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基于加权Voronoi图的杉木生态公益林空间结构量化分析

2014-12-27李际平张彩彩赵春燕曹小玉

中南林业科技大学学报 2014年7期
关键词:比数株数空间结构

封 尧,李际平,张彩彩,赵春燕,曹小玉

(中南林业科技大学 林学院,湖南 长沙 410004)

基于加权Voronoi图的杉木生态公益林空间结构量化分析

封 尧,李际平,张彩彩,赵春燕,曹小玉

(中南林业科技大学 林学院,湖南 长沙 410004)

以湖南省福寿国有林场内24年生杉木生态公益林为研究对象,通过胸径加权Voronoi图确定各中心木的邻近木,计算混交度、大小比数、聚集指数、林层指数和开敞度5个空间结构指数,全面分析了该林分的空间结构特征。结果表明:1)林分平均混交度为0.21,为弱度混交,树种空间隔离程度较低;2)林分平均大小比数为0.58,林分胸径大小分化不太明显,处于中等竞争状态;3)林分平均聚集指数为1.06,林木总体上处于由均匀分布向随机分布演替的过渡阶段;4)林分平均林层指数为0.24,林木在垂直空间上配置较为简单;5)林分平均开敞度为0.23,林木生长空间不足。

杉木;公益林;空间结构指数;空间结构单元;地理信息系统

系统结构反映构成该系统的各组成部分间的相互关系,决定该系统的性质与功能,系统通过结构对其各组成部分进行制约,并将它们联接为一个整体[1]。森林的空间结构是制约森林复杂巨系统多种功能发挥的关键因素[2-3],它决定着森林的生境及物种多样性,影响着林木间的竞争状态及其空间生态位,在一定程度上影响着森林巨系统的稳定性、健康性及其发展方向[4]。

对森林空间结构的描述是研究森林空间结构的基础,传统的森林经理学调查主要包括调查林木的树高、胸径、冠幅等,忽略了林木的空间结构信息[5-6]。目前在森林经理学中描述林分空间结构的指数主要包括混交度、大小比数、聚集指数、林层指数和开敞度等,通过这些指数可以在三维空间内全方位描述林分空间结构特征。

空间结构指数的计算建立在空间结构单元基础之上,如何确定最佳空间结构单元一直存在较大争议,由最开始采用固定大小的空间结构单元(如n=4),到目前基于Voronoi图来灵活确定空间结构单元。Voronoi图中的诸Voronoi多边形隐含地表达了空间生长目标之间的全部侧向邻近信息[7],根据这一性质来确定中心木各邻近木的位置及株数。但常规Voronoi图仅根据林木的位置划定区域范围,将所有林木同等看待,没有考虑林木之间的实际生长状况,不足以反映林木真实的空间邻近信息[8],因此本研究尝试结合林木胸径对其进行改进,生成加权Voronoi图。在加权Voronoi图中,Voronoi多边形的边数即为邻近木株数n,而n的取值根据实际林分环境不同而异,据此计算得出的各空间结构指数更能反映林分真实空间结构状况。

本研究以湖南省福寿国有林场内24年生杉木Cunninghamia lanceolata生态公益林为研究对象,以林木位置为离散点数据,结合林木自身胸径生成加权Voronoi图,进而确定每株中心木的邻近木,计算混交度、大小比数、聚集指数、林层指数和开敞度,深入剖析该群落空间结构特征,为结构优化和调整提供理论依据和研究基础。

1 研究区概况

福 寿 国 有 林 场 (28°25'00" ~ 28°32'30" N,113°41'15"~113°48'45" E)位于湖南省平江县福寿山上,地处罗霄山脉连云山支脉,岩浆岩发达,地势南高北低,平均海拔1 204 m,平均坡度为22 °~27 °,形成群山重叠、起伏绵延的中山地貌。该地区处于中亚热带向北亚热带过渡的气候带,属湿润的大陆性季风气候,年平均气温12.1 ℃,极端最高气温33.4 ℃,最低气温为-15 ℃,年日照1 500 h,无霜期217 d,有效积温4 547 ℃,年相对湿度87%。虽地处海拔较高的中山区,但因群山起伏,自然形成“小盆地”,有良好的山区小气候。本地区属中亚热带常绿阔叶林植被区,植被繁茂,群落较多。由于长期人工造林和经营,大部分山地的原始群落已被杉木人工林所代替。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

在详细踏查福寿国有林场24年生杉木生态公益林的基础上,设置了6块面积均为20 m×30 m的样地,依次编号为13~18,样地之间保留10~20 m的缓冲区。按照相邻格子调查法,在样地顺坡和横坡两个方向每隔10 m定桩,把每个样地均划分为6个10 m×10 m的小样格,并设定横坡方向为横坐标X,顺坡方向为纵坐标Y,据此确定每株林木的相对位置。对样地内胸径≥2.0 cm的林木逐株挂牌编号,进行每木检尺,调查每株林木的相对坐标、胸径、树高和冠幅等基本因子,并记录各样地的群落类型、经纬度、海拔、地形、土壤类型等基本调查因子。

