黔中馬尾松近熟林空間結構特征及其調控

黃劍峰，譚 偉，柴宗政，蔡照軍

（1.貴州大學 林學院，貴州 貴陽550025；2.安順市平壩區林業局，貴州 安順 561100）

林分空間結構指林地上的林木樹種、大小、分布等屬性在空間上的排列方式及其分布格局［1］。林分空間結構指數可以作為一種快捷的穩定性評價方法運用于森林經營實踐中。一般而言，穩定性越高、功能越強的林分的空間結構都趨于一個優化的狀態。林分空間結構可以體現林木間的空間格局，是對森林進行經營調控的必測屬性，人們可通過森林的空間結構特征了解森林現狀和未來發展方向，因而如何科學有效地分析林分的空間結構，一直是森林經營管理和科研工作者探索研究的熱點。隨著結構化森林經營理念的提出，林分空間結構的系列研究已普遍應用于不同的森林類型［2-4］。對林分空間結構的描述主要從角尺度、大小比數、混交度3個方面進行［5-7］。國內外研究都表明：二元分布可以從2個或多方面提供更多的林木結構屬性，比單變量更直接、更實用，對模擬森林與恢復及恒續林擇伐經營能夠提供有利參考，對同一個樹種而言，也能更好地反映其林木的結構差異［8-10］。因此，二元分布在研究林分空間結構特征上得到了廣泛應用［11-12］。馬尾松Pinus massoniana是中國南方山地主要速生針葉用材樹種，為了充分發揮黔中山地森林生態系統的整體功能，平衡該區域森林生態以及可持續林業發展，精準提升黔中地區的森林質量，本研究選取平壩區小河村的馬尾松近熟林作為研究對象，運用角尺度、混交度和大小比數3個林分空間參數在分析黔中山地馬尾松林內林木空間結構參數一元和二元分布基礎上，揭示其內在的數量關系，量化分析該研究區馬尾松林空間結構特征，探討二元分布規律在研究馬尾松近熟林林分水平空間結構上的實用性及有效性，并確定結構化森林經營過程中被伐木的物種和大小選擇規律以及空間特性，為馬尾松林林分結構科學調控與經營提供理論依據，促進森林與環境的平衡和可持續林業發展。

1 研究區概況

研究區（26°17′19″～26°19′00″N，106°15′8″～106°15′53″E）設在貴州省安順市平壩區白云鎮下轄的小河村馬尾松林區，海拔963～1 646 m，平壩區的森林資源豐富，屬于亞熱帶常綠闊葉林分布地帶，酸性土壤，土壤類型主要為黃壤、黃棕壤，氣候類型屬于亞熱帶濕潤型季風，年平均氣溫為18.3℃，年降水量1 146.3 mm，極端最低溫度-7.4℃。小河村地處平壩區的東南面，其四周鄰接本寨村、林下村、郝下村、邢江村。馬尾松人工林是平壩區主要的森林類型之一，長期的群落演替，使其在林分結構上有了明顯的變化。研究區馬尾松林為集體林區的28年生人工林，造林時間為1990年，后經天然更新與自疏作用形成，在之前未采取人工經營措施。該馬尾松近熟林林分郁閉度為0.7，株數密度為1 249株·hm-2，植被綜合蓋度90%。林內喬灌木以馬尾松為主，伴生有杉木Cunninghamia lanceolata，光皮樺Betula luminifera，華山松Pinus armandii，楊樹Populus，青岡Cyclobalanopsis glauca，楓香Liquidambar formosana，油桐Vernicia fordii，柳杉Cryptomeria fortunei，樟樹Cinnamomum camphora，柏木Cupressus funebris，樸樹Celtis sinensis等；灌木樹種有馬桑Coriaria nepalensis，火棘Pyracantha fortuneana，鐵仔Myrsine africana，杜鵑Rhododendron simsii等。

2 研究方法

2.1 野外調查

研究區調查總面積為1.00 hm2，海拔為1 280 m，東北坡向，坡度大小為15°。選取具有代表性的28年生馬尾松人工近熟林調查樣地，樣地大小為100 m×100 m。采用10 m×10 m網格按從右到左，自上而下的方式進行每木檢測，即100個10 m×10 m小樣方，起測胸徑為5 cm，掛塑料吊牌標號后記錄每棵樹木的樹種類型、樹高、胸徑、空間位置、冠幅，以及林分的坡度、郁閉度等情況。

