基于GIS的長白山天然次生林空間結構分析

李 元

(遼寧省林業調查規劃監測院 遼寧,沈陽 110122)

林分空間結構是林分特征的重要組成部分,是森林經營的理論基礎[1,2]。林分空間結構很大程度上決定森林功能,如森林生態系統穩定性、林下植被多樣性維持、野生動物棲息地等,合理的空間結構是充分發揮森林木材和生態功能的基礎[3-5]。同時,林分空間結構還決定了種群關系,如競爭優勢及其空間生態位,反映了森林喬木種群物種的空間關系[6,7],空間結構研究在現代森林經營理論研究和應用具有重要的意義[8]。林分空間結構包括多個方面,但主要基于坐標位置的三個方面進行描述(多樣性、競爭、分布格局):樹種(多樣性)在空間隔離程度即混交度,表示樹種多樣性基于位置的分布狀態。林木相對優勢程度即競爭和林木個體在水平地面上的分布形式,描述了林分的競爭優勢或生態位。林木空間分布格局,量化了林木在林地中的集聚程度[7-9]。

長白山林區是我國重要的天然林分布區,同時也時重要的木材生產基地之一,發揮著重要的經濟和生態效應。經過多年連續的人為采伐,長白山森林生態系統受到破壞,天然林資源急劇減少[10,11],大面積的天然林轉變為次生林。次生林是原始森林經歷人為反復不合理采伐或自然災害后,在次生裸地上經次生演替或干擾后跡地上殘存林木而形成的次生群落[12],與原始林相比,結構差,功能弱。在林分內單株間成熟度、生長差異大,林分的生產力低下,森林生態系統脆弱。本文通過對現有的長白山區次生林空間結構狀態進行研究分析,制定合理的森林經營建議,優化林分空間結構,進而為長白山天然次生林的可持續發展提供科學的理論基礎。

1 研究區概況

研究區位于遼寧省開原市黃旗寨滿族鄉,地理坐標42°10′-42°15′ N,124°22′-124°26′ E,屬于長白山支脈。該區植被屬于長白山植物區系,主要樹種有紅松、樟子松、落葉松、云冷杉等針葉,水曲柳、胡桃楸、黃菠蘿等闊葉。由地帶性頂級群落闊葉紅松林或云冷杉混交林,經人為干擾后形成的典型次生林。

2 數據來源

本論文所用數據來自在黃旗寨滿族鄉設置的30 m×30 m的樣地。樣地調查時,采用相鄰格子調查法,即把樣地均勻的劃分為36個5 m×5 m的調查單元。起測徑階5cm,對樣地內所有樹木(胸徑≥5 cm)進行每木檢尺。測定每5 m×5 m調查單元中的每木樹種、胸徑(DBH)、樹高(H)、枝下高(BH)和冠幅(CW)等測樹傳統因子,并記錄下每株樹木的平面坐標位置,建立數據庫進行研究分析。調查統計結果如表1所示。

表1 樣地每木調查結果統計表

3 研究方法

3.1 林分空間結構單元

本文通過構建Voronoi多邊形和Delaunay三角網可以快速、簡潔、合理的確定對象木的鄰近木,在此基礎上計算混交度、大小比數和角尺度。林地中任一單株木和距它最近的相鄰木(基于坐標的絕對距離),構成了林分空間結構的基本單元,空間結構分析便是基于一個個結構單元的特征值組合分析[13]。林分空間結構單元中心或林分內任一的那株樹被稱為對象木,一般是經營中的目標樹或目的樹種,或頂級演替階段樹種,而最近的相鄰木則被稱為相鄰木或鄰近木,通常為目標樹周圍的伴生樹[13]。分析時,關鍵的問題是確定近鄰木的個數[14],相鄰木的個數決定了空間結構的大小[1]。本文確定n值的原則是:以樣地調查單株木的相對坐標視為平面點,平面點即為現實林地中的樹木,根據Voronoi圖點構造和面空間劃分最近性、鄰接性的特點,本文利用ArcGIS中的Voronoi工具,創建Voronoi多邊形和構造Delaunay三角網[15]:通常現實林地中心木的鄰近木株數n等于二維平面上Voronoi多邊形的邊數[16];對象木或中心木與最近鄰木的距離,即現實林木距離,等于二維平面上Delaunay三角網的邊長,二位平面上Delaunay三角網中兩邊的夾角即為現實林地中任意2個鄰近木的夾角;相關研究Voronoi多邊形和Delaunay三角網,與鄰近木取4時的傳統方法在鄰近木和空間結構單元的比較分析表明:兩者在計算混交度、大小比數時有較高的一致性[17]。

3.2 邊緣效應

林分中每株樹競爭區域的大小并不相同,近似圓形區域的半徑與對象木及林分中最大優勢木的大小有關,在數值上等于待估對象木影響圈半徑與最大優勢木影響圈半徑之和[18,19]。分析時,鄰近木的個數存在一定程度的偏差或低估,通常樣地設置時,某一中心木競爭區域的半徑大于到樣地邊界的距離,它的競爭區域便是不完全的[19]。在計算林木空間結構參數時,若忽略樣地邊緣樹木對內部林木鄰近木選擇時的影響,即處在樣地邊界附近的林木結果對林分結果的誤差,計算的結果便會有誤差,因此分析前通常對標準地進行邊緣的校正,去除一定范圍的邊界木,使計算的結果更準確[20]。

