朱俐娜，彭祚登

（北京林業(yè)大學(xué) 省部共建森林培育與保護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

近年來(lái)，森林在城市生態(tài)環(huán)境建設(shè)中的地位得到高度重視［1］。伴隨著城市森林的發(fā)展，人工造林成為營(yíng)建城市森林的重要途徑。然而，人工林存在樹(shù)種組成單一、林木空間配置不盡合理等諸多問(wèn)題，這在很大程度上降低了林分功能的發(fā)揮。由于林分空間結(jié)構(gòu)影響林分功能的發(fā)揮，所以，研究林分空間結(jié)構(gòu)，有助于提高林分功能的發(fā)揮。

與林木空間位置有關(guān)的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為林分空間結(jié)構(gòu)。林分空間結(jié)構(gòu)是對(duì)林分發(fā)展過(guò)程的綜合反映［2］，其在較大程度上決定林分穩(wěn)定性、經(jīng)營(yíng)空間大小和發(fā)展可能性。空間結(jié)構(gòu)可以從林木個(gè)體大小、樹(shù)種空間隔離程度、林木個(gè)體分布格局加以描述。在空間結(jié)構(gòu)指數(shù)研究中，對(duì)象木的最近鄰木株數(shù)的取值非常關(guān)鍵，無(wú)論其取值過(guò)大還是過(guò)小，都將導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的有偏估計(jì)，而用Voronoi圖確定最近鄰木株數(shù)，則可以克服以上缺點(diǎn)［3］。

本研究以北京郊野公園和城市公園為試驗(yàn)點(diǎn)，調(diào)查樣地林木，利用Voronoi圖確定林木空間結(jié)構(gòu)單元，并采用混交度、大小比數(shù)、聚集指數(shù)分析林分空間結(jié)構(gòu)。

1 研究地概況

研究所調(diào)查的郊野公園有東升八家郊野公園（簡(jiǎn)稱(chēng)“八家公園”）、金田公園、將府公園和京城槐園，城市公園有奧林匹克森林公園（簡(jiǎn)稱(chēng)“奧森公園”）。八家公園占地面積101.5hm2，種植喬、灌木百余個(gè)品種；金田公園占地面積66.7hm2，以自然、野趣為特色；將府公園占地面積為56.0hm2，是北京市綠化隔離帶公園環(huán)項(xiàng)目之一；京城槐園占地面積73.2hm2，園內(nèi) 以 國(guó) 槐 （Sophora japonica）和 刺 槐 （Robinia pseudoacacia）為主；奧森公園分南園和北園，占地面積分別為380hm2和300hm2，園內(nèi)由多種鄉(xiāng)土植物及群落構(gòu)成主要的景觀體，植被覆蓋率達(dá)90%（植物群落區(qū)域占地面積高于70%）［4］。樣地基本情況見(jiàn)表1。

表1 樣地基本信息Table 1 Basic information of the sample plots

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置和林分調(diào)查

根據(jù)典型性和代表性原則，在典型林分中設(shè)置了12塊面積為30m×30m的樣地，包括6塊純林和6塊混交林。將樣地內(nèi)的所有林木進(jìn)行編號(hào)，調(diào)查每株林木（胸徑超過(guò)2cm）的胸徑、樹(shù)高、枝下高、冠幅，并利用超聲波測(cè)距儀（VertexⅣ，Sweden）測(cè)定其相對(duì)坐標(biāo)（x，y）。

林分的空間結(jié)構(gòu)單元是由林分內(nèi)任意一株對(duì)象木合離它最近的n株相鄰木所構(gòu)成的［5］。根據(jù)調(diào)查過(guò)程中確定的每株林木的相對(duì)坐標(biāo)，利用ArcGIS 10.2中的創(chuàng)建泰森多邊形工具創(chuàng)建Voronoi圖，對(duì)象木的最近鄰木株數(shù)與Voronoi圖相對(duì)應(yīng)多邊形的數(shù)目相等［6］。

因位于樣地邊緣的對(duì)象木的最近鄰木可能在樣地之外，所以要進(jìn)行邊緣矯正。本研究采用的邊緣矯正方法為距離緩沖區(qū)法，確定2m為樣地的緩沖距離［7］，即距離樣地邊緣2m以?xún)?nèi)的樹(shù)木只作為競(jìng)爭(zhēng)木，其余林木則既是競(jìng)爭(zhēng)木也是對(duì)象木。

2.2 林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)

