福寿林场杉木人工林林分空间结构的研究

曹小玉，李际平，封 尧，周永奇

（中南林业科技大学 林学院， 湖南 长沙 410004）

福寿林场杉木人工林林分空间结构的研究

曹小玉，李际平，封 尧，周永奇

（中南林业科技大学 林学院， 湖南 长沙 410004）

以福寿林场杉木人工林为研究对象，用角尺度、大小比和混交度3个空间结构参数分析了其空间结构特征。结果表明：林分平均混交度是0.138，为零度混交和弱度混交过渡类型。说明树种的空间隔离程度较小，林分的稳定状态差。平均角尺度为0.533，分布格局为聚集分布。大小比数为0.478，林木大小比数分布均匀，表明林分内林木个体胸径差异不大，林木分化不严重。

杉木人工林；空间结构；参数分析；福寿林场

第七次全国森林资源清查结果，杉木人工林面积为853.86万hm2，占全国人工林面积的21.35%，在我国南方主要造林树种中占有举足轻重的地位和作用。但许多杉木人工林，林分树种结构单一，生物多样性低，森林健康状况较差，森林病虫害和森林火灾时有发生，经济产出低下严重影响了森林多功能的发挥。大量科学研究表明森林功能的发挥在很大程度上取决于森林空间结构是否合理，因此要通过优化森林空间结构实现培育多功能森林的目标，就必须了解森林空间结构的现状，通过调整建立或者维护最佳的森林空间结构[1]。森林的空间结构是指林木的分布格局及其属性在空间上的排列方式，其不仅决定了树木之间的竞争势及其空间生态位,而且在很大程度上决定林分的稳定性、发展的可能性和经营空间大小[2]。目前空间结构的描述指标主要有混交度、大小比数和角尺度等。这些指标分别描述了树种空间隔离程度(即混交)；林木个体大小分化程度(即竞争)和林木个体在水平面上的分布形式，即林木空间分布格局[3]。本研究利用空间结构指标，分析了福寿林场13年生的杉木人工林的空间结构，旨在为制定和实施科学的森林经营及保护规划提供一定的技术支持。

1 研究区的概况

福寿林场位于平江县南部的福寿山上，地处北 纬 28°3′00″～ 28°32′30″， 东 经 113°41′15″～113°45′00″之间。东接献冲森工林场，北连思村乡尚山村，西邻思村乡五等村，南抵浏阳市。

总面积为1 274.9 hm2，其中国有山林1 133.9 hm2，集体山林面积141 hm2。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%。地势南高北低，最高峰轿顶山，海拔1 573.2 m，最低处为湖口峡底，海拔835 m，林场场部海拔1 078 m。山体下部多陡峭，中部较平缓，上部较陡，平均坡度为22～27°，形成群山重叠，起伏绵延的中山地貌。林地土层深厚肥沃，腐殖质较丰富。场内海拔800 m以下的土壤为山地黄壤；800～1 400 m为山地黄棕壤；海拔1 400 m以上的山顶、山脊有小块草甸土。场内植被繁茂，群落较多。有木本植物55科，275种。

2 研究方法

2.1 数据调查方法

在全面踏查的基础上,选择有代表性的地段用罗盘仪闭合导线测量法设置20 m×30 m的标准地1块( 海拔为1 012 m，坡向为阳坡，坡度为28° 郁闭度为0.8，林龄为13 a)，要求闭合差不大于1/200。如坡度大于5º，测量斜距后，按坡度改算为水平距。用相邻网格法将标准地划分为6个10 m × 20 m小样方，以小样方作为调查单元，对小样方内的林木逐株进行编号，坐标定位(确定x，y坐标)，测定胸径、树高和冠幅。

2.2 数据处理及分析方法

（1）空间结构单元大小的确定

森林中任意一株对象木和距离它最近的n株相邻木之间的空间关系，构成了森林最基本的空间结构单元。计算空间结构指数的基础是确立空间结构单元，即应该采用几株最近相邻木最好,本文采用n=4，即对象木及其周围4株相邻木组成的结构单元为基础,分析杉木人工林的空间结构特征[4]。

（2）林分空间结构参数的计算

本文采用角尺度(Wi)、大小比数(Ui)和混交度(Mi)3个空间结构参数来描述杉木人工林空间结构。

角尺度(Wi)被定义为α角（相邻木的较小夹角）小于标准角α0（＝72°）的个数占所考察的4个α角的比例，是描述围绕对象木的相邻木水平分布格局的参数。表达式为：

其 中： 角 尺 度 的 取 值 为Zij， 当αij＜α0，Zij=1，反之Zij=0。取值由小变大表示林木的水平分布从均匀分布向团状分布变化，当Wi取值范围在[0.475，0.517]之间，表示随机分布。小于0.475是均匀分布，大于0.517是聚集分布[5]。

