莫海智，潘 捷，李永亮，宋亞斌

(1.金城江區(qū)林業(yè)局，廣西 河池 547000； 2.國(guó)家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)沙 410014；3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，北京 100091； 4.中南林業(yè)科技大學(xué)，長(zhǎng)沙 410004)

杉木鵝掌楸混交林結(jié)構(gòu)特征研究——以廣西大山塘林場(chǎng)為例

莫海智1，潘 捷2，李永亮3，宋亞斌4

(1.金城江區(qū)林業(yè)局，廣西 河池 547000； 2.國(guó)家林業(yè)局中南林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)沙 410014；3.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院，北京 100091； 4.中南林業(yè)科技大學(xué)，長(zhǎng)沙 410004)

分析林分結(jié)構(gòu)特征對(duì)研究林分生長(zhǎng)和提高林分經(jīng)營(yíng)管理水平有著極為重要的作用，可為優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)，促進(jìn)林分生長(zhǎng)，選擇合理林分經(jīng)營(yíng)措施提供科學(xué)參考。以大山塘林場(chǎng)的杉木鵝掌楸混交林為研究對(duì)象，對(duì)杉木胸徑分布和樹高結(jié)構(gòu)及林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。結(jié)果表明，可用正態(tài)分布擬合林分內(nèi)杉木胸徑分布結(jié)構(gòu)，以真實(shí)值與理論值建立的線性回歸模型決定系數(shù)為0.8808；可用一元二次統(tǒng)計(jì)回歸模型，實(shí)現(xiàn)杉木胸徑對(duì)樹高的估計(jì)，其決定系數(shù)為0.9741；林分空間分布格局屬均勻分布；杉木處于中庸?fàn)顟B(tài)，鵝掌楸處于優(yōu)勢(shì)狀態(tài)；林分混交程度較低。

空間結(jié)構(gòu)；混交度；正態(tài)分布；模型；杉木

林分結(jié)構(gòu)是森林經(jīng)營(yíng)管理中的重要因子，是森林發(fā)揮功能的基礎(chǔ)，是森林生態(tài)系統(tǒng)演替的主要驅(qū)動(dòng)力[1]。林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)包括非空間屬性以及具有空間屬性的結(jié)構(gòu)指標(biāo)。林分樹種結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)、直徑與樹高結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)等特征構(gòu)成了研究林分結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容。林分空間結(jié)構(gòu)是林木及其屬性在空間上的分布[2-3]，決定了林木的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)及空間生態(tài)位，決定了林分的穩(wěn)定性、發(fā)展的可能性和經(jīng)營(yíng)空間的大小[4]。分析林分結(jié)構(gòu)特征對(duì)于描述林分狀態(tài)及其變化有著重要意義，是建立林分生長(zhǎng)模型的基礎(chǔ)，是開展林分合理經(jīng)營(yíng)措施的有力保障。王香春[5]運(yùn)用正態(tài)分布、Weibull分布和β分布3種概率密度函數(shù)研究了落葉松人工林的直徑分布規(guī)律，得出可用β分布來(lái)進(jìn)行直徑分布擬合。雷相東[6]通過(guò)研究與距離有關(guān)的多樣性指標(biāo)和與距離無(wú)關(guān)的多樣性指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)林分結(jié)構(gòu)的多維性可由與距離有關(guān)的指標(biāo)更好的描述。惠剛盈[7]對(duì)基于Ripley K-函數(shù)的L-函數(shù)、雙相關(guān)函數(shù)和角尺度方法的林木空間分布格局研究方法進(jìn)行了對(duì)比分析。劉奉強(qiáng)[8]應(yīng)用森林結(jié)構(gòu)三維模型研究了林分空間結(jié)構(gòu)異質(zhì)性。劉紅民[9]運(yùn)用空間結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)遼東山區(qū)天然次生闊葉混交林空間結(jié)構(gòu)展開了分析。陳輝榮[10]利用結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)不同強(qiáng)度擇伐后的天然林林分空間結(jié)構(gòu)的變化動(dòng)態(tài)進(jìn)行了對(duì)比研究。本研究以杉木鵝掌楸混交林為研究對(duì)象，對(duì)其林分結(jié)構(gòu)特征展開研究，以期真實(shí)描述林分現(xiàn)狀，為制定結(jié)構(gòu)調(diào)整方案，確定經(jīng)營(yíng)目標(biāo)，開展合理經(jīng)營(yíng)措施提供科學(xué)參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

