不同龄组柳杉人工林林分结构分析

严 兰，谭 伟，柴宗政

(贵州大学林学院，贵州贵阳550025)

森林经营的本质就在于通过林分结构的调控与优化，增加生物多样性，培育健康稳定的森林，进而增强森林的服务功能[1].因此，不少学者利用基于相邻木之间联系的林分空间结构指标综合评价林分整体状态[2-7].已有学者在林分空间结构方面探索性地提出较为完整的林分空间结构指标体系[8].

柳杉(Cryptromeria fortunei)是我国南方的特有树种，它具有木材优良、适用范围广的优点，是我国亚热带低山区常见的造林树种.由于柳杉人工林广泛种植，国内对柳杉人工林的研究大多集中在种植、病虫害、生长过程、生长与收获、经济效益评价、群落结构特征、生物量及对土壤的影响等方面[9-14].但大部分研究区域集中在福建、四川的中亚热带柳杉生长区和广西南亚热带柳杉种植林区，对贵州北亚热带季风湿润气候柳杉种植区的研究较少.

随着速生丰产柳杉林的迅速发展，加强柳杉中幼林的抚育管理是科学经营柳杉人工林、做好森林分类经营的重要措施.柳杉人工林经营集约管理程度日益提高，需要通过对其林分结构的分析判断该林分质量.本文以安顺市平坝区国有大坡林场作为研究区域，对其柳杉人工林进行标准地调查及每木检尺，并获取相应的空间信息，用基于R软件的forestSAS软件包分析林分空间结构特征，为调控林分结构以及制定合理的柳杉林经营目标提供依据.

1 研究区概况

平坝区国营大坡林场地处黔中地区，位于平坝城区西北部17 km2处，东经105°59′—106°34′，北纬25°15′—26°37′，地处十字、齐伯、乐平三乡的结合部，东邻清镇市甘沟林场，南接十字乡大坪村，西连乐平乡大尧林场，北界齐伯乡水江村江龙寨.地貌以中山为主，地处“安凤林区”中段，地势呈南北走向，海拔1 350～1 600 m，经营总面积680 hm2.大坡林场位于北亚热带地区，属季风湿润气候.年均气温13℃，年平均降水量1 300 mm，相对湿度83%.林木生长周期长，森林资源丰富.土壤主要以黄壤为主，地质以沉积岩为主.沉积岩主要有页岩，部分为砂页岩，易于风化.形成的母岩粘重，养分丰富，pH值4～6，水湿条件较好，比较适宜杉木、柳杉、华山松、马尾松及各种阔叶乔木树种的生长.平坝区国营大坡林场内植被类型以人工植被为主，主要有杉木林、柳杉林、马尾松林、华山松林、竹林以及阔叶林.

平坝区国营大坡林场，林地面积663.19 hm2，森林覆盖率92.30%；非林地面积16.81 hm2，占2.47%.林业用地中，公益林面积213.71 hm2，商品林面积456.67 hm2，分别占林业用地面积的31.14%和68.86%.经营区内林地立地质量好，生长潜力大，林木总蓄积量118 620.40 m3，林分平均产量178.86 m3·hm-2.其中柳杉优势种面积233.52 hm2，蓄积32 858.80 m3，分别占林地的35.21%和27.70%.

2 方法

2.1 样地调查

通过平坝区的林业部门获取研究区1∶1万的地形图、高分1号影像数据及平坝大坡林场林班数据库，并实地踏查，在柳杉人工林小班中选取具代表性的地段.于2017年10月在大坡林场根据龄组设置20 m×30 m的标准样地，共21块.其中，5块样地为幼龄林标准样地，6块样地为中龄林标准样地，3块样地为近熟林标准样地，4块样地为成熟林标准样地，3块样地为过熟林标准样地.记录样地内林木的相对位置坐标(x，y)，依次编号挂牌标记，并检尺标准地内的每株树木(胸径大于5 cm)的树种、胸径、树高、冠幅.样地调查的基本情况如表1所示.

