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        內(nèi)蒙古大興安嶺白樺次生林空間結(jié)構(gòu)特征

        2021-11-30 07:10:44張向龍張秋良
        林業(yè)資源管理 2021年5期
        關(guān)鍵詞:團(tuán)狀幼齡林比數(shù)

        張向龍,王 冰,張秋良

        (內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,呼和浩特 010019)

        林分結(jié)構(gòu)是對森林變化過程中林分狀態(tài)的高度概括,其信息的獲取是森林可持續(xù)經(jīng)營的關(guān)鍵[1-3]。林分結(jié)構(gòu)通常包括非空間結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu),非空間結(jié)構(gòu)用來描述林分的平均特征,而空間結(jié)構(gòu)是林木生長發(fā)育過程中的關(guān)鍵因素,不僅能決定非空間結(jié)構(gòu),還能反映林木的空間位置信息,包括林木分布格局、樹種隔離度和大小分化度[4]。林分空間結(jié)構(gòu)的合理與否,直接影響林木個(gè)體的生長發(fā)育狀況,也影響林分生態(tài)功能的發(fā)揮[5-6]。因此,林分空間結(jié)構(gòu)分析一直是林業(yè)工作者的研究重點(diǎn)。

        國內(nèi)專家和學(xué)者在林分空間結(jié)構(gòu)方面開展了大量研究工作。武秀娟等[7]運(yùn)用角尺度、混交度、大小比數(shù)和林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)分析了不同海拔的落葉松-云杉的空間結(jié)構(gòu)特征;安慧君等[8]采用混交度和角尺度對不同發(fā)育階段闊葉紅松林的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究;彭玉華等[9]采用角尺度、混交度和大小比數(shù)從空間分布格局分析了常綠闊葉林的結(jié)構(gòu)。但這些研究都是采用一元分布對空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行的分析,只能反映出林分某一方面的信息,不能反映林分結(jié)構(gòu)更直觀、更豐富的信息。將角尺度、混交度和大小比數(shù)三個(gè)參數(shù)兩兩結(jié)合形成的二元分布,能更直觀地體現(xiàn)林分結(jié)構(gòu)參數(shù)在維度上的表達(dá)優(yōu)勢,具有更好的空間解析能力和林分分布特征展示能力[10],近年來被有關(guān)專家用于林分空間結(jié)構(gòu)的分析。如:李遠(yuǎn)發(fā)[11]采用空間結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布來對紅松闊葉林的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析,張連金等[12]采用空間結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布對京西油松混交林枯立木的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,黃劍鋒等[13]對黔中馬尾松近熟林空間結(jié)構(gòu)的研究也采用了空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的二元分布。

        在大興安嶺林區(qū),白樺(Betulaplatyphylla)是興安落葉松(Larixgmelinii)常見的伴生樹種,其分布面積占該林區(qū)面積的39.2%。特別是在火燒和采伐跡地中,白樺作為先鋒樹種,可迅速成林,表現(xiàn)出更新能力和競爭適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn),在大興安嶺地區(qū)發(fā)揮著重要生態(tài)功能。本研究以內(nèi)蒙古大興安嶺白樺次生中幼齡林為研究對象,采用空間結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布方法,分析白樺次生中幼齡林的空間結(jié)構(gòu)特征,以期為大興安嶺白樺次生中幼齡林的科學(xué)經(jīng)營和功能提升提供科學(xué)依據(jù)。

        1 研究區(qū)概況

        研究區(qū)位于內(nèi)蒙古大興安嶺根河林業(yè)局潮查林場境內(nèi),地理坐標(biāo)為50°54′~50°55′N,121°32′~121°33′E,海拔740~972m。該地區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,四季分明,晝夜溫差大,年平均氣溫-5.4℃,年平均降水量450~550mm。主要喬木樹種有興安落葉松、白樺和山楊(Populusdavidiana),林下植被有杜香(Ledumpalustre)、紅花鹿蹄草(Pyrolaincarnata)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)等。

        2 研究方法

        2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

        2020年8月,選擇干擾程度輕、立地條件基本一致且具有代表性的白樺天然次生中幼齡林,設(shè)置3塊30m×30m的調(diào)查樣地,采用相鄰格子法對樣地進(jìn)行調(diào)查,對樣地內(nèi)胸徑5cm以上的喬木進(jìn)行每木檢尺,記錄樹種名稱、位置、冠幅、海拔、坡度、樹高、胸徑等因子。為避免邊緣效應(yīng)影響,采用8領(lǐng)域平移法[14]將樣地進(jìn)行復(fù)制,即:將原樣地設(shè)置為核心區(qū),原樣地周圍復(fù)制的8塊樣地設(shè)置為緩沖區(qū);緩沖區(qū)內(nèi)林木只作相鄰木考慮,核心區(qū)林木既作為目標(biāo)樹也作為相鄰木。3塊樣地基本情況如表1所示。

