冀北山地落叶松四种典型林分的结构研究

张 宁，梁丽双，常月梅，张国强，郭宾良，张建华，谷建才

（1. 河北农业大学，河北 保定 071000；2. 唐山市丰润区林业局，河北 唐山 063000；3.河北旅游职业学院，河北 承德 067000；4. 河北木兰围场国有林场管理局北沟林场，河北 承德068450；5.保定市林业局，河北 保定 071000）

冀北山地落叶松四种典型林分的结构研究

张 宁1，梁丽双2，常月梅3，张国强4，郭宾良5，张建华4，谷建才1

（1. 河北农业大学，河北 保定 071000；2. 唐山市丰润区林业局，河北 唐山 063000；3.河北旅游职业学院，河北 承德 067000；4. 河北木兰围场国有林场管理局北沟林场，河北 承德068450；5.保定市林业局，河北 保定 071000）

对冀北山地落叶松四种典型林分的结构进行了研究，结果表明：（1）在树种组成复杂程度上，杉落针阔混交林＞落阔混交林＞落桦混交林＞落叶松纯林，而且杉落针阔混交林的树种组成比其他三个林分更加合理，结构更加稳定，在空间利用上也更加充分；（2）在水平结构上各个树种直径大小分布上，均匀程度比较：杉落针阔混交林＞落阔混交林＞落桦混交林＞落叶松纯林，除了杉落针阔混交林为均匀分布，其他都比较接近团状分布；（3）在垂直结构上，分层情况比较：杉落针阔混交林、落阔混交林＞落桦混交林＞落叶松纯林，其中杉落针阔混交林和落阔混交林分层比较明显，而落桦混交林与落叶松纯林无明显分层；（4）在林分空间结构格局上，从角尺度来说，林分D的分布是随机分布，其他为团状分布；从大小比数来说，处于优势状态林分的百分比为：D＞C＞B；从混交度来说，落桦混交林属于弱度混交, 落阔混交林属于强度混交, 杉落针阔混交林属于极强度混交。

落叶松；林分水平结构；林分垂直结构；空间结构；河北北部

冀北山地生态交错带现有华北落叶松人工林主要是上世纪60年代以来营造的，自上世纪九十年代以来，由于政策、规程等原因，天然林蓄积消耗受到诸多限制，对这些混交林只采取了以封育为主的经营措施，这些落桦混交林已经形成了高密度、高分化、低生产力的混交林[1]。华北落叶松目的树种严重被压乃至枯死，上层白桦、山杨等阔叶树林相残破，大部分林木个体生长量下降，低效残次林增加，林分生态效能低，严重影响了资源培育和可持续发展步伐[2]。还有一部分林分也是针阔混交，但上层林针叶树种除了华北落叶松外，还有表现优良的云杉，经过2～3 次择伐后，在近二十几年的时间里形成的林分结构较好，林分株数分布以小径木为多。这样的林分兼顾了保护和利用，实现了森林多种效益的共赢，应该是森林经营的方向[3]。

本研究针对这些问题，以该地区落叶松纯林、落桦混交林、落阔混交林、杉落针阔混交林，研究四个典型的林分的树种组成、水平与垂直结构和林分的空间分布格局[4]，通过分析比较得出最好的林分结构[5]，以期为为木兰围场生态交错带杉落针阔混交林经营提供了理论依据和技术支撑。

