張佳旺 董希斌 郭奔 劉慧 張瑩 任允澤 滕弛 宋梓愷 張雨晨

(森林持續(xù)經(jīng)營與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué)),哈爾濱,150040)

在森林演替過程中,不同演替階段通常伴隨著樹種更替和組成變化或者不發(fā)生樹種更替而出現(xiàn)不同的林型。目前需要對中齡林、近熟林進(jìn)行調(diào)整,通過對森林結(jié)構(gòu)的調(diào)整達(dá)到對森林生態(tài)功能改善的作用。林分空間結(jié)構(gòu),體現(xiàn)了林木在林內(nèi)水平或者垂直方向上的分布格局及其屬性在林內(nèi)的排列方式,合理優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)有利于森林可持續(xù)的發(fā)展。對林分空間結(jié)構(gòu)的研究,已有較多研究成果[1-9]。有的研究使用林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的二元分布分析林分的空間結(jié)構(gòu)[10-14],但僅從這兩個(gè)方面還是不能全面表達(dá)林分的空間結(jié)構(gòu)信息。有的研究使用林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的三元分布分析林分的空間結(jié)構(gòu)[15-17],但這對于全面了解林分結(jié)構(gòu)還有不足。關(guān)于對林分空間結(jié)構(gòu)的研究,使用林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)四元分布的研究較少[18-20]。但利用結(jié)構(gòu)參數(shù)多元分布對林分空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行全面分析,有利于對空間結(jié)構(gòu)的微觀特征更加了解、有利于對空間結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)調(diào)控。為此,本研究在黑龍江省伊春市豐林縣湯林林場建立不同演替階段(中齡林、近熟林)固定監(jiān)測樣地,在森林群落中分別設(shè)立15塊30 m×30 m的方形樣地,將各樣地劃分為4個(gè)15 m×15 m的小樣方,對胸徑在5.0 cm及以上的喬木進(jìn)行每木調(diào)查、每木檢尺,記錄樣地內(nèi)林木的樹種、胸徑、樹高;應(yīng)用RStudio計(jì)算中齡林和近熟林的天然落葉松(Larixgmelinii)林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)(混交度、大小比數(shù)、密集度、角尺度)、統(tǒng)計(jì)林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的5種多元分布頻率(零元分布、一元分布、二元分布、三元分布、四元分布),系統(tǒng)分析各林分的林分空間結(jié)構(gòu)特征與功能。旨在為合理選擇采伐、為該地區(qū)的林型結(jié)構(gòu)改進(jìn)調(diào)整、實(shí)現(xiàn)森林可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

小興安嶺地處于我國東北部、貫穿黑龍江省中北部,研究區(qū)域位于黑龍江省伊春市豐林縣湯林林場,該林場位于林都伊春北部紅松故鄉(xiāng)小興安嶺腹地。林業(yè)施業(yè)區(qū)總面積289 780 hm2,南部、東北部與鶴崗市、嘉蔭縣區(qū)劃重疊,地理坐標(biāo)為東經(jīng)129°20′～130°23′、北緯47°55′～48°40′。坡度為5°～25°,海拔260～380 m。豐林縣屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均度0.6 ℃,最高溫7月份平均20 ℃,最低溫1月份平均-24.9 ℃;年平均降水量653.7 mm,無霜期110 d左右。土壤類型以暗棕色森林土為主。研究區(qū)內(nèi),主要喬木樹種有落葉松(Larixgmelinii)、紅松(Pinuskoraiensis)、白樺(Betulaplatyphylla)、赤楊(Alnusjaponica(Thunb.) Steud.)、云杉(Piceaasperata)、臭冷杉(Abiesnephrolepis)、山楊(Populusdavidiana)等,灌木有忍冬(Lonicerajaponica)、柴樺(Betulafruticosa)、毛榛子(Corylusmandshurica)、刺五加(Acanthopanaxsenticosus)等,草本植物主要有苔草(Carexspp.)、酢漿草(Oxaliscorniculata)、蕁麻(Urticafissa)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

