魏紅洋，張一帆，董靈波，劉兆剛，陳 瑩

（1.東北林業(yè)大學 林學院，森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經營教育部重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150040；2.中船（浙江）海洋科技有限公司，浙江 舟山 316000）

天然林作為我國森林資源的主體，具有涵養(yǎng)水源、維持物種多樣性、提供木材和相關林產品、保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性等多方面的價值[1]。東北林區(qū)作為天然林資源最為集中和豐富的國有林區(qū)[2]，主要由以地帶性植被興安落葉松為主的大興安嶺寒溫帶針葉林區(qū)和以地帶性植被紅松為主的小興安嶺-長白山溫帶針闊混交林區(qū)組成，是遼河平原、松嫩平原、三江平原城市群糧食基地的命脈和重要生態(tài)屏障。隨著長期的人為和自然干擾下，原始頂級植物群落退化為以天然次生林為主的次生群落，該群落由于缺失大量關鍵建群樹種和珍貴樹種，在林地生產力、天然更新、林分結構和林分質量等方面與原始林存在著明顯的差別，導致森林無法正常持續(xù)地發(fā)揮其生態(tài)價值和經濟價值[3]。如何基于次生林現有的結構特征開展有針對性的森林經營，是目前的研究熱點。

在對某一特定林分進行合理經營前，必須充分掌握當前林分的結構狀態(tài)，林分狀態(tài)的好壞決定了森林經營的必要性和迫切性。針對不同經營對象在林分結構狀態(tài)上的差異，已有大量研究采用不同的森林經營手段，有效地改善了林分內部結構和功能。例如針對穩(wěn)定性較差、遺傳品質退化等情況的海南加勒比松Pinus caribaeaMorelet人工林，通過選取目標樹單株擇伐和林下補植等手段進行近自然經營模式下的改造，改善其林分結構和土壤條件；應用“栽針保闊”經營體系，人工栽植紅松、云杉、沙松耐陰針葉樹種，保留天然更新的多種闊葉樹，加快由硬闊葉林過渡到針闊葉混交林的速度，最大程度發(fā)揮森林的生產潛力[4-5]。近年來，隨著森林結構化經營體系的提出和發(fā)展，彌補了傳統(tǒng)經營中在描述林分空間結構特征上的缺陷，是一種以對象木和4 株相鄰木為基本空間單元建立相應空間關系的結構優(yōu)化經營技術[6-8]。目前，該經營手段的應用對象和應用范圍得到大面積推廣，對精準提升森林質量、發(fā)揮森林重要的生態(tài)效益起到了關鍵作用[9-14]。在森林結構化經營的林分調查中，林分狀態(tài)特征的描述因子不僅包括傳統(tǒng)的調查因子（樹種、胸徑、樹高、冠幅、枯立木比例、林下更新情況等），同時增加了角尺度、大小比數、混交度等空間結構指標。多指標體系的綜合分析方法已有很多，如熵權—AHP 法、乘除法、定量化綜合指標法等[15-17]。本研究以帽兒山實驗林場主要林分類型為研究對象，基于結構化經營中的空間結構指標和非空間結構指標，通過單位圓多指標體系對不同林分類型的林分結構狀態(tài)進行綜合性評價，為該地區(qū)森林的科學經營以及實現該地區(qū)森林質量精準提升提供理論基礎。

