强台风干扰后林分空间结构变化的研究

韩维栋，黄剑坚，刘素青

（广东海洋大学a.农学院； b. 寸金学院，广东 湛江524088）

强台风干扰后林分空间结构变化的研究

韩维栋a，黄剑坚b，刘素青a

（广东海洋大学a.农学院； b. 寸金学院，广东 湛江524088）

为建立抗风性强的林分空间优化模式提供理论依据，以广东湛江麻章区湖光岩玛珥湖风景区4个典型样方的台湾相思林分为研究对象，对强台风干扰前后林分空间结构的各种指标进行调查分析。结果表明：强台风可影响树种混交度Mi、健康指数Hi、大小比指数Ui、竞争指数Ci、角度尺Wi和空间密度指数Di；6个指标中，影响最大的是混交度Mi；长期的强台风干扰可促进台湾相思林的演替；台风影响下林分空间结构的不断改变促进了抗风性优良的本土树种的成长，其林分的抗风性能不断提高。表明改变森林群落的空间结构能导致其功能转变，通过改善台湾相思林分空间结构，可增强其林分的抗风功能。

林分空间结构；台湾相思；台风干扰；湖光岩玛珥湖风景区

台风是发生频率高、影响范围广、易对人类造成严重损失的一种自然灾害。雷州半岛地处中国热带季风气候区，属于台风多发区，面临南海之滨，热带风暴、台风、暴雨时有发生，每年7～9月台风出现频率较高，平均每10年有6 次以上12级台风袭过，是我国台风登陆最集中区域之一，同时也是台风影响最严重的地区之一，受台风袭击的频率和影响程度居于各种自然灾害之首。无论从防灾减灾，还是从改善当地的生态环境来看，加强该区域人工或自然林木的抗风性研究尤为重要。国内林木抗风性研究众多，从不同株行距、林分密度、造林密度、行间走向、林带结构、高径比等方面进行了树种的抗风性研究[1-6]，而树高、胸径和木材密度与风害率最为密切[6]，其次是和抗风性状相关的林木类型、冠幅、冠形、干形通直度、气干密度、叶层状况、根系状况等[7-9]。在众多研究中，唯独缺少从林分空间结构角度出发，研究林木的抗风性。同时，强台风干扰后，林分空间结构变化规律和空间结构的变化是否导致抗风功能转变或者提高等问题尚不清楚。以近自然经营理论和生态系统经营理论为基础，建立适应强台风干扰的林分空间结构模式，以恢复和增强森林生态系统的功能，发挥其生态系统功能如减灾防灾效益等成为当前沿海地区防护林建设迫切需要解决的科学问题。

森林的空间结构反映了林木在水平地面上的分布格局及其属性在空间上的排列方式[10-11]。惠刚盈等以林分相邻木为单元构建的林分空间结构参数、理论统计模拟和实践检验均表明其在描述林分空间结构时具有较强的可释性[10-11]。该方法已经应用到众多研究中，并进行了相应的改进。如李建军结合景观生态学理论，提出描述林分内各单株林术空问结构特征的均质性指数[12-13]。

台湾相思Acacia confusa 为热带、亚热带常绿乔木，为多用途速生树种，因适应性强，广泛用于我国东南沿海营造防护林建设，在防风固沙、盐碱地改良和干旱地区绿化、防御沿海自然灾害、改善生态环境等方面发挥了巨大作用。木麻黄和相思沿海防护林中，相思树种抗台风能力较木麻黄弱，台风对相思树种的主要危害是断梢[14]。

本研究正是在近自然森林生态系统经营及林分空间结构理论的基础上，以广东湛江麻章区湖光岩玛珥湖风景区为研究样地，对台风前后台湾相思林分空间结构的各种指标进行比较研究，得出强台风对台湾相思林分的空间结构干扰的程度，为建立抗风性强的林分空间优化模式提供理论依据。

1 研究区概况

湖光岩玛珥湖风景区位于广东省湛江市西南部的麻章区湖光镇，距市区霞山区约15 km，是雷州半岛上山清水秀、风景奇特的游览胜地，也是中国著名的火山口旅游区，是世界罕见的“天然年鉴”和“自然博物馆”。湖四周是原始的雨林区。该区的林木曾在大跃进期间遭到大面积的破坏，后来种植台湾相思进行生态恢复。

