湖北省九華山林場不同樹種配置杉闊混交林林分空間結構特征分析

李語晨,程金花,*,李明峰,王 宇

1 北京林業大學水土保持學院,北京 100083 2 國家林業局水土保持與荒漠化防治重點實驗室,北京 100083

隨著人類對環境與發展問題的認識不斷加深,人類逐漸意識到森林不僅僅可以提供木材,還能保持整個生態系統平衡穩定并維持生物多樣性,森林是人們在保護環境和尋求發展間的一個紐帶[1]。進入21世紀后,森林經營理念逐漸轉變為可持續發展,森林經營的目標是增加生物多樣性,培育健康穩定的近自然森林,進而做到可持續經營[2]。林分空間結構作為森林林分功能的基礎,在很大程度上決定森林林分的穩定性、發展的可能性和經營空間的大小,只有充分考慮林分空間結構的影響,才能做到維持并增加森林的生物多樣性、提升森林經營空間[3]。隨著森林可持續經營對精確信息的需求增加,林分空間結構已成為森林研究中重要的一個部分,對林分空間結構的研究愈顯重要[4- 7]。近年來,對不同林分的空間結構的研究明顯增加,關于林分空間結構的研究日益完善,其中混交度、大小比數、角尺度三個參數經常用于描述和研究林分空間結構特征,有較好的參考和運用價值[8- 13]。胡艷波等對吉林蛟河天然紅松落葉林的空間結構進行了分析[14];周超凡等基于林分空間結構指數對陜西省黃龍山不同森林群落進行了穩定性評價[15];倪寶龍等分析了盤古林場天然落葉松林的空間結構[16];李燕等分析了嶺南林場混交林林分空間結構的特征[17],這些研究大多集中在北方地區以及天然林的林分空間結構,對南方杉木和闊葉林混交林空間結構的研究較少。本研究基于不同杉闊混交林的樹種配置,使用混交度、大小比數和角尺度3種參數對湖北省九華山林場的杉闊混交林林分空間結構特征進行全面的描述與分析,旨在調整森林結構、構建健康的近自然森林,以期為九華山林場地區制定合理的擇伐經營管理措施和技術措施進行科學有效的建議和指導,進一步為南方地區杉闊混交林的林分空間結構優化、森林生物多樣性的提高、森林經營的可持續發展提供科學依據。

1 試驗地概況

試驗地位于湖北省十堰市竹山縣九華山林場文家山,境內最高海拔為1311m,最低處為600m,其中總面積的93%分布在海拔800—1200m之間。屬副亞熱帶季風大陸性氣候,屬北溫帶,年平均氣溫10.1—14.0℃,年降水量1064—1375mm,適合各種樹木生長。九華山林場土壤屬黃棕壤土類、山地黃棕壤亞類、泥質巖山地黃棕壤上屬。試驗林林地分布在海拔976—1070m的山坡上,32°2′58″—32°3′50″N,110°10′24″—110°10′32″E。地面坡度22°—32,林齡均為35年,郁閉度均大于0.7。樹種配置Ⅰ為80%杉木(Cunninghamialanceolata(Lamb.)Hook.)、20%闊葉樹;樹種配置Ⅱ為30%杉木、70%闊葉樹;樹種配置Ⅲ為30%杉木、10%馬尾松(Pinusmassoniana)、60%闊葉樹。在查閱資料以及全面踏查的基礎上,每個樹種配置的林分分別選擇3塊具有典型性和代表性的標準地,于2018年4月進行調查。標準地的規格為20m×20m,并在每個標準地內拉取平行于標準地界線的玻璃繩,將標準地分割為16個5m×5m的小樣方。記錄每個標準地的坐標、海拔、坡度、坡向、坡位,測量郁閉度,將標準地內胸徑大于5cm的所有樹木編號、掛牌,并進行每木檢尺,測量胸徑、樹高、冠幅、枝下高、坐標等指標。經調查,喬木層的主要樹種有杉木、馬尾松、櫟類(QuercusL.)、光皮樺(Betulaluminifera)。所有標準地的主要林分特征如表1所示。

