康華榮, 朱 昕, 楊 蕊, 田育新,4
1. 汨羅市林業(yè)局, 湖南 汨羅 414400;2.湖南省林業(yè)局, 湖南 長沙 410004;3.湖南省林業(yè)科學(xué)院, 湖南長沙 410004;4.湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 湖南 慈利 427200)
森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體之一,具有涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、水土保持、保護生物多樣性、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡等作用。由于社會經(jīng)濟快速發(fā)展,森林生態(tài)系統(tǒng)的壓力越來越大,森林資源也日漸減少。近年來我國林業(yè)開始向現(xiàn)代林業(yè)轉(zhuǎn)變,形成了系統(tǒng)的森林分類經(jīng)營理論,將我國森林分為商品林和生態(tài)公益林。生態(tài)公益林主要以保護和改善人類社會生存環(huán)境為目的,其經(jīng)營目的主要包括保持生態(tài)平衡、維持生物多樣性、保存種質(zhì)資源、旅游休憩、國防等[1]。
國外松泛指20世紀30年代從國外引進的濕地松、火炬松和加勒比松等針葉樹種。由于其速生和高產(chǎn)量的特性,國外松已成為我國亞熱帶地區(qū)主要造林樹種之一[2]。近期研究表明,由于造林密度過大、管理不到位等原因,導(dǎo)致國外松林分生長不良,更新較慢等。林分的胸徑結(jié)構(gòu)是指林分內(nèi)不同胸徑的林木個體按照徑階的分布情況,是反映林分結(jié)構(gòu)最為直觀的指標之一[3],是進行造林、規(guī)劃、采伐、政策制定等管理活動的重要參考指標[4]。對于當(dāng)代林業(yè)來說,森林經(jīng)營正向多功能型發(fā)展,生態(tài)保護與木材產(chǎn)量同樣重要,培育大徑材已成為當(dāng)代森林經(jīng)營的主要目標之一[5-6]。一般來說,樹冠結(jié)構(gòu)對樹木生產(chǎn)力具有決定性作用[7],其中冠幅(crown length)和冠高比(crown ratio)是樹冠結(jié)構(gòu)的兩個最主要參數(shù)和重要的變量[8-9]。冠幅受到地理條件的影響,常作為評價林木間競爭關(guān)系的指標,而冠高比是指冠幅與樹高的比值,常用于預(yù)測樹木生長量[10-11]。如何獲得林分的冠幅值是目前森林經(jīng)營中的難題之一,因此,很多學(xué)者開展了相關(guān)研究,建立了一些冠幅預(yù)測模型。但實際上冠幅受經(jīng)營、立地條件等因素的干擾,冠幅與各因素之間的關(guān)系十分復(fù)雜[12],因此,僅使用相關(guān)分析并不能闡明胸徑等因子與冠幅之間的關(guān)系,而通徑分析同時考慮到變量因子對因變量的直接與間接作用,其結(jié)果更加精確且符合實際[13]。
本研究以岳陽汨羅市國外松公益林為研究對象,利用正態(tài)分布函數(shù)擬合樣地國外松的胸徑分布,建立通徑模型預(yù)測國外松胸徑和樹高對冠幅的影響,為汨羅國外松林經(jīng)營、改造和管理提供依據(jù)。
汨羅市地處湖南省東北部,緊靠東洞庭湖,位于汨羅江下游,屬幕阜山脈與洞庭湖平原的過渡地帶,地處112°51′—113° 27′E,28°28′—29°27′N,其地勢東南部偏高、西北部偏低,整體由山地向濱湖平原呈梯降過渡。汨羅市的公益林面積為16885.6hm2,總蓄積量為9359310m3;保護率為26.46%,低于全省平均水平。該區(qū)氣候為亞熱帶濕潤性氣候,四季較為分明,年平均氣溫為17℃,熱量充足,雨水集中。
在汨羅市公益林內(nèi)選取具有代表性的國外松林分設(shè)置固定樣地。選擇地形、土壤和植物種類分布較一致,群落結(jié)構(gòu)相對完整的地段設(shè)置面積為25m(垂直等高線)×40m(平行等高線)=1000m2的樣地。隨后調(diào)查樣地林分年齡,測量每木胸徑、樹高、第一活枝高以及東、西、南、北4個方向的冠幅。林分胸徑等級的劃分采用2 cm徑階進行劃分。固定樣地的坐標為113.0922°E,28.8550°N,地貌為丘陵,海拔為33m,林齡為15 a。
正態(tài)分布函數(shù)是擬合同齡林胸徑分布的常用函數(shù)。本研究選擇正態(tài)分布函數(shù)對林分的胸徑分布進行擬合。偏度系數(shù)反映隨機變量分布的不對稱程度。峰度系數(shù)反映與正態(tài)分布相比,分布變量的尖銳度,因此,分別計算樣本分布的偏度系數(shù)與峰度系數(shù)。
本研究中,冠幅長度為4個方向冠幅長度的平均值,冠高為樹高減去第一個活枝的高度,冠高比為冠高與樹高的比值。隨后利用通徑分析模型分別計算胸徑、樹高與樹冠結(jié)構(gòu)的通徑系數(shù)。通徑分析模型的公式如下:
Pyi=bisi/sy;
Pyij=rijPyi。
式中:rij代表相關(guān)系數(shù);Pyi代表直接通徑系數(shù);Pyij代表間接通徑系數(shù);b代表目的性狀(y)對原因性狀(i)的偏回歸系數(shù),si、sy分別為原因性狀i與目的性狀y的標準差[14]。
樣地中共有國外松47株,胸徑的范圍為5.7~26.0cm,平均值為16.4cm;樹高的范圍為5~14m,平均樹高為10m。根據(jù)每木檢尺結(jié)果,繪制徑階與株數(shù)分布關(guān)系的直方圖(圖1)。由圖1可知,樣地中的國外松徑階分布呈單峰曲線,處于中間徑階(12~20cm)的個體數(shù)量最多,而小徑階(低于12cm)和大徑階(高于20cm)的個體數(shù)量較少。從密度分布來看,胸徑密度分布曲線和正態(tài)分布概率密度曲線較為接近,表明胸徑的分布接近正態(tài)分布。
