的優勢樹種，刺槐和白櫟的平均胸徑、平均樹高比較大，但是數量相對較少，分別為80株·hm-2，43株·hm-2，梓在群落內不占優勢，密度最低，胸徑、樹高均處于較低的狀態。樣地2中，樸樹是絕對的優勢樹種，盡管白櫟是平均胸徑、樹高最大的樹種，但其密度僅為63株·hm-2，遠低于樸樹、女貞等；欏木石楠Photinia bodinieri，亮葉樺，刺楸等在群落中處于劣勢，胸徑、樹高、密度都普遍較小。

表1 長坡嶺林場次生林樣地中各樹種林分因子Table 1 Factors at the sample plots in Changpoling Forest Farm

3.2 次生林的胸徑結構

不同種類的樹木胸徑分布各有其特點，本研究選取數量較多的4種樹種樸樹、女貞、燈臺樹和山桐子Idesia polycarpa作為研究對象，徑階距2 cm，各樹種胸徑分布特點見圖1。

圖1 次生林中4種主要樹種胸徑的徑階分布Figure 1 DBH distribution of four main trees species at sample plots in Changpoling Forest Farm

由圖1可知，樸樹、女貞、燈臺樹3個樹種的的胸徑分布呈倒“J”型，林木株數隨著胸徑的增大而減小，并且小徑級樹均占到80%以上，樸樹、女貞胸徑在6～10 cm數量較多，分別占到總數量的88.4%和94.2%，樸樹、燈臺樹還存在部分徑級缺少的現象。山桐子大多數為小徑級林木，各徑級林木略符合正態分布。因此，可以看出，作為優勢樹種的樸樹、女貞和燈臺樹大多數還處于幼齡和中齡階段，群落處于構建初期。

3.3 次生林的空間結構

3.3.1 次生林的樹種混交程度由圖2 a 可知，2個樣地次生林Mi從0到0.75，其個體分布頻率總體呈逐漸增加的趨勢，樣地1在Mi=1時分布頻率略有下降。樣地1以極強度混交、強度混交和中度混交為主，三者的比例分別為0.33，0.42和0.24。樣地2以極強度混交、強度混交為主，二者的比例分別為0.49，0.29，樹種混交度在0.5時的比例也較大，為0.14。Mi為0時，2個樣地的比例均為0，說明兩個樣地不存在零度混交。樣地1和樣地2的林分平均混交度為0.77和0.8，均為強度混交，表明兩個林分同種樹種聚集在一起的非常少。

為了進一步了解各樹種的混交情況，對樣地數據進行了分析，見表2。由表2可知，樣地1中各樹種的混交度依次從大到小依次為：紅麩楊（0.882）＞亮葉樺（0.864）＞白櫟（0.846）＞刺槐（0.792）＞梓（0.781）＞女貞（0.772）＞樸樹（0.728）＞燈臺樹（0.718），樣地2各樹種的混交度從大到小依次為：刺楸（1）＞亮葉樺（0.969）＞白櫟（0.947）＞鹽膚木（0.933）＞山櫻花（0.923）＞燈臺樹（0.846）＞山桐子（0.809）＞欏木石楠（0.8）＞女貞（0.769）＞樸樹（0.689）。以上分析表明，樣地1除樸樹、燈臺樹，樣地2除樸樹外，周圍不同樹種低于3株，其余樹種周圍不同樹種均大于3株，處于強度至極強度混交的狀態，紅麩楊、亮葉樺、白櫟等很少呈單種聚集，數量較少，零星分布于樣地中，這與調查反映的各自株數較少情況相符。樣地2中的刺楸，更新能力較差，是將來逐漸被淘汰的樹種。樸樹是2個樣地的絕對優勢樹種，數量大，因此混交度較小，很有可能成為該樣地今后的建群種。

3.3.2 次生林的樹種角尺度由圖2b可知，2個樣地次生林Wi在0.50的分布頻率最大，在空間結構單元中以隨機分布的個體較多。樣地1角尺度分布頻率在0～0.50的大于頻率在＞0.50～1.00的，說明該樣地次生林水平分布格局為隨機分布。樣地2的角尺度分布頻率在＞0.50～1.00的大于在0～0.50的，則說明為聚集分布。樣地1和樣地2的林分平均角尺度值分別為0.486和0.514，取值范圍在0.475～0.517，說明2個樣地林分林木水平分布格局為隨機分布。由于樣地2角尺度分布頻率在＞0.50～1.00的僅比在0～0.50的大2.4%，而隨機分布的頻率占到了57%，故而整個樣地表現為隨機分布。

圖2 空間結構指數Figure 2 Spatial structure index of investigated plots

對不同樹種的空間結構單元進行分析，由表2可知，樣地1中次生林各樹種的角尺度由大到小依次為：白櫟（0.573）＞女貞（0.538）＞刺槐（0.521）＞燈臺樹、樸樹（0.504）＞紅麩楊（0.5）＞梓（0.469）＞亮葉樺（0.466），其中白櫟、女貞和刺槐的平均角尺度大于0.517，表現為聚集分布，在調查中發現白櫟、刺槐有中徑級至大徑級林木，它們的種子散落后成長起來就形成了現在的聚集局面。而梓、亮葉樺的平均角尺度小于0.475，表現為均勻分布，而數量最多的樸樹、燈臺樹的平均角尺度在0.475～0.517，表現為隨機分布，說明樣地的水平分布格局較為理想。

