基于GIS的常绿阔叶林郁闭度与树冠重叠度分析

叶 鹏,汤孟平

(1.浙江农林大学 环境与资源学院,杭州 311300；2.浙江省龙泉市林业局,浙江 丽水 323700;3.浙江农林大学 省部共建亚热带森林培育国家重点实验室,杭州 311300)

常绿阔叶林是我国亚热带地区最复杂、生产力最高、生物多样性最丰富的地带性植被类型之一,对保护环境、维持全球性碳循环的平衡和人类的持续发展等都具有极重要的作用[1]。郁闭度和树冠重叠度是描述森林系统状态与环境指标的重要特征因子,对森林内部环境、群落结构、林木生长等都有重要的影响；郁闭度还常被作为控制择伐和抚育采伐强度的指标,也是区分未成林造林地、有林地和疏林地的指标之一,在森林经营中具有极其重要的作用[2]。

目前,对常绿阔叶林的研究主要关注物种组成及树种多样性[3-6]、空间结构[7-10]、生物量[11-13]等方面；对郁闭度和树冠重叠度的研究主要集中于某一树种,如木荷(SchimasuperbaGardn.et Champ)、马尾松(PinusmassonianaLamb.)等的郁闭度与树冠重叠度特征及相互关系和影响因子[14-16]、冠层覆盖度和冠层郁闭度的测量方法和技术研究[17-19]等方面。但是,对于常绿阔叶林内多树种的树冠重叠度和郁闭度分析及其与各生长因子之间的关系研究还鲜有报道。

采用GIS与树冠投影法相结合的方法,既能保证郁闭度的测量精度,同时还能提高工作效率[2]。本研究应用GIS的空间分析功能,对常绿阔叶林树冠重叠度和郁闭度进行计算与分析,探究常绿阔叶林不同树种的郁闭度和树冠重叠度与各生长因子之间的关系,并确定优势树种,分析优势树种对林分郁闭度的贡献度,旨在为常绿阔叶林的科学经营提供理论依据。

1 研究区概况

浙江省天目山国家级自然保护区位于浙江省西北部临安市境内的西天目山,距省会杭州94km,地理坐标为30°18′30″～30°24′55″N,119°23′47″～119°28′27″E。区内年平均气温为8.8～14.8℃,≥10℃积温2 500～5 100℃,年降水量1 390～1 870 mm,相对湿度76%～81%。自然保护区受海洋暖湿气候影响较深,具有中亚热带向北亚热带过渡特征,森林植被十分茂盛。研究区内植物区系古老,成分复杂,有种子植物1 718种(国家重点保护植物35种,占浙江省重点保护植物的64%),有蕨类植物171种,是华东地区植被保存较完好的地区之一[20]。

2 研究方法

2.1 标准地设置

标准地设置采用相邻网格调查法,把100m×100m的固定标准地分割成10m×10m的网格(图1)。以每个网格为调查单元,用全站仪围测标准地边界,并测定各调查单元角桩基部坐标(x,y,z)。

2.2 每木调查

在每个调查单元内,对胸径(DBH)≥5cm的木本植物进行每木调查,记录树木种类,测定每株树木的胸径、树高、活枝下高、树冠等因子,并采用激光对中全站仪(徕卡TCR702Xrange)测定每株树木坐标(x,y,z)。

2.3 郁闭度和树冠重叠度计算方法

分别对标准地内各树种的树冠投影面积和各树种的林冠投影面积进行计算。为了便于区分,把标准地的林冠投影面积与标准地面积之比称为林分郁闭度,把某一树种的林冠投影面积与标准地面积之比称为树种郁闭度。

首先,利用GIS的缓冲区分析功能,以树冠半径作为缓冲区半径,建立树冠投影图层；然后,利用Clip(裁剪)工具生成标准地内林冠投影图层,并计算标准地内林冠投影面积,按(1)式计算林分郁闭度,按(2)式计算树种郁闭度；最后,用擦除法(Erase工具)或用裁剪法(Clip工具)求得标准地内树冠投影总面积,按(3)式计算树冠重叠度。

(1)

(2)

(3)

2.4 优势树种划分方法

优势树种划分采用优势度分析法,具体步骤为:首先,计算群落乔木层中每个树种的相对胸高断面积,并将其作为优势度,各树种按优势度从大到小排序；其次,通过(4)式确定优势树种数量。

如果群落只有一个优势树种,则优势树种的理想百分比为100%；如果有两个优势树种,则它们的理想百分比为50%；如果有3个优势树种,则理想百分比为33.3%；依次类推,分别计算d值,当d值最小时的上位种数为群落乔木层的优势树种数[8]。

(4)

式中:xi为排序在前的上位种中(T)的相对断面积,x为优势树种所占的理想百分比,xj为除上位种外的剩余种(U)的相对胸高断面积,N为总种数。

2.5 不同树种对林分郁闭度的贡献度计算方法

将每一树种的树冠投影面积按与其它树种有无重叠分为两部分。对于与其它树种无重叠的树冠投影面积,直接纳入该树种对林分郁闭度的贡献度计算之中；对于与其它树种相重叠的树冠投影面积,按重叠面积中不同树种的平均树高进行调整,再纳入该树种对林分郁闭度的贡献计算之中。

