内蒙古旺业甸华北落叶松人工林空间结构分析及其优化

张苗苗,罗于洋,王树森,张丽娜,马成功,于胜利,王景圆

(1.内蒙古农业大学 沙漠治理学院,内蒙古 呼和浩特 010018;2.内蒙古农业大学 荒漠生态系统保护与修复国家林业和草原局重点实验室,内蒙古 呼和浩特 010018;3.内蒙古赤峰市旺业甸实验林场,内蒙古 赤峰 024423;4.乌拉特后旗林业和草原局,内蒙古 巴彦淖尔 015000)

森林群落被认为是相互作用的林木个体网络系统[1]。林分结构对森林的整个生态系统服务功能产生着影响,关于林分结构的研究对后期森林经营及优化起到了关键作用[2]。林分结构主要包括林分非空间结构及空间结构,非空间结构包括树种组成、年龄分布、直径分布、树高分布、生长量以及树种多样性等,空间结构是指林木在空间上的分布格局[3],惠刚盈等[4-6]通过建立角尺度、大小比数及混交度3个参数对林分的空间结构进行描述。

在对林分进行合理的经营前,需要了解其整体生长状况。很多学者利用空间结构参数对林分的状态进行描述以及林分空间结构评价指标构建研究[7],以空间结构优化为目标确定采伐木,从而实现对林分空间结构的调整。孙宇等[8]对东升林场落叶松人工林进行研究,基于加权三角网计算了角尺度、大小比数、混交度、竞争指数、密集度、开敞度6个林分空间结构参数,构建了林分空间结构评价方法。吕忠爽等[9]、盛琪等[10]对帽儿山林场阔叶林进行研究,结合乘除法思想的基础上进行了林分空间结构评价指数的构建。曹小玉等[11]对福寿林场杉木生态公益林进行了研究,对空间结构评价指数进行归一化处理,采用定性与定量相结合的方法将林分空间结构评价指数划分为5个等级,客观地反映林分空间结构的实际情况。赵晨昊等[12]对金盆山林场天然阔叶混交林空间结构进行优化和采伐模拟,综合评价结果表明,相较于仅对被压木及枯死木等劣质林木个体进行采伐能够更好地发挥森林多种功能。

旺业甸实验林场林木种类多,占地面积广,张涛[13]、刘兆华等[14]、赵波[15]、王春霞[16]对该地森林生物量、碳储量、蓄积量、土壤持水及多样性等方面做了大量研究。华北落叶松人工林由于近些年管理不当,部分林木生长状况差,林木之间竞争较大,且目前尚未见有人对该地的林分空间结构进行研究。因此整体掌握该地华北落叶松人工林林分空间结构以及科学合理地判断保留木与采伐木对后期加强人工林经营管理和林分健康稳定的发展具有重要意义。基于此,本研究以旺业甸实验林场的落叶松人工林为对象,计算角尺度、大小比数、混交度及竞争指数4个参数,通过乘除法思想构建空间结构评价指数并划分等级,对落叶松人工林空间结构进行客观评价,并通过空间结构评价指数选取采伐木,对该地落叶松人工林进行空间结构优化的模拟,以期为旺业甸后期落叶松人工林结构优化调整提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

旺业甸实验林场位于赤峰市喀喇沁旗西南部(118°09′-118°30′E,41°21′-41°39′N)。地形起伏不平,地貌主要为中山和低山山地,地势西南较高、东北较低,平均海拔800～1 890 m。该地区为大陆性季风气候,雨量较充沛,降雨主要在7-8月,年平均降水量300～500 mm,年平均气温4.2 ℃,年有效积温2 000～3 000 ℃,主导风向为西北风。该地土壤类型呈多样化特点,棕壤为主,植物种类丰富。林场土地总面积24 668.2 hm2,有林地面积为22 397.1 hm2。主要树种有华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)、蒙古栎(Quercusmongolica)、油松(Pinustabuliformis)。除天然生长的落叶松林,分别于1974、1988年及2004年栽植了落叶松人工林。落叶松林面积共4 835.4 hm2,占有林地面积的21.60%。

1.2 研究方法

2021年8月对旺业甸林场自2013年起长期监测的落叶松人工林固定样地进行踏查,样地的选取包括华北落叶松幼龄林、近熟林和成熟林,每种样地类型3个重复,设置半径为13.82 m的圆形样地,样地大小均为600 m2,对样地中所有林木进行挂牌编号。对样地内所有林木进行每木调查,内容包括树种、位置、胸径,并记录林分海拔、坡度、坡向等基本信息(表1)。

表1 样地基本情况

1.3 指标计算

对林分空间结构的分析采用角尺度、混交度以及大小比数3个空间结构参数,具体计算方法详见文献[17]。以林内任意林木个体与其4株最近相邻木所构成的林分空间结构单元为基础,通过角尺度、大小比数、混交度及竞争指数4个空间结构参数进行分析并构建空间结构优化模型。角尺度可表达林木空间分布格局,大小比数可反映林木大小分化程度,混交度可表示林木树种空间隔离程度,竞争指数可表达林木之间的竞争强度。

