麻城黃山松天然林直徑分布

侯梅, 胡劍民, 張琴琴,, 汪洋,

麻城黃山松天然林直徑分布

侯梅1, 胡劍民2, 張琴琴1,*, 汪洋1,*

1. 湖北生態工程職業技術學院,武漢 430200 2. 麻城市職業技術教育集團, 湖北麻城 438300

為研究黃山松天然次生林直徑分布特征, 以麻城市黃山松天然次生林為研究對象, 采用標準樣地調查, 計算林分直徑的偏度、峰度, 林分直徑分布的Shannon-Weiner和Simpson指數, 運用負指數分布、normal分布、lognormal分布、logistic分布和Weibull分布等5種概率密度函數對黃山松天然次生林林分直徑分布進行擬合, 對擬合結果進行2檢驗。結果表明: 1)黃山松直徑分布主要為左偏山狀, 較高徑階林分直徑分布為右偏山狀。2)黃山松直徑分布的多樣性和均勻度指數與林分徑階的大小變化一致。3) Weibull分布函數擬合接受率為75.0%, 適宜解釋黃山松天然林林木直徑分布。研究結果可為黃山松天然林分直徑分布和生長動態提供參考依據, 指導黃山松天然林的經營與管理。

黃山松; 天然次生林; 直徑分布; Weibull分布

0 前言

黃山松()為中國特有樹種, 是中國亞熱帶中部海拔800—1800 m低山或中山森林的主要建群種[1]。在湖北東部、河南南部大別山區海拔700—1600 m的山地, 大部分黃山松天然次生林因封山育林徑級增大, 逐步演變為以黃山松為優勢種的純林。長期以來, 由于黃山松自身生物學特性、密度效應與環境適應策略, 導致種群優勢地位持續增強[2], 導致出現黃山松天然次生林群落層次簡單、喬木層樹種單一、生物多樣性較低和生態系統穩定性弱等問題, 黃山松天然林應有的生態功能難以發揮[3]。

林分結構的特性是決定森林能否充分發揮其功能的前提[4], 林木大小分布規律是林分結構的基本屬性, 與森林生物量、碳儲量和總生產量等特征密切相關[5-6]。林分直徑分布反映了林分群落結構和生長規律, 能夠反映出森林動態和過去所受干擾的持續影響, 適宜的直徑分布模式是診斷森林結構是否穩定的一個重要指標, 也是林分獨特生長模式的結果[7], 因而是最重要和最基本的林分結構[8], 歷來受到國內外學者的關注[9]。

直徑分布模型選擇可以指導調節林分直徑結構, 使林分植株在中小徑級時獲得足夠資源, 促使小徑級林木的正常生長和林下更新[10], 從而提高生物多樣性、提高生態服務功能和群落保護。近年來, 直徑分布研究中應用較多的主有要Weibull分布、Logistic分布、負指數分布、正態分布以及對數正態分布等[7, 11-13]。由于森林類型、分布區域和立地條件的差異, 相應林分直徑分布模型可能不同[11], 有針對性地研究具有代表性的林木直徑分布模型十分重要。

本文以湖北省麻城市三河口鎮獅子峰林場隘門關村不同林齡的黃山松天然次生林為對象, 研究黃山松天然次生林林分直徑分布規律。在充分了解黃山松林分不同發育階段直徑結構特性的基礎上, 確定黃山松林分發展階段, 為造林設計[14-15]、建立林分生長和收獲模型[16-17]提供依據, 促進黃山松群落健康發展, 維護生物多樣性和生態系統穩定性。

1 研究地概況

研究地位于湖北省東北部麻城市三河口鎮獅子峰林場隘門關村。地理坐標為115°17'23"—115°21'41"E, 31°22'34"—31°23'32"N, 平均海拔735 m, 為低山地區。該區屬亞熱帶大陸性濕潤季風氣候, 江淮小氣候區, 為南北兼有氣候特征。該地具有雨量充沛、雨熱同季、日照較長、積溫較高等特點。太陽年輻射總量96.9—112.5 kcal·m-2, 為湖北全省最高值[18]; 年日照時數1634.4—2153.0 h, 年平均溫度16.1℃, 無霜期238—270 d, ≥10℃積溫4700—5162℃; 年降雨量多年為1156.2—1688.7 mm。研究區土壤為黃棕壤和黃壤[19]。群落喬木優勢樹種為黃山松(), 其數量占喬木的40.45%, 生物量占全部喬木的90.00%以上。標準地內還有少量喬木種, 如短柄枹櫟()、野漆()、麻櫟()和黃檀()等。

