镇沅县思茅松天然林分非空间结构特征分析

2022-07-20施俊美杨启运吴颜奎张占忠

林业调查规划 2022年4期

施俊美，杨启运，吴颜奎，张占忠

(1. 云南省林业调查规划院大理分院，云南大理 671000； 2. 云南省林业调查规划院，云南昆明 650051)

林分非空间结构主要包括林种结构、树种结构、直径结构、年龄结构和林木株数等林分因子类型，其可以从量上反映出林分的基本特征和生产力信息，是传统森林经理学的主要内容[1]。直径结构指林分内不同直径林木按径阶大小的分布状态，是林分结构最基本的组成结构。不同直径大小的林木的分配形式很大程度上会决定其他林分因子的变化，而且由于林分直径非常易于测得，经常被用来当做研究林分结构的指标之一。近年来，许多研究者采用不同的概率分布函数对直径分布进行了拟合，且拟合结果精确度不一，主要有正态分布函数、Weibull分布函数、指数分布函数、β分布函数等。树种结构是反应林分中树种在组成和数量等方面的相互关系。就一个森林经营管理单位林业局或林场来说，应保持合理的针叶林、阔叶林以及针阔混交林比例关系和合理的空间地域分布，应提高阔叶林、混交林尤其是地方树种的比例。

思茅松(Pinuskesiya)，属松科松属常绿乔木，高可达30 m，胸径达60 cm。思茅松树干通直，材质优于云南松，供建筑、枕木、矿柱等用，树干可采松脂，树皮可提取烤胶，是重要的用材及林化工原料树种，具有生长快、质量高、产脂高和生长适应性强等优良特点[2]。思茅松的相关研究主要涉及思茅松天然林群落生态学、光合生理生态、林木育种等方面[3]，本研究中运用空间结构参数定量分析研究思茅松天然林非空间结构特征。

1 研究区概况

镇沅彝族哈尼族拉祜族自治县位于云南省西南部，普洱市北部，跨东经100°21′～101°31′，北纬23°24′～24°22′，县城驻地恩乐镇距省会昆明市434 km，距普洱市驻地思茅市180 km。镇沅县地势可概括为：“四河(者干河、恩乐河、勐统河、景谷河)流经两山下(哀牢山、无量山)，北高南低高差大，河谷只有两小坝(恩乐、勐统)，形似东驰一骏马”。镇沅县处于横断山脉纵谷区东南余梢，云岭余脉的哀牢山和无量山纵贯全境，与河流相间，构成北高南低、北向南走的“五谷五岭”地貌轮廓。镇沅县平均海拔1 376 m，属亚热带季风气候，地貌复杂，气候垂直差异突出，形成热带、亚热带、暖温带3种气候类型。县域内有大小江河190余条，水利资源总流域面积413.68 km2，水资源总量28.38亿m3，开发利用的仅占可开发量的19%。据2016年镇沅县最新一轮森林资源设计调查成果数据，全县土地总面积为41.45万hm2，其中：林地34.22万hm2，非林地7.23万hm2。全县活立木总蓄积3 434.12万m3。

2 材料与方法

2.1 资料来源

本研究采用云南省第九次森林资源连续清查镇沅县部分成果，选取58块连续清查样地，根据林分非空间结构的研究需要，从中挑选出14块以思茅松为优势树种且无人为干扰、保护较好的天然林典型样地。森林资源连续清查样地面积为28.28 m×28.28 m，编号分别为1～14。利用罗盘仪、卷尺等设备对样地内胸径大于5 cm的每株主干明显的活立木或乔木化的灌木进行位置确定和记录。以样地西南角正东方向作为横坐标X轴，正北方向为纵坐标Y轴，确定每株检尺样木的相对位置，并测定每株活立木的胸径，调查记录样地林分平均年龄、郁闭度以及相关立地因子。对所收集的数据进行相关统计和整理，以此作为研究思茅松天然林分空间结构规律的基本数据。样地基本信息见表1和图1。

表1 镇沅县思茅松天然林样地基本信息

图1 镇沅县思茅松天然林样地位置分布

2.2 研究方法

2.2.1林分直径结构

林分直径结构主要表现为不同大小直径按径阶的分布，本文采用正态分布函数、指数分布函数和韦伯分布函数以及偏度系数、峰度系数来研究思茅松天然林分直径结构[5]。

1)正态分布函数：

(1)

式中：a是数学期望；σ是标准差。

2)指数分布函数

F(x)=1-e-λx

(2)