1 研究區(qū)域概況及數據收集

1.1 研究區(qū)概況

研究地區(qū)位于黑龍江省尚志市帽兒山鎮(zhèn)境內的帽兒山實驗林場（127°30′～127°34′E，45°20′～45°25′N），屬于長白山系張廣才嶺西坡。該區(qū)為平均坡度為10°的低山丘陵區(qū)，平均海拔300 m，最高海拔為808 m。屬溫帶大陸性季風氣候，年平均溫度3.1℃，平均年降水量629 mm，無霜期約120～140 d，降水多集中于6—8月。該區(qū)土壤較為肥沃，土壤類型主要為暗棕壤、白漿土、草甸土、沼澤土等。該區(qū)植物區(qū)系屬于長白山植物區(qū)系，現有林分類型包括原始地帶性頂極群落經過破壞和演替后形成不同階段的天然次生林和人工栽植的林分。主要喬木樹種包括山楊Populus davidiana、白樺Betula platyphylla、水曲柳Fraxinus mandshurica、黃菠蘿Phellodendron amurense、胡桃楸Juglans mandshurica、蒙古櫟Quercus mongolica、色木槭Acer pictum、紫椴Tilia amurensis，以及紅松Pinus koraiensis、落葉松Larix gmelinii等[18-19]。

1.2 數據來源

經過對帽兒山實驗林場的全面考察與一系列的實地調查后，于2016年在帽兒山實驗林場內選取5 種主要林分類型（白樺純林、蒙古櫟純林、硬闊混交林、軟硬闊混交林、軟闊混交林）作為調查對象，每種林分類型選取6 塊長勢相似的樣地，樣地標號分別設置為1、2、3、4、5、6，每塊樣地面積均為30 m×30 m，對每塊樣地內所有喬木（胸徑≥5 cm）進行每木檢尺，逐株測量喬木的樹種、狀態(tài)、胸徑、樹高、活枝高、冠幅、坐標等調查因子。不同林分類型樣地基本特征如表1所示。

表1 不同林分類型樣地基本調查因子?Table 1 Basic survey factors of different forest types

2 研究方法

2.1 林分結構評價指標的選取原則

森林的結構化經營具有完整的理論體系與林分狀態(tài)評價指標，依據研究目的和研究對象的不同應有所取舍，并遵循科學性、全面性、可操作性等原則?？茖W性指的是指標能夠較為客觀地反映真實林分某一方面的屬性，具有準確性高、靈敏度強、可比性和區(qū)分度高的特點；全面性即從不同方面展現林分的結構狀態(tài)，結構化經營指標通常選取能夠反映林木間混交程度、樹種空間優(yōu)勢度、林分競爭狀態(tài)等多方面狀態(tài)的指標；可操作性即指標意義明確，數據易于采集和計算，便于在經營決策中應用且易于在實踐中進行大面積推廣。

2.2 林分結構狀態(tài)指標選取

本研究從林分結構和林分活力兩個角度選取10 個指標對現實林分狀態(tài)進行表征，林分結構特征包括林層比、角尺度、直徑分布；林分活力包括物種多樣性、林分蓄積量、林分空間優(yōu)勢度、林分潛在疏密度、目的樹種優(yōu)勢度、林木穩(wěn)定性和健康林木比例。由于不同指標之間存在取值和單位的差異，需要對所選指標進行賦值和標準化處理，具體賦值情況如表2所示。

表2 林分綜合評價指標及賦值Table 2 Stand comprehensive evaluation index and assignment

林層比（A1）用以衡量林層結構的復雜程度，即4 株相鄰木中與對象木歸屬不同林層的比例，林層比越大代表林分的垂直結構越復雜[20]。采用樹冠光競爭高度法（CCH）劃分林木的垂直層次，具體操作如下：首先，按樹高和樹冠長度進行由大到小的排序，計算樹高和樹冠長度最大的林木CCH 值作為第一層的樹冠光競爭高度（CCH1），將所有樹高≥CCH1的林木劃為第一層；在剩余林木中選取樹高和樹冠長度最大的林木計算第二層的樹冠光競爭高度（CCH2），依據同樣的方法劃分第二層林木；最后進行第三層林木的篩選，直至所有林木劃分完畢或達到預設最低限[21]。CCH的計算公式如下：