2 研究方法

2.1 调查方法

2012年6月下旬，在湖光岩玛珥湖风景区林区设置了20 m×20 m固定样地4个，进行空间结构调查。调查采用林木空间因子调查法，根据参照木与4棵相邻木之间的关系，包括空间隔离程度、胸径大小分化程度、空间分布格局等。调查因子包括参照木的胸径、4棵相邻木的胸径以及参照木与4棵相邻木的距离角尺度、健康序等。2012年8月17日12:30前后，第13号台风“启德”在广东湛江市麻章区湖光镇沿海登陆，登陆时中心附近最大风力达13级，正面掠过湖光岩玛珥湖风景区。景区内外的树木倒伏众多，并于2012年8月下旬，在原来样方的基础上再次进行空间结构调查。

2.2 分析方法

（1）树种混交度

混交度（Mi）[11]表示为：

式中：Mi是林木i点混交度；n是最近邻木株数；当参照树i与第j株相邻木非同种时Vij=1，反之，Vij=0。Mi=0，零度混交；Mi=0.25，弱度混交；Mi=0.5，中度混交；Mi=0.75，强度混交；Mi=1，完全混交。

（2）健康指数

健康指数（Hi）[13]定义为：

式 中：xij为健康指数变量，邻近树木取4株，健康指数可能取值为：①Hi=0，参照树的健康均差于相邻的4株树木；②Hi=0.25，参照树的健康差于相邻的3株树木；③Hi=0.5，参照树的健康差于相邻的2株树木；④Hi=0.75，参照树的健康均差于相邻的1株树木；⑤Hi=1，参照树的健康均于相邻的4株树木一致。

（3）大小比指数

大小比数（Ui）[13]被定义为大于参照树的相邻木数占所考察的全部最近相邻木的比例，用公式表示为：

式中，n取4。Ui=0，目标树为绝对优势；Ui=0.25，目标树为亚优势；Ui=0.5，目标树处于中庸；Ui=0.75，目标树处于劣势；Ui=1，目标树处于绝对劣势。

（4）竞争指数

采用改进后的单木竞争模型计算竞争指数模型（CIi）[13,15]，公式为：

式中：CIi为林木i的竞争指数；LD为林分内空间结构单元n株竞争木与调查木距离的平均值；Lij为对象木i与竞争木j之间的距离；di为对象木i的胸径；dj为竞争木j的胸径；n为竞争木株数。

（5）角度尺

角尺度Wi[15]被定义为α角小于标准角α0的个数占所考察的相邻最近树(n)的比例。公式表示为：

取n=4时，则①Wi=0，相邻木结构单元分布绝对均匀；②Wi=0.25，均匀分布；③Wi=0.5，随机分布；④Wi=0.75，分布不均匀；⑤Wi=1，分布很不均匀，团状分布。

（6）空间密度指数

空间密度指数Di计算公式[13]为：

式中：ri为参照树i包含相邻n株树木时的最小半径；rmax在林分中相邻2株林木的最大距离。

3 结果与分析

3.1 一次强台风干扰前后林分空间结构对比分析

一次强台风对湖光岩林分的干扰较轻。由表1可知，在4个样方的树种混交度Mi分析中，强台风对样方4的M干扰最为强烈，混交度增加0.092，对样方1和样方2的干扰最少，混交度减少0.009；强台风对4个样方的健康指数影响极小，差别变动介于0.002～0.005之间；强台风对大小比指数Ui、竞争指数CIi、角度尺Wi、空间密度指数Di等影响差别分别变动介于0.006～0.022、0.004～0.039、0.003～0.013、0.002～0.027之间。因此，强台风对该林分影响最大的是树种混交度Mi，其次是大小比指数Ui。

一次强台风对每个样方的各个指数影响大小不一（见表1）。强台风对样方1影响最大的是树种混交度Mi，接着是大小比指数Ui，干扰后混交度Mi和大小比指数Ui减少0.009和0.006，而对健康指数Hi影响最小；样方2竞争指数CIi减少39，大小比指数Ui减少0.022，其次是树种混交度Mi、健康指数Hi，角度尺Wi和空间密度指Di分别增加0.013和0.008；样方3中，健康指数Hi和角度尺Wi分别增加0.005、0.013，其它指数分别减少0.027、0.015、0.008和0.002；样方4中，混交度Mi、健康指数Hi和空间密度指Di增加，大小比指数Ui、竞争指数CIi和角度尺Wi减少。

表1 强台风干扰前后林分空间结构变化Table 1 Changes of stand spatial structure disturbed by a strong typhoon

3.2 一次强台风干扰前后主要树种空间结构变化对比分析

由表2可知，在样方1中，除了鸭脚木Scheff l era octophylla和台湾相思空间结构发生变化外，其它主要树种基本没变。鸭脚木除了健康指数和株数外，其余均产生变化，变化最大的是角度尺Wi，增加了0.012，其次是树种混交度Mi，减少了0.011；台湾相思台风后倒伏一株，导致该树种的空间结构混交度Mi、健康指数Hi、角度尺Wi和空间密度Di降低，大小比指数Ui和竞争指数CIi增加，其中变动最大的是混交度Mi和健康指数Hi，比台风前减少了0.039。

