福寿林场天然次生林空间结构分析与评价

委 霞，曹小玉，李际平，庞一凡

(中南林业科技大学 林学院，湖南 长沙 410004)

森林是陆地生态系统重要的组成部分，拥有复杂的结构组成、广阔的分布面积和丰富的物种资源，对于全球的环境变化影响作用显著，同时也是人们赖以生存和发展的重要保障[1]。依据可持续的森林经营理念，生态安全持续、结构复杂多样、生产力效用高是森林生态系统经营目标。林分空间结构是林木在生长过程中由树种的生物学特性、生长环境及经营措施综合作用形成的，是森林生态系统的重要属性[2]。大量的科学研究表明，林分空间结构通过影响林分的生长、发育和稳定，从而决定森林多功能的发挥[3]。因此，近年来国内外专家学者对于林分空间结构的研究越来越多，并取得了一系列重要成果：惠刚盈[4]提出了以空间结构单元为基础的林分空间结构量化分析方法，H.Pretzsch[5]介绍了空间林分结构作为林分的中心特征，吕延杰[6]等研究了林分空间结构对云冷杉林分胸径生长量的影响，但研究多集中于对空间结构的分析[7]，而针对林分空间结构的评价则研究比较少。

异龄、复层、混交的天然次生林在涵养水源、维护生态系统多样性和固碳方面具有较强的功能性，同时对于我国木材和薪炭材的生产、林副产品的产出等方面的作用也不可或缺，是我国重要的森林类型[8]。在我国，天然次生林占地面积大、分布范围广，对于林业发展和生态建设具有重大意义[9]。根据结构决定功能的原理，通过优化天然次生林空间结构是提高其生态服务功能的主要途径[10]。本研究以湖南省平江县福寿林场天然次生林为对象，选取角尺度、混交度和林层指数3个林分空间结构指标分析其林分空间结构特征，运用乘除法原理构建空间结构评价参数对其空间结构进行评价。以期为制定合理的林分空间结构优化措施提供理论依据，同时也为人工林林分的空间结构优化和生态功能提高提供参照模板。

1 研究区概况

研究地点为湖南省平江县南郡福寿国有林场(28°3′00″-28°32′30″N,113°41′15″-113°45′00″E)，占地面积约1 274 hm2，海拔800～1 500 m，地形走势总体由北向南，山体上下陡立，中部平坦，整体起伏明显，平均坡度为25°左右；林地植被茂盛，土壤以黄棕壤为主；气候夏热冬温，属于中亚热带季风气候与湿润大陆性季风气候的过渡型区域，年平均气温12.1℃，日照丰富，有效积温可达4 547℃；降水较多且四季相对均匀，全年变化不明显；阴雾多湿，空气温润，年相对湿度87.5%；物种多样，据调查现有木本植物55科275种。

2 材料与方法

2.1 数据来源

选择立地条件一致，受人类活动影响较小且可以正确反映林分内基本状况的原则，在全面踏查的基础上，利用pvc塑料管和玻璃绳等工具在林地中设置3块20 m×30 m的标准地。为了更准确地掌握林分内树种组成和空间结构状况，将样地平均划分为6个10 m×10 m的调查单元，对每块调查单元用数字进行编号命名并记录坐标位置，规定每块标准地的1号调查样格顶角为坐标原点。对标准地的基本情况进行调查，对已达到起测胸径(≥5.0 cm)的林木分别编号，定位，记录树种，测定基本林木因子等(表1)。

表1 样地基本情况Table 1 Basic situations of sample plots

2.2 研究方法

2.2.1 林分空间结构单元的确定 在林分内任选1株林木，它与周围相邻的n株林木所构成的结构框架是林分内最基本的空间结构单元，以该单元为基础进行林分空间结构的研究分析。采取国内通用的n=4构成的空间结构单元来分析评价福寿林场天然林的空间结构[11]。

2.2.2 边缘矫正 样地边缘的林木其相邻木可能会位于样地之外，因此在计算过程中为防止边缘效应，须对样地进行边缘矫正[12]，在样地每条林分边缘内设置缓冲带，宽2.0 m，对缓冲带环绕的核心区内目标树进行空间结构研究分析。

2.2.3 林分空间结构指标计算

1)角尺度(W)是用于判断林木水平分布格局的参数[13]。表达式为：

(1)

式中，Wi为第i株参照木的角尺度，zij为离散型变量，其取值为：

2)混交度(M)表达林分中各树种相互隔离的程度[14]。表达式为：

(2)

式中，Mi为第i株参照木的混交度；vij为离散型变量，取值为：

3)林层指数(S)是用于反映林分林层结构复杂程度的参数[15]。表达式为：

(3)

