趙陽(yáng),余新曉,宋思銘,張 藝,楊芝歌,王賀年,鄧文平

(水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,北京100083)

林分空間結(jié)構(gòu)與樹木在林內(nèi)的空間位置密切相關(guān)[1]。一方面,它不僅體現(xiàn)了樹木在林地上的分布格局及其屬性在空間上的排列方式,另一方面,它還決定了樹木的空間生態(tài)位以及樹木之間的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),在很大程度上影響著林分生長(zhǎng)、發(fā)育和穩(wěn)定性[2]。為此,林分空間結(jié)構(gòu)特征研究對(duì)森林經(jīng)營(yíng)技術(shù)研究、森林結(jié)構(gòu)與功能研究乃至森林健康評(píng)價(jià)都有著重要意義。森林結(jié)構(gòu)研究方法主要有三種,即:傳統(tǒng)森林經(jīng)理學(xué)方法、經(jīng)典植被生態(tài)學(xué)方法以及現(xiàn)代森林生態(tài)和森林經(jīng)理學(xué)方法[3]。與前兩種研究方法不同,現(xiàn)代森林生態(tài)和森林經(jīng)理學(xué)方法是以相鄰木關(guān)系為基礎(chǔ),在充分考慮點(diǎn)的空間位置前提之下,通過獲取種群數(shù)量分布的空間信息,來分析林木在空間結(jié)構(gòu)單元中的空間關(guān)系,較前兩種方法而言,現(xiàn)代森林生態(tài)學(xué)和森林經(jīng)理法分析所得的林分空間結(jié)構(gòu)可解析性更高。

栓皮櫟(Quercus variabilis),山毛櫸科,櫟屬植物,原產(chǎn)北非地中海沿岸,是我國(guó)重要的用材樹種,在我國(guó)分布極為廣泛。其作為北京低山地區(qū)森林組成的主要樹種之一,在水源涵養(yǎng)、水土保持以及凈化環(huán)境等方面發(fā)揮著不可替代的作用。幾十年來,受立地條件等因素的制約,栓皮櫟林生態(tài)系統(tǒng)呈現(xiàn)出系統(tǒng)穩(wěn)定性差,生態(tài)服務(wù)功能低下等問題。在以往對(duì)北京山區(qū)栓皮櫟水源涵養(yǎng)林結(jié)構(gòu)的研究主要集中在群落結(jié)構(gòu)、物種組成、物種多樣性等方面[4-6],鮮有對(duì)栓皮櫟林空間結(jié)構(gòu)特征的研究。本研究將采用現(xiàn)代森林生態(tài)學(xué)和森林經(jīng)理法,利用描述林分空間結(jié)構(gòu)的混交度、大小比數(shù)等參數(shù)并結(jié)合空間點(diǎn)格局分析法對(duì)西山林區(qū)栓皮櫟水源涵養(yǎng)林的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析研究,從優(yōu)化森林空間結(jié)構(gòu)的角度,分析和準(zhǔn)確表達(dá)栓皮櫟水源涵養(yǎng)林生態(tài)系統(tǒng)目前所存在的問題及其原因,旨在為北京地區(qū)栓皮櫟水源涵養(yǎng)林的近自然經(jīng)營(yíng)提供理論模式和技術(shù)支持,進(jìn)而全面提高水源涵養(yǎng)林的生態(tài)服務(wù)功能。

1 研究區(qū)概況

西山林區(qū)位于北京市西部山區(qū),東經(jīng)116°28′,北緯 39°34′,屬于太行山余脈,平均海拔 300.4 m,最高峰克勒峪峰海拔800 m,山腳線海拔100 m,坡度15°～45°。該區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候,冬寒夏熱,春季多風(fēng),平均風(fēng)速4.1 m/s,年平均氣溫為11.6℃,無霜期193 d,年平均日照2 662 h。年降水量630 mm,主要集中在夏季,其中6-8月的降雨量占全年降雨量的70%以上。本研究區(qū)地帶性土壤為山地褐色土,大部分為淋溶褐色土,土壤發(fā)育層次不明顯,含石礫較多,一般土層厚度40 cm左右。全林區(qū)內(nèi)植物種類豐富,自然生長(zhǎng)的喬木種類較少,多為20世紀(jì)50-60年代營(yíng)造的人工林。主要喬木樹種有:油松(Pinus tabulaef ormis)、側(cè)柏(Platycladus orientalis)、白皮松(Pines bungeana)、華北落葉松(Larix principisrupprechti)、栓皮櫟(Quercus variabilis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、元寶楓(Acer truncatum)、槲櫟(Quercus dentata)、遼東櫟(Quercus liaotungensis)、欒樹(Koelreuteria paniculata)、桑(Mores alba)等;主要灌木有:黃櫨(Cotinus coggygria)、荊條(Vitex negundo var.heterophylla)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、孩兒拳頭(Grewia biloba)、螞蚱腿子(Myripnois dioica)、紫穗槐((Amorp f ruticosa)等。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查

