基于單木位置的杉木林分空間競爭關系研究

宋亞斌 江騰宇 彭檢貴 李佳 何麗妮

摘?要：?研究林木競爭關系，有助于了解林木生長規律，幫助制定科學有效的營林措施。本文基于樹冠因子的林木競爭指數，提出了一種顧及林分地形因子的樹冠競爭指數，并把這兩種指數與基于交角的林木競爭指數以及簡單競爭指數在不同林分中的適應性進行對比。同時用這四種指數計算不同樹種組成的林分以及杉木林中不同齡組、坡向、坡度的林分中單木受到的平均競爭。結果表明四種指數中簡單競爭指數的相關性最高，顧及地形的樹冠競爭指數次之，基于交角的林木競爭指數相關性最低;在不同樹種組成的林分中馬褂木樣地單木受到的平均競爭最大，馬褂木杉木混交林最小，其它兩種林分次之;在杉木林分中，中齡林單木受到平均競爭要大于成熟林，陰坡樣地中單木受到平均競爭要大于陽坡，單木受到的平均競爭隨坡度增大而增大。因此四種指數中簡單競爭指數的適用性最好;在杉木林經營中，中齡林需要及時間伐;在造林過程中陰坡的林地造林密度要適當小于陽坡、坡度級大的林地要小于坡度級小的林地。

關鍵詞：?單木位置;林木競爭;競爭指數模型;空間競爭差異

中圖分類號：S791.253?文獻標識碼：A?文章編號：1004-3020（2019）06-0016-04

Study?on?the?Spatial?Competition?Relationship?of?Cunninghamia?lanceolata?Based?on?Single?Tree?Position

Song?Yabin?Jiang?Tengyu?Peng?Jiangui?Li?Jia?He?Lini

（1.Central?South?Inventory?and?Planning?Institute?of?National?Forestry?and?Grassland?Administration?Changsha?410014;

2.?Hongan?County?Forestry?Survey?Planning?and?Design?Institute?Huanggang?438400）

Abstract：?Study?of?forest?tree?competition?is?helpful?to?understand?the?law?of?forest?growth?and?help?to?make?scientific?and?effective?Afforestation?Measures.?Based?on?tree?competition?index?of?tree?crown?factor，this?paper?puts?forward?a?tree?crown?competition?index?considering?forest?topographic?factors.?The?four?indices?are?used?to?calculate?average?competition?of?single?tree?in?different?tree?species?and?different?age?groups，slope?and?aspect?in?the?Cunninghamia?lanceolata?forest.?The?results?show?that?the?correlation?of?simple?competition?index?is?the?highest，

Key?words：?single?tree?location;forest?competition;competition?index?model;?spatial?competition?differences

林木競爭，是指生長在同一環境中的林木，為了獲得更好的陽光、水分等生長發育所必需的條件，一些林木之間就會出現爭奪共有資源的情況[1-3]，而林木競爭指數是定量描述林木間競爭強烈程度的數量指標。其大小取決于林木本身的狀態（胸徑、樹高、冠幅）以及所處的環境[4]。對林木間競爭規律的研究，有助于了解森林的發育和演替過程，預測森林演替的動向，進而輔以必要的人工管理措施，以促進森林生態系統功能的完善和提高[5-7]。當前，基于競爭關系的森林經營措施研究，已成為研究的重點[8-9]。

Hegyi[10]（1974）直接使用對象木與競爭木之間的距離及競爭木與對象木的直徑之比構造了簡單競爭指數。該指數反應樹木競爭關系較為準確，并且其所用參數容易獲取，計算簡單，運用十分廣泛。但是簡單競爭指數并未衡量對象木與競爭木樹冠之間的遮擋對競爭的影響[11]。惠剛盈[12]等（2013）綜合考慮了林木的樹高和胸徑大小，基于交角原理、以大小比數為權重提出了基于交角的林木競爭指數，其生物學意義在于對象木所受到的競爭壓力在距離保持不變時隨競爭木樹高的增加呈非線形增加，或在競爭木樹高一定時隨距離的變遠而呈非線性減小，但是其所有參數難以獲取且計算復雜[13-14]。張曄珵[15]等人（2015）基于簡單競爭指數的基礎上引進了樹冠競爭因子，提出了基于樹冠競爭因子的林木競爭指數，該指數簡潔地表達出競爭木上方樹冠的遮蓋和側翼胸徑的擠壓，但是其未曾顧及地形因子對樹冠遮擋的影響。

