大兴安岭天然林林分空间结构1)

2014-08-02李凤日贾炜玮

东北林业大学学报 2014年6期

关键词：结构单元白桦频度

邢晖李凤日贾炜玮庄宸

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

大兴安岭天然林林分空间结构1)

邢晖李凤日贾炜玮庄宸

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

基于在大兴安岭新林林业局不同林分条件的天然林中设置的18块50 m×20 m的标准地数据，对不同林分类型的混交度、角尺度和大小比3个空间结构参数进行了分析。研究结果表明：全部林分中白桦、落叶松的零混交度频度最大，随着0～1混交强度逐渐减小，白桦、落叶松树种的生长势态低于山杨、樟子松，针阔混交林、落叶松林和白桦林的混交度均值分别为0.42、0.25、0.26；以白桦和落叶松为参照树的结构单元的角尺度均值为0.54，接近0.517，针阔混交林、落叶松林和白桦林的角尺度均值都为0.54；依据大小比，大兴安岭天然林分中林木之间的竞争相当激烈，其中山杨的优势木占32%，高于白桦和落叶松，说明以山杨为参照树的结构单元中，其他树种处于不利竞争地位，落叶松白桦混交林、落叶松林和白桦林的落叶松树种的优势频度都分别小于白桦优势频度。

大兴安岭；天然混交林；空间结构

With the data of 18 sample plots of 50 m×20 m in natural mixed forests with different stand condition in Xinlin Forestry Bureau of Daxing’an Mountain, we analyzed three forest spatial structure parameters including mingling index, uniform angle index and neighborhood comparison. The growing states of larch and white birch are better thanPopulusdavidianaandPinussylvestris. The mean mingling index of the mixed larch and white birch stand, larch stand and white birch stand are 0.42, 0.25 and 0.26, respectively. The average of mingling for the structure cell of larch and white birch was 0.54 which approached 0.517. The mean uniform angle index of all the mixed larch and white birch stand, larch stand and white birch stand is 0.54. With the neighborhood comparison, there is violent competition among the trees in Daxing’an Mountain. The dominant frequency ofPopulusdavidianais higher than that of larch and white birch. The dominant frequency for the larch in coniferous and broadleaved mixed forest, larch forest and white birch forest are lower than that of white birch.

森林的空间结构是同一森林群落内物种的空间结构关系。森林空间结构直接决定树木之间的竞争势及空间生态位，并影响着林分的稳定性、发展的可能性、经营空间大小[1]。惠刚盈[2]于1999年提出了一个描述林木个体分布格局的结构参数—角尺度，该参数的提出明显地减少调查花费并使详细的结构分析和接近实际的重建林分空间结构成为现实；同时，惠刚盈又于2013年提出了基于相邻木关系的林分空间结构参数，如何把空间结构的3个方面的参数，即角尺度、混交度和大小比数等作为统一整体来分析林分空间结构的特征与变化是其研究的重点，同时取得了很好的成果[2-3]。同年，李建军等对洞庭湖森林生态环境从空间结构的混交竞争空间分布格局3个方面分析提出空间优化的均质性目标、均质性指数及均质性评价方法和评价标准[4]。近年来，森林生态系统空间结构分析与优化经营决策问题已成为森林可持续经营的重要研究课题[5]。

大兴安岭地区森林结构复杂，森林蓄积量占全国总量很大。该地区天然混交林经过了长期的演替，与当地生态环境构成了相对稳定的生态系统。但是，由于长期不合理的采伐，不仅使林木资源日益匮乏，也对混交群落中其他物种造成难以复原的破坏，地力衰退，物种多样性锐减等问题日益严重。现代森林经理以培育健康稳定的森林为目标强调创建或维护最佳的森林空间结构[6]。从现有的理论分析，同地段最优的林分空间结构应该是未经人为干扰的天然林的空间结构。

本研究中的林分的空间结构主要是指林木在林地上的分布格局及其属性在空间中的排列方式，即树种、大小和分布等一系列空间关系在林木之间的表现形式。林分的空间结构决定了树木之间的竞争优势及其空间的生态位，所以林分的稳定性、发展的可能性和经营空间大小受到了很大的影响。本研究对大兴安岭地区针阔混交林、白桦林、落叶松林3种林分类型的空间结构进行分析，得出不同林分类型空间结构的特征，以此为依据确定林分空间结构优化方法，维持该地区天然混交林混交林生态系统的健康稳定。