2010年8月在對(duì)西山水源涵養(yǎng)林區(qū)森林植被進(jìn)行全面踏查的基礎(chǔ)之上,根據(jù)林分特點(diǎn),按照選取具有代表性、原始性、典型性樣地的原則,采用典型選樣法,在西山林區(qū)栓皮櫟林內(nèi)設(shè)置了栓皮櫟林固定調(diào)查樣地1塊,樣地設(shè)在山地深處,地理位置較偏僻,樣地周圍沒有發(fā)現(xiàn)人為采伐痕跡,人類的輕度干擾并未對(duì)栓皮櫟林的空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響。樣地以栓皮櫟種群為優(yōu)勢(shì)種,樣地面積為120 m×120 m。用GPS進(jìn)行定位,測(cè)定樣地坡度、坡向、經(jīng)度、緯度、海拔等立地因子,并進(jìn)行植被群落學(xué)調(diào)查。經(jīng)測(cè)定:樣地海拔為401 m,坡向東偏南20°,坡度18°,立地條件較好,郁閉度為0.7,林齡為40 a。采用相鄰網(wǎng)格法,將樣地分成36個(gè)20 m×20 m的樣方網(wǎng)格,網(wǎng)格從左到右、從上到下依次放置。再以每個(gè)網(wǎng)格為調(diào)查單元,運(yùn)用地面三維激光掃描技術(shù)采用“多站式”掃描方法對(duì)樣地內(nèi)每個(gè)樣方網(wǎng)格進(jìn)行全景掃描,通過對(duì)掃描所得的各個(gè)網(wǎng)格的點(diǎn)云圖像進(jìn)行坐標(biāo)構(gòu)建、去噪、選取、拼接處理進(jìn)而得到整個(gè)樣地的三維立體點(diǎn)云模型,在該模型基礎(chǔ)之上,利用地面三維激光掃描儀所配備的數(shù)據(jù)處理軟件采用聚點(diǎn)法(clustering method)可對(duì)林分內(nèi)的喬木進(jìn)行樹高、胸徑、枝下高、胸高斷面積、冠幅、冠徑等參數(shù)信息的量測(cè)以及樹木的精確定位[7]。此外,參照整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地的全景立體式點(diǎn)云圖像以及掃描同步所拍攝的樣地照片可以辨別與參照樹最近的4株胸徑大于4 cm樹木的樹種、大小比數(shù)和混交度等空間結(jié)構(gòu)參數(shù)信息。與采用傳統(tǒng)方法獲取測(cè)樹因子人為工作量大、測(cè)算不準(zhǔn)確、給林業(yè)生產(chǎn)造成極大不便相比,地面三維激光掃描技術(shù)的應(yīng)用不論是在測(cè)樹效率還是在測(cè)量精度上都有了較大提高[8-13]。此外,鑒于林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)與樣地大小有關(guān),惠剛盈等研究認(rèn)為,當(dāng)樣地面積為0.25 hm2及以上時(shí)能夠較為真實(shí)地反映林木空間分布格局[14],本研究中的栓皮櫟林樣地面積為1.414 hm2,完全能夠滿足林分空間結(jié)構(gòu)分析的需要。

掃描樣地過程中,為了消除林分邊緣樹木對(duì)林分結(jié)構(gòu)的影響,樣地采用8鄰域樣地法進(jìn)行邊緣校正。所謂8鄰域樣地就是分別在原樣地的上、下、左、右、左上、左下、右上、右下 8個(gè)方向復(fù)制原樣地,形成由9個(gè)相同樣地組成的大樣地,再計(jì)算原樣地的林分混交度,以消除邊緣影響[15]。

