贵阳市长坡岭林场次生林林分空间结构分析

2018-06-20张友元陈雪梅蒋玉才王艺蓉

浙江林业科技 2018年2期

张友元，龙皎，李平，陈雪梅，蒋玉才，王艺蓉

（1. 贵阳市园林绿化科学研究院，贵州贵阳 550001；2. 贵阳市长坡岭林场，贵州贵阳 550014；3. 贵州省农产品质量监测检验检测中心，贵州贵阳 550004）

林分空间结构是指林木在林地上的分布格局及其属性在空间上的排列方式，也就是林木之间树种、大小、分布等空间关系，林分空间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[1-3]。次生林是原始植被人为干预或异常自然干扰破坏后，又重新天然更新起来的林分[4]，我国约有1/3的次生林林分，其中不少是属于质量较低的林分。因此，次生林的经营与恢复在我国森林资源的开发利用起到了举足轻重的作用。林分空间结构的研究近年来倍受关注，提出了多种描述其结构的参数[5-6]，如林木的混交、林木空间分布格局，分别采用混交度和角尺度进行表征[7-8]。众多林业研究者十分重视次生林空间结构的研究，运用角尺度、大小比数、混交度等研究了各自区域的次生林现状，提出了有借鉴意义和指导意义的经营方案[9-12]。如游晓庆等提出的针对闽楠Phoebe bournei天然次生林林分空间结构现状，采用补植与采伐相结合的方法进行林分空间结构的调整，采伐选择混交度程度低以及处于劣汰或绝对劣汰的非目的树种，同时，在林窗或林木密度较低处补植闽楠，以提高树种的混交度、调整林木水平分布格局以及减少目的树种的竞争压力。本研究采用固定样地法，运用混交度、角尺度、大小比数等林分空间结构的分析方法，对贵州省贵阳市长坡岭林场次生林进行研究，以期为进一步优化林分结构，改善其生态功能和可持续经营提供科学依据。

1 研究区概况

贵阳市长坡岭林场位于贵州省中部，地理位置 26°35′～26°40′ N，106°33′～106°47′ E。亚热带气候区，冷暖气流交替强烈，季风高原气候明显，夏无酷暑，冬无严寒，年平均降水量1 147～1 191 mm，年平均气温12.5 ～14.5℃，气候宜人，四季不分明，温差小。地质属扬子准地台黔北台隆，以前泥盆纪褶皱为基底的准地台，以石灰岩为主次为白云岩及少量砂岩，土层厚度大多数在30～35 cm。喀斯特地貌，最低海拔1 201.9 m，最高海拔1 370 m，坡度多在5°～15°。林场建于1914年，作为贵阳环城林带的重要组成部分，在林业生态建设中起着举足轻重的作用。

研究区位于林场场部工区，面积197.1 hm2，其中次生林面积约100.05 hm2。林场的森林起源以人工林为主，树种组成以马尾松Pinus massoniana和华山松P. armandii纯林为主，刺槐Robinia pseudoacacia林为人工林迹地上栽培树种的萌生林。女贞Ligustrum lucidum，朴树Celtis sinensis，灯台树Bothrocaryum controversum等为主的次生林分是由其原生林的后代繁育混生而成。

按照国务院2001年同意国家林业局《关于各省、自治区、直辖市“十五”期间年森林采伐限额审核意见的报告》，根据贵阳市地方经济发展定位及经济结构调整，森林资源从采伐转变为保护，并依托天然林资源保护工程，使林业生态建设有了较大的发展，既保证了贵阳市第一环城林带的森林资源需求，也给贵阳市的林业生态系统提供了可靠的保证。虽然近年来对森林资源进行了有效的保护，但现有森林资源结构制约了林场的可持续发展，如林种、树种、龄组结构不合理，使得林分质量不高。

2 研究方法

2.1 外业调查

2017年7月在贵阳市长坡岭林场内选择远离林缘、人为活动少、能够反映林分基本状况的区域作为典型地段，马尾松林、华山松林、刺槐林为其上层林分混交的天然次生林，调查采用固定样地法。为了更好了解林场内的树种组成以及林分的空间结构状况，选择2块由上述三种林分混交且起源一致的立地作为标准地（60 m×50 m），采用相邻网格法，再将样地划分为30个10 m×10 m的小样方，调查时以每个小样方的西南角设定为坐标原点，用皮尺分别测量调查单元中每株胸径≥5 cm的乔木的位置坐标（x，y），山体等高线为长轴边x，沿坡面为短轴y。用GPS记录样地坡度、坡向、经纬度、海拔等立地因子，并记录树木的名称、坐标、树高（H）、胸径（D）等。