2023年5月15—30日,在黑龍江省伊春市豐林縣湯林林場建立中齡林、近熟林固定監(jiān)測樣地,在中齡林和近熟林森林群落中分別設(shè)立15塊30 m×30 m的方形樣地,本研究對胸徑在5.0 cm及以上的喬木進(jìn)行每木調(diào)查,同時(shí)進(jìn)行每木檢尺。將各樣地劃分為4個(gè)15 m×15 m的小樣方,以每塊樣方的西南角為坐標(biāo)原點(diǎn),記錄樣地內(nèi)林木的樹種、胸徑、樹高及相對坐標(biāo)值(x,y)等(x為東西方向坐標(biāo)、y為南北方向坐標(biāo)),并對每木進(jìn)行掛牌標(biāo)記。計(jì)算時(shí)將相對坐標(biāo)換算成絕對坐標(biāo)。各樣地具體概況見表1。

表1 不同演替階段的樣地林分概況

續(xù)(表1)

2.2 確定空間結(jié)構(gòu)單元及消除邊緣效應(yīng)

確定空間結(jié)構(gòu)單元：為了全面了解林分空間結(jié)構(gòu)特征和林木在群落中的狀態(tài),僅測量和分析林木本身的屬性有些片面,還需要考慮到林分中任意一株林木和離它最近的n株相鄰木共同構(gòu)成的關(guān)系,即空間結(jié)構(gòu)單元[21]。已有研究表明,對象木與周圍最近的4株相鄰木共同組成的空間結(jié)構(gòu)單元,適合分析林分空間結(jié)構(gòu)特征[22-23]。本研究以這一空間結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ),建立相應(yīng)的林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù),分析林分的空間關(guān)系。

消除邊緣效應(yīng)：為提高林分空間結(jié)構(gòu)研究的準(zhǔn)確性,在樣地周圍設(shè)立了寬度為5 m的緩沖帶,將樣地核心區(qū)(20 m×20 m)內(nèi)的林木作為參照樹,處于緩沖區(qū)的林木作為核心區(qū)林木的相鄰木處理;保證所分析林木的相鄰木,均能處于樣地內(nèi)。

2.3 林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)及多元分布的計(jì)算方法

多元分布計(jì)算：為了精確反映林分空間結(jié)構(gòu),使用多元分布計(jì)算;通過不同組合之間的聯(lián)系[27],反映多元分布的林木結(jié)構(gòu)信息。零元分布：角尺度、大小比數(shù)、混交度、密集度這4個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)各自取平均值。一元分布：每個(gè)參數(shù)其5個(gè)等級的相對頻率分布。二元分布：將結(jié)構(gòu)參數(shù)按照相對應(yīng)的等級,兩兩結(jié)合得到25種相對頻率分布。三元分布：將任意2個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)與另外1個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)按照等級交叉聯(lián)立,形成125種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組成的相對頻率分布。四元分布：將任意2個(gè)參數(shù)與另外2個(gè)參數(shù)按照等級對應(yīng)交叉聯(lián)立,得到625種不同結(jié)構(gòu)組成的相對頻率分布[28]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用R(4.2.3)軟件,林分空間結(jié)構(gòu)分析利用spatstat軟件包及forestSAS軟件包,應(yīng)用Office Excel 2022軟件統(tǒng)計(jì)頻率分布。

3 結(jié)果與分析

3.1 天然落葉松林不同演替階段空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的零元分布

由表2可見：天然落葉松林中,中齡林和近熟林的平均角尺度比較相近,說明兩種林分整體呈現(xiàn)出隨機(jī)分布;兩種林分平均大小比數(shù)表明,林木整體都處于中等生長狀態(tài);平均混交度為0.516 7、0.571 9,說明兩種演替程度介于中等混交和強(qiáng)度混交之間,更加偏向中度混交;平均密集度相差較大,說明近熟林比中齡林整體密集。

