湖南省“一湖四水”流域栎类次生林林分质量时空分异特征

敬 阳，肖化顺，b，龙时胜，龚召松

（中南林业科技大学 a.林学院；b.数字洞庭湖南省重点实验室，湖南 长沙 410004）

栎类Quercus树种多为常绿或落叶乔木，喜湿润，对土壤要求不严，适生性广，常出现地带性单优群落。我国栎类规模大（栎类天然林面积占比13.70%），综合价值高，具有抗烟尘，耐火性、萌芽力强等特点，其木材、种子、树皮等经济价值高[1]。湖南栎类资源丰富（6 属77 种），开展湖南省栎类次生林林分质量变化规律的基础研究，可为栎类次生林的可持续经营研究提供参考。

世界自然基金会将森林质量解释为生态效益、社会效益和经济效益所有功能与价值的总和。大多学者对森林质量评价的认识，可归纳为：森林质量的好坏反映的是在满足人类所需的情况下，其生态功能、经济和社会效益的高低[2-5]。早前林业发达国家对森林资源质量评价主要从森林蓄积量、出材量、森林可持续经营措施实施状况、防火设施建设等方面进行[6-7]。而我国对森林质量没有明确的定义，学者们对林分质量评价的对象、单位、指标和方法都不同[8-10]。

森林是具有时空维度的可再生资源，时间和空间发生变化，森林种类、质量、结构等都会相应改变。森林质量变化可分为时间上和空间上的动态变化。在时间上体现为不同时期同一林地上林分各指标的动态变化，在空间上体现为同一时期不同林地上林分各指标的空间差异，简称为时空分异。国外林分质量时空分异研究主要有墨西哥帝王蝶主要越冬区森林质量的定量变化[11]；坦桑尼亚山地森林和Miombo 林地的自然资源使用和森林质量监测[12]等；国内学者肖前辉等[13]通过层次分析法对湖南省1989—2014年楠木天然林进行了质量动态分析。苗作云[14]研究了河南山区栎类资源森林质量分布特征。彭岩等[15]以2001—2016年新疆森林资源连续清查数据为依据，采用主成分分析法分析了各年间新疆森林质量动态变化及影响因素。

近年来，湖南省栎类次生林的主要研究方向有林分结构优化、生物多样性保护、立地质量评价、生长模型研究等，区域性的栎类次生林质量动态变化研究鲜有报道。为此，以连续6 期的国家森林资源连续清查数据为基础，构建湖南省栎类次生林林分质量评价体系，建立质量评价模型，确定林分质量等级划分方法，分析25年间栎类次生林在“一湖四水”流域的质量变化情况，为湖南省区域性的栎类次生林质量精准提升的森林经营活动提供依据。

1 研究区概况

湖南省位于长江中游，地处108°47′～114°15′E，24°38′～30°08′N，国土面积21.18 万km2。属亚热带常绿阔叶林区，植被丰茂，四季常青。属于大陆性中亚热带季风湿润气候，年均气温16～18℃，年日照时长1 300～1 800 h，年降水量1 200～1 700 mm。雨量充沛，水热充足，环境优越，物产丰富。湖南三面环山，地貌由平原、盆地、丘陵、山地、河湖构成，地跨长江、珠江两大水系。土壤类型以红壤、黄壤和黄棕壤为主，成土母岩有泥灰岩、板页岩、砂页岩和花岗岩等。

湖南河网密布，流长5 km 以上的河流有5000 多条，总长度达9 万km，其中流域面积在5 000 km2以上的大河17 条。省内除少数属珠江水系和赣江水系外，主要为湘、资、沅、澧四水及其支流，顺着地势由南向北汇入洞庭湖、长江，形成一个比较完整的洞庭湖水系[16-17]，因此湖南的水系常称“一湖四水”，其具体空间区划见图1。

图1 “一湖四水”空间区划图Fig.1 The spatial zonation map of “One Lake and Four Rivers”

2 材料与方法

2.1 数据来源

数据主要来源于湖南省1989—2014年国家森林资源连续清查数据，每隔5年一期，共6 期，采用系统抽样，样地间距4 km×8 km，样地面积为0.067 hm2，共6 615 个正方形固定样地。固定样地数据库中，样地数据包括：地理位置（GPS坐标）、地貌、海拔、坡度、坡向、坡位、土壤类型、土层厚度等属性，样木数据包括平均年龄、平均树高、郁闭度、自然度、群落结构、植被覆盖度等属性。

