曹小玉，李際平，封 堯，周永奇

（中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004）

福壽林場(chǎng)杉木人工林林分空間結(jié)構(gòu)的研究

曹小玉，李際平，封 堯，周永奇

（中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004）

以福壽林場(chǎng)杉木人工林為研究對(duì)象，用角尺度、大小比和混交度3個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)分析了其空間結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明：林分平均混交度是0.138，為零度混交和弱度混交過(guò)渡類(lèi)型。說(shuō)明樹(shù)種的空間隔離程度較小，林分的穩(wěn)定狀態(tài)差。平均角尺度為0.533，分布格局為聚集分布。大小比數(shù)為0.478，林木大小比數(shù)分布均勻，表明林分內(nèi)林木個(gè)體胸徑差異不大，林木分化不嚴(yán)重。

杉木人工林；空間結(jié)構(gòu)；參數(shù)分析；福壽林場(chǎng)

第七次全國(guó)森林資源清查結(jié)果，杉木人工林面積為853.86萬(wàn)hm2，占全國(guó)人工林面積的21.35%，在我國(guó)南方主要造林樹(shù)種中占有舉足輕重的地位和作用。但許多杉木人工林，林分樹(shù)種結(jié)構(gòu)單一，生物多樣性低，森林健康狀況較差，森林病蟲(chóng)害和森林火災(zāi)時(shí)有發(fā)生，經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出低下嚴(yán)重影響了森林多功能的發(fā)揮。大量科學(xué)研究表明森林功能的發(fā)揮在很大程度上取決于森林空間結(jié)構(gòu)是否合理，因此要通過(guò)優(yōu)化森林空間結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)培育多功能森林的目標(biāo)，就必須了解森林空間結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀，通過(guò)調(diào)整建立或者維護(hù)最佳的森林空間結(jié)構(gòu)[1]。森林的空間結(jié)構(gòu)是指林木的分布格局及其屬性在空間上的排列方式，其不僅決定了樹(shù)木之間的競(jìng)爭(zhēng)勢(shì)及其空間生態(tài)位,而且在很大程度上決定林分的穩(wěn)定性、發(fā)展的可能性和經(jīng)營(yíng)空間大小[2]。目前空間結(jié)構(gòu)的描述指標(biāo)主要有混交度、大小比數(shù)和角尺度等。這些指標(biāo)分別描述了樹(shù)種空間隔離程度(即混交)；林木個(gè)體大小分化程度(即競(jìng)爭(zhēng))和林木個(gè)體在水平面上的分布形式，即林木空間分布格局[3]。本研究利用空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)，分析了福壽林場(chǎng)13年生的杉木人工林的空間結(jié)構(gòu)，旨在為制定和實(shí)施科學(xué)的森林經(jīng)營(yíng)及保護(hù)規(guī)劃提供一定的技術(shù)支持。

1 研究區(qū)的概況

福壽林場(chǎng)位于平江縣南部的福壽山上，地處北 緯 28°3′00″～ 28°32′30″， 東 經(jīng) 113°41′15″～113°45′00″之間。東接獻(xiàn)沖森工林場(chǎng)，北連思村鄉(xiāng)尚山村，西鄰思村鄉(xiāng)五等村，南抵瀏陽(yáng)市。

總面積為1 274.9 hm2，其中國(guó)有山林1 133.9 hm2，集體山林面積141 hm2。處于中亞熱帶向北亞熱帶過(guò)渡的氣候帶，屬濕潤(rùn)的大陸性季風(fēng)氣候。年平均氣溫12.1℃極端最高氣溫33.4℃最低氣溫為-15℃，年日照1 500 h，無(wú)霜期217 d，有效積溫4 547 ℃，年相對(duì)濕度87%。地勢(shì)南高北低，最高峰轎頂山，海拔1 573.2 m，最低處為湖口峽底，海拔835 m，林場(chǎng)場(chǎng)部海拔1 078 m。山體下部多陡峭，中部較平緩，上部較陡，平均坡度為22～27°，形成群山重疊，起伏綿延的中山地貌。林地土層深厚肥沃，腐殖質(zhì)較豐富。場(chǎng)內(nèi)海拔800 m以下的土壤為山地黃壤；800～1 400 m為山地黃棕壤；海拔1 400 m以上的山頂、山脊有小塊草甸土。場(chǎng)內(nèi)植被繁茂，群落較多。有木本植物55科，275種。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)調(diào)查方法