2 研究方法

2.1 不同樹種配置的群落物種結構

重要值(Important Value,IV)最初由Curtis等提出,可用于描述不同樹種配置中喬木層的物種結構,它能綜合反映某一植物種在該森林群落中作用和地位[18],通過樣地調查獲取喬木的株數、胸徑、樹高,獲取每個樹種的多度、頻度、優勢度,進一步計算相對多度(Dr)、相對頻度(Fr)和相對優勢度(Pr)以獲得重要值。重要值的計算公式如下：

IV=(Dr+Fr+Pr)/3

(1)

式中,Dr是相對多度,Dr=(某種植物的密度/全部植物的總密度)× 100%=(某種植物的個體數/全部植物的個體數)×100%;Fr為相對頻度,Fr=(該種的頻度/所有種的頻度總和)×100%;Pr為相對優勢度,Pr=(樣方中該種個體胸面積和/樣方中全部個體胸面積總和)×100%。

表1 各樣地的主要林分特征

2.2 不同樹種配置的林分空間結構

為全面描述并分析九華山林場三種樹種配置內單個林木和整個林分的林木空間分布格局、林木大小分化程度(生長優勢狀態)以及樹種的空間隔離程度,本文采用被廣泛運用的角尺度、大小比數、混交度三個空間結構指標來描述不同樹種配置的林分空間結構。林分內任一單株木和離它最近n株相鄰木構成了林分空間結構單元。空間結構單元核心的樹被稱為參照樹。n的取值決定了該空間結構單元組成結構框架的大小,惠剛盈等認為n=4更能恰當分析林分空間結構[19]。本文中取n=4,即以參照樹和其周圍的4株相鄰木為林分空間結構單元,計算標準樣地內每個林木個體的混交度、大小比數和角尺度。同時,在樣地四周設置5m緩沖區,以防止邊緣效應對林分結構產生影響。

2.2.1角尺度

角尺度對應的空間結構是林木個體空間分布格局特征,用于描述參考樹周圍的相鄰樹木分布的均勻性,以及水平地面上林木個體的分布形式。角尺度是在參照樹周圍,2個最近相鄰木的夾角小于標準角的個數占n個相鄰木中最近相鄰木的夾角總數的比例[20]。本文中,標準角取最優標準角的值,為72°[19]。角尺度被定義為α角小于標準角α0的個數占所考察的n個夾角的比例,角尺度的表達式為[21]:

(2)

(3)

Wi的取值可能為0.00、0.25、0.50、0.75、1.00,表示絕對均勻、均勻、隨機、不均勻、團狀分布,其中隨機分布是較為理想的空間分布格局特征,但在現實中天然林多聚集分布,并隨著群落演替逐漸轉為隨機分布,而人工林多為均勻分布[22]。W的取值在0—1之間,惠剛盈等認為,當W<0.457時為均勻分布,當0．457≤W≤0．517時為隨機分布,當W>0．517時,為聚集分布[21],本研究以此作為林分林木分布的判定標準。

2.2.2大小比數

大小比數用來描述林分中樹木個體大小的分化程度以及林木間的優勢程度,是在參照樹周圍的n棵最近相鄰木中,胸徑大于所選參照樹棵數的所占比例。其表達式為[21]:

(4)

(5)

2.2.3混交度

混交度的概念是Gadow等(1992)提出的[23]。定義是為參照樹i的n株相鄰木中,與參照樹樹種不同的個體所占的比例,用于描述樹種的空間隔離程度。用公式表示為[21]：

(6)

(7)