重叠部分面积中,各树种纳入贡献度计算之中的树冠投影面积根据(5)式进行调整,调整后，根据(6)式计算不同树种对林分郁闭度的贡献度。

(5)

(6)

2.6 聚集指数计算

聚集指数是检验种群空间分布格局的常用指数[21]。计算公式为:

(7)

式中:ri表示第i株树到其最近邻树的距离；F表示标准地面积；N表示标准地内此树种总株数。

若R<1,那么这块标准地的该树种属于聚集分布；R=1,属于随机分布；R>1,属于均匀分布。

3 结果与分析

3.1 林分及各树种郁闭度和树冠重叠度分析

3.1.1林分因子及郁闭度和树冠重叠度计算结果

将标准地内所有树木按树种进行区分,并对相关调查因子进行分类汇总。各树种调查因子统计特征如表1所示。经调查,标准地内树木共有83种36科,以壳斗科(Fagaceae)、山茶科(Theaceae)、樟科(Lauraceae)等常绿植物为主。标准地内树木共计2 625株,其中,细叶青冈(Cyclobalanopsisgracilis)的株数最多,达665株；连蕊茶(Camelliafraterna)的株数次之,为339株；青冈(Cyclobalanopsisgracilis)、豹皮樟(Litseacoreanavar.sinensis)、短尾柯(Lithocarpusbrevicaudatus)、榧树(Torreyagrandis)均超过100株。标准地内树木胸高断面积之和为297 866.32cm2,其中,细叶青冈胸高断面积最大,为39 834.12cm2；杉木(Cunninghamialanceolata)次之,为29 435.29 cm2；长柱紫茎(StewartiarostrataSpongb)最小,为3.14cm2。标准地内树冠面积之和为24 689.784 2m2,其中,细叶青冈树冠面积最大,为5 035.330 7m2,披针叶回香(IlliciumlanceolatumA.C.Smith)树冠面积最小,为0.196 4m2。标准地林分郁闭度为0.81。各树种中:细叶青冈的树种郁闭度最高,为0.17,榧树、短尾柯、小叶青冈(Cyclobalanopsismyrsinaefolia)、青冈、枫香(Liquidambarformosana)、白栎(Quercusfabri)、杉木(Cunninghamialanceolata)次之,在0.05～0.08之间；其余树种均低于0.05。标准地树冠重叠度为203.55%,其中,南京椴(TiliamiquelianaMaxim)的树冠重叠度最高,为241.43%；红果榆(UlmusszechuanicaFang)的树冠重叠度次之,为207.12%；天目朴(Celtischekiangensis)和杜鹃(RhododendronsimsiiPlanch)的树冠重叠度最低,为0.41%。

(续表)

(续表)

3.1.2常绿和落叶树种郁闭度和树冠重叠度分析

将不同树种根据叶片的生理生态特征分为常绿树种和落叶树种,并对两类树种的调查因子进行差异性分析。对于两类树种的树种郁闭度、树冠重叠度进行正态性检验,结果表明均不符合正态分布(P<0.05)(表2),所以采用非参数检验进行差异性分析,结果如表3所示。常绿树种和落叶树种在树种郁闭度、树冠重叠度等两个方面都没有显著性差异(P>0.05)。

表2 常绿和落叶树种郁闭度和树冠重叠度正态性检验Tab.2 Normality test of canopy density and canopy overlapof evergreen and deciduous tree species

表3 常绿和落叶树种郁闭度和树冠重叠度对比分析Tab.3 Comparative analysis of canopy density and canopy overlap of evergreen and deciduous tree species

3.1.3优势树种对郁闭度的贡献度分析

通过优势度分析法确定常绿阔叶林的优势树种。结果表明,常绿阔叶林的优势树种共13种8科(表4),按胸高断面积从高到低依次为细叶青冈、杉木、枫香(Liquidambarformosana)、青冈、短尾柯、榧树、黄连木(Pistaciachinensis)、小叶青冈、蓝果树(Nyssasinensis)、榉树(Zelkovaschneideriana)、豹皮樟、天目木姜子(Litseaauriculata),分别属于壳斗科、杉科(Taxodiaceae)、金缕梅科(Hamamelidaceae R.Br.)、红豆杉科(Taxaceae)、漆树科(Anacardiaceae)、蓝果树科(Nyssaceae)、榆科(Ulmaceae)、樟科。

分别计算每个优势树种对林分郁闭度的贡献度,结果如表4所示。13个优势树种对林分郁闭度的贡献率达90.11%,其余70个树种对林分郁闭度的贡献率仅为9.89%,故只对13个优势树种的贡献度进行计算和分析。在优势树种中,细叶青冈对林分郁闭度的贡献度最大,为21.19%；榧树的贡献度次之,为9.36%；黄连木的贡献度最小,为2.49%。不同科优势树种中,壳斗科树种对林分郁闭度的贡献度最大,达51.32%。

表4 标准地优势树种及其对林分郁闭度的贡献度Tab.4 Dominant species of sample plot and their contribution to canopy density