表2 兩種演替階段的林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)平均值

3.2 天然落葉松林不同演替階段空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的一元分布

由表3可見：這兩種不同演替程度的林分,空間分布結(jié)構(gòu)有相似趨勢;中齡林和近熟林,分別有49.27%和56.41%為隨機(jī)分布,非常均勻分布的林木為0和1.20%,非常不均勻分布的林木為11.07%和21.17%。兩種演替程度的林木,生長狀態(tài)比例比較相近;中齡林的混交度不如近熟林的混交度好,一半以上的林木處于中度混交及以上狀態(tài),分別為52.95%和62.09%,剩余不足一半的林木空間隔離程度不高。兩種演替程度的林木,各密集度等級的林木比例都不是很相近;其中,中齡林很稀疏狀態(tài)的林木比例較高(為27.16%),近熟林很稀疏狀態(tài)的林木比例為19.08%,近熟林的總體密集程度優(yōu)于中齡林。中齡林中,處于優(yōu)勢生長狀態(tài)的占比0.22、處于中庸生長狀態(tài)的占0.19、處于劣勢生長狀態(tài)的占0.09,生長發(fā)育狀態(tài)整體較好;近熟林中,處于優(yōu)勢生長狀態(tài)的林木占比0.25、中庸生長狀態(tài)的占比0.21、絕對劣勢生長狀態(tài)的占比0.11,生長發(fā)育狀態(tài)整體較好。

3.3 天然落葉松林不同演替階段空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的二元分布

中齡林——4個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)在各等級的相對頻率分布,總體呈上升趨勢。混交度較好的林木中呈優(yōu)勢生長狀態(tài)的占21.22%;混交度極強(qiáng)狀態(tài)時(shí)的大小比數(shù)分布中,呈優(yōu)勢、亞優(yōu)勢、中庸?fàn)顟B(tài)的占比26.51%,其中呈劣勢和絕對劣勢的占比為19.62%(見圖1(a))。林分內(nèi)極強(qiáng)的混交度時(shí),密集度整體呈遞減趨勢,極強(qiáng)混交度時(shí)有12.11%的林木處于很稀疏的狀態(tài),有14.40%的林木處于中度密集以上(見圖1(b))。中度混交時(shí)的角尺度分布比較突出,其他組合時(shí)的林木所占比例都比較相似,中等混交時(shí)處于非常不均勻的林木占比高達(dá)17.02%(見圖1(c))。優(yōu)勢樹木處于非常稀疏時(shí)的占比最高達(dá)8.12%,其余組合的各等級相對頻率都比較相近,說明樣地中優(yōu)勢木的占比相對較低(見圖1(d))。不均勻分布的林木占比極低,隨機(jī)分布的林木占比最高,中庸木的占比最高達(dá)14.23%,其次是優(yōu)勢木占比12.31%(見圖1(e))。非常均勻分布的林木占比最低,多數(shù)處于隨機(jī)分布中,處于非常稀疏的林木和中度密集的林木占比分別高達(dá)12.03%、12.13%(見圖1(f))。

表3 天然落葉松林不同演替階段空間結(jié)構(gòu)參數(shù)一元分布的每個(gè)參數(shù)5個(gè)等級的相對頻率分布

近熟林——處于優(yōu)勢生長狀態(tài)的林木占比隨著混交度強(qiáng)度的增加而增加(最高達(dá)9.43%),中庸生長狀態(tài)時(shí)的混交度先增后減(見圖2(a));同一混交等級時(shí)林木的密集度整體呈增大趨勢,同一密集度時(shí)林木的混交程度先增大后減少(見圖2(b));在中度混交程度時(shí)林木呈隨機(jī)分布、不均勻分布,高達(dá)22.11%,同一分布格局時(shí)多數(shù)混交程度良好(見圖2(c));12.07%的絕對優(yōu)勢木的樹冠非常密集,6.72%的絕對劣勢木的樹冠非常密集(見圖2(d));相同等級大小比數(shù)時(shí)樹木的分布,極少呈非常均勻分布,多數(shù)呈隨機(jī)分布(見圖2(e));同一密集度時(shí)林木的分布,極少呈現(xiàn)均勻分布,多數(shù)呈現(xiàn)出隨機(jī)分布。隨機(jī)分布時(shí),林木的密集度逐漸增加(見圖2(f))。

圖1 中齡林4個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)在各等級的相對頻率分布(二元分布)

3.4 天然落葉松林不同演替階段空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的三元分布

中齡林——極強(qiáng)度混交的林木占林木總數(shù)比例最大(為29.46%);在弱度混交中,處于絕對劣勢且比較密集的林木占總數(shù)的3.82%(見圖3(a))。在各個(gè)混交度等級中,林木處于非常均勻分布的占比極低;同一混交等級和同一生長狀態(tài)的林木,多數(shù)處于隨機(jī)分布,其中極強(qiáng)混交時(shí)隨機(jī)分布的亞優(yōu)勢林木占總林木數(shù)的6.02%(見圖3(b))。同一混交等級和密集程度的林木多數(shù)呈隨機(jī)分布,其中3.25%處于強(qiáng)度混交、不均勻分布且樹冠稀疏的狀態(tài)(見圖3(c))。非常密集且隨機(jī)分布的林木中,有4.06%為亞優(yōu)勢木;在同一角尺度和大小比數(shù)時(shí),其混交度主要呈弱度混交,為22.18%(見圖3(d))。

