王凱，曹幫華，孫超，陳建建，臺秀國，楊振亞

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山東 泰安 271018)

林分結(jié)構(gòu)決定林分功能，即有什么樣的林分結(jié)構(gòu)，就有相應(yīng)的林分功能［1］。林分空間結(jié)構(gòu)是指林木在林地上的分布格局及其屬性在空間上的排列方式，決定了樹木之間的競爭勢及其空間生態(tài)位，在很大程度上影響著林木的生長和林分的穩(wěn)定性、發(fā)展的可能性和經(jīng)營空間的大?。?］。分析和重建林分空間結(jié)構(gòu)是創(chuàng)建新一代林分生長模型的重要基礎(chǔ)，也是制定森林經(jīng)營規(guī)劃方案的前提［3］。國內(nèi)有關(guān)油松(Pinus tabulaeformis)、刺槐(Robinia pseudoacaia)和側(cè)柏(Platycladus orientalis)空間結(jié)構(gòu)的研究有很多［4－9］，但是，山東地區(qū)對其空間結(jié)構(gòu)的研究較少。本文在查閱相關(guān)資料及實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，應(yīng)用傳統(tǒng)林分結(jié)構(gòu)因子配合角尺度和大小比數(shù)對魯山國家森林公園油松、刺槐和側(cè)柏人工林的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，旨在通過了解各人工林的空間結(jié)構(gòu)，為魯山地區(qū)人工林的經(jīng)營及撫育提供技術(shù)支撐，以便更好地發(fā)揮其生態(tài)及社會功能。

1 試驗地概況

試驗地位于山東省淄博市魯山國家森林公園，東經(jīng) 117°56′～118°11′，北緯 36°17′～36°24′。該園位于魯山主峰的核心部位，總面積42 km2，園區(qū)內(nèi)群山聳立、溝壑縱橫、飛瀑流泉、森林茂密，是典型的山岳風(fēng)景區(qū)。地貌屬魯中山地，巖石以花崗巖為主體，土壤主要有棕色森林土和山地褐土，氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶詽駶櫦撅L(fēng)氣候。全年平均氣溫7.7℃，7月份平均氣溫20℃，最高氣溫不超30℃。全場現(xiàn)有經(jīng)營面積4325.06 hm2，有林地 4267.04 hm2，其中油松林面積 2523.44 hm2、刺槐林面積 1287.40 hm2、側(cè)柏林面積335.32 hm2。這3種林分在森林公園中都主要以純林狀態(tài)存在。

2 研究方法

2.1 調(diào)查方法

本研究采用全面調(diào)查法，結(jié)合國家二類清查數(shù)據(jù)并在全面踏查的基礎(chǔ)上每種林分各選取具有代表性的4塊標(biāo)準(zhǔn)樣地，樣地的大小設(shè)置為30m×40m。記錄標(biāo)準(zhǔn)地群落類型、海拔、坡向、坡度和土壤等立地條件因子。對標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)胸徑大于5 cm的活立木逐株編號，并進(jìn)行每木檢測，檢測內(nèi)容包括樹種、胸徑、樹高、冠幅、枝下高以及X、Y坐標(biāo)等因子。

2.2 樣地邊緣效應(yīng)的校正和空間結(jié)構(gòu)單元的確定

樣地設(shè)置時樣地的邊界木問題是一個非常重要的問題，目前對于該問題的處理方法主要有4種:距離緩沖區(qū)法、8鄰域?qū)ΨQ式法、8鄰域平移式法和第4鄰體距離判定法。每種方法都有各自的優(yōu)缺點和適用性，由于本試驗在樣地設(shè)置時是規(guī)整的標(biāo)準(zhǔn)樣地，所以本文采用8鄰域平移式法處理樣地的邊界木［10］。

