京西油松水源保護林林分結構特征

劉海翔,秦亞航，楊新兵，高澤威，劉敏，郭建軍

(1.張家口市塞北林場(市國有林場管理處)，河北 張家口 075000；2.河北農業大學林學院，河北 保定 071000；3.河北省深州市農業綜合服務中心，河北 石家莊 052800)

林分結構是林分經過長時間的演替與周圍環境共同作用的結果，合理的林分結構是充分發揮森林多種功能的基礎[1]。林分結構的研究一直是研究森林經營與規劃的重點，隨著研究的深入，研究方向由直觀的特征表述轉為模型、函數等定量化的新方法模擬預測林分結構的發展趨勢[2]。林分結構包括空間結構和非空間結構。其中，非空間結構包括直徑結構、樹高分布、生長量和樹種多樣性等，空間結構包括林分空間分布格局、混交程度、林木分化和林木競爭指數等[3]。目前研究林分直徑分布規律最常用的方法為概率分布函數法，如Weibull分布、正態分布等[4]。常用的樹高預測模型分為以胸徑為自變量的樹高預測模型和以樹齡為自變量的樹高預測模型[5]。林分空間分布格局的研究方法主要有樣方法、距離法和角尺度法3種[6]。林分結構特征的量化是森林結構化經營的基礎。

為改善北京上游水源地環境，北京在河北省張家口市和承德地區投資營造了百萬畝水源保護林，張家口市涿鹿縣2015年在涿鹿林場完成了66.7 hm2的水源保護林造林任務。為探究京西油松水源保護林的林分結構特征，本文以北京西部張家口市涿鹿林場為研究區域，選擇分布最多，也是京西水源林主要造林樹種的油松(Pinustabuliformis)為研究對象，對樣地進行每木檢尺，計算胸徑、樹高、角尺度、大小比數等林分結構特征，為林場的油松林結構化經營提供數據支撐。

1 研究區概況

張家口市涿鹿縣位于39°40′—40°39′ N，114°55′—115°31′ E，年降水量372.7 mm，年均溫9.1 ℃，屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，海拔460～2 882 m，土壤類型主要為褐土。代表性造林樹種有油松、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、白樺(Betulaplatyphylla)等。常見灌木種類有短序胡枝子(Lespedezacyrtobotrya)、三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)、平榛(Corylusheterophylla)、六道木(Abeliabiflora)、美薔薇(Rosabella)等。試驗樣地選在張家口市涿鹿林場，40.1919°N，115.1008° E，海拔1 399 m，土壤類型為褐土，陰坡中坡位，郁閉度0.5，坡度32°。

2 研究方法

設置投影面積50 m×50 m樣地，將樣地劃分為25個10 m×10 m的小樣方，在每個樣方內進行每木檢尺，記錄每株林木的樹種、胸徑、樹高、相對坐標、生長狀況等。

2.1 林分直徑和樹高分布規律計算

將測得的直徑分別以1、2、3和4 cm為徑階距劃分整化徑階，樹高分別以1、2和3 m為間距分成不同的樹高距。以徑階(樹高距)中值為橫坐標，各徑階(樹高距)林木株數為縱坐標，繪制直徑(樹高)分布圖。直徑(樹高)分布特征用偏度系數(S)和峰度系數(K)來描述[7]。計算公式為：

式中：S為偏度系數，大于0表示均值位于峰值左側，小于0表示均值位于峰值右側，絕對值越大，表示偏斜程度越大。K為峰度系數，K=0時為正態分布；K>0表示陡峭，分布較集中；K<0表示平坦，分布較離散。n為樣地總株數，x為平均胸徑(樹高)，xi為第i株樹的胸徑(樹高)，s為胸徑(樹高)標準差。

采用正態分布對胸徑結構和樹高結構進行擬合，用χ2檢驗正態分布的擬合效果。正態分布概率密度函數為：

式中：x為平均胸徑(樹高)，s為胸徑(樹高)的標準差，xi表示第i株林木胸徑(樹高)。

2.2 林分空間結構計算

林分空間結構包括空間分布格局[8]、林分混交程度[8]、林木分化特征[8]、林木競爭程度[9]等。

林木空間分布格局分為隨機分布、均勻分布和聚集分布。采用角尺度(Wi)法測定對象木i附近的4株相鄰木任意兩株間的夾角α0，標準角α選擇72°，記錄α0小于標準角α所占比例。計算公式為：

式中：Zij為變量，相鄰木j與對象木i的夾角小于標準角α，Zij記為1，反之記為0。Wi取值有0、0.250、0.500、0.750、1，分別對應林分分布非常均勻、均勻、隨機、不均勻、非常不均勻5種格局。平均角尺度≥0.457，且≤0.517時為隨機分布；大于0.517是聚集分布；小于0.475是均勻分布。

樣地內樹種的混交程度常用混交度(Mi)來表示，統計對象木i相鄰的4株林木樹種是否與對象木為同一樹種，公式如下：

式中：Lij為變量，相鄰木j與對象木i不同種記為1，同種記為0；Mi取值有0、0.250、0.500、0.750、1，分別對應零度、弱度、中度、強度、極強度混交。