1 研究区概况

本次调查是在承德木兰围场的北沟林场进行，木兰围场坐落于河北省东北部，地处滦河上 游， 北 纬 41°47′～ 42°06′N， 东 经 116°51′～117°45′E。东与内蒙古赤峰市接壤，南及西南与隆化、丰宁两县连接，北与内蒙古浑善达克沙地毗邻。位于阴山山脉与大兴安岭山脉余脉的交汇处，是连接坝上高原和冀北山地的丘陵山地地带。木兰围场所处的地理位置决定了其必然要担负起护卫京津生态安全的生态特区这一重任。因其地处滦河上游，对下游地区的树木生长和水源涵养影响甚重；又因其卡在浑善达克沙地和北京中间地带，像一道天然的绿色屏障，阻挡着浑善达克沙地向北京进军的风沙。在京津地区生态环境安全方面，木兰围场起着重大的作用，因此对木兰围场的森林植被进行恢复与保护势在必行。木兰围场林管局共有十个林场，北沟林场属于其一，北沟林场自1956年开始建立，林场总经营面积5 730 hm2，森林主要乔木树种有白桦、山榆 、华北落叶松、山杨、蒙古栎、五角枫、榆树等；灌木种类较多，且量较大，丰富多样，以绣线菊灌丛、 照山白最为常见；林分类型主要包含：天然林，常见树种有杨树、桦树、落叶松等；人工林，常见树种有山榆、落叶松、杨树等；针阔混交林，林分面积分别为1 485.6 hm2、1 180.5 hm2、1 560.9 hm2。活立木的蓄积总量和森林覆盖率达到 284 104 m3、88%，年采伐蓄积5 000 m3左右，以下是四种林分的概况[6]。

表1 样地基本情况Table 1 Basic status of quadrats of natural secondary forests

2 研究内容和方法

2.1 研究内容

2.1.1 研究目标

本次研究设置的样地为冀北山地生态交错带中最为常见的落叶松林，选取落叶松纯林、落桦、落阔、杉落针阔这些具有代表性的林分，详细的调查了不同林型内的林木情况，定量分析了不同类型落叶松林的树种组成，水平结构、垂直结构、林分空间分布格局[7]，系统研究了不同林型群落的内部结构变化规律，为实验区落叶松的健康经营提供了一定的理论依据。

2.1.2 主要研究内容

（1）林分的树种组成

（2）林分的水平结构

（3）林分的垂直结构

（4）林分空间分布格局

2.2 研究方法

2.2.1 样地调查及布设

经过全方位的勘察，在1994年、2000年和2009年进行了三次采伐并从中获取相关的数据，采伐的强度依次为30%、20%、20%，其要求必须严格遵守生长量大于采伐量，采伐方式具体为卫生伐、生长伐、定向目标伐和大强度抚育，分别于2005年、2013年的夏天在河北省承德围场县的北沟林场实际调查标准地情况，并在西色树沟阴坡设置天然落叶松的标准固定样地，并选取4块面积100 m×100 m的样地。在做样地植被调查工作之前，对样地的一些基本情况进行了解，主要要：海拔、地形、地理位置、样地的坡位以及林分郁闭度等。这三年的试验数据中，本文以2013年为主。

在适当的位置设置样地的原点，然后辅助设备（罗盘仪、全站仪）划定样地边界，每条边界长为100m，接着将每条边界五等分，画出节点，并用玻璃绳连接，因此就将样地划分成了25个小的样方，每个样方大小相等，即20 m×20 m，逐次编号，最后将边界用铁丝网、水泥桩固定[8]。

2.2.2 主要研究方法

（1）角尺度(Wi)：是指所测的角α小于标定的标准角α0的数目占所有被调查的林木的比例。表达式为：

当Wi=0时，代表林分结构很均匀；当Wi=0.25，代表林分结构均匀；当Wi=0.5时，代表林分结构随机；当Wi=0.75时，代表林分结构不均匀；当Wi=1时，代表林分结构很不均匀。利用角尺度可以充分表明林木个体在林分中的空间格局分布。

角尺度( W)平均值的计算公式：

N为参照树的总数；Wi代表的角尺度是第i株树的。

可知：林分分布格局的准确性受到标准角的大小和分布的临界值的影响。标准角的取值为：60°≤α0≤90°，其中把72°定为一个最优的标准角。根据大量的不同分布状况林分的模拟研究结论为：当0.4751≤W≤0.5171时为随机分布，当W＞0.517为团状分布，当W＜0.475时为均匀分布。

