肖智慧，李志洪，薛春泉，劉凱昌，羅 勇

（廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣東 廣州 510520）

梅縣典型針闊混交林林分直徑結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

肖智慧，李志洪，薛春泉，劉凱昌，羅 勇

（廣東省林業(yè)調(diào)查規(guī)劃院，廣東 廣州 510520）

合理的林分結(jié)構(gòu)是森林生態(tài)系統(tǒng)發(fā)揮其功能的基礎(chǔ)，采用固定樣地連續(xù)觀測(cè)的方法對(duì)南亞熱帶典型針闊混交林進(jìn)行調(diào)查，并利用Weibull概率密度函數(shù)，對(duì)固定樣地內(nèi)喬木樹(shù)種5年（2007～2012年）的直徑分布動(dòng)態(tài)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：研究地喬木層樹(shù)種比較豐富，共出現(xiàn)22個(gè)樹(shù)種，以紅錐為主要優(yōu)勢(shì)種，其次為木荷、馬尾松、濕地松和杉木。2012年的調(diào)查結(jié)果中，新出現(xiàn)的物種主要有鼠刺、黎蒴以及烏桕等。5年間，群落的徑級(jí)結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯的變化，林分中小徑級(jí)的林木占多數(shù)，群落中幼樹(shù)充足，自然更新良好，群落結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。說(shuō)明研究區(qū)域群落物種組成和大小結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，群落處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。各固定樣地內(nèi)直徑分布曲線均呈左偏，紅錐林和杉木林的峰度在兩次調(diào)查中均呈現(xiàn)負(fù)值，表明實(shí)際分布比正態(tài)分布平坦。木荷林的峰度值在兩次調(diào)查中均大于其他林分，其直徑分布最為集中，且分布曲線最為陡峭。除紅錐林的變動(dòng)系數(shù)較大外，其余各樣地直徑分布的變動(dòng)系數(shù)均在30%左右，各林分的變動(dòng)系數(shù)在第二次調(diào)查中均略有增加。Weibull分布對(duì)以針葉樹(shù)為主的馬尾松林和杉木林的直徑分布曲線擬合的效果較好，其中，對(duì)杉木林的直徑分布擬合的效果最好，精度最高。而對(duì)以闊葉樹(shù)為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的紅錐林和木荷林直徑分布擬合效果不理想。

天然混交林；林分動(dòng)態(tài)；直徑分布；Weibull分布；梅州市

天然林是森林生物與其生長(zhǎng)環(huán)境相互作用長(zhǎng)期演化的產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能完善。林分直徑結(jié)構(gòu)是種群結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律和種群生長(zhǎng)的主要特征之一，與林分的蓄積結(jié)構(gòu)及功能有著密切的關(guān)系[1-2]。分析研究天然林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，模擬林分發(fā)展，不僅有助于弄清天然林群落種間種內(nèi)關(guān)系、演替規(guī)律和生態(tài)功能的發(fā)揮機(jī)制，對(duì)森林的撫育間伐，預(yù)測(cè)林分蓄積量、材積計(jì)量等也具有重要意義[3]。

林分直徑結(jié)構(gòu)模型是研究林分直徑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探討直徑動(dòng)態(tài)變化規(guī)律的重要手段[4-7]。Weibull分布函數(shù)具有高度的靈活性與適用性，在相關(guān)研究中得到廣泛應(yīng)用[8-10]。例如，亢新剛等[11]通過(guò)Weibull分布較好的描述了長(zhǎng)白山金鉤齡林場(chǎng)過(guò)伐林區(qū)的針闊混交林；Karczmarski[12]利用Weibull分布很好的擬合了天然云杉林的直徑分布。但是以往的研究中，將Weibull分布應(yīng)用于人工純林的生長(zhǎng)收獲模型上比較多見(jiàn)[13]，在天然混交林生長(zhǎng)收獲與經(jīng)營(yíng)決策中還很少有研究涉及[14-16]。

合理的林分結(jié)構(gòu)是充分發(fā)揮森林效能的基礎(chǔ)，本文應(yīng)用Weibull分布對(duì)天然針闊混交林群落的結(jié)構(gòu)特征及動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行研究，以期深入了解亞熱帶天然林群落演替、穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)特征，為更好地保護(hù)和利用混交林資源，制定合理地經(jīng)營(yíng)措施提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本研究調(diào)查的森林樣地位于廣東省東北部，梅州市中部，地理位置為東經(jīng) 115°47′～ 116°33′，北緯23°55′～ 24°49′，地處東江中上游，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，是南亞熱帶和中亞熱帶氣候區(qū)的過(guò)渡地帶。具有夏日長(zhǎng)，冬日短，氣溫高的特點(diǎn)。日照充足，雨量充沛，1月平均氣溫10.9℃～13℃，年平均氣溫20.6℃～21.4℃，4～9月為雨季，平均年降水量1 483～1 798 mm，無(wú)霜期300 d以上，冰凍期短。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置及調(diào)查

