康華榮， 朱 昕， 楊 蕊， 田育新,4

1. 汨羅市林業(yè)局， 湖南 汨羅 414400；2.湖南省林業(yè)局， 湖南 長(zhǎng)沙 410004；3.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南長(zhǎng)沙 410004；4.湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站， 湖南 慈利 427200)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體之一，具有涵養(yǎng)水源、固碳釋氧、水土保持、保護(hù)生物多樣性、維持生態(tài)系統(tǒng)平衡等作用。由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，森林生態(tài)系統(tǒng)的壓力越來(lái)越大，森林資源也日漸減少。近年來(lái)我國(guó)林業(yè)開始向現(xiàn)代林業(yè)轉(zhuǎn)變，形成了系統(tǒng)的森林分類經(jīng)營(yíng)理論，將我國(guó)森林分為商品林和生態(tài)公益林。生態(tài)公益林主要以保護(hù)和改善人類社會(huì)生存環(huán)境為目的，其經(jīng)營(yíng)目的主要包括保持生態(tài)平衡、維持生物多樣性、保存種質(zhì)資源、旅游休憩、國(guó)防等[1]。

國(guó)外松泛指20世紀(jì)30年代從國(guó)外引進(jìn)的濕地松、火炬松和加勒比松等針葉樹種。由于其速生和高產(chǎn)量的特性，國(guó)外松已成為我國(guó)亞熱帶地區(qū)主要造林樹種之一[2]。近期研究表明，由于造林密度過(guò)大、管理不到位等原因，導(dǎo)致國(guó)外松林分生長(zhǎng)不良，更新較慢等。林分的胸徑結(jié)構(gòu)是指林分內(nèi)不同胸徑的林木個(gè)體按照徑階的分布情況，是反映林分結(jié)構(gòu)最為直觀的指標(biāo)之一[3]，是進(jìn)行造林、規(guī)劃、采伐、政策制定等管理活動(dòng)的重要參考指標(biāo)[4]。對(duì)于當(dāng)代林業(yè)來(lái)說(shuō)，森林經(jīng)營(yíng)正向多功能型發(fā)展，生態(tài)保護(hù)與木材產(chǎn)量同樣重要，培育大徑材已成為當(dāng)代森林經(jīng)營(yíng)的主要目標(biāo)之一[5-6]。一般來(lái)說(shuō)，樹冠結(jié)構(gòu)對(duì)樹木生產(chǎn)力具有決定性作用[7]，其中冠幅(crown length)和冠高比(crown ratio)是樹冠結(jié)構(gòu)的兩個(gè)最主要參數(shù)和重要的變量[8-9]。冠幅受到地理?xiàng)l件的影響，常作為評(píng)價(jià)林木間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的指標(biāo)，而冠高比是指冠幅與樹高的比值，常用于預(yù)測(cè)樹木生長(zhǎng)量[10-11]。如何獲得林分的冠幅值是目前森林經(jīng)營(yíng)中的難題之一，因此，很多學(xué)者開展了相關(guān)研究，建立了一些冠幅預(yù)測(cè)模型。但實(shí)際上冠幅受經(jīng)營(yíng)、立地條件等因素的干擾，冠幅與各因素之間的關(guān)系十分復(fù)雜[12]，因此，僅使用相關(guān)分析并不能闡明胸徑等因子與冠幅之間的關(guān)系，而通徑分析同時(shí)考慮到變量因子對(duì)因變量的直接與間接作用，其結(jié)果更加精確且符合實(shí)際[13]。

本研究以岳陽(yáng)汨羅市國(guó)外松公益林為研究對(duì)象，利用正態(tài)分布函數(shù)擬合樣地國(guó)外松的胸徑分布，建立通徑模型預(yù)測(cè)國(guó)外松胸徑和樹高對(duì)冠幅的影響，為汨羅國(guó)外松林經(jīng)營(yíng)、改造和管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

汨羅市地處湖南省東北部，緊靠東洞庭湖，位于汨羅江下游，屬幕阜山脈與洞庭湖平原的過(guò)渡地帶，地處112°51′—113° 27′E，28°28′—29°27′N，其地勢(shì)東南部偏高、西北部偏低，整體由山地向?yàn)I湖平原呈梯降過(guò)渡。汨羅市的公益林面積為16885.6hm2，總蓄積量為9359310m3；保護(hù)率為26.46%，低于全省平均水平。該區(qū)氣候?yàn)閬啛釒駶?rùn)性氣候，四季較為分明，年平均氣溫為17℃，熱量充足，雨水集中。