式中：λ是常数(λ>0)。

3)韦伯分布函数

(3)

式中：a为位置参数(最小径阶下限值)；b为尺度参数；c为形状参数。

4)偏度(SKEW)与峰度(KURT)

偏度是描述分布对称的偏离程度指标，偏度为正，表示左偏，均值在大于峰值的一边；偏度为负，表示右偏，均值在小于峰值的一边。峰度是描述分布对称的离散程度指标，峰度为正，表示分布较集中，为尖顶峰；峰度为负，表示分布较分散，为平顶峰。

(4)

(5)

式中：n为样木株数；Xi为林分每木直径；X为林分算术平均直径；S为胸径径阶的标准差。

2.2.2林分树种结构

由于各样地的树种组成不尽相同，树种结构自然会有很大区别，主要从相对多度、相对频度、相对显著度和重要值方面分析思茅松天然林分树种结构。多度指单位面积上植物种的个体数目，一般表示为株/hm2；频度是指植物在群落中水平分布的均匀程度，即群落中某植物在一定区域的特定样方中所出现的样方百分率；显著度是指植物基部断面积之和与样地面积之比，其中乔木的显著度通常是通过胸高直径的测定按圆形计算，可以反映出植物种在群落中的优势度。重要值是表示植物在群落中相对重要性指标。重要值越大的物种，在群落结构中的重要性越大，对群落环境、外貌和发展方向的影响作用也越大。种的重要值通常是综合种的多度、频度和显著度指标计算得出，一般由相对多度、相对频度和重要值三者和的均值来表示[5]。

3 结果与分析

3.1 思茅松天然林分直径结构分析

3.1.1分布函数法

利用Excel(Excel 2016)和ForStat(ForStat 2.2)软件处理相关数据，绘制林分直径分布曲线，采用正态分布函数、指数分布函数和韦伯分布函数分龄组对思茅松天然林分直径结构进行研究(表2～表5，图2～图5)。

图5 思茅松天然成熟林分布函数拟合

表5 思茅松天然成熟林分直径拟合数据及结果

由表2可以看出，所有选用的函数关于思茅松天然幼龄林的拟合均存在不同程度的误差，其中总相对误差大小排序依次为：指数分布函数>正态分布函数>韦伯分布函数；平均相对误差大小排序依次为：正态分布函数>指数分布函数>韦伯分布函数；平均相对绝对误差大小排序依次为：正态分布函数>指数分布函数>韦伯分布函数；在预估精度方面大小排序依次为：韦伯分布函数>正态分布函数>指数分布函数。综上所述，韦伯分布函数能够较好地拟合思茅松天然幼龄林分直径结构。

表2 思茅松天然幼龄林分直径拟合数据及结果

由图2可以看出，小径阶株数远多于大径阶株数，且随着直径的增大，林木株数开始急剧减少，直径达到16 cm后，株数减少幅度相对稳定，但在直径20 cm时，株数略有增长，后又下降渐趋平缓，且韦伯分布函数能够较好地跟随拟合。

图2 思茅松天然幼龄林分布函数拟合

由表3可以看出，所有选用的函数关于思茅松天然中龄林的拟合均存在不同程度的误差，其中总相对误差大小排序依次为：指数分布函数>正态分布函数>韦伯分布函数；平均相对误差大小排序依次为：正态分布函数>指数分布函数>韦伯分布函数；平均相对绝对误差大小排序依次为：正态分布函数>指数分布函数>韦伯分布函数；预估精度大小排序依次为：韦伯分布函数>正态分布函数>指数分布函数。综上所述，韦伯分布函数能够较好地拟合思茅松天然中龄林分直径结构。

表3 思茅松天然中龄林分直径拟合数据及结果

由图3可以看出，小径阶株数远多于大径阶株数，且随着直径的增大，林木株数减少程度有起伏，甚至在直径18、22、30 cm处略有增加，但总体呈下降趋势，后又下降渐趋平缓，韦伯分布函数能够较好地跟随拟合。

图3 思茅松天然中龄林分布函数拟合

由表4可以看出，所有选用的函数关于思茅松天然近熟林的拟合均存在不同程度的误差，其中总相对误差大小排序依次为：指数分布函数>正态分布函数>韦伯分布函数；平均相对误差大小排序依次为：正态分布函数>指数分布函数>韦伯分布函数；平均相对绝对误差大小排序依次为：正态分布函数>指数分布函数>韦伯分布函数；预估精度大小排序依次为：韦伯分布函数>正态分布函数>指数分布函数。综上所述，韦伯分布函数能够较好地拟合思茅松天然近熟林分直径结构。

