玉 寶

（國(guó)家林業(yè)和草原局 管理干部學(xué)院，北京 102600）

林分空間結(jié)構(gòu)是天然林研究焦點(diǎn)之一。優(yōu)化森林空間結(jié)構(gòu)是培育可持續(xù)森林的重要途徑[1]。目前研究以水平空間結(jié)構(gòu)為主，用混交度、大小分化度、林木分布格局[2-5]、林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)及空間結(jié)構(gòu)距離等指標(biāo)[6-7]，研究了空間結(jié)構(gòu)特征、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及采伐強(qiáng)度對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)的影響[5]等。天然林垂直空間結(jié)構(gòu)方面，由于林木分布具有非均一、非規(guī)則性特點(diǎn)[8]，成為空間結(jié)構(gòu)研究難點(diǎn)。目前主要采用林層[9-10]、林層比[11]、林層指數(shù)[12]等研究垂直結(jié)構(gòu)特征和參數(shù)計(jì)算方法。但這些指標(biāo)僅用于分析空間結(jié)構(gòu)特征屬性，難以反映林分空間利用情況，對(duì)林分空間利用的表征指標(biāo)、計(jì)算方法以及空間結(jié)構(gòu)參數(shù)與空間利用率的關(guān)系方面研究鮮見(jiàn)報(bào)道。盡管在人為誘導(dǎo)異齡復(fù)層林技術(shù)和促進(jìn)自然恢復(fù)演替作用[13]方面開(kāi)展部分研究，但在演替調(diào)控和垂直結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究不夠深入。目前，林分空間利用、尤其天然林空間利用(包括林分垂直空間利用以及林分整體空間利用)方面研究未見(jiàn)報(bào)道。賈亞運(yùn)等[14]認(rèn)為，林地空間利用的指標(biāo)包括枝下高、冠幅、單株葉面積和葉面積指數(shù)等。采用生長(zhǎng)空間指數(shù)(樹(shù)冠體積/胸徑)、生長(zhǎng)空間競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)(樹(shù)冠表面積/胸高斷面積)、根系(單株根量、根系密度)指標(biāo)，測(cè)算人工林林木個(gè)體水平空間利用能力[15-17]。但研究中未充分考慮林木分布格局和樹(shù)冠重疊因素，不足以揭示天然林空間利用規(guī)律。林分空間利用同林分結(jié)構(gòu)與功能緊密相關(guān)，掌握其規(guī)律特征對(duì)過(guò)伐林經(jīng)營(yíng)具有重要意義。在天然林生長(zhǎng)過(guò)程中，林分空間結(jié)構(gòu)和空間利用發(fā)生動(dòng)態(tài)變化，林木胸徑和高生長(zhǎng)不斷分化，達(dá)到一定密度范圍后生長(zhǎng)量受到抑制，在有限的空間內(nèi)逐漸被“合理布置”，由簡(jiǎn)單單層逐漸演替形成復(fù)層、異齡林和多代林。用水平或垂直單一結(jié)構(gòu)因子探討林分空間結(jié)構(gòu)規(guī)律，缺乏系統(tǒng)性，從林分空間利用出發(fā)用整體空間結(jié)構(gòu)因子探討其規(guī)律更有利于提升結(jié)構(gòu)優(yōu)化和撫育經(jīng)營(yíng)實(shí)際效果。本研究提出天然林林分空間利用基本概念和內(nèi)涵，探討大興安嶺過(guò)伐林林分空間利用規(guī)律，揭示其影響因子，以期為天然林結(jié)構(gòu)優(yōu)化和撫育經(jīng)營(yíng)提供理論和技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)為內(nèi)蒙古大興安嶺森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，50°49'～50°51'N，121°30'～121°31'E，海拔800～1 100 m。屬寒溫帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均氣溫為-5.4 ℃，最低氣溫-50.0 ℃，≥10 ℃年積溫1 403 ℃；年降水量450～550 mm，60%降水集中在7-8月，全年無(wú)霜期80 d。境內(nèi)連續(xù)多年凍土和島狀多年凍土交錯(cuò)分布。林下土壤為棕色針葉林土、灰色森林土和黑鈣土，土層厚度20～40 cm，基巖以花崗巖與玄武巖為主。森林以興安落葉松Larix gmelinii為建群種的寒溫帶針葉林，伴生樹(shù)種有白樺Betula platyphylla和山楊Populus davidiana等。林下主要有杜鵑Rhododendron dahuricum等灌木和紅花鹿蹄草Pyrola incarnate、舞鶴草Maianthemum bifolium等草本植物。