1 研究区概况

试验地设置在黑龙江省大兴安岭林区新林林业局的翠岗林场。该林场位于黑龙江省西北部，地处大兴安岭伊勒呼里山的东北坡。位于新林区境东北部，东北与塔河县毗邻，镇政府距区政府驻地45 km。新林区(林业局)地处东经123°41′～125°25′，北纬51°21′～52°10′，东邻十八站、韩家园林业局，南与松岭林业局毗邻，西与呼中区接壤，北接塔河县。年平均气温-3 ℃，最低气温-47 ℃，最高温度36 ℃，无霜期80～100 d。总面积879 046 hm2，森林覆盖率84.5%。该地地势平缓，坡度多在6°以下；土壤类型为棕色森林土，平均厚度为15 cm，土壤母质以花岗岩的残积物为主，土壤呈酸性，pH值为4.0～6.5；为寒冷湿润气候区，气温年较差和日较差都很大，年平均积温不足1 600 ℃，属于寒温带大陆性气候，海拔相对较高，有明显的山地气候特点。冬季寒冷而漫长，春、秋两季日较差大，且风力较大。年降水量为513.9 mm，且分布不均，主要降水多集中在7—8月份；结冰一般在9月下旬，终冻在4月中下旬，8月下旬开始出现初霜；全年日照时间约2 375 h，日照百分率为51% ～56%。主要乔木树种有兴安落叶松(Larixgmelini)、白桦(Betulaplatyphlla)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、山杨(Pobulusdavidiana)等。灌木主要有兴安杜鹃(RhododendrondauricumL.)、杜香(LedumpalustreL.)、越橘(Vacciniumvitis-idaeaL.)、刺玫(RosadavuricaPall.)、溲疏(Deutziathunb)等。草本主要有菊科类(Compositae)、豆科类(Leguminosae)、蔷薇科类(Rosaceae)、桔梗科类(Campanulaceae)等[7]。

2 研究方法

2.1 数据收集

从2012年7月开始至2012年9月，在了解研究地区森林类型及其林分条件的基础上，通过外业踏查并结合翠岗林场森林资源分布图、地形图和土壤类型图，根据树种组成将该地区天然混交林分成3种不同林分类型，分别为针阔混交林、落叶松林、白桦林。在3种林分类型分别选取6块50 m×20 m的标准地，各标准地编号为D1、D2、D3、…、D18。调查各标准地的坡位、坡向、坡度、海拔、土壤、郁闭度、树种组成等林分因子，并采用全林实测法对标准地内胸径大于5 cm的林木进行每木定位、编号及每木检尺，记录所研究林分的每株样木的位置，每木调查内容包括树种信息、胸径、树高、枝下高、东西南北冠幅等。根据各样地数据计算每块样地中每株林木的角尺度、混角度、大小比数3个结构指标因子[1-8]。18块标准地调查因子见表1。有关林木因子的调查结果详见表2。

表1 各标准地调查因子统计

表2 大兴安岭地区3种林分类型林分调查因子

同时，落叶松白桦混交林、落叶松林和白桦林3种林分类型的直径分布图见图1。

图1 3种林分类型的直径分布图

2.2 林分空间结构的分析方法

对林分空间结构能够有非常准确性的描述是分析林分空间结构的基础[8]。目前应用的量化空间结构的参数为以下3项：量化树种空间隔离程度的混交度；量化林木个体大小分化程度的大小比数；量化林木个体水平分布形式的角尺度[9]。

混交度(Mi)表示树种多样性，衡量树种空间隔离程度。

(1)

公式中，Mi为混交度，表明树木i所处的空间结构单元树种多样性的混交度；n为树木i最近邻木中不同的树种个数(本研究中n=4)，Mi分别取值为0、0.25、0.50、0.75、1.00，而每一个值所对应的树种状态为无混交、混交度弱、混交度中、混交度强、混交度极强。

大小比数表示林木的大小分化状况，量化相邻木与参照树的关系。

(2)

公式中，Ui为大小比数，值越小，说明该树在胸径指标上越优越；i为参照树；j为相邻木树号；kij是离散变量，其值定义为若参照树i比相邻木j小，kij=1，反之kij=0。Ui分别取值为0、0.25、0.50、0.75、1.00，表示为其参照树对于4株最近相邻木的情况为优势木、亚优势木、中庸木、劣势木、绝对劣势木。

