昌化江流域天然林直径结构研究

李 俊，佘济云，胡焕香，沈金明，毛旭鹏

昌化江流域天然林直径结构研究

李 俊，佘济云，胡焕香，沈金明，毛旭鹏

(中南林业科技大学，湖南 长沙 410004)

为了探明昌化江流域天然林结构分布规律，合理调整林分结构，在对海南省昌化江流域典型样地共20块调查基础上，综合考虑不同林分类型和不同地理位置，利用直方图法、威布尔分布函数(Weibull)和伽玛分布函数(Gamma), 结合卡方(x2)检验，对昌化江流域天然林直径结构进行分析及拟合。结果表明：昌化江流域天然林直径分布形状均呈现倒“J”形，形状参数具体排序为：源头(0.94)＞硬阔混交(0.93)＞全流域(0.90)＞阔叶混交(0.89)＞上游(0.85)，径阶范围跨度大(6～74 cm)，基本以小径阶为主(6～18cm)，小径阶累计百分比都在70%以上；Weibull分布函数与Gamma分布函数对天然林的拟合效果相近，无显著差异；从不同林分类型及不同地理位置划分看，阔叶混交林的径阶波动较硬阔混交林大，源头地区天然林的径阶波动较上游地区天然林大。

天然林；直径结构；Weibull分布函数；Gamma分布函数

全球环境变化与可持续发展是当前人类社会面临的2大重要挑战，全球变化实际上是人与自然之间关系的变化[1-2]。森林是实现环境与发展相统一的纽带。森林作为陆地生态系统的主体，它不仅满足人类生存与发展的物质产品和环境服务需求，而且在维护全球生态平衡和保护生物多样性中发挥了重要作用。要充分发挥森林的这些作用，科学经营与管理森林至关重要。水是生命之源，昌化江作为海南省第二大河流，是海南省经济发展的命脉之源。林分结构是森林生态系统的主要属性之一，决定了树木之间的竞争优势及其空间生态位，在很大程度上决定了林分的稳定性、发展的可能性和经营空间的大小。

林分结构的研究一直以来都是广大林学领域研究的热点及难点问题。专家学者从林分结构的概念及内涵[3-4]，到树种组成[5-6]、直径结构[7-8]、树高结构[9-10]及年龄结构[11]，到现在最新的空间结构[12-15]都进行了非常广泛及深入的研究，并获得了喜人的成果。由于直径与其他因子存在密切的相关性，因此通过直径结构可以较直接反映林分结构特征，所以林分结构的研究一般也是从研究直径结构开始。本研究通过典型抽样技术设置样地，并充分利用直方图法、威布尔函数[16]及伽玛函数对不同林分类型不同地理位置的天然林林分直径结构进行综合研究，以期从昌化江流域天然林林分直径结构特征出发，为合理调整昌化江流域林分结构，提高其经济及生态效益提供依据。

1 研究区概况

试验地设在海南省昌化江流域源头及上游地区，昌化江流域位于海南岛西南部，干流全长232公里，流域面积 5 150 km2，位于 18°32′～ 19°21′ N，108°36′ ～ 109°44′ E，海拔 176 ～ 795 m。昌化江流域处于热带和亚热带海洋性季风气候区，降雨时空分配不均，上游多于下游，山区多于沿海，多年平均雨量上游1 700 mm，中游1 500 mm，下游1 150 mm。蒸发量自山区至沿海递增，多年平均蒸发量1 800 mm，上游1 767 mm，中游1 669 mm，下游2 419 mm。昌化江流域的山区土质为黄棕色壤土，盆地土质为黄色和灰色沙壤土，沿海为堆积沙土。昌化江流域森林资源比较丰富，试验地共调查到乔木树种60多种。