研究區(qū)過(guò)伐林是在20世紀(jì)80年代初主伐利用后形成的。1982-1986年當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門(mén)對(duì)調(diào)查地林分進(jìn)行了采伐作業(yè)，作業(yè)方式為100 m等帶間隔皆伐，采伐間隔期10 a，作業(yè)面積150 hm2。伐前林齡為120～180 a，蓄積量80～120 m3·hm-2，郁閉度0.2～0.4，上層母樹(shù)群團(tuán)狀分布，更新密度1 500～2 400株·hm-2，幼樹(shù)年齡5～15 a，幼樹(shù)組成為5落葉松5白樺。20世紀(jì)90年代初開(kāi)始轉(zhuǎn)為撫育經(jīng)營(yíng)，主要采取了透光伐和生長(zhǎng)伐等撫育經(jīng)營(yíng)措施。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

選擇有代表性的森林群落類(lèi)型，設(shè)置14塊樣地(表1)。進(jìn)行每木檢尺，調(diào)查更新(DBH＜5.0 cm)情況及生長(zhǎng)指標(biāo)。將樣地按2.5 m×2.5 m (14塊樣地DBH≥5.0 cm林木的平均冠幅2.4 m)進(jìn)行網(wǎng)格化，劃分若干個(gè)樣方。以樣地西南角作為坐標(biāo)原點(diǎn)，用皮尺測(cè)量各樣方內(nèi)林木在樣地內(nèi)的相對(duì)坐標(biāo)。應(yīng)用方差/均值比率法求算林木聚集系數(shù)，檢驗(yàn)林木分布格局[9]。采用樹(shù)冠光競(jìng)爭(zhēng)高度原理將林分垂直層次劃分為主林層、演替層和更新層[9]。

表1 樣地概況Table 1 Survey of sample plots

2.2 林分空間利用率計(jì)算方法

林分空間利用是指在特定立地和林分結(jié)構(gòu)條件下，林木在林分水平和垂直空間中合理利用溫度、光照、水分以及營(yíng)養(yǎng)空間的過(guò)程。林分空間利用率是林分空間被利用水平或填充度。主要表現(xiàn)在林木株數(shù)、林木個(gè)體大小、正向演替、在林分中的位置以及格局等方面。

林分綜合空間利用率計(jì)算方法：以水平空間利用率和垂直空間利用率為指標(biāo)，應(yīng)用熵權(quán)法[18]計(jì)算2個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)重，再計(jì)算樣地林分綜合空間利用率。計(jì)算公式：Yi=RHSUW1+RVSUW2。其中：Yi為第i個(gè)樣地林分綜合空間利用率；W1和W2分別為水平空間利用率和垂直空間利用率指標(biāo)的熵權(quán)重，本研究中W1=0.48，W2=0.52。

2.3 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，應(yīng)用SPSS 17.0進(jìn)行相關(guān)性分析，依據(jù)Pearson相關(guān)系數(shù)和雙側(cè)顯著性檢驗(yàn)結(jié)果，篩選影響空間利用率的相關(guān)因子。對(duì)林分空間利用率與其顯著相關(guān)因子進(jìn)行逐步回歸分析，確定主要影響因子。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分水平空間利用特征