2.2.1 混交度 混交度被定義為對(duì)象木與其n株最近鄰木為非同種的概率，用以描述樹(shù)種的空間隔離程度。其計(jì)算公式為［8］：

當(dāng)對(duì)象木i和第j株相鄰木非同種時(shí)，Vij為1；反之，為0。n為最近鄰木株數(shù)。

2.2.2 大小比數(shù) 大小比數(shù)是指大于對(duì)象木的最近鄰木數(shù)占n株最近鄰木的比例。在實(shí)際調(diào)查中，可以采用胸徑、樹(shù)高或冠幅來(lái)確定大小比數(shù)，其中胸徑大小比數(shù)更易測(cè)定且更準(zhǔn)確可靠［9-10］，所以本文采用胸徑作為測(cè)算指標(biāo)。大小比數(shù)越大說(shuō)明林木分化程度越高。其計(jì)算公式為［11］：

當(dāng)對(duì)象木i的胸徑比相鄰木j小時(shí)，Kij記為1；反之，為0。n為最近鄰木株數(shù)。

2.2.3 聚集指數(shù) 聚集指數(shù)是Clark等（1954）提出的檢驗(yàn)空間分布格局的常用指數(shù)，是最早采用與距離有關(guān)的空間格局指數(shù)［12］。聚集指數(shù)的計(jì)算公式為［13］：

式中：Ri為對(duì)象木i的聚集指數(shù)；ri為對(duì)象木i到其最近鄰木的距離；F為矯正標(biāo)準(zhǔn)地的面積；N為矯正標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)目標(biāo)林木的總株數(shù)?？臻g分布格局判別規(guī)則：Ri＞1，呈均勻分布；Ri＜1，呈聚集分布；Ri=1，呈隨機(jī)分布。采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布來(lái)檢驗(yàn)聚集指數(shù)偏離1的顯著性［14］。

以上3個(gè)參數(shù)都是基于一個(gè)空間結(jié)構(gòu)單元的，所以需要計(jì)算樣地內(nèi)所有林木的結(jié)構(gòu)單元的參數(shù)平均值來(lái)分析整個(gè)樣地的空間結(jié)構(gòu)［15］。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分空間結(jié)構(gòu)單元

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)象木的最近鄰木株數(shù)范圍為3～10株，平均為5.32株，最近鄰木為4～6株的對(duì)象木占76.31%（圖1）。由此可知，試驗(yàn)地存在8種空間結(jié)構(gòu)單元，以1株對(duì)象木和5株最近鄰木構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)單元最為常見(jiàn)。

圖1 對(duì)象木的最近鄰木株數(shù)頻率分布Fig.1 Frequency distribution of the number of nearest neighbor trees around the target tree

3.2 樹(shù)種空間隔離程度

闊葉純林（1～6號(hào)）平均混交度均為0.000；闊葉混交林（7～9號(hào)）平均混交度表現(xiàn)為：8號(hào)（0.838）＞9號(hào)（0.790）＞7號(hào)（0.572）；針闊混交林（10～12號(hào)）平均混交度表現(xiàn)為：12號(hào)（0.496）＞11號(hào)（0.425）＞10號(hào)（0.352）。有研究結(jié)果表明：群落穩(wěn)定性越高，混交度有越高的趨勢(shì)［16］，所以，就林分目前的混交情況來(lái)看，闊葉混交林比闊葉純林和針闊混交林穩(wěn)定性要好（圖2）。

在各混交林樣地中，不同樹(shù)種的混交度存在差異，且同一樹(shù)種在不同林分中的混交度也存在差異，如白蠟在7號(hào)樣地的混交度為0.430，而在8號(hào)樣地中的混交度達(dá)0.878，這是由于其在不同林分中，有的作為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，有的作為伴生樹(shù)種（圖2）。

圖2 混交林各組成樹(shù)種的混交度Fig.2 Mingling of each tree species in mixed forest stand

3.3 林木胸徑大小分化程度

闊葉純林（1～6號(hào)）平均胸徑大小比數(shù)表現(xiàn)為：1號(hào)（0.570）＞4號(hào)（0.506）＞5號(hào)（0.490）＞6號(hào)（0.479）＞3號(hào)（0.474）＞2號(hào)（0.459）；闊葉混交林（7～9號(hào)）平均胸徑大小比數(shù)表現(xiàn)為：8號(hào)（0.675）＞7號(hào)（0.514）＞9號(hào)（0.441）；針闊混交林（10～12號(hào)）平均胸徑大小比數(shù)表現(xiàn)為：12號(hào)（0.580）＞10號(hào)（0.532）＞11號(hào)（0.514）。由此可知，所有林分的水平異質(zhì)性不高，林分處于中等競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。

