马尾松人工林空间结构分析与评价

尹 茜，罗海兵，汪 洋，吴文霖，黄 芳

（1.湖北生态工程职业技术学院，湖北武汉 430200；2.随县林业局，湖北随州 431500）

林分结构是林分发展过程中更新方式、竞争关系和自然稀疏等干扰活动的综合反映[1]。作为森林的主要特征之一，林分结构是影响林分生产力的重要因素，是决定森林是否能充分发挥其功能的前提[2]，是森林可持续经营的重要组成部分[3-4]。一个森林的林分是否需要经营需以林分结构状态为依据[5]，即林木空间分布格局、竞争关系及树种组成等，还可从林木健康和林木多样性等方面来判定[6]。对林分进行合理的评价，优化森林的林分空间结构和非空间结构因子，有利于培育健康稳定的森林。

以培育健康稳定的森林为出发点，学者们先后建立了森林健康状况评价[7]、森林自然度评价[2]和林分经营迫切性评价[6,8-9]等方面的评价指标。相比于林分空间结构量化分析和优化经营模型，林分经营迫切性评价指标方面的研究和新方法较少[10-11]。

马尾松（Pinus massoniana）和栎类（QuercusL.）是湖北地区中山和低山丘陵地区地带性植被树种，是生态公益林的重要组成部分[12]，在湖北地区的生态环境和林业生产中发挥着重要作用。因此，判定马尾松人工林的经营迫切性，调整林分的不合理指标，达到培育健康森林的目的，具有现实意义。本研究以马尾松人工林为研究对象，在分析林分空间结构和非空间结构因子的基础上，建立马尾松人工林经营迫切性指标，根据评价指标，判断林分经营的迫切性，为促进湖北地区马尾松人工林向复层化、异龄化和混交化方向健康稳定发展提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于武汉市江夏区湖北生态工程职业技术学院校内山林（114°19′E，30°20′N），海拔53 ～92 m；属亚热带季风气候，年均气温15.9 ～17.9 ℃，年均降水量1 347.7 mm，年均日照时长1 450 ～2 050 h，年均无霜期266 天；气候温暖湿润，四季分明，热量丰富，雨热同期；土壤为红黄壤。

林分为上世纪70年代人工种植的马尾松纯林，后逐渐向马尾松-栎类混交林转化。马尾松占据森林植被的主林层，但生长趋势减退，且林地内未见马尾松自然更新，为鄂中南地区马尾松林分典型特征[13]。除马尾松外，优势乔木树种有苦槠（Castanopsis sclerophylla）、枹栎（Quercus serrata）、樟（Cinnamomum camphora）和君迁子（Diospyros lotus）等。藤本和攀援灌木主要有紫藤（Wisteria sinensis）、凌霄（Campsis grandiflora）和菝葜（Smilax china）等；灌木主要有高粱泡（Rubus lambertianus）、檵木（Loropetalum chinense）和山胡椒（Lindera glauca）等；草本植物主要有中华薹草（Carex chinensis）、阔鳞鳞毛蕨（Dryopteris championii）和狗脊（Woodwardia japonica）等。

1.2 样地设置与调查

2020年3 — 5月，在查阅资料及全面踏查的基础上，在试验地选择具有典型性和代表性的马尾松林地并设置8个样方，规格为20 m×20 m，记录每个样方的坡度、坡向、坡位和郁闭度。采用相邻格子法，在每个样方内设置10 m×10 m 的乔木小样方作为样木因子单元，以小样方西南角为每个样方坐标原点，测量每株林木在样方内的相对位置坐标（xi，yi），记录种名、胸径、树高和冠幅。以每个样方西南角为坐标原点，整合样方内每株林木的相对位置坐标（x，y）。试验地平均坡度15.9°，各样方树种平均7个，林分平均胸径16.1 cm，平均树高11.8 m，平均公顷断面积33.8 m2/hm2，平均密度1 346.9株/hm2，林分郁闭度0.8。

1.3 数据处理

1.3.1 空间结构参数

采用角尺度（Wi）表示林分的水平空间分布格局[14]，采用混交度（Mi）表示不同林木在空间上的隔离程度[15]，采用林层指数（Si）描述林分的垂直结构[10]。应用上述4个空间结构参数均值为林分经营迫切性分析指标。

式中，Zij为离散型变量。当第α ＜α0（标准角）时，Zij= 1，否则Zij= 0。Wi可能取值为0.00、0.25、0.50、0.75 和1.00，对应很均匀、均匀、随机、不均匀和很不均匀分布[7]。当的取值在[0.475，0.517]时，为随机分布；＜0.475 时，为均匀分布；＞0.517时，为团状分布[6]。

