帽儿山主要林分类型空间结构状态综合评价

魏红洋，张一帆，董灵波，刘兆刚，陈 莹

（1.东北林业大学 林学院，森林生态系统可持续经营教育部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040；2.中船（浙江）海洋科技有限公司，浙江 舟山 316000）

天然林作为我国森林资源的主体，具有涵养水源、维持物种多样性、提供木材和相关林产品、保持生态系统稳定性等多方面的价值[1]。东北林区作为天然林资源最为集中和丰富的国有林区[2]，主要由以地带性植被兴安落叶松为主的大兴安岭寒温带针叶林区和以地带性植被红松为主的小兴安岭-长白山温带针阔混交林区组成，是辽河平原、松嫩平原、三江平原城市群粮食基地的命脉和重要生态屏障。随着长期的人为和自然干扰下，原始顶级植物群落退化为以天然次生林为主的次生群落，该群落由于缺失大量关键建群树种和珍贵树种，在林地生产力、天然更新、林分结构和林分质量等方面与原始林存在着明显的差别，导致森林无法正常持续地发挥其生态价值和经济价值[3]。如何基于次生林现有的结构特征开展有针对性的森林经营，是目前的研究热点。

在对某一特定林分进行合理经营前，必须充分掌握当前林分的结构状态，林分状态的好坏决定了森林经营的必要性和迫切性。针对不同经营对象在林分结构状态上的差异，已有大量研究采用不同的森林经营手段，有效地改善了林分内部结构和功能。例如针对稳定性较差、遗传品质退化等情况的海南加勒比松Pinus caribaeaMorelet人工林，通过选取目标树单株择伐和林下补植等手段进行近自然经营模式下的改造，改善其林分结构和土壤条件；应用“栽针保阔”经营体系，人工栽植红松、云杉、沙松耐阴针叶树种，保留天然更新的多种阔叶树，加快由硬阔叶林过渡到针阔叶混交林的速度，最大程度发挥森林的生产潜力[4-5]。近年来，随着森林结构化经营体系的提出和发展，弥补了传统经营中在描述林分空间结构特征上的缺陷，是一种以对象木和4 株相邻木为基本空间单元建立相应空间关系的结构优化经营技术[6-8]。目前，该经营手段的应用对象和应用范围得到大面积推广，对精准提升森林质量、发挥森林重要的生态效益起到了关键作用[9-14]。在森林结构化经营的林分调查中，林分状态特征的描述因子不仅包括传统的调查因子（树种、胸径、树高、冠幅、枯立木比例、林下更新情况等），同时增加了角尺度、大小比数、混交度等空间结构指标。多指标体系的综合分析方法已有很多，如熵权—AHP 法、乘除法、定量化综合指标法等[15-17]。本研究以帽儿山实验林场主要林分类型为研究对象，基于结构化经营中的空间结构指标和非空间结构指标，通过单位圆多指标体系对不同林分类型的林分结构状态进行综合性评价，为该地区森林的科学经营以及实现该地区森林质量精准提升提供理论基础。

1 研究区域概况及数据收集

1.1 研究区概况

研究地区位于黑龙江省尚志市帽儿山镇境内的帽儿山实验林场（127°30′～127°34′E，45°20′～45°25′N），属于长白山系张广才岭西坡。该区为平均坡度为10°的低山丘陵区，平均海拔300 m，最高海拔为808 m。属温带大陆性季风气候，年平均温度3.1℃，平均年降水量629 mm，无霜期约120～140 d，降水多集中于6—8月。该区土壤较为肥沃，土壤类型主要为暗棕壤、白浆土、草甸土、沼泽土等。该区植物区系属于长白山植物区系，现有林分类型包括原始地带性顶极群落经过破坏和演替后形成不同阶段的天然次生林和人工栽植的林分。主要乔木树种包括山杨Populus davidiana、白桦Betula platyphylla、水曲柳Fraxinus mandshurica、黄菠萝Phellodendron amurense、胡桃楸Juglans mandshurica、蒙古栎Quercus mongolica、色木槭Acer pictum、紫椴Tilia amurensis，以及红松Pinus koraiensis、落叶松Larix gmelinii等[18-19]。