在全面踏查的基礎(chǔ)上,選擇有代表性的地段用羅盤(pán)儀閉合導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量法設(shè)置20 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)地1塊( 海拔為1 012 m，坡向?yàn)殛?yáng)坡，坡度為28° 郁閉度為0.8，林齡為13 a)，要求閉合差不大于1/200。如坡度大于5o，測(cè)量斜距后，按坡度改算為水平距。用相鄰網(wǎng)格法將標(biāo)準(zhǔn)地劃分為6個(gè)10 m × 20 m小樣方，以小樣方作為調(diào)查單元，對(duì)小樣方內(nèi)的林木逐株進(jìn)行編號(hào)，坐標(biāo)定位(確定x，y坐標(biāo))，測(cè)定胸徑、樹(shù)高和冠幅。

2.2 數(shù)據(jù)處理及分析方法

（1）空間結(jié)構(gòu)單元大小的確定

森林中任意一株對(duì)象木和距離它最近的n株相鄰木之間的空間關(guān)系，構(gòu)成了森林最基本的空間結(jié)構(gòu)單元。計(jì)算空間結(jié)構(gòu)指數(shù)的基礎(chǔ)是確立空間結(jié)構(gòu)單元，即應(yīng)該采用幾株最近相鄰木最好,本文采用n=4，即對(duì)象木及其周?chē)?株相鄰木組成的結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ),分析杉木人工林的空間結(jié)構(gòu)特征[4]。

（2）林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算

本文采用角尺度(Wi)、大小比數(shù)(Ui)和混交度(Mi)3個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)描述杉木人工林空間結(jié)構(gòu)。

角尺度(Wi)被定義為α角（相鄰木的較小夾角）小于標(biāo)準(zhǔn)角α0（＝72°）的個(gè)數(shù)占所考察的4個(gè)α角的比例，是描述圍繞對(duì)象木的相鄰木水平分布格局的參數(shù)。表達(dá)式為：

其 中： 角 尺 度 的 取 值 為Zij， 當(dāng)αij＜α0，Zij=1，反之Zij=0。取值由小變大表示林木的水平分布從均勻分布向團(tuán)狀分布變化，當(dāng)Wi取值范圍在[0.475，0.517]之間，表示隨機(jī)分布。小于0.475是均勻分布，大于0.517是聚集分布[5]。

混交度(Mi)為對(duì)象木的4株相鄰木與對(duì)象木不是同一樹(shù)種的個(gè)體所占的比例，是描述不同樹(shù)種間相互隔離的參數(shù)。用公式表示為：

其中：混交度的取值為Vij，當(dāng)對(duì)象木i與第j株相鄰木不是同種時(shí)Vij=1，否則，Vij=0。

大小比數(shù)(Ui)大于對(duì)象木的相鄰木個(gè)數(shù)占最近4株相鄰木的比例。本文采用胸徑作為特征因子[6]，用公式表示為：

其中：kij為大小比數(shù)取值，當(dāng)對(duì)象木i小于鄰近樹(shù)j時(shí)，kij=1，否則，kij=0。

在計(jì)算上述各項(xiàng)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，為避免邊緣效應(yīng)，將林地內(nèi)距每條林分邊緣線(xiàn)2 m之內(nèi)的環(huán)形區(qū)設(shè)為緩沖區(qū)，其中的標(biāo)記林木只作為相鄰木，緩沖區(qū)環(huán)繞的區(qū)域?yàn)楹诵膮^(qū)，其中所有的標(biāo)記單木作為對(duì)象木，統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)[7]，如圖1所示。