2.2 林分空間結(jié)構(gòu)分析

以樣地掃描數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用空間結(jié)構(gòu)分析軟件Winkelmass 1.0對(duì)固定樣地的林分結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合分析,分別計(jì)算了栓皮櫟林林分內(nèi)的樹種混交度、大小比數(shù)等林分結(jié)構(gòu)參數(shù)。林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算如下[16]:

(1)樹種混交度(Mi)是指參照樹i的n株最近相鄰木中與參照樹不屬于同種的個(gè)體所占的比例,用公式表示為

式中:n——參照樹的總株數(shù),當(dāng)參照樹i與第j株相鄰木非同種時(shí),vij=1,否則vij=0。當(dāng)考慮參照樹周圍的4株相鄰木時(shí),Mi的取值有5種:0.00,0.25,0.50,0.75,1.00。當(dāng) Mi=0.00時(shí),參照樹 i周圍 4株最近相鄰木與參照樹均屬于同種;Mi=0.25表示參照樹i周圍4株最近相鄰木有1株與參照樹不屬于同種;Mi=0.50表示參照樹i周圍4株最近相鄰木有2株與參照樹不屬于同種;Mi=0.75表示參照樹i周圍4株最近相鄰木有3株與參照樹不屬于同種;Mi=1.00表示參照樹i周圍4株最近相鄰木與參照樹均不屬于同種。這5種取值對(duì)應(yīng)于混交度的描述為零度、弱度、中度、強(qiáng)度和極強(qiáng)度混交。

(2)林分大小比數(shù)定義為大于參照樹的相鄰木株數(shù)占所考查的全部最近相鄰木的比例。所謂的“大小”用胸徑、樹高和冠幅均可表示。用公式表示為

其中,如果相鄰木j比參照樹i小,kij=0;否則,kij=1。當(dāng)所觀察樹種的參照樹數(shù)量為 4時(shí),大小比數(shù)(Ui)有5種取值可能,即:0.00,0.25,0.50,0.75,1.00。Ui=0.00(相鄰木均比參照樹小);Ui=0.25(1株相鄰木比參照樹大);Ui=0.50(2株相鄰木比參照樹大);Ui=0.75(3株相鄰木比參照樹大);Ui=1.00(4株相鄰木比參照樹大)。對(duì)應(yīng)于參照樹在4個(gè)相鄰木中不同的優(yōu)勢(shì)程度,即優(yōu)勢(shì)、亞優(yōu)勢(shì)、中庸、劣態(tài)和絕對(duì)劣態(tài)。

在本研究的相關(guān)計(jì)算中,為能明顯地表達(dá)出混交度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的林學(xué)意義,選用n=4,即在參照樹周圍選用4株相鄰木組成一個(gè)結(jié)構(gòu)框架?；輨傆妊芯勘砻饔?株參照樹與其4株相鄰木所組成的結(jié)構(gòu)單元中,參照樹與4株最近相鄰木構(gòu)成的結(jié)構(gòu)關(guān)系有5 種 ,即零度 、弱度 、中度 、強(qiáng)度 、極強(qiáng)度,相比 n=3 或5在其類型劃分上僅有4種或6種(偶個(gè)數(shù)),缺乏中間過渡類型,不符合自然現(xiàn)象而言,n=4時(shí),過渡階段更加完整,生物學(xué)意義則更加明顯,空間結(jié)構(gòu)信息比較完整,且這種結(jié)構(gòu)單元的可釋性和可操作性都比較強(qiáng),較適宜于描述林分的空間結(jié)構(gòu)特征[17-19]。

2.3 點(diǎn)格局分析

點(diǎn)格局分析統(tǒng)計(jì)學(xué)理論由B.D.Ripley首先提出[20],該方法可用于分析不同尺度的種群空間分布格局及其種間關(guān)系,因此,廣泛應(yīng)用至今。

