不同杉木林類型林地現存凋落物空間分布特征及其取樣策略

陳夢瑤 林開敏 許諾 吳培培 趙長存 石麗娜

摘 要 通過統計學和ArcGIS技術等研究方法，以老齡林（在一代杉木人工林基礎上以延長杉木輪伐期，并實施保護和促進天然更新為主要技術而形成的）、萌芽林（老齡林采伐后，以實施天然更新和杉木萌芽更新為主要造林技術而形成的撂荒天然更新林）、93人工林（老齡林采伐后，于1993年按照不煉山造林的栽杉模式而形成的二代杉木人工林）3個不同杉木林類型作為研究對象，深入地探討不同杉木林類型林地現存凋落物的空間分布特征，并計算得出不同杉木林類型為滿足精度要求所需的最少樣本數。結果表明：不同杉木林系統凋落物現存量和變異系數存在著明顯差異，均表現為萌芽林>老齡林>93人工林。不同杉木林類型林地現存凋落物量空間分布狀況有較大的區別，存在明顯的空間異質性。當精度為90%時，老齡林、萌芽林、93人工林所需的最少樣方數量分別為48、72和42個；且在相同精度下，不同杉木林類型林地所需的最少樣方數量基本上表現出93人工林<老齡林<萌芽林。這為不同杉木林類型林地研究中取樣策略的選擇和優化提供一定的參考。

關鍵詞 杉木林；現存凋落物；空間分布；取樣樣方數量

中圖分類號 S791.27 文獻標識碼 A

Abstract Statistics and ArcGIS technology research methods were used to study the space distribution of Chinese fir forest litter and to calculate the minimum number samples which required to meet the accuracy of different types of Chinese fir for old forest（74-year）， sprout forest（21-year）， 93 Plantation（23-year， restablished in 1993）Results showed the litter biomass and variation coefficient of different Chinese fir had a clear difference with an order sprout forest>old forest>93 Plantation. The space distribution of forest litter of different types of Chinese fir forest had great difference and obvious spatial heterogeneity. When the accuracy was 90%， the old forest， sprout forest and 93 Plantation required plots at minimum was 48， 72 and 42， respectively. And at the same precision， the minimum number of samples required in the different types was in the order 93 PlantationKey words Chinese fir forest； litter biomass； spatial distribution； sampling number

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.04.008

森林凋落物是研究森林生態系統生物量、養分循環和能量轉化的一個重要指標[1-3]。凋落物能夠調節氮、磷、鉀等養分元素在土壤和森林生態系統中循環，并對森林的演替發揮著不可忽視的作用[4-6]。為了對凋落物在森林生態系統中的作用和功能進行更加深入的研究，就必須準確測定林地現存凋落物生物量，而要測定林地現存凋落物生物量最關鍵的問題就是如何根據所要達到的凋落物的精度要求來確定最佳的取樣樣方面積和樣方數量。目前，關于森林林地現存凋落物量的研究較多，而且測定林地現存凋落物量一般籠統采用隨機[7-9]或機械布點[10-11]（如S形路線或梅花型）設置一定數量（一般5～10個）的樣方法來進行。但目前研究的森林植被類型較多，由于受到自然因素和人為經營措施等多種因素的影響，不同森林生態系統的結構差異較大[12-13]，導致林地現存凋落物生物量的空間異質性也存在較大差異，因此對于不同森林類型均籠統采用傳統的設置相同數量的樣方法來測定就難以獲得較為準確的數據，從而影響著森林生態系統生物量、養分循環和能量轉化等研究的準確估算。國內外一些學者對地面現存凋落物生物量的空間分布及其取樣技術和方案的研究主要集中在草地和灌木群落[14-17]，但對森林群落的取樣技術研究相對較少。本研究試圖對不同杉木林生態系統現存凋落物生物量的空間分布特征及其異質性進行比較探討，最后得出測定不同杉木林生態系統現存凋落物生物量時滿足不同精度需求的最少樣方數量，為準確測定森林生態系統的林地現存凋落物生物量提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究地的自然概況

本研究試驗樣地設置在福建農林大學西芹教學林場花竹溝（東經118°10′，北緯26°40′）。該林場位于福建省南平市延平區，土壤為土層較厚的黃紅壤，屬于杉木的中心產區。西芹教學林場屬于武夷山脈東伸支脈的中低山地，海拔較低，處于200～500 m之間，坡度一般在25°左右，也有少部分在35°以上。該林場屬于中亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為19.4 ℃，極端氣溫最高時為41 ℃，最低時為-5.8 ℃；年平均降雨量為1 817 mm，且多集中在5、6月；極少下雪，全年無霜期為302 d；年均日照時數為1 709.8 h，日照時間較長；年平均風速為1.1 m/s。該地獨有的氣候條件使其森林茂密，植物種類繁多[18]。

