运用空间结构参数二元分布对杉木-闽楠混交林林分结构分析1)

王奕茹 李际平 曹小玉 唐涛 颜佳睿 王雪

(中南林业科技大学，长沙，410004)

林分结构是林木个体生长发育空间的决定因素，直接影响林分稳定性、林木质量、健康状况及林分功能的发挥，合理的林分结构既有利于林木个体获取充分的生长发育条件，又能实现土地和空间的最大限度利用，对培育优良干形、提高产量和提升木材品质等具有重要意义[1-2]，因此，优化林分结构是培育多功能森林的重要途径[3]。林分结构分为空间结构与非空间结构，林分空间结构不仅能够决定林分的非空间结构，而且能反映林木的空间位置信息[4-6]，也是森林结构化经营的可调节因素。

目前，国内学者在林分空间结构方面开展了许多研究。曹小玉等[7]运用林层指数、竞争指数和开敞度等6个空间结构参数，对不同龄组的杉木生态公益林进行了空间结构特征的分析与评价；许文秀等[8]应用混交度和大小比数对不同演替阶段的红松阔叶混交林进行了空间结构的特征分析。胡园杰等[9]用全混交度、竞争指数、开阔比数等参数，分析了改造后的杉木林空间结构动态变化特征。但是这些研究都局限于一元空间结构指标的研究，只是运用各空间结构参数对林分结构进行单项分析，而且没有考虑其他结构参数的影响[10]。随着林业的发展，一维空间结构已不能满足林业的需求，有关专家采用林分结构参数的二元分布对林分空间结构特征进行分析。李远发等[11]采用结构参数二元分布分析了红松阔叶林林分以及种群内不同直径林木的空间结构特征；梁文俊等[12]以次生林为研究对象，验证了二元分布在林分空间结构描述中的作用；彭辉等[13]采用空间结构参数二元分布分析了萌生杉木林的空间结构特征，为萌生杉木林的结构化经营提供了技术支持。本研究以湖南省永州市金洞林场杉木-闽楠混交林为研究对象，采用空间结构参数二元分布分析法，从两个维度分析杉木-闽楠混交林的空间结构特征，为林分空间结构分析提供丰富、直观的信息。

1 研究区概况

湖南省永州市金洞林场位于祁阳县南面，位于湘江流域上游，地理坐标为北纬26°2′10″～26°21′37″，东经110°53′43″～112°13′37″。境内山体平均坡度34°，最高海拔1435 m，最低海拔108 m。林场内土壤主要为黄红壤和黄壤，土层厚度一般在60 cm以上，石块沙砾占土壤的百分比为20%～30%。该地属中亚热带的东南季风湿润气候区，年平均气温为18 ℃，相对湿度75%～82%，全年无霜期265～349 d，植被生长期为281～301 d，≥10 ℃的活动积温为4 705～5 725 ℃[14]。该林场境内物种多样，共有植物资源135科、972种。尚存的木本植物共794种，分属90科、290属；根据调查现有高等植物200多科，1 500余种。其中有木本植物98科，654种[15]。目前尚存的国家重点保护Ⅰ级植物有银杏(Ginkgobiloba)、南方红豆杉(Taxuschinensis)等；国家Ⅱ级保护植物有樟树(Cinnamomumbodinieri)、黄杉(Pseudotsugasinensis)、福建柏(Fokieniahodginsii)、闽楠(Phoebebournei)、杜仲(Eucommiaulmoides)等。该地有陆生脊椎动物190余种，其中属于国家重点保护动物的有31种，如白颈长尾雉(Syrmaticusellioti)、林麝(Moschusberezovskii)、云豹(Neofelisnebulosa)等。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查因子

在研究区内选择立地条件基本一致、林相整齐、具有代表性的杉木-闽楠混交林，共设置9块20 m×30 m的标准地。对样地内胸径(D)大于5 cm、树高(H)大于2 m的林木进行每木检尺，记录其胸径、树高、每木坐标以及样地海拔、坡度等因子[16](见表1)。

2.2 林分空间结构二元分布

首先通过标准地调查法，统计9块样地内的林木胸径、树高、相对地理坐标信息，利用Winkelmass1.0空间分析软件分别计算混交度、角尺度和大小比数等空间结构参数值。采用二维离散变量中的联合概率法[17]将3个空间结构参数两两联合，形成混交度-角尺度、混交度-大小比数、角尺度-大小比数，以某一参数X的5种可能值(0，0.25，0.50，0.75，1.00)和另一参数Y的5种可能值(0，0.25，0.50，0.75，1.00)联合计算相对频率，相对频率表示某一个空间结构参数在另外一个空间结构参数上的相对值。每种联合方式可产生25种组合值，将这个组合值除以样地内林木株数，便可以得到2个参数的联合频率值，即可形成林分空间结构二元分布。

表1 标准地基本情况

空间结构参数混交度(M)、角尺度(W)和大小比数(U)的计算参照惠刚盈等[18]的方法。

2.3 数据处理及分析

利用Winkelmass1.0空间分析软件计算林分空间结构参数混交度、角尺度和大小比数，利用EXCEL编制二元分布表。

3 结果与分析

3.1 林分空间结构一元分布分析

由表2可知，通过对杉木-闽楠混交林的空间结构参数值进行一维分析，大部分样地的平均混交度为0.45～0.75，样地c的混交度最小(0.26)，样地e的混交度最大(0.74)。杉木-闽楠混交林样地的平均角尺度为0.55～0.80，各样地角尺度差异较小。各样地平均大小比数为0.40～0.65，各样地大小比数差异也较小。