樣地 2中次生林各樹種的角尺度由大到小依次為：山櫻花（0.654）＞樸樹（0.59）＞女貞（0.569）＞山桐子（0.566）＞亮葉樺（0.563）＞燈臺樹（0.558）＞刺楸（0.556）＞白櫟（0.553）＞鹽膚木（0.533）＞欏木石楠（0.525），各樹種的平均角尺度均大于0.517，表現出聚集分布的現象，說明該林分受人為干擾較小，是最為常見的自然分布狀態。

表2 樣地各樹種混交度、角尺度和大小比數Table 2 Tree mingling degree, neighborhood pattern and comparison of sample plots

3.3.3 次生林樹種大小比數長坡嶺林場次生林林分大小比數如圖2c所示，樣地1和樣地2在各個等級的分布比較均勻。其中樣地1 Ui為0.75的比例最大，Ui為0.25的比例最小；樣地2 Ui為1的比例最大，Ui為0.5的比例最小；2個樣地最大比例與最小比例之間的變幅不明顯，說明次生林在空間結構單元中不同徑級林木分布頻率差異不明顯，整體上來說，以優勢木、亞優勢木和中庸木為主。

由表2可知，各個樹種平均大小比數分布由大到小樣地1中：女貞（0.674）＞樸樹（0.663）＞紅麩楊（0.632）＞梓（0.500）＞燈臺樹（0.448）＞亮葉樺（0.33）＞刺槐（0.177）＞白櫟（0.173），樣地 2中：樸樹（0.692）＞女貞（0.65）＞欏木石楠（0.625）＞燈臺樹（0.413）＞鹽膚木（0.400）＞亮葉樺（0.375）＞刺楸（0.333）＞山桐子（0.303）＞山櫻花（0.288）＞白櫟（0.066）。樣地1和樣地2的平均大小比數為0.53和0.51，說明2個樣地內所有樹種整體接近中庸狀態。調查中發現，樣地1中白櫟、刺槐以及樣地2中白櫟平均胸徑較大，有中徑級至大徑級林木存在，大小比數的計算得出3個樹種在各自樣地中均為優勢木，而數量上占據優勢的女貞、樸樹，由于胸徑小，多為幼樹，大小比數的計算可知二者在林內介于中庸和劣勢等級，上述現象均與實際調查情況表現相一致。

4 結論

從樹種組成來看，長坡林林場次生林喬木層的樹種主要有白櫟、刺槐、燈臺樹、亮葉樺、紅麩楊、女貞、樸樹、梓、刺楸、欏木石楠、山桐子、鹽膚木、山櫻花13種，其中樸樹、女貞以及燈臺樹均為主要組成樹種，林分組成式比例分別為樸樹約占40%，燈臺樹約占30%，女貞約占20%，刺槐、白櫟、亮葉樺、紅麩楊合計約占10%

對林分的混交程度進行分析，長坡嶺次生林在空間結構單元中在各混交等級分布不均勻，Mi從0至1總體上呈逐漸上升的趨勢，調查的兩個林分的平均混交度分別為0.77和0.80，為強度混交狀態，說明天然次生林整體上的混交程度較強，林分中同種樹種聚集在一起的很少。主體優勢樹種樸樹數量大，呈現混交度較小的現象。調查的2個樣地次生林的Wi均以0.50時的分布頻率最大，0的分布頻率最低，在樣地1中處于0～0.50的大于在＞0.50～1.00的，為7.9%；樣地2則＞0.50～1.00分布的大于0～0.50分布的，為2.4%。全林分的平均角尺度分別為0.486和0.514，林木整體水平分布格局為隨機分布。為了使分布頻率在0.50兩側的比例分配更為均衡，樣地1中在角尺度取值為0.25的單木中隨機選擇占全林株數7.9%的單木，在角尺度取值為1的單木中隨機選擇占全林株數2.3%的單木作為被伐木；樣地2中在角尺度取值為1的單木中隨機選擇占全林株數3%的單木作為被伐木。

采用大小比數對林分內所有樹種的大小分化程度進行了分析，天然次生林主要以優勢木、亞優勢木和中庸木為主，且在空間結構單元中各徑級林木分布頻率相差不大，2個樣地各自的平均大小比數為0.53和0.51，說明2個樣地內所有樹種整體接近中庸狀態。白櫟、刺槐數量不多，但生長優勢明顯，優勢木和亞優勢木數量較多，且主要分布在樹冠上層和中層。而樸樹作為所調查的兩個樣地林分的主要組成樹種，數量大，密度高，但樹高和胸徑不占優勢，主要分布在樹冠下層，以劣勢木和極劣勢木為主。

研究的結果及相關森林經營理論[16]，在次生林經營管理過程中，林分平均角尺度以及各樹種的角尺度、混交度和大小比數的取值和對應的樹種分布情況，可以作為分樹種來確定采伐木的依據，進而優化林分內樹種組成，使林分逐步形成穩定且合理森林群落結構，達到森林經營的目的。

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