烏溪江源頭水源涵養(yǎng)林空間結(jié)構(gòu)二元分布特征

夏春平，季新良，彭 輝，周紅敏，廖北云，季如春

(1.浙江省龍泉市林業(yè)局，浙江 龍泉 323700； 2.浙江鳳陽山自然保護(hù)區(qū)管理處，浙江 龍泉 323700； 3.浙江省龍泉市林業(yè)科學(xué)研究院，浙江 龍泉 323700)

森林水源涵養(yǎng)功能作為森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)的一個(gè)重要方面，在攔蓄降水、改善水環(huán)境、調(diào)節(jié)地表徑流及水分再分配等方面具有關(guān)鍵作用[1]。近年來，人們對(duì)森林的水源涵養(yǎng)功能越來越重視，水源涵養(yǎng)林林分空間結(jié)構(gòu)功能的提升，有利于森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和水資源狀況的改善[2]。孟楚等[3]對(duì)北京市八達(dá)嶺林場水源涵養(yǎng)林空間結(jié)構(gòu)特征研究結(jié)果表明，處于高混交狀態(tài)且處于隨機(jī)分布的林分具有較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢，有利于水源涵養(yǎng)林生態(tài)功能的提升。我國大量的天然次生林分布在亞熱帶地區(qū)，目前對(duì)該區(qū)域天然常綠闊葉林的成熟林空間格局及關(guān)聯(lián)性研究較多[4]，而對(duì)常綠闊葉次生林，特別是小流域源頭水源涵養(yǎng)林空間結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少。廖北云等[5]對(duì)烏溪江源頭天然次生闊葉混交林的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，但僅是研究空間結(jié)構(gòu)一元分布特征。林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布能夠同時(shí)提供樹種間隔離程度、分布格局及相互間的擠壓狀況等綜合的生境信息，而這些信息常作為被伐木選擇的基礎(chǔ)[6-7]。因此，本研究以烏溪江源頭水源涵養(yǎng)林為研究對(duì)象，應(yīng)用描述林分空間結(jié)構(gòu)的角尺度、混交度和大小比數(shù)3個(gè)林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的二元分布特征[8]，立足優(yōu)化水源涵養(yǎng)林空間結(jié)構(gòu)的角度分析烏溪江源頭次生林林分空間結(jié)構(gòu)特征，繼而為浙西南區(qū)域的小流域水源涵養(yǎng)林林分空間結(jié)構(gòu)和功能的研究提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省西南部浙閩贛交界的龍泉市住龍鎮(zhèn)，該區(qū)是烏溪江源頭之一，屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)(118°43′—119°26′E、27°42′—28°21′N) ，年降水量1645 mm，年均氣溫17.7 ℃。試驗(yàn)林分在20世紀(jì)八九十年代初被人為采伐破壞，之后一直進(jìn)行封育管理。2020年，在全面調(diào)查的基礎(chǔ)上，選擇住龍鎮(zhèn)西井村的生態(tài)公益林作為樣地(面積為3200 m2)。該樣地中現(xiàn)有植物25科42屬50種，主要優(yōu)勢樹種是杉科(Taxodiaceae)的杉木(Cunninghamialanceolata)，其次是殼斗科(Fagaceae)的青岡(Cyclobalanopsisglauca)、冬青科(Aquifoliaceae)的冬青(Ilexchinensis)。林分中還分布有馬銀花(Rhododendronovatum)、檵木(Loropetalumchinense)、薯豆(Elaeocarpusjaponicus)、木荷(Schimasuperba)、甜櫧(Castanopsiseyrei)、馬尾松(Pinusmassoniana)等樹種。林下植被以蕨類為主，土壤為紅壤。樣地基本情況見表1。

