基于林木竞争关系的闽楠人工林目标树密度研究

石 乐,李际平,赵春燕,陈 磊,黄 笑

(中南林业科技大学 林学院,长沙 410004)

基于林木竞争关系的闽楠人工林目标树密度研究

石 乐,李际平,赵春燕,陈 磊,黄 笑

(中南林业科技大学 林学院,长沙 410004)

为了培育珍贵树种大径材,如何确定目标树密度,使其既利于目标树的生长、又能充分发挥林地生产力是闽楠人工林经营的关键。在金洞林场,选择具有代表性的14a生闽楠人工林,设置3块20m×30m的标准地,根据近自然经营的目标树选择标准选择备选目标树,1,2,3号标准地确定的备选目标树分别为11,15,14株。借助ArcGIS软件,依据林木的空间位置生成Voronoi图确定每株备选目标树的竞争单元,计算每株备选目标树的V-Hegyi竞争指数和大小比数。依据备选目标树V-Hegyi竞争指数与大小比数数值的变化范围将V-Hegyi竞争指数和大小比数划分为3个等级,V-Hegyi竞争指数与大小比数均为第一等级的确定为最终目标树。3个标准地确定的最终目标树株数分别为8,10,9株。即目标树密度分别为120,150,135株/hm2。由此得到金洞林场闽楠人工林当前阶段目标树密度为135株/hm2。这为金洞林场闽楠人工林近自然经营目标树的确定提供了理论依据。

闽楠；Voronoi图；林木竞争关系；目标树密度

“近自然森林经营”(Close-to-nature forest management)是以近自然森林为导向、以森林生态系统的稳定性、生物多样性和系统多功能的缓冲能力分析为经营基础,以整个森林的生命周期为经营的时间设计单元,以目标树的标记和择伐及天然更新为主要技术特征,以永久性林分覆盖、多功能经营和多品质产品生产为目标的森林经营体系,“目标树作业体系”是以单株林木为对象而进行的一种近自然森林经营施业体系。

闽楠(PhoebeBournei),又称桢楠,为樟科常绿大乔木,是国家二级重点保护树种[1-3]。闽楠的天然分布稀少,是我国珍贵用材与优良观赏树种。其干形通直、木材呈淡黄色而有香气,耐腐蚀、易加工、纹理美观,为上等的家具、雕刻、建筑等之良材,在60a生左右达到数量成熟。由于闽楠经济价值高,用途广泛,野生资源遭到了严重的破坏,目前大多数闽楠为人工林。因此研究以培育闽楠珍贵树种大径材为目的的近自然经营作业法显得尤为重要。其中,如何确定目标树密度是需要解决的关键性技术。目标树的生长需要一定的空间,密度过大会影响目标树的生长,密度过小又难以充分发挥林地生产力。在我国目标树经营中,如何通过某指标或是量化分析确定目标树密度问题还未见报道,本文以金洞林场14a闽楠人工林为研究对象,探讨定量化解决目标树经营中当前阶段目标树密度的途径。这对闽楠近自然经营有一定的指导意义。

1 研究区概况

研究区位于湖南省金洞林场,该林场位于祁阳县南部,介于26°2′10″～26°21′37″N,110°53′43″～112°13′37″E之间。似马鞍形,东西宽约33km,南北长约36km。最高海拔1 435m,最低海拔108m,山脉走向由南向东北延伸,西南高、东北低,平均坡度34°,坡度级IV级以上(26°以上)占95.2%。林场属中亚热带东南季风湿润气候区,年平均气温18℃,极端最高气温40℃,极端最低气温-8℃。金洞管理区土地总面积53 963hm2,其中林地面积50 240.2hm2,占土地总面积的93.1%；非林地3 722.8hm2,占土地总面积的6.9%。森林覆盖率75.18%,林木绿化率75.36%,活立木总蓄积量2 784 884m3。闽楠是金洞林场的乡土树种,分布广泛,长势较好。金洞林场现阶段闽楠人工林大多数为14a生。