2.2 分析方法

利用惠剛盈［13］提出的以最近4株相鄰木分析林分空間結構的方法，主要用混交度（M），角尺度（W），大小比數（U）3個結構參數。以樣地調查的樹高和胸徑等為基礎數據，利用空間結構分析軟件SVMS（同Winkelmass 1.0）計算馬尾松近熟林內各調查樹種的角尺度、混交度、大小比數。在一元分布的基礎上，主要采用結構參數的二元分布［14］分析馬尾松近熟林的空間結構特征。所謂一元或二元分布指一維（元）離散型隨機變量及其分布和二維（元）離散型隨機變量及其分布［15］。計算5個取值等級的空間結構參數在調查樣地內的分布頻率值，兩兩組合后計算二元分布頻率。制出一元分布圖與二元分布圖后對林分的水平空間結構特征進行綜合分析，最后做模擬采伐調控馬尾松近熟林的水平空間結構特征。

2.2.1 混交度 混交度就是指林內與參照樹最近的相鄰木與參照樹非同一樹種類型的林木個體所占的比例大小，表示林分內樹種在空間上的相互隔離程度，用公式表示為：其中：Mi為林木在林內i點的混交度；n為與參照樹最近的相鄰木株數；vij表示參照樹i與第j株最近的相鄰木是否為相同樹種，為相同樹種時vij=0，否則vij=1。

2.2.2 大小比數 指特征因子大于林內參照樹的相鄰木占所有調查的最近的相鄰木比列，可用公式表示其中：Ui為林木在林內i點的大小比數；n為最近鄰木的株數；kij表示相鄰木j的特征因子比參照樹i的大小，大時kij=1，否則kij=0。

2.2.3 角尺度 角尺度表示相鄰木在參照樹周圍分布的均勻性。角尺度指標就是指當任意的2株鄰接最近的相鄰木與參照樹構成2個夾角中的小角α小于均勻分布時的最近相鄰木構成的標準角α0的個數占考察林分內的所有最近相鄰木的比例。表達式為：其中：Wi為林木在林內第i點的角尺度；n為最近相鄰木的株數；zij表示第j株相鄰木的α角比標準角大或小，小于標準角時zij=1，否則zij=0。

3 結果與分析

3.1 馬尾松近熟林樹種組成

調查樣地內，林分密度為1 249株·hm-2（不包含枯死木），共包括12個樹種（表1）。在株數與斷面積上，馬尾松占林分總株數的比例為64.93%；馬尾松占林分總斷面積的比例為80.49%。杉木和光皮樺占林分總株數的比例分別為15.13%和10.01%；杉木和光皮樺占林分總斷面積的比例分別為8.15%和4.69%。此外，青岡的株數少于楊樹，但其斷面積多于楊樹，表明該調查樣地內青岡樹種大徑級的居多，而楊樹整體的胸徑小于青岡。柳杉株數少于油桐，但它的斷面積多于油桐，也說明柳杉胸徑在整體上大于油桐。華山松、楊樹、青岡、楓香、油桐、柳杉、柏木、樟樹及樸樹等樹種株數和斷面積比例都較小，是群落中極少量的伴生樹種。林內馬尾松最大胸徑與最大樹高分別為47.4 cm和23.2 m，平均胸徑和平均樹高分別為17.89 cm和14.12 m。綜合分析各屬性可知：馬尾松對林內資源占據明顯優勢，為優勢樹種；杉木在株數和斷面積上僅次于馬尾松，為主要的伴生樹種。