表2 杉木-闽楠混交林林分空间结构参数一元分布特征

3.2 混交度-角尺度二元分布特征

由表3可知，除了样地e外，其余样地的混交度-角尺度二元分布规律基本相似，这是由于样地e的混交度较高的原因引起，其余样地整体上，随着混交度等级的升高，角尺度表现为先增加后减小的分布趋势，在相同角尺度上的频率值随着混交度的增大表现为先增大后减小的趋势，总体上呈现出以角尺度W=0.50为中轴线呈明显的正态分布；9块样地的混交度-角尺度二元分布均在W=0.50时呈现最大相对频率值，说明杉木-闽楠混交林林分中大部分林木处于随机分布状态；大部分频率值分布在均匀至不均匀(W=0.25～0.75)和弱度混交至强度混交(M=0.25～0.75)组成的9个组合中，主要集中于W=0.50、M=0.50，W=0.50、M=0.25，W=0.50、M=0.75等组合，说明林分中大部分林木处于随机分布状态且中度混交。在W=0和W=1等级上对应的混交度相对频率值很小且差异不大，说明混交度与角尺度两个空间结构参数之间有着密切的相互影响关系，林分角尺度处于0.50左右(随机分布状态下)林分的混交程度最好，而角尺度太大或太小都不利于林分混交的经营。

表3 杉木-闽楠混交林混交度(M)-角尺度(W)二元分布

续(表3)

3.3 混交度-大小比数二元分布特征

由表4可知，混交度-大小比数的二元分布变化未呈现显著规律，整体上大致表现为随着混交度的增大，大小比数随之增大趋势；混交度-大小比数二元分布组合的频率值主要分布在中高度混交中(M=0.5～1.0)；在混交度M=0时，频率值近似为零，说明在林分中处于零度混交的林木很少；除大小比数U=1.0外，其余取值在各混交度等级上的林木个体数量差别不大，说明林分中大小比数分布较均匀，林木个体之间胸径差异不大。在同一混交度等级上，除大小比数U=1外，其余各大小比数的频率值差异不大，说明在同一混交等级上，林木的大小分化不显著。在U=1、M=0.5～1.0组合的频率值最高，说明林分中有30%以上的林木处于绝对劣势状态，并且其周围最近四株相邻木为不同树种。

表4 杉木-闽楠混交林混交度(M)-大小比数(U)二元分布

续(表4)

3.4 角尺度-大小比数二元分布特征

由表5可知，随着角尺度的增大，大小比数总体上表现出先增大后变小的趋势，以角尺度W=0.5为中轴线呈正态分布，且轴线右侧变化幅度明显大于左侧，说明林分的团状分布格局会影响林木的胸径生长；在角尺度W=0.5时，大小比数总频率最大，说明杉木-闽楠混交林林分中的林木个体多处于随机分布状态；在角尺度W=0时，频率值主要分布在U=0.25和U=0.5两个等级上，说明林分在均匀分布状态时的林木个体主要处于亚优势和中庸状态。

表5 杉木-闽楠混交林的角尺度(W)-大小比数(U)二元分布

续(表5)

4 结论与讨论

森林经营应该建立在林分结构和功能之间协调关系的基础上，通过调整林分结构参数来优化林分结构，达到充分发挥森林多种功能的目的[19]。本研究中，从杉木-闽楠混交林林分空间结构的二元分布可以看出，9块样地林分的混交度一角尺度、角尺度-大小比数的二元分布规律基本相似，均以角尺度0.5为分界线呈显著的正态分布，表明角尺度与混交度和大小比数有密切的关系，角尺度太大或太小均不利于林分的混交，且制约林木的胸径生长，与张岗岗等[20]对落叶松人工林空间结构的研究结论相似；混交度和大小比数的二元分布呈现出随着混交度的增大，大小比数总体上表现出增大趋势，但两者之间的密切程度不是很高。杉木-闽楠混交林9块样地的林木多处于随机分布状态，林分混交度不高，样地林分空间结构二元分布特征反映了林分的生长特征。根据林分空间结构二元分布分析，对杉木-闽楠混交林进行结构调整，采取去劣留优、伐针留阔的经营方式，补植优良乡土阔叶树种，提高林分的混交度。同时，兼顾林分的分布格局，使林分的格局调整为随机分布状态，缩小现实林分的结构与理想结构之间的差距，实现林分健康、稳定、可持续发展。

单一的林分空间结构参数分析会导致分析的片面性[21]。在单独分析林木的分布格局时，未考虑林木混交程度和大小分化程度，会造成林木之间树种配置、竞争生长等问题[22]，因此，在优化某一结构参数时，同时兼顾其他结构参数尤为重要。林分空间结构参数二元分布可以直观地体现结构参数联合的分布状况和数量特征，为金洞林场杉木-闽楠混交林的结构优化调整提供了技术支持，并为针阔混交林的经营提供科学合理的理论依据。