以廣東省森林資源一類(lèi)清查固定樣地為基礎(chǔ)，于2007年選取人為干擾較小，具有代表性的天然混交群落，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地（25.82 m×25.82 m），進(jìn)行群落調(diào)查及種群統(tǒng)計(jì)。共設(shè)置4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地，基本能客觀反映其生態(tài)條件。測(cè)定每塊樣地的海拔、坡向、坡位、坡度、土壤狀況等生態(tài)因子，各標(biāo)準(zhǔn)地的基本特征見(jiàn)表1。樣地用森林羅盤(pán)儀配合水準(zhǔn)儀測(cè)距定位，并用PVC塑料管樁在每個(gè)小樣方的四角做永久性固定標(biāo)志。對(duì)每個(gè)樣地進(jìn)行每木檢尺，紀(jì)錄胸徑5 cm以上林木的種名、胸徑、樹(shù)高、枝下高、冠幅等因子。于2012年對(duì)該固定樣地進(jìn)行復(fù)測(cè)，調(diào)查內(nèi)容與2007年一致。

表1 各樣地的立地因子Table 1 Site factors of the studied sample plots

2.1 數(shù)據(jù)分析

2.1.1 直徑分布特點(diǎn)

根據(jù)兩次調(diào)查數(shù)據(jù)，以2 cm徑階整化徑階記錄（起測(cè)徑為5 cm），統(tǒng)計(jì)各徑階林木株數(shù)，取得林木株數(shù)的直徑分布序列，計(jì)算各樣地直徑分布的變動(dòng)系數(shù)、偏度及峰度，說(shuō)明林分直徑分布的特征。其中變動(dòng)系數(shù)（C）反映分布范圍的大小，值越大表明林木直徑離散度程度越大，分布范圍亦大；偏度系數(shù)（KS）大于零表示左偏，反之為右偏；峰度系數(shù)（K）用于說(shuō)明峭度變化，K值愈大，曲線愈尖削，反之，則愈平坦。其計(jì)算公式為：

2.2.2 直徑分布擬合

本研究采用Weibull分布函數(shù)[17]對(duì)各樣地林木的直徑分布進(jìn)行擬合。Weibull分布具有較大的靈活性，既能較好地?cái)M合不同偏度、峰度的單峰山狀曲線，又可擬合倒J型曲線，并且數(shù)學(xué)推導(dǎo)簡(jiǎn)便，得到廣泛應(yīng)用[17]。采用最大似然估計(jì)法[18]計(jì)算樣本的分布參數(shù)，最后用卡方檢驗(yàn)來(lái)確定模型的擬合效果。

Weibull分布的概率密度函數(shù)為：

式（4）中：x為林木實(shí)測(cè)直徑，α為形狀參數(shù)，β為尺度參數(shù)。

卡方檢驗(yàn)公式為：

式（5）中，Nj為觀測(cè)值，Mj為預(yù)測(cè)值，m為徑階數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分樹(shù)種組成變化

對(duì)固定樣地的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)域內(nèi)喬木層樹(shù)種比較豐富，共有11科19屬22種。林分的主要樹(shù)種為紅錐Castanopsis hicklii，其次為木荷Schima superba、馬尾松Pinus massoniana、濕地松Pinus elliotii和杉木Cunninghamia lanceolata。在2012年調(diào)查中新出現(xiàn)的樹(shù)種主要是鼠刺Itea chinensis、 黎 蒴 Castanopsis fissa、 烏 桕Sapium sebiferum等。從2007年到2012年，林分?jǐn)嗝娣e顯著增加，由9.355 m2/hm2增加到14.798 m2/hm2，增幅達(dá)58.2%。

本研究采用各樹(shù)種斷面積占林分總斷面積的比重來(lái)判斷林分中樹(shù)種組成的變化[19-20]。從表2可以發(fā)現(xiàn)，主要樹(shù)種中，以華潤(rùn)楠增幅最大，相比2007年，2012年的密度和斷面積分別增長(zhǎng)133.3%和35.6%。而紅錐斷面積所占的比例顯著減少，由29.7%降低到22.3%。其余樹(shù)種每公頃斷面積變動(dòng)不大。