        表1 3塊白樺次生中幼齡林樣地概況Tab.1 A survey of three plots in Betula platyphylla secondary young and middle aged forest

        2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

        采用基于相鄰木關(guān)系的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)對白樺林的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,主要包括角尺度、大小比數(shù)和混交度[15-18],具體計(jì)算公式如(1)—(3)式所示。

        1)角尺度用于判定林木分布格局,其定義為小于標(biāo)準(zhǔn)角α0(72°)的角α的個(gè)數(shù)占所考察4個(gè)角的比例。

        (1)

        式中:zij為離散變量,其定義為當(dāng)?shù)趈個(gè)α角小于標(biāo)準(zhǔn)角α0(72°)時(shí),zij=1;反之,zij=0。當(dāng)角尺度W<0.475時(shí),為均勻分布;當(dāng)角尺度W處于[0.475,0.517]時(shí),為隨機(jī)分布;當(dāng)角尺度W>0.517時(shí),為團(tuán)狀分布。

        2)混交度用于判定林木隔離程度,其定義為目標(biāo)樹i的4株相鄰木與目標(biāo)樹不是同種的個(gè)體所占的比例。

        (2)

        式中:vij為離散變量,其定義為目標(biāo)樹i與相鄰木j非同種時(shí),vij=1;反之,vij=0。

        3)大小比數(shù)表示林木個(gè)體間的大小差異,其定義為相鄰木大于目標(biāo)樹i占所考察4株相鄰木的比例。

        (3)

        式中:kij離散變量,其定義為相鄰木j小于目標(biāo)樹i時(shí),kij=0;反之,kij=1。

        本文利用Winkelmass軟件計(jì)算角尺度、大小比數(shù)和混交度;采用二維離散變量中的聯(lián)合概率法[9],將角尺度、大小比數(shù)和混交度三個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)兩兩結(jié)合,得到角尺度-大小比數(shù)、角尺度-混交度和混交度-大小比數(shù)三種組合,并以某一參數(shù)的5種可能值和另一參數(shù)的5種可能值聯(lián)合計(jì)算相對頻率,每個(gè)組合得到25種組合值[4],分析林分的空間結(jié)構(gòu)。采用林分空間結(jié)構(gòu)距離(FSSD)和林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)(FSSI)從整體上評價(jià)林分的空間結(jié)構(gòu)。

        1)FSSD是現(xiàn)實(shí)林分空間結(jié)構(gòu)向理想林分空間結(jié)構(gòu)點(diǎn)逼近或遠(yuǎn)離的趨勢,可通過不同林分條件下的現(xiàn)實(shí)林分空間結(jié)構(gòu)點(diǎn)到理想林分空間結(jié)構(gòu)點(diǎn)的距離表示[9,20],其計(jì)算公式為:

        (4)

        式中:FSSD為林分空間結(jié)構(gòu)距離,取值范圍為[0,1.5];M為混交度,U為大小比數(shù),W為角尺度,M,U,W的取值范圍均為[0,1];當(dāng)W=0.5,U=0,M=1時(shí),林分空間結(jié)構(gòu)距離最短,即現(xiàn)實(shí)林分結(jié)構(gòu)到理想林分結(jié)構(gòu)最短;林分空間結(jié)構(gòu)距離越小,說明林分結(jié)構(gòu)越理想[9,20]。

        2)FSSI可從整體上把握林分的空間結(jié)構(gòu)特征,其計(jì)算公式為:

        (5)

        式中:FSSI為林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù),M為混交度,U為大小比數(shù),W為角尺度,取值范圍均為[0,1],FSSI值越大,說明林分結(jié)構(gòu)越優(yōu)。

        3 結(jié)果與分析

        3.1 林分空間結(jié)構(gòu)一元分布特征

        各樣地林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)表和樣地樹木點(diǎn)格局空間分布圖如表2和圖1所示。白樺次生中幼齡林空間結(jié)構(gòu)參數(shù)一元分布分析結(jié)果顯示,3塊樣地的平均混交度分別為0.175,0.131,183,均為弱度混交;3塊樣地的平均角尺度分別為0.531,0.579,0.457,1,2號樣地為團(tuán)狀分布,3號樣地為均勻分布,且與1,2號樣地的角尺度差異較大。從樹種來看,3塊樣地白樺的平均大小比數(shù)分別為0.481,0.521,0.466,處于亞優(yōu)勢向中庸過渡、中庸向劣勢過渡狀態(tài)的樣地分別占樣地總數(shù)(3塊樣地)的66.7%和33.3%,白樺次生中幼齡林總體上大小分化差異不明顯。