1.2 数据来源

经过对帽儿山实验林场的全面考察与一系列的实地调查后，于2016年在帽儿山实验林场内选取5 种主要林分类型（白桦纯林、蒙古栎纯林、硬阔混交林、软硬阔混交林、软阔混交林）作为调查对象，每种林分类型选取6 块长势相似的样地，样地标号分别设置为1、2、3、4、5、6，每块样地面积均为30 m×30 m，对每块样地内所有乔木（胸径≥5 cm）进行每木检尺，逐株测量乔木的树种、状态、胸径、树高、活枝高、冠幅、坐标等调查因子。不同林分类型样地基本特征如表1所示。

表1 不同林分类型样地基本调查因子†Table 1 Basic survey factors of different forest types

2 研究方法

2.1 林分结构评价指标的选取原则

森林的结构化经营具有完整的理论体系与林分状态评价指标，依据研究目的和研究对象的不同应有所取舍，并遵循科学性、全面性、可操作性等原则。科学性指的是指标能够较为客观地反映真实林分某一方面的属性，具有准确性高、灵敏度强、可比性和区分度高的特点；全面性即从不同方面展现林分的结构状态，结构化经营指标通常选取能够反映林木间混交程度、树种空间优势度、林分竞争状态等多方面状态的指标；可操作性即指标意义明确，数据易于采集和计算，便于在经营决策中应用且易于在实践中进行大面积推广。

2.2 林分结构状态指标选取

本研究从林分结构和林分活力两个角度选取10 个指标对现实林分状态进行表征，林分结构特征包括林层比、角尺度、直径分布；林分活力包括物种多样性、林分蓄积量、林分空间优势度、林分潜在疏密度、目的树种优势度、林木稳定性和健康林木比例。由于不同指标之间存在取值和单位的差异，需要对所选指标进行赋值和标准化处理，具体赋值情况如表2所示。

表2 林分综合评价指标及赋值Table 2 Stand comprehensive evaluation index and assignment

林层比（A1）用以衡量林层结构的复杂程度，即4 株相邻木中与对象木归属不同林层的比例，林层比越大代表林分的垂直结构越复杂[20]。采用树冠光竞争高度法（CCH）划分林木的垂直层次，具体操作如下：首先，按树高和树冠长度进行由大到小的排序，计算树高和树冠长度最大的林木CCH 值作为第一层的树冠光竞争高度（CCH1），将所有树高≥CCH1的林木划为第一层；在剩余林木中选取树高和树冠长度最大的林木计算第二层的树冠光竞争高度（CCH2），依据同样的方法划分第二层林木；最后进行第三层林木的筛选，直至所有林木划分完毕或达到预设最低限[21]。CCH的计算公式如下：

式中：CCH 为树冠光竞争高度，m；a为截止系数；L为树冠长度，m；Hw为枝下高，m；本研究中将a值设定为0.5。

样地的平均角尺度（A2）可以反映林分的水平分布格局，水平分布格局为随机分布（A2 ∈[0.475,0.517]）时，赋值为1。团状分布（A2＞0.517）时赋值为0.5，均匀分布（A2＜0.475）时赋值为0[22]。林分直径分布（A3）是一个能够体现林木生长过程并与其他林分因子密切相关的基础结构指标。以林分内相邻径级株数比值q值对直径分布状态进行量化，林分直径为合理状态（q∈[1.2,1.7]）时赋值为1，直径分布近单峰时赋值为0，多峰分布即不完整异龄林时赋值为0.5。树种多样性（A4）能够反映群落功能特征，客观表示生物群落的物种和结构多样性[23]。通常采用Simpson 多样性指数来表示，数值越大代表树种越丰富。

式中：D为Simpson 多样性指数；S为样地内物种总数；Pi表示物种i的个数占全部物种个体数量之比。

林分蓄积量(A5)指标以单位面积的蓄积量来衡量林分的生产力水平；林分长势反映了林分生长优劣的态势，可以用林分空间优势度（A6）和林分潜在疏密度（A7）来描述，林分空间优势度可以表达林分空间上的优势程度[24]，将处于绝对优势的结构单元比例与反映林分中处于优势个体的变化幅度相结合。SD值通常在[0,1]之间，属于正向指标；