2.2 空间结构指数

2.2.1 混交度

混交度反映林分中树种间的空间隔离程度,定义为中心木的n株邻近木与中心木不属同种个体所占的比例[9],公式为:

式中:Mi为第i株中心木的点混交度;n为邻近木株数;vij为离散性变量,取值为:

在此将Mi的取值划分为5个区间[10]:0.00、(0.00,0.25]、(0.25,0.50]、(0.50,0.75]、(0.75,1.00],分别对应于混交度的定性描述:零度混交、弱度混交、中度混交、强度混交和极强度混交。

计算林分或树种的平均混交度时采用如下公式:

2.2.2 大小比数

大小比数被定义为胸径大于等于中心木的邻近木株数占该中心木所有n株邻近木的比例[11],用公式表示为:

式中:Ui为第i株中心木的点大小比数;kij为离散性变量,其取值为:

在此将Ui的取值划分为5个区间:0.00、(0.00,0.25]、(0.25,0.50]、(0.50,0.75]、(0.75,1.00],分别对应于中心木所处生长状态的定性描述:优势、亚优势、中庸、劣势和绝对劣势。

计算林分或某树种的平均大小比数公式为:

树种平均大小比数反映了该树种在林分所比较对象上的优劣程度,其值愈小,说明该树种在某一比较对象上愈占优势,根据U 值进行升序排列就可以反映出该林分中所有树种在某一比较对象上的优势程度。

2.2.3 聚集指数

Clark-Evans提出的聚集指数R,被定义为中心木与其最近相邻木距离的平均值与随机分布下期望的平均距离之比,经边缘矫正后的计算公式[4]为:

实测与预测的偏离程度可利用正态分布进行检验,其计算公式为:

式中:σE为期望标准差。

2.2.4 林层指数

林层指数被定义为中心木的n株邻近木与中心木不属同层林木所占的比例,与空间结构单元内林层结构多样性的乘积,计算公式[12]为:

式中:Si为第i株中心木的点林层指数;zi为中心木i的空间结构单元内林层的个数;Sij为离散性变量,其取值为:

计算林分的平均林层指数公式为:

林分的林层指数越大,表明林分在垂直方向上的成层性越复杂。

根据国际林联(IUFRO)的林分垂直分层标准,以林分优势高为分层标准将林分划分为3个垂直层,树高(H)≥2/3优势高的为上层,树高(H)介于1/3~2/3之间的为中层,树高(H)≤1/3优势高的为下层。

2.2.5 开敞度

开敞度的定义为中心木到其邻近木的水平距离与邻近木树高比值的均值,计算公式[13]为:

式中:Ki为第i株中心木的点开敞度;Dij为中心木i与第j株邻近木的水平距离;Hij为第i株中心木的第j株邻近木的树高。

林分平均开敞度的计算公式为:

将开敞度划分为5个状态区间:(0.0,0.2]、(0.2,0.3]、(0.3,0.4]、(0.4,0.5]、(0.5,+ ∞ ),其分别对应于生长空间的5个状态:严重不足、不足、基本充足、充足、很充足。

2.3 加权 Voronoi图

加权Voronoi图的定义为:设Pi(i=1,2,…,n)为二维欧氏平面上的n个点,λi(i=1,2,…,n)为n个正实数,即相对应的Pi点上的权重。

当 λ1=λ2=…=λn时,加权 Voronoi图就成为常规Voronoi图,常规Voronoi图只考虑空间位置,并不考虑生长点的自身属性,与常规Voronoi图相比,加权Voronoi图引入了权重因素,使空间剖分结果更为合理。某一加权Voronoi多边形内的所有点到该多边形生长点的距离与该点到相邻Voronoi多边形生长点的距离之比小于两Voronoi多边形生长点的权重之比。

2.4 边缘矫正

以位于样地边缘处的边界木为中心木所构建的空间结构单元是不完整的,会给分析结果带来误差。结合惠刚盈等的研究[14],本文中采用距离缓冲区法进行矫正处理,由样地每条边向内延伸2 m水平距离的范围作为缓冲区,在调查样地中缓冲区外的其余部分称为矫正样地,其大小为16 m×26 m (见图1),仅利用矫正样地内的林木作为中心木计算各空间结构指数。