2 材料與方法

2.1 標準地設置與數據收集

2016年7月開展標準地調查。選擇人為活動干擾程度相對較輕, 且具有代表性的典型黃山松天然次生林4塊, 在每個樣塊設置1個面積為20 m× 20 m的標準地; 對標準地內的木本植物(DBH≥5.0 cm)每木檢尺。記錄樣地地理位置和環境因子(見表1)。記錄樣地起測木本植物的胸徑、樹高和冠幅; 記錄灌木層和草本層基本情況。

2.2 指標計算方法

2.2.1 偏度和峰度

直徑分布的形狀可以用偏度與峰度來評價[7]。表示非對稱的偏斜方向與偏斜程度,的絕對值越大則表明偏斜程度愈大;>0為左偏;<0為右偏。表示分布曲線的尖峭或平坦程度,>0表示尖峭;<0表示曲線較正態分布平坦。表達式為:

表1 不同標準地黃山松天然林基本情況

變異系數是直徑標準差與算術平均直徑的比值。其值越大, 表明直徑分布范圍越大。

2.2.2 林分直徑分布多樣性

采用Shannon指數和Simpson指數研究林分直徑分布的多樣性[20], PieLou指數用于描述群落物種均勻度, 表示物種個體數目在群落中分配的均勻程度, 可用于林木直徑在不同徑階的分布狀況。

Shannon-Weiner指數:

PieLou 均勻度指數:

Simpson指數:

式中:為Shannon指數;為Simpson指數;為林分直徑分布均勻度指數;p為每個徑階林木株數n占總株數的百分比;為標準地林木分布徑階數。

2.2.3 林分直徑分布模型與檢驗

根據學者們對不同天然林相關研究結果和黃山松天然次生林的特點, 本研究選擇負指數分布、normal分布、lognormal分布、logistic分布和Weibull分布等5種概率密度函數。

2.2.4 數據統計分析

本研究按2 cm標準整化徑階并分級, 數據采用Excel 2013和SPSS 22處理。

3 結果與分析

3.1 偏度與峰度

從表2可以看出, 1—4號標準地黃山松林分起測徑級分別為5.00 cm、5.50 cm、5.30 cm和22.00 cm。標準地1林木直徑的為0.026, 分布形態接近正態但略左偏, 說明林木分布偏向中間徑階。標準地2和標準地3的為0.078和0.050, 徑階分布形態接近正態但略向左偏, 林木直徑也偏向中間徑階; 標準地4的為-0.609, 林木主要分布在較大徑階, 林木直徑分布右偏。標準地1直徑分布的為0.135, 接近正態; 標準地2和標準地3的分別為-1.366和-1.383, 直徑分布形態較標準正態分布更平坦; 標準地4的為1.197, 林分直徑分布曲線明顯高于正態分布,呈尖峰態, 表明林分中等直徑林木的分布相對比較集中[6]。

表2 黃山松標準地喬木統計

表3 SK、KT與林木因子相關分析

注: *<0.05; **<0.01。

3.2 多樣性指數分析

由表4可知, 林分直徑分布的Shannon指數值為2.200—2.836; Pielou均勻度指數值為0.885—0.947; Simpson指數值為0.871—0.932。多樣性指數、均勻度指數和林木徑階數變化趨勢完全一致, 即隨著林分徑階數的增大, 林木在不同徑階分布的多樣性也增大, 各徑階林木分布的數量也更均勻。黃山松林木分布徑階的數量與林木直徑分布的多樣性變化趨勢一致, 徑階越高, 林木分布的多樣性也越高, 林木在不同徑階分布的均勻程度也越高。

3.3 直徑分布擬合與檢驗

利用5種概率密度函數, 擬合黃山松天然次生林林木直徑分布, 其參數估計值見表5。由于標準地1、2和3林木的形狀參數值范圍為1<< 3.6, 說明三塊標準地林分直徑分布為左偏山狀曲線; 標準地4黃山松林分的形狀參數= 3.669≥3.6, 觀測值接近于正態略向右偏山狀分布, 與標準地林分直徑分布系數的研究結果一致。

