不同齡組杉木生態公益林空間結構

曹小玉，李際平，封 堯，張彩彩，房曉娜

不同齡組杉木生態公益林空間結構

曹小玉，李際平，封 堯，張彩彩，房曉娜

（中南林業科技大學 林學院， 湖南 長沙 410004）

為了優化杉木Cunninghamia lanceolata生態公益林空間結構，充分發揮其生態、經濟和文化等多項功能，以湖南省福壽林場杉木生態公益林9個固定樣地林分空間結構的實測數據，采用混交度、大小比數和角尺度對比分析了不同齡組杉木生態公益林的空間結構特征。結果表明：杉木幼齡林的平均混交度為0.19，為0度混交和弱度混交的中間狀態，杉木中齡林和成熟林的平均混交度為0.09和0.04，接近0度混交狀態，3個齡組杉木林的林分混交度都偏低，林分穩定性差；杉木幼齡林、中齡林和成熟林的平均大小比數分別為0.51，0.52和0.52，接近中庸狀態，說明林木個體差異不大，林木分化不嚴重；平均角尺度分別為0.37，0.35和0.34，為均勻分布和隨機分布的中間狀態，不是理想的林木水平分布格局。圖4表4參14

森林經理學；杉木；生態公益林；空間結構

優化森林結構是培育健康穩定的多功能森林的重要途徑，而森林空間結構作為森林結構最直接的表現，它不僅能夠提供與林木空間位置有關的空間信息，并且決定林分非空間結構，是實現森林結構優化最有可能調控的因子［1］。因此，分析森林空間結構是優化森林結構的基礎，對實現森林的多功能經營具有重要的意義［2］?？臻g結構單元的確定是林分空間結構分析的基礎，林木空間結構單元是由1株參照木及其n株相鄰木構成［3］。大多數學者采用鄰近木取4的固定空間結構單元，如惠剛盈等認為n=4可滿足混交林空間結構分析的要求?？稍诂F實林分中，參照木主要與直接鄰體產生競爭，固定空間結構單元的方法可能將直接鄰體排除在外。如果采用Voronoi圖確定林木的鄰近木可以克服這個缺點。王崢峰等［4］、趙春燕等［5］基于Voronoi圖確定林木空間結構單元進行林分空間結構分析，認為這種方法更為合理。杉木Cunninghamia lanceolata生態公益林作為中國南方公益林的重要組成部分，具有舉足輕重的地位，但由于杉木林樹種單一，生物多樣性低，病蟲害和火災時有發生，導致其生態功能低下、經濟效益產出也低，因此，如何通過森林空間結構的調整促其健康穩定的發展，已成為林業工作者需要迫切解決的問題［6］。本研究采用Voronoi圖確定林分空間結構單元，選用角尺度、混交度、大小比數等3個空間結構指標對不同齡組杉木生態公益林空間結構進行分析，以期為杉木生態公益林結構的優化提供依據。

1 研究區概況

福壽林場位于湖南省平江縣南部的福壽山上，地處28°3′00″～28°32′30″N，113°41′15″～113°45′00″E，處于中亞熱帶向北亞熱帶過渡的氣候帶，屬濕潤的大陸性季風氣候。場內植被繁茂，群落較多，有木本植物55科275種。研究樣地所屬的杉木林均為在皆伐跡地上營造的杉木人工林，但它們經過撫育間和林分的自然更新，自然稀疏，自然災害（蟲害、火災），人為破壞（盜伐）等導致林分分布密疏不均。

2 研究方法

2.1 數據調查方法

在杉木林有代表性的地段，用羅盤儀設置20 m×30 m的標準地9塊（幼齡林、中齡林和成熟林各設置3塊樣地），將每塊標準地都用相鄰網格法劃分為6個10 m×10 m小樣方作為調查單元，以每個小樣方的西南角為坐標原點，用皮尺測量每株樹木在本小樣方內的相對位置坐標（x，y），x為東西方向坐標，y為南北方向坐標，并記錄小樣方內的每株樹木的樹種、胸徑、樹高及冠幅，然后將樣地西南角設為樣地坐標系的原點。把每個小樣方內林木的相對位置坐標轉換為整個樣地范圍內同一坐標系內的坐標，以確定每株林木在整個樣地內的相對位置分布，并將轉換后的林木坐標數據導入ArcGIS軟件中繪制林木空間位置分布圖。每個標準地的基本情況見表1。