3.2 直徑分布動(dòng)態(tài)變化

3.2.1 直徑分布特點(diǎn)

對(duì)比兩次調(diào)查結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)群落的徑級(jí)結(jié)構(gòu)沒(méi)有明顯變化（圖1），群落中幼苗、幼樹(shù)充足，群落的大小結(jié)構(gòu)完整，群落比較穩(wěn)定。研究區(qū)域林分總體上符合天然林直徑分布的特點(diǎn)，以小徑級(jí)的林木居多，隨著直徑的增大，林木株數(shù)逐漸減少。

表2 5年間林分主要喬木樹(shù)種基本特征變化Table 2 Changes of basic characteristics of main arbor species during five years

從圖1可以看出，以紅錐徑階分布范圍最大，為6～40 cm，其余林分的直徑分布范圍為6～22 cm。馬尾松林和木荷林的直徑分布呈倒J型曲線，杉木林的直徑分布曲線呈近似單峰分布，紅錐林內(nèi)的直徑分布比較復(fù)雜，呈雙峰曲線，其原因可能是該林分為近熟林，林內(nèi)物種豐富，不同樹(shù)種中不同徑級(jí)的個(gè)體對(duì)環(huán)境條件及競(jìng)爭(zhēng)的變化反應(yīng)不一，導(dǎo)致徑級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。從徑級(jí)分布可以看出，紅錐林內(nèi)6 cm徑級(jí)的林木顯著增加?？傮w上，從2007年到2012年，中等徑級(jí)（10～12 cm）的林木所占的比例增大，小徑級(jí)林木的比例呈現(xiàn)不同程度的減少。紅錐林內(nèi)大徑級(jí)的林木顯著減少除了與林木的枯死有關(guān)外，主要是由于林下更新充分，中小徑級(jí)的林木生長(zhǎng)迅速，在林內(nèi)所占的比例增大。從總體趨勢(shì)看，研究地各林分屬于穩(wěn)定型種群，有小徑級(jí)個(gè)體儲(chǔ)備。

圖1 2007～2012年林分直徑分布變化（a, b, c, d分別代表馬尾松林、紅錐林、木荷林和杉木林）Fig. 1 Changes of diameter distribution of studied stands obtained in the two investigations (a, b, c and d present study stands dominated by Pinus massoniana, Castanopsis hicklii, Schima superba and Cunninghamia lanceolata, respectively)

從三個(gè)特征值來(lái)看（表2），各樣地的直徑分布的偏度均呈左偏，表明林分中小徑級(jí)的林木占多數(shù)。2007年到2012年，除紅錐林的偏度值增大外，其余樣地的偏度值則存在不同程度的減小。紅錐林和杉木林的峰度在兩次調(diào)查中均呈現(xiàn)負(fù)值，表明實(shí)際分布曲線比標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布平坦，直徑分布比較分散，其中，以紅錐林直徑分布最為分散。木荷林的峰度值在兩次調(diào)查中均大于其它林分，說(shuō)明其直徑分布最為集中，且分布曲線最為陡峭。從變動(dòng)系數(shù)來(lái)看，除紅錐林較大外，其余樣地直徑分布的變動(dòng)系數(shù)均在30%左右，且與2007年相比，在2012年的調(diào)查中，各林分直徑分布的變異系數(shù)均略有增加?？傮w上研究區(qū)域群落直徑結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，群落處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

3.2.2 直徑分布擬合

本研究采用Weibull分布對(duì)各樣地林木的直徑分布進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)表3。在對(duì)擬合后的分布進(jìn)行卡方檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，以闊葉樹(shù)為優(yōu)勢(shì)的紅錐林和木荷林直徑分布擬合的X2值均大于臨界值，擬合效果不理想，說(shuō)明該林分的直徑分布不符合Weibull分布。而以針葉樹(shù)為優(yōu)勢(shì)的馬尾松林和杉木林的X2值明顯小于臨界值，擬合效果比較理想。

表2 各樣地直徑分布特征數(shù)Table 2 Descriptive statistics of diameter distribution characteristics of studied stands

表3 混交林直徑Weibull分布擬合結(jié)果Table 3 Imitation results of diameter distribution of studied stands by using Weibull distribution

