杨桦中幼龄次生林结构与自然度的比较研究

霍艳玲，金 辉，赵海玉，王志彬，刘丽颖，黄龙生，李永宁

（1.河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；2.张家口市黑龙山林场，河北 张家口 075000；3.陕西省凤翔县林业技术推广站，陕西 凤翔 721400 ）

杨桦中幼龄次生林结构与自然度的比较研究

霍艳玲1，金 辉3，赵海玉2，王志彬2，刘丽颖1，黄龙生1，李永宁1

（1.河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；2.张家口市黑龙山林场，河北 张家口 075000；3.陕西省凤翔县林业技术推广站，陕西 凤翔 721400 ）

杨桦次生林是冀北山地的典型森林类型，对区域生态环境建设与经济持续发展具有重要作用。研究以冀北黑龙山的杨桦次生林为例，利用角尺度、混交度及大小比数以及参数熵权修正层次分析法，对中龄林与幼龄林的结构及森林自然度进行比较分析。结果表明：幼龄林与中龄林的树种组成均较单一，中龄林的树种多样性指数较高，树种组成较好；中龄林的直径分布范围较大，林木个体分化程度明显；幼龄林与中龄林的树高结构均呈单峰型，幼龄林树高分布范围较小，林层分化不明显；幼龄林与中龄林的林分角尺度都呈聚集分布，但中龄林林木个体分布较趋于随机；中龄林与幼龄林均以零度混交比例为主，中龄林的林分整体混交度相对较好；幼龄林与中龄林林分大小比数分化差异不明显，林分不同大小比数分布频率较均匀。幼龄林森林自然度等级为4，属于乡土树种混交林状态，中龄林森林自然度等级为5，属于次生林状态。

杨桦次生林；林分结构；角尺度；混交度；大小比数；森林自然度

杨桦次生林在华北、东北地区分布广泛，多数是由于森林采伐、放牧和自然灾害等干扰破坏而形成的森林群落。冀北山地的杨桦次生林是本地区的典型森林类型，分布范围广，生态区位重要，承担着为京津地区阻沙源、保水源的重要任务。但长期以来，杨桦次生林经营粗放，林分结构不合理，造成林木生长状况较差、生态功能低下、生物多样性低、病虫害严重等一系列问题[1]。杨桦次生林的可持续经营已成为迫在眉捷的问题。

林分结构主要包括非空间结构中的树种组成、直径结构、树高结构[2-4]，以及空间结构中角尺度、混交度和大小比数几个方面[5-7]。林分结构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[8]，决定着森林的生长、功能以及干扰机制[9]。林分结构调整是森林可持续经营的重要手段，森林可持续经营需要基础的森林结构信息。此外，森林自然度反映了森林与地带性顶极森林的相似程度，是反映森林质量和生态状况的一项重要指标[10]。掌握森林生态系统的发展规律和演替过程，利用森林自然度划分森林经营类型，是森林可持续经营的重要前提。本研究以冀北黑龙山林场的杨桦次生林为例，对杨桦次生林中龄林及幼龄林的林分结构、森林自然度进行分析比较，探讨林分在演替过程中的结构和自然度变化，可为森林经营措施的设计与实施提供参考，为杨桦次生林的近自然经营提供科学依据。

1 研究地概况

黑龙山林场位于赤城县东北部，东与丰宁满族自治县邓栅子林场接壤，西接沽源县老掌沟林场，南连白草镇及三道川乡，北靠丰宁满族自治县大滩镇，地理坐标为 41°17′04″～ 41°22′14″N，116°00′37″～ 116°11′30″E。海拔高度 1 330 m ～2 292 m。属东亚大陆性季风气候，全年四季分明，冬季严寒漫长，夏季雨热同期，春秋气候变化剧烈，昼夜温差大。林场区域属冷凉较湿润气候区，七月平均最高气温19.7 ℃，一月平均最低气温-13.6 ℃，年平均气温4.1 ℃，年降水量563.8 mm，≥10 ℃年积温2 237.0 ℃，无霜期138 d左右。

杨桦次生林在林场内分布广泛，海拔在1 600 m～2 100 m之间，占有林地面积的67.7%。年龄在25～70 a之间，平均树高11 m，平均胸径28 cm。林中乔木主要有白桦Betula platyphylla、山杨Populus davidiana、色木槭Acer mono、棘皮桦Betula dahurica等，灌木主要有毛榛Corylus mandshurica、红瑞木Swida alba，鼠李Rhamnus davurica等。草本植物主要有细叶苔草Carex rigescens、茜草Rubia cordifolia、歪头菜Vicia unijuga、独活Heracleum hemsleyanum、山牛蒡Synurus deltoides、糙苏Phlomis umbrosa、龙牙草Agrimonia pilosa、玉竹Polygonatum odoratum等。