表1 調查樣地基本情況表Table 1 Basic situation of sample plots

2.2 數據處理和分析方法

2.2.1 空間結構單元的確定 利用ArcGIS軟件中創建泰森多邊形工具，根據林木位置坐標數據生成Voronoi圖。每個Voronoi多邊形內只包含1株林木，其邊數即為該林木的鄰近木株數，其鄰接Voronoi多邊形所包含的林木即為該林木的鄰近木具體分布位置，由此即可確定參照木的空間結構單元（圖1）。

圖1 基于林木點數據生成的加權Voronoi圖Figure 1 Voronoi diagram based on tree data

2.2.2 邊緣矯正 基于Voronoi圖確定林分空間結構單元時處于樣地邊緣的邊界木會受到邊界的影響，且其鄰近木可能處于樣地外，故以邊界木為中心木構建的空間結構單元是不完整的，會影響空間結構特征的分析結果。為了避免這種情況，必須對樣地進行邊緣矯正［7］。本研究采用距離緩沖區法，在原樣地四周設置2.0 m寬的帶狀緩沖區。此寬度既可消除邊界效應，又能充分利用樣地內的調查數據。在緩沖區以外的林木為邊緣木，只作為中心木的鄰近木存在，而位于緩沖區內的林木均作為中心木參與計算。2.2.3 空間結構參數的計算 ①混交度?；旖欢仁鞘敲枋鰳浞N間的相互隔離程度的參數［8－9］，采用湯孟平等［10］提出的全混交度，描述樹種間的相互隔離程度，計算公式為：

式（1）中：mci為中心木i點的全混交度；di為中心木i所在空間結構單元的Simpson指數；mi為中心木i點的簡單混交度；n為鄰近木株數；si為中心木i所在空間結構單元內的樹種個數；nj為中心木i所在空間結構單元內第j樹種的株數；ni為鄰近木中不同樹種的個數。計算林分或某一樹種平均混交度時采用公式（2），其中N為林分或者某一樹種中心木的株數。

②大小比數。大小比數是指冠幅、樹高或者胸徑大于做中心木的鄰近木數占最近n株鄰近木的比例（本研究采用胸徑），用公式表示為［11］：

式（3）中：ui其取值為計算林分或某一樹種的平均大小比數采用公式（4），其中N為林分或者某一樹種中心木的株數。

③角尺度。角尺度是被定義為琢角（鄰近木的較小夾角）小于標準角琢0的個數占所考察的 n個琢角的比例。它是描述空間結構單元內相鄰木圍繞中心木的水平分布分布格局［12］，用下式表示如下：

式（5）中：wi取值為計算林分或某一樹種的平均角尺度用式（6），式中N為林分或者某一樹種中心木的株數。

3 結果與分析

3.1 混交度分析

從表2可以看出：杉木幼齡林不同樣地的平均混交度為0.17~0.20，林分的平均混交度為0.19，為0度混交和弱度混交的中間狀態，杉木中齡林不同樣地的平均混交度為0.08~0.13，林分的平均混交度為0.09，接近0度混交狀態，杉木成熟林不同樣地的平均混交度為0.02~0.06，林分的平均混交度為0.04，接近0度混交狀態，說明3個齡組杉木林林分混交程度都非常低，林分樹種單一，物種多樣性低，抗御病蟲害、火災等自然災害的能力低，導致林分穩定性差。成熟林和中齡林混交度較幼齡林更低主要是由于成熟林和中齡林0度混交所占比例很大所導致的。在中齡林和成熟林中，0度混交比例高達43%和72%，說明成熟林和中齡林基本是相同樹種的林木單種聚集在一起。同時杉木幼齡林、中齡林和成熟林的極強度混交比例都為0，說明在3個齡組的杉木林分中，沒有任何一株林木完全被不同樹種的鄰近木所包圍。

表2 林分及各樣地混交度分布頻率Table 2 Frequency distribution of mingling of the stand and sample plots

從不同樹種看（圖2），在杉木幼齡林、中齡林和成熟林林分中，杉木的平均混交度分別為0.17，0.06和0.02。為0度混交向弱度混交的過渡狀態和0度混交狀態。這說明杉木基本上是與同樹種聚集生長在一起。在杉木幼齡林中，柳杉Cryptomeria fortunei的平均混交度為0.23，接近弱度混交狀態，泡桐Paulownia的平均混交度為0.39。為弱度混交和中度混交的中間狀態。在杉木中齡林林分中，柳杉，刺槐Robinia pseudoacacia，野山椒Capsicum frutescens的平均混交度分別為0.27，0.24和0.20，為弱度混交狀態，野山桃Prunus davidiana的平均混交度為0.18，為0度混交向弱度混交的中間狀態，黃山松Pinus taiwanensis，毛櫻桃Cerasus tomentosa和凹葉厚樸Magnolia officinalis平均混交度分別為0.45，0.48，0.51為中度混交狀態，楤木Aralia chinensis的平均混交度為0.65，為中度混交向強度混交過度狀態。說明這8種樹木在林分中沒有出現單種聚集情況，均不同程度的與其他樹種混交。在杉木成熟林中，苦楝Melia azedarach，毛竹Phyllostachys edulis和白櫟 Quercus fabri的平均混交度分別為0.33，0.29和0.29，大致為弱度混交狀態，毛櫻桃的混交度為0.44，大致為中度混交狀態。