式中：SD为林分空间优势度，PUi=0为大小比数为0 的林木株数频率，Gmax表示林分内70%较大个体的平均断面积与林木株树的积，为林分断面积。

林分潜在疏密度（A7）指标以B0max来表征[25]，反映了现实林分与理想林分长势之间的差距，取值处于[0,1]，越大越好；目的树种优势度（A8）是反映目的树种在群落中重要程度的指标，帽儿山的目的树种主要包括针叶树种（红松）和硬阔树种（水曲柳、胡桃楸、黄菠萝和蒙古栎），将反映林木优势程度的相对显著度（rG）和树种大小比数均值（）结合[26]，A7 ∈[0,1]，指标越大越好。

式中：Dsp为目的树种优势度，rG为相对显著度，Usp为树种大小比数的均值。

林木稳定性（A9）用单木树高与其胸径的比值DHi=Hi/Di来表达[27]，它能够反映林木抵御恶劣自然环境的能力，数值越小代表林木重心越低、抵抗自然不利因素的能力越强；林分内健康林木比例（A10），即林分内健康且生长完好的林木比例，当健康林木比例≥90%，赋值为1；反之，赋值为0。

2.3 林分结构综合评价方法

依据惠刚盈等[22]提出的单位圆评价体系对林分结构特征状态进行综合评价，将林分结构状态的等级划分为5 种，见表3。综合评价值ω的计算公式如下：

表3 林分状态评价等级Table 3 Stand status evaluation grade

式中：ω为现实林分综合评价值；s1为闭合图形中扇形面积和；s2为闭合图形中三角形面积和，其中s2i=(L1L2sinθ)/2，L1与L2分别为三角形相邻两条边的值，θ为相邻两条边的夹角；n为指标总数（n≥2）；m为取值为1 的指标数量。

3 结果与分析

3.1 不同林分类型结构指标分析

帽儿山主要林分类型的结构指标特征值如表4所示。不同林分类型的林层比处于0.43～0.59，林分类型之间没有显著性差异（P＞0.05）。水平空间分布格局均处于随机分布（0.50）和轻微团状分布状态（0.52～0.55）。白桦纯林和软阔混交林的林分直径分布状态基本合理（1.23），其他4 种林分类型的直径分布均不合理（1.12～1.14）。白桦纯林的物种多样性水平（0.39）显著低于其他林分类型（P＜0.05）。白桦纯林林分平均蓄积量（110.2）与蒙古栎纯林林分蓄积量（209.5）存在显著性差异。白桦纯林和软阔混交林的林分空间优势度水平较高（0.72、0.71），蒙古栎纯林、硬阔混交林和软硬阔混交林的空间优势度水平相同（0.62）。白桦纯林的潜在疏密度最大（0.77），蒙古栎纯林和硬阔混交林的潜在疏密度最小（0.73）。目的树种优势度存在显著性差异（0.06～0.77），白桦纯林和软阔混交林的目的树种优势度较低（0.06、0.29）。不同林分类型的健康林木比例数值波动不大（92%～97%）。

表4 不同林分类型结构指标特征值†Table 4 Characteristic values of structural indicators for different stand types

3.2 不同林分类型结构综合评价

根据不同林分类型的单位圆综合评价体系法对林分结构状态进行综合性评价（表5），不同林分类型的林分结构综合评价值按从大到小排序为：硬阔混交林（0.42）＞软硬阔混交林（0.41）＞软阔混交林（0.37）＞蒙古栎纯林（0.36）＞白桦纯林（0.30）。根据前述综合评价值的划分标准，从整体上看，硬阔混交林与软硬阔混交林的林分结构呈现中等状态，其他3 种林分类型林分结构状态较差。由各指标连线围成的闭合图形（图1）可以直观地看出，目的树种优势度低、蓄积量低是导致白桦纯林林分结构状态较差的主要原因；蒙古栎纯林的水平分布格局和直径分布状态不合理，但目的树种优势度高，林分蓄积量较大；硬阔混交林的目的树种优势度和物种多样性水平偏高，而林分蓄积量和林分空间优势度水平则相对较差；软硬阔混交林物种多样性水平较高，林木稳定性较强，但林分直径分布状态不够合理；软阔混交林的直径分布状态基本合理，但目的树种优势度偏低，林分蓄积量偏小。

表5 不同林分类型结构综合评价值†Table 5 Comprehensive structural evaluation of different forest types

图1 不同林分类型综合评价单位圆Fig.1 Unit circle of comprehensive evaluation for different stand types