（2）大小比数(Ui)：被测树种与参照树种相比，比参照树种大的株数占总的被测树的比例。

大小比数量值越高，说明参照树的生长越处于略势地位。当Ui=0，表明林木的为状态优势；Ui=0.25表明林木的为状态亚优势；Ui=0.5表明林木的状态为中庸；Ui=0.75表明林木的状态为劣态；Ui=1表明林木的状态为绝对劣态。

（3）混交度(Mi)：混角度指4株相邻林木与参照树种不同种类所占比例

混角度体现了一棵树与周围树木是否同种或者不同种的一种概率。当Mi=0，被测的4株树与参照树为同种树种，即为零度混交；Mi=0.25，被测的4株树中有1株与参照树不为同种树种，即为弱度混交；Mi=0.5，被测的4株树中有2株与参照树为不同的同种，即为中度混交；Mi=0.75，被测的4株树中有3株与参照树为不同种的树种，即为强度混交；Mi=1，被测的4株与参照树不属于为同种树种，即为极强度混交。

3 结果与分析

为了方便研究，将直径的径级确定为2 cm，采用上限排除法进行分级。其中，样地A代表华北落叶松纯林，样地B代表着华北落叶松和白桦混交林，样地C代表着落叶松和阔叶混交林，样地D代表着华北落叶松和云杉及阔叶的混交林。

林分的空间结构对林分内部林木的生态位和林分内部的稳定性有着重要的意义。目前，在北方森林群落结构研究中用角尺度、大小比数和混交度3个参数描述空间结构的较多[9]，本文利用这3 个参数并结合林分树种组成对林分空间结构进行分析。

3.1 树种组成

为了研究林分的结构及其基本属性，本文对树种的组成进行了调查研究。

3.1.1 落叶松纯林的树种组成

表2 落叶松种群林木结构特征Table 2 Forest structure characteristics of Larch populations

由表2可以看出，在样地A内以落叶松为种群的纯林。该样地内落叶松为该群落绝对优势种，在落叶松群落中，落叶松占据的数量较大，其蓄积量也大，在林分中占据主要的地位，属于优势树种。

3.1.2 落叶松白桦混交林林分的树种组成

表3 样地B落桦种群林木结构特征Table 3 Forest structure characteristics of sample plot B of drop+birch populations

由表3可以看出， 在样地B内乔木层有2个，林分密度为1 064株·hm-2。落叶松占样地的55.26%，种群密度为优势树种。该林分中的伴生树种为白桦。该林分树种组成为：6落4桦。该样地内以落叶松为优势种，种群的分布范围和蓄积量最大，但平均胸径较小，相对而言，该样地内同样以白桦的平均胸径较大，表明该样地是以白桦为先锋树种的群落逐渐演化成以落桦为优势树种的林分。

3.1.3 落叶松和阔叶树种混交的树种组成

表4 样地C落阔混交林种群林木结构特征Table 4 Forest structure characteristics of sample plot C of drop and broad mixed forest

由表4可以看出， 在样地C内乔木层有7个，林分密度为1 226株·hm-2。落叶松和白桦为该林分的优势种，种群密度最高，占样地的58.0%。该样地为落阔混交林，山杨、五角枫、白榆、白桦为主要的伴生树种。落叶松是该林分群落中唯一的针叶树种，占40.46%，说明林分是以落叶松为主的混交林，树种组成为：4落2白1杨+榆+五角枫+花楸+蒙古栎。该样地内主要树种为落叶松和白桦，而其他树种的分布较为均匀。

3.3.4 落叶松和云杉及阔叶的混交林林分的树种组成

表5 样地D杉落针阔混交林种群林木结构特征Table 5 Forest structure characteristics of sample plot D of fir, drop, needles and broad mixed forest