圖2 不同樹種平均混交度Figure 2 Average value of mingling degree of each tree species

3.2 大小比數分析

從表3可以看出：杉木幼齡林不同樣地的平均大小比數為0.50~0.52，林分的平均大小比數為0.51，杉木中齡林不同樣地的平均大小比數為0.48~0.52，林分的平均大小比數為0.52，杉木成熟林不同樣地的平均大小比數為0.51~0.52，林分的平均大小比數為0.52，3個齡組的杉木林林分平均大小比數都接近中庸狀態，說明3個齡組杉木林林分林木個體差異不大，林木分化不嚴重。

表3 林分及各樣地大小比數分布頻率Table 3 Frequency distribution of neighborhood comparison of the stand and sample plots

從不同樹種看（圖3）：在杉木幼齡林、中齡林和成熟林林分中，杉木的平均大小比數分別為0.45，0.50和0.50。接近中庸狀態。這說明杉木的胸徑差異不明顯。但杉木在不同齡組的林分中占的比例極大，其優勢度非常明顯。在杉木幼齡林中，柳杉的平均大小比數為0.60，為中庸和劣態的中間狀態，說明柳杉在整個林分樹木的競爭中處于相對劣勢，泡桐的平均大小比數為0.28，接近亞優勢的狀態，說明泡桐在整個林分樹木競爭中具有一定的優勢。在杉木中齡林林分中，柳杉的平均大小比數為0.64，為中庸和劣態的中間狀態，凹葉厚樸和野山椒的平均大小比數為0.80和0.83，為劣態和絕對劣態的中間狀態，在與其他樹種的競爭中處于不利地位。楤木的平均大小比數為1.00，為絕對劣態，在競爭中處于絕對劣勢。刺槐的平均大小比數為0.20，為亞優勢狀態，說明其競爭優勢明顯。毛櫻桃和野山桃的平均大小比數為0.46和0.57，接近中庸狀態。黃山松的平均大小比數為0.34，為亞優勢向中庸過渡狀態。在杉木成熟林中，苦楝的平均大小比數為0.33，為亞優勢向中庸過渡狀態，毛櫻桃的平均大小比數為0.6，為中庸向劣態過渡狀態，毛竹的平均大小比數為0.78，為劣態，在整個林分樹木的競爭中處于劣勢。白櫟的平均大小比數為1.00，為絕對劣態。

圖3 不同樹種平均大小比數Figure 3 Average value of neighborhood comparison of DBH of each tree species

3.3 角尺度分析

從表4可以看出：杉木幼齡林不同樣地的平均角尺度為0.35~0.40，林分的平均角尺度為0.37，杉木中齡林不同樣地平均混交度和林分的平均混交度為0.31~0.38，林分的平均角尺度為0.35，杉木成熟林不同樣地的平均混交度為0.33~0.34，林分的平均混交度為0.34，說明3個齡組的杉木林林分平均角尺度都為均勻分布和隨機分布的中間狀態。需要通過結構調整是其由均勻分布向隨機分布過渡。

表4 林分及各樣地角尺度分布頻率Table 4 Frequency distribution of uniformangle index of the stand and sample plots

從不同樹種看（圖4）：在杉木幼齡林、中齡林和成熟林林分中，杉木的平均角尺度為0.37，0.35和0.33。為均勻分布和隨機分布的中間狀態。這說明杉木的水平分布格局需要調整使其理想狀態發展。在杉木幼齡林中，柳杉和泡桐的平均角尺度為0.37和0.40，為均勻分布和隨機分布的中間狀態。在杉木中齡林林分中，柳杉和黃山松的平均角尺度為0.37和0.34，為均勻分布和隨機分布的中間狀態，毛櫻桃和野山椒的平均角尺度為0.50，為隨機分布狀態，是一種比較理想的分布狀態。凹葉厚樸和野山桃的平均角尺度為0.40和0.43，為均勻分布和隨機分布的中間狀態，楤木平均角尺度為0，為絕對勻分布，刺槐的平均角尺度為0.20，接近均勻分布狀態。在杉木成熟林中，白櫟的平均角尺度為0.50，為隨機分布狀態，毛櫻桃、苦楝和毛竹的平均混交度分別都接近0.35，為均勻分布和隨機分布的中間狀態。