        表2 3塊樣地林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Stand spatial structure parameters of three plots

        注:圖中紅色點(diǎn)代表興安落葉松,藍(lán)色點(diǎn)代表白樺,綠框內(nèi)為核心區(qū),綠框外為緩沖區(qū)。

        3.2 林分空間結(jié)構(gòu)二元分布特征

        3.2.1角尺度和大小比數(shù)的二元分布

        由圖2可知,隨著角尺度等級逐漸增加(W取值范圍為[0.00,1.00]),大小比數(shù)的相對頻率值整體先增大后減?。辉赪=0.5時(shí),大小比數(shù)取得最大值,總頻率分別為0.59,0.57,0.51,說明林分中51%~59%的林木處于隨機(jī)分布。以中庸軸(U=0.5)和隨機(jī)分布軸(W=0.5)為界,將剩余組合劃分為優(yōu)勢并均勻分布、優(yōu)勢并團(tuán)狀分布、劣勢并均勻分布、劣勢并團(tuán)狀分布,3塊樣地的4個(gè)組合林木株數(shù)比例分別為7∶14∶6∶9,4∶9∶5∶14,16∶7∶14∶5,1號樣地團(tuán)狀分布的優(yōu)勢木較多,2號樣地團(tuán)狀分布的劣勢木較多,3號樣地中均勻分布的優(yōu)勢木較多,表明白樺次生林林分的分布特征并不均一。

        圖2 角尺度和大小比數(shù)的二元分布Fig.2 Binary distribution of uniform angle index and dominance

        3.2.2角尺度和混交度的二元分布

        由圖3可知,隨著角尺度等級的增大(W取值范圍為[0.00,1.00]),混交度的相對頻率值先增大后減小,整體呈正態(tài)分布。在W=0.5,M=0.00時(shí),3塊樣地均取得最大相對頻率值,分別為0.32,0.37,0.33,遠(yuǎn)大于其他組合所取的相對頻率值,符合林分常見的結(jié)構(gòu)單元,即當(dāng)目標(biāo)樹周圍為同種林木時(shí),呈隨機(jī)分布。當(dāng)M=0時(shí),3塊樣地角尺度總頻率分別為0.60,0.72,0.60,3塊樣地中有60%~72%左右的林木處于零度混交,說明林分中部分林木的分布格局較為合理,但林分中處于高度混交的林木極少,需調(diào)整樹種結(jié)構(gòu)。

        圖3 角尺度和混交度的二元分布Fig.3 Binary distribution of uniform angle index and mingling

        3.2.3混交度和大小比數(shù)的二元分布

        由圖4可知,隨著混交度等級的增加,大小比數(shù)的相對頻率值降低;當(dāng)M=0時(shí),3塊樣地大小比數(shù)的頻率值分別為0.60,0.72,0.60,即多數(shù)林木處于零度混交,3塊樣地大小比數(shù)的5個(gè)等級的相對頻率均值為0.12,0.14,0.12,約為其余組合相對頻率均值(0.03,0.02,0.03)的4~7倍。以中庸軸(U=0.5)和中度混交軸(W=0.5)分界,將剩余組合劃分為優(yōu)勢并混交良好、劣勢并混交良好、優(yōu)勢并混交較差、劣勢并混交較差,3塊樣地的4個(gè)組合林木比例分別為0∶7∶40∶30,2∶2∶31∶37,4∶6∶36∶27,1,3號樣地混交程度差的優(yōu)勢木較多,而2號樣地混交程度差的劣勢木較多,說明林分中處于低度混交的林木較多,應(yīng)提高混交度。

        圖4 大小比數(shù)和混交度的二元分布Fig.4 Binary distribution of dominance and mingling

        3.3 林分空間結(jié)構(gòu)距離與指數(shù)