在一代杉木人工林基礎上，通過延長杉木輪伐期，并實施保護和促進天然更新為主要技術而形成的被定義為杉木老齡林（簡稱老齡林）；二代杉木萌芽天然更新林（簡稱萌芽林）是在一代杉木人工林（即老齡林）采伐后，通過天然更新和杉木萌芽更新而形成的撂荒天然更新林；1993年二代杉木人工林（簡稱93人工林）是在一代杉木人工林（即老齡林）采伐后，于1993年按照不煉山造林的栽杉模式而形成的二代杉木人工林[18]，樣地的具體情況見表1。

1.2 樣地設置與調查方法

在老齡林、萌芽林和93人工林3個不同杉木林生態系統的代表性地段分別設置面積為100 m2（10 m×10 m）的樣地，將每個樣地細分為100個1 m2（1 m×1 m）的小樣方，將每個小樣方作為收集林地現存凋落物的基本調查和測量的單元，之后將所有收集的未分解和半分解的凋落物裝袋帶回實驗室，進行凋落物含水量的測定，通過凋落物含水量的測定來求算出凋落物干重。

為了深入了解不同杉木林生態系統林地現存凋落物的重量分布情況，把各系統林地現存凋落物的樣方測定數據進行分組統計，分組方法為：以100 g為一組距，共設置了11組別，分別是0～100、100～200、200～300、300～400、400～500、500～600、600～700、700～800、800～900、900～1 000、>1 000 g。

1.3 數據處理

3個不同杉木林生態系統林地現存凋落物量的空間異質性采用的是地統計學研究方法進行分析，用SPSS16進行單因素方差分析，Office2010作圖。

因本試驗樣方數量為100個，屬于大樣方，根據數理統計參數估計的原則，為了測定林地現存凋落物量滿足不同精度要求所需要最小的取樣樣方數量。應使用如下的公式[19]：

根據公式，計算出當樣方面積為1 m2時，測定林地現存凋落物量滿足不同精度要求而需要設置的最少樣方數目。

2 結果與分析

2.1 林地現存凋落物的重量分布特征

由表2可知，3個杉木林類型林地凋落物現存量（干重）存在著較為明顯的差異。其中萌芽林最大，達610.79 g/m2；其次是老齡林，為558.19 g/m2；最小的是93人工林，為254.56 g/m2。

此外，3個杉木林類型凋落物（干重）的變異系數位于38.55%～50.7%之間，不同杉木林類型不同樣方間凋落物現存量也存在著較大差異，這表明3個杉木林類型林地現存凋落物量存在著一定程度的空間變異性。老齡林、萌芽林、93人工林凋落物現存量的變異系數也有明顯差異，表現為93人工林（38.55%）<老齡林（41.37%）<萌芽林（50.7%）。

由圖1可知，老齡林各樣方的林地現存凋落物量主要集中在300～400 g和500～600 g，其中林地現存凋落物量在300～400 g和500～600 g的樣方數占老齡林樣方數的18%。萌芽林各樣方的林地現存凋落物量主要集中在600～700 g，林地現存凋落物量在600～700 g的樣方數占萌芽林樣方數的20%。93人工林各樣方的林地現存凋落物量主要集中在200～300 g，林地現存凋落物量在200～300 g的樣方數占93人工林樣方數的20%。由此得知，不同杉木林類型各樣方的林地現存凋落物的重量分布存在較大的差異。

2.2 林地現存凋落物量的空間分布特征

樹木的數量、凋落量的多少及凋落物分解快慢等因素會對林地現存凋落物量的空間分布狀況產生影響。由圖2可知，3個杉木林類型林地現存凋落物量的空間異質性存在明顯差異，不同杉木林類型林地現存凋落物量的空間分布狀況也相差較大。老齡林凋落物干重多集中在454～546 g，凋落物現存量由南到北逐漸減小，呈規則條帶和斑塊狀分布；萌芽林凋落物干重多數在389～645 g，凋落物現存量西南部量較小，東北部量較大，以WN-ES為分界線分布；93人工林干重主要集中在176～255 g之間，凋落物現存量大致呈現出由東北向西南逐漸增大的分布特征。

2.3 林地現存凋落物量測定的取樣樣方數量確定

森林生態系統研究中的一個重要方面是林地現存凋落物量的測定，不同研究所要求的林地現存凋落物量的測定精度是不同的。因此，為了減少和控制研究森林生態系統林地現存凋落量的誤差，有必要對林地現存凋落物測定中的精度問題進行更加深入的探討，確定不同精度要求下林地現存凋落物量測定的取樣樣方數量，以滿足不同研究目的的需要。