在各樣地中，林分胸徑大小比數(shù)較高的樹(shù)種，表明其在胸徑生長(zhǎng)上處于劣勢(shì)，如9號(hào)樣地的元寶楓；而林木胸徑大小比數(shù)較低的樹(shù)種，表明其在水平方向的生長(zhǎng)上有較大的空間，如8號(hào)樣地的毛白楊（表2）。

表2 各林分各組成樹(shù)種的大小比數(shù)Table 2 Neighborhood comparison of each tree species in each forest stand

3.4 林木空間分布格局

聚集指數(shù)可以反映相鄰木的空間聚集程度。各林分平均聚集指數(shù)處于0.894～2.037，除了9號(hào)（0.963）和12號(hào)（0.894）樣地顯著＜1（u＞u0.05），其余林分均顯著＞1（u＞u0.05），說(shuō)明9號(hào)和12號(hào)樣地呈明顯的聚集分布，其余各林分呈明顯的均勻分布，這一結(jié)果與其人工栽植方式有密切關(guān)系。

表3 各樣地的林木空間分布格局Table 3 Spatial distribution pattern of tree individuals in each plot

4 結(jié)論與討論

在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)，林分存在8種空間結(jié)構(gòu)單元，其中，以1株對(duì)象木和5株最近鄰木的空間結(jié)構(gòu)單元最為常見(jiàn)，與湯孟平［3］等、郝月蘭［9］等和汪平［17］等基于Voronoi圖確定的空間結(jié)構(gòu)單元基本一致，表明在不同類(lèi)型的林分中可能存在相似的空間結(jié)構(gòu)單元。Voronoi圖實(shí)際上是反映林木之間的空間競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果［8］，利用Voronoi圖確定林分空間結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性、靈活性和實(shí)用性，對(duì)今后的相關(guān)研究有重要意義。

除了闊葉純林平均混交度均為0.000外，其余各林分平均混交度處于0.352～0.838。闊葉混交林的混交度均高于針闊混交林，這與其人工栽植方式有密切關(guān)系。一般認(rèn)為混交度越大，林分相對(duì)越穩(wěn)定，林分功能的發(fā)揮就越充分，而郊野公園和城市公園中依然存在一定數(shù)量的純林（如臭椿等），所以，建議在今后的管理中，通過(guò)間伐和補(bǔ)植措施來(lái)提高林分的混交度，如在闊葉純林和闊葉混交林中補(bǔ)植針葉樹(shù)種，在針闊混交林中補(bǔ)植灌木樹(shù)種。郊野公園、城市公園等主要體現(xiàn)自然景觀的野趣，將生態(tài)旅游和休閑度假進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，提高林分混交度，有利于提高游憩質(zhì)量，以滿(mǎn)足現(xiàn)代城市居民踏青郊外、回歸自然的需求。

各林分平均大小比數(shù)均處于0.441～0.675，表明林分水平異質(zhì)性不高，林分處于中等競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。在闊葉純林中，各林分的胸徑差異不大，為了提高林分的穩(wěn)定性，可采取間伐、補(bǔ)植措施。在混交林中，對(duì)于元寶楓、紫丁香、白皮松、黃櫨等樹(shù)種來(lái)說(shuō)，其數(shù)量較少、競(jìng)爭(zhēng)壓力大，但極具觀賞價(jià)值，所以，建議對(duì)其周?chē)牧帜静扇￠g伐措施，降低其所受到的競(jìng)爭(zhēng)壓力，以達(dá)到促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育的目的。

各林分的聚集指數(shù)處于0.894～2.037，多數(shù)呈均勻分布，少數(shù)呈聚集分布。這樣的現(xiàn)象與其人工起源密切相關(guān)，最初的人工栽植方式多采用均勻的配置方式，而隨著城市森林的大力發(fā)展，近自然林的思想不斷影響著城市森林的營(yíng)建，人工栽植的方式不再拘泥于均勻的配置方式，而是逐步采用隨機(jī)、聚集的配置方式。

本研究以郊野公園和城市公園為試驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)常見(jiàn)林分的空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析，為更好地經(jīng)營(yíng)林分提供了理論基礎(chǔ)，為今后北京平原人工造林工作提供了理論依據(jù)。在實(shí)際工作中，建議各公園的林業(yè)工作者定期對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行調(diào)查和分析，并采取撫育間伐等經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)林分空間結(jié)構(gòu)調(diào)控［18］。

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