式中，Si为参照木i的林层指数，sij为离散型变量，其取值为：

2.2.4 林分空间结构评价指数计算 确定林分空间结构主要影响因子是对空间结构评价指数定义的关键所在。选取角尺度、混交度和林层指数3个指标林分空间结构评价指数构建林分空间结构评价指数。由于林分的空间结构是在长期的生长演化过程中经过不断选择、更新、混交的结果，各个林分的空间结构参数可能存在相互影响、相互依存又相互竞争和排斥，因此很难要求各个参数全部达到最优，只能追求整体林分目标最佳。基于此，采用乘除法对各空间结构指标进行多目标规划[16]。

乘除法基本思路：以x作为决策向量，当有m个目标时：f(x1),…,f(xm)，要求其中k个目标达到最大：f(x1),…,f(xk)，其余目标则需要实现最小：f(xk+1),…,f(xm)，所有目标均>0。使用评价函数Q(x)为目标函数：

(4)

林分空间结构的各个参数中，混交度和林层指数取值以大为佳，角尺度则以0.5为好，因此在计算空间结构评价指数的过程中，需对角尺度数值进行一定的处理：为了使角尺度的最佳值0.5符合取值范围的极值，将角尺度分布范围内所有数据减去0.5再取绝对值，即Wi∈(0,1]→Wi∈|(-0.5,0.5]|，处理后的角尺度取值范围为Wi∈[0,0.5]，取值越接近0越好，为最佳值。按照公式(4)综合3个子目标，得出林分空间结构评价指数的计算公式如下：

(5)

式中，M(g)、S(g)和W(g)分别代表单木混交度、林层指数和角尺度；σM、σS和σW代表林木混交度、林层指数和角尺度的标准差。为方便对各评价指数值进行比较分析，采用归一化将各参数进行等量变换处理：

(6)

式中，xi为归一化前的参数值，x′为归一化处理后的值，xmax和xmin分别为样本数据中的最大值和最小值。

2.2.5 林分空间结构评价指数等级划分标准 依据公式(5)和(6)，计算出林分空间结构评价指数值后进行归一化处理，再结合前人的研究对林分空间结构评价指数等级进行划分[17-18]，规定当L(g)≥0.8，林分空间结构非常理想；0.6≤L(g)<0.8时，林分空间结构较好；0.4≤L(g)<0.6时，林分空间结构一般；0.2≤L(g)<0.4时，林分空间结构较差；L(g)<0.2时，林分空间结构差，评价等级值分别为5、4、3、2、1。

3 结果与分析

3.1 林分空间结构

3.1.1 角尺度分析 林木的水平分布格局以随机分布为最佳，Wi值以接近0.5为优。从表2可以看出，3个样地的平均角尺度分别为0.44、0.45、0.48，全林分平均角尺度为0.45，3个样地的水平格局分布均接近随机分布。研究表明林分的单株林木多以随机分布为主，林木的水平分布状况较好，无明显林木聚集与人为干扰情况，林分状态比较理想。

表2 角尺度分布频率Table 2 Uniform angle index division frequency of the sample plots

样地1中亮叶水青冈与白檀树种，样地2中的化香和鹿角杜鹃树种，平均角尺度均<0.4，分别为0.39、0.38、0.35和0.31，在均匀与随机区间分布，对于林木水平方向上的空间利用影响不大，不需要人为进行干涉调整；样地2中白檀的平均角尺度为0.63，为不均匀分布，存在同种单株林木聚集的情况，需要通过调整结构使其向随机分布过渡，但占比较小，为11.5%，对林分整体影响不大，可忽略不计。3个样地其他树种的平均角尺度分布频率均在0.5左右，处于均匀与随机区间分布，多接近于随机生长。

3.1.2 混交度分析 一般认为林分的混交度越高林分的生产力越好，即Mi取值越大则越优。分析表3可以看出：3个样地的林分平均混交度分别为0.85、0.77、0.59，全林分平均混交度为0.73，样地1和样地2为极强度混交，样地3接近强度混交，说明福寿林场天然次生林林分树种丰富多样，林分稳定性较强，生活力较好，具有较强的抵抗能力，可抵御一般的自然灾害。