2 研究方法

2.1 固定樣地設(shè)置

在汨羅市公益林內(nèi)選取具有代表性的國(guó)外松林分設(shè)置固定樣地。選擇地形、土壤和植物種類分布較一致，群落結(jié)構(gòu)相對(duì)完整的地段設(shè)置面積為25m(垂直等高線)×40m(平行等高線)=1000m2的樣地。隨后調(diào)查樣地林分年齡，測(cè)量每木胸徑、樹高、第一活枝高以及東、西、南、北4個(gè)方向的冠幅。林分胸徑等級(jí)的劃分采用2 cm徑階進(jìn)行劃分。固定樣地的坐標(biāo)為113.0922°E，28.8550°N，地貌為丘陵，海拔為33m，林齡為15 a。

2.2 數(shù)據(jù)分析

正態(tài)分布函數(shù)是擬合同齡林胸徑分布的常用函數(shù)。本研究選擇正態(tài)分布函數(shù)對(duì)林分的胸徑分布進(jìn)行擬合。偏度系數(shù)反映隨機(jī)變量分布的不對(duì)稱程度。峰度系數(shù)反映與正態(tài)分布相比，分布變量的尖銳度，因此，分別計(jì)算樣本分布的偏度系數(shù)與峰度系數(shù)。

本研究中，冠幅長(zhǎng)度為4個(gè)方向冠幅長(zhǎng)度的平均值，冠高為樹高減去第一個(gè)活枝的高度，冠高比為冠高與樹高的比值。隨后利用通徑分析模型分別計(jì)算胸徑、樹高與樹冠結(jié)構(gòu)的通徑系數(shù)。通徑分析模型的公式如下：

Pyi=bisi/sy；

Pyij=rijPyi。

式中：rij代表相關(guān)系數(shù)；Pyi代表直接通徑系數(shù)；Pyij代表間接通徑系數(shù)；b代表目的性狀(y)對(duì)原因性狀(i)的偏回歸系數(shù)，si、sy分別為原因性狀i與目的性狀y的標(biāo)準(zhǔn)差[14]。

3 結(jié)果與分析

3.1 國(guó)外松公益林胸徑分布規(guī)律

樣地中共有國(guó)外松47株，胸徑的范圍為5.7～26.0cm，平均值為16.4cm；樹高的范圍為5～14m，平均樹高為10m。根據(jù)每木檢尺結(jié)果，繪制徑階與株數(shù)分布關(guān)系的直方圖(圖1)。由圖1可知，樣地中的國(guó)外松徑階分布呈單峰曲線，處于中間徑階(12～20cm)的個(gè)體數(shù)量最多，而小徑階(低于12cm)和大徑階(高于20cm)的個(gè)體數(shù)量較少。從密度分布來(lái)看，胸徑密度分布曲線和正態(tài)分布概率密度曲線較為接近，表明胸徑的分布接近正態(tài)分布。

圖1 汨羅市國(guó)外松公益林胸徑分布Fig.1 DBH distribution of exotic pines in Miluo City

表1顯示由shapiro wilk統(tǒng)計(jì)量檢驗(yàn)的P值為0.20，表明樣本均來(lái)自正態(tài)分布總體。隨后根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分布的偏度系數(shù)為-0.08，表明樣本的胸徑分布偏右較為明顯，峰度系數(shù)為-0.54，表明樣本的胸徑分布較平坦，徑階分布離散程度較大。整體來(lái)說(shuō)，上述林分一般密度較大，單株之間互相重疊，林冠產(chǎn)生分化，下層植被光照不足，而優(yōu)勢(shì)木之間競(jìng)爭(zhēng)劇烈，對(duì)大徑階的個(gè)體生長(zhǎng)不利。以上結(jié)果表明汨羅市國(guó)外松公益林的結(jié)構(gòu)有待進(jìn)行調(diào)整，以促進(jìn)形成合理、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

表1 徑階分布正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of normal distribution of radial DBH distribution統(tǒng)計(jì)量值總數(shù)值個(gè)數(shù)47.00最小值4.00最大值26.00中位數(shù)16.00平均值15.49Shapiro wilk統(tǒng)計(jì)量0.97Shapiro wilk檢驗(yàn)P值0.20標(biāo)準(zhǔn)誤差平均0.39方差7.01標(biāo)準(zhǔn)差2.66變異系數(shù)0.34偏度系數(shù)-0.08峰度系數(shù)-0.54

