王奕茹 李際平 曹小玉 唐濤 顏佳睿 王雪

(中南林業(yè)科技大學，長沙，410004)

林分結(jié)構(gòu)是林木個體生長發(fā)育空間的決定因素，直接影響林分穩(wěn)定性、林木質(zhì)量、健康狀況及林分功能的發(fā)揮，合理的林分結(jié)構(gòu)既有利于林木個體獲取充分的生長發(fā)育條件，又能實現(xiàn)土地和空間的最大限度利用，對培育優(yōu)良干形、提高產(chǎn)量和提升木材品質(zhì)等具有重要意義[1-2]，因此，優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)是培育多功能森林的重要途徑[3]。林分結(jié)構(gòu)分為空間結(jié)構(gòu)與非空間結(jié)構(gòu)，林分空間結(jié)構(gòu)不僅能夠決定林分的非空間結(jié)構(gòu)，而且能反映林木的空間位置信息[4-6]，也是森林結(jié)構(gòu)化經(jīng)營的可調(diào)節(jié)因素。

目前，國內(nèi)學者在林分空間結(jié)構(gòu)方面開展了許多研究。曹小玉等[7]運用林層指數(shù)、競爭指數(shù)和開敞度等6個空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，對不同齡組的杉木生態(tài)公益林進行了空間結(jié)構(gòu)特征的分析與評價；許文秀等[8]應(yīng)用混交度和大小比數(shù)對不同演替階段的紅松闊葉混交林進行了空間結(jié)構(gòu)的特征分析。胡園杰等[9]用全混交度、競爭指數(shù)、開闊比數(shù)等參數(shù)，分析了改造后的杉木林空間結(jié)構(gòu)動態(tài)變化特征。但是這些研究都局限于一元空間結(jié)構(gòu)指標的研究，只是運用各空間結(jié)構(gòu)參數(shù)對林分結(jié)構(gòu)進行單項分析，而且沒有考慮其他結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響[10]。隨著林業(yè)的發(fā)展，一維空間結(jié)構(gòu)已不能滿足林業(yè)的需求，有關(guān)專家采用林分結(jié)構(gòu)參數(shù)的二元分布對林分空間結(jié)構(gòu)特征進行分析。李遠發(fā)等[11]采用結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布分析了紅松闊葉林林分以及種群內(nèi)不同直徑林木的空間結(jié)構(gòu)特征；梁文俊等[12]以次生林為研究對象，驗證了二元分布在林分空間結(jié)構(gòu)描述中的作用；彭輝等[13]采用空間結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布分析了萌生杉木林的空間結(jié)構(gòu)特征，為萌生杉木林的結(jié)構(gòu)化經(jīng)營提供了技術(shù)支持。本研究以湖南省永州市金洞林場杉木-閩楠混交林為研究對象，采用空間結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布分析法，從兩個維度分析杉木-閩楠混交林的空間結(jié)構(gòu)特征，為林分空間結(jié)構(gòu)分析提供豐富、直觀的信息。

1 研究區(qū)概況

湖南省永州市金洞林場位于祁陽縣南面，位于湘江流域上游，地理坐標為北緯26°2′10″～26°21′37″，東經(jīng)110°53′43″～112°13′37″。境內(nèi)山體平均坡度34°，最高海拔1435 m，最低海拔108 m。林場內(nèi)土壤主要為黃紅壤和黃壤，土層厚度一般在60 cm以上，石塊沙礫占土壤的百分比為20%～30%。該地屬中亞熱帶的東南季風濕潤氣候區(qū)，年平均氣溫為18 ℃，相對濕度75%～82%，全年無霜期265～349 d，植被生長期為281～301 d，≥10 ℃的活動積溫為4 705～5 725 ℃[14]。該林場境內(nèi)物種多樣，共有植物資源135科、972種。尚存的木本植物共794種，分屬90科、290屬；根據(jù)調(diào)查現(xiàn)有高等植物200多科，1 500余種。其中有木本植物98科，654種[15]。目前尚存的國家重點保護Ⅰ級植物有銀杏(Ginkgobiloba)、南方紅豆杉(Taxuschinensis)等；國家Ⅱ級保護植物有樟樹(Cinnamomumbodinieri)、黃杉(Pseudotsugasinensis)、福建柏(Fokieniahodginsii)、閩楠(Phoebebournei)、杜仲(Eucommiaulmoides)等。該地有陸生脊椎動物190余種，其中屬于國家重點保護動物的有31種，如白頸長尾雉(Syrmaticusellioti)、林麝(Moschusberezovskii)、云豹(Neofelisnebulosa)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查因子