采用大小比數(Ui)反映林分的林木分化程度，測量對象木i相鄰4株林木的胸徑，計算大于對象木胸徑的林木比例，計算公式為：

式中：Kij為變量，相鄰木j胸徑大于對象木i，Kij=1，反之Kij=0；Ui可取值為0、0.250、0.500、0.750、1，分別對應優勢、亞優勢、中庸、劣勢、絕對劣勢。

采用Hegyi單木競爭指數模型，作為描述林分內林木競爭程度指標。將林木按照胸徑大小編號，選取樣地內生長狀況良好，且樹高和胸徑都占據優勢的林木作為優勢木i。競爭木j則選擇優勢木鄰近的4株林木。計算公式為：

式中：CIi為樣地內優勢木的競爭指數，Di、Dj分別表示為優勢木和競爭木的胸徑，Eij表示競爭木與優勢木之間的直線距離。競爭指數越大，林分樹種間競爭越激烈；反之，林木間競爭關系越緩和。

3 結果與分析

3.1 非空間結構特征

表1 林分樹種組成及斷面積、蓄積占比

3.1.2 林分直徑分布規律 林分直徑分布范圍為5.0～36.4 cm，平均直徑為15.7 cm。直徑分布的偏度為0.158>0，林分直徑分布偏左，即樣地內直徑較小的林木株樹多于直徑較大的。峰度-0.865<0，與正態分布相比，分布較為平坦，即直徑分布較廣，徑階范圍較大，直徑分布的離散程度較大。

由圖1可知，劃分的徑階間距不同，直徑的分布也有所不同，以1和2 cm為間距劃分的徑階分布比較相似，直徑分布呈多峰值分布。以3和4 cm為間距劃分的徑階分布較為相似，大體上為株數隨徑階的增長而減少的趨勢，以小徑階林木株數最多。從多個徑階分析看，在徑階大于20 cm時，林木株數大體上隨著徑階的增大而減小，林分直徑整體上不符合正態分布。侯梅等[10]人在研究麻城黃山松天然林直徑分布時發現，直徑分布符合正態分布的樣地僅占25%。本研究油松林中小徑階的林木占林分株數的大多數，直徑分布不符合正態分布，與侯梅等人結論基本一致。原因可能與人工撫育采伐的干擾和林分內更新起來的中小徑階株數較多有關。

圖1 不同徑階直徑分布及擬合

3.1.3 林分樹高分布規律 樣地樹高分布范圍為2.78～18.80 m，平均樹高9.08 m。樹高分布的偏度為-0.140，樹高分布偏右，樹高較大的林木株數多于樹高較小的林木株數；峰度為-0.776，樹高分布較平坦，分布比較離散。由圖2可知，以1 m為間隔劃分的樹高距分布為多峰分布，分別在樹高距中值為5.5、7.5、10.5和12.5 m時林木株數達到峰值，峰值與附近株數差距較小。樹高距間隔為2 m時，樹高分布基本呈雙峰曲線，分別在樹高距中值為7和11 m時達到峰值，林分樹高分布整體上呈先增后減，再增再減的趨勢。樹高距間隔為3 m時，樹高分布整體呈現出先增后減的類正態分布狀，峰值位于正態分布右側。樹高距劃分不同，樹高分布規律明顯不一致，原因可能是：林內經過撫育采伐；林下更新幼樹的增加；林內有小部分斷頭木。

圖2 樹高分布及擬合

3.2 空間結構特征

3.2.1 角尺度 由表2可知，樣地內的平均角尺度為0.524>0.517，說明整體呈聚集分布。從頻率分布看，角尺度為0.500的分布頻率最大，頻率為0.619，林分內隨機分布的林木株數最多，占林分株數一半以上；其次處于均勻狀態和不均勻狀態的林木株數相近；最少的為處于非常均勻分布的林木。

表2 空間結構參數分布頻率及平均參數

3.2.2 混交度 由表2可知，樣地內的平均混交度僅有0.193。樣地內大多數的林木為零度混交，分布頻率高達0.614，其他混交度分布頻率依次減小，表明樣地內樹種多為同一種類，林分結構比較單一。

3.2.3 大小比數 由表2可知，樣地的平均大小比數為0.493，整體的分化水平接近中庸，各大小比數分布頻率相近，皆位于0.200附近。說明油松林分內的林木胸徑與其附近4株林木的胸徑相比，大于對象木和小于對象木的株數大致相等。林分內不同大小林木分布均勻。

3.2.4 競爭指數 由表3可知，林分內優勢木樹種為油松，胸徑分布在15～37 cm，樹高分布在12～16 m。陳立新等[9]研究紅松人工林優勢木競爭指數時指出，競爭指數越大，競爭越激烈，林木競爭指數為5左右時，林木競爭比較激烈。本研究樣地的林木競爭指數為1.08<5，達不到競爭激烈的水平，林分內的林木競爭程度比較平緩。

表3 優勢木競爭指數計算結果

4 結論

京西油松水源保護林樹種組成式為10油-椴-櫟-樺-榆-山，林木直徑和樹高分布不符合正態分布規律，林分整體上呈輕度的聚集分布，大小分布均勻，混交度較小，樹種單一，林木競爭較小。