該法所需數(shù)據(jù)來源于樹種個(gè)體在空間中的二維坐標(biāo),樹種的個(gè)體在空間中都可以看成是二維空間中的1個(gè)點(diǎn),因此,1個(gè)樣方中所研究的所有樹種都可用一系列點(diǎn)來表示,即樣方中所研究的植物個(gè)體構(gòu)成了空間分布的點(diǎn)圖,空間點(diǎn)格局分析便是在點(diǎn)圖基礎(chǔ)之上進(jìn)行的。同樣,群落內(nèi)不同種群和同一種群的分布格局分析均可應(yīng)用這一原理。

密度(λ)和協(xié)方差(k)是二維數(shù)集的一次和二次特征結(jié)構(gòu)。對(duì)于點(diǎn)格局,λ是單位面積內(nèi)的期望點(diǎn)數(shù),k是點(diǎn)間距離分布的測(cè)定指標(biāo),k隨著尺度的變化而變化[21]。證明該二次特征結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為1個(gè)函數(shù)方程K(r),公式為

式中:r——大于0的任何值;λ——單位面積上的點(diǎn)數(shù),可以用n/A來估計(jì);A——樣地面積;n——總點(diǎn)數(shù)(植物個(gè)體數(shù))。

在實(shí)際應(yīng)用中,用下式估計(jì)

式中:uij——2個(gè)點(diǎn)i和 j之間的距離,當(dāng) uij≤r時(shí),It(uij)=1,當(dāng) uij＞r時(shí),It(uij)=0;Wij— —以點(diǎn) i為圓心;uij——半徑的圓周長(zhǎng)在面積A中的比例,其為1個(gè)點(diǎn)可被觀察到的概率,可校正邊界效應(yīng)引起的誤差。用K(r)和隨機(jī)分布 k(r)相比構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量,用L(r)表示為

當(dāng) L(r)=0時(shí),表示隨機(jī)分布;當(dāng) L(r)＞0時(shí),為聚集分布;當(dāng)L(r)＜0時(shí),為均勻分布。

用Monte-Carlo擬合檢驗(yàn)計(jì)算上下包跡線,即置信區(qū)間。假定種群是隨機(jī)分布,則用隨機(jī)模型擬合一組點(diǎn)的坐標(biāo)值,對(duì)每一個(gè)r值,計(jì)算 L(r);同樣,用隨機(jī)模型再擬合新一組點(diǎn)坐標(biāo)值,分別計(jì)算不同尺度r的L(r),這一過程重復(fù)進(jìn)行,直到達(dá)到事先確定的次數(shù),L(r)的最大值和最小值分別為上下包跡線的坐標(biāo)值。用r作為橫坐標(biāo),上下包跡線作為縱坐標(biāo)繪圖,置信區(qū)間一目了然。用種群實(shí)際分布數(shù)據(jù)計(jì)算得到的不同尺度下的L(r)值。若在包跡線以內(nèi),則符合隨機(jī)分布;若在包跡線以外,則顯著偏離隨機(jī)分布,呈集群分布。當(dāng)種群表現(xiàn)為聚集分布時(shí),把偏離隨機(jī)置信區(qū)間最大值作為最大聚集強(qiáng)度指標(biāo),而聚集規(guī)模是以聚集強(qiáng)度為半徑的圓[22]。

種間關(guān)系分析的定義和計(jì)算原理與單種格局相近,k12(r)可以用下式估計(jì)。

式中:n1,n2——種1和種2的個(gè)體數(shù);i,j——種1和種2的個(gè)體,同樣計(jì)算L12(r):

當(dāng)L12(r)=0時(shí),表示兩個(gè)種在r尺度下無關(guān)聯(lián)性;當(dāng)L12(r)＞0時(shí),表示正關(guān)聯(lián);L12(r)＜0時(shí),表示負(fù)關(guān)聯(lián)。仍然用Monte-Carlo方法檢驗(yàn)擬合置信區(qū)間,以檢驗(yàn)2個(gè)種之間是否有顯著的關(guān)聯(lián)。本文中點(diǎn)格局分析過程是通過生態(tài)學(xué)R軟件和Excel軟件完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 栓皮櫟林樹種組成