林分內(nèi)任意一株單株樹木和距離其最近的n株相鄰木均可以構(gòu)成林分空間結(jié)構(gòu)的基本單位——林分空間結(jié)構(gòu)單元。空間結(jié)構(gòu)分析以空間結(jié)構(gòu)單元分析為基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)單元核心的那株樹就是參照樹，而最近的n株相鄰樹木則被稱為相鄰木。FüLDNER、惠剛盈等［11－16］通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)n=4時，4株最近相鄰木與參照樹構(gòu)成的結(jié)構(gòu)關(guān)系有5種，即零度、弱度、中度、強度和極強度，空間信息完整，具有較強的可釋性和可操作性，因此本文選定相鄰木n=4(n表示最近相鄰木的棵數(shù))。

2.3 分析方法

對于各個純林的空間結(jié)構(gòu)本文主要從兩個方面進(jìn)行研究，一是林木個體在水平地面上的分布形式(角尺度);二是林木個體大小的分化程度(大小比數(shù))。

2.3.1 角尺度(uniform angle index)

角尺度(Wi)用來描述相鄰樹木圍繞參照樹i的均勻性，被定義為α角(從參照樹出發(fā)，任意2株最近相鄰木所構(gòu)成的兩夾角中的較小角)小于標(biāo)準(zhǔn)角α0(72°)［17］的個數(shù)占所考察的最近相鄰木的比例。公式為

式中，當(dāng)?shù)趈個角小于標(biāo)準(zhǔn)角α0時，Zij=1;否則Zij=0。

Wi值反映了林分中林木個體的分布格局，林分中全部Wi的平均值則反映了林分內(nèi)林木的整體分布格局，即式中，N為參照樹的總株數(shù)，ˉW表示林分中全部Wi的平均值。當(dāng)ˉW＜0.475時，為均勻分布;0.475≤ˉW≤0.517時，為隨機分布;ˉW≥0.517時，為團(tuán)狀分布［18］。

2.3.2 大小比數(shù)(neighborhood comparison)

大小比數(shù)(Ui)是描述n株最近相鄰木與參照樹i的大小關(guān)系的量化指標(biāo)，被定義為大于參照樹的相鄰木占所考察的全部最近相鄰木的比例。公式為

式中，若相鄰木j比參照樹i小，Kij=0;否則，Kij=1。

Ui的5 種取值，即 0、0.25、0.50、0.75、1，對應(yīng)于參照樹在 4 個相鄰木中不同的優(yōu)勢程度，即優(yōu)勢、亞優(yōu)勢、中庸、劣勢和絕對劣勢。大小比數(shù)量化了目標(biāo)樹與其相鄰木的關(guān)系，其值越低，說明比目標(biāo)樹大的相鄰木越少。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分基本狀況

本研究調(diào)查的各種林分均為二十世紀(jì)七八十年代營造的人工林，各林分樣地的基本狀況為:油松樣地為2個陰坡2個陽坡，樣地平均坡度為25°，平均海拔為679.5 m，林分平均郁閉度為0.8;刺槐主要分布于陽坡，樣地平均坡度為23°，平均海拔為475 m，林分平均郁閉度為0.85;側(cè)柏樣地為2個陰坡2個陽坡，樣地平均坡度21°，平均海拔為538.8m，林分平均郁閉度為0.8。各個林分樣地內(nèi)的基本狀況見表1。

表1 各林分樣地內(nèi)的基本狀況Table 1 Survey of sample－plots in individual stand

3.2 角尺度分析

反映了林木個體在水平地面上的分布形式，而ˉW能夠反映林分內(nèi)林木的整體分布格局。當(dāng)ˉW＜0.475時，Wi為均勻分布;0.475≤ˉW≤0.517時，為隨機分布;ˉW≥0.517時，為團(tuán)狀分布。由圖1可知，油松、刺槐和側(cè)柏人工林的角尺度都服從標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布，都在Wi=0.5處取得最大值，并且3種林分為0和1的比例都不高，也就是說絕對均勻和絕對不均勻的情況都不多。3種林分的平均角尺度分別為 0.484、0.503、0.504，說明其分布方式均為隨機分布。