混交度(Mi)为对象木的4株相邻木与对象木不是同一树种的个体所占的比例，是描述不同树种间相互隔离的参数。用公式表示为：

其中：混交度的取值为Vij，当对象木i与第j株相邻木不是同种时Vij=1，否则，Vij=0。

大小比数(Ui)大于对象木的相邻木个数占最近4株相邻木的比例。本文采用胸径作为特征因子[6]，用公式表示为：

其中：kij为大小比数取值，当对象木i小于邻近树j时，kij=1，否则，kij=0。

在计算上述各项空间结构参数时，为避免边缘效应，将林地内距每条林分边缘线2 m之内的环形区设为缓冲区，其中的标记林木只作为相邻木，缓冲区环绕的区域为核心区，其中所有的标记单木作为对象木，统计各项参数[7]，如图1所示。

图1 样地林木点格局Fig. 1 Points pattern of trees in sample plots

3 结果与分析

3.1 杉木人工林树种组成及混交度分析

根据样地数据，从每个树种所占的株数比例看，杉木占88.4%,柳杉占10.2%，野山椒和野山桃及枯立木所占的比例之和为1.4%；从各个树种每公断面积所占的比例看，为 9杉木+柳杉-毛樱桃-野山椒。由此表明：杉木在群落中占有绝对优势，为该群落乔木层的优势种，其他树种占的比例小。

表1 福寿林场杉木人工林林分基本情况Table 1 Basic information of stands of Chinese fir plantations in Fushou Forest Farm

表2 各树种的混交度分布频率及均值†Table 2 Frequency distribution and mean values of mingling index of different tree species

根据表2可知，样地内全林分的平均混交度是0.138，为零度混交和弱度混交过渡类型，其中零度混交的比例达72%，弱度混交的比例为12%，中度、强度和极强度混交的比例之和只有16%。说明样地内基本是相同树种的林木单种聚集在一起，树种的空间隔离程度较小，林分的稳定状态差。按树种来看，杉木的平均混交度只有0.078，零度混交的比例高达77%，且林分中零度混交全为杉木的贡献。柳杉的混交度为0.715，接近强度混交，毛樱桃和野山椒的平均混交都为1.000，为极强度混交。这说明柳杉、毛樱桃、野山椒这3 种树木在林分中都没有出现单种聚集的情况，均与其它不同树种进行混交，树种的空间隔离程度较高，但由于毛樱桃和野山椒在整个林分中所占的比例极小，所以对整个林分的混交度影响不大。各树种混交度分布频率如图2。

3.2 角尺度分析

图2 各树种混交度频率分布Fig. 2 Frequency distribution of mingling index for different tree species

表3 各树种的角尺度分布频率及均值†Table 3 Frequency distribution and mean of uniform angle index for different tree species

从表3可以看出，全林分和杉木的平均角尺度为0.533,为聚集分布，但聚集分布的程度很低，接近随机分布，均匀和不均匀分布的频率基本持平，随机分布的频率最大，为0.63，说明整个林分和杉木的单株木大都呈随机分布。柳杉的平均角尺度为0.470，为均匀分布。毛樱桃的平均角尺度为0.500，为随机分布，野山椒的平均角尺度为0.75，为不均匀分布。从图3可以看出，全林分和杉木角尺度取值为0.5右侧的频率略高于左侧，高出的频率为0.06，柳杉尺度取值为0.5左侧的频率略高于右侧，高出的频率为0.12，而毛樱桃角尺度分布取值0.5左右两侧的频率呈对称分布。野山椒角尺度取值为0.5右侧的频率高出左侧的频率为1.00。

图3 各树种角尺度频率分布Fig. 3 Frequency distribution of uniform angle index for different tree species

3.3 大小比分析

由表4可知全林分大小比数为0.478，接近中庸状态。全林分的大小比数为优势、亚优势、中庸、劣态和绝对劣态的林木个体比例相差不大，为0.2左右，表明全林分林木个体胸径差异不大，林木分化不严重。杉木的平均大小比数为0.471，为中庸状态，且大小比数分布频率差异不大，表明杉木胸径差异不明显。但杉木占的株数比例最大，优势度非常明显。柳杉大小比的平均水平处于中庸和劣态之间，常与杉木等较粗的相邻木生长在一起，树种优势度不明显。毛樱桃的平均大小比数为0.500，为中庸状态，野山椒的平均大小比数为0.750，为劣态，但由于毛樱桃和野山椒在整个林分中所占的比例极小，所以对整个林分的大小比影响不大。各树种大小比分布频率如图4。

表4 样地内各树种的大小比分布频率及均值†Table 4 Frequency distribution and mean of neighborhood comparison for different tree species

图4 各树种混交度频率分布Fig. 4 Frequency distribution of neighborhood comparison for different tree species

4 结论和讨论

本研究采用空间结构参数混交度、大小比和角尺度分析了福寿林场19年生的杉木人工林空间结构特征。结果表明：杉木人工林的平均混交度是0.138，为零度混交和弱度混交过渡类型。说明树种的空间隔离程度较小，林分的稳定状态差，需要调整树种结构，引进其他树种，提高林分混交度；平均角尺度为0.533，表明空间分布格局聚集分布。这主要是由于杉木人工林是在没有完全挖除采伐树桩的林地上人工更新形成的，有相当一部分地段是天然萌生形成的，导致成林后出现向聚集分布的态势。因此在经营过程中，应该通过人工干预，降低团状分布林木的比例，将林分分布格局向随机分布调整。大小比数为0.478，接近中庸状态。且全林分的大小比数为优势、亚优势、中庸、劣态和绝对劣态的林木个体比例相差不大，为0.2左右，表明全林分林木个体胸径差异不大，林木分化不严重。