2 材料与方法

2.1 试验材料

2010年，在昌化江流域内采用典型抽样技术，根据不同地理位置及林分类型选取了20块典型样地，地理位置选择方面，考虑昌化江流域天然林主要分布在源头及上游地区，中下游地区仅有少量天然次生林分布，因此样地设置为源头13块，上游7块。林分类型选择方面，考虑昌化江流域天然林基本为阔叶树种，而阔叶树种以硬阔树种为主，因此样地设置为硬阔混交12块，阔叶混交8块，共调查到阔叶树种60余种。样地每块面积为100 m2，标准地调查要素为：立地条件和林分特征，主要包括地形地貌、坡度、坡向、土壤、植被及每木检尺，对样地内胸径≥5.0 cm的所有林木分树种实测其胸径等各项因子，典型样地基本概况见表1。

表1 样地基本概况Table 1 Basic conditions of experimental plots

2.2 研究方法

根据众多分布函数研究结果显示，Weibull分布函数和Gamma分布函数具有适应性强、灵活性大、参数表现能力强的特点，可拟合不同偏度、峭度的曲线，特别是对异龄混交林的拟合效果较好。因此，本研究选择Weibull函数和Gamma函数分别进行分株数——直径分布拟合，拟合结果的检验采用X2检验法。

2.2.1 威布尔分布函数

Weibull分布最初由瑞典物理家W.Weibull提出，现已经成为林分结构模型研究中的一种重要的分布,它对直径分布和树高分布均能进行很好的拟合。实践和理论都表明其灵活性强、适应性广，但参数估计方法至关重要，它在一定程度上决定了其模拟效果，三参数威布尔分布函数概率密度函数为：

式(1)中：参数a为位置参数，指明x变量的可能最小值，参数b为尺度参数，确定其尺寸的大小，而c为形状参数，确定其形状，在生态学中认为，当c=3.6 时近似为正态。

2.2.2 伽玛分布函数

Gamma分布函数概率密度函数为：

式(2)中：a为x变量的可能最小值，b为尺度参数，c为形状参数。

3 结果与分析

3.1 昌化江流域天然林林分的径级结构特征

根据样地调查，整个流域林分平均胸径17.4 cm，变动范围为6.0～74.0 cm，平均树高为10.4 m，变动范围为2.0～32.0 m；硬阔混交林林分平均胸径16.3 cm，变动范围为6.0～70.0 cm，平均树高为10.1 m，变动范围为4.0～32.0 m，阔叶混交林林分平均胸径18.9 cm，变动范围为6.0～74.0 cm，平均树高为10.9 m，变动范围为2.0～30.0 m；源头地区林分平均胸径18.8 cm，变动范围为6.0～74.0 cm，平均树高为11.1 m，变动范围为2.0～32.0 m，上游地区林分平均胸径14.3 cm，变动范围为6.0～70.0 cm，平均树高为8.8 m，变动范围为4.0～24.0 m。

昌化江流域天然林按不同林分类型不同地理位置区分的各径阶分布株数见图1，其直径结构相对简单，基本规律都是6径阶到18径阶的林木株数在林分所占比重最多，基本累计百分比都在70%左右，源头最低为68.4%，上游的最高达到80.1%；径阶分布的离散程度非常大，虽然树木大都集中分布在小径阶，但较大径阶仍有树木分布。从林分类型划分看，两种林分类型平均胸径和树高的变动范围都非常接近，但平均胸径和平均树高方面，阔叶混交林数值偏高，主要原因是软阔树种生长较硬阔树种快，但同时软阔树种在阔叶混交林中的比重不是特别大，一般都在50%以下，因而影响还是非常有限的。从地理位置划分看，源头地区树木大小分布较上游更加广泛，平均胸径和平均树高也明显高于上游地区，主要原因为源头地区基本为天然林保护区范围，保护的投入大，效果好，且无人工干扰；上游地区林分只有部分为天然林保护区管理范围，保护的投入有限，且存在少量人工干扰，因此林分整体状况较源头林分差。

图1 天然林各径阶分布株数Fig.1 The tree numbers of every diameter class distribution of natural forest

3.2 林分直径分布拟合与检验

3.2.1 参数估计及检验

Weibull及Gamma分布函数参数估计的求解方法较多，研究直径分布时一般将参数a定为林分直径最小径阶的下阶值，对于b、c两参数的求解方法有最大似然估计法、参数回收法、百分位数法、线性求解法及近似估计法等等。其中最大似然估计法最精确，因此本研究采用此方法进行估计。检验方法采用卡方(X2)检验。