式中：CCH 為樹冠光競爭高度，m；a為截止系數；L為樹冠長度，m；Hw為枝下高，m；本研究中將a值設定為0.5。

樣地的平均角尺度（A2）可以反映林分的水平分布格局，水平分布格局為隨機分布（A2 ∈[0.475,0.517]）時，賦值為1。團狀分布（A2＞0.517）時賦值為0.5，均勻分布（A2＜0.475）時賦值為0[22]。林分直徑分布（A3）是一個能夠體現林木生長過程并與其他林分因子密切相關的基礎結構指標。以林分內相鄰徑級株數比值q值對直徑分布狀態(tài)進行量化，林分直徑為合理狀態(tài)（q∈[1.2,1.7]）時賦值為1，直徑分布近單峰時賦值為0，多峰分布即不完整異齡林時賦值為0.5。樹種多樣性（A4）能夠反映群落功能特征，客觀表示生物群落的物種和結構多樣性[23]。通常采用Simpson 多樣性指數來表示，數值越大代表樹種越豐富。

式中：D為Simpson 多樣性指數；S為樣地內物種總數；Pi表示物種i的個數占全部物種個體數量之比。

林分蓄積量(A5)指標以單位面積的蓄積量來衡量林分的生產力水平；林分長勢反映了林分生長優(yōu)劣的態(tài)勢，可以用林分空間優(yōu)勢度（A6）和林分潛在疏密度（A7）來描述，林分空間優(yōu)勢度可以表達林分空間上的優(yōu)勢程度[24]，將處于絕對優(yōu)勢的結構單元比例與反映林分中處于優(yōu)勢個體的變化幅度相結合。SD值通常在[0,1]之間，屬于正向指標；

式中：SD為林分空間優(yōu)勢度，PUi=0為大小比數為0 的林木株數頻率，Gmax表示林分內70%較大個體的平均斷面積與林木株樹的積，為林分斷面積。

林分潛在疏密度（A7）指標以B0max來表征[25]，反映了現實林分與理想林分長勢之間的差距，取值處于[0,1]，越大越好；目的樹種優(yōu)勢度（A8）是反映目的樹種在群落中重要程度的指標，帽兒山的目的樹種主要包括針葉樹種（紅松）和硬闊樹種（水曲柳、胡桃楸、黃菠蘿和蒙古櫟），將反映林木優(yōu)勢程度的相對顯著度（rG）和樹種大小比數均值（）結合[26]，A7 ∈[0,1]，指標越大越好。

式中：Dsp為目的樹種優(yōu)勢度，rG為相對顯著度，Usp為樹種大小比數的均值。

林木穩(wěn)定性（A9）用單木樹高與其胸徑的比值DHi=Hi/Di來表達[27]，它能夠反映林木抵御惡劣自然環(huán)境的能力，數值越小代表林木重心越低、抵抗自然不利因素的能力越強；林分內健康林木比例（A10），即林分內健康且生長完好的林木比例，當健康林木比例≥90%，賦值為1；反之，賦值為0。

2.3 林分結構綜合評價方法

依據惠剛盈等[22]提出的單位圓評價體系對林分結構特征狀態(tài)進行綜合評價，將林分結構狀態(tài)的等級劃分為5 種，見表3。綜合評價值ω的計算公式如下：

表3 林分狀態(tài)評價等級Table 3 Stand status evaluation grade

式中：ω為現實林分綜合評價值；s1為閉合圖形中扇形面積和；s2為閉合圖形中三角形面積和，其中s2i=(L1L2sinθ)/2，L1與L2分別為三角形相鄰兩條邊的值，θ為相鄰兩條邊的夾角；n為指標總數（n≥2）；m為取值為1 的指標數量。

