吳海龍，張 艷，余新曉，張振明，2，宋思銘，趙 陽(yáng)，黃枝英

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083;2.北京林業(yè)大學(xué)自然保護(hù)區(qū)學(xué)院，北京100083)

林分空間結(jié)構(gòu)是指林木在水平地面上的分布格局及其屬性在空間上的排列方式，它決定了樹(shù)木之間的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)及空間生態(tài)位，在很大程度上影響著林木的生長(zhǎng)和林分的穩(wěn)定性[1]、森林發(fā)展的可能性和經(jīng)營(yíng)空間大小[2]，反映了森林群落內(nèi)物種的空間關(guān)系，是森林的重要特征，即使是具有相同頻率分布的林分也可能具有不同的空間結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出不同的生態(tài)穩(wěn)定性。物種的不同組成及其在空間分布的不同格局構(gòu)成了森林的空間結(jié)構(gòu)。按照現(xiàn)代森林經(jīng)理學(xué)的觀點(diǎn)，林分空間結(jié)構(gòu)可以從3個(gè)方面加以描述:①林木個(gè)體在水平方向上的分布形式，或者說(shuō)是樹(shù)種的空間分布格局;②樹(shù)種的空間隔離程度，或者說(shuō)林分樹(shù)種組成和空間配置情況;③林木個(gè)體大小分化程度，或者說(shuō)樹(shù)種的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)程度[3-4]。

上述的3個(gè)方面即林分的一維、二維和三維空間結(jié)構(gòu)。林分的一維變量包括樹(shù)高、胸徑、密度、胸高斷面積、冠幅、林層數(shù)量、平均值和方差，對(duì)林分一維結(jié)構(gòu)的研究主要是通過(guò)測(cè)量一些一維參數(shù)值展開(kāi)，例如樹(shù)木胸徑、胸徑標(biāo)準(zhǔn)差、樹(shù)木單位面積內(nèi)的密度、或者是單位面積的密度[5]。近年來(lái)，大量的研究者們開(kāi)始將對(duì)相鄰樹(shù)木的樹(shù)干分布分析并使用Ripley K函數(shù)對(duì)林分結(jié)構(gòu)復(fù)雜度進(jìn)行研究[6-8]。Pretzsch認(rèn)為使用Ripley K函數(shù)對(duì)森林結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述是一種較好的方法，而且是對(duì)樹(shù)木尺寸分布的二維概括[7]。樹(shù)木位置的橫向模式被納入對(duì)森林結(jié)構(gòu)的描述，這些模式通常分為均勻分布、隨機(jī)分布和集群分布。觀察空間格局已被用于了解樹(shù)木死亡率、種間競(jìng)爭(zhēng)作用和更新作用等過(guò)程，這種模式被認(rèn)為是可靠的，然而這種方法的缺點(diǎn)在于只考慮了樹(shù)的位置，而沒(méi)有考慮到樹(shù)的大小在空間上的變化[8]，因此也就忽略了森林的垂直結(jié)構(gòu)。森林的復(fù)雜性是一個(gè)三維的概念，對(duì)于結(jié)構(gòu)多樣性、復(fù)雜性以及差異性的測(cè)量并不像我們預(yù)期的那么簡(jiǎn)單[9]。本文以樹(shù)高、胸徑和冠幅數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在統(tǒng)計(jì)軟件R的環(huán)境中運(yùn)行產(chǎn)生圖像，并通過(guò)圖像處理軟件Photoshop和ENVI(The Environment for Visualizing Images)建立一個(gè)森林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)FSI(Forest spatial structure information index)來(lái)對(duì)森林結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化，為研究森林結(jié)構(gòu)提供一種新的方法。

1 研究區(qū)概況

本文分別在門(mén)頭溝區(qū)百花山自然保護(hù)區(qū)、延慶松山自然保護(hù)區(qū)、海淀西山林場(chǎng)內(nèi)各選取一個(gè)樣地。北京百花山自然保護(hù)區(qū)位于北京市門(mén)頭溝區(qū)清水鎮(zhèn)境內(nèi) ，地理坐標(biāo)為北緯 39°48′-40°05′，東經(jīng) 115°25′-115°42′，屬于中緯度溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年降水量450～720 mm，多集中在植物生長(zhǎng)旺盛的夏季，全年平均氣溫6～7℃，全年無(wú)霜期110 d左右。松山自然保護(hù)區(qū)位于北京市延慶縣西北部，年均降水量490 mm，年均蒸發(fā)量 1 700 mm。氣候的垂直分帶性比較明顯。西山林場(chǎng)位于北京西北郊，地理坐標(biāo)為東經(jīng)116°28′，北緯 39°34′，該區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候 ，冬寒夏熱，春季多風(fēng)，平均風(fēng)速4.1 m/s，年平均氣溫為11.6℃，無(wú)霜期193 d，年日照2 662 h。年降水量630 mm，集中在夏季，6-8月的降雨量占全年降雨量的70%以上，全年平均蒸發(fā)量950 mm左右。