表1 样地基本情况Table 1 Basic information on sample plots

2.2 边缘消除方法

在分析林分空间结构时，由于样地边缘的林木在样地外围缺乏参照树，因此存在边缘效应.为了消除这种边缘效应，采用扩大面积进行边缘校正.较为常见的方法是八邻域平移式，该方法实际上是基于拓扑学原理，分别在原始方向的上、下、左、右、左上、左下、右上、右下方向以平移的方式复制原样地，形成9个相同样地组成的大样地，以原样地为核心区进行计算[15].在分析林分空间结构时仅将原样地(20 m×30 m)作为核心区，将其内部林木作为参照树；在样地外围选取宽度为5 m的缓冲区，处于缓冲区的林木只作为核心区林木的相邻木处理.这种消除边缘效应的方法能够保证所分析林木的相邻木均能处于样地内部[16].

2.3 林分空间结构

基于空间结构单元，选择混交度、大小比数、林层差异化、密集度以及角尺度作为林分空间结构参数，分别表述树种组成、胸径分布、树高分布、林分密度以及林木分布格局；以R语言为平台，将forest SAS程序包代入标准地林木调查数据，进行空间结构参数的计算，评估林分空间结构异质性.

2.3.1 空间结构单元 利用最近邻体法确定空间结构单元.本文采用一定数量最近邻体进行分析，一个结构小组由林分内任意一株林木与它最近的4株相邻木组成，因此既有林木本身的属性，也考虑到其与相邻木的关系，进而揭示林木在群落内的状态.

2.3.2 空间结构参数体系 选取树种多样性、直径分布、树高分布、林分密度、林木分布格局5个主要林分结构特性，利用树种混交度(Mi)、胸径大小比数(Ui)、林层差异化(Hi)、密集度(Ci)、角尺度(Wi)5个森林空间结构参数[17-20]，构建柳杉林空间结构指标体系，来揭示森林空间结构异质性.混交度、大小比数、林层差异化、密集度以及角尺度的取值如表2所示.这些参数的取值均为0～1，但是根据其指标特性，可将其划分为3种类型：(1)戒上型，指标最优值为1，取值越趋于1越好；(2)中间型，最优值为0.5，取值越趋于0.5越好；(3)戒下型，最优值为0，取值越趋于0越好(表3).森林空间结构参数平均值反映所测指标的整体分布情况，可用下式计算：

式中，为所测的森林空间结构参数均值；n为所观察的参照树的数量；Pi为树种的第i个所测的森林空间结构参数值；P表示所测森林空间结构参数，如混交度、差异化、理想态、密集度、角尺度、大小比数等值越接近所测森林空间结构指标的最优值，说明该空间结构指标越理想.

表2 林分空间结构参数1)Table 2 Stand spatial structure parameters and value interpretation

表3 森林空间结构指标的差异Table 3 Differences among stand spatial structure indices

优度系数(pv)能够反映现实林分的空间结构参数向理想结构逼近或远离的趋势，来修正森林空间结构指标均值导致的数据偏差.

式中：pv为优度系数，取值[0，1]；n为树种个体数；Ii为结构单元的指标值；O为空间结构单元指标的最优值，戒上型指标为1，中间型指标为0.5，戒下型指标为0；i为以树种为参照树的结构单元数.

2.3.3 林分空间结构异质性评价 在均值和优度系数的基础上，利用指标均值评价方法(IAVE)和指标优度评价方法(IPVE)，对林分空间结构指标进行多指标综合评价，反映林分空间结构的综合状况[8].

式中：N为选取的森林空间结构指标；sp表示树种；spIi为森林空间结构指标均值；spOi为spIi所对应的森林空间结构指标最优值；spIi-spOi以及Ii-Oi表示已将各空间结构参数统一量纲，取值[0，1]的戒上型指标的数值越大越好.

指标均值评价和指标优度评价的结果均处于[0，1]，依据其评价结果的数值大小可将森林空间结构异质性划分为低劣[0，0.4)、平均[0.4，0.6)、良好[0.6，0.8)、优质[0.8，1]4 种状态.指标均值评价和指标优度评价结果越趋于1，表明森林空间结构异质性越强，林分结构多样性越高，林分越稳定.