3 結果與分析

3.1 不同林分類型結構指標分析

帽兒山主要林分類型的結構指標特征值如表4所示。不同林分類型的林層比處于0.43～0.59，林分類型之間沒有顯著性差異（P＞0.05）。水平空間分布格局均處于隨機分布（0.50）和輕微團狀分布狀態(tài)（0.52～0.55）。白樺純林和軟闊混交林的林分直徑分布狀態(tài)基本合理（1.23），其他4 種林分類型的直徑分布均不合理（1.12～1.14）。白樺純林的物種多樣性水平（0.39）顯著低于其他林分類型（P＜0.05）。白樺純林林分平均蓄積量（110.2）與蒙古櫟純林林分蓄積量（209.5）存在顯著性差異。白樺純林和軟闊混交林的林分空間優(yōu)勢度水平較高（0.72、0.71），蒙古櫟純林、硬闊混交林和軟硬闊混交林的空間優(yōu)勢度水平相同（0.62）。白樺純林的潛在疏密度最大（0.77），蒙古櫟純林和硬闊混交林的潛在疏密度最小（0.73）。目的樹種優(yōu)勢度存在顯著性差異（0.06～0.77），白樺純林和軟闊混交林的目的樹種優(yōu)勢度較低（0.06、0.29）。不同林分類型的健康林木比例數值波動不大（92%～97%）。

表4 不同林分類型結構指標特征值?Table 4 Characteristic values of structural indicators for different stand types

3.2 不同林分類型結構綜合評價

根據不同林分類型的單位圓綜合評價體系法對林分結構狀態(tài)進行綜合性評價（表5），不同林分類型的林分結構綜合評價值按從大到小排序為：硬闊混交林（0.42）＞軟硬闊混交林（0.41）＞軟闊混交林（0.37）＞蒙古櫟純林（0.36）＞白樺純林（0.30）。根據前述綜合評價值的劃分標準，從整體上看，硬闊混交林與軟硬闊混交林的林分結構呈現中等狀態(tài)，其他3 種林分類型林分結構狀態(tài)較差。由各指標連線圍成的閉合圖形（圖1）可以直觀地看出，目的樹種優(yōu)勢度低、蓄積量低是導致白樺純林林分結構狀態(tài)較差的主要原因；蒙古櫟純林的水平分布格局和直徑分布狀態(tài)不合理，但目的樹種優(yōu)勢度高，林分蓄積量較大；硬闊混交林的目的樹種優(yōu)勢度和物種多樣性水平偏高，而林分蓄積量和林分空間優(yōu)勢度水平則相對較差；軟硬闊混交林物種多樣性水平較高，林木穩(wěn)定性較強，但林分直徑分布狀態(tài)不夠合理；軟闊混交林的直徑分布狀態(tài)基本合理，但目的樹種優(yōu)勢度偏低，林分蓄積量偏小。

表5 不同林分類型結構綜合評價值?Table 5 Comprehensive structural evaluation of different forest types

圖1 不同林分類型綜合評價單位圓Fig.1 Unit circle of comprehensive evaluation for different stand types

4 結論與討論

4.1 不同林分類型結構指標差異

從林分結構和林分活力兩個角度分別選取了10 個定量指標對林分狀態(tài)進行表征，從林分結構指標可以看出，不同林分類型的水平空間分布格局均處于隨機分布（0.50）和輕微團狀分布狀態(tài)（0.52～0.55），不同林分類型的林層比之間無顯著性差異（0.43～0.59），除白樺純林和軟闊混交林的直徑分布狀態(tài)（1.23）基本合理外，其他林分類型均不合理。而從林分活力指標來看，白樺純林的物種多樣性水平（0.39）顯著低于其他林分類型且林分平均蓄積量（110.2）顯著低于蒙古櫟純林的林分蓄積量（209.5）。白樺純林和軟闊混交林的目的樹種優(yōu)勢度較低（0.06、0.29）。不同林分類型的林分空間優(yōu)勢度（0.62～0.72）和健康林木比例（92%～97%）無顯著性差異。整體來說，不存在一種林分類型可以使全部的指標同時達到最優(yōu)狀態(tài)，同一林分類型在某些指標上表現較好而在其他指標上表現較差。相比而言白樺純林、軟闊混交林和蒙古櫟純林中不合理的指標比例更高。