從表3可看出，當樣方面積為1 m2且精度為80%時，老齡林、萌芽林、93人工林所需的最少樣方數量分別為8、12和7個；當樣方面積為1 m2且精度為90%時，3個不同杉木林類型所需的最少樣方數量分別為48、72和42個。在相同精度的情況下，不同杉木林類型所需的最少樣方數量有所不同，基本表現出萌芽林所需的樣方數量最多，老齡林所需的最少樣方數量介于萌芽林和93人工林之間，93人工林所需的樣方數量最少。其原因可能和杉木與闊葉樹水平空間分布均勻程度有關。93人工林由于是人工種植，林木個體呈現較均勻分布、凋落物空間分布均勻，凋落物空間異質性低，所以所需的最小樣方數目最少。萌芽林由于主要依靠天然更新，林木個體呈現聚集分布或者隨機分布格局，凋落物空間分布不均勻，所以所需的最小樣方數目最多。在老齡林中杉木是人工種植的，杉木凋落葉空間分布均勻，然而老齡林中闊葉樹種是天然更新的，呈現聚集分布或者隨機分布格局。因此，在相同精度下，不同杉木林類型林地所需的最少樣方數量基本上表現出萌芽林>老齡林>93人工林。

根據表3可得出與肖瑜[19]在樣方面積和數量對測定次生林凋落物精度影響中類似的結論，即隨著精度的增加，不同杉木林類型所需的最少樣方數量均呈現增加的趨勢。3個杉木林類型基本上都是在精度小于85%時，所需要的最少樣方數量增長的速度較為緩慢；在精度為90%以上時，所需要的最少樣方數量劇烈增加。但不同杉木林類型的增加幅度則有所不同，萌芽林所需要的最少樣方數量增加的最快，其次是老齡林，最少樣方數量增加速度最慢的是93人工林。由于人工林現存凋落物變異系數小，林地現存凋落物空間異質性低，因此，隨著精度的提高，其所需的樣方增加速度較慢。

3 討論

在不同杉木林中，林地現存凋落物量存在著較大的差異，表現為萌芽林（610.79 g/m2）>老齡林（558.19 g/m2）>93人工林（254.56 g/m2）。不同杉木林類型中，林地現存凋落物的重量分布也存在著較大的差異。老齡林的林地現存凋落物量主要集中在300～400 g和500～600 g，93人工林的林地現存凋落物量主要集中在200～300 g，而萌芽林的林地現存凋落物量在600～700 g中占多數。

不同杉木林類型林地現存凋落物量均存在著明顯的空間變異性，林地現存凋落物量的空間分布狀況相差較大。老齡林凋落物現存量呈規則條帶和斑塊狀分布，并由南到北逐漸減小；萌芽林凋落物現存量以WN-ES為分界線分布，其中西南部量較小，東北部量較大；93人工林凋落物現存量大致呈現出由東北向西南逐漸增大的分布特征。

在野外調查中所采用的取樣策略、樣方面積和樣方數量會對最終的分析結果產生很大的影響[20]。管東生[15]在對香港草地和芒萁群落生物量進行研究時，運用Wiegert[21]的方法并結合考慮邊界效應的影響，認為1 m×1 m為最優樣方。管東生[15]在研究中設置了5個樣方，但只能控制標準誤差為生物量平均值的20%以內。通過本研究可知，要想使林地現存凋落物量的精度達到90%以上，3個不同杉木林生態系統所需的最少樣方數量分別為48、72和42個。而過去所采用S形路線或梅花型設置5～10個的樣方來獲得林地現存凋落物量只能達到75%～80%的精度。因此，為了使最終的研究結果更加準確，建議增加調查的樣方數量。

空間異質性是森林生態系統的一個重要特征。本研究結果表明不同杉木林生態系統的空間異質性存在較大差異，因此為了較為準確地測定不同杉木林生態系統的林地現存凋落物量，所設置的樣方數量必須要有所差異。但目前大多數研究林地現存凋落物所設置的樣方數量卻無太大差異，如鄭路等[22]在對克拉瑪依不同配置模式防護綠地凋落物現存量及養分貯量的研究中，根據植物配置類型及混交方式選擇14個典型樣地，分別在每個樣地中隨機選取6個小樣方進行凋落物現存量取樣。因此，根據本研究建議不同杉木林類型最好要設置不同的取樣樣方數量，這樣才能提高林地現存凋落物量的測定精度。

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