由表5可以看出， 在样地D内共有乔木层种群4个，林分密度为1 160株·hm-2。其中种群密度最高，为该林分优势种是落叶松和云杉，占样地的88.0%。该样地为杉落针阔混交林，主要伴生树种有五角枫、花楸。该林分树种组成为：3云3落2白桦-五角枫-花楸-蒙古栎-山杨-椴树-山榆-黑桦。该样地内主要树种为云杉和落叶松，其他的伴生树种分布较少。

3.2 水平结构研究

3.2.1 落叶松纯林林分的直径分布

图1可以清晰的表明：落叶松种群的直径分布较广，直径分布特点明显，大致呈峰状分布，在17～19 cm径级处出现峰值，在9～21 cm径级处出树木较集中，大致呈正态分布。

3.3.2 落叶松白桦混交林分的直径分布

图2可以清晰的表明：落叶松和白桦种群的直径分布较广，基本分布在所有径级处，在7～25 cm径阶之间分布比较集中，同时存在这部分大经级的落叶松和白桦。落叶松和白桦除了＜5 cm径阶，其的径级分布基本成平缓的正态分布，最后在大胸径处上扬。从整个林分径级分布来看，样地的树种主要分布在17～19 cm径阶之前，幼树也占用一部分空间。林分的上层空间分布的林木很少，主要集中在中下层，这样的分布对林下植被的生长影响较为严重。

图1 样地A的直径分布Fig.1 DBH distribution of plot A

图2 样地B的直径分布Fig.2 DBH distribution of plot B

3.3.3 落叶松和阔叶混交林林分的直径分布

图3可以清晰的表明：落叶松的直径分布比较广，其中落叶松种群大致呈现双峰分布，其中峰值出现在13～15 cm和17～19 cm径级处，白桦种群大致呈现正态分布，且在大于29 cm出有大胸径的林木出现，然而在此处占主要地位的是山杨和白桦树种，即林分的上层空间主要分布着山杨和白桦两种树种。山杨树种的分布基本成L型分布。其他阔叶树种比较集中在中小径阶处，并且整体的分布比较均匀，即在19～21 cm径阶之前。

图3 样地C的直径分布Fig.3 DBH distribution of plot C

3.3.4 落叶松和云杉及阔叶的混交林林分的直径分布

该样地为杉落阔混交林，其直径分布见图4。由图4可知：优势树种云杉呈U型分布，在前8～11 cm和23～26 cm的8个径阶处比较集中分布，而且对样地D的其他树种占有绝对优势。落叶松也是样地D的优势树种，其在胸径大于5 cm之后分布大体呈现正态分布，在11～23 cm之间集中出现，具有压倒性优势。五角枫和花楸，胸径分布连续，主要分布在中小径阶处。因此，大胸径个体数量上云杉其他树种，据于林分的上层空间，有些伴生树种则处于林分空间的下层。

图4 样地D的直径分布Fig.4 DBH distribution of plot D

3.3 垂直结构研究

立地条件经常影响林分内部林木的树高、直径、材积。在调查中经常用三者的相互关系建立图表，借此来推测林分的蓄积量。

为了方便研究把1.3 m处的胸高直径作为起测胸径，把大于1 m的树高作为起测树高，把2 cm作为树高等级的径级，为了便于调查把树高在19 cm以上的林木划为第10级。为了分析群落垂直分层情况，对不同群落中胸径＞5 cm的所有个体进行胸高曲线拟合。

3.3.1 落叶松纯林的垂直结构

由图5可知：落叶松树种树高的分布大致呈双峰状分布。其中树高主要集中分布在11 m～17 m之间。在13 m～15 m之间数据比较集中，定为第二个峰值，说明落叶松上层存在严重的分层生长情况。在5 m～7 m之间为第一个峰值范围，由于落叶松所处的坡度较缓，峰值不太明显。就树 种组成结构来看，群落内部并无明显分层。

3.3.2 落叶松白桦混交林林分的垂直结构

由图6可知：落叶松树种树高的分布大致呈双峰状分布。在3 m～5 m之间为第一个峰值范围，峰值较为明显。在11 m～13 m之间为第二个峰值范围，并且在7 m～19 m之间的范围内呈类似的正态分布。