图1 基于林木点数据生成的加权Voronoi图Fig.1 Weighted Voronoi diagram based on tree point data

3 结果与分析

3.1 林分基本特征

该林分为1989年在皆伐迹地上营造的杉木人工林,林分平均密度约为2 217株/hm2,乔木层共有8个树种,分别为杉木、黄山松Pinus taiwanensis、 毛 竹 Phyllostachys heterocycla、 苦楝Melia azedarach、白栎Quercus fabri、毛樱桃Cerasus tomentosa、光皮桦Betula luminifera、野漆树Toxicodendron succedaneum。6个样地内乔木总株数为794株,其中杉木占84%,毛竹占13.7%,其他6个树种仅占2.3%,杉木占有绝对的株数优势。经边缘矫正后,位于矫正样地内的林木总株数为537株,缓冲区内的林木总株数为257株(见表1)。

表1 样地基本概况Table 1 Situation of sample plots

3.2 林分基本空间结构单元

根据加权Voronoi图确定林分基本空间结构单元,各中心木的邻近木株数n的取值范围为2~13株,有12种可能取值(见图2),主要集中在3~8株,平均取值为5.8株,这符合Voronoi图的线性特性和局域动态特性,根据欧拉法则可知,每一个Voronoi多边形的平均边数不超过6,表明伐除或补植1株林木,一般只影响其周围6株左右的邻近木。

3.3 林分树种空间隔离程度

图2 基于加权Voronoi图确定的邻近木株数频率分布Fig.2 Frequency distribution of the number of neighbor trees based on weighted Voronoi diagram

通过计算可知林分的平均混交度为0.21,反映出该林分为弱度混交,不同树种间的空间隔离程度较低。其中杉木的平均混交度为0.1,表明杉木的邻近木中绝大部分均为同种个体(见图3)。由于杉木的株数优势,导致整体林分混交度偏低。其它树种由于所占株数比例较小且分散分布,致使混交度均高于0.8,都为极强度混交,这些树种均为伴生树种,零星散布于林分内,绝大多数个体间插于杉木之间。

图3 杉木生态公益林各组成树种的混交度Fig.3 Mingling degree of each tree species in C. lanceolata non-commercial forest

3.4 林木大小分化程度

考虑到实际调查过程中测定林木的树高与冠幅时精确性偏低,故本文采用胸径作为比较目标计算大小比数。林分平均胸径大小比数为0.588,表明林木胸径大小分化不太明显,林分处于中等竞争状态。由图4可知,在该林分内不同树种在胸径这一比较指标上的优劣排序为光皮桦、苦楝、杉木、毛樱桃、野漆树、毛竹和白栎,说明光皮桦、苦楝在胸径生长上比杉木占有优势,而毛樱桃、野漆树、毛竹和白栎与杉木相比则不占优势,处于劣势与绝对劣势状态。

图4 杉木生态公益林各组成树种的大小比数Fig.4 Neighborhood comparison of each tree species in C.lanceolata non-commercial forest

3.5 林木空间分布格局

经计算得知该林分的平均聚集指数为1.06,由表2可知,林木分布格局处于从均匀分布向随机分布演替的过渡阶段。6个样地中仅有16号样地的聚集指数R显著大于1(u>u0.05),分布格局为均匀分布,其它5个样地的分布格局均为随机分布。该杉木生态公益林的这种空间分布格局与其人工起源及人为干扰具有密切联系,林分经过24年的多次人为补植与抚育间伐,正处于由均匀分布向随机分布过渡的演替阶段。

表2 杉木生态公益林各样地的林木空间分布格局†Table 2 Spatial distribution pattern of tree individuals in C. lanceolata non-commercial forest

3.6 林分垂直分层

将林分垂直分为3层,在6个样地中分别选取10株最高的林木计算树高平均值作为该林分的优势高,计算得出优势高为13.2 m,具体分层情况见表3。

表3 杉木生态公益林林层划分Table 3 Storey division of C. lanceolata non-commercial forest

由表3分析可知,该林分被划为3个林层时,处于上层与中层的林木所占比例达到98%,而下层林木仅占2%,这主要与该林分起源于人工林有关,占有绝对株数优势的优势树种杉木同时被种植,在相同的环境内生长24年后基本处于上层与中层,而其他伴生树种由于在生长过程中不占优势,大多处于中层与下层,同时下层缺乏幼树。

林层指数越大,林分垂直分层结构就越复杂。该林分平均林层指数为0.24,林层指数主要聚集在(0.00,0.50]范围区间内(见图5),林分在垂直方向上的成层性较为简单,中心木的邻近木中仅有大约1/4的林木与中心木不属于同一林层。在空间结构单元内大多只有1个或2个林层,且主要集中于上层与中层,下层林木极少。

图5 杉木生态公益林林层指数频率分布Fig.5 Frequency distribution of storey index in C. lanceolata non-commercial forest