大山塘林場(chǎng)呈塊狀分布于廣西壯族自治區(qū)河池市金城江區(qū)九圩鎮(zhèn)、側(cè)嶺鄉(xiāng)、拔貢鎮(zhèn)，24°22′-24°55′N, 107°33′— 108°13′E之間。林場(chǎng)屬以保護(hù)為主的生態(tài)公益型林場(chǎng)，境內(nèi)森林茂盛，森林覆蓋率達(dá)90.07%。林場(chǎng)國(guó)有林經(jīng)營(yíng)面積3045hm2，有林地1966.7hm2，劃定生態(tài)公益林620hm2，森林蓄積量25.5萬(wàn)m3，其中商品林蓄積21.7萬(wàn)m3，生態(tài)公益林蓄積3.8萬(wàn)m3。林場(chǎng)屬亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，境內(nèi)以中低山地貌為主，主要成土母巖為板頁(yè)巖，土壤以黃壤為主。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查及數(shù)據(jù)獲取

于林場(chǎng)內(nèi)選取杉木鵝掌楸林分為研究對(duì)象，其中杉木于1995年造林，鵝掌楸于1996年補(bǔ)植，杉木鵝掌楸混交比例為9∶1，混交方式為星狀混交。調(diào)查樣地大小設(shè)定為60×60m，平均海拔291m，坡度24°，西南坡向，位于下坡，林分郁閉度為0.9。樣地內(nèi)林木平均胸徑16.3cm，平均樹高10.8m。掛牌標(biāo)記樣地內(nèi)每株林木，調(diào)查每株林木樹種、胸徑、樹高及相對(duì)位置坐標(biāo)。胸徑采用胸徑尺測(cè)量，樹高采用激光測(cè)距儀測(cè)定，利用全站儀測(cè)定每株林木的相對(duì)位置坐標(biāo)。

2.2 分析方法

2.2.1 胸徑分布模型

許多樹種的胸徑分布都近似于正態(tài)分布，選用正態(tài)分布來(lái)描述林分胸徑分布規(guī)律。正態(tài)分布的概率密度函數(shù)如式(1)[11]所示：

(1)

2.2.2 樹高分布模型

根據(jù)胸徑—樹高對(duì)應(yīng)關(guān)系，以一元二次統(tǒng)計(jì)回歸模型建立樹高分布模型，可表達(dá)為：

H=aD2+bD+c

(2)

式中：H代表樹高；D表示林木胸徑；a，b和c為擬合參數(shù)。

2.2.3 角尺度

以角尺度來(lái)分析林分內(nèi)林木個(gè)體的空間分布格局。角尺度是α角小于標(biāo)準(zhǔn)角α0(72°)的個(gè)數(shù)占所調(diào)查的最近相鄰4株木4個(gè)夾角的比例，如式(3)所示，林分平均角尺度可表達(dá)為式(4)[12]：

(3)

(4)

2.2.4 大小比數(shù)

大小比數(shù)可用來(lái)描述林分內(nèi)林木個(gè)體大小分化程度，反映林木個(gè)體的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)程度，體現(xiàn)林木間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。以胸徑、樹高或冠幅大小為比較指標(biāo)，其值為大于參照木的相鄰木占所考察的4株最近相鄰木的比例，如式(5)所示，林分平均大小比數(shù)如式(6)所示[13]：

(5)

(6)

2.2.5 混交度

以混交度來(lái)表征混交林中樹種的隔離程度?；旖欢葹?株最近相鄰木與參照木不同種的個(gè)體所占的比例，可如式(7)所示，林分平均混交度如式(8)所示[14]：

(7)

(8)

3 結(jié)果與分析

3.1 杉木胸徑結(jié)構(gòu)

調(diào)查樣地內(nèi)杉木按徑階分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。由圖1發(fā)現(xiàn)：杉木鵝掌楸混交林中杉木樹種的胸徑分布范圍較廣，整體表現(xiàn)為單峰狀態(tài)，與正態(tài)分布曲線相類似；杉木個(gè)體大多分布在14～18cm徑階之間，占林木總株數(shù)的63.8%；8cm，24cm和26cm徑階分布林木較少，占林木總株數(shù)的3.5%。

圖1 杉木按徑階統(tǒng)計(jì)結(jié)果

以正態(tài)分布擬合杉木徑級(jí)分布，以徑階實(shí)際林木個(gè)數(shù)為橫坐標(biāo)，以徑階估計(jì)林木個(gè)數(shù)為縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖，并擬合線性回歸模型，結(jié)果如圖2所示。由圖2發(fā)現(xiàn)：決定系數(shù)R2達(dá)0.880 8，有較好擬合效果，說(shuō)明可用正態(tài)分布擬合杉木胸徑分布結(jié)構(gòu)。

圖2 擬合效果圖

3.2 杉木樹高結(jié)構(gòu)