参数估计及检验结果见表2，5个分组类型的Weibull分布函数及Gamma分布函数形状参数c的估计值均1以下(0.71～0.94之间)，表明昌化江流域天然林各类分组林分类型的直径分布呈倒“J”型递减分布，整体上看，小径阶的林木占多数，其径级结构中，小径阶的林木株数最多，随着直径的增大林木株数开始快速递减，达到一定径阶后，递减速度变缓直至平衡，与图1所显示的径级分布完全相符。经X2检验，5个分类仅有硬阔混交林和上游天然林两类服从威布尔分布和伽玛分布，从拟合结果看，威布尔分布拟合效果稍优于伽玛分布，两类分布拟合效果非常接近，无显著差异，在将来的研究中，两类分布函数均可以被选择为海南天然林林分直径结构株数分布预测函数。

表2 直径分布函数参数估计及检验值Table 2 Parameter estimation and test values of diameter distribution function

3.2.2 分布拟合

根据样本观测资料进行估计求得全流域、硬阔混交林、阔叶混交林、源头天然林、上游天然林各径阶的实际株数和理论株数(表3)。

直径分布拟合曲线见图2～5，从全流域看，林木径阶分布范围广、跨度大，从6径阶到74径阶均有分布，整体形状上为倒“J”形，在12径阶上出现一个较为平缓的小山峰，说明全流域天然林林分以小径阶树木占绝对优势，而大径阶树木明显偏少。从林分类型划分看，两种林分类型整体形状上均为倒“J”形，径阶分布上以小径阶树木为主，大径阶树木也有少量分布。两种林分类型分布比较而言，阔叶混交林的径阶波动较大，在8、12、18三个径阶分别出现相对尖峭的山峰，硬阔混交林仅在径阶12时出一个较平缓的山峰，主要原因为硬阔和软阔树种的生长速率不一致，导致同一周期，不同林分类型中径阶分布的波动有所差异。从地理位置划分看，两个区域的天然林林分整体形状上均为倒“J”形，径阶分布上以小径阶树木为主，大径阶树木也有少量分布。两个区域林分分布比较而言，源头天然林的径阶波动较大，在8、12两个径阶分别出现相对尖峭的山峰，上游天然林仅在径阶10时出一个较平缓的山峰，主要原因为源头天然林保护状况良好，由于各树种的生长速率的不一致，基本上表现出尖峭山峰的出现，但随着树木径阶的逐步增大，竞争加剧，产生自然稀疏，致使尖峭山峰进一步趋于平缓，这属于天然林分布正常规律；上游天然林径阶分布规律较源头不明显的原因主要为人为干扰所致。

4 结论与讨论

(1)昌化江流域天然林直径结构相对简单，基本规律都是6径阶到18径阶的林木株数在林分所占比重最多，基本累计百分比都在70%左右，源头最低为68.4%，上游的最高达到80.1%；径阶分布的离散程度非常大，虽然树木大都集中分布在小径阶，但较大径阶仍有树木分布。从林分类型划分看，阔叶混交林平均胸径和平均树高均高于硬阔混交林，主要原因是软阔树种生长较硬阔树种快。从地理位置划分看，源头地区树木大小分布较上游更加广泛，平均胸径和平均树高也明显高于上游地区，主要原因是保护力度及人为干扰差异所致。

表3 各径阶实际株数与分布函数拟合结果Table 3 Actual tree numbers of every diameter class distribution functions fitting results

图2 硬阔混交林直径分布的实际值和估计值Fig.2 The actual values and estimated values of hardwood mixed forest diameter distribution

图3 阔叶混交林直径分布的实际值和估计值Fig.3 The actual values and estimated values of broadleaved mixed forest diameter distribution

图4 源头天然林直径分布的实际值和估计值Fig.4 The actual values and estimated values of diameter distribution of headstream area

图5 上游天然林直径分布的实际值和估计值Fig.5 The actual values and estimated values of diameter distribution of upstream area