2 材料与方法

2.1 样地设置与调查

在研究区内,选取典型的具有代表性14a生闽楠人工林,设置大小为20m×30m的标准地3块,编号为1号、2号和3号,用相邻网格法,将3块标准地划分为6个10m×10m的小样格。对样地进行每木检尺,以测量每株林木的X,Y坐标、胸径、树高、枝下高、生活力、层次、起源、损伤、干形质量、林木类型、东西南北冠幅等基本因子,并调查了样地内经纬度、海拔、坡度、坡向、坡位等基本因子。标准地基本情况如表1所示。

表1 标准地基本情况表

2.2 研究方法

2.2.1 备选目标树的确定

目标树是处于优势层或主林层的个体,生活力旺盛(有良好生长趋势的冠型),干形通直完满,没有明显的损伤和病虫害痕迹,特别是在树干的基部不能出现各种因素导致的损伤情况等。目标树选择的标准有4个:

1) 生活力旺盛,通常有良好的生长趋势和完满的树冠和冠型,枝叶茂盛,树冠致密而不透光。

2) 实生林木个体,在天然林或阔叶林的情况下特别要注意目标树必须是实生林木,以保证林分质量进步在长期尺度和遗传基础上能实现。萌生的林木原则上不选择为目标树。

3) 干形通直完满,根据林分状况必要时可以是轻度弯曲的,或者不影响造材的高位二分枝,即分枝部位不在干材部分而是树冠的组成部分了。

4) 没有明显的损伤和病虫害痕迹,特别是在树干的基部不能出现各种因素导致的损伤情况,保证选择的个体能在未来10～50年期间内顺利生长,达到目标直径的要求。

2.2.2 竞争指数的选取

竞争指数CIi[4]表示林木间的竞争强烈程度。目前基于竞争关系的森林经营措施研究,已成为竞争研究的重要方向[5-10]。本文选取汤孟平2007年提出的V-Hegyi竞争指数来反映研究区内目标树所受的竞争压力[11-12]。竞争指数表达式如下

(1)

式中:CIi为目标树i的竞争指数；dj为邻近木j的胸径；di为目标树i的胸径；Lij为目标树i与邻近木j之间的距离(m)；n为目标树i所在的林木结构单元中的邻近木株数。

2.2.3 竞争单元的确定

竞争指数的计算基于竞争单元的确定,计算目标树的竞争指数,首先确定目标树的竞争木是哪几株,也就是确定林木竞争指数的竞争单元。汤孟平提出用Voronoi图确定竞争单元的方法,生成Voronoi图以确定目标树的竞争单元。本文基于Voronoi图确定的竞争单元[13-16]如图1所示。根据Voronoi图的特征,每一个Voronoi图仅包含一株林木,目标树所在的Voronoi图多边形相邻的Voronoi图多边形内的林木就是竞争木,目标树的竞争木株数就是相邻Voronoi图多边形的个数。

图1 基于Voronoi图的竞争单元

2.2.4 边缘矫正

处于样地边缘的林木空间结构单元是不完整的,给计算分析带来误差,称其为边缘效应。为了消除边缘效应,即位于样地边缘的目标树的竞争木可能不在样地之内这一问题,就需要进行边缘矫正。本文采取距离缓冲区法,即把样地的每条边向内2m的水平距离的范围作为缓冲区,将样地内缓冲区外的其余部分作为矫正样地,大小为16m×26m,然后利用在矫正样地内的目标树计算林木竞争指数[17]。

将3块样地的林木空间位置数据(X,Y),导入到ArcGIS软件中,采取距离缓冲区法消除边缘效应,最终生成Voronoi图。以1号标准地为例,生成Voronoi图如图2所示。最外面的边框表示Voronoi的边界,中间的边框表示标准地边界,最里面的方框是矫正样地边界。

图2 1号标准地Voronoi图

2.2.5 大小比数的计算

大小比数(Ui)是表达树种空间优势程度的良好指标,反映目标树所处的竞争态势,是对竞争环境的量化描述[18-20]。它被定义为大于目标树的相邻木株数占所考察的n株最近相邻木的比例,用公式表示为:

(2)