近熟林——同一大小比數(shù)和密集度的林木中,多數(shù)林木處于強(qiáng)度混交中(占比33.71%),極強(qiáng)混交的優(yōu)勢木且非常稀疏程度的林木占林木總數(shù)的7.08%(見圖4(a))。在同一混交程度時(shí),各個(gè)林木的分布格局和生長狀態(tài)都比較相似;各個(gè)混交等級且呈隨機(jī)分布的林木中,為中庸木的林木的比例高于其他生長狀態(tài)的林木比例,最高達(dá)4.12%(見圖4(b))。在各個(gè)分布格局和密集程度的林木中多數(shù)處于中度混交中,占比最高為60.12%;中度混交較多的為隨機(jī)分布和不均勻分布,且屬于中度密集和非常密集(見圖4(c))。各個(gè)分布格局和林木生長狀態(tài)時(shí),處于非常密集的林木占林木總數(shù)的26.71%,占比最高;亞優(yōu)勢狀態(tài)的林木,在同一密集度和混交度中最高占比為7.03%(見圖4(d))。

圖2 近熟林4個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)在各等級的相對頻率分布(二元分布)

3.5 天然落葉松林不同演替階段空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的四元分布

由圖5可見：中齡林中,相同分布格局和生長狀態(tài)的林木中,在各個(gè)密集度時(shí)多數(shù)林木處于中度混交及以上狀態(tài);同一混交程度和密集度且在各個(gè)生長狀態(tài)時(shí),多數(shù)林木處于不均勻分布;呈隨機(jī)分布且生長狀態(tài)處于絕對優(yōu)勢時(shí),其周圍有非常密集的不同樹種的林木占林木總數(shù)的1.10%;相反,處于不均勻分布且生長狀態(tài)處于絕對劣勢時(shí),其周圍有非常稀疏的不同樹種的林木占林木總數(shù)的0.50%。

由圖5可見：近熟林中,相同分布格局和生長狀態(tài)的林木中,在各個(gè)密集度時(shí)多數(shù)林木處于中度混交及以上狀態(tài);同一混交程度和同一樹冠密集度且在各個(gè)生長狀態(tài)時(shí),多數(shù)林木處于隨機(jī)和不均勻分布;呈隨機(jī)分布且生長狀態(tài)處于絕對優(yōu)勢時(shí),其周圍有非常密集的不同樹種的林木占林木總數(shù)的4.70%;相反,處于不均勻分布且生長狀態(tài)處于絕對劣勢時(shí),其周圍有非常稀疏的不同樹種的林木占林木總數(shù)的1.10%。

圖3 中齡林4個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)在各等級的相對頻率分布(三元分布)

圖4 近熟林4個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)在各等級的相對頻率分布(三元分布)

圖5 不同演替階段林分4個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)在各等級的相對頻率分布(四元分布)