栓皮櫟水源涵養(yǎng)林林分樹種組成概況見表1。從表1可以看出,在所調(diào)查的樣地內(nèi),喬木層共有16個(gè)樹種,林分密度約為1 415株/hm2,林分郁閉度為0.7。其中,栓皮櫟種群在該林分內(nèi)株數(shù)比例達(dá)67%,占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì),既是該群落的優(yōu)勢(shì)種,也是建群種;伴生樹種主要有元寶楓、油松、槲樹、構(gòu)樹等15個(gè)樹種,伴生樹種株數(shù)所占比例較小,除元寶楓外,其他伴生樹種株數(shù)比例均不足10%。其中,林分內(nèi)針葉樹株數(shù)比例為0.5%,闊葉樹為99.5%,栓皮櫟種群斷面積占林分總斷面積的77%,元寶楓的斷面積占林分總斷面積的8%,其它樹種的斷面積占林分總斷面積的比例均小于8%,說明該林分以闊葉樹種為主,針葉樹種為輔的栓皮櫟元寶楓混交林,林分樹種組成式為:8栓皮櫟1元寶楓1槲樹+油松+刺槐-構(gòu)樹-五角楓-桑樹-側(cè)柏-欒樹-枸樹-小葉樸-山楂-小葉椴-酸棗-山桃。從林分垂直結(jié)構(gòu)看,該林分可劃分為3個(gè)林層:小于5 m,5～8 m,大于8 m。其中,栓皮櫟種群的平均樹高處于最高層,在空間中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。綜合林分樹種各項(xiàng)指標(biāo)分析表明,栓皮櫟水源涵養(yǎng)林物種多樣性較豐富,整個(gè)林分內(nèi)以栓皮櫟種群個(gè)體分布范圍最廣,蓄積量最大,占據(jù)著林分的上層空間,林木生長(zhǎng)狀況與其它樹種相比較好。

表1 栓皮櫟林林分概況

3.2 栓皮櫟林空間結(jié)構(gòu)

3.2.1 樹種混交度 栓皮櫟林林分混交度及其分布見表2和圖1。由圖1可知,栓皮櫟林樹種混交度分布規(guī)律明顯,混交度從Mi=0到Mi=1不同取值的比例大致呈減少趨勢(shì),林分平均混交度為0.32,林分以零度混交為主,零度混交所占總體比例為43%,說明該栓皮櫟林林分內(nèi)樹種混交程度較低,林分中同種樹大多聚集在一起,處于混交不良的范疇。其中,林分內(nèi)主要樹種栓皮櫟種群以零度、弱度混交為主,兩種混交方式的林木株數(shù)比例為75%,說明栓皮櫟種群的混交狀況不良,空間結(jié)構(gòu)單元中常與3株或3株以上的同種相伴;元寶楓種群零度和弱度混交的比例為40%,混交度較低,僅次于栓皮櫟種群;油松、槲樹 、構(gòu)樹 、桑樹 、欒樹 、枸樹 、小葉樸 、山楂 、小葉椴 、山桃的混交度以強(qiáng)度和極強(qiáng)度為主,說明這些伴生種群混交程度普遍較高,種群同種個(gè)體聚集程度較低,林木混交狀況較好?？傮w而言,由于該林分優(yōu)勢(shì)種群栓皮櫟株數(shù)占整個(gè)林分總株數(shù)的67%,其混交度較低進(jìn)而影響到整個(gè)林分混交狀況不良,整個(gè)林分林木聚集度高,伴生樹種除元寶楓種群外,其他種群同種個(gè)體聚集程度較低,樹種混交度較大,林木混交狀況較好。