式中:Ui表示第i株目标树的大小比数；n表示目标树i的最近相邻木株数；

比较目标树与相邻木大小的时候,采用胸径作为特征因子[21]。本研究采取基于Voronoi图的相邻多边形个数方法确定目标树的大小比数。

采用邻近四株木法计算大小比数时,Ui的取值有0,0.25,0.5,0.75,1五种,当Ui=0时,对象木为优势树,Ui=0.25时,对象木为亚优势树,Ui=0.5时,对象木为中庸树,Ui=0.75时,对象木为劣态树,Ui=1时,对象木为绝对劣态树,以此为依据,结合大小比数值的变化范围,将大小比数划分为3个等级,小于等于0.5为第1等级,大于0.50小于0.75为第2等级,大于等于0.75为第3等级。

基于Voronoi图算出每株备选目标树的V-Hegyi竞争指数和大小比数,根据备选目标树实际情况和竞争指数与大小比数的变化范围对备选目标树的V-Hegyi竞争指数和大小比数划分等级,依据划分的等级确定最终目标树。

2.3 数据处理及分析

本研究运用到Excel和ArcGIS对调查数据进行处理。

3 结果与分析

3.1 备选目标树V-Heygi竞争指数和大小比数的计算

根据目标树选择的标准,在进行样地调查的时候现场确定备选目标树,最终确定1,2,3号标准地备选目标树分别为11,15,14株。在ArcGIS中利用属性查询功能根据目标树编号确定目标树位置及每株目标树的相邻木。以此来计算每株目标树的V-Hegyi竞争指数和大小比数,3块标准地所有备选目标树计算结果如表2所示。

3.2 备选目标树V-Hegyi竞争指数和大小比数等级划分

通过上述计算的3块标准地的40株备选目标树的V-Hegyi竞争指数和大小比数,40株备选目标树V-Hegyi竞争指数在1.43～3.75之间,大小比数在0～0.86之间。根据备选目标树竞争单元的实际情况和竞争指数的变化范围,将备选目标树V-Hegyi竞争指数等距划分为3个等级,≤2.20为第1等级,2.20～2.97为第2等级,≥2.97为第3等级。对备选目标树的V-Hegyi竞争指数和大小比数等级划分如表3所示。

3.3 最终目标树的确定

根据上述划分的林木指数等级,对3块标准地里的40株备选目标树进行筛选,按如下方法进行筛选:

表2 3块标准地备选目标树V-Hegyi竞争指数和大小比数

注:生活力:1—有竞争活力的；2—有活力的；3—活着的；4—濒死的；5—枯死的。 层 次:1—优势层；2—主林层；3—次林层；4—林下被压层。 起 源:1—植苗实生；2—播种实生；3—天然实生；4—天然萌生；5—扦插造林。 损 伤:1—无损伤；2—轻度损伤；3—中度损伤；4—重度损伤(特别注意树干基部损伤情况)。 干形质量:1—通直完满；2—轻度弯曲；3—二分枝；4—多分枝；5—显著扭曲。

表3 备选目标树林木指数等级划分

1) 备选目标树的V-Hegyi竞争指数和大小比数都属于第一等级,则该备选目标树确定为最终目标树。3块标准地中属于这一类的确定为最终目标树的分别为4,6,6株。胸径在11.1(14.3cm之间。

2) 备选目标树的V-Hegyi竞争指数和大小比数不都属于第一等级,该竞争单元只有一株备选目标树,则将影响最大的竞争木当做采伐木采伐后重新计算备选目标树的V-Hegyi竞争指数和大小比数,再看是否都属于第一等级,如果属于,则确定为最终目标树。3块标准地中属于这一类的备选目标树分别有6,4,3株,确定为最终目标树的分别为4,3,2株。

3) 备选目标树的V-Hegyi竞争指数和大小比数不都属于第一等级,该竞争单元有N(N≥2)株备选目标树,则在N个竞争单元中选择其中最具有生长潜力的林木当做备选目标树。同上,将影响最大的竞争木当做采伐木采伐后重新计算备选目标树的V-Hegyi竞争指数和大小比数,再看是否都属于第一等级,如果属于,则确定为最终目标树。3块标准地中属于这一类的备选目标树分别有1,3,2株,确定为最终目标树的分别为0,1,1株。按照上述筛选方法筛选的每块标准地的最终目标树如表4所示。