3 结果与分析

3.1 树种组成

从表4可知，调查的21个样地中，共出现2 188株林木(DBH≥5 cm)，包括5个树种，即柳杉、马尾松、杉木、华山松和桦木.其中柳杉为群落中的优势树种，多度为2 142株，占总株数的97.90%，在群落中占据绝对优势；马尾松、杉木、华山松、桦木为其他树种.

幼龄林有4个树种，即柳杉、马尾松、杉木和华山松，马尾松、杉木、华山松均零星分布于个别样地.中龄林有5个树种，即柳杉、马尾松、杉木、华山松和桦木.马尾松、杉木、华山松、桦木分布较其他龄组多，多度占其他树种总株数的73.91%.近熟林包括柳杉和马尾松.成熟林、过熟林均为纯柳杉林.结果表明，该研究区的林分树种隔离程度低，树种混交种类少，树种单一.

幼龄林中，林分的树种混交度均值为0.026 3，树种混交度的优度系数为0.019 5；中龄林中，林分的树种混交度均值为0.072 2，树种混交度的优度系数为0.053 8；近熟林中，林分的树种混交度均值为0.006 1，树种混交度的优度系数为0.004 0；成熟林中，树种混交度均值为0.031 3，树种混交度的优度系数为0.021 0；过熟林中，林分树种混交度均值为0，树种混交度的优度系数为0.从龄组上来看，各龄组林木的混交程度不高，林木大多为零度混交(图1)，林分均处于零混交状态，但是在中龄林的混交度较高，因为中龄林林内环境适合某些树种散生.

表4 不同龄组柳杉林树种的组成Table 4 Composition of tree species in C.fortunei forest under different ages

3.2 胸径分布

幼龄林中，林木胸径为5.00～25.50 cm；中龄林中，林分的林木胸径为5.00～34.90 cm；近熟林中，林分的林木胸径为5.20～44.90 cm；成熟林中，林分的林木胸径为6.20～52.90 cm；过熟林中，林分的林木胸径为17.60～54.20 cm.随着林龄的增长，林木平均胸径增加，胸径变异系数总体上降低，表明林木胸径随着林龄的增长分布趋于集中.

21个样地中，胸径大小比数在5个等级(Bi＝0，0.25，0.50，0.75，1)中均有分布，且分布的频率差别不大.胸径大小比数属于优势林木(Bi＝0)的相对频率均值为20.77%；属于亚优势林木(Bi＝0.25)的频数最大，相对频率均值为20.82%；属于中庸林木(Bi＝0.50)的相对频率均值为20%；属于劣势林木(Bi＝0.75)的相对频率均值为19.02%；属于绝对劣势林木(Bi＝1.00)的相对频率均值为19.39%.从图2可知，大小比数不同等级的林木比例差异不大，约为0.20，表明林分间胸径差异不大，林木分化不严重，胸径分布较均匀.胸径大小比数均值为0.465 5～0.514 5，总体均值为0.485 7.表明林分整体处于中等竞争状态，林木优势不明显.幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林的平均大小比数分别为0.490 5、0.494 2、0.486 4、0.486 8、0.482 2，说明林木的分化程度均不高，林分均处于中等竞争状态，没有随着林龄的变化而出现较大变化，都趋于亚优势.

图1 不同龄组柳杉林混交度分布Fig.1 Mingling distribution of C.fortunei forest under different ages

3.3 树高分布

幼龄林中，林木树高为4.20～12.00 m；中龄林中，林分的林木树高为3.20～19.80 m；近熟林中，林分的林木树高为3.20～25.10 m；成熟林中，林分的林木树高为8.10～25.90 m；过熟林中，林分的林木树高为17.50～28.80 m.随着林龄的增长，林木平均树高增加，树高变异系数降低，表明林木树高随着林龄的增长，分布逐步趋于集中.