圖1 油松、刺槐、側(cè)柏人工林角尺度頻率分布Fig.1 Frequency distribution of uniform angle index of Pinus tabulaeformis，Robinia pseudoacaia and Platycladus orientalis

3.3 大小比數(shù)分析

Ui根據(jù)比較的指標(biāo)的不同可以分為胸徑大小比數(shù)、樹高大小比數(shù)和冠幅大小比數(shù)，由于測定的樹高和冠幅的精度較低，所以本文采用胸徑大小比數(shù)進(jìn)行分析。油松、刺槐和側(cè)柏林的平均大小比數(shù)分別為0.484、0.498、0.478。由圖2可知，油松、刺槐、側(cè)柏林分在大小比數(shù)不同等級之間個體分布頻率相差不大，說明林分不同徑級的林木胸徑分布較均勻，林木個體分化程度較大。

圖2 油松、刺槐、側(cè)柏人工林胸徑大小比數(shù)頻率分布Fig.2 Frequency distribution of neighborhood comparison of Pinus tabulaeformis， Robinia pseudoacaia and Platycladus orientalis

4 結(jié)果與討論

林分結(jié)構(gòu)的研究對森林經(jīng)營技術(shù)、森林結(jié)構(gòu)與功能量化研究乃至森林健康評價都有著重要意義。在對混交林林分空間結(jié)構(gòu)的分析中一般使用樹種混交度描述空間隔離程度，使用大小比數(shù)描述林木大小分化程度，使用角尺度描述林木水平分布格局。本文是以油松、刺槐和側(cè)柏人工純林為研究對象，采用角尺度和大小比數(shù)2個空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，概念上易于理解，測量上方法簡單，結(jié)合傳統(tǒng)的林分結(jié)構(gòu)因子便能夠很好地解析人工林林分的結(jié)構(gòu)。

本文研究得出:(1)魯山國家森林公園油松、刺槐和側(cè)柏人工林的平均角尺度分別為0.484、0.503、0.504，林分分布均為隨機分布。(2)在前人的研究中［19－23］，林木大小差異程度常采用林木的直徑分布來表達(dá)，雖然直徑分布能給出群落內(nèi)樹木個體各徑級所占的頻率，但是缺乏空間信息的表達(dá)［24－25］。本文采用表示參照樹在空間結(jié)構(gòu)單元中所處生態(tài)位的大小比數(shù)(Ui)，分析林分中所有樹種在胸徑指標(biāo)上的優(yōu)劣程度［26］。該園油松、刺槐和側(cè)柏林的平均大小比數(shù)分別為0.484、0.498、0.478，人工林林分在大小比數(shù)為0～1的株數(shù)比例基本相同，說明林分不同徑級的林木胸徑分布較均勻，林木個體分化程度較大。

越向穩(wěn)定群落發(fā)展，強度和極強度混交的頻率有越高的趨勢［27］。所以，為了在樹種間形成種間的協(xié)調(diào)互利關(guān)系，維持群落的穩(wěn)定狀態(tài)，有必要采取人工更新或是引進(jìn)不同的樹種，以增加物種多樣性。在以上研究的基礎(chǔ)上，為魯山國家森林公園油松、刺槐和側(cè)柏人工林的經(jīng)營提出如下建議:由于研究林分郁閉度比較大，需要先對林分進(jìn)行適當(dāng)?shù)負(fù)嵊g伐，伐除被壓木、病弱木，采取天然更新和人工更新相結(jié)合的方法，在油松、側(cè)柏純林中增加鄉(xiāng)土闊葉樹種的比例，在刺槐純林中補植針葉樹種或其他闊葉樹種，以增加林分物種組成的多樣性，逐步建立多樹種、多層次、多齡級的復(fù)合混交林，從而加速林分空間結(jié)構(gòu)向近自然林結(jié)構(gòu)發(fā)展。

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