(2)昌化江流域5种类型林分的Weibull分布函数及Gamma分布函数形状参数c的估计值均1以下(0.71-0.94之间)，表明昌化江流域天然林各类分组林分类型的直径分布呈倒“J”型递减分布，小径阶的林木株数最多，随着直径的增大林木株数开始快速递减，达到一定径阶后，递减速度变缓直至平衡。经X2检验，5个分类仅有硬阔混交林和上游天然林两类服从威布尔分布和伽玛分布，造成此结果的原因很可能是因为起测径阶为5 cm，小于5 cm的树木未被调查入内的结果所致。从拟合结果看，威布尔分布拟合效果稍优于伽玛分布，两类分布拟合效果非常接近。

(3)直径分布拟合结果表明，五种类型林分整体形状均为倒“J”形，林木径阶分布范围广、跨度大，从6径阶到70多径阶均有分布，以小径阶树木占绝对优势，而大径阶树木明显偏少。从两种林分类型直径分布比较而言，阔叶混交林的径阶波动较大，主要原因为硬阔和软阔树种的生长速率不一致，导致同一周期，不同林分类型中径阶分布的波动有所差异。从两个区域林分直径分布比较而言，源头天然林的径阶波动较大，主要原因为源头天然林保护状况良好，上游天然林存在人工干扰。

(4)昌化江流域天然林保护区现在推行的主要森林经营管理措施以封山育林为主，以不干预为主要手段，因此，造成了现在森林结构不合理的现状。通过昌化江流域天然林样地数据和拟合结果更加明确的反映了该流域林分结构极其不合理的特征，急需根据拟合分布模型参数，针对不同林分类型不同地理位置进行适当的改造，调整林分内部直径株数分布，提高其经济和生态效益。具体可以采用抚育、团状采伐、择伐、人工补植等一系列措施促进其形成结构合理、生态效能良好的林分；对于密度过大，自然更新强的林分，可采用疏伐的方式促进幼树的生长，使其逐步过渡到合理的林分结构；同时，为了更加全面、深入地认识昌化江流域天然林林分结构特征，应进一步增加典型样地的数量，并进一步对林分类型进行细分，进行长期定位观测。

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Research on diameter structure of natural forest in Changhua River Basin

LI Jun, SHE Ji-yun, HU Huan-xiang, SHEN Jin-ming, MAO Xu-peng
(Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

In order to study the distribution structure of natural forest of Changhua River Basin and adjust stand structure reasonably,based on the survey aiming to the typical sample totally 20 in Hainan Province Changhua River Basin, comprehensive consideration of the different forest stands and geographical location, the natural forest diameter structure of Changhua River Basin was analyzed and fitted by using histogram, Weibull distribution function and Gamma distribution function, combining with x2checking method.The results show that the tree diameter distribution form of the natural forest of distribution shape in Changhua River Basin presented a reverse J-form, the concrete scheduling of shape parameters were as followings： source(0.94)＞ hardwood mixed forest(0.93)＞ the whole basin(0.90)＞broadleaved mixed forest(0.89)＞upstream(0.85); The span of diameter class ranked 6～74 cm, which mainly were small diameter class (6～18 cm), the accumulating percentage all were above 70%.The fitting effects of the Weibull function and the Gamma function to the natural forest was similar, without remarkable difference.Viewed from the division of different forest stand type and the different geographical location, were as followings： the diameter class fluctuation of the broadleaved mixed forest was larger than that of the hardwood mixed forest, the diameter class fluctuation of the natural forest in the headstream area’s was larger than that of the natural forest in the upstream area.

natural forest; diameter structure; Weibull distribution function; Gamma distribution function

S757.1； TP18

A

1673-923X(2012)03-0037-07

2012-01-20

海南省林业局重点科研项目(LK20118478)；森林经理学湖南省“十一五”重点学科资助项目(034-0014)

李 俊(1975—)，男，江西丰城人，博士研究生，主要从事林业信息工程、GIS和森林可持续经营的科研工作；E-mail：lij75@sina.com

佘济云(1966—)，男，湖南邵东人，教授，博士生导师，主要从事森林经理和林业资源管理方面的教学和科研工作；E-mail：shejiyun@126.com

[本文编校：欧阳钦]