表2 栓皮櫟林各樹種混交度及大小比分布

圖1 林分混交度分布圖

圖2 林分大小比數(shù)分布圖

3.2.2 林木大小分化程度 栓皮櫟水源涵養(yǎng)林林分大小比數(shù)分布見圖2。由圖2可知,栓皮櫟林林分大小比數(shù)分布比較均勻,優(yōu)勢(shì)木相比而言較少。也說明栓皮櫟混交林內(nèi)林木大小差異不明顯,在空間結(jié)構(gòu)單元內(nèi),不同等級(jí)的林木分布頻率相差不大,分布較均勻,林木分化程度高。由表2可得知,栓皮櫟、油松、槲樹、刺槐種群在空間結(jié)構(gòu)單元中以優(yōu)勢(shì)木、亞優(yōu)勢(shì)木和中庸木為主,分別占種群總株數(shù)的67%、51%、71%和57%。其中,栓皮櫟種群有45%的個(gè)體在胸徑上處于優(yōu)勢(shì)地位,超過22%的個(gè)體處于中庸?fàn)顟B(tài),處于極劣勢(shì)地位的株數(shù)則相對(duì)較少,加之栓皮櫟種群株數(shù)在林分內(nèi)所占比例大,在林分垂直結(jié)構(gòu)中占據(jù)著主林層有利生態(tài)位,故栓皮櫟種群在林分內(nèi)優(yōu)勢(shì)度十分明顯。相比而言,元寶楓、構(gòu)樹、桑樹、五角楓、側(cè)柏、欒樹、構(gòu)樹、小葉樸等樹種主要以劣態(tài)和絕對(duì)劣態(tài)分布,分化程度差異較大,在林分中處于被壓狀態(tài)。其它樹種在空間結(jié)構(gòu)單元中由于株數(shù)較少,樹種優(yōu)勢(shì)度并不明顯。從樹種優(yōu)勢(shì)度和種群密度綜合分析:栓皮櫟和槲樹的樹種優(yōu)勢(shì)度都較大,但由于栓皮櫟株數(shù)多,個(gè)體分布廣,較槲樹種群而言優(yōu)勢(shì)度更加明顯。

3.2.3 點(diǎn)格局分析

(1)栓皮櫟水源涵養(yǎng)林種群?jiǎn)畏N的分布格局從調(diào)查數(shù)據(jù)可以看出,樣地內(nèi)栓皮櫟林的伴生樹種中以元寶楓所占的比例最大,因此只對(duì)元寶楓的分布格局進(jìn)行分析。由圖3、圖4可知,栓皮櫟種群在所研究的尺度上呈顯著性聚集分布,但并沒有顯示出最大聚集程度;元寶楓種群的分布格局在所研究的尺度上呈顯著性聚集分布,當(dāng)尺度 r=14 m時(shí),最大聚集程度為L(zhǎng)(r)=13.24。栓皮櫟種群的聚集規(guī)模遠(yuǎn)大于取樣面積,在所研究的尺度上,栓皮櫟種群沒有達(dá)到最大的聚集程度,說明今后研究栓皮櫟種群的分布格局時(shí),取樣面積應(yīng)該大于本研究的取樣面積。

圖3 栓皮櫟種群格局分析

圖4 元寶楓種群格局分析

(2)種群空間關(guān)聯(lián)性分析。由圖5可知,栓皮櫟種群和元寶楓種群空間關(guān)聯(lián)性在所研究的尺度上,當(dāng)2 m＜r＜21 m時(shí),二者之間關(guān)聯(lián)性為顯著性負(fù)相關(guān),當(dāng)r＞21 m時(shí),負(fù)相關(guān)性減弱。說明在小尺度上栓皮櫟種群和元寶楓種群的生長(zhǎng)勢(shì)相當(dāng),分布均較廣,二者之間競(jìng)爭(zhēng)激烈,當(dāng)尺度擴(kuò)大到一定的范圍,競(jìng)爭(zhēng)減弱。

圖5 種間關(guān)聯(lián)性分析

4 討論

林分結(jié)構(gòu)決定林分功能,有什么樣的林分結(jié)構(gòu),就有相應(yīng)的林分功能[23]。采用地面三維激光掃描技術(shù)獲取林分結(jié)構(gòu)參數(shù)并配合混交度等空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)來分析林分空間結(jié)構(gòu)特征的方法,在國(guó)內(nèi)外森林結(jié)構(gòu)研究方面尚未多見。Tansey、Moorthy、Danson等研究表明,應(yīng)用地面三維激光掃描技術(shù)對(duì)林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,在一次掃描過程中可以獲取多棵樹木數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)處理可精確測(cè)算出每一棵樹二維坐標(biāo)及樹高、胸高斷面積、冠徑等測(cè)樹因子,大大提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和采集效率[12-13,24]。為此,將地面三維激光掃描技術(shù)引入林分空間結(jié)構(gòu)特征研究,是我國(guó)數(shù)字化森林結(jié)構(gòu)研究的未來發(fā)展方向。