各樣地水平空間利用率為62.5%～85.9%，平均達(dá)73.6%(表2)。由于各樣地林木株數(shù)、分布格局和位置關(guān)系不同，因而有林木生長(zhǎng)的樣方數(shù)量也不同，水平空間利用率有較大差異。水平空間利用率大小與林分結(jié)構(gòu)有關(guān)(表3)。水平空間利用率與樣地林木株數(shù)、更新密度、林木聚集系數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)；與林分蓄積量顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)；與林分平均胸徑極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。隨著林分更新、林木株數(shù)增多，林分空隙逐漸被填充，水平空間利用率也提高；隨著林木聚集系數(shù)增加，林木分布格局、樣方間林木株數(shù)差異變大，所占林分空間增大，水平空間利用率也提高；隨著林分平均胸徑和蓄積量增加，更新幼樹(shù)所占空間減少，更新密度、林木株數(shù)趨于減小，水平空間利用率降低。說(shuō)明目前林分密度較小，林木株數(shù)較少，林木分布不均，有林木的樣方頻度較低。

空間利用率體現(xiàn)不同生長(zhǎng)階段林分中林木分布和數(shù)量比例合理性。本研究對(duì)象為中幼齡林，林分中有相當(dāng)數(shù)量的更新幼樹(shù)和小徑木。林分空間利用率越高，并非生產(chǎn)力就越高，生產(chǎn)力高低與林木胸徑、樹(shù)高與株數(shù)有關(guān)，幼樹(shù)對(duì)生產(chǎn)力作用甚微。

3.2 林分垂直空間利用特征

因立地條件、林木生物學(xué)特征、林分生長(zhǎng)階段等不同，林分垂直空間大小不一，成熟林垂直空間將會(huì)達(dá)到最大水平。各樣地垂直空間利用率為31.2%～65.5%，平均達(dá)46.0%(表2)。由于各樣地林分高度、不同高度林木株數(shù)不同，林分垂直空間大小和空間利用率也不同。林分垂直空間利用率與更新層高極顯著正相關(guān)(P＜0.01)(表4)；與樣地林木株數(shù)、更新密度、林木聚集系數(shù)顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)；與垂直層次數(shù)[9]、主林層高、演替層高、主林層與更新層高差、演替層與更新層高差、更新層株數(shù)極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)。隨著垂直層次數(shù)增加，主林層和演替層同更新層間的高差變大，林分平均高度減小，全林木總高度趨于減小，垂直空間利用率降低；隨著主林層高、更新密度或更新層株數(shù)增加，優(yōu)勢(shì)木總高度增加，而全林木總高度趨于減小，垂直空間利用率降低；同理，隨著演替層高度增加，演替層與更新層高差變大，垂直空間利用率也降低；隨著更新層高度增加，林分平均高度也增加，全林木總高度趨于增加，垂直空間利用率也增加；隨著樣地林木株數(shù)、更新層株數(shù)增加，林木聚集系數(shù)增加，各層與更新層間高差也增加，從而垂直空間利用率降低。

林分優(yōu)勢(shì)木高度相近情況下，垂直層林木高度分布狀態(tài)不同時(shí)，垂直空間利用率會(huì)不同。處在中幼齡階段的林分空間利用率高低，與林木株數(shù)特別是與林分垂直層次中的各層林木株數(shù)有直接關(guān)系。在林分中有相當(dāng)數(shù)量的更新幼樹(shù)、主林層以下的林木，這些林木的數(shù)量比例對(duì)林分垂直空間利用率的高低有直接影響。優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)時(shí)，如何合理控制林分垂直各層次林木株數(shù)以及各層同更新層間的高差是關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

3.3 林分綜合空間利用特征

為了綜合評(píng)價(jià)林分空間利用水平，經(jīng)用熵權(quán)法計(jì)算，各樣地林分綜合空間利用率為50.1%～68.7%，平均59.2%(表2)。各樣地以林分綜合空間利用率高低的排序與以水平空間利用率和垂直空間利用率高低的排序并非一致。說(shuō)明影響綜合空間利用率的因素是綜合性的。綜合空間利用率與林分密度、主林層株數(shù)顯著正相關(guān)(P＜0.05)(表5)；與主林層高、主林層與更新層高差極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)；與垂直層次數(shù)、潛替層高顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.05)。表明林分綜合空間利用率受水平和垂直結(jié)構(gòu)綜合因子影響，主要體現(xiàn)在林木株數(shù)、垂直層高、各林層與更新層間高差等方面。因此在林分密度合理情況下，垂直層出現(xiàn)“斷層”將會(huì)降低林分綜合空間利用率。