2 研究方法

2.1 样地调查

样地调查于2011年10月进行。选择典型的、未经人为干扰的杨桦次生林幼、中龄林各2块，幼龄林样地大小为20 m×20 m，中龄林样地大小为30 m×30 m，研究中应用幼、中龄林的平均指标。样地主要调查因子包括树种、坐标、胸径、树高、枝下高、冠幅、损伤状况、干形质量、病虫害状况。

表1 林分基本情况Table1 Basic situations of standard plots

2.2 林分结构

2.2.1 林分非空间结构

采用的林分非空间结构包括：树种组成及多样性结构、直径结构、树高结构，用以揭示典型的林分非空间结构特征。树种组成采用十分法表示，即各树种组成系数之和等于“10”；树种多样性主要利用Simpson多样性指数、 Pielou 均匀度指数以及Margalef丰富度指数[11-12]；直径结构中以2 cm 为径阶进行统计分析，探讨林木的径阶分布状况，其中幼龄林的起测径阶为2 cm，中龄林为4 cm；根据树高曲线得到各株树的树高，以2 m为一高度级进行统计，分析林分的树高结构。

2.2.2 林分空间结构

林分空间结构包括角尺度、混交度、大小比数等指标，以n=4，即参照树及其周围 4 株相邻木组成的结构单元为基础，计算各林分的角尺度、混交度、大小比数，具体计算方法见参考文献[5-7,13]。

2.3 森林自然度

森林自然度的确定采用熵权修正层次分析法[14]，遵循科学性及可操作性原则选取评价指标，按照层次分析法构造森林自然度评价体系，并且采用定性与定量相结合法把自然度划分等级，自然度等级越小，自然度值相对就越小。

森林自然度(S)为评价指标去量纲后评价值及修正后权重的乘积之和：

式（1）中：λj为森林自然评价指标运用熵权法修正后的权重，Bj为各指标进行标准化后的评价值。

3 结果与分析

3.1 林分结构

3.1.1 非空间结构

3.1.1.1 树种多样性及组成

树种组成作为森林的重要林学特征之一，是制定森林经营目标与调整林分结构的重要因子。幼龄林与中龄林都以山杨和白桦为主，同时伴生有山柳、落叶松、棘皮桦、色木槭等，树种组成分别为4杨4桦2杂、4杨3桦1花2杂，中龄林中树种较为丰富，花楸、色木槭有所增加（表2）。与幼龄林相比，树种Simpson多样性、Pielou均匀度指数以及Margalef丰富度指数均以中龄林较高。整体上来看，杨桦次生林中树种组成比较简单，但中龄林比幼龄要好。随着林分的生长与竞争加剧，林木的自然稀疏使白桦与山杨的密度降低，其他树种有了更多的生长空间，开始不断的发育与生长，但还缺少本地的顶极树种如蒙古栎、云杉等树种。在森林抚育经营中要注意树种结构的调整，特别是乡土顶极树种的培育。

表2 树种多样性及组成†Table2 Species diversity and composition

3.1.1.2 直径结构

林分直径分布可以体现出林分内不同林木直径的一种分布状态，是林分最重要、最基本的结构，对林木的材积、干形以及树冠的生长均有重要作用。由图1来看，幼龄林直径分布呈单峰状，林木直径集中于4 cm～8 cm，其中以小径阶4 cm最多；中龄林直径分布呈反“J”型，径阶分布集中在6 cm～10 cm。与幼龄林相比，中龄林径阶分布范围较大，林木个体间分化程度增加。形成这种现象的原因主要有两个，一是幼龄林密度较大，虽然由于竞争发生自然稀疏，但林木生长缓慢，还维持着原有林分的基本直径结构；二是中龄林由于林木竞争发生分化，处于林冠上层的林木表现出明显的生长优势，不但使直径的分布范围变大，而且表现出一个较长的右截尾。