圖1 樣地林木點(diǎn)格局Fig. 1 Points pattern of trees in sample plots

3 結(jié)果與分析

3.1 杉木人工林樹(shù)種組成及混交度分析

根據(jù)樣地?cái)?shù)據(jù)，從每個(gè)樹(shù)種所占的株數(shù)比例看，杉木占88.4%,柳杉占10.2%，野山椒和野山桃及枯立木所占的比例之和為1.4%；從各個(gè)樹(shù)種每公斷面積所占的比例看，為 9杉木+柳杉-毛櫻桃-野山椒。由此表明：杉木在群落中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，為該群落喬木層的優(yōu)勢(shì)種，其他樹(shù)種占的比例小。

表1 福壽林場(chǎng)杉木人工林林分基本情況Table 1 Basic information of stands of Chinese fir plantations in Fushou Forest Farm

表2 各樹(shù)種的混交度分布頻率及均值?Table 2 Frequency distribution and mean values of mingling index of different tree species

根據(jù)表2可知，樣地內(nèi)全林分的平均混交度是0.138，為零度混交和弱度混交過(guò)渡類(lèi)型，其中零度混交的比例達(dá)72%，弱度混交的比例為12%，中度、強(qiáng)度和極強(qiáng)度混交的比例之和只有16%。說(shuō)明樣地內(nèi)基本是相同樹(shù)種的林木單種聚集在一起，樹(shù)種的空間隔離程度較小，林分的穩(wěn)定狀態(tài)差。按樹(shù)種來(lái)看，杉木的平均混交度只有0.078，零度混交的比例高達(dá)77%，且林分中零度混交全為杉木的貢獻(xiàn)。柳杉的混交度為0.715，接近強(qiáng)度混交，毛櫻桃和野山椒的平均混交都為1.000，為極強(qiáng)度混交。這說(shuō)明柳杉、毛櫻桃、野山椒這3 種樹(shù)木在林分中都沒(méi)有出現(xiàn)單種聚集的情況，均與其它不同樹(shù)種進(jìn)行混交，樹(shù)種的空間隔離程度較高，但由于毛櫻桃和野山椒在整個(gè)林分中所占的比例極小，所以對(duì)整個(gè)林分的混交度影響不大。各樹(shù)種混交度分布頻率如圖2。

3.2 角尺度分析

圖2 各樹(shù)種混交度頻率分布Fig. 2 Frequency distribution of mingling index for different tree species

表3 各樹(shù)種的角尺度分布頻率及均值?Table 3 Frequency distribution and mean of uniform angle index for different tree species

從表3可以看出，全林分和杉木的平均角尺度為0.533,為聚集分布，但聚集分布的程度很低，接近隨機(jī)分布，均勻和不均勻分布的頻率基本持平，隨機(jī)分布的頻率最大，為0.63，說(shuō)明整個(gè)林分和杉木的單株木大都呈隨機(jī)分布。柳杉的平均角尺度為0.470，為均勻分布。毛櫻桃的平均角尺度為0.500，為隨機(jī)分布，野山椒的平均角尺度為0.75，為不均勻分布。從圖3可以看出，全林分和杉木角尺度取值為0.5右側(cè)的頻率略高于左側(cè)，高出的頻率為0.06，柳杉尺度取值為0.5左側(cè)的頻率略高于右側(cè)，高出的頻率為0.12，而毛櫻桃角尺度分布取值0.5左右兩側(cè)的頻率呈對(duì)稱(chēng)分布。野山椒角尺度取值為0.5右側(cè)的頻率高出左側(cè)的頻率為1.00。

圖3 各樹(shù)種角尺度頻率分布Fig. 3 Frequency distribution of uniform angle index for different tree species