式中，Vij为离散型变量。当对象木与邻近木为不同树种时，Vij= 1，反之Vij= 0。Mi可能取值为0.00、0.25、0.50、0.75 和1.00，表示对象木与相邻木零度混交、弱度混交、中度混交、强度混交和极强度混交[16]。以= 0.5 作为林分是否需要经营的评判标准，即当≥0.5时，森林不需要经营。

参考IUFRO（国际林联）的标准划分林层[10]。式中，Sij为离散型变量，当对象木与邻近木所处林层不同时，Sij= 1，反之Sij= 0。Si可能取值为0.00、0.25、0.50、0.75 和1.00，表示单一、较简单、中等、较复杂和复杂5种林层结构[2]。以=0.25作为林分是否需要经营的评判标准，即当≥0.25 时，森林不需要经营。

1.3.2 树种优势度

结合林木个体大小分化程度和优势种的显著度，统计分析林分树种优势度（Dsp）[6,8]，计算公式如下[8,16]：

式中，Kij为离散型变量。当对象木比相邻参照树j小时，Kij=1，反之Kij=0。

式中，Dg为相对显著度；Uˉ为树种平均大小比数。

1.3.3 林分径级结构

林木直径的分配状态直接影响林木的树高、干形、材积、材种及树冠等因子[17]。异龄林株数按径级的分布可用负指数分布表示，计算公式如下[18]：

式中，N为株数；e为自然对数底；D为胸径；a、k为常数；

将两个相邻径级株数之比（q）与负指数分布联系起来[6]，可判断林分径级结构分布的合理性，计算公式如下[18]：

式中，a为负指数分布的结构常数；h为径级距。本研究以5 cm 为起测径测量样方内所有木本植物，以2 cm 为径阶距进行计算；即当满足a≥0.091 时，q∈[1.2，1.7]，林木的株数分布是合理的[19-21]。

林分树种组成用树种组成系数表达，即各树种的蓄积量（或断面积）占林分总蓄积量（或断面积）的比重用十分法表示，当组成系数表达式中10%以上的项数大于或等于3 项时不需要经营，否则需要经营[18]。依据《森林资源连续清查技术规程》[22]评价森林更新等级。以不健康的林木株数比例超过10%为评价标准，评价林分健康状况[8]，即当不健康林木株数比例超过10%时需要对林分进行经营，否则不需要经营。林木成熟是森林经营工作中一个重要的林学指标和经济指标[2]，本研究以大径级林木的胸高断面积占比超过全部林木的胸高断面积70%为依据判定林木成熟度（林分中大径级林木蓄积）[23]，当林分大径级林木蓄积超过全林积蓄的70%，可择伐利用个别达到起测胸径的林木，否则不需要经营[6]（表1）。各样方边缘均设置2 m宽的带状缓冲区，消除边缘效应。

表1 林分经营迫切性评价指标体系及标准Tab.1 System and criteria of stand management urgency evaluation index

1.3.4 经营迫切性评价

林分迫切经营指数（Mu）计算公式如下[6]：

式中，Si为第i个林分结构指标取值；当林分结构指标不满足标准取值，Si=1，否则Si=0。Mu量化了林分经营的迫切性，其值越接近于1，说明林分需要经营的迫切性越强。Mu在[0,0.6]等距取值，可划分为5 个等级，分别为不迫切（Ⅰ级）、一般性迫切（Ⅱ级）、比较迫切（Ⅲ级）、十分迫切（Ⅳ级）和特别迫切（Ⅴ级）（表2）[6,8]。

表2 林分经营迫切性等级划分Tab.2 Classification of stand management urgency level

1.3.5 数据分析

采用Excel 2007 进行数据处理，采用Winkelmass 1.0计算林分空间结构。

2 结果与分析

2.1 林分空间结构

2.1.1 林木水平空间分布格局

样方1 ～8 内，林木随机分布频率分别为69.0%、61.5%、46.3%、68.8%、56.1%、63.2%、54.8%和68.3%，占比均较高（图1）。由于其他分布类型的林木频率不一致，每个样方的有差异，但相差不大。样方1、3 和4 的林木为随机分布，样方2、5 和7的林木为均匀分布，样方6 和8 的林木为团状分布（表3）。

2.1.2 林木混交程度

树种隔离程度越高，林分越稳定[6]。样方4 中，林木周围有1 株相邻木为其他树种的比例为62.5%，占比较大；样方2 中，林木周围相邻木均为2 ～4 株不同树种；样方1、3、5、6、7 和8 中，林木周围相邻木均为2 ～4 株不同树种的比例分别为55.1%、80.3%、82.9%、86.8%、76.2%和82.9%（图1）。样方4林木的＜0.5，为弱度混交，林分稳定性较低；其他7个样方林木的≥0.5，为中度或强度混交，林分稳定性高（表3）。