表3 混交度分布频率Table 3 Mingling division frequency of the sample plots

样地3中化香树种的平均混交度为0.34，接近中度混交状态，说明化香树种并未完全被其他树种包围，混交程度较低，存在部分林木与同树种林木聚集生长的情况。样地2的鹿角杜鹃以及样地3的青冈栎树种，混交度的平均值为0.58和0.51，接近中度混交，在中度混交以上，这3个树种需要在周围补植一些其他树种林木以增强树种混交程度，提高林分活力。3个样地其他树种混交度平均值的分布频率0.60以上，混交程度均在中度混交以上；部分树种，如羽脉新木姜子和中华石楠则达到了完全混交。由于原始林遭受的破坏程度不同，残留的树种多少有差异，导致3个样地的混交度存在差异。分析表明，福寿林场天然次生林林分的各树种都与其他树种进行了不同程度的混交，同树种林木单独聚集生长的情况较少，林木种间的隔离程度较高。

3.1.3 林层指数分析 从表4可以看出，3个样地的平均林层指数分别为0.44、0.41和0.39，全林分平均林层指数为0.42，即该林分结构单元平均由接近2棵非同层相邻木与参照木组成，林分整体垂直结构成层情况较好，林层丰富多样成层复杂，在垂直方向上空间利用性较强。

表4 林层指数分布频率Table 4 Storey level rate division frequency of the sample plots

分析各树种林层指数平均值大小，样地1的白木乌桕、山槐和羽脉新木姜子，样地2的鹿角杜鹃和蜡瓣花，这5个树种的林层平均指数值>0.50，表明由这些树种为参照构成的结构单元中平均有2株及以上的相邻木与参照树不在同一林层。样地1中的白檀与样地3的冬青树种林层指数平均值为0.13和0.17，这2树种的参照树周围非同林层林木平均为0.6株；其余树种的林层指数平均值大小均为0.25～0.50。各树种在垂直结构分层情况比较良好。

3.2 天然次生林空间结构评价

由图1可知，3块天然次生林标准地的空间结构评价指数分别为0.624 8、0.554 1和0.569 3，样地1评价等级为第4等级，样地2、3评价等级从属第3等级，林分空间结构为较好和一般。表明林分的空间结构参数值有1/2左右已达到理想的取值标准，树种的隔离混交程度尚佳，林分水平分布格局接近随机分布，林层较复杂。天然次生林林分整体目标较好，空间利用性较强，但还未达到理想的空间结构标准。

图1 天然次生林空间结构评价指数和评价等级Fig.1 The evaluation index and grade of natural secondary forest spatial structure

4 结论与讨论

选取角尺度、混交度和林层指数3个林分空间结构指标分析了福寿林场天然次生林林分的空间结构特征，运用乘除法原理构建空间结构评价参数对其空间结构进行评价。结果表明：林分混交度的平均值为0.73，接近强度混交。这是由于研究区的天然次生林保留了原始天然林丰富的树种，林分混交程度良好。林分平均林层指数为0.42，在垂直方向上成层较为复杂，这是由于在后期经营过程中对林分进行了补植，且多为幼树，丰富了林层，增强了林分的树高差异。林分平均角尺度为0.45，接近随机分布，但有部分林木表现出完全聚集分布的状况，角尺度>0.75，可将其作为林分调整对象，使林分水平格局向随机分布转化。

林分空间评价进一步表明研究区天然次生林林分空间结构评价指数为0.624 8、0.554 1和0.569 3，评价等级分属3、4等级，林分空间结构整体较理想，但和理想的空间结构仍有一定差距。这是因为福寿林场平均海拔较高，且坡度较陡，并非林木生长最佳适宜高度，冬季温度低，寒潮来袭时降水容易形成枝梢结冰，不利于林木生长，降低补植幼树的成活率，且单纯依靠自然更新则存在林分生长缓慢，生产力低下，抵抗风灾雪害能力较弱等问题[19]。为了天然次生林可以高效快速的成长为生长状况良好、结构完整、能实现可持续发展的健康林分，还需人为加强管护，在尽量保持天然次生林原有的林地生物多样性不降低的前提下，选择干形通直、树体无明显损伤、未遭受显著虫害与菌害的林木作为目标树经营培育；对于已经损伤、断头或过于聚集生长，影响目标树正常生长的林木进行适当伐除[20]；由于林分属于天然更新，在生长过程中曾遭受过不同程度的破坏，林地上存在一些林窗，为了使林分更快恢复，可以选择一些当地优良的乡土树种进行补植，如马褂木和锥栗(Castaneahenryi)。

本研究采用单项指标对福寿林场天然次生林的空间结构进行了分析，未考虑各项指标之间的相互关系，在以后的研究中可以考虑各指标之间两两结合，建立二元分布[21]，或同时考虑3个指标建立三元分布进行分析。而且本研究基于福寿林场3块样地，数据来源偏少，今后可以在此基础上扩大样地面积，扩大样本容量，增强数据的可靠性。