2 研究方法與材料

本文分別在門(mén)頭溝百花山自然保護(hù)區(qū)、延慶松山自然保護(hù)區(qū)、海淀西山林場(chǎng)各選取了一個(gè)公頃級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地信息見(jiàn)表1，三塊樣地的樹(shù)種組成見(jiàn)表2-4

表1 樣地詳細(xì)信息

以每木檢尺的方法獲取樣地內(nèi)喬木樹(shù)高、胸徑和冠幅值，其中，樹(shù)高采用激光樹(shù)高測(cè)量?jī)x，胸徑則采用傳統(tǒng)的胸徑尺測(cè)量，冠幅采用樹(shù)冠投影面內(nèi)南北和東西距離值。空間結(jié)構(gòu)信息研究則是首先將3個(gè)指標(biāo)胸徑(DBH)、樹(shù)高(H)、冠幅(S)在R統(tǒng)計(jì)軟件中統(tǒng)計(jì)并分別產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的圖像(圖像格式可以根據(jù)需要生成)，然后通過(guò)Photoshop和ENVI進(jìn)行一系列的處理后疊加以獲取相關(guān)信息，即圖像疊加或圖像的融合。本文將所獲取的統(tǒng)計(jì)結(jié)果定義為空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)用式(1)計(jì)算。

式中:FSI——經(jīng)過(guò)處理之后的圖像的信息總和，在本文中稱(chēng)之為闊葉林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù);Pi——灰度等于i的像素?cái)?shù)與圖像總像素?cái)?shù)的比;FSI越大說(shuō)明融合后的圖像上的信息量增加越多[10]。

表2 百花山自然保護(hù)區(qū)遼東櫟林樹(shù)種組成

表3 松山自然保護(hù)區(qū)蒙古櫟林樹(shù)種組成

表4 西山林場(chǎng)栓皮櫟林樹(shù)種組成

3 結(jié)果與分析

3.1 櫟類(lèi)林空間結(jié)構(gòu)信息分析

運(yùn)用R軟件，ENVI和Photoshop軟件獲取類(lèi)林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)，其獲取流程如下:

(1)運(yùn)行 R軟件處理原始數(shù)據(jù)得到樣地中喬木的3個(gè)指標(biāo)即樹(shù)高(H)、胸徑(DBH)和冠幅(S)的格式為 Tiff的灰度圖像，見(jiàn)圖1。

圖1 樹(shù)高、胸徑和冠幅的灰度圖

(2)將(1)得到的三張灰度圖在ENVI軟件中進(jìn)行疊加處理，得到一幅新的24位的Tiff的彩圖，然后通過(guò)Photoshop處理得到灰度圖，見(jiàn)圖2。

(3)將(2)所得的圖像導(dǎo)入ENVI軟件中利用式(1)對(duì)圖像信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)便得到每塊樣地的森林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)數(shù)值。

3.2 森林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)在樣地中的應(yīng)用

樣地森林樹(shù)種各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表5。

從表5可知:這3塊櫟類(lèi)林樣地中生長(zhǎng)情況具有相似性也存在差異性。2號(hào)樣地栓皮櫟的結(jié)構(gòu)空間信息指數(shù)最大，為70.075 2，3號(hào)樣地栓皮櫟最小，為42.101 6。

圖2 樹(shù)高、胸徑和冠幅的疊加灰度圖

表5 闊葉林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)

1號(hào)樣地遼東櫟森林結(jié)構(gòu)指數(shù)為62.216 4，在3種櫟類(lèi)樹(shù)種中排名第2，其胸徑和冠幅在3種樹(shù)種中也是排在第2位，而樹(shù)高卻是最高的，從表5可以看出，遼東櫟林中優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的混交比在這3個(gè)樣地中是最大的，為0.73。首先，遼東櫟本身是屬于生長(zhǎng)高大的喬木;其次，結(jié)合表2可知，在遼東櫟林中主要伴生樹(shù)種為樺樹(shù)、榆樹(shù)、丁香和白蠟，其中樺樹(shù)的混交比達(dá)到了0.2以上，由于樺樹(shù)一般生長(zhǎng)較為高大;因此該樣地中平均樹(shù)高是3個(gè)樣地中最高的。