利用角尺度、大小比数和混交度等参数分析林分结构，能增加人们对森林空间结构信息的直观认识[8]。混交度不仅可以说明整个林分树种间的空间隔离程度，而且可以表达1个对象木与最近相邻木的空间隔离程度，而传统的混交比只能说明各树种在整个林分中所占的比例，不含有空间信息[9]。大小比数反映的是大于对象木的相邻木占所有相邻木的比例，相直径结构只表达林木胸径的差异程度，大小比数可以反映对象木的空间生态位[10]，还可以表达出整个林分中所有树种在胸径或其他特征指标上的优劣程度[11]。角尺度不仅能够从单木的角度表征林分所有林木的空间分布格局，而且可以表征整个林分的空间分布格局[12-13]，而传统的密度指标只表达林分的稀密程度。但空间分布格局受尺度的影响呈现不同的分布规律。本文研究的样地采用20 m×30 m，满足人工林空间结构研究的需要。

为了更加全面充分的反映林分结构，应该采用传统的林分结构因子配合空间结构因子。二者结合分析不仅能够增进人们对林分空间结构的认识，而且为林分结构的优化奠定了基础，从而为制定和实施科学的森林经营及保护规划提供一定的技术支持。

[1] Moeur M. Characterizing spatial patterns of trees using stemmapped data [J].Forest Science,1993,39(4):756-775.

[2] 张会儒,唐守正,等.东北天然林可持续经营技术研究[M].中国林业出版社，2011

[3] 惠刚盈,克劳斯·冯多佳[德].森林空间结构量化分析方法[M].北京:中国科学技术出版社，2003.

[4] 惠刚盈,Klaus von Gadow, Matthias Albert. 一个新的林分空间结构参数——大小比数[J]. 林业科学研究，1999,12(1):1-6.

[5] 周红敏,惠刚盈,赵中华, 等. 林分空间结构分析中样地边界木的处理方法[J].林业科学，2009,45(2):1-5.

[6] 惠刚盈.角尺度——一个描述林木个体分布格局的结构参数[J].林业科学，1999,35(1):37-42.

[7] Aguirre O, HuiG Y, Gadow K v, et al. An analysis of spatial forest structure using neighborhood-based variables[J].Forest Ecology and Management,2003,183:137-145.

[8] 吕锡芝,范敏锐,余新晓,等.北京百花山核桃楸华北落叶松混交林空间结构特征[J].水土保持研究，2010,17(3):212-216.[9] 刘 彦,余新晓,岳永杰,等.北京密云水库集水区刺槐人工林空间结构分析[J].北京林业大学学报，2009,31(5):25-28.

[10] 赵洋毅,王克勤,陈奇伯,等.西南亚热带典型天然常绿阔叶林的空间结构特征[J].西北植物学报，2012,32(1):187-192.

[11] 曾思齐,李东丽,宋武刚, 等. 檫木次生林空间结构的研究[J]. 中南林业科技大学学报，2012,32(3):1-6.

[12] 李建军,陈端吕,谭骏珊. 南洞庭湖湿地龙虎山次生林林分空间结构研究[J].中国农学通报, 2012, 28(13): 132-138.

[13] 张宏伟, 李际平, 李建军. 不同潮带红树林林分空间结构均质性研究[J]. 中南林业科技大学学报，2011, 31(4):79-83.

Study on spatial structure of Chinese fi r plantations in Fushou Forest Farm

CAO Xiao-yu, LI Ji-ping, FENG Yao, ZHOU Yong-qi
(School of Forestry, Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

By taking Chinese fir plantations in Fushou Forest Farm as the study objects, their spatial structure characteristics were analyzed with three space structure parameters including mingling index, neighborhood comparison and uniform angle index. The results show that the average mingling degree of the stands was 0.138, belonging to the transitional type of zero degree and relatively weak degree mixed; the segregation of tree species was low, and the stability of the stands were not good; the average uniform angel indexes were 0.533, the distribution pattern of the stand was on aggregative distribution; the average neighborhood comparison of DBH in thestands were 0.478, the distribution of neighborhood comparison were in moderate state, which indicated that the trees in different diameter classes were distributed uniformly.

Chinese fi r plantations; spatial structure; parameter analysis; Fushou Forest Farm

S791.27

A

1673-923X(2014)02-0016-04

2013-04-30

“十二五”国家科技支撑计划专题（2012BAD22B0505）

曹小玉（1977-），男，甘肃灵台人，博士研究生，讲师，主要从事森林经理方面的研究

李际平（1957-），男，湖南醴陵人，博士，教授，博导，主要从事林业系统工程方面的研究；E-mail：lijiping@vip.163.com

[本文编校：吴 彬]