冀北山地杨桦次生林林分空间结构研究

黄龙生，李永宁，冯楷斌，赵中凯，霍艳玲，金 辉

(1.河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；2.凤翔县林业技术推广站，陕西 凤翔 721400)

冀北山地杨桦次生林林分空间结构研究

黄龙生1，李永宁1，冯楷斌1，赵中凯1，霍艳玲1，金 辉2

(1.河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；2.凤翔县林业技术推广站，陕西 凤翔 721400)

在木兰林管局桃山林场选取面积为100m×100m的杨桦次生林样地，以每株林木树高、胸径和坐标为基础数据，运用混交度、大小比数和角尺度等林分空间结构参数分析了杨桦次生林的空间结构特征。结果表明：(1)该林分中山杨Populus davidiana和白桦Betula platyphylla在株数和断面积比例上占优势，为林分内优势树种；(2)林分各混交类型的比例相差不大，林分整体呈中度混交状态；(3)林分优势木和亚优势木相对较多，基于胸径、树高得到的平均大小比数结果基本一致，均能客观反映林分的分化规律；(4)林分平均角尺度为0.504，

属于随机分布，林下伴生树种以集聚分布为主，但优势树种的随机分布趋势起决定作用。

杨桦次生林；空间结构；混交度；大小比数；角尺度

林分空间结构是指林分内各树种、大小以及空间格局的关系，是林木属性和分布格局在林地上的空间排列方式[1]。林分的稳定性、发展的态势和经营的范围都对林分空间结构有着强烈的响应，林分空间结构对树木之间的竞争势及林木的空间生态位起到决定性作用[2]。研究林分空间结构，可深入了解林分生长、发育、更新及演替规律，并且能够深入探索森林与生态环境之间的关系[3]。随着结构化森林经营的发展，林分空间结构的研究已在不同的森林类型中得到广泛应用[4-5]。一般从林木空间分布格局、树种隔离程度、林木大小分化程度三个方面描述林分空间结构[6-7]。其中，林分空间分布格局常用角尺度[8-9]、点格局[10-11]和最近邻体等三种分析方法来解释；混交度[12]则用于分析树种间的隔离程度；目前常用的林木大小分化程度指标是大小比数[13-14]。

冀北山地是我国北方森林的重要区域，由于受到多年的森林采伐以及滥垦滥牧等人为活动的干扰，森林景观破碎化严重，森林生态系统功能日趋削弱，已严重阻碍该区森林生态系统整体功能的发挥。提高森林质量和经营水平、维护该区森林生态平衡以及林业可持续发展，成为目前亟待解决的问题。本研究运用混交度、大小比数和角尺度3个林分空间参数分析冀北山地杨桦次生林林分空间结构特征，以期为该区杨桦次生林空间结构的优化，以及森林生态平衡和林业的可持续经营提供科学依据。

1 研究区概况

研究区设在河北省木兰围场国有林场管理局所辖的桃山林场(E116°32′～118°14′，N41°35′～42°40′)，海拔868～1 756m，属燕山余脉高寒地带。该区处于中温带与寒温带交替以及半干旱与半湿润交替的地带，高原山地气候较明显。年温差较大，雨热同期，年日照2 560h，年积温2 300℃，年降水量380～560mm，无霜期67～128d。属长白山植物区系，植被资源丰富,杨桦次生林是该地区主要的森林类型。杨桦次生林乔灌木以白桦Betula platyphylla、山杨Populus davidiana、色木槭Acer mono、棘皮桦Betula dahurica为主，伴生有毛榛Corylus mandshurica、蒙古栎Quercus mongolica、稠 李 Padus racemosa、山荆子Malus baccata、红瑞木Swida alba、鼠李Rhamnus davurica等。

2 研究方法

2.1 野外调查

在木兰林管局桃山林场南大洼营林区290J林班69号小班(小班总面积0.272 4 km2，海拔1 460m，坡向东北，坡度14°)设置具有代表性的固定标准地，样地大小为100m×100m。采用每木调查法，对胸径大于3cm的林木进行检尺和定位，记录每株树木的树种、胸径，同时调查林分的郁闭度、坡度等情况。

2.2 分析方法

以样地调查数据为基础，结合树高和胸径参数，利用空间结构分析软件SVMS计算林分各树种的混交度、大小比数和角尺度，取样地边缘5m为缓冲区来消除林分边缘木的系统影响。

2.2.1 林分混交度

混交度(Mi)表示4株周围最近相邻木与中心树i不属同一树种的概率。计算公式为：

其中，当中心树i与j株相邻木不属于同一树种时vij=1，否则vij=0。以中心树和周围4株最近相邻木为空间结构单元，Mi=0为零度混交；Mi=0.25为弱度混交；Mi=0.5为中度混交；Mi=0.75为强度混交；Mi=1为极强度混交。