利用乘除法思想构建空间结构优化模型

(1)

式中:Q(x)为目标函数;f(x)表示各指标目标值;分子上各指标要求实现目标最大值,分母上各指标要求实现目标最小值。

根据乘除法基本思想,材积取大为优,角尺度、大小比数及竞争指数取小为优,但在计算空间结构评价指数时,角尺度的所有数据同时减去0.5,因为角尺度最优值是接近0.5的随机分布。因样地为人工林,存在混交度为0的情况,为防止混交度取值为0导致整体取值为0,综合材积、角尺度、大小比数及竞争指数4个子目标构建评价指数。

(2)

式中:Qg、Vg、Wg、Ug、UCIg分别为单木综合择伐指数、材积、角尺度、大小比数及竞争指数,σV、σW、σU、σUCI分别为材积、角尺度、大小比数及竞争指数的标准差。

为将各林分的空间结构评价指数值进行统一分析比较,通过归一化处理,利用等量变换将值的范围归纳到[0,1]区间内。

2 结果与分析

在数据调查的基础上,利用Winkelmass 1.0处理数据,SigmaPlot 14.0及Origin 2018绘图,为避免边缘效应,计算时设定2 m缓冲区[19-20],缓冲区内的林木只作为相邻木处理,不参与空间结构参数的计算。

2.1 林分空间结构

通过对不同林龄的落叶松人工林林木角尺度(W)、大小比数(U)及混交度(M)的计算,得到不同取值(0.00、0.25、0.50、0.75、1.00)等级的相对频率。林木角尺度最适分布范围为[0.475,0.517],由表2可知,落叶松幼龄林、近熟林及成熟林的角尺度平均值分别为0.498 8、0.461 9、0.469 0,即落叶松幼龄林为随机分布,林分分布状态较好,近熟林及成熟林则靠近随机分布,呈轻微均匀分布。各样地中,随机分布占比最多,均>50%,均匀分布次之。角尺度整体分布频率呈现中间高两边低的近似正态分布趋势。由表3可知,落叶松幼龄林、近熟林及成熟林大小比数各取值等级频率变化均较小,取值多数分布在20%左右。大小比数均值分别为0.504 3、0.480 4、0.499 3,取值在0.5左右小范围波动,表明各样地不同优势程度的树木数量较接近,各林分生长处于中庸状态。幼龄林、近熟林及成熟林各样地混交度取值集中在0,取值等级为0的占比分别达100%、85.6%及94.7%,混交度均值分别为0、0.080、0.026,混交程度低,整体呈现零度混交及弱混交的状态。由表4可知,落叶松幼龄林、近熟林及成熟林的竞争指数平均值分别为4.671 5、3.663 5、1.822 4,随着林龄的增加,各样地竞争指数逐渐降低,其原因是幼龄林时期,林木株数最多,林内竞争较大。

表2 角尺度分布频率及平均值

表3 大小比数分布频率及平均值

表4 竞争指数分布频率及平均值

2.2 林分空间结构评价

根据空间结构优化目标函数的构建过程可知,空间结构综合指数取值越小,空间结构分布越差。综合陆元昌[21]、曹小玉等[11]研究结果,可将空间结构综合指数划分为5个等级,取值为[0,0.2]、(0.2,0.4]、(0.4,0.6]、(0.6,0.8]、(0.8,1],评价等级对应为1、2、3、4、5,分别代表空间结构差、较差、一般、较好、非常好。落叶松幼龄林空间结构综合指数分别为0.247、0.178、0.234,平均空间结构综合指数约为0.220,近熟林空间结构综合指数分别为0.321、0.271、0.311,平均空间结构综合指数约为0.301,成熟林空间结构综合指数分别为0.265、0.296、0.240,平均空间结构综合指数约为0.267,各林分类型平均空间结构综合指数评价等级均为2。说明该地落叶松林空间结构距离理想状态还有差距,需要进行空间结构的优化。

2.3 林分空间结构优化

2.3.1 间伐木及株数确定 根据林分空间结构优化的原则,通过调整角尺度取值的分布范围,调整林木整体分布状态,将均匀分布及聚集分布向随机分布的状态调整,通过降低大小比数及竞争指数,调控林木生长状态,增加林木生长空间。由各林分空间结构综合指数及评价等级结果可知,该地不同林龄的落叶松人工林样地空间结构均有调整优化的空间,因此对幼龄林、近熟林及成熟林各选取1块样地,对LY1、LJ1及LC1 3个样地进行林分空间结构的优化。幼龄林平均胸径为11 cm,样地内的理论株数为130株,近熟林平均胸径为12 cm,样地内的理论株数为118株,成熟林平均胸径为17 cm,样地内的理论株数为78株。结合华北落叶松经营密度表[22],优先选取各样地空间结构综合指数的较小值,从中选取角尺度、大小比数及竞争指数较大的林木进行采伐,每采伐1株林木,重新计算各空间结构参数,若得到优化则确定该林木为择伐备选木,重复上述步骤,得到所有备选木,控制采伐量不超过总株数的20%[23]。部分代表性间伐木信息及原因见表5,采伐木点位分布见图1。