圖4 不同樹種的平均角尺度Figure 4 Average value of uniform angle index of each tree species

4 結論與討論

本研究采用混交度、大小比數和角尺度分析了不同齡組杉木生態公益林的空間結構特征。結果表明：杉木幼齡林的平均混交度為0.19，為0度混交和弱度混交的中間狀態，杉木中齡林和成熟林的平均混交度為0.09和0.04，都接近0度混交狀態，3個齡組的林分混交程度都很低，林分穩定性差，需要通過引進闊葉樹種，增加林分的混交度；杉木幼齡林、中齡林和成熟林的平均大小比數分別為0.51，0.52 和0.52，接近中庸狀態，說明林木個體差異不大，林木分化不嚴重；平均角尺度分別為0.37，0.35和0.34，為均勻分布和隨機分布的中間狀態，不是理想的水平分布格局。

采用n=4構成的空間結構單元來分析林分的空間結構特征，這一標準被很多學者采用，但Pommerening［13］認為不同林分狀況下確定的林分空間結構單元大小應該是不同的，Voronoi圖能根據林分的實際情況，靈活確定各空間結構的單元的大小。這在一定程度上克服了固定空間結構單元所導致的有偏估計缺陷［14］。基于此，本研究采用Voronoi圖確定林分的空間結構單元。但是當利用Voronoi圖來確定空間結構單元時卻沒有計算角尺度的相應理論標準，致使不同研究人員在采用基于Voronoi圖計算角尺度時，因沒有統一的標準而導致研究結果相差較大。因此，如何基于Voronoi圖計算角尺度的新的評判標準，是進行角尺度研究的一個重要方向。

簡單混交度分析了不同齡組的杉木生態公益林林分內不同樹種間的隔離程度，僅考慮了中心木與4株鄰近木之間的樹種異同關系，未曾考慮4株鄰近木彼此之間的樹種異同。因此，需要提出一個全新的混交度指標來代替它。本研究采用湯孟平等［10］提出的全混交度來分析杉木生態公益林的混交程度，它不僅考慮中心木與鄰近木之間以及鄰近木彼此之間的樹種隔離關系，還引入了生物多樣性Simpson指數來描述樹種多樣性，以提高樹種多樣性的區分度，是進行混交度分析比較理想的指標。

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Stand spatial structure for an uneven-aged Cunninghamia lanceolata ecological forest

CAO Xiaoyu,LI Jiping,FENG Yao,ZHANG Caicai,FANG Xiaona
（School of Forestry,Central South University of Forestry&Technology,Changsha 410004,Hunan,China）

To optimize the spatial structure of a Cunninghamia lanceolata ecological forest and use of its ecological,economic,and cultural functions,nine permanent sample plots（20 m×30 m）at the Fushou Forest Farm in Hunan Province were analyzed for variation in spatial structure of uneven age-group stands using three spatial structure indexes:the mingling index,the neighborhood comparison,and the uniform angle index. Results showed an average mingling degree for juveniles of 0.19 which belonged to the transitional type between zero and weak mingling.The average degree of mingling for medium（0.09）and mature（0.04）trees was close to zero mingling.The average neighborhood comparison for stand DBH was juvenile （0.51）,medium （0.52）,and mature trees （0.52）which were close to the moderate state.The average stand uniform angle indexes were juvenile（0.37）,medium（0.35）,and mature（0.34）belonging to the transitional types of uniform and random distributions.Overall for the C.lanceolata stands,mingling showed that the ecological forest rating was low,and the stability of the stand structure was weak;the neighborhood comparison indicated that the number of trees in diameter classes was roughly equal;and the uniform angle index revealed poor horizontal distribution patterns in juvenile,medium,and mature stands.［Ch,4 fig.4 tab.14 ref.］

forest management;Cunninghamia lanceolata;ecological forest;spatial structure

S757.1

A

2095-0756（2015）01-0084-08

浙 江 農 林 大 學 學 報，2015，32（1）：84-91

Journal of Zhejiang A＆F University

10.11833/j.issn.2095-0756.2015.01.012

2014-04-29；

2014-08-22

“十二五”國家科技支撐計劃資助項目（2012BAD22B0505）；湖南省教育廳資助項目（12C0440）

曹小玉，講師，博士研究生，從事森林經理等研究。E-mail:cxy7723@aliyun.com。通信作者：李際平，教授，博士生導師，從事森林經理等研究。E-mail:lijiping@vip.163.com