2.2 林分空间结构分析方法

采用混交度分析林分的树种空间分布状况；用角尺度分析林木的水平分布格局；用大小比数分析树种在林分内的生长状况的空间属性[13]。以样地调查数据为基础，利用空间结构分析软件Winkelmass 1.0进行数据处理和分析。研究过程中选择参照树周围4株相邻木组成一个结构框架。这样的结构单元中，参照树与4株最近相邻木构成的结构关系有零度、弱度、中度、强度和极强度5种，且这种结构单元的可操作性和可解释性都较强，适宜于描述林分的空间结构特征[14-15]。因此，本研究中角尺度、混交度、大小比数计算公式中n=4。

2.2.1 角尺度（W）计算角尺度描述了参照树周围4株相邻木的分布格局。研究证明最合适的标准角为72°[5]，其计算公式为：

式中，zij的值定义为：当第j个α角小于标准角α0时zij= 1，否则zij= 0，Wi的取值分别可能为0，0.25，0.5，0.75，1，其对应含义分别为：绝对均匀、均匀、随机、不均匀、聚集。在分析标准地或者某一树种角尺度时可以采用角尺度的平均值进行分析。W＜0.475，为均匀分布；0.475≤W≤0.517，为随机分布；W＞0.517时为聚集分布。

2.2.2 混交度（M）计算混交度反映了林内各个树种之间隔离程度的大小，一般根据对象树木周围4株相邻木与对象树木为不同树种的比例来进行计算[9]，其计算公式为：

式中，vij的值定义为：当vij=1时，对象树木i与第j株相邻木为非同种；否则vij=0，

混交度是通过表明任意一株树的最近相邻木为其他种的概率来表示树种间的隔离程度。Mi有5种取值，分别为l，0.75，0.50，0.25，0，对应状态分别为：极强度混交、强度混交、中度混交、弱度混交和零度混交。

2.2.3 大小比数（U）计算大小比数是反映林木大小分化程度的指标，即大于对象树木i的周围4株相邻木j所占比例，胸径、树高、冠幅长度均可作为比较标准[6]。本研究采用胸径计算大小比数，其计算公式为：

式中，kij的值定义为：kij=1时，相邻木j比参照树i大，否则kij=0，Ui有5种取值，即0，0.25，0.50，0.75，l.00，分别表示为其对象树木i对于其4株最近相邻木j的情况分别为：优势木、亚优势木、中庸木、劣势木、绝对劣势木。取值越小，对象树木的生长在林内占优势。反之，则处于劣势。

3 结果与分析

3.1 次生林的树种组成

长坡岭林场次生林的物种丰富度较高，本研究选择在样地中数量上占有一定优势的树种作为研究对象。由表1可以知，长坡岭次生林样地内乔木层主要有树种13种，2个样地的林分密度分别为879株·hm-2，880株·hm-2，其中就数量、密度、所占比例综合来看，朴树，女贞以及灯台树等均为该林分的主要优势树种，其主要伴生树种有白栎Quercus fabri，红麸杨Rhus punjabensis var. sinica，刺楸Kalopanax septemlobus，亮叶桦Betula luminifera，刺槐，梓Catalpa ovata，山樱花Cerasus serrulata等。其他伴生树种如漆Toxicodendron vernicifluum，吴茱萸Tetradium ruticarpum，楸Catalpa bungei，八角枫Alangium chinense等株数比例都非常小，因此未纳入研究中。样地1中，朴树是群落内的优势树种，刺槐和白栎的平均胸径、平均树高比较大，但是数量相对较少，分别为80株·hm-2，43株·hm-2，梓在群落内不占优势，密度最低，胸径、树高均处于较低的状态。样地2中，朴树是绝对的优势树种，尽管白栎是平均胸径、树高最大的树种，但其密度仅为63株·hm-2，远低于朴树、女贞等；椤木石楠Photinia bodinieri，亮叶桦，刺楸等在群落中处于劣势，胸径、树高、密度都普遍较小。

表1 长坡岭林场次生林样地中各树种林分因子Table 1 Factors at the sample plots in Changpoling Forest Farm

3.2 次生林的胸径结构

不同种类的树木胸径分布各有其特点，本研究选取数量较多的4种树种朴树、女贞、灯台树和山桐子Idesia polycarpa作为研究对象，径阶距2 cm，各树种胸径分布特点见图1。

