西洞庭湖区杉木林与松类景观斑块间的边缘效应分析

赵春燕，李际平，袁晓红 ，易 章

(1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.五星花卉公司，湖南 株洲 412007)

西洞庭湖区杉木林与松类景观斑块间的边缘效应分析

赵春燕1，李际平1，袁晓红1，易 章2

(1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.五星花卉公司，湖南 株洲 412007)

边缘效应是通过生物的和非生物因子作为条件载体或直接影响两个相邻生态系统。以西洞庭湖区作为研究区域，以杉木林和松类景观为研究对象，设置核心区和边缘区，通过生产力和物种多样性测算边缘效应。结果表明：两相邻斑块边缘区比核心区平均胸径、平均树高和蓄积均有增大趋势，而且幼龄林和中龄林比成熟林趋势明显，平均胸径比平均树高变化幅度大。从物种多样性分析，现存杉木林和松木类核心区灌木层和草本层物种种类明显多。

杉木林；松类；景观斑块；边缘效应；西洞庭湖区

边缘效应是通过生物的和非生物因子作为条件载体或直接影响将两个相邻生态系统相互耦合作用结果。近年来，边缘效应与生态环境及物种保护等人类参与自然活动的关系十分密切[1]，边缘效应越来越受重视。周婷[2]等提出了边缘效应的3个空间尺度。在全球尺度水平,区分对象单元的要素是气候[3]，生物群区的交错区体现大尺度水平上的边缘效应，生态交错区属于中尺度类型，它是相对均质的两个生态系统相互过渡耦合构成转换区域[4]，显著特征为生境的异质化[5]。相对均质的生态系统内部存在不同斑块[6-7]，如森林生态景观中的杉木林和松类，由于不同群落的相互渗透[8-9]，它们之间存在边缘效应称为小尺度水平上边缘效应[10]。文章以杉木林和松类为例，旨在研究小尺度水平上的边缘效应。

1 研究区概况

西洞庭湖区位于湖南省北部，包括常德桃源县、安乡县、汉寿县、临澧县、澧县、津市市、等地域，总面积为142.2万hm2。地势位于云贵高原、湘西山地向洞庭湖平原的过渡地带。气候属湿润季风气候区，有滨湖气候和山地森林气候特征，年平均气温16.7 ℃，降水充沛，四季分明。

西洞庭湖区林业用地面积为513 115.31 hm2，占景观总面积的36.24%，按景观类型划分为杉木林景观、松类景观、阔叶类景观、经济林景观、灌木类景观、柏木类景观和竹类景观，其面积比分 别 为：13.49%、17.74%、27.10%、24.37%、7.23%、0.003%、10.07%。非林地主要是指林地以外的耕地、牧草地、水域、未利用地和建设用地。

2 数据与方法

2.1 研究数据

数据以该区域2007年的森林资源二类调查数据为主。在ArcGIS系统的支持下，将1∶10 000地形图配准，并与小班区划数据建立地理空间数据，每一个小班区划单元通过ID标识关联属性数据，生成林相图。小班属性数据包括小班号、地类、优势树种、龄组、郁闭度、土壤类型、坡度、坡向、坡位、海拔等20多个属性数据项。

分2次进行实地数据调查，第1次2010年8月在常德桃源的龙潭镇、黄石镇和牯牛山镇进行，以外业调查时间先后编号，为Ql，Q2，Q3，…，Q24，第2次2011年8月在常德河洑林场、常德林场和常德桃源的佘家坪镇，以外业调查时间先后编号，为Tl，T2，T3，…，T43。

2.2 研究方法

2.2.1 样地设置方法

“斑块对”的边缘区选取一条样地设置线，样线上的样地排列设置垂直“斑块对”邻接线的边缘线。在样线上，以斑块对的相邻段为中心设置1块样地，然后沿样线分别向2个斑块中心方向选取样地，“斑块对”中每一个斑块的核心区，选取1块核心区样地作为对照样地，图1为不同类型相邻两个斑块，其中A为其中一斑块核心区，B为另一斑块核心区，C为两相邻斑块边缘区。