表3 不同样方林分空间结构参数Tab.3 Stand spatial structure parameters of different sample plots

图1 不同样方林分空间结构参数分布Fig.1 Distributions of stand spatial structure parameters of different sample plots

2.1.3 林木垂直分布结构

8个样方林木的≥0.25，表明林分均有2个或2个以上林层，为复层林（表3）。样方4 中，林木与1株最近相邻木不属于同一林层（Si=0.25）的比例达到50.0%，林层整体复杂度偏低；其他样方中，林木至少与2 株相邻木不属于同一林层的比例较高，表明其林层的复杂程度较高，成层性良好（图1）。

2.2 相邻径级株数之比

天然林的直径分布呈倒“J”形，即株数按径级以常量q值递减，是理想的直径分布特征。利用负指数函数对8 个样方内林木径阶和株数进行拟合（表4）。样方2、3 和7 林木直径拟合的a≥0.091，q≥1.2，表明林木径阶与株数分布合理，其余样方q值不在1.2 ～1.7内，表明林木径阶与株数分布不合理。

表4 不同样方林分径级结构拟合参数Tab.4 Fitting parameters of stand diameter class structures of different sample plots

2.3 林分经营迫切性评价

8 个样方的树种优势度均≥0.5，多数样方具有良好的林分空间结构，林下天然更新良好，健康树木比例均≥90%；3 个样方内林木相邻径级株数之比合理；3 个样方林木树种组成达到3 种；各样方林木大径级胸径断面积均低于全林整体断面积的70%（表5）。样方2 和3 的经营迫切性指数为0.11，经营迫切性评价等级为一般性迫切（Ⅱ级）。其余6 个样方经营迫切性指数分别为0.22 ～0.44，经营迫切性评价等级为比较迫切（Ⅲ级）和十分迫切（Ⅳ级）。

表5 不同样方林分经营迫切性评价指标Tab.5 Stand management urgency evaluation indexes of different sample plots

3 讨论与结论

森林功能与森林结构紧密关联，即结构决定功能，功能影响结构发育[24]。从森林结构出发，从森林经营的多目标角度评价森林的经营迫切性指数，从结构指标的取值追溯到需要调整结构的特征因子，可制定有针对性的经营措施[6]。

林分结构参数均值反映林分结构状况。作为经营性评价指标，实践中可能与真实空间结构特征存在差别[6]。本研究中，样方2 的平均角尺度为0.452，但林木随机分布频率（Wi=0.50）为61.5%，林分趋于随机分布。样方7 的林木随机分布频率（Wi=0.50）为54.8%，团状分布频率（Wi=0.75）仅为9.5%，极强度聚集分布频率（Wi=1.00）为0，造成平均角尺度下降（=0.423），偏离林分真实空间分布特征。因此，在实际工作中，应综合考虑林分结构参数均值和不同取值等级的分布特征。

5 个样方的林木直径分布偏离天然林分直径分布特征，即林木直径分布不能满足负指数函数分布，分布不合理。可能是因为不合理的采伐、自然灾害或病虫害等造成林木直径分布数量在个别径阶上较多或较少，或在个别径阶上林木分布缺失，甚至缺失的径阶较多。本研究样方取样范围较小（20 m×20 m），起测林木个体数量较少。在生产经营调研中，可适当增加样方取样面积，可减小对直径分布水平的干扰，提高研究精度。

树种组成影响经营胁迫性指数。除样方2、3和8 有3 种树种外，其他5 个样方的树种组成未达到十分法要求（≥3 项）。样方1 的优势树种为马尾松与少量苦槠；样方4的优势树种为马尾松，有极少量君迁子；样方5 的优势树种为马尾松与苦槠和少量桂花（Osmanthus fragrans）；样方6和7的优势树种为马尾松与苦槠，有极少量枹栎，这可能与样方的取样面积较小有关。样方内阔叶树种，如苦槠、枹栎、樟和君迁子等，幼树或幼苗具有自然更新且生长良好，但马尾松自然更新缺乏。由于马尾松结实正常，缺乏自然更新的原因可能与林分内光照条件有关，这也是湖北地区马尾松林分更新的普遍特征[25-26]。各样方阔叶树种大径级断面积比例均较低，且树种组成比例中，马尾松占比高达90%，林分几乎全部为马尾松纯林。

根据经营迫切性评价，针对林分结构问题，可适当伐除马尾松弱株、松材线虫（Bursaphelenchus xylophilus）危害的病株和影响目标树生长的树木，提高林分内苦槠、君迁子等阔叶树种的比例，调节相邻径级株数之比，实现林分直径分布的调整。同时调整林木的水平分布格局和林木大小分化，补植乡土树种，促进林分天然和人工更新，合理经营，提高森林健康水平。