4 結(jié)論與討論

利用空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的多元分布對兩種不同演替階段的天然落葉松林的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析,包括空間結(jié)構(gòu)單元中對象木的周圍相鄰木為其他樹種的概率、胸徑的生長狀態(tài)、樹冠連接的株數(shù)占所考察的最近相鄰木的比例、圍繞對象木的分布程度。與零元分布、一元分布分析林分空間結(jié)構(gòu)相比,多元分布展現(xiàn)的信息量更加豐富[29],為高質(zhì)量的森林經(jīng)營、森林質(zhì)量工程改善林分空間結(jié)構(gòu)提供思路和依據(jù)。本研究對天然落葉松林不同演替階段空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的零元分布分析表明,兩種林分整體呈隨機(jī)分布;林分的整體生長狀態(tài)為中庸?fàn)顟B(tài),混交度呈中度混交,密集程度為中度密集,兩種林分的相比差別不是很明顯。本研究對天然落葉松林不同演替階段空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的一元分布分析表明,中齡林的混交程度相比近熟林較低,中齡林在強(qiáng)度混交的占比較大,而近熟林在極強(qiáng)混交的占比較大。兩種林分的大小比數(shù)和分布格局比較相似,林分多數(shù)的林木屬于隨機(jī)分布,中齡林較為稀疏,近熟林在密集程度上較為相近。本研究對天然落葉松林不同演替階段空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的二元分布分析表明,兩種林分在同一大小比數(shù)時(shí)的林木多數(shù)處于中度混交,同一密集度時(shí)的中齡林的密集程度分布相近,近熟林的密集度較集中。同一大小比數(shù)時(shí)的密集度中齡林比較偏稀疏,近熟林偏密集。同一大小比數(shù)和密集度時(shí)的林分,分布格局整體呈隨機(jī)分布。本研究對天然落葉松林不同演替階段空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的三元分布分析表明,兩種林分中,同一大小比數(shù)和密集度時(shí),林木的混交度比較良好。中齡林中,同一混交度和大小比數(shù)的林木多數(shù)處于隨機(jī)分布,同一密集度和混交度的林木多數(shù)處于隨機(jī)分布,同一大小比數(shù)和格局分布狀態(tài)的林木多數(shù)處于中度密集及以下。近熟林中,同一大小比數(shù)和密集度的林木多數(shù)呈中度混交,同一密集度和大小比數(shù)的林木多數(shù)處于隨機(jī)分布,同一密集度和格局分布狀態(tài)的林木多數(shù)處于中度混交。本研究對天然落葉松林不同演替階段空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的四元分布分析表明,兩種不同的林分在同一混交度和密集度時(shí),相同生長狀態(tài)的林木多數(shù)處于隨機(jī)分布;同一分布格局狀態(tài)和生長狀態(tài)時(shí),相同密集度的林木多數(shù)處于中度混交;中齡林中相同的混交度和密集度時(shí),相同分布格局狀態(tài)時(shí)有半數(shù)處于劣勢生長狀態(tài)。

本研究區(qū)域位于湯林林場,其頂級群落是以落葉松為主的天然落葉松林,因此為了促進(jìn)林分的正向演替,需要對其他次生林的林分結(jié)構(gòu)做進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整。由于中齡林和近熟林的四元分布,林分結(jié)構(gòu)參數(shù)組合在4個(gè)方面都不合理,包括零度混交、絕對劣勢、非常密集、非常不均勻分布的林木,分別占林木總數(shù)的1.11%、0。所以在進(jìn)一步的擇伐中,可以將上述組合作為第一次采伐的對象;將上面空間結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的3方面不合理的林木作為第二次采伐對象,例如周圍很密集的非常不均勻分布有其它4種樹種的絕對劣勢木,中齡林和近熟林中該類型的林木占比為0、0.39%;將結(jié)構(gòu)參數(shù)兩方面不合理的林木作為第三次采伐的對象,比如周圍很密集的隨機(jī)分布著其它4種樹種的絕對優(yōu)勢木,中齡林和近熟林中該類型的立木占林木總數(shù)的0、0.43%。其次,利用間伐作業(yè)時(shí)可以降低林分密度和郁閉度,進(jìn)一步促進(jìn)落葉松的演替。除此之外,對林木可以進(jìn)行定期的病蟲害檢查,促進(jìn)林木健康生長和更好提高林分質(zhì)量,從而提高競爭優(yōu)勢;另一方面,也可以進(jìn)行人工補(bǔ)植,提高林分內(nèi)的物種多樣性,促進(jìn)演替。

合理利用空間結(jié)構(gòu)參數(shù)多元分布,對于林分結(jié)構(gòu)特征的表述提供了更加完備的信息,對于森林經(jīng)營和林分空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了強(qiáng)有力的依據(jù)[20]。本研究是依據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)多元分布對湯林林場兩種不同演替程度的落葉松林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,是對該類研究的補(bǔ)充和參考。另外,也為合理選擇采伐木提供一種方法,更有利于提升林分的質(zhì)量和演替。但是,按照本研究方法進(jìn)行篩選擇伐之后的林分空間結(jié)構(gòu)的具體優(yōu)化程度,沒有進(jìn)行實(shí)證檢驗(yàn),條件成熟時(shí)有必要對本研究方法進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)。