3 結果與分析

3.1 不同樹種配置的喬木層物種結構

不同樹種配置的杉闊混交人工防護林各樹種的重要值見表2。樹種配置Ⅰ的樹種較少,只有杉木和櫟類,由表2可以看出,樹種配置Ⅰ中杉木重要值為88.3,是絕對優勢樹種,而櫟類的重要值較小。樹種配置Ⅱ有杉木、櫟類、光皮樺三種,重要值分別為57.77、72.04、13.22,可看出樹種配置Ⅱ是以杉木與櫟類為優勢樹種。樹種配置Ⅲ的針葉樹有杉木、馬尾松,重要值分別為41.25、9.37,闊葉樹有光皮樺與櫟類,重要值分別為51.32和17.71,由此可見樹種配置Ⅲ的優勢樹種為杉木和光皮樺。

3.2 不同樹種配置的林分空間結構

3.2.1林木空間分布格局

用角尺度描述林木個體分布格局時,重點在于各樹木之間的位置關系,因此本研究只考慮整個樣地角尺度的取值,省去了分樹種統計的不必要工作[24]。不同樹種配置的角尺度參數分布見圖1。由圖1可知,三個樹種配置的Wi=0以及Wi=1的頻率均為0,而Wi=0.5的頻率均最高,說明三個樹種配置的林分都是隨機分布情況較多,且都不存在絕對均勻分布和團狀分布的情況。樹種配置Ⅰ中,Wi=0.25以及Wi=0.5的頻率均為0.44,說明存在較多的均勻分布和隨機分布;樹種配置Ⅱ中,Wi=0.5的頻率最高,為0.54,而Wi=0.25以及Wi=0.75的頻率較小,均為0.23,說明存在較多的隨機分布,均勻分布較少,不均勻分布的情況也不多;樹種配置Ⅲ中,Wi=0.5以及Wi=0.75的頻率較高,分別為0.52和0.39,說明存在較多的隨機分布和不均勻分布,Wi=0.25的頻率較小,表示存在少量的均勻分布。不同樹種配置的林分平均角尺度W見表3。惠剛盈等認為,當W<0.457時為均勻分布,當0．457≤W≤0．517時為隨機分布,當W>0．517時,為聚集分布[7]。若以此作為林分林木分布的判定標準,則樹種組成Ⅰ的平均角尺度W=0.418,林木空間分布格局為均勻分布;樹種組成Ⅱ的W=0.5,為隨機分布;而樹種組成Ⅲ的W=0.5769,為聚集分布。

表2 不同樹種配置的喬木層重要值

表3 不同樹種配置的空間結構參數平均值

圖1 不同樹種配置的角尺度參數頻率分布圖Fig.1 Distribution of angle index′s frequency of different tree species composition

3.2.2不同樹種配置的林木生長分化情況

林木生長大小的差異分化情況可以通過大小比數看出。不同樹種配置的林木大小比數頻率分布如圖2所示,平均值見表3所示。樹種配置Ⅰ和Ⅲ的大小比數頻率分布比較均勻,胸徑大小差異明顯。但樹種配置Ⅰ和Ⅱ的平均大小比平均大小比均接近0.3,整體處于亞優勢的生長狀態。Ⅰ和Ⅱ林分內整體處于優勢和亞優勢生長狀態的林木占比較大,分別為61%和73%,處于劣勢和極劣勢生長狀態的受壓林木較少,分別為11%和12%。樹種配置Ⅱ優勢生長林木個體占比雖然較大,但也存在一部分極劣勢生長狀態的林木,整體的生長情況不夠平均,分化過于明顯,樹種的穩定性較差。樹種配置Ⅲ的平均大小比數為0.5096,整體處于中庸的生長狀態,占比最大的是處于劣勢和極劣勢生長狀態的林木,總比例為35%。