图5 样地A树高分布Fig.5 Tree height distribution of plot A

图6 样地B树高分布Fig.6 Tree height distribution of plot B

3.3.3 落叶松和阔叶混交林林分的垂直结构

由图7可知：该样地内部各树种的树高分布也呈现双峰状分布。在5 m～7 m之间为第一个峰值范围，15 m～17 m之间为第二个峰值范围，枝下高的分布及分化程度比较明显，表明该林分在垂直的空间分布上主要在上层。树高主要分布在13 m～17 m之间，表明该样地的顶层主要以高大的落叶松和白桦个体为主。

3.3.4 落叶松和云杉及阔叶的混交林林分的垂直结构

由图8可知：该样地内部各树高分布趋近于单峰状分布。峰值出现在17 m～19 m处，主要是云杉和落叶松林木个体。

图7 样地C树高分布Fig. 7 Tree height distribution of plot C

图8 样地D树高分布及树高曲线Fig. 8 Tree height distribution and tree height-diameter curves of plot D

3.4 林分空间分布格局分析

3.4.1 主要林分的角尺度分析

角尺度是描述林分的均匀程度。通过主要是参照树与其相邻林木之间夹角的关系，以此来分析树木的分布状况。

表6 混交林的角尺度Table 6 Angular scales of mixed forests

主要林分的角尺度见表6。由表6可知，样地B林分的角尺度为5200，样地C为5300，样地D为4950，说明样地B、C整个林分为团状分布，而样地D整个林分呈现的为随机分布。

3.4.2 主要林分的大小比数

大小比数是指被测树种与参照树种相比，比参照树种大的株数占总的被测树的比例。

表7 混交林的直径大小比数Table 7 Diameter comparison of mixed forests

由表7可以看出，处于优势状态林分的百分比为：D＞C＞B，林分直径的大小比数越小，则表示出于优势地位的林木越多，落桦混交林大小比数平均值为0.4775，46%的林分处于优势地位，中庸占据24%，处于劣势的为30%；落阔混交林大小比数平均值为0.4250，53%的林分处于优势地位，23%处于中庸状态，杉落针阔混交林的林分直径大小比数的平均值为0.3175，59%的林分处于优势地位，19%处于中庸状态，12%处于劣势。

3.4.3 主要林分的混交度分析

混交度是指4株最近相邻被测的林木中与参照树属于不同种的林木个体数所占的比例。

表8 混交林混交度Table 8 Mingling of mixed forests

由表8可以看出，落桦混交林的混交度为0.412 5，属于弱度混交；落阔混交林的混交度为0.515 0，属于强度混交；杉落针阔混交林的混交度为0.817 5，属于极强度混交。

4 结论与讨论

4.1 结论

在树种组成复杂程度上，杉落针阔混交林＞落阔混交林＞落桦混交林＞落叶松纯林，而且杉落针阔混交林的树种组成比其他三个林分更加合理，结构更加稳定，在空间利用上也更加充分。

在水平结构上各个树种直径大小分布上，落叶松纯林直径分布呈单峰状分布，林分直径分布范围小，比较集中；落桦混交林中，种群个体直径分布范围较广，除了＜5 cm径阶，其它的径级分布基本成平缓的正态分布，最后在大胸径处上扬，直径分布不均匀；落阔混交林中落叶松种群大致呈现双峰分布，白桦种群大致呈现正态分布，直径分布比较不均匀；杉落针阔混交林中优势树种云杉呈U型分布，落叶松在胸径＞5 cm后呈正态分布,五角枫和花楸胸径分布连续，主要分布在中小径阶处，林分整体分布比较均匀，林分水平结构比较理想。