表1 樣地基本情況

2 研究方法

2020年3月，對(duì)樣地內(nèi)胸徑(DBH)≥5 cm的喬木樹種進(jìn)行每木檢尺，記錄其胸徑、樹種、坐標(biāo)等。采用空間結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布[9]分析林分的空間結(jié)構(gòu)，主要由角尺度(uniform angle index，W)、混交度(mingling degree，M)、大小比數(shù)(dominance，U)組成[10]。3個(gè)參數(shù)均在結(jié)構(gòu)上有相互獨(dú)立且相同的劃分[11]都有5種取值可能，0.00、0.25、0.50、0.75、1.00，可形成M-U、M-W、U-W的3種兩兩組合進(jìn)行分析。不同的頻率值為林分中處于某一分布狀態(tài)的林木所占比值，通過空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的二元分布可以更好地認(rèn)識(shí)林分空間結(jié)構(gòu)的微觀特征，具體計(jì)算過程可詳見文獻(xiàn)[12]。為了避免邊緣效應(yīng)對(duì)分析結(jié)果的影響，緩沖區(qū)設(shè)置為5 m。采用Winkelmass 1.0處理數(shù)據(jù)，并用Excel 2016作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 水源涵養(yǎng)林林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布

3.1.1 林分的M-U的二元分布 由圖1a可知，在不同大小比數(shù)等級(jí)上的混交度組合頻率的和差異較小(0.178～0.215之間)。隨著混交度從0.00～1.00等級(jí)的升高，大小比數(shù)呈現(xiàn)為先增大后減小，呈正態(tài)分布。混交度和大小比數(shù)結(jié)構(gòu)組合中86%的林木分布在中高混交等級(jí)M=0.50～1.00時(shí)，在M=1.00時(shí)，M-U的頻率組合值最高為44.4%，即林分中處于極強(qiáng)度混交狀態(tài)的林木株樹最多。混交等級(jí)M=0.00～0.25時(shí)，各大小比數(shù)的林木個(gè)體數(shù)量差別不大且較少，說明林分中林木的大小比數(shù)分布較均勻。

3.1.2 林分的M-W的二元分布 從圖1b可以看出，隨著混交度M的升高，角尺度W頻率值增大。在同一等級(jí)的角尺度上，頻率值隨著混交度等級(jí)的增加而增大。在W=0.50時(shí)M頻率值之和最大，為60%；表明林分內(nèi)處于隨機(jī)分布的林木比例為2/3。在很均勻狀態(tài)的林木比例為0，表明在很均勻狀態(tài)無林木個(gè)體存在。很不均勻狀態(tài)的林木比例為10%，說明在有1/10的林木處于很不均勻分布。在混交度為1.00和角尺度為0.50的組合上林木比例為26.8%，極強(qiáng)混交和隨機(jī)狀態(tài)的林木個(gè)體數(shù)量最多。

3.1.3 林分的U-W的二元分布 從圖1c的角尺度-大小比數(shù)組合上可以看出，大小比數(shù)在同一角尺度等級(jí)上的頻率值相近，整體趨勢為先減小后增大。在U=0.75時(shí)，總頻率值最低，為17.86%，即林分中處于劣勢的林木相對(duì)較少；林分中處于優(yōu)勢和絕對(duì)優(yōu)勢(U=0.25～0.00)的林木株樹最多，頻率值達(dá)42%；處于中庸?fàn)顟B(tài)(U=0.50)的林木株樹較少，頻率值為19.4%。各等級(jí)大小比數(shù)頻率值均為在隨機(jī)分布狀態(tài)(W=0.50)時(shí)最高，頻率值大小為0.09～0.132，在該等級(jí)的頻率和為60%，說明在林木個(gè)體分布格局多為隨機(jī)分布。在W=0.00時(shí)，大小比數(shù)各個(gè)級(jí)別上無林木個(gè)體分布。