3.3 大小比分析

由表4可知全林分大小比數(shù)為0.478，接近中庸?fàn)顟B(tài)。全林分的大小比數(shù)為優(yōu)勢(shì)、亞優(yōu)勢(shì)、中庸、劣態(tài)和絕對(duì)劣態(tài)的林木個(gè)體比例相差不大，為0.2左右，表明全林分林木個(gè)體胸徑差異不大，林木分化不嚴(yán)重。杉木的平均大小比數(shù)為0.471，為中庸?fàn)顟B(tài)，且大小比數(shù)分布頻率差異不大，表明杉木胸徑差異不明顯。但杉木占的株數(shù)比例最大，優(yōu)勢(shì)度非常明顯。柳杉大小比的平均水平處于中庸和劣態(tài)之間，常與杉木等較粗的相鄰木生長(zhǎng)在一起，樹(shù)種優(yōu)勢(shì)度不明顯。毛櫻桃的平均大小比數(shù)為0.500，為中庸?fàn)顟B(tài)，野山椒的平均大小比數(shù)為0.750，為劣態(tài)，但由于毛櫻桃和野山椒在整個(gè)林分中所占的比例極小，所以對(duì)整個(gè)林分的大小比影響不大。各樹(shù)種大小比分布頻率如圖4。

表4 樣地內(nèi)各樹(shù)種的大小比分布頻率及均值?Table 4 Frequency distribution and mean of neighborhood comparison for different tree species

圖4 各樹(shù)種混交度頻率分布Fig. 4 Frequency distribution of neighborhood comparison for different tree species

4 結(jié)論和討論

本研究采用空間結(jié)構(gòu)參數(shù)混交度、大小比和角尺度分析了福壽林場(chǎng)19年生的杉木人工林空間結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明：杉木人工林的平均混交度是0.138，為零度混交和弱度混交過(guò)渡類(lèi)型。說(shuō)明樹(shù)種的空間隔離程度較小，林分的穩(wěn)定狀態(tài)差，需要調(diào)整樹(shù)種結(jié)構(gòu)，引進(jìn)其他樹(shù)種，提高林分混交度；平均角尺度為0.533，表明空間分布格局聚集分布。這主要是由于杉木人工林是在沒(méi)有完全挖除采伐樹(shù)樁的林地上人工更新形成的，有相當(dāng)一部分地段是天然萌生形成的，導(dǎo)致成林后出現(xiàn)向聚集分布的態(tài)勢(shì)。因此在經(jīng)營(yíng)過(guò)程中，應(yīng)該通過(guò)人工干預(yù)，降低團(tuán)狀分布林木的比例，將林分分布格局向隨機(jī)分布調(diào)整。大小比數(shù)為0.478，接近中庸?fàn)顟B(tài)。且全林分的大小比數(shù)為優(yōu)勢(shì)、亞優(yōu)勢(shì)、中庸、劣態(tài)和絕對(duì)劣態(tài)的林木個(gè)體比例相差不大，為0.2左右，表明全林分林木個(gè)體胸徑差異不大，林木分化不嚴(yán)重。

利用角尺度、大小比數(shù)和混交度等參數(shù)分析林分結(jié)構(gòu)，能增加人們對(duì)森林空間結(jié)構(gòu)信息的直觀認(rèn)識(shí)[8]。混交度不僅可以說(shuō)明整個(gè)林分樹(shù)種間的空間隔離程度，而且可以表達(dá)1個(gè)對(duì)象木與最近相鄰木的空間隔離程度，而傳統(tǒng)的混交比只能說(shuō)明各樹(shù)種在整個(gè)林分中所占的比例，不含有空間信息[9]。大小比數(shù)反映的是大于對(duì)象木的相鄰木占所有相鄰木的比例，相直徑結(jié)構(gòu)只表達(dá)林木胸徑的差異程度，大小比數(shù)可以反映對(duì)象木的空間生態(tài)位[10]，還可以表達(dá)出整個(gè)林分中所有樹(shù)種在胸徑或其他特征指標(biāo)上的優(yōu)劣程度[11]。角尺度不僅能夠從單木的角度表征林分所有林木的空間分布格局，而且可以表征整個(gè)林分的空間分布格局[12-13]，而傳統(tǒng)的密度指標(biāo)只表達(dá)林分的稀密程度。但空間分布格局受尺度的影響呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律。本文研究的樣地采用20 m×30 m，滿(mǎn)足人工林空間結(jié)構(gòu)研究的需要。

為了更加全面充分的反映林分結(jié)構(gòu)，應(yīng)該采用傳統(tǒng)的林分結(jié)構(gòu)因子配合空間結(jié)構(gòu)因子。二者結(jié)合分析不僅能夠增進(jìn)人們對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，而且為林分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)，從而為制定和實(shí)施科學(xué)的森林經(jīng)營(yíng)及保護(hù)規(guī)劃提供一定的技術(shù)支持。

[1] Moeur M. Characterizing spatial patterns of trees using stemmapped data [J].Forest Science,1993,39(4):756-775.

