劉海翔,秦亞航，楊新兵，高澤威，劉敏，郭建軍

(1.張家口市塞北林場(chǎng)(市國(guó)有林場(chǎng)管理處)，河北 張家口 075000；2.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000；3.河北省深州市農(nóng)業(yè)綜合服務(wù)中心，河北 石家莊 052800)

林分結(jié)構(gòu)是林分經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的演替與周圍環(huán)境共同作用的結(jié)果，合理的林分結(jié)構(gòu)是充分發(fā)揮森林多種功能的基礎(chǔ)[1]。林分結(jié)構(gòu)的研究一直是研究森林經(jīng)營(yíng)與規(guī)劃的重點(diǎn)，隨著研究的深入，研究方向由直觀的特征表述轉(zhuǎn)為模型、函數(shù)等定量化的新方法模擬預(yù)測(cè)林分結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。林分結(jié)構(gòu)包括空間結(jié)構(gòu)和非空間結(jié)構(gòu)。其中，非空間結(jié)構(gòu)包括直徑結(jié)構(gòu)、樹高分布、生長(zhǎng)量和樹種多樣性等，空間結(jié)構(gòu)包括林分空間分布格局、混交程度、林木分化和林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)等[3]。目前研究林分直徑分布規(guī)律最常用的方法為概率分布函數(shù)法，如Weibull分布、正態(tài)分布等[4]。常用的樹高預(yù)測(cè)模型分為以胸徑為自變量的樹高預(yù)測(cè)模型和以樹齡為自變量的樹高預(yù)測(cè)模型[5]。林分空間分布格局的研究方法主要有樣方法、距離法和角尺度法3種[6]。林分結(jié)構(gòu)特征的量化是森林結(jié)構(gòu)化經(jīng)營(yíng)的基礎(chǔ)。

為改善北京上游水源地環(huán)境，北京在河北省張家口市和承德地區(qū)投資營(yíng)造了百萬畝水源保護(hù)林，張家口市涿鹿縣2015年在涿鹿林場(chǎng)完成了66.7 hm2的水源保護(hù)林造林任務(wù)。為探究京西油松水源保護(hù)林的林分結(jié)構(gòu)特征，本文以北京西部張家口市涿鹿林場(chǎng)為研究區(qū)域，選擇分布最多，也是京西水源林主要造林樹種的油松(Pinustabuliformis)為研究對(duì)象，對(duì)樣地進(jìn)行每木檢尺，計(jì)算胸徑、樹高、角尺度、大小比數(shù)等林分結(jié)構(gòu)特征，為林場(chǎng)的油松林結(jié)構(gòu)化經(jīng)營(yíng)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況

張家口市涿鹿縣位于39°40′—40°39′ N，114°55′—115°31′ E，年降水量372.7 mm，年均溫9.1 ℃，屬溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，海拔460～2 882 m，土壤類型主要為褐土。代表性造林樹種有油松、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、白樺(Betulaplatyphylla)等。常見灌木種類有短序胡枝子(Lespedezacyrtobotrya)、三裂繡線菊(Spiraeatrilobata)、平榛(Corylusheterophylla)、六道木(Abeliabiflora)、美薔薇(Rosabella)等。試驗(yàn)樣地選在張家口市涿鹿林場(chǎng)，40.1919°N，115.1008° E，海拔1 399 m，土壤類型為褐土，陰坡中坡位，郁閉度0.5，坡度32°。

2 研究方法

設(shè)置投影面積50 m×50 m樣地，將樣地劃分為25個(gè)10 m×10 m的小樣方，在每個(gè)樣方內(nèi)進(jìn)行每木檢尺，記錄每株林木的樹種、胸徑、樹高、相對(duì)坐標(biāo)、生長(zhǎng)狀況等。

2.1 林分直徑和樹高分布規(guī)律計(jì)算

將測(cè)得的直徑分別以1、2、3和4 cm為徑階距劃分整化徑階，樹高分別以1、2和3 m為間距分成不同的樹高距。以徑階(樹高距)中值為橫坐標(biāo)，各徑階(樹高距)林木株數(shù)為縱坐標(biāo)，繪制直徑(樹高)分布圖。直徑(樹高)分布特征用偏度系數(shù)(S)和峰度系數(shù)(K)來描述[7]。計(jì)算公式為：