角尺度(Wi)是反映树木分布状况的空间指标，描述相邻木围绕参照树i的均质性。通过将参照树及其相邻木构成的交角与均匀分布时的标准角对比分析林木分布状况，标准角设定72度[10]。

(3)

公式中，Wi为参照树i的角尺度，当第j个夹角小于标准角时，zij=1，反之，zij=0。Wi有5种取值，即0、0.25、0.50、0.75、1.00，每一种取值分别对应为绝对均匀、均匀、随机、不均匀、聚集。

3 结果与分析

3.1 林木树种空间隔离程度

混交度(M)用来说明混交林中树种空间隔离程度[11]。全部18块样地中不同树种的混交林混交度的统计表详见表3。

表3 全部林分主要树种混交度统计

根据不同树种组成的林分类型划分混交度的统计见表4。

由公式(1)可知相对于M的5种取值对应于通常所讲的混交度的描述，即无混交度、混交度弱、混交度中、混交度强、混交度极强(相对于此结构单元而言)，它说明在该结构单元中树种的隔离程度，其强度以混交度中为分水岭，生物学意义明显。调查统计林分不同树种多样性混交度频度分布及均值列表3。根据不同树种组成的林分类型划分混交度的统计见表4。多树种混交是林分发育过程中树种间及其与环境间长期相互作用、协同进化的结果，林分混交度越大，结构越趋于稳定[12]。

由表3可以看出全林分的平均混交度为0.3，全林分分布在零混交度、弱混交度2个等级上的频度高达66%，强混交和极强混交单元比例为18%，总林分零混交度占41%，表明树种混交程度较低，种间相互隔离程度也较低，相同树种聚集在一起的情况普遍存在，林分稳定性差，种群退化，易受病虫害侵袭。白桦、落叶松的零混交度频度最大，随着0～1混交强度逐渐减小，白桦、落叶松树种的生长势态低于山杨、樟子松。山杨、樟子松株数少，混交度较高。在群落发育的过程中，由于种内的强烈竞争，一个结构单元中的同种个体聚集的距离越近、数量越多、这样的结构单元越不稳定，其结果是同种个体首先被自然稀疏，导致最近相邻体中同种个体减少，结构单元的物种多样性提高，混交度加大[13]。

由表4不同林分类型混交度的对比可得，3种林分类型中，针阔混交林混交度均值为0.42、白桦林为0.25、落叶松林为0.26，白桦林中落叶松树种混交度均值为0.51远大于白桦的0.15，落叶松林中白桦树种的混交度均值0.68同样远大于落叶松的0.16，两种树种处于差距巨大的混交状态，针阔混交林中，落叶松混交度均值0.46和白桦的0.33都处于混交度中与弱混交度之间，针阔混交林的稳定性强于其他两种林分类型。3种林分类型混交度频度随0～1混交度逐渐减小，目前对大兴安岭地区天然林改造的一个主要目标就是提高天然林分的树种混交度。

3.2 林木个体空间分布格局

对于每个空间结构单元而言，取4株最近相邻木时，最优标准表为72，其值越大参照树所在结构单元相邻木分布越不均匀。用角尺度描述林分中的林木个体水平分布时，主要是依据林木个体之间的方位关系，与树种无关。可见，混交度表明了任意一株树的最近相邻木为它种的概率[14]。就整个林分而言，在随机分布时W均值取值范围属于[0.475，0.517]。小于0.475的分布为均匀分布，大于0.517的分布为团状分布[15]。根据公式(3)计算并判断林木角尺度统计见表5。不同林分类型角尺度频度分布见表6。

表5 全部林分角尺度统计

不同树种组成的混交林的角尺度是林分类型的角尺度的基础，本研究通过对大兴安岭地区落叶松白桦混交林不同树种组成的角尺度计算，为进一步了解不同林型的角尺度，得出表6中的计算结果。