图1 样地设置Fig.1 Sample plots setting

2.2.2 样地调查方法

设置投影面积为10 m×10 m的正方形调查样地，均采用罗盘仪定向，皮尺量距，测设境界线，对每块样地记录经纬度、海拔高度、坡度、坡向、土层厚度、腐殖质厚度等立地因子。

2.2.3 生产力测算方法

森林景观斑块核心区以及相邻斑块边缘区生产力存在差异，一般边缘区生产力高于核心区，表现为边缘效应。本研究以杉木景观斑块和马尾松景观斑块作为研究对象，通过分析相邻斑块的平均胸径、平均高和蓄积反映生产力情况。

表1 数据调查内容Table 1 Forest survey contents

森林景观斑块的平均胸径(D)采用林木胸高断面积加权平均直径。计算公式为：

式中di为第i株林木的段面积和胸径，N为林木总株数。

森林景观斑块的平均高(H)采用林木加权平均高的测算方法，依各径级林木的算术平均高与其对应径级林木胸高断面积的加权平均数，计算公式为：

式中hi为第i径级林木的算术平均高，Gi为第i径级林木的胸高断面积，K为径级个数。

森林景观斑块的样地蓄积(M)采用二元材积表法估测。根据《湖南省森林资源调查常用数表》，杉木的二元材积表方程为：

松木的二元材积表方程为：

2.2.4 物种多样性测算方法

生态优势度指数采用Simpson指数[11](C)：

多样性指数采用Shannon-Wiener[12]指数(D)：

3 结果与分析

3.1 生产力分析

研究区域内人工林主要树种为杉木和马尾松，另外有以樟树、枫香、油茶等为优势树种的阔叶类。因此，以杉木林核心区以及杉木林与松木林边缘区的平均胸径、平均树高和蓄积来分析边缘效应影响下生产力差异（见表2）。

表2 不同龄组杉木生长情况†Table 2 Chinese fir growth in different age groups

杉木林与松木林边缘区的平均胸径和平均树高与核心区样地相比，均有增大趋势，其中样地T23平均胸径增幅最大，为36.0%，其平均高增幅相对较小，为9.8%，样地杉木林和松木林均为林龄为30多年的成熟林，边缘效应强度最大，趋于稳定状态，样地Q15平均树高的增幅最大，为11.4%，其杉木林为林龄为5～6年的幼龄，树高为6.0～7.8 cm，松木林龄为25年左右，树高为8.9～11.6 cm，相邻斑块的树高变化有利于边缘带乔木往高生长。由于环境因子和优势树种与龄组的差异，出现边缘区平均胸径和平均树高比核心区小，共有Q21、T10和T39三组样地，其中样地Q21边缘区平均胸径和平均树高比核心区分别小0.7%，5.4%,样地T10分别小3.7%，12.1%，样地T39分别小0.8%，8.1%，这3组样地杉木林核心区位于下坡，边缘区为中坡，坡位对杉木林的影响比较大，而且对树高的影响大于对胸径的影响。

平均胸径与平均树高的变化幅度相比较，平均胸径＞平均树高，平均胸径变化幅度为-3.7%～36.0%，平均树高变化幅度为-12.1%～12.1%，变化幅度最大是样地T10，该样地杉木林和松木林的林龄为成熟林，乔木的生长趋于稳定，树高和胸径受地理环境、土壤等影响较大。从样地蓄积上看，由于边缘区样地有相邻斑块多个物种出现，在杉木林与松木边缘区，杉木林和松叶林并存，还有少量阔叶林树种存在，相比较杉木林的蓄积，由于核心区杉木林的数量明显多，核心区的杉木林蓄积与边缘区要高，但样地总蓄积，除了T10样地，边缘区高于杉木林核心区。

杉木林划分为幼龄林、中龄林和成熟林3个不同龄组，中龄林样地数量最多，有7组样地，其中边缘区比核心区平均高增大的有5组，平均胸径增大有3组，平均高相比于平均胸径，边缘区与杉木林核心区增大趋势更明显，成熟林2组样地中，一组样地边缘区比核心区平均胸径和平均树高增大明显，松木林属于近熟林，另外一组平均胸径和平均树高相差不大。样地Q17和T22边缘区平均胸径比杉木核心区减小，但平均树高增大，但增大和减小的变化幅度都很小。从杉木林与松木林所有样地情况来看，边缘效应对杉木林的生长具有正效应。