21个样地中，林层差异化分布于5个等级(Hi＝0，0.25，0.5，0.75，1)中，林层差异化属于无差异林木(Hi＝0)的相对频率均值为23.45%；属于弱度差异林木(Hi＝0.25)的频数最多，相对频率均值为57.17%；属于中度差异林木(Hi＝0.5)的相对频率均值为16.93%；属于强度差异林木(Hi＝0.75)的相对频率均值为2.23%；属于显著差异林木(Hi＝1)的相对频率均值为0.21%.从图3可知，林层差异化均值处于0.074 4～0.384 5，总体均值为0.229 7.表明研究区森林类型整体为复层林，林分内处于4～5个林层的结构单元所占的比例较小，林层差异化水平较低，林分垂直结构简单.

幼龄林、中龄林、近熟林、成熟林和过熟林的林层差异化均值分别为0.265 9、0.219 1、0.203 0、0.273 4、0.276 1，各龄组的林层差异化优度系数依次为0.248 5、0.206 0、0.188 0、0.251 9、0.257 8.表明林层差异化表现为林分垂直结构，林分差异化随着林龄的增加先减小后增加，但是林层差异化水平较低，林分垂直结构简单.

3.4 林分密度

幼龄林中，林木冠幅为0.50～4.80 m；中龄林中，林分的林木冠幅为1.00～5.00 m；近熟林中，林分的林木冠幅为1.00～4.40 m；成熟林中，林分的林木冠幅为1.20～5.00 m；过熟林中，林分的林木冠幅为3.00～6.00 m.随着林龄的增长，林木冠幅增大，冠幅变异系数呈增大—减小—增大—减小的变化趋势.表明林木冠幅随着林龄的增长，呈现多样化分布.

图2 不同龄组胸径大小比数分布Fig.2 DBH distribution in C.fortunei forest under different ages

图3 不同龄组柳杉林林层差异化分布Fig.3 Differential distribution in C.fortunei forest under different ages

21个样地中，样地中林木密集度(Ci)＝0，0.25，0.50，0.75，1.00，林木处于很稀疏(Ci＝0)的相对频率是1.57%；林木处于稀疏(Ci＝0.25)的相对频率是7.94%；林木处于中度密集(Ci＝0.50)的比例较低，林分的相对频率为14.02%；林木处于比较密集(Ci＝0.75)的比例也相对较高，相对频率为21.81%；林木处于很密集(Ci＝1.00)的比例最高，其相对频率为54.67%.从图4可知，密集度均值为0.512 8～0.961 0，总体均值为0.800 2.表明研究区林分密度过大，林木可利用空间较小，林分内林木过于密集.

幼龄林中，林分的密集度均值为0.797 0，树种密集度的优度系数为0.599 8；中龄林中，林分的密集度均值分别为0.834 8，密集度的优度系数为0.590 8；近熟林中，林分的密集度均值为0.885 9，密集度的优度系数为0.567 1；成熟林中，林分的密集度均值为0.817 0，密集度的优度系数为0.607 6；过熟林中，林分的密集度均值为0.631 1，密集度的优度系数为0.680 4.随着林龄的变化，密集度先增大后减小.

图4 不同龄组柳杉林密集度分布Fig.4 Intensity distribution of C.fortunei forest under different ages

3.5 林木分布格局

林木完全随机分布时的角尺度值分布范围是判断林木分布格局状态的标准.21个标准地中，角尺度分布于5个等级(Wi＝0，0.25，0.50，0.75，1.00)中，很均匀(Wi＝0)的相对频率均值为2.85%；均匀(Wi＝0.25)的相对频率均值为29.07%；随机分布林木(Wi＝0.50)的频数最大，相对频率均值为52.14%；不均匀(Wi＝0.75)的相对频率均值15.13%；很不均匀(Wi＝1.00)的相对频率均值为0.81%.从图5可知，当角尺度均值为0.475～0.517时，林木是随机分布；角尺度均值大于0.517时，林木是团状分布；角尺度均值小于0.475时，林木是均匀分布.21个标准地中，5个样地属于随机分布；16个标准地属于均匀分布.