在湖南省1989—2014年6 期国家森林资源连续清查数据中，分别选取栎类次生林资源相对占优且株数占比≥30%以上的固定样地为研究对象，6 期样地中栎类次生林样地数量分别为110、124、116、136、199、288。由表1～2 可知，25年间，各流域栎类次生林规模在时间上呈稳定增长趋势，但空间上分布不均。

表1 1989—2014年各流域栎类次生林面积变化Table 1 Area changes of Quercus secondary forest in different valley from 1989 to 2014

表2 1989—2014年各流域栎类次生林蓄积变化Table 2 Volume changes of Quercus secondary forest in different valley from 1989 to 2014

2.2 研究方法

2.2.1 林分质量评价指标体系的建立

依据评价指标的代表性、科学性、相对独立性、层次结构性、量化可比性等原则，通过查阅相关文献，结合数据指标的完整性，选择可获取或可衍生的14 个林分质量评价指标，通过因子分析，将各指标归类分为林分生长潜力（单位面积蓄积、株数密度、年平均生长量、平均胸径）、林分结构（平均树高、郁闭度、树种结构、平均年龄）和立地条件（海拔、坡度、坡向、坡位、土壤类型和土层厚度）3 个准则层，以此构建栎类次生林林分质量评价体系。各林分质量评价指标的概念及界定以《国家森林资源连续清查湖南省第七次复查操作细则》为基准，具体概念如下：

1）单位面积蓄积：指林分中每公顷林木的材积，单位为m3/hm2；

2）株数密度：指单位面积上的林木株数，反映的是每株林木平均占有林地面积和营养空间的大小，单位为株/hm2；

3）年平均生长量：指林木在整个年龄期间每年平均生长的数量，等于总生长量除以年龄；

4）平均胸径：指根据主林层优势树种的每木检尺胸径，采用平方平均法计算得出，单位为cm；

5）平均树高：在主林层优势树种中选择3～5株平均样木测定树高，采用算术平均法计算得出，单位为m；

6）林分郁闭度：指森林中乔木树冠遮蔽地面的程度，是反映林分密度的指标。在林分调查时，将林分郁闭度划分为疏（0.20～0.39）、中（0.40～0.69）、密（0.70 以上）3 个等级；

7）树种结构：反映乔木林分的针阔树种组成，森林资源调查中常将树种结构分为7 个等级，考虑到研究对象主要为栎类株树占比超30%的林分，本文将树种结构归纳为阔叶纯林Ⅰ、阔叶相对纯林Ⅱ、针叶混交林Ⅲ、针阔混交林Ⅳ和阔叶混交林Ⅴ共5 种；

8）平均年龄：是研究林分生长动态的基础，文中应用龙时胜等异龄林年龄估计方法对一类调查的林分年龄进行了修正；

9）海拔：指某地相对于平均海平面（作为零面）的垂直高度，单位为m；

10）坡位：指坡面所处的地貌部位，分为平地、全坡、谷底、下坡、中坡、上坡和山脊七种：

11）坡度；Ⅰ级为平坡≤5°；Ⅱ级为缓坡5°～14°；Ⅲ级为斜坡15°～24°；Ⅳ级为陡坡25°～34°；Ⅴ级为急坡35°～44°；Ⅵ级为险坡≥45°；

12）坡向：一般分为分东、南、西、北、东北、东南、西北、西南、无坡向9种。文中将东、东南、南、西南归为阳坡，将北、西北、西、西北归为阴坡；

13）土层厚度：土层厚度分为薄（＜40 cm）、中（40～79 cm）、厚（≥80 cm）3 个等级；

14）土壤类型：土壤可分为砂质土、黏质土、壤土3 种类型。研究区内土壤类型包括黄壤、黄棕壤、红壤、石灰土、紫色土和潮土6 种，其中红壤居多，黄壤次之。

2.2.2 评价指标标准化

因选取的评价指标间存在定性和定量差异，研究中采用等距赋值（表3）对定性指标进行量化处理，再用极差变换法（公式1～2）对指标数据标准化处理。

表3 定性指标数量化标准Table 3 Quantitative standard of qualitative indicators

正向指标：

逆向指标：

式中：Xij为第i个评价指标第j个样地的标准化值，xij为第i个评价指标第j个样地的原始数据，xi(max)、xi(min)分别为对应的第i个指标的最大值和最小值。