图中红色圆点代表保留木,黑色圆点代表采伐木,圆点的大小表示胸径的大小。

表5 采伐木信息及采伐原因

2.3.2 间伐前后空间结构变化 由图2～图5可见,将各样地备选木进行采伐后,角尺度变化均不大,林内各林木结构单元多数呈随机分布。幼龄林及成熟林样地大小比数采伐前后取值变化不大,近熟林大小比数采伐前后由0.506 8降低为0.485 8,林木大小整体呈中庸状态。竞争指数均发生较大变化,幼龄林竞争指数采伐前后由4.207 8降低为2.423 5,近熟林竞争指数采伐前后由4.028 6降低为2.890 6,成熟林竞争指数采伐前后由2.407 0降低为2.104 6。落叶松幼龄林空间结构综合指数采伐前后由0.247增加为0.308,近熟林空间结构综合指数采伐前后由0.312增加为0.406,成熟林空间结构综合指数采伐前后由0.265增加为0.319,近熟林评价等级由2级提升为3级,各样地整体空间结构较采伐前得到了优化。

图2 采伐前后角尺度

图3 采伐前后大小比数

图4 采伐前后竞争指数

图5 采伐前后空间结构评价指数

3 讨论

3.1 华北落叶松人工林空间结构特征

林分空间结构的研究对于整体把握林分状态以及对其作出调整具有重要意义,林分空间结构的描述主要是通过对角尺度、大小比数、混交度及竞争指数的计算[24]。角尺度的计算结果体现了森林空间内部林木的分布格局,主要包括均匀分布、随机分布以及聚集分布3种情况,结构稳定的森林群落一般趋近于随机分布。本研究选取的样地为落叶松人工林,人工林林层结构简单[25],受人为因素影响,初始结构大多数趋近于均匀分布。随着林龄的增加,林内结构逐渐由均匀分布转变为随机分布,幼龄林、近熟林及成熟林林分中林木单株的胸径大小的分化程度差距不大,较为均衡,均处于中庸状态。种内竞争激烈,但随着林龄的增加,竞争逐渐降低。因样地为人工林,初始林分处于零度混交状态,随着林龄的增加,林分内生长出少量其他树种,但数量较少,近熟林、成熟林也仅处于弱度混交状态。因此,后期需要人为引进其他树种增大林分混交程度,使其形成健康稳定的森林群落。

3.2 林分空间结构模拟优化

随着林木的生长,林木间产生竞争,空间结构不足等问题导致部分林木死亡,需要通过间伐的手段达到林分空间结构优化的目的。该林场内落叶松人工林空间结构现状与理想状态仍存在差距,存在着结构问题,林木分布多数趋近于随机分布,调控空间小,但林木生长空间不足,竞争的压力相对较大,导致落叶松林的空间结构评价指数较低,这些问题主要是由于部分区域栽植时林分密度大及后期经营不当所造成的。在森林经营过程中,处于聚集分布且大小比数较大的林木可优先伐除。通过对落叶松幼龄林、近熟林及成熟林进行采伐,伐除各样地中比较聚集的林木、大小比数分布不合理以及处于被挤压或严重被挤压生长状态的林木。根据采伐后结果可知,除角尺度变化不明显,各样地大小比数及竞争指数均有了较大的改变,林分内各空间结构参数均向着较好的方向发展,林分空间结构有所改善,研究结果与已有的研究结果相一致。陈昌雄等[26]利用空间结构参数选择采伐木,制定以角尺度作为主要调整目标的林分空间结构优化方案,基于林分空间结构格局的采伐使得林分整体质量得到了提高。如林富成等[25]通过选用角尺度、大小比数等4个参数构建空间结构评价指数,结合经营密度确定采伐强度及采伐木,间伐后有效改善了林分空间结构[11]。综合以上分析,本研究中旺业甸林场不同林龄的落叶松人工林整体生长状况一般,生长已经达到稳定状态的成熟林混交程度仍较差。因此,在充分掌握林分空间结构的前提下,后期经营过程中应当提高林木混交程度,栽植其他树种,并结合空间结构优化指数,以空间分布格局为基础,通过合理调整林分中竞争木与劣质木的方式来降低林木间竞争,调整林分空间结构,提高林分稳定性。

4 结论

旺业甸落叶松人工林林分空间结构较为简单,林分内有1/2以上林木处于随机分布状态,大小分化不明显,树种组成单一,部分林木竞争较大。通过空间结构参数能够体现林木的水平分布、生长空间及竞争程度,林木空间分布的状态并不能够成为决定林木生长优劣的关键影响因子。

通过对内蒙古赤峰市旺业甸林场的华北落叶松人工林空间结构分析与优化,能够整体把握林分空间结构现状并进行优化调整,结合林分生长状况进行模拟采伐,采伐后可以较好地改善当地华北地区华北落叶松人工林林分空间结构,研究结果可为我国华北落叶松人工林经营提供数据支持。