圖1 汨羅市國外松公益林胸徑分布Fig.1 DBH distribution of exotic pines in Miluo City
表1顯示由shapiro wilk統(tǒng)計量檢驗的P值為0.20,表明樣本均來自正態(tài)分布總體。隨后根據(jù)計算結(jié)果,分布的偏度系數(shù)為-0.08,表明樣本的胸徑分布偏右較為明顯,峰度系數(shù)為-0.54,表明樣本的胸徑分布較平坦,徑階分布離散程度較大。整體來說,上述林分一般密度較大,單株之間互相重疊,林冠產(chǎn)生分化,下層植被光照不足,而優(yōu)勢木之間競爭劇烈,對大徑階的個體生長不利。以上結(jié)果表明汨羅市國外松公益林的結(jié)構(gòu)有待進行調(diào)整,以促進形成合理、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。
表1 徑階分布正態(tài)分布檢驗結(jié)果Tab.1 Test results of normal distribution of radial DBH distribution統(tǒng)計量值總數(shù)值個數(shù)47.00最小值4.00最大值26.00中位數(shù)16.00平均值15.49Shapiro wilk統(tǒng)計量0.97Shapiro wilk檢驗P值0.20標準誤差平均0.39方差7.01標準差2.66變異系數(shù)0.34偏度系數(shù)-0.08峰度系數(shù)-0.54
通過通徑模型計算冠幅及冠高比與胸徑和樹高之間的關(guān)系,計算結(jié)果(表2)表明:胸徑對冠幅的通徑系數(shù)為0.632,顯著性為極顯著(P<0.001);樹高對冠幅的通徑系數(shù)為0.302,顯著性為極顯著(P<0.001)。胸徑和樹高的間接通徑系數(shù)分別為0.568和0.260,均低于直接通徑系數(shù)。以上結(jié)果表明: 胸徑和樹高對于冠幅的作用均為正向作用,且直接作用大于間接作用;同時,無論是直接作用還是間接作用,胸徑對于冠幅的影響均大于樹高的。由此可知,在實際經(jīng)營活動中進行冠幅判定和快速計算時,通過胸徑預(yù)測具有更高的可靠性和精準度。
由胸徑和樹高對冠高比的分析結(jié)果(表2)可知:胸徑對于冠高比的直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)分別為-0.005和-0.003,且作用不顯著(P>0.05),表明胸徑對冠高比幾乎無影響。樹高對于冠高比的直接通徑系數(shù)達到了0.663,顯著性為極顯著(P<0.001),其間接通徑系數(shù)也達到了0.437,表明樹高是冠高比的重要影響因素,起到了正向影響作用,其直接作用大于間接作用。
表2 冠幅、冠高比與胸徑和樹高間的通徑系數(shù)Tab.2 Path coefficient among crown width, crown height ratio with the DBH and tree height參數(shù)冠幅冠高比胸徑樹高胸徑樹高直接通徑系數(shù)0.6320.302-0.0050.663標準差0.0610.0510.0120.111檢驗P值4.15e-257.51e-70.9672.23e-9間接通徑系數(shù)0.5680.260-0.0030.437
汨羅市國外松公益林的胸徑結(jié)構(gòu)概率分布曲線為右偏的單峰曲線,其概率分布曲線的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)均為負值,表明該地區(qū)的國外松林分結(jié)構(gòu)不合理。
一般來說,在正常生長的、未遭受災(zāi)害的同齡純林,其胸徑結(jié)構(gòu)近似地服從正態(tài)分布[15]。從本研究的結(jié)果可知,汨羅國外松人工林大部分個體集中分布在中間徑級(12~20 cm),大徑階和小徑階的個體較少,徑階多樣性不高。其主要原因可能是植株間距離較小,導(dǎo)致林木之間的激烈競爭,影響了大徑階個體的生長[16-17]。而由于林冠覆蓋導(dǎo)致林下光照不足,小徑階的個體獲取光照困難,且林下地被物較厚,林下更新的幼苗少[18]。針對這樣的現(xiàn)狀,在調(diào)整徑級結(jié)構(gòu)時,應(yīng)該降低胸徑接近平均值的個體比例,在保證個體生長空間的基礎(chǔ)上,保留干形良好、無病害、胸徑較大的個體,然后栽植國外松幼苗來增加小胸徑個體的比例。此外,根據(jù)適地適樹原則,引入高價值的優(yōu)良鄉(xiāng)土樹種。這樣既提升了林分的胸徑多樣性,也增加了樹種的多樣性[19],可充分發(fā)揮該地區(qū)公益林的生態(tài)效能。
對國外松林分冠幅的研究表明:胸徑和樹高對于冠幅均有顯著的正向影響,且利用胸徑快速估測冠幅值具有更高的準確度,該結(jié)果與杉木林的研究結(jié)果相似[14];胸徑對冠高比無顯著影響,而樹高對冠高比具有強烈的正向影響,該結(jié)果與杉木林的研究結(jié)果相反[14],說明不同樹種的規(guī)律不一致。在接下來的研究中,應(yīng)擴大取樣,考慮不同林齡、不同立地條件等因素,以為樹冠結(jié)構(gòu)快速預(yù)測模型的構(gòu)建打下堅實基礎(chǔ),也為國外松林的經(jīng)營管理提供更多依據(jù)。