        林分空間結(jié)構(gòu)距離與林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)可以客觀并全面地反映不同林分空間結(jié)構(gòu)的差異和同一林分不同時(shí)間尺度上空間結(jié)構(gòu)的變化程度。由表3可知,3塊白樺次生中幼齡林樣地的林分空間結(jié)構(gòu)距離和林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)分別為0.955,1.016,0.942和0.440,0.375,0.447,其中,2號樣地與1,3號樣地相差較大,表明在這一區(qū)域范圍內(nèi)林分空間結(jié)構(gòu)有差異。由林分空間結(jié)構(gòu)距離越小、林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)越大、林分空間結(jié)構(gòu)越優(yōu)的原則可知,研究區(qū)內(nèi)的白樺次生林空間結(jié)構(gòu)較差。

        表3 林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)與林分空間結(jié)構(gòu)距離統(tǒng)計(jì)值Tab.3 Statistics of stand spatial structure indexand spatial structure distance

        4 結(jié)論與討論

        本研究分別采用林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)一元分布和二元分布對大興安嶺白樺次生中幼林的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。由空間結(jié)構(gòu)一元分布可知:角尺度分別為0.531,0.579,0.457,林分分布格局主要為團(tuán)狀分布;主要樹種白樺的大小比數(shù)分別為0.481,0.521,0.466,整體平均處于中庸?fàn)顟B(tài),林木分化程度不大;混交度分別為0.175,0.131,0.183,樹種隔離程度低,同一樹種集中分布的情況較多。然而,一元分布只是在宏觀方面分析林分的空間結(jié)構(gòu),難以表現(xiàn)出林分空間結(jié)構(gòu)更直觀、更全面的信息[21]。由二元分布可知:1)在角尺度-大小比數(shù)的關(guān)系中,隨著角尺度等級的增加(W取值范圍為[0.00,1.00]),大小比數(shù)整體先增加后減小,表明角尺度與大小比數(shù)有密切關(guān)系,這與仇建習(xí)等[22]對毛竹林的角尺度與胸徑關(guān)系的研究成果和張崗崗等[16]對落葉松空間結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果相似;且通過二元分布可知,該林分中團(tuán)狀分布的林木較多。2)由角尺度-混交度的關(guān)系可以看出,在零度混交狀態(tài)中,林木個(gè)體處于隨機(jī)分布格局的頻率值約占32%~37%,說明在該林分中約有32%~37%的目標(biāo)樹處于隨機(jī)分布且與相鄰木同種。3)在混交度-大小比數(shù)的關(guān)系中,隨著混交度等級的增加(M取值范圍為[0.00,1.00]),大小比數(shù)的頻率值逐漸降低,但兩者關(guān)系并不密切,這與王奕茹等[4]在杉木混交林中混交度和大小比數(shù)關(guān)系的研究成果相似;且由二元分布可知,林分中處于低度混交的林木較多。綜合來看,內(nèi)蒙古大興安嶺白樺次生中幼齡林的空間分布呈輕度團(tuán)狀分布,混交度低,林木分化程度中庸,林分并未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),這與林分空間結(jié)構(gòu)距離和林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)的分析結(jié)果相一致。

        根據(jù)以上研究結(jié)果,建議在經(jīng)營過程中:主要針對林分分布格局、林木分化程度和樹種隔離程度進(jìn)行撫育改造,以恢復(fù)林分頂級群落為目標(biāo),首先以團(tuán)狀分布的劣勢木為首要采伐目標(biāo),其次以低度混交的劣勢木為備選采伐目標(biāo),通過多次、少量采伐,逐步改善林分空間結(jié)構(gòu);補(bǔ)植其他合適的樹種,提高林分混交度,增強(qiáng)林分空間異質(zhì)性,建立林分頂級群落,并促進(jìn)補(bǔ)植樹種良好生長,以保證林分健康穩(wěn)定發(fā)展。結(jié)構(gòu)決定功能,林分空間結(jié)構(gòu)越合理,生態(tài)功能就越穩(wěn)定持久。所以,在森林經(jīng)營過程中,需要調(diào)整林分結(jié)構(gòu),使之趨于合理[23]。根據(jù)一些學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn),長期未受干擾的天然林和原始林,林分空間結(jié)構(gòu)常呈隨機(jī)分布[24-25],林分中林木混交度越高,林分空間結(jié)構(gòu)就越優(yōu)[26-28],林木的分化程度處于中庸?fàn)顟B(tài)為最宜[29],這3個(gè)目標(biāo)也是理想林分空間結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。所以,可針對大興安嶺白樺次生中幼齡林空間結(jié)構(gòu)現(xiàn)存的問題,采取合理措施,使其向理想林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)化,實(shí)現(xiàn)林分穩(wěn)定、健康、可持續(xù)發(fā)展。

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