退化第四纪红黏土重建马尾松林恢复27年后林分直径分布模型研究

2011-09-19黄荣珍樊后保李燕燕廖迎春

水土保持研究 2011年5期

黄荣珍，李凤，肖龙，樊后保，李燕燕，廖迎春

（1．南昌工程学院生态与环境科学研究所／江西省水文水资源与水环境重点实验室，南昌330099；2．泰和县水土保持站，江西泰和343700）

我国中亚热带是人口密集地区，长期以来，该地区森林遭受严重破坏，是土壤侵蚀、自然生态环境破坏与退化最为严重的区域之一。红壤为该区最主要的土壤资源，在江西省境内，红壤总面积为9．3万k m2，约占全省总面积的55．8%，是江西省分布最广、面积最大的地带性土壤。其中第四纪红色黏土区是江西省的主要水土流失区之一，占全省水土流失面积的13．9%［1］。“红色沙漠”就是对第四纪红土侵蚀劣地的一种形象描述，其表土层乃至亚表土层被剥蚀后的裸露网纹层土壤养分贫乏，结构不良，保水保土能力极差，加之降水分布不均和季节性高温、干旱，一般植物很难成活和正常生长。因此退化红壤生态功能恢复的重要目标是通过森林植被恢复与重建恢复土壤［2］。

林木直径分布是种群结构的基本规律和种群生长的重要特征之一，是了解森林经营管理措施合理性的重要手段［3］。了解林分的直径结构，即可对林分的整体生长态势进行比较详尽的掌握，探讨林分直径结构动态变化规律，有利于揭示林分发展规律的实质，精确的林分直径结构预测能为林木生长情况提供科学依据［4－5］。林分直径结构模型不仅可以提供林分中各径级林木的株数信息，而且是估算树林出材量、指导生产管理和人为促进恢复、掌握林木枯损进程，以及准确评定生产力和碳固定能力的基础［6］。前人已经展开了大量关于林分直径结构分布模型的研究，总体上可分为两个阶段，即基于现实林分的静态模拟阶段和基于未知林分的动态预测阶段。在静态拟合阶段，大都用概率密度函数，如正态分布、对数正态分布、Ga mma分布、Beta分布和Weibull分布等来表征树木径级株数的分布规律。在动态预测阶段，采用参数预测（Para meter f orcast model）、参数回收（Parameter recovery model）以及概率转移矩阵等技术建立林分直径结构动态预测模型［4－5］。

以江西省严重退化的第四纪红黏土为研究对象，运用不同的林木直径结构模型分析对比不同模式重建马尾松林恢复27 a后的直径分布规律，为科学地进行水土保持林的人促更新抚育提供可靠的理论依据，以期为侵蚀劣地的植被恢复、水土流失治理以及优选水土保持措施模式提供必要的科学依据和实践经验。

1 研究区概况

试验地位于泰和县老虎山小流域内，地理位置为东经114°52′－114°54′，北纬26°50′－26°51′，属中亚热带季风气候，多年平均雨量为1 363 mm。无霜期288 d，平均气温为18．6℃，平均大于10℃的积温为5 918℃，极端最高、最低气温分别为 40．4℃ 和－6℃。老虎山小流域属平原丘陵区，海拔80～200 m，境内丘坡平缓，坡度多在5°左右，土壤为第四纪红色黏土发育而成的红壤，厚度一般为3～40 m。试验地属强度侵蚀退化红壤。

2 研究方法

2．1 试验设计

1983年在试验地（A层土壤全部剥蚀，B层出露，地表无任何草灌，本底条件相似）采取不同的林分模式进行人工重建森林，模式A：强烈干扰马尾松（Pinus massoniana）林分（打松枝、耙松针，无任何抚育管理措施）；模式B：封育马尾松林分；模式C：竹节沟马尾松林分（开挖水平竹节沟）；模式D：种草竹节沟马尾松林分（带状种草且开挖水平竹节沟）；模式E：谷坊马尾松林分（在沟道下游修建拦挡水沙，以抬高侵蚀基准面的水土保持措施）；模式F：无谷坊马尾松林分。试验地基本情况如表1所示，种植密度为2 501株／h m2。

表1 样地基本情况

2．2 调查方法

于2010年8月在6种重建森林模式试验区内分别设置3块20 m×20 m的样地，对DBH＞5 c m以上的树木每木检尺，记录林木树高、胸径、冠幅、枝下高等数据；并在每块样地内按对角线法设立5个5 m×5 m的样方调查灌木层植被，设置5个1 m×1 m样方调查草本层植被，记录种类、株数、高度、盖度等指标。

2．3 数据处理

2．3．1 直径分布模型为了适应不同情况下直径分布形状变化较大的特点，采用正态分布、对数正态分布、Weibull分布、Gamma分布和Beta分布5种分布模型加以描述，概率分布函数公式见参考文献［6－10］。

2．3．2 直径分布特征数直径分布特征数采用变动系数C、偏度α3和峭度α4，公式见参考文献［11］。分布模型的模拟以及特征数的计算均采用Qbasic软件自编制程序进行。

3 结果与分析

3．1 直径分布特征数比较分析

由表2可以看出，不同重建模式的马尾松人工林恢复27 a后平均胸径大小顺序依次为：模式F＞模式E＞模式A＞模式C＞模式D＞模式B。模式A，B，C，D的马尾松人工林直径分布曲线偏度值是正值，为左偏，表明分布曲线的顶峰偏右，整个林分中中小径阶的林木占多数；而模式E，F的马尾松人工林直径分布曲线偏度值是负值，为右偏，表明分布曲线的顶峰偏右，整个林分中大径阶的林木占多数。模式A，B，C的峭度为正值，说明径阶分布的离散程度小而集中；而模式D，E，F峭度为负值，说明径阶分布离散程度大。