在研究區(qū)內(nèi)選擇立地條件基本一致、林相整齊、具有代表性的杉木-閩楠混交林，共設(shè)置9塊20 m×30 m的標準地。對樣地內(nèi)胸徑(D)大于5 cm、樹高(H)大于2 m的林木進行每木檢尺，記錄其胸徑、樹高、每木坐標以及樣地海拔、坡度等因子[16](見表1)。

2.2 林分空間結(jié)構(gòu)二元分布

首先通過標準地調(diào)查法，統(tǒng)計9塊樣地內(nèi)的林木胸徑、樹高、相對地理坐標信息，利用Winkelmass1.0空間分析軟件分別計算混交度、角尺度和大小比數(shù)等空間結(jié)構(gòu)參數(shù)值。采用二維離散變量中的聯(lián)合概率法[17]將3個空間結(jié)構(gòu)參數(shù)兩兩聯(lián)合，形成混交度-角尺度、混交度-大小比數(shù)、角尺度-大小比數(shù)，以某一參數(shù)X的5種可能值(0，0.25，0.50，0.75，1.00)和另一參數(shù)Y的5種可能值(0，0.25，0.50，0.75，1.00)聯(lián)合計算相對頻率，相對頻率表示某一個空間結(jié)構(gòu)參數(shù)在另外一個空間結(jié)構(gòu)參數(shù)上的相對值。每種聯(lián)合方式可產(chǎn)生25種組合值，將這個組合值除以樣地內(nèi)林木株數(shù)，便可以得到2個參數(shù)的聯(lián)合頻率值，即可形成林分空間結(jié)構(gòu)二元分布。

表1 標準地基本情況

空間結(jié)構(gòu)參數(shù)混交度(M)、角尺度(W)和大小比數(shù)(U)的計算參照惠剛盈等[18]的方法。

2.3 數(shù)據(jù)處理及分析

利用Winkelmass1.0空間分析軟件計算林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)混交度、角尺度和大小比數(shù)，利用EXCEL編制二元分布表。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分空間結(jié)構(gòu)一元分布分析

由表2可知，通過對杉木-閩楠混交林的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)值進行一維分析，大部分樣地的平均混交度為0.45～0.75，樣地c的混交度最小(0.26)，樣地e的混交度最大(0.74)。杉木-閩楠混交林樣地的平均角尺度為0.55～0.80，各樣地角尺度差異較小。各樣地平均大小比數(shù)為0.40～0.65，各樣地大小比數(shù)差異也較小。

表2 杉木-閩楠混交林林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)一元分布特征

3.2 混交度-角尺度二元分布特征

由表3可知，除了樣地e外，其余樣地的混交度-角尺度二元分布規(guī)律基本相似，這是由于樣地e的混交度較高的原因引起，其余樣地整體上，隨著混交度等級的升高，角尺度表現(xiàn)為先增加后減小的分布趨勢，在相同角尺度上的頻率值隨著混交度的增大表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，總體上呈現(xiàn)出以角尺度W=0.50為中軸線呈明顯的正態(tài)分布；9塊樣地的混交度-角尺度二元分布均在W=0.50時呈現(xiàn)最大相對頻率值，說明杉木-閩楠混交林林分中大部分林木處于隨機分布狀態(tài)；大部分頻率值分布在均勻至不均勻(W=0.25～0.75)和弱度混交至強度混交(M=0.25～0.75)組成的9個組合中，主要集中于W=0.50、M=0.50，W=0.50、M=0.25，W=0.50、M=0.75等組合，說明林分中大部分林木處于隨機分布狀態(tài)且中度混交。在W=0和W=1等級上對應(yīng)的混交度相對頻率值很小且差異不大，說明混交度與角尺度兩個空間結(jié)構(gòu)參數(shù)之間有著密切的相互影響關(guān)系，林分角尺度處于0.50左右(隨機分布狀態(tài)下)林分的混交程度最好，而角尺度太大或太小都不利于林分混交的經(jīng)營。

表3 杉木-閩楠混交林混交度(M)-角尺度(W)二元分布

續(xù)(表3)