標準地1、2和3的徑階范圍分別為6—42 cm、6—32 cm和6—46 cm, 標準地4林木直徑分布在23—45 cm間。由圖1可知, 標準地1、2和3為左偏山狀曲線。標準地1林分直徑主要分布在16—20 cm范圍, 較符合異齡林直徑分布特征; 標準地2的林分直徑在20 cm分布最集中; 標準地3林分直徑分布集中在8 cm和30—36 cm兩個區間范圍; 標準地4林分直徑集中在較高徑階范圍, 為37—41 cm, 黃山松林分直徑分布為略右偏山狀曲線。

表4 黃山松林木直徑分布多樣性

表5 黃山松標準地林分直徑分布參數估計與檢驗

表6 黃山松林分直徑分布函數檢驗統計結果

圖1 林分直徑分布觀測值與分布擬合

Figure 1 Observed values and fitting values of diameter distribution of

4 討論

4.1 峰度與偏度

黃山松天然林林分平均直徑較小時,>0, 直徑分布主要呈單峰左偏山狀, 與陳明久[21]關于黃山松直徑分布研究結果一致。林分處于中老齡時,<0, 更多林木集中在較高徑階區間, 直徑分布呈右偏山狀。在自然狀態下, 林分直徑的和會隨著林分年齡的增長而呈規律性變化[22]。隨黃山松天然林林分平均直徑D減小, 直徑分布更趨于左偏; 林分平均直徑D增加, 分布的尖峰態趨勢更顯著, 林分直徑分布離散程度更小, 與石振威等[12]對櫟類直徑分布的、與林分平均直徑分布變化的研究結果一致。

4.2 林分直徑分布多樣性

Shannon-Weiner指數可用來描述在不同徑階林木個體出現的不確定性。不確定性越高, 分布的多樣性也就越高。Pielou指數是基于Shannon-Weiner指數為基礎的均勻度, 可以反映林分中不同徑階林木的個體數的分布格局。在研究不同徑階林木數分布格局時, 我們認為Pielou指數可以用以解釋林木各徑階個體數目在全部徑階分配的均勻程度。本研究表明隨黃山松林分徑階數目增多, Shannon-Weiner指數值升高, 不同徑階之間林木個體分配的Pielou指數增加。Simpson指數越高, 林木直徑分布的多樣性也越高。本研究中, Simpson多樣性指數主要表達黃山松林木直徑分布的多樣性, 同時也作為不同徑階上黃山松個體數量的多度指標。

群落中的黃山松幼樹分布較少, 其分布以黃山松大樹和成熟樹為主, 這是黃山松采取以大量成年大樹提高種群級間失穩率V值以加強競爭的結果[2], 但對于黃山松林分在未來的更新是不利的。根據黃山松林分特征, 利用多樣性分布指數變化, 調節林木直徑結構, 使林內中小徑級林木獲得足夠資源, 促使小徑級林木的正常生長和林下更新[10], 監測林分更新過程中林木直徑分布的多樣性, 有利于最優林分結構的構建。

4.3 林分直徑分布擬合

麻城黃山松天然次生林的恢復中, 隨著林木徑級結構增大, 黃山松進入群落上層, 對環境中的光照資源的占據能力最大, 需要的其他環境資源也最大, 主宰著群落環境的非對稱競爭, 逐漸使得群落結構簡單。同時, 郁閉度也是影響天然林下層植物多樣性的主要因子[23], 這與其他強陽性樹種群落結構特征相同[24]。這種以光環境主導的林內環境, 使得黃山松林分徑級差異下降。因此, 江藍等[25]研究黃山松海拔分布格局時, 按5 cm胸徑劃分黃山松林分徑階, 顯然不能滿足不同徑階對分布林木數量上的要求[26]。本研究針對標準地林分直徑分布特點, 按2 cm標準整化徑階并分級, 使黃山松直徑分布和變化特征更為準確反應林分直徑分布特征, 結合Weibull概率函數的高度適應性和靈活性, 得到較好的擬合效果。這也說明了Weibull密度函數可被廣泛應用于不同物種的多度分布[27]和林分直徑分布擬合[16]。本研究Weibull概率函數能夠較好地擬合林木直徑不同、不同的山狀分布曲線。研究結果與相關學者利用Weibull概率函數對不同林分直徑分布擬合結果[16, 28-29]相近, 與陳明久[21]對黃山松天然林林分直徑分布Weibull函數擬合的結果一致。