表4 最终目标树V-Hegyi竞争指数和大小比数

4 结论与讨论

目标树的生长需要一定的空间,密度过大会影响目标树的生长,密度过小又难以充分发挥林地生产力。合理的目标树密度有利于目标树很好的生长。

根据备选目标树竞争单元的实际情况和竞争指数与大小比数数值的变化范围,对备选目标树的V-Hegyi竞争指数和大小比数进行等级划分,划分为3个等级。根据划分的等级,1,2,3号标准地最终确定的目标树株数分别为8,10,9株。即单位面积最终目标树密度分别为120,150,135株/hm2。由此得到金洞林场闽楠人工林当前阶段目标树密度为135株/hm2。

本研究选用V-Hegyi竞争指数计算目标树的竞争力,克服了Hegyi竞争指数尺度不统一、忽略某方向上直接竞争木的缺陷。用大小比数对林木的空间优势程度进行了量化。用V-Hegyi竞争指数和大小比数相结合的方法筛选最终目标树,是量化确定目标树密度的一种可行的方法。在闽楠人工林近自然经营中,不同阶段目标树的密度不同,本文研究了金洞林场闽楠人工林在竞争生长质量形成阶段目标树的合理密度,在后续研究中,应根据林分所处的具体阶段来确定目标树密度。

通过确定合理的目标树密度,可以更行之有效地进行目标树经营。选择少量优秀个体林木作为经营主体而把大部分林木留给自然调控的近自然经营是具有生态合理性和经济有效性。经营过程中,以选定的目标树为经营中心,不断择伐掉目标树周围的干扰树,调节目标树的竞争关系,为目标树创造适宜的生长环境,使其始终保持充分的生长空间,保证目标树能够快速生长从而获得较大经济收益。而其它大部分林木我们交予自然力去调控,减少成本的投入。

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Study on the Target Tree Density ofPhoebeBourneiPlantation Based on Competition Relationship of Forest Trees

SHI Le,LI Jiping,ZHAO Chunyan,CHEN Lei,HUANG Xiao

(SchoolofForestry,CentralSouthUniversityofForestry&Technology,Changsha410004,China)

In order to cultivate precious tree species of large diameter timber,the key is to managePhoebeBourneiartificial pure forest and to determine the target tree density so that it can be beneficial to the growth of the target trees and to give full play to the productivity of the forest.In Jindong Forest Farm,the representative of the 14 year oldPhoebeBourneiplantation was selected,and three sample spots (20m*30m) were set.In these three sample spots,respectively,11,15 and 14 trees were selected as alternative target trees according to the target tree selection criteria based on near natural operation.ArcGIS was used to generate voronoi diagram according to the spatial position of forest trees.The competitive unit of each alternative target tree is determined based on the generated Voronoichart.And by determining the competitive unit the V-Hegyi competitive index and neighborhood comparison of each alternative target tree were calculated.V-Hegyi competitive index and the degree of neighborhood comparison are divided into 3 levels,according to the variation range of the V-Hegyi competition index and the neighborhood comparison degree.Trees with both indexes at the first level were determined to be final target trees.The number of target trees in these three sample spots would be 8,10 and 9 respectively.That is,the final target tree density was 120,150 and 135/hm2respectively.So the target tree density of the average ofPhoebeBourneiin Jindong forest farm was 135/hm2.This paper provides the theoretical basis for the near natural management of artificial purePhoebeBourneiforest of Jindong Forest Farm.

Phoebebournei,Voronoi diagram,competition relationship,target tree density

2017-02-21；

2017-05-02

全国森林经营科技支撑科研专项(169201531-6)；中南林业科技大学研究生科技创新基金资助项目(CX2016B18)；湖南省自然科学基金(2015JJ3175)

石乐(1991-)，男，山西芮城人，在读硕士，主要从事林业系统工程方面研究。Email：812403364@qq.com

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

S757

A

1002-6622(2017)04-0037-07

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.04.007