3.1.1.3 树高结构

林分树高结构是指林分内不同树高的林木分配情况，也称林分树高分布。幼龄林和中龄林的树高结构均呈单峰型，幼龄林树高分布范围在2 m～10 m，以低树高级2 m和4 m级居多，林分内最高树高级达到了10 m，但数量极少，说明该林分林层较低，中龄林样地树高分布范围分别为4 m～16 m，以6 m～10 m居多（图2）。与中龄林相比，幼龄林同一树高级林木较集中，树高分布范围较小，林层分化不明显。一般说，树高与直径之间存在着正相关关系，直径越大树高越高，中龄林直径分化程度较大，树高差异也大，林层分化明显。

图1 直径结构Fig.1 Diameter structure

图2 树高结构Fig.2 Tree height structure

3.1.2 空间结构

3.1.2.1 角尺度

角尺度可用来描述相邻木围绕参照树的均匀性。根据林木空间分布格局的判断标准，∈(0.475～0.517)时为随机分布，＜0.475时为均匀分布，＞0.517为聚集分布。幼龄林与中龄林的平均角尺度分别为0.61和0.56，均属于聚集分布，但中龄林的平均角尺度较小，林分聚集程度较低（图3）。对于角尺度为0.5的林木，中龄林的分布频率明显高于幼龄林，分别占各自单元总株数的59.4%、46.2%，说明中龄林中参照树周围最近相邻木出现随机分布情况较多。幼龄林中处于不均匀和极不均匀的频率，即平均角尺度为0.75和1的频率明显高于中龄林，分别占各自单元总株数的47.2%、35%。

图3 不同林分角尺度频率分布Fig.3 Uniform angle index frequency among different stand types

3.1.2.2 混交度

混交度可以反映森林群落中树种个体间相互隔离状况，是衡量林分群落组成结构复杂性的一个重要指标。由于林分树种组成单一，林分中有较多的同种林木聚集在一起，幼龄林和中龄林均以零度混交和弱度混交为主，林分平均混交度分别为0.14和0.23，林分中树种空间隔离程度很小，混交状况差（图4）。其中，幼龄林零度混交比例明显高于中龄林，中龄林混交情况相对较好，这可能是因为桦树及山杨在幼年阶段常呈聚集分布的特性，树种混交度低；而达到中龄林阶段，其他树种增多，混交程度也得到提高。

3.1.2.3 大小比数

大小比数可以描述林木与其周围树种的大小分化程度，是参照树和相邻木大小关系的数量化表现，一个结构单元的大小比数值越低，比参照树大的相邻木越少，该结构单元参照树的生长越处于优势地位。幼龄林与中龄林大小比数分布频率无明显差异，各大小比数分布频率比较平均，平均大小比数分别为0.48、0.49，均属于中庸状态，但林分内分化处于中等水平Ui= 0.50的林木株数比例较低，均在20%左右，林分中处于劣态Ui= 1或0.75与优势状态Ui= 0或0.25的林木较多，占林分总株数的40%左右（图5）。说明，林分内部处于竞争激烈的林木较多，同时较多林木面临的竞争状况严重影响其生长，林分大小分化不理想，应适当进行间伐进行调整。

图4 不同林分混交度频率分布Fig.4 Mingling degree frequency among different stand types

图5 不同林分大小比数分布频率Fig.5 Neighborhood comparison frequency among different stand types

3.2 森林自然度

根据森林自然度划分林分类型，按照森林的生长和演替规律对林分提供针对性经营措施，是森林可持续发展和森林健康稳定的重要前提。由表3可以看出，中龄林的自然度明显高于幼龄林，幼龄林森林自然度值为0.506，按照森林自然度等级划分系统，林分自然度等级为4，属于乡土树种混交林状态；中龄林森林自然度值为0.742，林分自然度等级为5，属于次生林状态。中龄林属于次生林状态的特征主要表现为，中龄林郁闭度在 0. 7以上，树种组成以伴生树种白桦或山杨为主，顶极树种落叶松数量较少，林层数达到了复层结构标准，林木分布格局为聚集分布，林下更新较为良好。幼龄林属于乡土树种混交林状态的特征主要表现为，郁闭度较低，林层结构简单属于单层林，树种隔离程度小，多样性较低。

与幼龄林相比，中龄林的树种隔离程度、林层结构、天然更新、蓄积量以及郁闭度等指标层的加权后得分值明显高于幼龄林，说明中龄林林分直径分布较合理，林分的成层性分化明显，林下物种更新较丰富、林分蓄积量较高以及林分内林木利用空间程度良好。在树种组成、顶级树种优势度、树种多样性等指标层方面，幼龄林较高于中龄林。所以，在进行管理时应注重调整林分树种组成，提高顶级树种优势度，同时采用天然更新、人工促进天然更新、补植等相结合的措施提高林分的树种多样性。