表6 不同林型的角尺度统计

由表5可知，大兴安岭地区天然林中白桦和落叶松处于优势地位，占据着林分的主要空间，其他树种如山杨、樟子松都是伴随树种。林分中聚集和绝对均匀的空间结构单元比例较小，分别为7%和1%，均匀和随机分布的比例较大，随机分布的结构单元占到54%，这说明该地区天然林林分中林木主要成随机分布。以不同树种分析，白桦和落叶松为参照树的结构单元频度分布及其均值与整个林分的分布规律较为相似，且这两个树种株数占了整个林分的94.5%。因此以白桦和落叶松为参照树的结构单元的林木分布格局在很大程度上决定着整个林分的分布格局。该林分的W均值为0.54，接近0.517，但属于团状分布，这种分布需人为进行适当干预微调，改善林分内林木分布趋于合理，优化林分生存空间，提高林分的稳定性。

由表6可知3种林分类型的角尺度均值都为0.54，同属于不均匀分布。在白桦林中，白桦树种角尺度大于0.517出现的频度为0.26，落叶松为0.28，且两树种角尺度均值分别为0.53、0.55；在落叶松林中，落叶松树种角尺度大于0.517的频度为0.28，白桦为0.34，两树种角尺度均值分别为0.54和0.55，说明以落叶松和白桦为参照树的结构单元均质性相似。天然混交林的林木水平分布受林分树种组成影响较小。

3.3 落叶松—白桦天然混交林大小分化程度

大小比数量化了参照树与其相邻木胸径的大小相对关系，其均值在很大程度上反映林分中的树种优势[16]。Ui越小代表参照树大于相邻木的比例越大，参照树在此结构单元中越占优势。不同树种的混交林大小比统计表详见表7。

表7 不同树种混交林大小比数统计

进一步，不同林型中的大小比统计表详见表8。

表8 不同林型中的大小比数统计

全部林分中优势树种白桦和落叶松大小比的平均值的。为0.50、0.51，说明在距离参照树最近的4棵树中几乎有一半比参照树直径小，在其对应结构单元中整体处于中庸状态，胸径大小差异不大。其中全林分的山杨大小比数均值最小为0.36，因为山杨数量少但胸径较大，在以山杨为参照树的结构单元中处于明显优势的地位。两优势树种大小比数频度分布相似，优势木、亚优势木、中庸木、劣势木、绝对劣势木的数量基本相同，说明大兴安岭天然林分中林木之间的竞争相当激烈。其中，山杨的优势木占32%，高于白桦和落叶松，说明以山杨为参照树的结构单元中，其他树种处于不利竞争地位。由表8不同林分类型的大小比数可知：3种林分类型的各树种0～1大小比数频度分布与全林分频度分布相似，但3种林分类型的落叶松树种的优势频度0.17、0.16、0.21分别小于白桦优势频度的0.20、0.21、0.22，说明即使不同林分组成，在以白桦为参照数的结构单元中，白桦直径大于最近4株相邻木的情况比以落叶松为参照树的更普遍。

4 结论

大兴安岭地区天然林林分的平均混交度为0.3，而分布在零混交度、弱混交度2个等级上的频度就占大多数，比例为66%，而在其它等级上所占的比例则相对较小。这能够说明，树种间的相互隔离程度与树种的混交程度是密切相关的。而白桦、落叶松在零混交度所占频数最大，随着0～1混交强度逐渐减小。同时，根据森林生态学原理，目前能够对我国大兴安岭地区天然林进行改造的主要措施就是提高天然林的树种混交度。

本研究的林分中，由于白桦和落叶松是优势树种，因此主要分析其生态学特征，同时整个林分的分布格局也是受到白桦和落叶松为参照树的结构单元的林分分布格局的影响。该林分的角尺度均值为0.54，这说明这种林分状况需要人为进行适当调整，以使得林分内林木之间的分布和林分优化更加合理，这样林分的稳定性才能得到很好的增强。

根据不同林分类型中优势树种白桦和落叶松大小比的均值可知，整个林分的结构单元整体上处于一种中等状态，3种林分类型中，针阔混交林稳定性最强。3种林分类型的角尺度分析证明天然混交林的林木水平分布受林分树种组成影响较小。以山杨为参照树的结构单元中，山杨的优势明显高于白桦和落叶松，因此在今后的森林抚育中，要着重考虑加强白桦和落叶松的优势程度，以此来提高白桦和落叶松的竞争力。

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Spatial Structure of Natural Mixed Forests in Daxing’an Mountain/

Xing Hui, Li Fengri, Jia Weiwei, Zhuang Chen