3.2 馬尾松近熟林空間結構參數一元分布

3.2.1 林分水平空間結構參數一元分布 林分混交度分布規律明顯，混交度Mi從0.00到1.00各取值等級上的占比呈先下降后平緩的趨勢，零度、弱度、中度、強度和極強度混交株數分布頻率分別為 0.40，0.25，0.14，0.10和 0.11（圖1）。林分各混交等級單元的分布存在差異，且以零度混交為主，目標樹與最近相鄰木結構單元的各種聚集程度均存在。林分中優勢樹種馬尾松的混交狀態決定了整個林分的混交程度，雖然伴生樹種在林分內各混交等級均有體現，但其較小的株數占比還不能影響整個馬尾松林分的混交格局。研究區林木的大小比數Ui從0.00到1.00各取值等級上的分布頻率呈上升的趨勢，但上升幅度不明顯，總體上處于平穩趨勢（圖1），結構單元中優勢木、亞優勢木、中庸木、劣態木和絕對劣態木的分布頻率分別為 0.19，0.20，0.20，0.20和0.21。優勢木分布頻率稍小，但各大小比數等級的分布頻率之間整體相差不大，最大頻率與最小頻率僅相差0.02，表明不同的大小比數等級在馬尾松林內分布頻率相對較均勻，不同的大小分化程度在林內均有所體現。由圖1可知：馬尾松林內各角尺度等級的分布頻率差異顯著，W=0.50時最高，頻率為0.55，可見該馬尾松林分角尺度屬于隨機分布。林木整體的平均角尺度為0.54，林內各個樹種類型的平均角尺度總體為0.50～0.75，雖然樸樹的平均角尺度達0.75，但由于樹種存在株樹極少，不影響整個馬尾松林分角尺度隨機分布格局。

表1 馬尾松近熟林數量特征Table 1 Quantitative characteristics of Pinus massoniana near maturing forest

3.2.2 馬尾松種群空間結構參數一元分布 由圖2可知：角尺度各等級的分布頻率近似正態分布，W=0.50時，出現峰值，因此馬尾松林木整體上處于隨機分布狀態；大小比數不同等級分布頻率都靠近平均值0.20。可知，大小比數各等級在馬尾松種群內均有呈現，且差異不大；很顯然，混交度分布頻率在零度混交狀態時出現最大值，隨著混交等級增大，頻率逐漸降低。可見，馬尾松種群對整個林分的空間結構起主導作用。

圖1 林分水平空間結構參數一元分布Figure 1 Unary distribution of horizontal spatial structure parameters

3.3 馬尾松近熟林空間結構參數二元分布

圖2 馬尾松種群空間結構參數一元分布Figure 2 Unary distribution ofspatialstructure parameters of Pinus massoniana population

3.3.1 林分水平空間結構參數二元分布 經測算，角尺度在5個不同等級大小比數上的分布頻率總體差異不大（圖3A），在W=0.50，U=0.50時，分布頻率出現最大值為11.95%，但從總體上看，林分中處于絕對劣態的林木個體總頻率最高，分布頻率為21.09%，處于劣態木的分布頻率為20.02%，處于中庸狀態的林木個體數量總頻率為20.31%，三者之間相差不大。此外，隨著角尺度等級的增加各等級大小比數的總頻率先增大后減小，近似正態分布，且右側變化幅度大于左側。在W=0.50時，大小比數總頻率最大，達55.00%，且各大小比數等級的最大頻率均在W=0.50上，頻率幅度為9.91%～11.95%，說明在馬尾松人工林中林木分布格局以隨機分布為主。在W=0.00時，頻率主要分布在U=0.00和U=0.50這2個等級上，其余等級頻率為0，即在很均勻分布狀態時，林木個體處于優勢和中庸狀態，無被壓木狀態存在。

經測算，隨著混交度等級的升高，角尺度整體分布均呈下降趨勢（圖3B），同一混交度取值等級上的分布頻率隨角尺度等級的增大均表現為先增大后減小，且都近似為正態分布。在W=0.50時，頻率最大，為55.00%；W=0.25時，頻率為18.66%，兩者總計達73.66%，說明多數林木處于隨機分布狀態。在W=0.00等級上分布的林木較少，分布頻率為0.29%，說明林分中處于很均勻分布的林木較少；在M=0.25，W=0.00；M=0.75，W=0.00；M=1.00，W=0.00這3個結構組合上頻率為0，說明林木在弱度和強度以及極強度混交時無均勻分布。