样方2主要是以鸭脚木为优势种，台湾相思倒伏2株。鸭脚木除了Hi未发生变化外，其余指数均产生变化，变化最大的是Ui，减少了0.049。九节Psychotria rubra的Ui和Hi未产生变化，Mi和 CIi各减少了 0.028 和 0.059，Wi和 Di增加了0.055和0.043，变化最大的是CIi。台湾相思的6个指数中，变化最大的Ui，增加了0.086，其次是Mi、Di，变化最小的是CIi，增加了0.022。海南萝芙木Rauvolf i a verticillata var. hainanensis变化最大的是Mi、Ui和Wi，Hi保持不变。假柿木姜子Litsea monopetala的6个指数保持不变。

表2 强台风干扰后主要树种空间结构对比分析Table 2 Comparative analysis of major species spatial structure after a strong typhoon disturbance

样方3中，黄花夹竹桃Thevetia peruviana变化最大的指数是CIi，减少了0.082，其次是Ui和Wi，各减少了0.034和增加了0.034。台湾相思的各个指数变化较小，除了Ui和CIi增加外，其余皆减少，变化最大的是Ui，为0.023。强台风对海南萝芙木和九节的6个指数无影响。

样方4中，鸭脚木和假柿木姜子的指数未发生变化，台湾相思、细叶榕Ficus microcarpa和阴香Cinnamomum burmannii则产生较大变化。2株台湾相思的倒伏，导致台湾相思的CIi、Mi、Di、Ui和 Hi分别增加了 0.118、0.086、0.064、0.043和0.021，Wi减少了0.064；细叶榕由于与台湾相思相近，Mi、CIi和Di分别增加了0.062、0.019和0.076，Ui和Wi减少了0.062，Hi保持不变。阴香的Mi增加了0.125，其余指数不变。

3.3 近50年台风干扰前后群落空间结构对比分析

据湖光岩风景区的资料记载，该地区曾种植行间距为2 m×2 m的台湾相思林，由于台湾相思不抗风，并且产生退化。经过50多年多次强台风的干扰致使台湾相思数量减少，慢慢被本地树种所取代，形成目前的林区。该林区受到较好的人为保护，主要的干扰因子，即主要驱动因子为台风。

基于台湾相思林行间距2 m×2 m，除了大小比指数Ui难以推测外，可推测近50年前的台湾相思林的空间结构。从表3可得：6个空间结构指标皆产生大的变化，近50 a台风的干扰、林窗效应和林区其它树种种子库的存在，致使台湾相思林由人工林慢慢转变成抗风型的自然林。林分空间结构的变化，除了本研究6大指标外，还包括目的树种指数Ai的转变，从单一树种的人工林慢慢变成多树种的混交林。

表3 近50年台风干扰前后群落空间结构分析Table 3 Analysis of stand spatial structure disturbed by typhoon in recent 50 years

4 讨 论

在2012年中国系统工程学会林业系统工程专业委员会第十次学术年会中，有专家提出能否证明改变林木或者森林的空间结构就能导致功能转变的问题。同理，本文中提出改变林分空间结构，能否改变或增强森林生态系统的抗风功能问题。湖光岩风景区台湾相思林长期遭受强台风的干扰，林分空间结构必然适应该地区的环境。

4.1 树种混交度变化分析

在强台风的干扰下，样方1～3的林分混交度呈减少的趋势，而该值在样方4却增加了0.092。而样方1～4中高3 m以上的树种分别有10种、11种、5种和10种，究其原因是倒伏的台湾相思所处的位置不同，由于样方4的台湾相思角尺度达0.714，比样方1的台湾相思角尺度高0.234，比样方2高0.143，比样方3高0.235。样方1和样方3的台湾相思处于随机分布，样方2聚集强度低。因此，样方4中台湾相思的倒伏会增加该样方的混交度，样方1～3则降低混交度。可推测，在强台风干扰下，在一定的范围内，混交度和角尺度需要维持一种平衡，存在负相关的关系。

4.2 健康指数变化分析

在强台风的干扰下，样方1、2的健康指数有微弱的减少，样方3、4有微弱的增加，台风对群落健康指数影响不明显。但台风对样方1、3的台湾相思健康指数影响明显，呈现降低的趋势，而对样方4的台湾相思则增加健康指数。因此，经过多年台风干扰而形成的稳定抗风型林分，此次强台风对林分健康指数无明显影响，各树种健康指数中，只对抗风性差的台湾相思有较大的影响。