表2 各樣地林分空間利用率Table 2 Stand space utilization ratio of various sample plots

表3 水平空間利用率與各因子相關(guān)性分析Table 3 Correlation coefficients between horizontal space utilization ratio and each factor

表4 垂直空間利用率與各因子相關(guān)性分析Table 4 Correlation coefficients between vertical space utilization ratio and each factor

表5 綜合空間利用率與各因子相關(guān)性分析Table 5 Correlation coefficients between stand space utilization ratio and each factor

3.4 林分空間利用率影響因子

為確定影響空間利用率主要因子，對(duì)空間利用率與其顯著相關(guān)的因子做了逐步回歸分析(表6)。影響水平空間利用率、垂直空間利用率、綜合空間利用率的主要因子分別為更新密度，演替層與更新層高差，主林層高、林分密度、演替層高。確保林分不同生長(zhǎng)階段的自然更新能力[19-20]和生境異質(zhì)性，使林分密度和年齡結(jié)構(gòu)更趨優(yōu)化，可提高林分水平空間利用率。隨著林分生長(zhǎng)和演替變化，林木高度、各層林木數(shù)量和高度逐漸被調(diào)整，垂直空間利用率也發(fā)生變化。因此，依據(jù)林分演替規(guī)律，調(diào)控演替層和更新層等在林分垂直層次中最“活躍”的部分，確保在不同生長(zhǎng)階段的林木高度呈階梯式分布，形成復(fù)層林，從而提高林分垂直空間利用率。林分綜合空間利用率是水平空間和垂直空間的綜合體現(xiàn)，其影響機(jī)理較復(fù)雜，進(jìn)入方程的因子數(shù)量明顯增多(表6)，先后將主林層高、林分密度和演替層高等3個(gè)因子引入了方程。說(shuō)明林層高度和林木株數(shù)是影響綜合空間利用率的關(guān)鍵因子。通過(guò)合理保持主林層和演替層同更新層的高差，使各層林木株數(shù)呈階梯式分布，合理保持林分密度，從而可提高林分綜合空間利用率。

表6 林分空間利用率(Y)與影響因子(X)的回歸分析Table 6 Stepwise regression analysis of stand space utilization ratio (Y) and influence factors (X)

4 討論

林分生長(zhǎng)是填充林分空間的過(guò)程，也是林分空間大小和利用率動(dòng)態(tài)變化的過(guò)程。提高林分空間利用率是在林分不同生長(zhǎng)階段使空間利用率最大化，林分空間能夠可持續(xù)利用、循環(huán)利用的問(wèn)題。研究認(rèn)為調(diào)控林分空間利用率是優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)、提高林分生產(chǎn)力、強(qiáng)化林分功能的重要技術(shù)措施，屬于森林撫育經(jīng)營(yíng)范疇。在越來(lái)越重視林分結(jié)構(gòu)和功能情況下，僅圍繞目標(biāo)樹(shù)、保留木[21]提出撫育經(jīng)營(yíng)方案，可能有些片面性，將影響森林整體功能效益。依據(jù)林分空間利用情況，以提高林分空間利用率為目標(biāo)，設(shè)計(jì)林分整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，可能更適合過(guò)伐林的撫育經(jīng)營(yíng)。