在垂直结构上，落叶松纯林中落叶松峰值不明显，群落内部并无明显分层；落桦混交林中两个优势树种均大致呈双峰状分布，但由于其低层空间萌生的部分幼树致使其分布曲线出现陡峭的峰值；落阔混交林各树高分布同样也呈双峰状分布，分层现象较为明显，顶层主要以高大的落叶松和白桦个体为主，但是对于底层其他树木和灌木有一定的压制；杉落针阔混交林各树高分布趋近于单峰状分布，峰值出现在17 m～19 m处，主要是云杉和落叶松林木个体，而对于其他伴生树种没有压制现象，其他树种生长良好。

在林分空间结构格局上，从角尺度来说，林分D的分布是随机分布，其他为团状分布；从大小比数来说，处于优势状态林分的百分比为：D＞C＞B；从混交度来说，落桦混交林属于弱度混交；落阔混交林属于强度混交；杉落针阔混交林属于极强度混交。

4.2 讨论

出于各方面限制，本文对四个林分的结构只进行了介绍，但是对于林分结构的进一步比较和其他三个林分向杉落针阔混交林转化等方面没有涉及，应对其进行改进，而且所选样地均位于阴坡、半阴坡，树种组成结构虽具典型性，但对阳坡、半阳坡的林分类型（如山榆、栎类）不具代表性。

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Spatial structure study of four typical larix forests in northern Hebei province

ZHANG Ning1, LIANG Li-shuang2, CHANG Yue-mei3, ZHANG Guo-qiang4, GUO Bin-liang5, ZHANG Jian-hua4, GU Jian-cai1
(1. Hebei Agricultural University, Baoding 071000, Hebei, China; 2. Forestry Bureau of Fengrun, Tangshan 063000, Hebei, China 3.Tourism College of Hebei, Chengde 067000, Hebei, China; 4. Beigou Forest Farm of State-owned Forest Bureau of Mulan-Weichang in Hebei, Chengde 068450, Hebei, China; 5. Forestry Bureau of Baoding 071000, Hebei, China)

The spatial structure characteristics of four typical larch forest structure were investigated in northern Hebei province. The results show that (1) the sequencing of complexity of the four stands species composition from big to small was as follows: fi r, drop,needles, broadleaved mixed forest ＞ drop and broad mixed forest＞ drop and birch mixed forest＞ pure larch forest, the mixed forest of fi r, drop, needles, broadleaved was more reasonable than the other three stands, the structure was more stable, and more fully utilized in the space use; (2) from the view of horizontal structure, the sequencing of uniformity of each tree diameter size distribution was as follows: fi r, drop, needles, broadleaved mixed forest ＞ drop and broad mixed forest＞ drop and birch mixed forest＞ pure larch forest, except the fi r, drop, needles, broadleaved mixed forest which was even distribution, other three forest forms were close to slug distribution; (3) in the vertical structure, the sequencing of stratif i cation degree was as follows: fi r, drop, needles, broadleaved mixed forest ＞ drop and broad mixed forest ＞ drop and birch mixed forest ＞ pure larch forest, fi rst two types showed obvious quantizing structure, while the later two showed no signif i cant stratif i cation; (4) in the pattern of stand space structure, from the perspective of the angular scales, the distribution of standDwas randomly distributed, the others were group-like distribution; from neighborhood comparison, the sequencing of percentage of the advantages state stands was as foloows:D＞C＞B; from mingling, the drop and birch mixed forest belongs to weak-mixed, drop and broad mixed forest belongs to strength mixed, fi r, drop, needles, broadleaved mixed forest belongs to extreme intensity mixed forest.

larix; forest level structure; forest vertical structure; spatial structure; northern Hebei province

S791.22

A

1673-923X(2015)06-0020-08

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.06.005

2014-04-28

河北省滦河流域水源林经营关键技术研究与示范（15227652D）；“国有林场经营管理机制存在问题及改革模式研究”（13457525）

张 宁，硕士研究生 通讯作者：谷建才，教授，E-mail：gujiancai@126.com

张 宁，梁丽双，常月梅，等. 冀北山地落叶松四种典型林分的结构研究[J].中南林业科技大学学报,2015,35(6):20-27.

[本文编校：吴 彬]