經測算，混交度與不同大小比數取值等級的組合頻率差異較小（圖3C）。隨著混交度等級的升高，大小比數整體分布呈下降趨勢，混交度和大小比數結構組合的大多數（78.72%）頻率分布在中低度混交等級中（M為0.00～0.50），在M=1.00以及M=0.75時，頻率分別為11.18%和10.11%，總頻率為21.29%，表明在該林分中屬于強度和極強度混交的林木較少。在混交等級（M為0.00～1.00）上，U=0.00時分布頻率稍小，但各列大小比數在不同等級上的林木個體數量整體差異不大，說明林木空間結構指標組合單元中，優勢木、亞優勢木、中庸木、劣態木和絕對劣態木分布較均勻，林木個體之間的胸徑整體上差異不大。

圖3 林分水平空間結構參數二元分布Figure 3 Bivariate distribution of horizontal spatial structure parameters

3.3.2 馬尾松種群空間結構參數二元分布 從馬尾松種群的二元分布圖（圖4A）可以看出：角尺度頻率在同一大小比數等級上先增大后減小，均近似正態分布，且都在W=0.50時，頻率最大，總計為56.40%。馬尾松種群中各等級大小比數株數相差不大，呈現比例為1∶1∶1∶1∶1。不同分化程度的林木在同一角尺度取值等級上的株數比例差異不大。以中庸軸（U=0.50）和隨機分布軸（W=0.50）為界（圖4A），在均勻分布等級（W為0.00～0.25）軸上，最大頻率出現在大小比數U=0.00處，在不均勻分布等級（W為0.75～1.00）上，最大頻率出現在大小比數U=0.25處，說明林木分布越均勻，馬尾松處于被壓木的可能性越小。隨角尺度增大，馬尾松有處于被壓木趨勢。從圖4B可知：在同一混交等級上，角尺度的頻率均表現為先增大后減小，同樣近似正態分布，在W=0.50，U=0.00時，頻率最大，為29.10%。從圖4C可知：混交度和大小比數結構組合主要分布在中度混交等級以下（M為0.00～0.50）中，頻率為81.89%，在M=1.00時，只有5株。

3.4 馬尾松近熟林空間結構調控

3.4.1 確定林分空間分布狀態及模擬采伐 在經營人工林過程中，應以林分空間結構的優化和合理構建為目標［13］，林分在漫長的進展演替后，如果沒有受到嚴重干擾，在水平分布上的格局應為隨機分布［16-17］，因此，在模擬采伐調整林木水平空間結構時，結合調查樣地內馬尾松近熟林的角尺度分布狀態，盡量保證W=0.50取值的林木高比例，通過優先調整馬尾松近熟林的水平分布格局以實現向隨機分布狀態調整。該調查樣地內林木的平均角尺度W=0.54，角尺度取值大于0.54的結構單元聚集分布，可對其做備選擇伐木，即W=0.75及W=1.00的結構單元。

圖4 馬尾松種群空間結構參數二元分布Figure 4 Bivariate distribution of spatial structure parameters of Pinus massoniana population

普遍認為，經過進展演替的林分，混交度會逐漸增大，應從擴大混交的方向調整［18］。該馬尾松林分內混交度平均為0.32，按較低混交度取值的單木作為分析經營該馬尾松近熟林的備伐木，初步確定的混交度小于0.32的成為被伐木可能性較大。在以角尺度為參考指標篩選的初選木，其中混交度小于0.32的單木成為被伐木可能性更大。大小比數為0.51顯示參照樹處于中庸的狀態，對于喜光的樹種，以大小比數為0.75和1.00，即以處于絕對劣勢木和劣勢木作為采伐木對象，且伐除林內枯死等生長不良的林木［19］。以保持樹種的多樣性和林分空間結構優化，有利于主要建群樹種生長，遵循采伐總量控制等原則［18］，在盡量保證主要建群種馬尾松的生長空間下綜合分析林木空間指標結構單元后確定被伐木，最終篩選采伐馬尾松243株，平均胸徑為12.78 cm，平均樹高為12.67 m；杉木13株，平均胸徑為11.52 cm，平均樹高為10.93 m。