本研究計(jì)算林分空間利用率時(shí)僅考慮了喬木層，未考慮灌木和草本層，對(duì)完整垂直結(jié)構(gòu)的林分空間利用規(guī)律有待深入研究。在計(jì)算公式中未考慮冠幅[14]、胸高斷面積及郁閉度[22]等指標(biāo)。天然林冠幅重疊率較高，若用冠幅指標(biāo)測(cè)算林分空間利用率必然會(huì)影響其準(zhǔn)確性。胸高斷面積和郁閉度指標(biāo)能夠體現(xiàn)林木所占面積，但不能體現(xiàn)林木位置關(guān)系和分布格局，無(wú)法更好地揭示林分水平空間利用規(guī)律。本研究水平空間利用率計(jì)算方法與傳統(tǒng)林木個(gè)體營(yíng)養(yǎng)空間利用率概念有較大區(qū)別，不僅考慮大樹(shù)，也考慮了幼樹(shù)對(duì)林分空間利用，避免了林木單株個(gè)體大小(胸徑、胸高斷面積、樹(shù)冠大小)因素干擾。在結(jié)果中，水平空間利用率與林分蓄積量和平均胸徑呈極顯著負(fù)相關(guān)。這主要是測(cè)算空間利用率時(shí)以樣方數(shù)量為計(jì)數(shù)單位，有林木樣方數(shù)量和林木出現(xiàn)頻度來(lái)體現(xiàn)空間利用規(guī)律，并非簡(jiǎn)單的以所占面積比例來(lái)計(jì)算，空間利用率的高低與該林分密度、林木分布格局及所占樣方數(shù)量有關(guān)。垂直空間利用率是動(dòng)態(tài)變化的，因演替階段、林齡階段(幼齡、中齡、近熟林、成熟林和過(guò)熟林)的不同而不盡相同。本研究垂直空間利用率計(jì)算與傳統(tǒng)的劃分林層來(lái)分析垂直空間結(jié)構(gòu)特征有著較大區(qū)別。本研究垂直空間利用率的計(jì)算避免了單一考慮生產(chǎn)力，從天然林自然更新能力、林分演替、垂直結(jié)構(gòu)特征方面分析垂直空間利用率，體現(xiàn)各層林木株數(shù)和分布高度的合理性問(wèn)題。垂直空間利用率高低涉及到垂直空間結(jié)構(gòu)合理性問(wèn)題，與垂直層次、各層林木株數(shù)和林木高度有關(guān)。并非垂直層次數(shù)越多、層次結(jié)構(gòu)越復(fù)雜就空間利用率越高，還得看層數(shù)合理性、各層高度、高差以及株數(shù)分配比例情況。垂直空間利用率最高應(yīng)該出現(xiàn)在近熟林、成熟林或過(guò)熟林階段，本研究林分處在中幼齡階段，因此具有特殊性。林木在垂直空間中階梯式分布，能夠充分填充林分垂直空間，空間利用率自然就高。主林層越高，則林分垂直空間越大，但不代表空間利用率就高，畢竟主林層林木株數(shù)少，對(duì)全林木總高的增加作用甚微，主要取決于林木株數(shù)較多的演替層和更新層高度。垂直空間利用率低，說(shuō)明盡管層次數(shù)多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但各層高度、林木株數(shù)分配比例不合理。例如，主林層林木株數(shù)偏少，演替層或者更新層較低且林木株數(shù)過(guò)多等等。