由龄组的分布图来看，角尺度的波动很大，幼龄林和中龄林的波动较大；近熟林、成熟林和过熟林波动较小，逐渐趋于稳定.随着龄级的增大，角尺度先降低后增大，再降低；先趋于均匀分布，再向随机分布靠近，最后又趋于均匀分布.林分角尺度平均值在0.450上下波动，波动较大，林木呈多样分布格局；随着龄级的增加，逐渐趋于均匀分布.

3.6 林分空间结构异质性评价

由于树种混交度、林层差异化、密集度、角尺度、胸径大小比数构成的柳杉林空间结构指标体系，只能表征树种组成、树高分布、林分密度、分布格局、胸径分布等重要的林分特性，很难对森林结构整体进行综合评价，而通过IAVE及IPVE评价模型可对林分结构进行综合评价.不同龄组林分空间结构指标的均值和优度系数如图6、7所示.

指标均值评价结果显示，空间结构异质性指数为0.373 3～0.457 2，均值0.413 1.其中有5个样地处于低劣状态，16个样地处于平均状态.结果表明，大坡林场森林空间结构异质性弱，林分结构多样性低，林分不稳定.从龄组上来看，随着林龄的增加，林分空间结构异质性指数先减小再增加，在0.410 0上下浮动，总体呈上升趋势(图8).表明随着林龄的增加，森林空间结构异质性好，林分结构的多样性高，林分更稳定.

指标优度评价结果显示，空间结构异质性指数为0.339 3～0.456 6，均值0.390 5，其中有15个样地处于低劣状态，6个样地处于平均状态.优度评价的空间结构异质性指数较均值评价的空间结构异质性指数小，但从龄组上来看，其结果与指标均值评价一致，也随着林龄的增加，森林空间结构异质性好，林分结构多样性高，林分更稳定.

图5 不同龄组柳杉林角尺度分布Fig.5 Uniform angle index of C.fortunei forest under different ages

图6 不同龄组林分空间结构指标均值Fig.6 Averages of stand spatial structure indexes of C.fortunei forest under different ages

图7 不同龄组林分空间结构指标优度系数Fig.7 Preference value of stand spatial structure index for C.fortunei forest under different ages

4 小结与讨论

本文通过对大坡林场林分空间结构指数的分析可以得出如下结果：大坡林场树种混交度低，树种组成简单，随着林龄的增加，树种组成多样性先增强后减弱.胸径和树高随着林龄的增加，变异系数较小，分化减小，分布逐步趋于集中，胸径大小比数处于中庸状态，林木优势不明显，没有随着林龄的变化而出现较大变化；林层差异化水平较低，林分垂直结构简单，随着林龄的增加，逐步向显著差异发展，即复层.研究区林分整体表现为林分密度过大，林木可利用的空间较小；随着林龄的增加，林分密度变大，但之后逐渐变为稀疏.林分角尺度平均值在0.450上下波动，且波动较大.林木呈现出多样的分布格局，随着林龄的增加，逐渐趋于均匀分布的格局.经过林分空间异质性评价可知大坡林场森林空间结构异质性弱，林分结构多样性低，林分不稳定，符合纯林人工林特征.由于人工林林分的自疏，随着林龄的增加，森林空间结构异质性越强，林分结构多样性越高，林分越稳定.

由于人工林林分有自疏能力，森林空间结构异质性随着林龄的增加而增强，但是大坡林场近熟林的森林空间结构异质性明显降低.这是因为近熟林混交度降低，树种组成多样性降低，密集度增大，林木可利用空间减小.空间结构综合评价结果表明，林分空间异质性低于其他龄组.这是因为人工林的抚育间伐和林分自然更新导致林分分布疏密不均.

柳杉人工林具有不合理的林分空间结构特征，混交程度低、径级分布集中、大小比数和分布格局过于均匀、密集度高，与四川崇州林场柳杉人工林空间结构[21]的分析结果一致.

图8 不同龄组林分空间异质性评价Fig.8 Evaluation on spatial heterogeneity of stands under different ages