三種指數在反應林木間競爭狀態方面各有其優點，但是很少有人對這些競爭指數的適應性做出評價，也很少有人利用這些指數分析不同類型的林分中單木受到競爭的空間差異。而研究林分空間競爭差異，對于了解樹木生長規律具有非常重要的作用[16-17]，也可以幫助相關人員制定更為科學有效的造林、撫育等營林措施。

1?材料和方法

1.1?研究區概況

研究區位于湖南省攸縣黃豐橋國有林場，林場橫跨攸縣東西部，介于東經113°04'至113°43'，北緯27°06'至27°24'之間。全場地貌以中低山為主，境內最高海拔1?270?m，最低海拔115?m。林場地處中亞熱帶季風濕潤氣候區，年均氣溫17.8?℃，平均無霜期為292?d，年均降水量1?410.8?mm。林場的森林覆蓋率為86.24%。樹種主要以杉木、松類為主，其中杉木面積3?197.6?hm2，占用材林面積89.9%，蓄積593?738?m3，占96.56%，全部為人工造林。

1.2?數據來源

實驗數據來源于林場內樣地調查，共選取樣地22塊，樣地面積30?m×30?m，每塊樣地均調查了單木的胸徑、樹高、冠幅，用全站儀測量每棵單木的位置以及相對高程，同時記錄了海拔、坡向、坡度等立地因子。按樹種來分，杉木樣地15塊，馬褂木樣地3塊，馬褂木和杉木混交樣地2塊，杉木和樟樹混交林2塊，共計單木1?974株。其中杉木樣地中成熟林5塊、中齡林10塊;陽坡樣地7塊，陰坡樣地8塊;平坡樣地3塊，緩坡樣地4塊，斜坡樣地5塊，陡坡3塊。共計杉木1?280株。

1.3?數據分析

1.3.1?樣地中對象木和競爭木選取

為了消除樣地邊緣效應的影響，1?280棵杉木的平均冠幅的半徑為1.69?m，694棵闊葉樹的平均冠幅半徑為1.97?m。故在原來樣地邊界周圍設置一個2?m的緩沖區域，在緩沖區里面的樹只作為競爭木，不作為對象木，在修改后邊界上的樹遵循取上不取下，取左不取右的原則。其余樹木均可作為對象木與競爭木，參與指數運算。修改的樣地邊界如圖1。

圖1?某樣地邊界修改示意圖

1.3.2?單棵對象木周圍競爭木的確定

簡單競爭指數和基于交角的林木競爭指數中競爭木的選取皆采用固定競爭木的方法，即選取與對象木距離最近的n（n=4或6或8）棵樹作為競爭木，而基于樹冠因子的林木競爭指數采用樹冠重疊的方法，認為其它樹木與對象木之間的距離小于它們平均冠幅半徑即為競爭木。樹冠重疊的方法比固定競爭木的方法更能夠真實反映林木之間相互競爭的狀態，故本文中所有指數均采用樹冠重疊的方法來確定單棵對象木的競爭木。

1.4?競爭指數的計算

應用matlab高級程序語音編程，計算四種指數，得到每塊樣地所有對象木受到其它樹木競爭的大小以及每塊樣地中單木受到平均競爭的大小。四種指數的具體表達式如下。

1.4.1?基于樹冠因子的競爭指數

ccIi=∑nj=1HjHi?×（wi+wj-|xi-xj?|）wi（1）

式中：Hj為第j棵競爭木的樹高，Hi為對象木的樹高，wi為對象木的平均冠幅半徑，wj為第j棵競爭木的平均冠幅半徑，|xi-xj?|為兩棵樹水平方向的距離。

1.4.2?顧及地形因子的樹冠競爭指數

基于樹冠因子的競爭指數中用兩棵樹水平方向的距離來表示兩棵樹之間的距離并不能準確反應兩棵樹木之間的相對位置;同時用兩棵樹高的比值來表示兩棵樹垂直方向的遮擋也并不準確，因為在林地中受地形起伏以及坡度的影響，兩棵樹樹高的差值，并不能代表兩棵樹頂的相對高差，因此為顧及地形因子的影響，引入兩棵樹的相對高程的差值加以修正，其具體表達式如下：

ccIi-e=∑nj=1（Hj+（ej-ei））Hi

×（wi+wj+（xi-xj）2-（yi-yj）2?））wi?（1）

式中：Hj為第j棵競爭木的樹高，Hi為對象木的樹高，ej為第j棵競爭木的相對高程，ei為第i棵對象木的高程，wi為對象木的平均冠幅半徑，wj為第j棵競爭木的平均冠幅半徑，（xi-xj）2-（yi-yj）2為兩棵樹之間距離。