林分直徑結構研究, 需要兼顧異齡林對分布函數的適應性和擬合精度的差異性。本研究Weibull函數直徑分布擬合精度, 表現出受林分平均直徑因素的影響, 其影響可能來自于Weibull函數自身, 也可能來自對直徑差異較大林分的取樣不足。因此, 可針對黃山松林分直徑連續徑階變化, 采用Weibull函數對直徑分布進行擬合檢驗, 并建立林分直徑分布預測模型, 為確定林分發展階段、后期造林設計、建立林分生長和收獲模型提供依據。

5 結論

黃山松天然林林分直徑主要呈左偏山狀分布; 林分直徑較大時呈右偏山狀分布。黃山松林分徑階數目增多時, 不同徑階林木直徑分布的均勻性增加, 林木直徑分布的多樣性也越高。Weibull分布函數能夠較好地擬合黃山松天然林直徑分布。

根據黃山松天然次生林林木直徑分布特點, 可采取不同的森林經營措施: 第一、對缺乏更新層的大徑級林分, 補充黃山松苗木, 提升小直徑林木競爭潛力, 合理擴大徑階數, 使直徑分布多樣性和均勻性得到改善, 避免其單純林和老齡化。第二、開展科學森林經營,制造有利于天然更新的林窗, 為黃山松林分更新層個體的發育創造良好生境, 以合理的林分密度改善物種多樣性, 使大徑階林木的直徑分布趨于合理。第三, 在近成熟林階段, 伐除不良木, 改變大徑級純林高和右偏趨勢, 加大直徑分布范圍, 降低林分, 使黃山松林分更趨于自然化。

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Diameter distribution of a natural secondaryforest in Macheng City

HOU Mei1, HU Jianmin2, ZHANG Qinqin1,*, WANG Yang1,*

1.,430200,2.,438300,

The target is to study the diameter distribution characteristics and diameter distribution diversities of the natural secondary forest ofin Macheng City, Hubei Province and to establish suitable fitting distribution models. A sample plot survey was made of the natural secondary forest of, and the skewness and kurtosis of the stand diameters (the diameter at breast height or DBH) were researched to explore the traits of diameter distribution curves. Shannon-Weiner index and Simpson index were counted to study the diversity characteristics of stand diameter distribution. 5 probability density functions involving negative exponential function, normal distribution function, lognormal distribution function, logistic distribution function and Weibull distribution function were used to fit the distributions of the stand diameters of, and the fitted functions were verified with chi-square test (2). The result showed that 1) the diameter distribution curves were mainly positively skewed, while the diameter distribution curves were negatively skewed as the diameter class was larger. 2) The diversity and evenness indices of diameter distributions ofwere consistent with the size change of stand diameter classes. 3) The goodness-of-fit of Weibull distribution function had an optimal fitting effect and the acceptance rate of it was 75.0%. The research result can provide references to the prediction of the diameter distributions and growth dynamics ofstands and the guidance of the management offorests.

; natural secondary forestry; diameter distribution; Weibull distribution function

10.14108/j.cnki.1008-8873.2022.01.020

侯梅, 胡劍民, 張琴琴, 等. 麻城黃山松天然林直徑分布[J]. 生態科學, 2022, 41(1): 179–185.

HOU Mei, ZHANG Qinqin, WANG Yang. Diameter distribution of a natural secondaryforest in Macheng City[J]. Ecological Science, 2022, 41(1): 179–185.

S791.259

A

1008-8873(2022)01-179-07

2020-06-08;

2020-06-21

湖北省教育廳科學研究計劃指導性項目(B2018481, B2018482); 中德技術合作林業科研項目(ZDJSHZ202001)

侯梅(1980—), 女, 湖北潛江人, 碩士, 副教授, 主要從事林業技術研究, E-mail: 36245421@qq.com

張琴琴, 女, 碩士, 講師, 主要園林技術教學科研, E-mail: 307555802@qq.com

汪洋, 男, 碩士, 教授, 主要從事植物生態學教學科研, E-mail: 13296698026@163.com