3.3 混交度-大小比數(shù)二元分布特征

由表4可知，混交度-大小比數(shù)的二元分布變化未呈現(xiàn)顯著規(guī)律，整體上大致表現(xiàn)為隨著混交度的增大，大小比數(shù)隨之增大趨勢；混交度-大小比數(shù)二元分布組合的頻率值主要分布在中高度混交中(M=0.5～1.0)；在混交度M=0時，頻率值近似為零，說明在林分中處于零度混交的林木很少；除大小比數(shù)U=1.0外，其余取值在各混交度等級上的林木個體數(shù)量差別不大，說明林分中大小比數(shù)分布較均勻，林木個體之間胸徑差異不大。在同一混交度等級上，除大小比數(shù)U=1外，其余各大小比數(shù)的頻率值差異不大，說明在同一混交等級上，林木的大小分化不顯著。在U=1、M=0.5～1.0組合的頻率值最高，說明林分中有30%以上的林木處于絕對劣勢狀態(tài)，并且其周圍最近四株相鄰木為不同樹種。

表4 杉木-閩楠混交林混交度(M)-大小比數(shù)(U)二元分布

續(xù)(表4)

3.4 角尺度-大小比數(shù)二元分布特征

由表5可知，隨著角尺度的增大，大小比數(shù)總體上表現(xiàn)出先增大后變小的趨勢，以角尺度W=0.5為中軸線呈正態(tài)分布，且軸線右側(cè)變化幅度明顯大于左側(cè)，說明林分的團狀分布格局會影響林木的胸徑生長；在角尺度W=0.5時，大小比數(shù)總頻率最大，說明杉木-閩楠混交林林分中的林木個體多處于隨機分布狀態(tài)；在角尺度W=0時，頻率值主要分布在U=0.25和U=0.5兩個等級上，說明林分在均勻分布狀態(tài)時的林木個體主要處于亞優(yōu)勢和中庸狀態(tài)。

表5 杉木-閩楠混交林的角尺度(W)-大小比數(shù)(U)二元分布

續(xù)(表5)

4 結(jié)論與討論

森林經(jīng)營應(yīng)該建立在林分結(jié)構(gòu)和功能之間協(xié)調(diào)關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整林分結(jié)構(gòu)參數(shù)來優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)，達到充分發(fā)揮森林多種功能的目的[19]。本研究中，從杉木-閩楠混交林林分空間結(jié)構(gòu)的二元分布可以看出，9塊樣地林分的混交度一角尺度、角尺度-大小比數(shù)的二元分布規(guī)律基本相似，均以角尺度0.5為分界線呈顯著的正態(tài)分布，表明角尺度與混交度和大小比數(shù)有密切的關(guān)系，角尺度太大或太小均不利于林分的混交，且制約林木的胸徑生長，與張崗崗等[20]對落葉松人工林空間結(jié)構(gòu)的研究結(jié)論相似；混交度和大小比數(shù)的二元分布呈現(xiàn)出隨著混交度的增大，大小比數(shù)總體上表現(xiàn)出增大趨勢，但兩者之間的密切程度不是很高。杉木-閩楠混交林9塊樣地的林木多處于隨機分布狀態(tài)，林分混交度不高，樣地林分空間結(jié)構(gòu)二元分布特征反映了林分的生長特征。根據(jù)林分空間結(jié)構(gòu)二元分布分析，對杉木-閩楠混交林進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，采取去劣留優(yōu)、伐針留闊的經(jīng)營方式，補植優(yōu)良鄉(xiāng)土闊葉樹種，提高林分的混交度。同時，兼顧林分的分布格局，使林分的格局調(diào)整為隨機分布狀態(tài)，縮小現(xiàn)實林分的結(jié)構(gòu)與理想結(jié)構(gòu)之間的差距，實現(xiàn)林分健康、穩(wěn)定、可持續(xù)發(fā)展。

單一的林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)分析會導致分析的片面性[21]。在單獨分析林木的分布格局時，未考慮林木混交程度和大小分化程度，會造成林木之間樹種配置、競爭生長等問題[22]，因此，在優(yōu)化某一結(jié)構(gòu)參數(shù)時，同時兼顧其他結(jié)構(gòu)參數(shù)尤為重要。林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布可以直觀地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)合的分布狀況和數(shù)量特征，為金洞林場杉木-閩楠混交林的結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整提供了技術(shù)支持，并為針闊混交林的經(jīng)營提供科學合理的理論依據(jù)。