1.4.3?簡單競爭指數

CIi=∑Nj（Dj/Di）/（DIST）ij（1）

式中：CIi為對象木i的簡單競爭指標，Dj為對象木i的直徑，Di對象木周圍第j株對象木的直徑（DIST）ij為對象木與競爭木之間的距離。

1.4.4?基于交角的競爭指數

u_a_CIi=1n∑nj=1（α1+α2.Cij）j180°.Ui（1）

α1=arctan（Hidij?）?Hj>Hi

arctan（Hjdij?）?Hj

α2=arctan（Hj-Hidij）（3）

Cij=1?Hj>Hi0?Hj

Ui=1n?∑nj=1kij;kij=1?Hj>Hi0?Hj

式中：Hi為對象木的樹高，Hj為相鄰木樹高，dij為對象木和相鄰木之間的距離，n為競爭木的株數，Ui是林木所處的競爭態勢，Cij表示對象木是否被遮擋。

2?結果與分析

2.1?四種競爭指數的相關性

為了比較四種競爭指數在不同林分中的適應性，對四種指數算出的單木受到競爭的大小與胸徑因子進行擬合，擬合得到的模型均為y=a*Db形式，以四種指數與胸徑生長因子的相關性（R2）作為評判標準，得出結論如下：簡單競爭指數的相關性明顯優于其他三種指數;顧及地形的樹冠競爭指數雖比原來要好，但是兩種指數的相關性均偏低，而基于交角的競爭指數基本上無相關性（見表1）。

2.2?不同樹種的種間競爭差異

把樣地按不同樹種劃分為四種類型，以每一類樣地中所有單木受到的平均競爭的大小為指標，得出結論如下;馬褂木樣地單木受到的平均競爭>樟樹杉木混交林>杉木>馬褂木杉木混交林。四種指數表現均一致（見表2）。

2.3?杉木林分的種內競爭差異

為了消除不同樣地間密度和其他立地因子的影響，把杉木樣地按齡組、坡向、坡度劃分為不同的類別，用每一類樣地中所有單木受到的平均競爭大小為指標得出結論如下：中齡林中單木受到的平均競爭要大于成熟林，可能因為中齡林生長比較旺盛，需要生存資源更多，競爭更激烈;陰坡樣地中單木受到平均競爭要大于陽坡，可能是陰坡光照資源不充足，生存資源更少，競爭更激烈;陡坡單木受到的平均競爭>斜坡>緩坡>平坡，即隨著坡度的增加，競爭更激烈，可能由于坡度越陡，水土越容易流失，導致林分內水分養分缺失，樹木間競爭更為激烈。四種指數得出結果均一致，具體結果如表3。

3?結論與討論

本文基于樹冠因子的競爭指數，顧及林分地形因子，提出了一種顧及地形的樹冠競爭指數，并且把這兩種指數與簡單競爭指數和基于交角的林木競爭指數在不同林分的適用性作比較，以它們與胸徑生長因子的相關性為判斷依據。發現顧及地形的樹冠競爭指數比基于樹冠因子的競爭指數的相關性更高，但總的來說兩種指數的相關性均偏低。四種指數中簡單競爭指數的相關性明顯高于其它三種指數，說明其在不同林分中的適應性更強。而基于交角的林木競爭指數基本上沒有相關性，說明該指數的適用性較差。

通過把林分劃分為不同類別，分別用四個指數計算每一類樣地中所有單木受到的平均競爭的大小，以此作為依據。發現在不同林分中馬褂木樣地單木受到的平均競爭>樟樹杉木混交林>杉木>馬褂木杉木混交林。在杉木人工林林分中，中齡林中單木受到的平均競爭要大于成熟林，因此在營林過程中，中齡林林分要及時間伐或者施加肥料，以滿足林木旺盛的生長需求;陰坡樣地中單木受到平均競爭要大于陽坡，陡坡單木受到的平均競爭>斜坡>緩坡>平坡，因此在造林過程中，陰坡林地的造林密度應該小于陽坡，陡坡<斜坡<緩坡<平坡。

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（責任編輯：唐?嵐）