2號(hào)樣地蒙古櫟林森林結(jié)構(gòu)指數(shù)最大為70.075 2，其胸徑、冠幅也是最大但其樹(shù)高卻不是最大值，這可能是由于樣地立地條件的差異所決定，同時(shí)在樣地中蒙古櫟只是主要樹(shù)種，還有大量的伴生樹(shù)種，從表5中可看到2號(hào)地的密度達(dá)到了2 228株/hm2，在所有的樣地中為最大，而主要樹(shù)種蒙古櫟的混交比(rate)只有0.56，剛超過(guò)一半，因此還有大量的伴生樹(shù)種，從表3可知2號(hào)樣地中有大量的白蠟，其比重占到了0.335 8，而白蠟屬于闊葉樹(shù)種冠幅較大但是樹(shù)高不大，因此整個(gè)樣地所得的平均樹(shù)高較小。

3號(hào)樣地栓皮櫟森林結(jié)構(gòu)空間信息指數(shù)為42.101 6，在3種櫟類(lèi)樹(shù)種中為最小值，其胸徑和冠幅也是最小。栓皮櫟林的樹(shù)木密度為742株/hm2，栓皮櫟在該樣地中的相對(duì)密度為520株/hm2，兩種密度均為所有樣地中最小值。結(jié)合表4可知，3號(hào)樣地的主要伴生樹(shù)種有油松、側(cè)柏、黃櫨等，其中油松的混交比為0.212 3，占了伴生樹(shù)種的2/3比重，油松、側(cè)柏為針葉樹(shù)種生長(zhǎng)較為矮小，黃櫨、山楂和山杏等為小喬木，臭椿和榆樹(shù)雖為高大喬木但是在該樣地中所占比重太小。因此，3號(hào)樣地的空間信息指數(shù)、胸徑和冠幅均為最小。

4 結(jié)論與討論

(1)建立了森林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)FSI，通過(guò)分析計(jì)算可知，3塊樣地的空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)分別為:1號(hào)樣地遼東櫟林62.216 4，2號(hào)樣地蒙古櫟林70.075 2，3號(hào)樣地栓皮櫟林42.101 6。

(2)通過(guò)對(duì)森林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)的計(jì)算結(jié)果的比較可知，森林空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與多個(gè)因素有關(guān)，不能憑森林單一的某一方面來(lái)評(píng)價(jià)森林結(jié)構(gòu)的復(fù)雜與否。

(3)森林的穩(wěn)定性同森林結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性成正相關(guān)，因此可以通過(guò)森林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)的大小來(lái)描述森林結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本文中2號(hào)樣地蒙古櫟林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)最大，因此可以確定2號(hào)樣地蒙古櫟林的穩(wěn)定性在這3塊樣地中是最大的;同樣的道理，3號(hào)樣地栓皮櫟林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)最小，其穩(wěn)定性也最小。

[1] 賀珊珊，張懷清，彭道黎.林分空間結(jié)構(gòu)可視化研究綜述[J].林業(yè)科學(xué)研究，2008，21(增刊):100-104.

[2] 惠剛盈，Gadow K V，胡艷波，等.林木分布格局類(lèi)型的角尺度均值分析方法[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，24(6):1225-1229.

[3] 惠剛盈，克勞斯，馮佳多.森林空間結(jié)構(gòu)量化分析方法[M].北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2003.

[4] 安慧君，張韜.異齡混交林結(jié)構(gòu)量化分析[M].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2004.

[5] Spies T A，F(xiàn)ranklin J F.The structure of natural，young，mature，and old-growth Douglas-fir forests in Oregon and Washington[C]∥Aubry L F，Carey K B，Huff A B.Wildlife and Vegetation of Unmanaged Douglas-fir Forests.USDA For.Serv.Gen.Tech.Rep.PNW-285，Pacific Northwest Res.Stn.，Portland，OR，1991:91-121.

[6] Moeur M.Characterizing spatial patterns of trees using stem-mapped data[J].For.Sci.，1993 ，39:756-775.

[7] Pretzsch H.Zum Einflu? des Baumverteilungsmusters auf den Bestandeszuwachs[J].Allg.Forst-u.J.-Ztg.1995，166(9/10):190-201.

[8] Kuuluvainen T，Penttinen A，Leinonen K，et al.Statistical opportunities for comparing stand structural heterogeneity in managed and primeval forests:An example from boreal spruce forests in Southern Finland[J].Silva Fennica，1996，30:315-328.

[9] Goff E G，Zedler P H.Structural gradient analysis of upland forests in the western Great Lakes area[J].Ecol.Monogr，1968 ，38:65-86.

[10] 林鵬.植物群落學(xué)[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1986:29-31.