表4 思茅松天然近熟林分直径拟合数据及结果

由图4可以看出，小径阶株数要远多于大径阶株数，且随着直径的增大，林木株数开始急剧减少，直径达到10 cm后，株数减少幅度相对稳定，略有起伏，当直径达到18 cm时，株数又一次急速降低至24 cm处，最后又平缓下降，且韦伯分布函数能够较好地跟随拟合，预估精度达到91.6%。

图4 思茅松天然近熟林分布函数拟合

由表5可以看出，所有选用的函数关于思茅松天然成熟林的拟合均存在不同程度的误差，其中总相对误差大小排序依次为：指数分布函数>正态分布函数>韦伯分布函数；平均相对误差大小排序依次为：正态分布函数>指数分布函数>韦伯分布函数；平均相对绝对误差大小排序依次为：正态分布函数>指数分布函数>韦伯分布函数；预估精度大小排序依次为：韦伯分布函数>正态分布函数>指数分布函数。综上所述，韦伯分布函数能够较好地拟合思茅松天然成熟林分直径结构。

由图5可以看出，小径阶株数远多于大径阶株数，且随着直径的增大，林木株数开始急剧减少，直径达到16 cm后，株数减少幅度相对稳定，略有起伏，当直径达到24 cm时，株数突然增加又急剧降低至平缓，且韦伯分布函数能够较好地跟随拟合，预估精度达到93.6%。

由分布函数拟合图可以看出，4个不同龄组的林分内，小径阶株数均远大于大径阶株数，且随着直径的增大，整体呈下降趋势。4个龄组林分直径结构拟合精度最高的均为韦伯分布函数，大小排序依次为：中龄林>幼龄林>成熟林>近熟林。各龄组林木直径分布特征见表6。

表6 各龄组林木直径分布特征值

由表6可以看出，各龄组的平均胸径从9.50～13.60 cm，偏度系数均为正值，径阶分布曲线均为左偏。除近熟林，其他龄组的峰度系数均为正值，径阶分布曲线均为尖顶峰。总体来看，幼龄林组的偏度和峰度系数均最高，其径阶分布曲线为左偏集中尖顶峰型；近熟林的偏度系数接近零，且其峰度系数为负值，径阶分布曲线为左偏离散平顶峰型。一定程度上说明，在幼龄林阶段，林木主要集中在小、中径阶，随着年龄的增长，林木在各径阶上均有分布，逐渐接近于正态分布。

3.1.2株数累积分布

利用Excel软件处理相关数据，绘制林分株数累积分布曲线，分析林分直径分布形状、特点及变化规律(表7，图6)。

表7 思茅松林分相对直径与株数累积百分数

由表7和图6可以看出，当相对直径为1.0(林分平均直径为14.1 cm)时，株数累积百分数约为64%，且林分直径变动幅度较大，最大林木直径约为林分平均直径的3.6倍，说明林分内林木直径差异较大，林分直径结构具有一定的复杂性。

图6 株数占比累积曲线

3.2 思茅松天然林分树种结构

利用Excel软件处理相关数据，计算样地内各树种的相对多度、相对显著度、相对频度和重要值，分析各样地林分树种组成。组成树种主要有思茅松(Pinuskesiy)、锥连栎(QuercusfranchetiiSkan)、茶梨(AnnesleafragransWall)、红木荷(SchimaReinw)、木荷(Schimasuperba)、桦木(Betula)、南烛(VacciniumbracteatumThunb)、余甘子(PhyllanthusemblicaL)、西南桦(BetulaalnoidesBuch.-Ham. ex D. Don)、红椿(ToonaciliataRoem)、麻栎(QuercusacutissimaCarruth)、火绳树(KydiacalyinaRoxb)、栲树(CastanopsisfargesiiFranch)、毛叶青冈(Cyclobalanopsiskerrii(Craib) Hu)、栓皮栎(QuercusvariabilisBl)、榕树(FicusmicrocarpaLinn. F)、高山栲(Castanopsisdelavayi)、密花树(Rapanea)、钝叶黄檀(Dalbergiaobtusifolia(Baker) Prain)、盐肤木(RhuschinensisMill)、槲栎(QuercusalienaBl)、毛叶黄杞(EngelbardtiacolebrookianaLindl)等(表8)。