式中：S為偏度系數(shù)，大于0表示均值位于峰值左側(cè)，小于0表示均值位于峰值右側(cè)，絕對(duì)值越大，表示偏斜程度越大。K為峰度系數(shù)，K=0時(shí)為正態(tài)分布；K>0表示陡峭，分布較集中；K<0表示平坦，分布較離散。n為樣地總株數(shù)，x為平均胸徑(樹高)，xi為第i株樹的胸徑(樹高)，s為胸徑(樹高)標(biāo)準(zhǔn)差。

采用正態(tài)分布對(duì)胸徑結(jié)構(gòu)和樹高結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合，用χ2檢驗(yàn)正態(tài)分布的擬合效果。正態(tài)分布概率密度函數(shù)為：

式中：x為平均胸徑(樹高)，s為胸徑(樹高)的標(biāo)準(zhǔn)差，xi表示第i株林木胸徑(樹高)。

2.2 林分空間結(jié)構(gòu)計(jì)算

林分空間結(jié)構(gòu)包括空間分布格局[8]、林分混交程度[8]、林木分化特征[8]、林木競(jìng)爭(zhēng)程度[9]等。

林木空間分布格局分為隨機(jī)分布、均勻分布和聚集分布。采用角尺度(Wi)法測(cè)定對(duì)象木i附近的4株相鄰木任意兩株間的夾角α0，標(biāo)準(zhǔn)角α選擇72°，記錄α0小于標(biāo)準(zhǔn)角α所占比例。計(jì)算公式為：

式中：Zij為變量，相鄰木j與對(duì)象木i的夾角小于標(biāo)準(zhǔn)角α，Zij記為1，反之記為0。Wi取值有0、0.250、0.500、0.750、1，分別對(duì)應(yīng)林分分布非常均勻、均勻、隨機(jī)、不均勻、非常不均勻5種格局。平均角尺度≥0.457，且≤0.517時(shí)為隨機(jī)分布；大于0.517是聚集分布；小于0.475是均勻分布。

樣地內(nèi)樹種的混交程度常用混交度(Mi)來表示，統(tǒng)計(jì)對(duì)象木i相鄰的4株林木樹種是否與對(duì)象木為同一樹種，公式如下：

式中：Lij為變量，相鄰木j與對(duì)象木i不同種記為1，同種記為0；Mi取值有0、0.250、0.500、0.750、1，分別對(duì)應(yīng)零度、弱度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度混交。

采用大小比數(shù)(Ui)反映林分的林木分化程度，測(cè)量對(duì)象木i相鄰4株林木的胸徑，計(jì)算大于對(duì)象木胸徑的林木比例，計(jì)算公式為：

式中：Kij為變量，相鄰木j胸徑大于對(duì)象木i，Kij=1，反之Kij=0；Ui可取值為0、0.250、0.500、0.750、1，分別對(duì)應(yīng)優(yōu)勢(shì)、亞優(yōu)勢(shì)、中庸、劣勢(shì)、絕對(duì)劣勢(shì)。

采用Hegyi單木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)模型，作為描述林分內(nèi)林木競(jìng)爭(zhēng)程度指標(biāo)。將林木按照胸徑大小編號(hào)，選取樣地內(nèi)生長(zhǎng)狀況良好，且樹高和胸徑都占據(jù)優(yōu)勢(shì)的林木作為優(yōu)勢(shì)木i。競(jìng)爭(zhēng)木j則選擇優(yōu)勢(shì)木鄰近的4株林木。計(jì)算公式為：

式中：CIi為樣地內(nèi)優(yōu)勢(shì)木的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)，Di、Dj分別表示為優(yōu)勢(shì)木和競(jìng)爭(zhēng)木的胸徑，Eij表示競(jìng)爭(zhēng)木與優(yōu)勢(shì)木之間的直線距離。競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)越大，林分樹種間競(jìng)爭(zhēng)越激烈；反之，林木間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系越緩和。

3 結(jié)果與分析

3.1 非空間結(jié)構(gòu)特征

表1 林分樹種組成及斷面積、蓄積占比

3.1.2 林分直徑分布規(guī)律 林分直徑分布范圍為5.0～36.4 cm，平均直徑為15.7 cm。直徑分布的偏度為0.158>0，林分直徑分布偏左，即樣地內(nèi)直徑較小的林木株樹多于直徑較大的。峰度-0.865<0，與正態(tài)分布相比，分布較為平坦，即直徑分布較廣，徑階范圍較大，直徑分布的離散程度較大。