本研究在地面三維激光掃描數(shù)據(jù)基礎(chǔ)之上,利用樹種混交度、大小比數(shù)等參數(shù)并結(jié)合空間點(diǎn)格局分析法從單木角度對(duì)西山林區(qū)栓皮櫟水源涵養(yǎng)林林分結(jié)構(gòu)規(guī)律進(jìn)行了描述。首先,栓皮櫟林的空間結(jié)構(gòu)從樹種組成上看,林分喬木層中共分布有16個(gè)樹種,物種豐富度較高;林分垂直結(jié)構(gòu)特征明顯,可分為3個(gè)林層,呈現(xiàn)出典型的復(fù)層林結(jié)構(gòu)特征。其次,從空間結(jié)構(gòu)各指標(biāo)來看:(1)林分平均混交度為0.32,主要以零度混交和弱度混交為主,林分內(nèi)同種林木多聚集在一起,隔離度低,林分整體混交狀況不良。以栓皮櫟種群為例,其作為該林分的建群種與優(yōu)勢(shì)種,較其他伴生樹種而言,混交度最差,元寶楓次之。除此之外,其他種群同種個(gè)體聚集程度較低,在某一空間結(jié)構(gòu)單元中常與2株或2株以上不同樹種相鄰,樹種混交度較大,混交狀況良好。(2)栓皮櫟水源涵養(yǎng)林林分胸徑大小比數(shù)分布比較均勻,優(yōu)勢(shì)木相比而言較少。栓皮櫟種群在空間結(jié)構(gòu)單元中的優(yōu)勢(shì)度最大:一方面,栓皮櫟種群在株數(shù)上占有較大比例,在胸徑上處于優(yōu)勢(shì)地位;另一方面,在垂直結(jié)構(gòu)中占據(jù)主林層有利的生態(tài)位,林木生長(zhǎng)受相鄰木的干擾較小,故栓皮櫟種群將在種間競(jìng)爭(zhēng)中繼續(xù)保持優(yōu)勢(shì)地位。槲樹、油松、元寶楓的優(yōu)勢(shì)度次之。其中,以槲樹種群的胸徑優(yōu)勢(shì)尤為明顯,并占據(jù)著群落的最高層,在一定時(shí)期內(nèi)槲樹仍將保持其優(yōu)勢(shì)地位。但槲樹株數(shù)所占比例較小,徑級(jí)分布不連續(xù),缺少中小徑級(jí)的個(gè)體,當(dāng)現(xiàn)存的槲樹老化枯死后,樹種優(yōu)勢(shì)將不復(fù)存在。其他伴生種群中除刺槐、油松等在競(jìng)爭(zhēng)中具有一定優(yōu)勢(shì)外,絕大部分樹種均處于劣勢(shì)地位,且各樹種個(gè)體數(shù)量少,徑級(jí)分布不連續(xù),優(yōu)勢(shì)度并不明顯且更新較為困難。(3)通過單樹種點(diǎn)格局分析得知:優(yōu)勢(shì)樹種栓皮櫟種群及主要伴生樹種元寶楓種群在研究尺度(30 m)上均呈現(xiàn)出顯著性聚集分布。在種群空間關(guān)聯(lián)性分析上,栓皮櫟種群和元寶楓種群在所研究尺度上,二者關(guān)聯(lián)性為顯著性負(fù)相關(guān),說明二者中間競(jìng)爭(zhēng)十分激烈。綜合分析表明,在對(duì)西山林區(qū)栓皮櫟水源涵養(yǎng)林進(jìn)行經(jīng)營(yíng)時(shí),可根據(jù)生態(tài)學(xué)原理,從優(yōu)化空間結(jié)構(gòu)的角度出發(fā),采取相應(yīng)的保護(hù)措施,保證非優(yōu)勢(shì)種群的順利生長(zhǎng),以保持物種多樣性和群落的穩(wěn)定性,使林分結(jié)構(gòu)更接近于自然狀態(tài)的林分結(jié)構(gòu)特征,從而提升林分的整體生態(tài)服務(wù)功能。

[1] Pretzsch H.Structural diversity as a result of silvicultural operations[M]//Olsthoorn A F M,Bartelink H H,Gardiner J J,et al.Management of mixed species forest:silviculture and economics.Dlo Institute for Forestry and Nature Research(IBN-DLO),Wageningen,1999:157-174.