表8 林分树种组成

续表8

由表8可以得出，在研究的14块标准样地中共有42个树种，主要树种有思茅松、南烛、其他软阔类、麻栎、华南石栎、杨梅、高山栲、川梨和红木荷等。据统计，样木总株数共1 503株，其中思茅松1 032株，占全林分的68.66%；壳斗科栎类96株，占6.39%；其他软阔类98株，占6.52%；木荷57株，占3.79%；壳斗科栲树类20株，占1.33%；其他树种200株，占13.31%。在所有标准地中可以明显看出，思茅松在株数和相对多度上占据绝对数量优势，且在全林分中占比达68.73%，表明研究区域内思茅松在整个林分中占据主要优势，而其他树种均呈现不同程度的弱势，此结果与现地真实情况较为接近。研究区内思茅松天然林分主要呈现纯林或相对纯林的树种结构，其他伴生树种很少。

从各样地单株树种的数量看，除1、8和13号标准样地，其他标准样地内均有一定比例的单株树种，其中6、9、10、11和14号标准样地均超过3个不同树种，主要的单株树种为桦木、木荷、南烛、小叶青冈、旱冬瓜、云南黄杞、川梨、木麻黄、歪叶榕、腺叶桂樱、樱桃、麻栎、纯叶黄檀、茶梨、岗柃和女贞等，说明以上样地均有不同的伴生树种，但所占比例较小。从胸径大小来看，各单株树种均在其各自的样地中占据一定的优势地位，多以霸王树的形式存在，如4号标准地的麻栎，胸径达16.1 cm，其优势种思茅松的平均胸径也仅为11.1 cm；9号标准样地的木荷和旱冬瓜，胸径更是分别达40.5 cm和21.5 cm，其优势种思茅松的平均胸径仅为16.9 cm，存在较大差距；14号标准样地的歪叶榕，胸径达42.8 cm，其优势种思茅松的平均胸径仅为13.2 cm，差距明显。然而，有些样地的单株树种却表现与此完全相反，如5号标准样地的余甘子，胸径仅为5.9 cm，7号标准样地的青冈，胸径仅为5.4 cm，10号标准样地的川梨，胸径仅为5.6 cm，11号标准样地的樱桃，胸径仅为6.0 cm。以上树种的胸径均与样地的优势种存在很大差距，这些单株树种均在其各自的林分中处于绝对劣势地位。

从相对显著度看，思茅松处于绝对的优势，除11号标准样地外，其他所有样地的思茅松占比均为最大，均大于66.01%，11号标准样地的思茅松占比仅为19.99%，而红椿占比达40.59%，但红椿数量仅为3株，其平均胸径却达到46.0 cm，这也解释了红椿的相对显著度为何会很高。剩余树种的相对显著度基本低于10%，高于10%的较少，主要有6号标准样地的麻栎、7号标准样地的西南桦、11号标准样地的华南石栎和其他软阔类、12号和13号标准样地的红木荷以及14号标准样地的歪叶榕。而在全林分中思茅松的相对显著度达78.15%，更表明了思茅松的优势地位。

从相对频度看，思茅松在14个标准样地中均有出现，相对频度达到所有树种的最高值，为13.48%；其次是其他软阔类，出现在10块标准样地中，相对频度为9.62%；再者是红木荷，相对频率为7.70%；其余分别为茶梨、麻栎、南烛、余甘子、木荷、川梨、栎类、桦木、红椿等仅出现在1～2个样地且相对频率较低的树种。

从重要值可以看出，思茅松在14个标准样地中的重要值均为最大，其中1、2、3、4、5、8、10、13和14号标准地思茅松的重要值均在55%以上，表现出绝对的重要性，6、7、9和12号标准地中思茅松的重要值相比以上样地则未与其他树种拉开绝对距离，但依然表现出相对的重要性，而在11号标准地中，除思茅松外，红椿和其他软阔类树种的重要值均在13%以上，加上华南石栎的8.73%，三者的重要值达到37.16%，思茅松的重要值仅为26.52%，进一步挤占了思茅松的重要性，说明样地中不同树种的竞争较为激烈。而在全林分中，思茅松的重要值达53.45%，展现了绝对的重要性。

综上所述，在研究区域，思茅松呈现绝对优势，但由于每个样地的伴生树种种类和数量不同，其优势度呈现一定的波动，而其它树种则表现出不同程度的弱势。