图1 次生林中4种主要树种胸径的径阶分布Figure 1 DBH distribution of four main trees species at sample plots in Changpoling Forest Farm

由图1可知，朴树、女贞、灯台树3个树种的的胸径分布呈倒“J”型，林木株数随着胸径的增大而减小，并且小径级树均占到80%以上，朴树、女贞胸径在6～10 cm数量较多，分别占到总数量的88.4%和94.2%，朴树、灯台树还存在部分径级缺少的现象。山桐子大多数为小径级林木，各径级林木略符合正态分布。因此，可以看出，作为优势树种的朴树、女贞和灯台树大多数还处于幼龄和中龄阶段，群落处于构建初期。

3.3 次生林的空间结构

3.3.1 次生林的树种混交程度由图2 a 可知，2个样地次生林Mi从0到0.75，其个体分布频率总体呈逐渐增加的趋势，样地1在Mi=1时分布频率略有下降。样地1以极强度混交、强度混交和中度混交为主，三者的比例分别为0.33，0.42和0.24。样地2以极强度混交、强度混交为主，二者的比例分别为0.49，0.29，树种混交度在0.5时的比例也较大，为0.14。Mi为0时，2个样地的比例均为0，说明两个样地不存在零度混交。样地1和样地2的林分平均混交度为0.77和0.8，均为强度混交，表明两个林分同种树种聚集在一起的非常少。

为了进一步了解各树种的混交情况，对样地数据进行了分析，见表2。由表2可知，样地1中各树种的混交度依次从大到小依次为：红麸杨（0.882）＞亮叶桦（0.864）＞白栎（0.846）＞刺槐（0.792）＞梓（0.781）＞女贞（0.772）＞朴树（0.728）＞灯台树（0.718），样地2各树种的混交度从大到小依次为：刺楸（1）＞亮叶桦（0.969）＞白栎（0.947）＞盐肤木（0.933）＞山樱花（0.923）＞灯台树（0.846）＞山桐子（0.809）＞椤木石楠（0.8）＞女贞（0.769）＞朴树（0.689）。以上分析表明，样地1除朴树、灯台树，样地2除朴树外，周围不同树种低于3株，其余树种周围不同树种均大于3株，处于强度至极强度混交的状态，红麸杨、亮叶桦、白栎等很少呈单种聚集，数量较少，零星分布于样地中，这与调查反映的各自株数较少情况相符。样地2中的刺楸，更新能力较差，是将来逐渐被淘汰的树种。朴树是2个样地的绝对优势树种，数量大，因此混交度较小，很有可能成为该样地今后的建群种。

3.3.2 次生林的树种角尺度由图2b可知，2个样地次生林Wi在0.50的分布频率最大，在空间结构单元中以随机分布的个体较多。样地1角尺度分布频率在0～0.50的大于频率在＞0.50～1.00的，说明该样地次生林水平分布格局为随机分布。样地2的角尺度分布频率在＞0.50～1.00的大于在0～0.50的，则说明为聚集分布。样地1和样地2的林分平均角尺度值分别为0.486和0.514，取值范围在0.475～0.517，说明2个样地林分林木水平分布格局为随机分布。由于样地2角尺度分布频率在＞0.50～1.00的仅比在0～0.50的大2.4%，而随机分布的频率占到了57%，故而整个样地表现为随机分布。

图2 空间结构指数Figure 2 Spatial structure index of investigated plots

对不同树种的空间结构单元进行分析，由表2可知，样地1中次生林各树种的角尺度由大到小依次为：白栎（0.573）＞女贞（0.538）＞刺槐（0.521）＞灯台树、朴树（0.504）＞红麸杨（0.5）＞梓（0.469）＞亮叶桦（0.466），其中白栎、女贞和刺槐的平均角尺度大于0.517，表现为聚集分布，在调查中发现白栎、刺槐有中径级至大径级林木，它们的种子散落后成长起来就形成了现在的聚集局面。而梓、亮叶桦的平均角尺度小于0.475，表现为均匀分布，而数量最多的朴树、灯台树的平均角尺度在0.475～0.517，表现为随机分布，说明样地的水平分布格局较为理想。