為了直觀的看出各樣地直徑分布曲線的動(dòng)態(tài)變化，以擬合效果最好的杉木林為例，依擬合所得的參數(shù)值，畫(huà)出各年份該樣地林木直徑的Weibull分布曲線，如圖2所示。由圖2可以看出，兩個(gè)年份群落的直徑分布均呈單峰狀，但其分布曲線存在顯著的差異。隨著群落的發(fā)展，林分直徑分布的峰值逐漸由左向右移到，2007年，峰值出現(xiàn)在徑階10 cm處，5年后，峰值右偏到12 cm處，這與林木的生長(zhǎng)趨勢(shì)一致。且峰值逐漸減小，分布趨于平緩，林木直徑分布更為均勻。

圖2 杉木林分直徑Weibull分布變化Fig. 2 Changes of theoretical diameter distribution of forest dominated by C. lanceolata by using Weibull distribution

4 結(jié) 論

（1）所研究的亞熱帶天然針闊混交林樹(shù)種組成豐富，以紅錐為主要優(yōu)勢(shì)種，其次為木荷、馬尾松、濕地松和杉木，五年中出現(xiàn)新物種主要是鼠刺、黎蒴、烏桕等，林內(nèi)更新充足，林分健康發(fā)展。

（2）對(duì)林分的直徑分布研究，發(fā)現(xiàn)該林分基本符合天然林直徑分布的特點(diǎn)，以小徑級(jí)的林木居多，隨著直徑的增大，林木株數(shù)逐漸減少，表明群落中幼苗、幼樹(shù)充足。五年間，中等徑級(jí)的林木所占的比例增大，而小徑級(jí)林木的比例呈現(xiàn)不同程度的減少。林木直徑分布的特征值分析表明，兩次調(diào)查中，各樣地的直徑分布均呈左偏，各樣地直徑分布的峰度和變動(dòng)系數(shù)變化不大，說(shuō)明研究區(qū)域群落直徑結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，群落處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

（3）應(yīng)用Weibull分布對(duì)各樣地不同時(shí)間的直徑分布進(jìn)行擬合，并對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行卡方檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Weibull分布對(duì)以針葉樹(shù)為優(yōu)勢(shì)的馬尾松林和杉木林的擬合效果比較理想，而對(duì)以闊葉樹(shù)為優(yōu)勢(shì)的紅錐林和木荷林直徑分布擬合的效果不理想，其中Weibull分布對(duì)杉木林的擬合精度很高，效果最好。

[1] 黃家榮, 高光芹, 孟憲宇, 等. 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的林分直徑分布預(yù)測(cè)[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 32(3): 21–26.

[2] Bullock B P, Burkhart H E. Juvenile diameter distributions of loblolly pine characterized by the two-parameter Weibull function. New Forests. 2005, 29: 233–244.

[3] 劉文楨, 趙中華, 惠剛盈, 等. 小隴山油松天然林結(jié)構(gòu)特征[J]. 林業(yè)科學(xué)研究, 2011, 24(4): 437–442.

[4] 段愛(ài)國(guó), 張建國(guó), 童書(shū)振. 6種生長(zhǎng)方程在杉木人工林林分直徑結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用[J]. 林業(yè)科學(xué)研究, 2003, 16 (4): 423–429.

[5] 張建國(guó), 段愛(ài)國(guó), 童書(shū)振. 林分直徑結(jié)構(gòu)模擬與預(yù)測(cè)研究概述[J]. 林業(yè)科學(xué)研究, 2004, 17(6): 787–795.

[6] 李曉慧, 陸元昌, 袁彩霞, 等. 六盤(pán)山林區(qū)林分直徑分布模型研究[J]. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2006, 27(4): 68–72.

[7] Kangas, A. Maltamo, M. Performance of percentile based diameter distribution prediction and Weibull method in independent data sets. Silva Fennica, 2000, 34(4): 381–398.

[8] 陸元昌, 雷相東, 國(guó) 紅, 等. 西雙版納熱帶雨林直徑分布模型[J]. 福建林學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 25(1):1–4.

[9] 張文勇. 思茅松人工幼齡林和中齡林直徑分布規(guī)律的研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2011, 39(13): 7736–7737,7740.

[10] 董文宇, 邢志遠(yuǎn), 惠淑榮, 等. 利用Weibull分布描述日本華北落葉松的直徑結(jié)構(gòu)[J]. 沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 37(2):225–228.

[11] 亢新剛, 胡文力, 董景林, 等. 過(guò)伐林區(qū)檢查法經(jīng)營(yíng)針闊混交林林分結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)[J]. 北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 25(6): l–5.