2.2.3 确定指标权重

研究结合指标定量和定性的特点采用层次分析法计算指标权重，首先需要对指标进行两两比较（1～9 标度法），建立判断矩阵，并对指标向量进行一致性检验，符合检验标准后指标的特征向量方可代表指标权向量。判断矩阵方程如下（公式3）：

式中：A代表准则层判断矩阵，包括林分生长潜力B1、林分结构B2、立地条件B3；B1、B2、B3分别代表各准则层所包含指标的判断矩阵。

2.2.4 建立评价模型

评定森林质量时，按林分质量评价模型（公式4）计算各样地综合得分Y，根据此得分划分质量等级。Y值越高说明林分质量越好。

式中：Ci为第i项归一化评价指标值，Wi为第i项评价指标权重，n为评价指标个数。

3 结果与分析

3.1 指标权重

通过两指标重要性相对比的方法，得到指标权重。经过指标向量一致性检验，准则层极大值为3.006，一致性指标CI=0.003，一致性比率CR=0＜0.1；林分生长潜力准则层极大值为4.018，一致性指标CI=0.006，一致性比率CR=0.007＜0.1；林分结构准则层极大值为4.007，一致性指标CI=0.003，一致性比率CR=0.003＜0.1；立地条件准则层极大值为6.193，一致性指标CI=0.039，一致性比率CR=0.031＜0.1。经检验，研究中所构建的判断矩阵符合一致性检验的标准。指标层总排序为：单位面积蓄积（0.233）、林分平均胸径（0.129）、林分平均树高（0.129）、林分年龄（0.126）、株数密度（0.068）、郁闭度（0.067）、海拔（0.062）、年平均生长量（0.048）、土层厚度（0.040）、树种结构（0.036）、坡度（0.026）、坡向（0.016）、土壤类型（0.010）、坡位（0.009）。

3.2 质量等级划分

根据各指标综合权重与归一化值的乘积得出各样地林分质量综合得分为[0.056～0.843]，采用等距划分法将林分质量等级划分为优、良、中、差、劣5 个等级。划分标准见表4。

表4 林分质量等级划分标准Table 4 Classification standard of stand quality grade

3.3 湖南省栎类次生林林分质量变化

湖南省栎类次生林林分质量综合得分值域为[0.321～0.445]，25年间林分质量等级由差变为中。

1989年林分质量综合得分0.342，等级为差的林分占比64.55%；1994年林分质量综合得分下降0.021，中等林分样地数量占比减小，差等林分样地数量占比增加。1999年林分质量等级上升，综合得分提升0.087，等级为优、良、中的样地数量占比增加，差和劣等级的样地数量占比减小。2004年林分质量综合得分提升0.018，中等林分样地数量占比增加，其它等级林分数量占比减小。2009年林分质量综合得分降低0.012，中等林分样地数量占比增加。2014年林分质量综合得分提升0.031，等级为中和良的样地数量占比增加。详见表5。

表5 1989—2014年栎类林分质量变化Table 5 Quality changes of Quercus secondary forest from 1989 to 2014

从6 期栎类次生林各等级林分质量综合得分来看，林分质量变化呈为“降—升—降—升”的规律，其原因可能与气候变化或者人为干预有关。从各等级样地数量来看，栎类次生林质量等级始终以差为主，但其占比逐年降低，中等林分占比逐年上升，且优良等级林分状态相对稳定。由此可以看出，栎类次生林林分整体质量不高，但顺向演替明显。

3.4 “一湖四水”流域林分质量变化

按流域划分，栎类次生林林分质量综合得分在0.261～0.483 之间。洞庭湖流域栎类次生林分布较少，25年间栎类次生林质量综合得分由0.285提升到0.413，增加0.128，栎类次生林质量等级由差发展为中；湘江流域栎类次生林分布较多，25年间栎类次生林质量综合得分由0.389 提升到0.444，增加0.055，质量等级由差发展为中；沅江流域栎类次生林分布较多，25年间栎类次生林质量综合得分由0.332 提升到0.455，增加0.123，质量等级由差发展为中；资江流域，25年间栎类次生林质量综合得分由0.288 提升到0.385，增加0.097，栎类次生林质量提升，但质量等级（差）不变；澧水流域，25年间栎类次生林质量综合得分由0.316 提升到0.483，增加0.167，栎类次生林质量等级由差发展为中。详见表6。各流域栎类次生林林分质量等级变化见表7。