林木樹高與胸徑一般呈正相關(guān)關(guān)系，可通過(guò)繪制胸徑—樹高散點(diǎn)圖，建立樹高估計(jì)模型。以杉木每一徑階林木的算術(shù)平均樹高作為此徑階對(duì)應(yīng)的樹高，利用SPSS軟件建立兩者間的一元二次回歸估計(jì)模型，結(jié)果如圖3所示。

圖3 擬合效果圖

由圖3發(fā)現(xiàn)： 決定系數(shù)R2達(dá)0.9741，可運(yùn)用此種方法建立杉木胸徑—樹高統(tǒng)計(jì)回歸模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)杉木樹高的高精度估計(jì)。

3.3 林分空間結(jié)構(gòu)特征

以角尺度、大小比數(shù)與混交度等3個(gè)參數(shù)，分別對(duì)林木空間分布格局、林木競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)與樹種混交程度進(jìn)行分析研究。根據(jù)3個(gè)參數(shù)的定義可知：3個(gè)參數(shù)都有0，0.25，0.5，0.75和1這5種取值結(jié)果，分別對(duì)應(yīng)不同的空間結(jié)構(gòu)特征。其中，角尺度取值分別對(duì)應(yīng)很均勻、均勻、隨機(jī)、不均勻、很不均勻分布；大小比數(shù)取值分別對(duì)應(yīng)優(yōu)勢(shì)、亞優(yōu)勢(shì)、中庸、劣態(tài)、絕對(duì)劣態(tài)地位；混交度取值分別對(duì)應(yīng)零度、弱度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度混交狀態(tài)。

3.3.1 林木空間分布格局

林木空間分布格局有隨機(jī)分布、均勻分布和聚集分布3種類型。角尺度對(duì)空間結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的解析能力，其值越大則參照木周圍的相鄰木分布越不均勻。用角尺度分析林木空間分布格局，只關(guān)注林木個(gè)體之間的方位信息，只需考慮樣地的取值情況。林分平均角尺度在0.475～0.517之間時(shí)，為隨機(jī)分布，大于0.517時(shí)為聚集分布，小于0.475時(shí)為均勻分布[15]。樣地角尺度分布頻率如圖4所示。

圖4 樣地角尺度分布頻率

由圖4發(fā)現(xiàn)： 樣地中角尺度為0和1的分布頻率很少，說(shuō)明很均勻分布與很不均勻分布的結(jié)構(gòu)單元較少；角尺度為0.5的結(jié)構(gòu)單元的分布頻率約為0.53，所占比例最大，說(shuō)明隨機(jī)分布結(jié)構(gòu)單元最多，相鄰木隨機(jī)圍繞在參照木周圍；均勻分布結(jié)構(gòu)單元(角尺度為0.25)所占比例大于不均勻分布結(jié)構(gòu)單元(角尺度為0.75)所占比例。

樣地平均角尺度為0.465，林木總體分布格局屬均勻分布。

3.3.2 林木大小分化程度

大小比數(shù)是林分中林木個(gè)體大小分化程度的量化指標(biāo)，能夠反映林木在結(jié)構(gòu)單元中的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，定義了參照木在該結(jié)構(gòu)單元中所處的生態(tài)位，生物意義明顯。其值越大，代表相鄰木越大，參照木生長(zhǎng)不占優(yōu)勢(shì)。以林木胸徑作為比較指標(biāo)，杉木、鵝掌楸林木大小比數(shù)分布頻率分別如圖5，6所示。

由圖5發(fā)現(xiàn)： 杉木胸徑大小比數(shù)在不同狀態(tài)下的分布差異不大；處于優(yōu)勢(shì)或亞優(yōu)勢(shì)地位所占比例(0.38)小于處于劣態(tài)或絕對(duì)劣態(tài)地位所占比例(0.42)；平均大小比數(shù)為0.52，總體上處于中庸?fàn)顟B(tài)。由圖6可知：鵝掌楸處于優(yōu)勢(shì)或亞優(yōu)勢(shì)狀態(tài)林木所占比例為0.64，處于劣態(tài)或絕對(duì)劣態(tài)狀態(tài)林木所占比例為0.20，表明鵝掌楸所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元中，較大樹木較少，鵝掌楸處于明顯優(yōu)勢(shì)地位；平均大小比數(shù)為0.32，總體上處于優(yōu)勢(shì)狀態(tài)。

圖6 鵝掌楸大小比數(shù)分布頻率

3.3.3 樹種混交特征

混交度是描述林分中任一林木的最近相鄰木為其他樹種概率的指標(biāo)，可反映樹種空間分隔程度，是描述林分樹種組成的重要空間結(jié)構(gòu)參數(shù)。一般而言，混交度越大，林分越穩(wěn)定。樣地混交度分布頻率如圖7所示。