3.4.2 調控后結果分析 本研究從小干擾考慮，以不超總蓄積量20%的低強度模擬采伐方式調控林木水平空間分布格局、樹種隔離程度以及林內中、小徑木比例，對帶有樹牌標號的最終篩選木進行模擬伐除，采伐株數強度為20.5%，蓄積強度為11.9%。該林分經模擬伐除前后的空間結構特征變化見表2。模擬伐除后，林內建群種馬尾松的角尺度均值從0.54降到0.52，大小比數均值從0.47降低到0.40，平均混交度也有所提升，從0.18提高到0.27。馬尾松林分整體的角尺度均值從0.54降為0.52，林分水平空間結構由聚集分布變為隨機分布；混交度均值從0.32提高到0.42，混交狀態也有所改善；大小比數的均值從0.51降低到0.49，林木結構單元中參照樹屬于中庸狀態。對比模擬伐除前的林分空間結構特征狀況，整個馬尾松林分的空間結構特征得到調控，空間分布格局在一定程度上有所改觀，符合理想的森林空間結構演變規律，達到了預期調控目的。

表2 模擬采伐前后林分的空間結構參數Table 2 Spatial structure parameters of forest stands before and after simulated harvesting

4 結論與討論

4.1 結論

該馬尾松近熟林內建群樹種馬尾松各屬性均占明顯優勢。該林分中杉木、光皮樺等伴生樹種屬于天然萌生，其集聚程度在經長期的自疏作用及人為活動的干擾下有所降低。馬尾松近熟林內的林木整體而言以隨機分布為主，角尺度結構指標趨近優化。大小比數的不同等級在林內分布頻率較均勻，不同大小分化程度在馬尾松近熟林內均有所呈現。

馬尾松近熟林林分整體呈零度混交向弱度混交狀態，林分中的林木大多處于中低度混交（78.72%），處于強度和極強度混交的林木株數較少，目標樹結構單元多為同種樹種構成。73.66%的林木在林內屬于隨機分布，很均勻分布木較少，且在弱度和強度以及極強度混交時無均勻分布。林木株數在大小比數5個取值等級上的頻率基本一致，其中優勢木分布頻率稍小，林木空間結構單元中，優勢木、亞優勢木、中庸木、劣態木和絕對劣態木在林內整體分布較均勻，林木個體之間胸徑差異不大。

馬尾松種群中各等級大小比數上的株數呈現比例為1∶1∶1∶1∶1。林內不同分化程度的林木在同一角尺度取值等級上的株數比例差異不大。林木分布越均勻，馬尾松處于被壓木的可能性越小。隨角尺度增大，馬尾松有處于被壓木趨勢。在同一混交等級上，角尺度的頻率均表現為先增大后減小，近似正態分布，當W=0.50時，分布最多，為29.10%。混交度和大小比數結構組合主要分布在中度混交等級以下（M為0.00～0.50）中，頻率為81.89%，在M=1.00時，只有5株。

該馬尾松近熟林空間結構異質性不高，樹種混交度低且結構單一，處于不穩定演替階段。其他鄉土樹種的比例極低，且杉木與光皮樺多處于林冠中層，在胸徑生長上占據劣勢。通過模擬伐除對整個林分的空間結構特征進行調控，空間分布格局在一定程度上有所改觀。

4.2 討論

與彭輝等［11］及張崗崗等［12］的研究結果比較發現，受樹種組成與地域性等因素影響，林分的空間結構特征各有差異，但都表明二元分布規律以不同空間結構指標組合的形式更好地給林木生境信息提供了多角度參考，驗證了二元分布作為一種林分空間結構特征研究方法的有效性。林分空間結構在一定程度上決定林分整體的穩定性、未來發展的可能性以及森林經營管理空間的大小［20］。合理構建林分空間結構是發揮森林功能的前提，通過綜合分析以及模擬采伐，調控馬尾松林分水平空間結構特征，達到了預期研究目的，符合結構化森林經營的指導思想。因此，很多的森林經營決策問題，可以通過結構化森林經營理論［20］得到解決。采用擇伐、補植更新等方式調整林內樹種的競爭關系、隔離程度、分布格局，制定出科學合理的馬尾松等主要用材樹種的經營措施以提高森林質量，緩解資源利用與發展之間的矛盾［21］，達到森林資源與環境協調發展的平衡狀態。一次調整并不能完全改變林分空間結構現狀，循序漸進是必然的過程。研究區馬尾松林分混交度低，林型中伴生的極少量樟樹，柏木和樸樹等是其林分空間結構的次要影響因子，但對馬尾松林分空間結構潛在影響機制如何，以及在未來將如何去探索更高效的森林結構優化經營方案，還有待進一步深入研究。