由圖1可知，劃分的徑階間距不同，直徑的分布也有所不同，以1和2 cm為間距劃分的徑階分布比較相似，直徑分布呈多峰值分布。以3和4 cm為間距劃分的徑階分布較為相似，大體上為株數(shù)隨徑階的增長(zhǎng)而減少的趨勢(shì)，以小徑階林木株數(shù)最多。從多個(gè)徑階分析看，在徑階大于20 cm時(shí)，林木株數(shù)大體上隨著徑階的增大而減小，林分直徑整體上不符合正態(tài)分布。侯梅等[10]人在研究麻城黃山松天然林直徑分布時(shí)發(fā)現(xiàn)，直徑分布符合正態(tài)分布的樣地僅占25%。本研究油松林中小徑階的林木占林分株數(shù)的大多數(shù)，直徑分布不符合正態(tài)分布，與侯梅等人結(jié)論基本一致。原因可能與人工撫育采伐的干擾和林分內(nèi)更新起來的中小徑階株數(shù)較多有關(guān)。

圖1 不同徑階直徑分布及擬合

3.1.3 林分樹高分布規(guī)律 樣地樹高分布范圍為2.78～18.80 m，平均樹高9.08 m。樹高分布的偏度為-0.140，樹高分布偏右，樹高較大的林木株數(shù)多于樹高較小的林木株數(shù)；峰度為-0.776，樹高分布較平坦，分布比較離散。由圖2可知，以1 m為間隔劃分的樹高距分布為多峰分布，分別在樹高距中值為5.5、7.5、10.5和12.5 m時(shí)林木株數(shù)達(dá)到峰值，峰值與附近株數(shù)差距較小。樹高距間隔為2 m時(shí)，樹高分布基本呈雙峰曲線，分別在樹高距中值為7和11 m時(shí)達(dá)到峰值，林分樹高分布整體上呈先增后減，再增再減的趨勢(shì)。樹高距間隔為3 m時(shí)，樹高分布整體呈現(xiàn)出先增后減的類正態(tài)分布狀，峰值位于正態(tài)分布右側(cè)。樹高距劃分不同，樹高分布規(guī)律明顯不一致，原因可能是：林內(nèi)經(jīng)過撫育采伐；林下更新幼樹的增加；林內(nèi)有小部分?jǐn)囝^木。

圖2 樹高分布及擬合

3.2 空間結(jié)構(gòu)特征

3.2.1 角尺度 由表2可知，樣地內(nèi)的平均角尺度為0.524>0.517，說明整體呈聚集分布。從頻率分布看，角尺度為0.500的分布頻率最大，頻率為0.619，林分內(nèi)隨機(jī)分布的林木株數(shù)最多，占林分株數(shù)一半以上；其次處于均勻狀態(tài)和不均勻狀態(tài)的林木株數(shù)相近；最少的為處于非常均勻分布的林木。

表2 空間結(jié)構(gòu)參數(shù)分布頻率及平均參數(shù)

3.2.2 混交度 由表2可知，樣地內(nèi)的平均混交度僅有0.193。樣地內(nèi)大多數(shù)的林木為零度混交，分布頻率高達(dá)0.614，其他混交度分布頻率依次減小，表明樣地內(nèi)樹種多為同一種類，林分結(jié)構(gòu)比較單一。

3.2.3 大小比數(shù) 由表2可知，樣地的平均大小比數(shù)為0.493，整體的分化水平接近中庸，各大小比數(shù)分布頻率相近，皆位于0.200附近。說明油松林分內(nèi)的林木胸徑與其附近4株林木的胸徑相比，大于對(duì)象木和小于對(duì)象木的株數(shù)大致相等。林分內(nèi)不同大小林木分布均勻。

3.2.4 競(jìng)爭(zhēng)指數(shù) 由表3可知，林分內(nèi)優(yōu)勢(shì)木樹種為油松，胸徑分布在15～37 cm，樹高分布在12～16 m。陳立新等[9]研究紅松人工林優(yōu)勢(shì)木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)時(shí)指出，競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)越大，競(jìng)爭(zhēng)越激烈，林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)為5左右時(shí)，林木競(jìng)爭(zhēng)比較激烈。本研究樣地的林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)為1.08<5，達(dá)不到競(jìng)爭(zhēng)激烈的水平，林分內(nèi)的林木競(jìng)爭(zhēng)程度比較平緩。

表3 優(yōu)勢(shì)木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)論

京西油松水源保護(hù)林樹種組成式為10油-椴-櫟-樺-榆-山，林木直徑和樹高分布不符合正態(tài)分布規(guī)律，林分整體上呈輕度的聚集分布，大小分布均勻，混交度較小，樹種單一，林木競(jìng)爭(zhēng)較小。