表3 林分自然度评价结果Table3 Results of various stands naturalness

4 结论与讨论

通过对张家口黑龙山杨桦次生林幼龄林和中龄林结构及森林自然度的比较研究表明，幼龄林和中龄林树种组成都较简单，与幼龄林相比，中龄林的树种多样性指数较高，树种组成较好；中龄林林分直径分布范围较大，林木个体分化程度明显；幼龄林与中龄林的树高结构均呈单峰型，但幼龄林同一树高级林木较多，树高分布范围较小，林层分化不明显；中龄林与幼龄林均属于聚集分布，但中龄林林木个体分布较趋于随机；幼龄林与中龄林均以零度混交比例为主，中龄林的林分整体混交度相对较好；幼龄林与中龄林林分大小比数分化差异不明显，林内不同大小比数分布频率较均匀。林分的森林自然度比较，以中龄林的森林自然度较高，中龄林自然度值为0.742，自然度等级为5，属于次生林状态；幼龄林自然度值为506，自然度等级为4，属于乡土树种混交林状态。

杨桦次生林大部分是经人工采伐后天然更新而形成，由于缺乏经营管理，林分密度过大、生长状况不良，生态功能较低。在进行森林经营时，应以形成合理的林分结构为目的，调整林分的树种组成、水平分布格局和林内树种竞争关系，同时采用天然更新、人工促进天然更新、补植等相结合的措施提高林分的树种多样性，改变树种单一的现状。本研究表明，本地区的杨桦次生林林分密度较大，林木聚集程度高，限制了林木的正常生长，可通过抚育间伐减少林木之间的竞争，促进林分的正常发育，加速演替的进行，促进形成随机分布的林分以及较高的群落生物多样性，从而使组成林分的树木个体和整个林分群体均朝健康方向发育。

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Comparison study on stand structures and naturalness between middleaged and young secondary poplar-birch forest

HUO Yan-ling1, JIN Hui3, ZHAO Hai-yu2,WANG Zhi-bin2, LIU Li-ying1, HUANG Long-sheng1, LI Yong-ning1
(1.College of Forestry of Agricultural University of Hebei, Baoding 071000,Hebei,China;2. Heilong Mountain Forest Farm of Zhangjiakou, Zhangjiakou 075000, Hebei, China; 3. Forestry Bureau of Fengxiang County of Shanxi Province, Fengxiang 721400,Shaanxi, China)

Secondary poplar-birch forest is a typical forest type in mountain area of north Hebei, and plays an important role in ecological construction and economic development of the region. Secondary poplar-birch forest in Heilongshan, mountain area of north Hebei was studied, comparative analysis about structure and naturalness were conducted in the middle-aged forest and young forest,and three parame-ters-angle index, neighborhood comparison, mingling and entropy weight AHP- were used. The results show that the species composition of young forest and middle-aged forest were single, tree species diversity of middle-aged forest was higher, species composition was better; The diameter distribution range of middle-aged forest was larger, individual differentiation was obvious; The tree height structure of young forest and middle-aged forest both showed single peak type, the height distribution range of young forest was smaller, the layer differentiation was not obvious; The uniform angle index of young forest and middle-aged forest were aggregated distribution, but tree distribution of middle-aged forest was tended to random; The mingling degree of young forest and middle-aged forest were dominated by zero mixed proportion, the mingling degree of middle-aged forest was relatively well; The neighborhood comparison of young forest and middle-aged forest was not signif i cant, the different size neighborhood comparison frequency of forest stands were uniform. The naturalness ratio of young forest and middle-aged forest were four and fi ve, respectively belonged to native species mixed forest and secondary forest.

secondary poplar-birch forest; stand structure; uniform angle index; mingling degree; neighborhood comparison; forest naturalness

S758.5+3

A

1673-923X(2014)12-0091-05

2013-12-20

“十二五”农村领域国家科技计划“华北土石山区森林可持续经营技术研究与示范”（2012BAD22B0304）；河北省“张家口天然次生林经营诊断和结构调整技术研究”

霍艳玲（1988-），女，河北保定人，硕士研究生，主要从事森林可持续经营方面的研究

李永宁（1970-），男，河北滦南人，副教授，博士，研究方向：森林可持续经营

[本文编校：文凤鸣]