3.2 國(guó)外松公益林樹冠結(jié)構(gòu)的通徑分析

通過(guò)通徑模型計(jì)算冠幅及冠高比與胸徑和樹高之間的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果(表2)表明:胸徑對(duì)冠幅的通徑系數(shù)為0.632，顯著性為極顯著(P<0.001)；樹高對(duì)冠幅的通徑系數(shù)為0.302，顯著性為極顯著(P<0.001)。胸徑和樹高的間接通徑系數(shù)分別為0.568和0.260，均低于直接通徑系數(shù)。以上結(jié)果表明： 胸徑和樹高對(duì)于冠幅的作用均為正向作用，且直接作用大于間接作用；同時(shí)，無(wú)論是直接作用還是間接作用，胸徑對(duì)于冠幅的影響均大于樹高的。由此可知，在實(shí)際經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中進(jìn)行冠幅判定和快速計(jì)算時(shí)，通過(guò)胸徑預(yù)測(cè)具有更高的可靠性和精準(zhǔn)度。

由胸徑和樹高對(duì)冠高比的分析結(jié)果(表2)可知：胸徑對(duì)于冠高比的直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)分別為-0.005和-0.003，且作用不顯著(P>0.05)，表明胸徑對(duì)冠高比幾乎無(wú)影響。樹高對(duì)于冠高比的直接通徑系數(shù)達(dá)到了0.663，顯著性為極顯著(P<0.001)，其間接通徑系數(shù)也達(dá)到了0.437，表明樹高是冠高比的重要影響因素，起到了正向影響作用，其直接作用大于間接作用。

表2 冠幅、冠高比與胸徑和樹高間的通徑系數(shù)Tab.2 Path coefficient among crown width, crown height ratio with the DBH and tree height參數(shù)冠幅冠高比胸徑樹高胸徑樹高直接通徑系數(shù)0.6320.302-0.0050.663標(biāo)準(zhǔn)差0.0610.0510.0120.111檢驗(yàn)P值4.15e-257.51e-70.9672.23e-9間接通徑系數(shù)0.5680.260-0.0030.437

4 結(jié)論與討論

汨羅市國(guó)外松公益林的胸徑結(jié)構(gòu)概率分布曲線為右偏的單峰曲線，其概率分布曲線的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)均為負(fù)值，表明該地區(qū)的國(guó)外松林分結(jié)構(gòu)不合理。

一般來(lái)說(shuō)，在正常生長(zhǎng)的、未遭受災(zāi)害的同齡純林，其胸徑結(jié)構(gòu)近似地服從正態(tài)分布[15]。從本研究的結(jié)果可知，汨羅國(guó)外松人工林大部分個(gè)體集中分布在中間徑級(jí)(12～20 cm)，大徑階和小徑階的個(gè)體較少，徑階多樣性不高。其主要原因可能是植株間距離較小，導(dǎo)致林木之間的激烈競(jìng)爭(zhēng)，影響了大徑階個(gè)體的生長(zhǎng)[16-17]。而由于林冠覆蓋導(dǎo)致林下光照不足，小徑階的個(gè)體獲取光照困難，且林下地被物較厚，林下更新的幼苗少[18]。針對(duì)這樣的現(xiàn)狀，在調(diào)整徑級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該降低胸徑接近平均值的個(gè)體比例，在保證個(gè)體生長(zhǎng)空間的基礎(chǔ)上，保留干形良好、無(wú)病害、胸徑較大的個(gè)體，然后栽植國(guó)外松幼苗來(lái)增加小胸徑個(gè)體的比例。此外，根據(jù)適地適樹原則，引入高價(jià)值的優(yōu)良鄉(xiāng)土樹種。這樣既提升了林分的胸徑多樣性，也增加了樹種的多樣性[19]，可充分發(fā)揮該地區(qū)公益林的生態(tài)效能。

對(duì)國(guó)外松林分冠幅的研究表明:胸徑和樹高對(duì)于冠幅均有顯著的正向影響，且利用胸徑快速估測(cè)冠幅值具有更高的準(zhǔn)確度，該結(jié)果與杉木林的研究結(jié)果相似[14]；胸徑對(duì)冠高比無(wú)顯著影響，而樹高對(duì)冠高比具有強(qiáng)烈的正向影響，該結(jié)果與杉木林的研究結(jié)果相反[14]，說(shuō)明不同樹種的規(guī)律不一致。在接下來(lái)的研究中，應(yīng)擴(kuò)大取樣，考慮不同林齡、不同立地條件等因素，以為樹冠結(jié)構(gòu)快速預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為國(guó)外松林的經(jīng)營(yíng)管理提供更多依據(jù)。