3.7 林分开阔程度

该林分的平均开敞度为0.232,表明该林分内的林木生长空间不足,根据加权Voronoi多边形面积计算单株林木的平均生长面积约为5.20 m2,而平均冠幅面积约为7.74 m2,也可以说明林木生长空间不足。由图6分析可知,野漆树、光皮桦、白栎、毛竹的生长空间严重不足,而苦楝、杉木、毛樱桃的生长空间处于不足状态。优势树种杉木的生长空间状态处于不足状态,而其他伴生树种因林木大小及生长状态不同,生长空间分别处于严重不足与不足状态。

4 结论与讨论

本研究以福寿国有林场杉木生态公益林点数据为平面点,不仅考虑点之间的位置距离关系,同时把林木自身胸径作为各点的权重构建加权Voronoi图,使根据加权Voronoi多边形确定的各中心木的邻近木更加真实、灵活、合理,在此基础上计算的各空间结构指数更能反映林分的实际空间结构特征,减小空间结构指数的有偏估计。

图6 杉木生态公益林各组成树种的开敞度Fig.6 Open degree of each tree species in C. lanceolata non-commercial forest

该林分林相较为简单,通过对其空间结构指数进行分析发现:不同树种间相互隔离程度较低,表现为弱度混交,杉木周围绝大部分邻近木为同种个体,其他伴生树种零星散布于杉木之间;林分胸径大小分化不太明显,林分处于中等竞争状态,杉木在竞争中较占优势;林木分布格局呈现出从均匀分布向随机分布演替的过渡阶段,该分布格局现状在很大程度上受林分人工起源及人为干扰的影响,同时与林木所处的生长演替阶段有关;平均林层指数较小,垂直分层较为简单,林木大多处于上层与中层,下层林木分布极少,这主要与杉木所占的绝对个体株数优势及杉木大多为相同年龄有关;林分平均开敞度较低,林木生长空间不足,彼此之间较为拥挤,林分通透性较差。

通过对林分空间结构特征的分析可知,杉木的空间结构特征基本上可以代表整个林分的空间结构特征。为了尽快消除该林分混交度低、大小比数分布不合理、分布格局均匀、垂直分层结构简单以及林木生长空间不足等弊端,从优化林分空间结构的角度,通过森林抚育间伐、人工补植乡土阔叶树种等措施来提高林分生物多样性,增加林分稳定性。具体措施如下:一方面间伐林分内的枯立木、风倒木、病腐木、断梢木等健康状况较差的林木以及不具有培育价值的林木,为提高混交度、物种多样性,增大林木生长空间,减小竞争,优先间伐杉木,将除杉木外的其他树种列为“生态树种”加以保留。另一方面在林分内补植乡土阔叶树种及珍稀树种的幼苗幼树,增加林分物种组成的多样性,同时增大林分径级跨度,使大小比数各级分布更趋合理,增大林分在垂直方向上的成层性。

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Quantitative analysis of stand spatial structure of Cunninghamia lanceolata non-commercial forest based on weighted Voronoi diagram

FENG Yao, LI Ji-ping, ZHANG Cai-cai, ZHAO Chun-yan, CAO Xiao-yu
(School of Forestry, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China )

To analyze the spatial structure of the Cunninghamia lanceolata non-commercial forest, the plantation predominanted by the 24-year-old C. lanceolata located in Fushou State-owned Forest Farm of Yueyang City, Hunan Province of China was taken as the study object, and fi ve structural parameters, i. e. mingling degree, neighborhood comparison, aggregation index, storey index and open degree, were calculated based on the DBH weighted Voronoi diagram that can determine the reference tree’s neighborhood groups of trees. The results showed that: 1) the average mingling degree of stand was 0.21, indicating the simple spatial allocation and poor mixing of different tree species; 2) the average neighborhood comparison of stand was 0.58, and the differentiation of DBH was not signif i cant,which meant a middle level of competition; 3) the average aggregation index of stand was 1.06. The individuals of tree presented the succession trend from uniform distribution to random distribution; 4) the average storey index of stand was 0.24, and the spatial conf i guration was relatively simple in the vertical space; 5) the average open degree of stand was 0.23, thus, the stand was relatively crowded and hadn’t adequate growing spaces.

Cunninghamia lanceolata; non-commercial forest; structural parameter; spatial structure unit; GIS

S758.5+3;S791.27

A

1673-923X(2014)07-0055-06

2014-03-10

国家“十二五”科技支撑计划项目(2012BAD22B0505);湖南省研究生科技创新项目(CX2013B362);中南林业科技大学研究生科技创新项目(CX2013B29)

封 尧(1987-),男,山东泰安人,硕士研究生,研究方向:林业系统工程与社会林业;E-mail:yaof163@163.com

李际平 (1957-),男,湖南醴陵人,教授,博士,博士生导师,研究方向:林业系统工程;E-mail:lijiping@vip.163.com

[本文编校:谢荣秀]

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