2.2.2 林分大小比数

大小比数(Ui)表示周围的4株最近相邻木中大于中心树i的株数占这4株相邻木的比例。用公式表示为：

其中，如果相邻木j比中心树i小则kij=0，否则kij=1。在以中心树和周围4株最近相邻木为空间结构的单元中，Ui=0，表示中心树为优势；Ui=0.25，表示中心树为亚优势；Ui=0.5，表示中心树为中庸状态；Ui=0.75，表示中心树为劣态；Ui=1，表示中心树为绝对劣态。

2.2.3 林分角尺度

以中心树为角点，其周围任意2株最近相邻木形成的两个夹角中最小的角为α，最近相邻木均匀分布时的夹角α0为标准角，值为72°[15]，则角尺度(Wi)表示为α小于α0的个数占所考察的4个夹角的比例。表达式为：

其中，当第j个角小于标准角时zij=1，否则zij=0。Wi有0、0.25、0.5、0.75或1这5种取值，分别表示为4株最近相邻木相对于中心树分布很均匀、均匀、随机、不均匀或很不均匀。

3 结果与分析

3.1 杨桦次生林树种组成结构

研究区标准地内，林分密度为1 745 株/hm2，共有11个树种(见表1)。从株数和断面积来看，山杨和白桦占林分总株数比例分别为36.91％和33.12％，总比例为70.03％；山杨和白桦占林分总断面积的比例分别为35.09％和49.96％，总比例为85.05％。此外，白桦株数少于山杨，但断面积多于山杨，说明该研究区白桦树种大径级的居多，而山杨整体胸径小于白桦；棘皮桦株数少于五角枫，但断面积多于五角枫，也说明棘皮桦胸径普遍大于五角枫；冻绿、蒙古栎、花楸、山荆子、红瑞木、稠李及鼠李等树种密度和断面积比例都较小，是群落中的伴生树种。结合林分内各树种胸径和树高来看，山杨最大胸径和平均胸径分别为23.3cm和12.66cm，最大树高和平均树高分别为16.8m和12.36m；白桦最大胸径和平均胸径分别为30.7cm和15.84cm，最大树高和平均树高分别为15.6m和12.90m。结合各属性数值比较分析可知，山杨和白桦显示出明显的优势，为林分内优势树种，棘皮桦也有一定的优势，为主要混交树种。

表1 杨桦次生林林木结构特征Table 1 Tree structure characteristics of secondary poplar-birch forest

3.2 林分混交程度

研究区内林分混交度分布规律明显，混交度Mi从0到1不同取值范围的比例呈先增后减少的趋势，零度、弱度、中度、强度和极强度混交株数分布频率分别为0.128，0.221，0.246，0.237和0.168(见图1)，表明林分内各混交类型的比例相差不大，参照树与最近相邻木的各种聚集情况均存在。由表2可知，研究区内山杨主要以零度、弱度和中度混交为主，个体分布频率分别为0.21，0.30和0.25；白桦主要以弱度、中度和强度混交为主，个体分布频率分别为0.21、0.26和0.26；五角枫和棘皮桦主要以中度、强度和极强度混交为主；冻绿、蒙古栎、花楸、山荆子、红瑞木、稠李和鼠李等伴生树种混交度较大，大部分以强度和极强度混交为主。综合分析可知，虽然伴生树种在林分内以强度和极强度混交为主，但由于其株数比例小，没有改变整个林分以中度混交为主的格局，林分中优势树种山杨、白桦等的混交状态对整个林分的混交程度起到了决定性作用。

3.3 林分大小分化程度

研究区林分大小比数Ui从0到1的分布频率呈先减后增的趋势，但增幅不明显(见图1)，林木空间结构单元中优势木、亚优势木、中庸木、劣态木和绝对劣态木的分布频率分别为0.204、0.207、0.193、0.203和0.193。各个体的分布频率相差不大，最大分布频率与最小分布频率之差仅为0.014，表明林分内各大小比数分布频率较均匀，不同大小分化程度均有呈现。

图1 林分混交度、大小比数、角尺度分布Fig.1 Tree mingling degree and neighborhood comparison and angle index

3.3.1 树高大小比数分析

表2 杨桦次生林各树种混交度和角尺度Table 2 Mingling degree and angle index of different trees of secondary poplar-birch forest

3.3.2 胸径大小比数分析

表3 各树种的树高大小比数和胸径大小比数及其频率分布Table 3 Neighborhood comparison of height and DBH and their frequencies distribution of each tree species

3.3.3 树高大小比数和胸径大小比数比较

树高平均大小比数与胸径平均大小比数相比较(见表3、图2)可以看出，两种平均大小比数的波动范围较小，数值基本趋于一致。树高平均大小比数的数值基本比相应的胸径平均大小比数的数值要高，表明林分生长过程中，垂直方向上的空间竞争要高于水平方向的空间竞争。山杨树高平均大小比数比胸径平均大小比数略低，表明其水平方向上的空间竞争较强，生长态势以优势和亚优势为主。红瑞木和鼠李的树高平均大小比数同胸径平均大小比数相等，表明二者在群落中垂直方向上的竞争和水平方向上的竞争一致。其余树种均符合垂直方向上空间竞争高于水平方向上空间竞争的分化规律。