表2 不同重建模式下直径分布特征数及χ2检验

3．2 直径分布模型比较分析

应用正态分布模型、对数正态分布模型、Weibull分布模型、Gamma分布模型和Beta分布模型分别对6种第四纪红黏土重建马尾松林恢复27 a后直径分布进行拟合，并经χ2（0．05）检验，结果表明，6种重建模式的马尾松人工林直径Weibull分布模型的χ2值均小于临界值（表2）；而其它4种分布模型的χ2值（除了模式C的对数正态分布模型和Ga mma分布模型的χ2值小于临界值外）均远大于χ2分布临界值。这说明重建模式A，B，D，E，F的马尾松人工林直径分布只符合Weibull分布，而模式C的马尾松人工林直径分布既符合Weibull分布，又符合对数正态分布模型和Ga mma分布模型。本研究结果充分说明了Weibull分布模型具有适用性广、灵活性大的特点，能够很好地拟合不同类型林分的直径结构。5种分布模型拟合参数如表3所示。

表3 不同重建模式下直径分布函数参数估计值

3．3 直径Weibull分布模型比较分析

如表3所示，Weibull分布模型的参数α为位置参数，在直径分布中表示最小起测径阶，与密度函数曲线的形状无关，只与密度函数曲线在平面坐标系中的位置有关。b为尺度参数，是累计频度为63%处的直径与最小直径之差，b值越大，密度函数曲线越平缓，顶点离x轴的距离越小。c为形状参数，是Weibull分布中具有实质意义的参数，是分析直径动态的依据之一；当c＜1时，Weibull分布为倒“J”型分布；当c＝1时，为指数分布；当1＜c＜3．6（c≠2）时，呈山形曲线，且为正偏；当c＝2时，Weibull分布为卡平方（χ2）分布的特殊情况，呈Reyleigh分布；当c＝3．6时，为近似正态分布；c＞3．6时，为负偏山分布；c→∞时，Weibull分布简化为单点分布。由此可见，Weibull分布通过c值的改变可以拟合成各种形式的直径分布，尤其对同龄纯林（一般c＞1），可拟合任何时刻的林分直径分布，且参数a，b，c随年龄的变化呈现出一定的规律性［12］。由于重建模式的差异，符合Weibull分布的不同马尾松人工林径阶株树分布情况和各径阶理论概率有所不同，这取决于3个参数a，b，c，而参数a，b，c值可能与林分特征因子有关。从计算结果看（表3），6种林分的c均介于1和3．6之间，故6种重建模式的马尾松林分胸径分布形状均为单峰正偏山状分布，说明林木过大和过小的直径分布差异不明显。c值大小顺序依次为：模式D＞模式C＞模式A＞模式E＞模式B＞模式F。

4 结论与讨论

人工林直径拟合过程中，针对不同的林分需要采用适合其分布规律的模型来进行拟合，才能反映出林分的生长规律。从理论上，选择分布函数应具有极大的灵活性，以适应一定范围内变化的偏度及峭度值，Weibull分布函数实用性强，灵活性大，对分布形状的适应性较强，应用其对本研究的6种重建模式的马尾松林恢复27 a后的总体胸径分布进行模拟，效果均较理想。

通过对第四纪红黏土6种重建模式的马尾松林恢复27 a后的直径分布结构特征的分析，结果表明：不同重建模式的马尾松人工林恢复27 a后平均胸径大小依次为：模式F＞模式E＞模式A＞模式C＞模式D＞模式B。模式A，B，C，D的马尾松人工林直径分布曲线偏度值为正值，为左偏，表明分布曲线的顶峰偏右，整个林分中中小径阶的林木占多数；而模式E，F的马尾松人工林直径分布曲线偏度值为负值，为右偏，表明分布曲线的顶峰偏右，整个林分中大径阶的林木占多数。模式A，B，C的峭度为正值，说明径阶分布离散程度小而集中；而模式D，E，F峭度为负值，说明径阶分布离散程度大。虽然本研究选取的马尾松样本为同龄林，然而，马尾松林分呈现出一定的分化现象，说明不同重建模式对马尾松林的生长具有一定的影响，即不同重建模式对植被恢复的效果不同。这可能与各个林分的保留密度有关，从表1可以看出，保留密度越大，平均胸径越小；反之，平均胸径越大。林分密度通过影响平均胸径、平均树高而影响其材积，进而影响林分的碳固定能力［13］。这可为侵蚀退化红壤地生态修复林分初始密度的确定，尤其是生态修复实施成功后林分的经营管理、保留密度的确定提供有益的依据和参考。

不同重建模式的马尾松人工林直径Weibull分布模型参数c值均介于1和3．6之间，且差别不大，故6种重建模式的马尾松林分胸径分布形状均为单峰正偏山状分布，说明在同一重建模式中林木直径分布差异不明显。这主要是因为本研究对象是马尾松同龄林，且马尾松是慢生树种，生长较缓慢，在同林分中由于立地条件相似，因此林木间分化不明显。

随着相关学科日新月异的变化，如统计分析科学的发展，林分直径结构模型朝复杂化、多样化方向发展，从而为从整体上提升林分直径结构模拟与预测系统的性能及准确度，更好地为科学经营管理和准确预估材积、碳固定量提供依据。为了更深入地研究和分析调查地区林分的生长动态，还需进一步对其标准地资料进行动态观测与分析，为科学地进行不同重建模式的马尾松人工林的经营与管理提供可靠的理论依据。

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