圖7 樣地混交度分布頻率

由圖7可知： 處于零度混交的結(jié)構(gòu)單元所占比例最大，達(dá)到65.1%，說(shuō)明林木單種聚集情況較多；弱度混交比例達(dá)22.5%，中度、強(qiáng)度和極強(qiáng)度混交比例為12.4%，也就是說(shuō)林分中只有12.4%的林木最近4株相鄰木有2～3株或都為不同樹種；林分平均混交度為0.15，屬零度混交與弱度混交狀態(tài)之間，混交程度較低。

4 結(jié)論

1)正態(tài)分布是描述林分胸徑分布結(jié)構(gòu)規(guī)律的有效方法。通過(guò)獲知林木算術(shù)平均胸徑與林木胸徑標(biāo)準(zhǔn)差，實(shí)現(xiàn)了杉木胸徑分布規(guī)律的正態(tài)分布模擬，并用徑階實(shí)際林木株數(shù)與理論株數(shù)建立線性回歸模型，決定系數(shù)達(dá)0.8808，證明此種方法是可行的。通過(guò)繪制杉木胸徑—樹高散點(diǎn)圖，建立了以胸徑為自變量的一元二次樹高估計(jì)模型，決定系數(shù)達(dá)0.9741，證明此種方法可對(duì)杉木樹高進(jìn)行高精度估算。

2)以林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)：角尺度、大小比數(shù)、混交度對(duì)林分的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了研究分析。林木隨機(jī)分布結(jié)構(gòu)單元最多，林木空間分布格局屬均勻分布。以林木胸徑作為大小比數(shù)比較指標(biāo)，杉木處于中庸?fàn)顟B(tài)，鵝掌楸處于優(yōu)勢(shì)狀態(tài)。林分零度混交結(jié)構(gòu)單元占有相當(dāng)大的比例，林分屬零度混交與弱度混交狀態(tài)之間，混交程度較低。

3)研究林分結(jié)構(gòu)特征不僅要關(guān)注林木徑級(jí)分布、樹高等指標(biāo)，更應(yīng)關(guān)注林分空間結(jié)構(gòu)信息，以便全方位了解林分結(jié)構(gòu)。研究林分結(jié)構(gòu)特征是研建新一代林分生長(zhǎng)模型的基礎(chǔ)，是提高林分經(jīng)營(yíng)管理水平的重要途徑。另外，通過(guò)結(jié)構(gòu)化經(jīng)營(yíng)，進(jìn)行林分結(jié)構(gòu)調(diào)整，使林分內(nèi)優(yōu)勢(shì)樹種趨于隨機(jī)分布，調(diào)整林木大小比數(shù)，改善林木競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，促進(jìn)林木生長(zhǎng)，調(diào)整林分混交度，提高林分質(zhì)量與穩(wěn)定性，可促使林分向著更加健康的方向發(fā)展。

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StudyonStructureCharactersofChineseFirandLiriodendronMixedForest——A Case Study of the Da Shantang Forest Farm in Guangxi

MO Haizhi1，PAN Jie2，LI Yongliang3，SONG Yabin4

(1.Forestry Bureau of Jinchengjiang，Hechi 547000，Guangxi，China； 2.Central South Forest Inventory and Planning Institute of State Forestry Administration, Changsha 410014，Hunan，China； 3.Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091，China； 4.Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004，Hunan，China)

The analyses of stand structure characters plays a vital role on studying stand growth and improving the forest management level.The detailed descriptions of stand structure characters can provide scientific reference for optimizing stand structure, promoting stand growth and selecting reasonable management measures.A plot of Chinese fir and Liriodendron mixed forest was taken as an example in the Da Shantang forest farm.The Chinese fir DBH distribution, the tree height and the stand spatial structure were analyzed.The results showed that the Chinese fir DBH distribution could be effectively fitted by the normal distribution, and the coefficient of determination between the theoretical and the actual value was 0.8808, that the unary quadratic model for estimating the tree height based on the DBH was applicable and the coefficient of determination was 0.9741；The stand distribution pattern was uniform distribution,Chinese fir was in some kind of intermediate and Liriodendron was superior, the stand mingling degree was low.

spatial structure；mingling degree；normal distribution；models；Chinese fir

2013-01-17

2013-03-13

莫海智(1980-)，男，廣西金城江人、工程師，主要從事森林資源監(jiān)測(cè)。

S792.21；S718.54﹢2

A

1003-6075(2013)02-0057-05