4.3 大小比指数变化分析

在强台风的干扰下，高大粗壮的台湾相思的倒伏，导致台湾相思的大小比指数增加，其它树种的大小比指数降低。整个林分的大小比指数相应降低，降低的幅度小。因此，强台风对大小比指数有较小的影响。可推测，强台风慢慢淘汰抗风性差的树种台湾相思，本地抗风性树种慢慢形成优势种群。如样方1和样方2形成鸭脚木的优势种群，样方3形成黄花夹竹桃和南洋楹的优势种群，样方4开始形成鸭脚木和细叶榕的优势种群。

4.4 竞争指数变化分析

在一次强台风的干扰下，速生树种台湾相思倒伏，同时由于台湾相思是聚集分布，导致台风过后未倒伏的台湾相思竞争指数增加，其它树种的竞争指数减少，有利于抗风性强的本土树种成长。因此，整体上，林分竞争指数减少，变化幅度较小，变化最大的是样方2，最小是样方1。因此，可推测，在台风干扰下，台湾相思不断减少，逐渐进行森林的演替。

4.5 角度尺变化分析

有研究表明，聚集分布为了适应和抵御严酷的环境，有利于种群的生长和存活，绝大多数自然种群都服从聚集分布而不服从随机分布的规律。但物种和生境的差异会导致格局趋势会发生相应的变化，无完全统一的格局变化规律[16-18]。参照随机分布平均角度尺()，当 0.475≤≤0.517 时为随机分布，当＜0.475 时为均匀分布，当＞0.517 为团状分布。

台风后样方1～3的角尺度增加和主要树种角尺度的增加，是因为经过强台风干扰，分布格局趋向于聚集分布。样方4中角尺度的减少，可能因为本身该林分的角尺度比样方1～3的角尺度高0.056～0.085，由于台风的干扰导致过密的林分产生自疏现象。

4.6 空间密度指数

一次强台风对林分空间密度指数的影响小，变化幅度较小，无明显规律。在样方1～3中，台湾相思的倒伏，导致群落林分空间密度指数降低，而样方4林分的空间密度指数则升高。但从近50 a的结果分析，台风干扰下空间密度指数呈递增的趋势。密度的增加，应可增强林分或者种群的抗风性。

5 结 论

强台风可影响树种混交度、健康指数、大小比指数、竞争指数、角度尺和空间密度指数。上述6个指标中，对林分影响最大的是混交度。长期的强台风干扰可促进台湾相思林的演替，抗风性差、速生树种台湾相思林的林分空间结构的不断改变促进了林分中抗风性强的本土树种成长，其林分抗风性能不断加强。表明了改变森林的空间结构能导致其功能的转变。改善台湾相思林分空间结构，可增强其森林生态系统的抗风功能。目前，不应将台湾相思作为沿海防护林的抗风性树种，但因为其适应性好，仍可将其作为沿海适宜地区的生态恢复树种。在台风干扰严重的雷州半岛地区，建议沿海防护林选用当地乡土树种，如当地榕树属Ficus树种和半红树林树种银叶树Heritiera littoralis和黄槿Hibiscus tiliaceus等，并在控制密度的前提下进行成片营造，保护林地乡土树种，促进近自然林演替，以提高其林分的抗风性等生态功能。

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Study on forest spatial structure changes after a strong typhoon disturbance

HAN Wei-donga, HUANG Jian-jianb, LIU Su-qinga
(a. Agriculture College, b. Cunjin College, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, Guangdong, China)

The 4 typical samples of the Acacia confusa forest stands in Huguangyan Ma’ar Lake Scenic Area, Zhanjiang, Guangdong were investigated to study their various indicators of their spatial structure after a strong typhoon disturbance. The fi ndings indicated:Strong typhoons can affect their mingling Mi, Health index Hi, Neighborhood comparison Ui, competition index Ci, neighborhood pattern Wiand spatial density index Di, and the greatest inf l uential indicator is mingling Miamong 6 indicators. The long term strong typhoon disturbance can accelerate the Acacia confusa forest succession. The changing spatial structure under typhoon inf l uence can promote the growth of local wind resistant tree species, and the stand wind resistance would increase continuously. As such, the result showed that changes of spatial structure of the forest would lead to its functional changes, and optimal changes in its spatial structure can enhance the Acacia confusa forest wind resistance function.

forest spatial structure; Acacia confusa; typhoon disturbance; Huguangyan Ma’ar Lake Scenic Spot

S757.2

A

1673-923X(2013)07-0008-06

2012-12-25

国家自然科学基金“雷州半岛木本植物区系变迁及其驱动力研究”（31170511）

韩维栋（1963-），男，江西会昌人，教授，博士，从事森林生态系统学和植物区系学研究

[本文编校：谢荣秀]