各樹種配置中不同樹種的大小比數分布及其平均值見表4。在樹種配置Ⅰ中,杉木的優勢及亞優勢生長狀態的個體占杉木總體的58%,中庸生長狀態的林木占總數的29%,劣勢狀態占13%,林木個體大小分化較為明顯,受壓數量較少,杉木總體發育良好。櫟類的優勢及亞優勢生長狀態的個體占櫟類總體的比例非常高,達到了77%,其余22%均處于中庸狀態,無處于受壓狀態的林木。櫟類的株數比杉木少,且平均胸徑與杉木的平均胸徑相差較多,但并不影響樹種配置Ⅰ的總體林分結構。

樹種配置Ⅱ中,杉木、櫟類、光皮樺三個樹種的大小比數平均值分別為0.47、0.48、0.5,均處于中庸生長狀態。其中杉木的優勢及亞優勢生長狀態個體占杉木總體的66%,中庸狀態占比11%,極劣勢生長狀態占比22%。大小比數平均值為0.47,整體處于中庸生長狀態,但也存在一定比例的極劣勢狀態的林木,樹種的穩定性不是很好。櫟類的優勢及亞優勢狀態個體占櫟類總體的72%,其余的21%為中庸生長狀態,7%為極劣勢生長狀態,大小比數分布較為均勻。光皮樺的株數較少,分散生長在各樣地內,且胸徑均較大,所以100%處于生長亞優勢狀態。

表4 各樹種大小比數分布及其平均值

樹種配置Ⅲ中,杉木的優勢及亞優勢狀態樹種占了杉木總體的60%,有10%處于中庸狀態,30%處于劣勢狀態,可能是由于在構成單獨的樹木結構單元時,有胸徑較大的光皮樺和馬尾松生長于杉木周圍。光皮樺樹種大小比數平均值為0.39,整體生長狀態較為中庸,不存在處于優勢生長狀態和極劣勢生長狀態的林木,但處于中庸狀態和劣勢狀態的樹木均達到了38%。櫟類的大小比數平均值為0.5,整體生長狀況也較為中庸,但大小比數分布頻率非常不均勻,67%處于優勢生長狀態,33%處于極劣勢生長狀態,可見樹種配置Ⅲ中櫟類的穩定性較差,可能是由于部分胸徑較小的櫟類分散在樣地內胸徑較大的樹木旁邊,導致櫟類生長受壓。馬尾松大小比數平均值為0.66,整體生長狀態不占優勢,其中有50%處于優勢生長狀態,另外50%處于劣勢生長狀態。

圖2 不同樹種配置的大小比數參數頻率分布圖Fig.2 Distribution of neighborhood comparison′s frequency of different tree species composition

3.2.3不同樹種配置的樹種混交情況

不同樹種配置樣地的混交度頻率分布見圖3,平均值見表3。樹種配置Ⅰ的樹種較為單一,樣地內大多都是杉木,只有少數櫟類混交其間,從杉木的Mi=0.09處于弱度混交而櫟類的Mi=0.75處于極強度混交就能看出。零度混交和弱度混交的杉木占總杉木的81%,以零度混交為主。樹種配置Ⅱ和Ⅲ的混交度分布較均勻,沒有零度混交的情況,主要是弱度混交和中度混交,混交度平均值均在0.5左右,說明大多數的林木周圍只有1—2棵不同種的林木,樹種的混交程度較弱。

表5 各樹種混交度分布及其平均值

圖3 不同樹種配置的混交度參數Fig.3 Distribution of mingling degree′s frequency of different tree species composition

4 結論與討論

通過對三種不同樹種配置的9塊杉闊混交林樣地進行分析,發現優勢樹種主要有杉木、櫟類及光皮樺三種。三個樹種均存在優勢和劣勢生長的樹木,生長狀況總體較為平均。杉木的株數多,混交度弱,樹種分布較為聚集,樹種空間隔離程度較低;櫟類以及光皮樺的生長優勢稍弱于杉木,但處于中度混交和強度混交之間。另有少量馬尾松散生于林內,雖混交程度較強但株數相對也較少,生長優勢也較弱。