图2 树高平均大小比数与胸径平均大小比数比较Fig.2 Comparison of average height neighborhood comparison and average DBH neighborhood comparison

3.4 林分角尺度分析

由图1可知，研究区林分各角尺度分布频率差异显著：角尺度为0.5的分布频率最高，为0.582；角尺度为0.25和0.75的分布频率分别为0.208和0.156；角尺度为0和1的分布频率较低，分别为0.010和0.044。林分平均角尺度为0.504，属于随机分布。由表2可知，各角尺度取值分布大部分集中在0.25～0.75之间，角尺度为0.25和0.75的个体分布频率相比较，前者略高于后者，说明个体均匀分布数量略高于个体不均匀分布数量。结合整个林分的平均角尺度可知，除山杨、白桦和棘皮桦这3个树种外，其他小径级伴生树种组合的平均角尺度为0.522，属于集聚分布；而山杨、白桦和棘皮桦组合的平均角尺度为0.500，属于随机分布。综合分析可知，研究区内林分整体上呈随机分布，林下小径级伴生树种由于数量少，虽多以聚集分布为主，但在整个林分中由于种间竞争关系，还是服从大径级优势树种为主的随机分布趋势。

4 结论与讨论

该杨桦次生林山杨和白桦各属性(株数、断面积、胸径、树高)均占明显优势，二者是研究区内的优势树种。该林分中，山杨、白桦由天然萌生而成，经过自疏作用以及人为干扰，其集聚程度有所下降，弱度、中度、强度混交均有分布，但由于株数优势，整个林分呈现中度混交。林分角尺度分析表明，林下伴生树种多以丛生和营养繁殖为主，使林分呈集聚分布，由于样地内优势树种的调节作用，使林分空间结构趋于优化，林分整体呈现随机分布。由胸径和树高参数分析表明，山杨、白桦的大小比数处于亚优势向中庸过渡状态，林下伴生树种株数较少，整个群落由优势树种取代。树高平均大小比数反映林分个体垂直方向上的分化规律，胸径平均大小比数反映林分个体水平方向上的分化规律，研究表明该林分垂直分化规律与水平分化规律基本一致。

综上分析表明，该杨桦次生林处于以山杨、白桦为优势树种的不稳定群落演替阶段，演替仍在进行，并逐步向顶级群落过渡。依据本研究结果及相关结构化森林经营理论[17]，在森林经营过程中，以构建合理的林分结构为出发点，对优势树种及伴生树种的空间结构参数进行调整，通过抚育、间伐减少林分中集聚分布的比率，改善树种组成及竞争关系，促使林分个体趋于随机分布发展，加速演替进程，从而提高群落生物多样性，达到群落与环境协调稳定的良好状态。

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Studies on structure characteristics of secondary poplar-birch forest in mountainous regions of north Hebei province

HUANG Long-sheng1,LI Yong-ning1,FENG Kai-bin1,ZHAO Zhong-kai1,HUO Yan-ling1,JIN Hui2
(1.School of Forestry,Hebei Agricultural University,Baoding 071000,Hebei,China; 2.Forestry Bureau of Fengxiang County,Fengxiang 721400,Shaanxi,China)

A 100m×100m secondary poplar-birch forest plot was set up in Mulan-weichang Forestry Administration,by taking tree height,DBH and localization as the essential data and adopting spatial structure parameters,mingling degree,neighborhood comparison,and angel index as the stand spatial structure parameters,the spatial structure characteristics of the stand were studied.The results show that(1)In the forest,Populus davidiana and Betula platyphylla had the obvious advantage in population density and basal area,they were the dominant tree species;(2)The proportion of the mixed types for the stand were little difference,the mainly mixed forms of the stand were middle-mixed forest;(3)The dominant and sub-dominant trees were relatively more than others,the neighborhood comparison based on the diameter at DBH and tree height were almost the same,both of which could re fl ect the differentiation of the stand;(4)The average angel index was 0.504,the distribution pattern was random,the mainly distribution of the associated trees were aggregative,but the random distribution of the dominant trees playeda decisive role.

secondary poplar-birch forest; space structure; mingling degree; neighborhood comparison; angle index

S758.5+3

A

1673-923X(2015)01-0050-06

10.14067/j.cnki.1673-923x.2015.01.010

2013-11-10

“十二五”农村领域国家科技计划项目“华北土石山区森林可持续经营技术研究与示范”(2012BAD22B0304)

黄龙生，硕士研究生；E-mail：xyhls1988@163.com

李永宁，副教授，博士；E-mail：yongninghao@163.com

黄龙生，李永宁，冯楷斌，等.冀北山地杨桦次生林林分空间结构研究[J].中南林业科技大学学报,2015,35(1):50-55.

[本文编校：谢荣秀]