4 结论与讨论

4.1 不同林分类型结构指标差异

从林分结构和林分活力两个角度分别选取了10 个定量指标对林分状态进行表征，从林分结构指标可以看出，不同林分类型的水平空间分布格局均处于随机分布（0.50）和轻微团状分布状态（0.52～0.55），不同林分类型的林层比之间无显著性差异（0.43～0.59），除白桦纯林和软阔混交林的直径分布状态（1.23）基本合理外，其他林分类型均不合理。而从林分活力指标来看，白桦纯林的物种多样性水平（0.39）显著低于其他林分类型且林分平均蓄积量（110.2）显著低于蒙古栎纯林的林分蓄积量（209.5）。白桦纯林和软阔混交林的目的树种优势度较低（0.06、0.29）。不同林分类型的林分空间优势度（0.62～0.72）和健康林木比例（92%～97%）无显著性差异。整体来说，不存在一种林分类型可以使全部的指标同时达到最优状态，同一林分类型在某些指标上表现较好而在其他指标上表现较差。相比而言白桦纯林、软阔混交林和蒙古栎纯林中不合理的指标比例更高。

4.2 不同林分类型结构综合分析

选择单位圆综合评价体系法对不同林分类型的结构状态进行整体性的评价，能够直观展现现实林分状态的优劣以及各指标的好坏程度。其中，硬阔混交林和软硬阔混交林的林分结构状态中等（0.42、0.41），软阔混交林、蒙古栎纯林和白桦纯林的林分结构状态较差（0.37、0.36、0.30）。从各指标所围成的闭合图形可以看到，白桦纯林的林分结构状态较差，主要原因是目的树种优势度和蓄积量水平较差，林分的经营迫切性较高。而硬阔混交林的目的树种优势度和物种多样性水平偏高，林分整体结构状态相对较好。

4.3 讨 论

从不同林分类型的林分结构特征可以看出，大部分样地的水平空间分布格局、直径分布状态不够合理，这与陈莹等[28]计算出的结果具有一定的相似性。从整体结构上看，白桦纯林、软阔混交林和蒙古栎纯林的结构状态较差，林分经营的迫切性程度高。由此可见，采用林窗更新、林冠下更新、近自然经营和结构化经营等技术手段，着力开展珍贵阔叶树的培育和红松阔叶林的培育，以促进优势种和关键种的恢复和更新，从而达到加速现有林分向顶级植物群落发展进程的目的。

林分结构评价体系中各指标之间既相互依赖又相互排斥，在评价上往往难以获得一致的结论。本研究着眼于林分结构特征和林分活力的10 个指标，以达到更为全面、客观地展现林分内部的结构和功能的目的。在以往针对多指标体系分析的研究中，熵值—AHP 法在尽可能地减少指标赋值时人为因素的影响下，采用定性与定量相结合的方法，具有一定的可操作性，常常应用于林分的自然度评价和林分经营迫切性评价等方面；通过构造空间结构综合指数（FSSI），将常用的3 个空间结构参数（混交度、大小比数、角尺度）作为一个整体，以此描述林分空间结构特征，但该指标的构建仅仅围绕林分空间结构指标，并未考虑林分的树种组成、径级结构等重要的非空间结构指标；通过构建基于混交、竞争和空间分布格局的空间结构的目标函数，建立林分择伐空间结构优化模型等[15-17]。本研究基于单位圆多指标体系分析方法，该方法的优势在于无论相关指标多少、量纲异同，最优林分结构状态期望值恒等于π，并且该方法能够更加直观、生动地表征现实林分结构状态，即林分状态的优劣取决于各指标值间的连线所围成的闭合图形大小，操作过程十分简便，在评价林分结构状态上具有很强的可操作性。然而，该方法应用的理论基础是单位圆为n等分即各指标对于林分整体结构状态的贡献度相同，并未反映出指标的重要性差异，如何将指标的优先性与单位圆评价体系相结合还有待于进一步研究。

根据综合评价单位圆所围成的图形大小，可以快速准确地确定林分的经营方向进而开展相应的森林经营措施。例如，针对林分目的树种优势度低，可采取林冠下更新红松加快发展人工阔叶红松林，提升目的树种优势度；针对林分直径分布状态不合理，可通过按径阶内林木数量开展相应的采伐措施从而调整各径阶林木数量，调整林分直径状态等。此外，关于林分经营的相关措施并非一劳永逸，林分结构状态会随着时间的推移呈现动态性的变化。因此，针对林分结构的长期监测以便随时掌握林分的结构动态变化规律尤为关键。