為避免邊緣效應對鄰近木選取及林分空間結構參數計算結果的影響,本研究根據數據特性和樣地面積,采用緩沖區校正法,即在楊迪邊界處設置一定距離的緩沖區。校正時,邊緣效應帶的寬度一般為平均優勢木影響圈半徑的2倍,并且林分的樹冠的半徑一般很少超過5m[19,20]。根據這一研究結論,分析時通常事先在軟件上劃分出5 m寬的界限,作為緩沖區,沖緩沖中的林木不作為中心木或對象木,而只作為鄰近木。這一思想與“8”鄰域邊緣校正類似[20,21]。因此本研究中,標準地邊界設立5 m的邊界,作為緩沖區[20]。邊緣校正如圖1。

圖1 邊緣效應緩沖區

3.3 林分空間結構指數的計算

本研究選擇體現樹種多樣性基于空間位置的混交度(M)[21]、反映林木個體大小分化即競爭、生態位的大小比數(U)[22]以及描述林木個體在林地中的分布格局的角尺度(W)[23]三個參數作為研究對象。

(1)混交度

混交度用來說明樹種多樣性基于空間位置的隔離程度,被定義為與對象木不屬同種的個體的鄰近木占所有鄰近木(通常為4)的比例[24]。計算公式為:

(1)

式中:Mi為對象木i的混交度。Vij是一個離散性的變量(不連續變量)。Mi=0表示中心木周圍的鄰近木均為同種樹木,目標樹或中心的樹種隔離高。相反,Mi=1則表示鄰近木均屬他種[2]。一般認為樹種隔離程度越高,林分的結構越穩定混交度量化了任意一株樹的最近相鄰木為同種或它種的概率程度大小[25]。當對象木i與第j株相鄰木非同種時,Vij=1,反之,Vij=0,顯然,0≤Mi≤1[16]。

(2)大小比數

大小比數通常可以對林木每木測定指標(胸徑、樹高、冠幅等)的狀態進行描述,表示基于位置的中心木和鄰近木每木測定指標的相對大小[26],大小比數被定義為大于參照樹的相鄰木數占所有鄰近木的比例[23],公式如下:

(2)

式中:Ui為中心木i的大小比數。大小比數量化了參照樹與其相鄰木,基于空間位置的競爭關系或中心木周圍比中心木每木特征值(樹高、胸徑、官府等)大的個數[2]。Ui越低,說明比中心木周圍的大的鄰近木越少,中心木的競爭優勢越大[1]。本文中,選定大小比數的分析參數值為胸徑。大小比數的值越大,表示比中心木胸徑大的相鄰木越多,則中心木競爭處于劣勢Kij是一個離散型的變量,當相鄰木j比參照樹i小,Kij=0;否則Kij=1[16]。一般認為大小比數越高,目標樹或目的樹種相鄰木個體越占優勢,而相應地參照樹越不占優勢。

(3)角尺度

角尺度用來描述中心木周圍鄰近木的分布均勻性或聚集性[6]。通常角尺度(Wi)被定義為a角小于標準角a0的個數占所有角的比例[2],用下式表示:

(3)

式中:Wi為對象木i的角尺度。對中心木i的n個鄰近木而言,中心木處于均勻分布狀態時,其分布角應各為360°/n[15]。Zij是一個離散型的變量,當第j個a角小于標準角時,Zij=1,相反Zij=0[16]。Wi越接近0.5,林木水平分布格局越理想。

4 結果與分析

4.1 Voronoi圖和Delaunay三角網構建

在研究區域內,樣地中共有195株林木,其中在核心區域內,共測試113株,將調查的樣地每株樹木點位置數據加載進ArcGIS軟件,每株樹木的平面坐標可以在ArcGIS中確定一個點,設置緩沖區,創建基于空間位置的樣地中林木點的Voronoi多邊形和構造Delaunay三角網(圖2);根據Voronoi多邊形特征,確定對象木的最近鄰木株數N,最近鄰木數取值4、5和6較多,平均取值為5(圖3)。

圖2 Voronoi圖與Delaunay三角網

圖3 最近鄰木株數分布

4.2 空間結構指數的計算

利用ArcGIS軟件構建樹木點的Voronoi圖和Delaunay三角網,確定鄰近木株數。利用式(1)、(2)、(3)計算林分個體的空間結構指數,計算結果如表2所示。林分的平均混交度只有0.38,屬于弱度混交,這是由于樣地中樹種種類比較單一,并且花曲柳株數所占的比例較大;林分的平均大小比數為0.47,根據大小比數的定義,處于中庸狀態,這與樣地為天然次生的實際情況相符;平均角尺度在[0.475,0.517]為隨機分布,依照空間分布格局的判定標準[27],小于0.475為均勻分布,大于0.517為聚集分布,樣地的平均角尺度為0.55,所以樣地的林木水平分布格局屬于聚集分布。

表2 基于Voronoi圖與Delaunay三角網空間結構指數結果

5 結論

利用ArcGIS的空間分析功能,對標準地的每木調查數據,構建Voronoi圖和Delaunay三角網,可以快速、直觀、靈活、合理的確定對象木的最近鄰接木,并確定出最近鄰接木的株數N的取值,在此基礎上計算空間結構指數。

由計算結果得出,標準地角尺度為0.55,林分的空間分布格局為聚集分布;林分的混交度僅為0.38,林分處于弱度混交;林分的大小比數為0.47,林分內的林木個體大小分化程度屬于中庸狀態。我們的研究結果表明,本文所研究的林分為天然次生林,其呈現的是一個林木個體團狀分布、弱度混交狀態的森林群落。建議在森林資源經營中,根據林分空間結構分析結果制定相應的營林措施,以期逐步優化林分的空間結構,達到穩定健康狀態。