[2] Hui G-Y,von Gasow K.Modern Forest Management of Germany[M].Beijing:China Science and Technology Press,2001.

[3] 岳永杰,余新曉.北京松山自然保護(hù)區(qū)蒙古櫟林空間結(jié)構(gòu)特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào),2009,20(8):1811-1816.

[4] 沈年華,萬志洲.紫金山栓皮棟群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性[J].浙江林學(xué)院學(xué)報(bào),2009,26(5):696-700.

[5] 何加宜.北京妙峰山地區(qū)栓皮棟林物種多樣性的研究[J].現(xiàn)代園林,2006(8):36-38.

[6] 吳曉莆,王志恒.北京山區(qū)棟林的群落結(jié)構(gòu)與物種組成[J].生物多樣性,2004,12(1):155-163.

[7] Király G,Brolly G.Tree height estimation methods for terrestrial laser scanning in a forest reserve[J].IAPRS Volume,2007,36:211-215.

[8] 趙陽(yáng),余新曉,信忠保,等.地面三維激光掃描技術(shù)在林業(yè)中的應(yīng)用與展望[J].世界林業(yè)研究,2010,23(4):41-45.

[9] Jakob Weiβ.Application and statistical analysis of terrestrial laser scanning and forest growth simulations to determine selected characteristics ofDouglas-Firstands[J].Folia Forestalia Polonica:series A,2009,51(2):123-137.

[10] Gá bor B.Algorithms for stem mapping by means of terrestrial laser scanning[J].Acta Silv Lign Hung,2009,5(1):119-130.

[11] Koukoulas S,Blackburn G.Mapping individual tree location,height and species in broadleaved deciduous forest using airborne lidar and multi-spectral remotely sensed data[J].International Journal of Remote Sensing,2005,26(3):431-455.

[12] Tansey K,Selmes N.Estimating tree and stand variables in a Corsican Pine woodland from terrestrial laser scanner data[J].International Journal of Remost Sensing,2009,30(19):5195-5209.

[13] M oorthy I,Miller J R.Retrieving crown leaf area index from an individual tree using ground-based lidar data[J].Canadian Journal of Remote Sensing,2008,34(3):320-332.

[14] Li L,Hui S R,Hui G Y,et al.A Study on the minimum area of forest spatial investigation[J].Forest Resources Management,2007(2):47-51.

[15] 周紅敏,惠剛盈,趙中華,等.林分空間結(jié)構(gòu)分析中樣地邊界木的處理方法[J].林業(yè)科學(xué),2009,45(2):1-5.

[16] Hui G Y,von Gadow K.Das winkelmass-theoretische ǜberlegungen zum optimalen standardwinke[J].Allgemeine Forst und Jagdzeitung,2002,173(9):173-177.

[17] 惠剛盈,胡艷波.混交林樹種空間隔離程度表達(dá)方式的研究[J].林業(yè)科學(xué)研究,2001,14(1):177-181.

[18] 胡艷波,惠剛盈,戚繼忠,等.吉林蛟河天然紅松闊葉林的空間結(jié)構(gòu)分析[J].林業(yè)科學(xué)研究,2003,16(5):523-530.

[19] 鄧送求,閆家鋒.南京紫金山楓香風(fēng)景林空間結(jié)構(gòu)分析[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,34(4):117-122.

[20] Ripleyb D.Modelling spatial pattern[J].Journal of the Royal Statistical Society:Series B,1977,39:178-212.

[21] Ripleyb D.Spatial statistics[M].New York:Wiley,1981.

[22] 常靜,潘存德.梭梭-白梭梭群落優(yōu)勢(shì)種種群分布格局及其種間關(guān)系分析[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,29(2):26-29.

[23] 袁正科,田育新.不同功能防護(hù)林類型的判別技術(shù)研究[J].林業(yè)科學(xué),1998,11(3):1-5.

[24] Danson F M,Hetherington D.Forest canopy gap fraction from terrestrial laser scanning[J].Ieee Geoscience and Remote Sensing Letters,2007,4(1):157-160.