表6 栎类次生林林分质量综合评分Table 6 Comprehensive score of Quercus secondary forest quality

表7 各流域栎类样地林分质量状态转移表Table 7 Quality transfer of Quercus samples in in different valley

续表7Continuation of table 7

总体而言，空间上，优等林分分布于湘江流域，其它等级林分各流域均有分布。湘江流域、沅江流域、澧水流域栎类次生林林分质量相对较好，资江流域、洞庭湖流域栎类次生林林分质量较差。时间上，5 大流域栎类次生林林分质量综合得分分别增加0.128、0.055、0.123、0.097、0.167。资江流域的栎类林分质量等级（差）不变，其它流域栎类次生林质量等级由差发展为中。各流域栎类次生林林分质量动态变化见图2。

图2 各流域栎类次生林林分质量变化Fig.2 Quality changes of Quercus secondary forest in different valley

4 结论与讨论

以湖南省1989—2014年6 期国家森林资源连续清查数据筛选的栎类次生林为对象，通过层次分析法对6 期适于本研究的样地进行林分质量评价，并依据湖南省“一湖四水”流域特征进行分区评价。结果表明，25年间，湖南省各流域栎类次生林规模虽在时间上呈稳定增长趋势，但在空间上呈现出了分布不均衡的状态，如湘江、沅江和澧水流域林分质量较好，资江和洞庭湖流域林分质量差。结合湖南省的地形特征可知，湖南的东西南三面环山，中北部低落，中部资江流域大多为丘陵，北部洞庭湖流域地势低平。因此，造成湖南栎类分布不均衡的可能原因是中北部地势平坦，林分受人为干扰的现象较多，东西南受人为干扰较少，进而影响栎类次生林的分布与林分质量。

建立了含有林分生长潜力、林分结构和立地条件等指标的林分质量评价体系。各指标权重排序依次为：单位面积蓄积＞林分平均胸径/林分平均树高＞平均年龄＞株数密度＞郁闭度＞海拔＞年平均生长量＞土层厚度＞树种结构＞坡度＞坡向＞土壤类型＞坡位。由此可知，对栎类林分质量影响较大的主要为单位面积蓄积、平均胸径/树高等林分生长潜力和林分结构指标，立地条件对栎类的影响较少，可能是选取的栎类林分主要为湖南省内的资源，立地条件的差异性不大。

根据评价结果，林分质量划分为优、良、中、差、劣5 个等级，得出25年间湖南省各流域栎类次生林林分质量等级以中和差为主，没有发现林分质量等级为优或良的分区。依据栎类林分的变化动态来看，湖南栎类林分质量等级由差发展为中，评定为良等级的林分逐年增加。总体上来说，湖南栎类次生林林分顺向演替明显，林分质量稳定向好，提质潜力大。

对于栎类次生林质量等级评定为“优、良、中”的林分，将其归类为抚育提质型林分，主要分布在江华县、绥宁县等地区，该类型林分林木生长力旺盛，立地条件较好，宜采用乔林作业法对其进行抚育管理。质量等级评定为“差和劣”的林分，将其归类为改培保育型林分，主要分布在临湘市、平江县等地区，该类型林分生长潜力指标较低，立地条件较差，宜结合中林和矮林作业伐除对目标树生长构成影响的干扰树，保留增值林木资源、实生基本成林树种及其更新的幼苗、幼树；立地条件好且郁闭度低的林分，适地适树进行补植补造，种植栎类珍贵乡土树种；立地条件较差、林分生长潜力不大的林分，可加强防灾减灾、健康监测、管护维持等封育工作，不宜较强较大的人为干预，维持森林正向演替。

研究所构建的林分质量评价指标体系和评价模型以栎类株树占比超过30%的固定样地作为评价单元，由此来推及湖南省“一湖四水”流域的栎类林分质量情况。尽管未选取湖南省的所有栎类林分来构建质量评价模型，但研究的结论是具有可信度的，因为固定样地是按间距4 km×8 km的系统抽样方法设置的，以固定样地为研究对象具有充分的代表性，而开展全部林分的调查会显著地增加调查成本。同时，研究中构建的林分质量评价模型主要以湖南省栎类资源为研究对象，可能无法用于其它地区的栎类质量评价，具有一定的局限性。后续可依据全国森林资源清查数据库，建立适用范围更广的林分质量评价模型，为栎类的提质增量提供依据。