从调查数据标准差分析，杉木林与松木林边缘区的平均胸径和平均树高标准差高于核心区，说明边缘样地胸径和树高分布不均匀，有小径级林木，也有较大径级林木，核心区样地杉木胸径分布比较均匀，多集中在平均胸径大小，实质是边缘效应作用下林木不断竞争的结果。

表3 杉木林与松木类景观斑块对的物种多样性情况Table 3 Species diversity of landscape patch pairs of Chinese fir and conifer

3.2 物种多样性分析

按照公式5和6计算杉木林与松类不同龄组灌木与草本层的Simpson指数和Shannon-Wiener指数，分析比较杉木林与松木类斑块林下灌木层和草本层的Simpson指数和Shannon-Wiener指数，数据显示，杉木林核心区、松木类核心区和边缘区的灌木层Simpson指数变化范围分别为0.14～ 0.51，0.11～ 0.78，0.14～ 0.41，在草本层Simpson指数变化范围分别为0.10～0.80，0.08～0.52，0.11～0.77。杉木林核心区、松木类核心区和边缘区的灌木层Shannon-Wiener指数变化范围分别为0.80～2.14，0.36～2.17，0.99～2.17，在草本层Shannon-Wiener指数变化范围分别为0.11～0.77，0.35～2.07，0.08～0.52。

灌木层Shannon-Wiener指数最大值出现在Q6样地，在杉木林核心区、松木类核心区、边缘区依次为2.14，2.17，2.17。最小值出现在T22样地，依次为0.80，0.36，0.99。草本层Shannon-Wiener指数最大值出现在杉木林核心区Q6样地，但松木类核心区和边缘区指数数值最大值出现在Q15样地，最小值出现在Q21样地，指数数值为0.35，0.67，0.39。

4 结论与讨论

(1)不同树种两相邻斑块存在边缘效应，首先体现在林木的平均胸径、平均树高和蓄积反应的生长情况，一般情况，两相邻斑块边缘区比核心区平均胸径、平均树高和蓄积均有增大趋势，而且幼龄林和中龄林比成熟林趋势明显，平均胸径比平均树高变化幅度大，从外业调查样地平均胸径、平均树高的标准差分析，边缘区样地平均胸径、平均树高的标准差比杉木林核心区的标准差高，说明边缘区样地的杉木胸径分布不均匀，有小径级林木，也有较大径级林木，核心区样地杉木胸径分布比较均匀，多集中在平均胸径大小。

(2)从森林景观斑块物种多样性分析，存现杉木林核心区大于边缘区，且杉木林核心区灌木层和草本层物种种类明显多。

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Analysis edge effect between fir and pine landscape in West Dongting Lake

ZHAO Chun-yan1, LI Ji-ping1, YUAN Xiao-hong1, YI Zhang2
(1.Central South University of Forestry &Technology, Changsha 410004, Hunan, China; 2. Five-star Flower Company, Zhuzhou 412007,Hunan, China)

Edge effect is achieved by biotic and abiotic factors as condition carrier or directly influences two adjacent ecosystems. By taking West Dongting Lake Region as the studied site, Chinese fir and conifer landscape as the studied objects, the core zone and fringe zone have been set, thus the fringe effect was measured and calculated by the productivity and species diversity of the studied area. The results show that the average DBH, mean tree height and volume in the fringe zone of two adjacent patches increased than those in the two core zones, this tendency was more obvious in the young forest and middle-aged forest than in the mature forest, and the average DBH changed greater than the average tree height. From the perspective of species diversity, in the current existing Chinese fir and conifer forests of the core zones, the species numbers in the shrub layer and herb layer significantly increaesd.

Chinese fir forest; conifer; landscape patches; fringe effect; West Dongting Lake Region

S791.27；S791.24

A

1673-923X(2013)09-0022-05

2013-02-01

国家自然科学基金项目(30972362)

赵春燕（1976-），女，湖南澧县人，博士，主要从事林业系统工程研究

李际平（1957-），男，湖南醴陵人，教授，博士生导师，主要从事林业系统工程教学与科研工作

[本文编校：吴 毅]