[2] 張會(huì)儒,唐守正,等.東北天然林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)技術(shù)研究[M].中國(guó)林業(yè)出版社，2011

[3] 惠剛盈,克勞斯·馮多佳[德].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] 惠剛盈,Klaus von Gadow, Matthias Albert. 一個(gè)新的林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)——大小比數(shù)[J]. 林業(yè)科學(xué)研究，1999,12(1):1-6.

[5] 周紅敏,惠剛盈,趙中華, 等. 林分空間結(jié)構(gòu)分析中樣地邊界木的處理方法[J].林業(yè)科學(xué)，2009,45(2):1-5.

[6] 惠剛盈.角尺度——一個(gè)描述林木個(gè)體分布格局的結(jié)構(gòu)參數(shù)[J].林業(yè)科學(xué)，1999,35(1):37-42.

[7] Aguirre O, HuiG Y, Gadow K v, et al. An analysis of spatial forest structure using neighborhood-based variables[J].Forest Ecology and Management,2003,183:137-145.

[8] 呂錫芝,范敏銳,余新曉,等.北京百花山核桃楸華北落葉松混交林空間結(jié)構(gòu)特征[J].水土保持研究，2010,17(3):212-216.[9] 劉 彥,余新曉,岳永杰,等.北京密云水庫(kù)集水區(qū)刺槐人工林空間結(jié)構(gòu)分析[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009,31(5):25-28.

[10] 趙洋毅,王克勤,陳奇伯,等.西南亞熱帶典型天然常綠闊葉林的空間結(jié)構(gòu)特征[J].西北植物學(xué)報(bào)，2012,32(1):187-192.

[11] 曾思齊,李東麗,宋武剛, 等. 檫木次生林空間結(jié)構(gòu)的研究[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,32(3):1-6.

[12] 李建軍,陳端呂,譚駿珊. 南洞庭湖濕地龍虎山次生林林分空間結(jié)構(gòu)研究[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2012, 28(13): 132-138.

[13] 張宏偉, 李際平, 李建軍. 不同潮帶紅樹(shù)林林分空間結(jié)構(gòu)均質(zhì)性研究[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011, 31(4):79-83.

Study on spatial structure of Chinese fi r plantations in Fushou Forest Farm

CAO Xiao-yu, LI Ji-ping, FENG Yao, ZHOU Yong-qi
(School of Forestry, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

By taking Chinese fir plantations in Fushou Forest Farm as the study objects, their spatial structure characteristics were analyzed with three space structure parameters including mingling index, neighborhood comparison and uniform angle index. The results show that the average mingling degree of the stands was 0.138, belonging to the transitional type of zero degree and relatively weak degree mixed; the segregation of tree species was low, and the stability of the stands were not good; the average uniform angel indexes were 0.533, the distribution pattern of the stand was on aggregative distribution; the average neighborhood comparison of DBH in thestands were 0.478, the distribution of neighborhood comparison were in moderate state, which indicated that the trees in different diameter classes were distributed uniformly.

Chinese fi r plantations; spatial structure; parameter analysis; Fushou Forest Farm

S791.27

A

1673-923X(2014)02-0016-04

2013-04-30

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃專(zhuān)題（2012BAD22B0505）

曹小玉（1977-），男，甘肅靈臺(tái)人，博士研究生，講師，主要從事森林經(jīng)理方面的研究

李際平（1957-），男，湖南醴陵人，博士，教授，博導(dǎo)，主要從事林業(yè)系統(tǒng)工程方面的研究；E-mail：lijiping@vip.163.com

[本文編校：吳 彬]