不同樹種配置所呈現的森林空間結構不盡相同。樹種配置Ⅰ(杉木+少量櫟類)的空間結構整體呈現均勻分布,生長優勢狀態為亞優勢,主要處于零度混交狀態,林木空間分布格局和生長優勢度均較好,但混交程度非常弱,對應的生物多樣性也會較小。樹種配置Ⅱ(杉木+櫟類+光皮樺)的空間分布格局整體呈現隨機分布;林木大多處于亞優勢生長狀態,混交度以中度混交和強度混交為主;而樹種配置Ⅲ(杉木+光皮樺+櫟類+馬尾松)的林木空間格局呈現聚集分布,生長優勢水平中庸,為中度混交。三種樹種配置的角尺度參數值Wi=0和Wi=1的情況均不存在,而Wi=0.5的頻率均最高,說明林木個體絕對均勻分布和團狀分布幾乎不存在,而是大多數呈現隨機分布情況,這與巫志龍等人對福建省建甌市墩陽林場杉闊混交林的角尺度分析結果一致[25]。三個樹種配置的大小比數頻率分布較為均勻,胸徑大小差異較明顯,值得一提的是,樹種配置Ⅲ中馬尾松的生長狀態不占優勢,這與巫志龍等對福建省建甌市墩陽林場杉闊混交林[25]和李燕等對嶺南林場混交林內馬尾松的大小比數及生長狀態[17]的研究結果不一致,馬尾松的胸徑較大,理論上應處于優勢生長狀態,但可能是由于在本研究中,樹種配置Ⅲ中馬尾松的數量很少,且又有部分馬尾松散生在胸徑更大的光皮樺周圍,所以導致馬尾松有50%處于劣勢生長狀態。

在森林的發展過程中,林分空間結構是一個重要的驅動因子,對森林的生長起到決定性作用[26]。任何試圖促進森林發展的干擾(如擇伐),主要表現為改變森林結構[27]。國家林業局倡導用近自然方式改造混交林,現代近自然森林經營理論也倡導通過建立空間結構與功能的基礎,進行合理的經營,尋求空間結構優化[13]。巫志龍等在綜合分析了福建杉闊混交人工林林分空間結構后,建議采取擇伐來調整林分結構[25],而李燕等在全面分析了嶺南林場混交林林分空間結構特征的基礎上,建議分樹種進行擇伐,并盡可能保留角尺度0.5的林木。Hanewinkel、Kint[28- 30]等人通過模擬空間結構指數,如聚集指數、分隔指數和混交度,結果表明,對林內的劣質的優勢或亞優勢木進行擇伐,有利于中等木生長和幼樹的更新并改善了林分空間結構,各樹種的混交度升高,分布格局有從聚集、均勻分布變為隨機分布的趨勢,樹木大小的多樣性得到了提高。董靈波等人以帽兒山樟子松人工林為研究對象,以角尺度、混交度、大小比為切入點,將空間機構優化方案于三維可視化模擬模型進行耦合,結果表明,模擬對林內樹木進行擇伐并提高樹種混交度,林分空間得到了明顯優化[31]。大量研究認為,擇伐是混交林經營的關鍵部分、也是調整林分空間結構的主要措施,因此在今后的混交林經營中,可采用近自然方式,以優化林木空間結構為目標,對九華山林場的杉闊混交林進行擇伐,盡量保留單株角尺度為0.5的樹木,使林木空間分布格局由聚集分布轉變為隨機分布,進一步達到均勻分布,并在此基礎上充分考慮樹種的混交、樹種配置措施、生長優勢狀況(胸徑大小),適當引入珍貴樹種及鄉土樹種,科學合理地提高杉闊混交林的物種多樣性、優化杉闊混交林的林分結構,調整不合理的林分空間結構,并使之趨于最優狀態,進一步控制森林空間結構維持在最優狀態,使杉闊混交林的多種功能得到可持續發揮,真正做到向近自然混交林狀態轉變。