3.2 林分因子与树种郁闭度和树冠重叠度的相关性分析

3.2.1株数与树种郁闭度的相关性分析

对各树种的株数与树种郁闭度进行相关性分析,结果如表5所示。由表5可知,株数与树种郁闭度的Pearson相关系数为0.821,呈显著的相关关系。由图2可知,株数和树种郁闭度两者的函数关系式为y=0.0002x+0.0023,R2=0.6732。

图2 株数和树种郁闭度之间的关系Fig.2 Relationship between number of trees and canopydensity of tree species

表5 林分因子与树种郁闭度和树冠重叠度的相关性分析Tab.5 Correlation analysis of stand factors and treespecies canopy density and canopy overlap

3.2.2树冠面积与树种郁闭度的相关性分析

对各树种的树冠面积与树种郁闭度进行相关性分析,结果如表5所示。由表5可知,树冠面积与树种郁闭度的Pearson相关系数为0.962,呈显著的相关关系。由图3可知,树冠面积和树种郁闭度两者的函数关系式为y=0.00004x-0.001,R2=0.9245。

图3 树冠面积与树冠郁闭度之间的关系Fig.3 Relationship between the canopy area and canopydensity of tree species

3.2.3胸高断面积与树种郁闭度的相关性分析

对各树种的胸高断面积与树种郁闭度进行相关性分析,结果如表5所示。由表5可知,胸高断面积与树种郁闭度的Pearson相关系数为0.926,呈显著的相关关系。由图4可知,胸高断面积和树种郁闭度两者的函数关系式为y=0.000003x-0.0018,R2=0.8576。

图4 胸高断面积与树种郁闭度之间的关系Fig.4 Relationship between the chest height sectional areaand canopy density of tree species

3.2.4株数 树冠面积 胸高断面积 树种郁闭度与树冠重叠度的相关性分析

对各树种的株数、树冠面积、胸高断面积、树种郁闭度与树冠重叠度进行相关性分析,结果如表5所示。由表5可知,株数与树冠重叠度的Pearson相关系数为0.047,树冠面积与树冠重叠度的Pearson相关系数为0.091,胸高断面积与树冠重叠度的Pearson相关系数为0.034,树种郁闭度与树冠重叠度的Pearson相关性为0.027,相关关系均未达显著水平。

3.3 种群空间分布格局与树冠重叠度的相关性分析

通过相关性分析,发现树冠重叠度与株数、树冠面积、胸高断面积、树种郁闭度之间无显著的相关关系。为进一步探究树冠重叠度的影响因子,对各树种的树冠重叠度与聚集指数进行相关性分析,结果如表6所示。各树种树冠重叠度与聚集指数的Pearson相关系数为-0.520,即两者存在显著的负相关关系。由图5可知,随着聚集指数的逐渐增大,树冠重叠度有减小的趋势。

图5 树冠重叠度与聚集指数的关系Fig.5 The relationship between crown overlapand aggregation index

表6 各树种树冠重叠度与聚集指数相关性分析Tab.6 Correlation analysis of crown overlap and aggregationindex of each tree species

为了验证这一趋势,对优势树种的聚集指数进行计算,结果如表7所示。13个优势树种的聚集指数均小于1,即优势树种皆为聚集分布,这与汤孟平等[8]对天目山常绿阔叶林优势种群的空间分布格局研究结论相一致。优势树种的树冠重叠度随聚集指数的增大有减小的趋势,这与树冠重叠度与聚集指数的相关性分析结论相一致。

表7 优势树种聚集指数与树冠重叠度Tab.7 Aggregation index of dominant treespecies and crown overlap

(续表)

4 结论与讨论

天目山常绿阔叶林中,细叶青冈的树种郁闭度最高,为0.17；榧树、短尾柯、小叶青冈、青冈、枫香、白栎、杉木次之,在0.05～0.08之间；其余树种均低于0.05。林分的树冠重叠度为203.55%,其中南京椴的树冠重叠度最高,为241.43%；天目朴和杜鹃的树冠重叠度最低,为0.41%。

天目山常绿阔叶林的优势树种共有13种8科1 755株,13个优势树种对郁闭度的贡献率达90.11%,其中细叶青冈的贡献度最大,为21.19%。以细叶青冈为主的壳斗科树种对常绿阔叶林林分冠层的影响最大,其对林分郁闭度的贡献度达51.32%。

常绿阔叶林中,株数与树种郁闭度、树冠面积与树种郁闭度、胸高断面积与树种郁闭度之间均具有显著的正相关关系；株数与树冠重叠度、树冠面积与树冠重叠度、胸高断面积与树冠重叠度、树种郁闭度与树冠重叠度之间不存在显著的相关关系。

林木空间分布格局是影响常绿阔叶林树冠重叠度的重要因子,随着聚集指数的逐渐增大,树冠重叠度有减小的趋势。但是,个别树种如枫香等出现聚集指数较大且树冠重叠度较大的现象(表7),说明树冠重叠度不仅受林木空间分布格局的影响,也可能是多个影响因子共同作用的结果,这个问题有待进一步研究。