圖1 林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布

3.2 優(yōu)勢樹種杉木的空間結(jié)構(gòu)二元分布

通過對(duì)樣地樹種優(yōu)勢度的分析表明，在該林分中杉木為優(yōu)勢樹種。林分中優(yōu)勢樹種杉木種群的二元分布圖見圖2，由圖2a可知，各等級(jí)大小比數(shù)均表現(xiàn)為在相同混交等級(jí)上頻率值存在顯著差異。以中度混交軸(M=0.50)為界，在低混交等級(jí)軸上(M=0.00～0.25)，無林分分布；在高混交等級(jí)上(M=0.50～1.00)，分布所有林木個(gè)體；最大頻率出現(xiàn)在M=1.0上。說明杉木種群主要分布在高度混交條件下。從圖2b可知，在M-W組合中，林木主要分布在高度混交和隨機(jī)分布狀態(tài)，在(M=0.75～1.00)混交等級(jí)上，角尺度的頻率均表現(xiàn)為先增大后減小。圖2c中，在同大小比數(shù)等級(jí)上，角尺度頻率值均表現(xiàn)為先升后降，在隨機(jī)分布狀態(tài)(W=0.50)時(shí)，大小比數(shù)的頻率值最大，雖個(gè)別組合有林木缺失，但整體分布均為正態(tài)分布。表明同一大小比數(shù)等級(jí)上的林木個(gè)體大多屬于隨機(jī)分布，較少林木處于其它分布格局。

圖2 杉木種群的結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

自我國天然林資源保護(hù)工程正式實(shí)施以來，江河源頭及小流域源頭的天然次生林得到有效保護(hù)，生態(tài)功能得以持續(xù)發(fā)揮，但目前在水源涵養(yǎng)林時(shí)空變化與水源涵養(yǎng)效果的關(guān)系及近自然經(jīng)營技術(shù)等方面的研究報(bào)道還較少[13]。趙陽等[14-15]對(duì)北京山區(qū)栓皮櫟和北京西山側(cè)柏水源涵養(yǎng)林進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)特征研究表明，只有增加林分物種多樣性才能使群落的穩(wěn)定性提升，進(jìn)而提升林分的水源涵養(yǎng)功能。二元分布克服了結(jié)構(gòu)參數(shù)均值或單一分布在描述林分空間結(jié)構(gòu)的局限性，更有效、更精準(zhǔn)、更全方位地研究林分空間結(jié)構(gòu)特征，提供不同空間結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的林木生長環(huán)境信息[16]。本研究應(yīng)用描述林分空間結(jié)構(gòu)的大小比數(shù)、混交度、角尺度3個(gè)林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的二元分布特征深入探討烏溪江源頭水源涵養(yǎng)林典型林分空間結(jié)構(gòu)的微觀特征，可為烏溪江流域乃至浙西南地區(qū)小流域源頭的水源涵養(yǎng)林林分空間結(jié)構(gòu)和功能的研究提供參考。目前張崗崗等[17]基于交叉列聯(lián)表對(duì)角尺度、混交度、大小比數(shù)、密集度(Crowding，C)等4個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，該研究包括了全部較低維分布所包含的結(jié)構(gòu)信息，且以625倍精細(xì)程度細(xì)化了三元、二元、一元、零元 4個(gè)分布狀態(tài)，為全面了解森林空間結(jié)構(gòu)及森林空間結(jié)構(gòu)可視化經(jīng)營提供理論依據(jù)。因此，今后可以在烏溪江小流域源頭設(shè)置固定大樣地，對(duì)水土保持功能等進(jìn)行長期監(jiān)測，對(duì)其林分的空間結(jié)構(gòu)四元分布等特征進(jìn)行進(jìn)一步分析研究。

4.2 結(jié)論

由烏溪江源頭水源涵養(yǎng)林的林木個(gè)體空間結(jié)構(gòu)二元分布可知，經(jīng)過多年封育形成的天然次生混交林的整體林分混交度較高，林分中處于極強(qiáng)度混交的林木個(gè)體數(shù)量最多，林分中林木的大小比數(shù)分布較均勻。林分中有一半以上的林木個(gè)體屬于隨機(jī)分布，少量林木處于很均勻分布和團(tuán)狀分布。林分中處于優(yōu)勢和絕對(duì)優(yōu)勢的林木個(gè)體總頻率最高。其中杉木作為主要優(yōu)勢樹種之一，種群個(gè)體多處在高度混交狀態(tài)，處于隨機(jī)分布的個(gè)體較多，多數(shù)個(gè)體在林分中處于優(yōu)勢狀態(tài)。該林分生物多樣性高，林分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，林分水源涵養(yǎng)功能得到較好發(fā)揮，這些信息的獲取無論是對(duì)于水源涵養(yǎng)林功能發(fā)揮還是對(duì)天然次生林可持續(xù)經(jīng)營均具有重要意義。