[12] Karczmarski, J. Dbh distribution structure in natural spruce stands on the upper montane belt in the Tatra and Beskid mountains in respect to the stages and phases of virgin type forest development. Sylwan, 2005, 149: 12–33.

[13] 黃家榮. Weibull 分布在馬尾松人工林中的適用性研究[J]. 貴州林業(yè)科技, 2000, 28(1): 7–13.

[14] 孟憲宇. 使用Weibull函數(shù)對(duì)樹(shù)高分布和直徑分布的研究[J].北京林學(xué)院學(xué)報(bào), 1988, 10(1): 40–48.

[15] 惠淑榮, 呂永霞. Weibull分布函數(shù)在林分直徑結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)模型中的應(yīng)用研究[J]. 北華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2003, 4(2): 101-104.

[16] 王秀云. 用Weibull分布擬合刺槐林直徑結(jié)構(gòu)的研究[J]. 林業(yè)勘察設(shè)計(jì), 2004, (2): 1–3.

[17] Bailey R L, Dell T R. Quantifying diameter distributions with the Weibull function[J]. Forest.Sci., 1973, 19(2): 97–104.

[18] Gove J H, Fairweather S E. Maximum-likelihood estimation of Weibull function parameters using a general interactive optimizer and grouped data[J]. For. Ecol. Manage. 1989, 28: 61–69.

[19] 匡一龍，譚駿珊，張懷清. 基于空間結(jié)構(gòu)的林分模擬方法研究[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,32(10): 40-44.

[20] 曾思齊,李 俊,李東麗,等. 南方集體林區(qū)南酸棗次生林林分結(jié)構(gòu)研究[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012, 32(4): 1-6.

Diameter distribution and dynamics of typical coniferous and broadleaved mixed forests in Meizhou county, Guangdong province

XIAO Zhi-hui, LI Zhi-hong, XUE Chun-quan, LIU Kai-chang, LUO Yong
(Guangdong Provincal Institute of Forestry Inventory and Planning, Guangzhou 510520, Guangdong, China)

Based on the fixed sample survey of each tree positioning data, the dynamics of diameter structure of coniferous and broadleaved mixed forest in subtropics of five-year-old (from the year of 2007 to 2012) were studied by using the probability density function of Weibull distribution. The results show that the tree composition of studied stands was abundant; there were 22 tree species in the community, Castanopsis hicklii was the main dominant tree species, which was flowed by Schima superba, Pinus massoniana, Pinus elliotii and Cunninghamia lanceolata. In addition, Itea chinensis, Castanopsis fissa and Sapium sebiferum were found in the community in the second investigation. The diameter size-class structure did not change a lot during the five years. Trees in small diameter class e dominated the community, indicating good regeneration across the stands, and the dynamics of tree diameter structure was relatively stable. The skew values of stands were positive in the two investigations. The species composition and diameter structure had small changes in the studied stands, and the community appeared to maintain a state of dynamic equilibrium. The skewness values of the stands dominated by Castanopsis hicklii and Cunninghamia lanceolata, respectively showed to be negative values, which indicating that the curves of diameter distribution of the two sites were flatter than normal distribution. In the two investigation, the kurtosis of Schima superba dominated forest were greater than the other stands, indicating that the species had the most concentrated diameter distribution and the most steep distribution curve. The diameter variance coefficients showed to be near 30%, except for a higher diameter variance coefficient of Castanopsis hicklii dominated forest. And the variance coefficients of the four stands from the second investigation were slightly greater than the investigation in 2007. It is found that the fitting effects of diameter distribution curves of P. massoniana and C. lanceolata dominated by coniferous trees with Weibull distribution were better than others’, of two stands, the fitting effect C. lanceolata’s was the best, having the highest accuracy; while the fitting effects of diameter distribution curves of C. hicklii and S.superba dominated by broadleaf trees with Weibull distribution were not ideal.

natural mixed forest;forest dynamic; diameter distribution; Weibull distribution; Meizhou city

S758.5+3

A

1673-923X(2013)06-0017-05

2013-01-11

國(guó)家森林資源與生態(tài)狀況綜合監(jiān)測(cè)廣東試點(diǎn)、國(guó)家林業(yè)局林業(yè)碳匯計(jì)量監(jiān)測(cè)體系建設(shè)廣東試點(diǎn)、廣東省低碳發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目“廣東省森林碳匯現(xiàn)狀和潛力研究”（2011-032）

肖智慧（1963-），男，廣東和平人，碩士，研究員，主要從事林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)及相關(guān)管理工作

[本文編校：吳 彬]