本研究采用有林木的樣方數(shù)和樹(shù)高表述林分空間利用率，相對(duì)簡(jiǎn)單而便于操作，采用的林分空間利用率計(jì)算指標(biāo)并非完全是衡量生產(chǎn)力評(píng)判指標(biāo)。測(cè)算的垂直空間利用率普遍低于水平空間利用率，可見(jiàn)林木對(duì)垂直空間利用不足[22]，這除了與人為采伐干擾有關(guān)，還與目前林分全林木高度離達(dá)到優(yōu)勢(shì)木高度還有較大差距(存在多代林)有關(guān)。說(shuō)明目前的林分空間利用率有較大提高空間。林木在垂直層呈階梯式分布，而且各層林木株數(shù)比例和高差合理，采伐第一層林木后較短的間隔期內(nèi)能夠被填充，是保持較高空間利用率的關(guān)鍵所在。盡管本研究初步測(cè)算了林分空間利用率，但未做對(duì)照處理(必須是未受干擾過(guò)的原始林)，還因研究地點(diǎn)、樣地?cái)?shù)量、缺乏林分空間利用率評(píng)價(jià)指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)等因素的限制，難以客觀評(píng)價(jià)林分空間利用情況，有待進(jìn)一步豐富理論，改進(jìn)技術(shù)方法，擴(kuò)大研究范圍，從而證實(shí)研究結(jié)果的適宜性。本研究空間利用率計(jì)算方法、指標(biāo)以及公式主要依據(jù)天然林結(jié)構(gòu)特征所提出的方法，適用中幼齡天然林空間利用率估算。對(duì)于近熟林、成熟林和過(guò)熟林以及人工林的林分空間利用率計(jì)算需要進(jìn)一步研究探討。曹小玉等[22]利用林層指數(shù)、林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)杉木Cunninghamialanceolata人工林林分空間結(jié)構(gòu)，但目前仍然缺乏對(duì)天然林林分空間結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)技術(shù)方法，這是下一步研究的重點(diǎn)。另外，本研究對(duì)象為過(guò)伐林，受過(guò)人為干擾，目前空間利用率現(xiàn)狀是受干擾后所形成的結(jié)果。至于人為干擾因素對(duì)林分空間利用率的影響及其兩者關(guān)系有待于進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

本研究林分空間利用率計(jì)算指標(biāo)主要體現(xiàn)林木分布格局、林分演替、更新能力以及在水平和垂直層面?zhèn)€體大小不同的林木(大樹(shù)、更新幼樹(shù))分布合理性及合理數(shù)量分配比例。其計(jì)算出的空間利用率可為調(diào)控林分演替、優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)提供技術(shù)參考。通過(guò)調(diào)控林分空間利用率，修復(fù)天然林因人為干擾嚴(yán)重導(dǎo)致的林分結(jié)構(gòu)“過(guò)度”自然狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)更趨優(yōu)化，提高營(yíng)養(yǎng)空間的利用率，有效填充林分空間。本研究初步提出了林分空間利用率基本內(nèi)涵、計(jì)算方法和公式，分析了大興安嶺過(guò)伐林林分空間利用規(guī)律，揭示了影響因子，可為過(guò)伐林結(jié)構(gòu)優(yōu)化、撫育經(jīng)營(yíng)提供技術(shù)參考。

經(jīng)計(jì)算，林分水平空間利用率、垂直空間利用率、綜合空間利用率分別為62.5%～85.9%、31.2%～65.5%、50.1%～68.7%，平均水平分別為73.6%、46.0%、59.2%。影響林分空間利用率的因子較多。其中林木聚集系數(shù)、樣地林木株數(shù)、更新密度、林分平均胸徑和林分蓄積量與水平空間利用率顯著相關(guān)，其中更新密度是主要影響因子；垂直層次數(shù)、主林層高、演替層高、更新層高、主林層與更新層高差、演替層與更新層高差、更新層株數(shù)、林木聚集系數(shù)、更新密度、樣地林木株數(shù)與垂直空間利用率顯著相關(guān)，其中演替層與更新層高差是主要影響因子；林分密度、垂直層次數(shù)、主林層高、演替層高、主林層與更新層高差、主林層株數(shù)等與林分綜合空間利用率顯著相關(guān)，其中主林層高、林分密度、演替層高是主要影響因子?？赏ㄟ^(guò)調(diào)控上述因子來(lái)實(shí)現(xiàn)提高林分空間利用率和優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)的目標(biāo)。需要采取兼顧水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)多種因素的立體技術(shù)措施，在林分不同生長(zhǎng)階段合理調(diào)控林分密度，確保林分自然更新能力，合理調(diào)整林分各層次林木株數(shù)和高度分布，形成階梯式分布狀態(tài)，使林分空間得到充分利用。