样地 2中次生林各树种的角尺度由大到小依次为：山樱花（0.654）＞朴树（0.59）＞女贞（0.569）＞山桐子（0.566）＞亮叶桦（0.563）＞灯台树（0.558）＞刺楸（0.556）＞白栎（0.553）＞盐肤木（0.533）＞椤木石楠（0.525），各树种的平均角尺度均大于0.517，表现出聚集分布的现象，说明该林分受人为干扰较小，是最为常见的自然分布状态。

表2 样地各树种混交度、角尺度和大小比数Table 2 Tree mingling degree, neighborhood pattern and comparison of sample plots

3.3.3 次生林树种大小比数长坡岭林场次生林林分大小比数如图2c所示，样地1和样地2在各个等级的分布比较均匀。其中样地1 Ui为0.75的比例最大，Ui为0.25的比例最小；样地2 Ui为1的比例最大，Ui为0.5的比例最小；2个样地最大比例与最小比例之间的变幅不明显，说明次生林在空间结构单元中不同径级林木分布频率差异不明显，整体上来说，以优势木、亚优势木和中庸木为主。

由表2可知，各个树种平均大小比数分布由大到小样地1中：女贞（0.674）＞朴树（0.663）＞红麸杨（0.632）＞梓（0.500）＞灯台树（0.448）＞亮叶桦（0.33）＞刺槐（0.177）＞白栎（0.173），样地 2中：朴树（0.692）＞女贞（0.65）＞椤木石楠（0.625）＞灯台树（0.413）＞盐肤木（0.400）＞亮叶桦（0.375）＞刺楸（0.333）＞山桐子（0.303）＞山樱花（0.288）＞白栎（0.066）。样地1和样地2的平均大小比数为0.53和0.51，说明2个样地内所有树种整体接近中庸状态。调查中发现，样地1中白栎、刺槐以及样地2中白栎平均胸径较大，有中径级至大径级林木存在，大小比数的计算得出3个树种在各自样地中均为优势木，而数量上占据优势的女贞、朴树，由于胸径小，多为幼树，大小比数的计算可知二者在林内介于中庸和劣势等级，上述现象均与实际调查情况表现相一致。

4 结论

从树种组成来看，长坡林林场次生林乔木层的树种主要有白栎、刺槐、灯台树、亮叶桦、红麸杨、女贞、朴树、梓、刺楸、椤木石楠、山桐子、盐肤木、山樱花13种，其中朴树、女贞以及灯台树均为主要组成树种，林分组成式比例分别为朴树约占40%，灯台树约占30%，女贞约占20%，刺槐、白栎、亮叶桦、红麸杨合计约占10%

对林分的混交程度进行分析，长坡岭次生林在空间结构单元中在各混交等级分布不均匀，Mi从0至1总体上呈逐渐上升的趋势，调查的两个林分的平均混交度分别为0.77和0.80，为强度混交状态，说明天然次生林整体上的混交程度较强，林分中同种树种聚集在一起的很少。主体优势树种朴树数量大，呈现混交度较小的现象。调查的2个样地次生林的Wi均以0.50时的分布频率最大，0的分布频率最低，在样地1中处于0～0.50的大于在＞0.50～1.00的，为7.9%；样地2则＞0.50～1.00分布的大于0～0.50分布的，为2.4%。全林分的平均角尺度分别为0.486和0.514，林木整体水平分布格局为随机分布。为了使分布频率在0.50两侧的比例分配更为均衡，样地1中在角尺度取值为0.25的单木中随机选择占全林株数7.9%的单木，在角尺度取值为1的单木中随机选择占全林株数2.3%的单木作为被伐木；样地2中在角尺度取值为1的单木中随机选择占全林株数3%的单木作为被伐木。

采用大小比数对林分内所有树种的大小分化程度进行了分析，天然次生林主要以优势木、亚优势木和中庸木为主，且在空间结构单元中各径级林木分布频率相差不大，2个样地各自的平均大小比数为0.53和0.51，说明2个样地内所有树种整体接近中庸状态。白栎、刺槐数量不多，但生长优势明显，优势木和亚优势木数量较多，且主要分布在树冠上层和中层。而朴树作为所调查的两个样地林分的主要组成树种，数量大，密度高，但树高和胸径不占优势，主要分布在树冠下层，以劣势木和极劣势木为主。

研究的结果及相关森林经营理论[16]，在次生林经营管理过程中，林分平均角尺度以及各树种的角尺度、混交度和大小比数的取值和对应的树种分布情况，可以作为分树种来确定采伐木的依据，进而优化林分内树种组成，使林分逐步形成稳定且合理森林群落结构，达到森林经营的目的。

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