4.2 不同林分類型結構綜合分析

選擇單位圓綜合評價體系法對不同林分類型的結構狀態(tài)進行整體性的評價，能夠直觀展現現實林分狀態(tài)的優(yōu)劣以及各指標的好壞程度。其中，硬闊混交林和軟硬闊混交林的林分結構狀態(tài)中等（0.42、0.41），軟闊混交林、蒙古櫟純林和白樺純林的林分結構狀態(tài)較差（0.37、0.36、0.30）。從各指標所圍成的閉合圖形可以看到，白樺純林的林分結構狀態(tài)較差，主要原因是目的樹種優(yōu)勢度和蓄積量水平較差，林分的經營迫切性較高。而硬闊混交林的目的樹種優(yōu)勢度和物種多樣性水平偏高，林分整體結構狀態(tài)相對較好。

4.3 討 論

從不同林分類型的林分結構特征可以看出，大部分樣地的水平空間分布格局、直徑分布狀態(tài)不夠合理，這與陳瑩等[28]計算出的結果具有一定的相似性。從整體結構上看，白樺純林、軟闊混交林和蒙古櫟純林的結構狀態(tài)較差，林分經營的迫切性程度高。由此可見，采用林窗更新、林冠下更新、近自然經營和結構化經營等技術手段，著力開展珍貴闊葉樹的培育和紅松闊葉林的培育，以促進優(yōu)勢種和關鍵種的恢復和更新，從而達到加速現有林分向頂級植物群落發(fā)展進程的目的。

林分結構評價體系中各指標之間既相互依賴又相互排斥，在評價上往往難以獲得一致的結論。本研究著眼于林分結構特征和林分活力的10 個指標，以達到更為全面、客觀地展現林分內部的結構和功能的目的。在以往針對多指標體系分析的研究中，熵值—AHP 法在盡可能地減少指標賦值時人為因素的影響下，采用定性與定量相結合的方法，具有一定的可操作性，常常應用于林分的自然度評價和林分經營迫切性評價等方面；通過構造空間結構綜合指數（FSSI），將常用的3 個空間結構參數（混交度、大小比數、角尺度）作為一個整體，以此描述林分空間結構特征，但該指標的構建僅僅圍繞林分空間結構指標，并未考慮林分的樹種組成、徑級結構等重要的非空間結構指標；通過構建基于混交、競爭和空間分布格局的空間結構的目標函數，建立林分擇伐空間結構優(yōu)化模型等[15-17]。本研究基于單位圓多指標體系分析方法，該方法的優(yōu)勢在于無論相關指標多少、量綱異同，最優(yōu)林分結構狀態(tài)期望值恒等于π，并且該方法能夠更加直觀、生動地表征現實林分結構狀態(tài)，即林分狀態(tài)的優(yōu)劣取決于各指標值間的連線所圍成的閉合圖形大小，操作過程十分簡便，在評價林分結構狀態(tài)上具有很強的可操作性。然而，該方法應用的理論基礎是單位圓為n等分即各指標對于林分整體結構狀態(tài)的貢獻度相同，并未反映出指標的重要性差異，如何將指標的優(yōu)先性與單位圓評價體系相結合還有待于進一步研究。

根據綜合評價單位圓所圍成的圖形大小，可以快速準確地確定林分的經營方向進而開展相應的森林經營措施。例如，針對林分目的樹種優(yōu)勢度低，可采取林冠下更新紅松加快發(fā)展人工闊葉紅松林，提升目的樹種優(yōu)勢度；針對林分直徑分布狀態(tài)不合理，可通過按徑階內林木數量開展相應的采伐措施從而調整各徑階林木數量，調整林分直徑狀態(tài)等。此外，關于林分經營的相關措施并非一勞永逸，林分結構狀態(tài)會隨著時間的推移呈現動態(tài)性的變化。因此，針對林分結構的長期監(jiān)測以便隨時掌握林分的結構動態(tài)變化規(guī)律尤為關鍵。