吳海龍，張 艷，余新曉，張振明，2，宋思銘，趙 陽，黃枝英

(1.北京林業(yè)大學水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京100083;2.北京林業(yè)大學自然保護區(qū)學院，北京100083)

林分空間結(jié)構(gòu)是指林木在水平地面上的分布格局及其屬性在空間上的排列方式，它決定了樹木之間的競爭優(yōu)勢及空間生態(tài)位，在很大程度上影響著林木的生長和林分的穩(wěn)定性[1]、森林發(fā)展的可能性和經(jīng)營空間大小[2]，反映了森林群落內(nèi)物種的空間關(guān)系，是森林的重要特征，即使是具有相同頻率分布的林分也可能具有不同的空間結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出不同的生態(tài)穩(wěn)定性。物種的不同組成及其在空間分布的不同格局構(gòu)成了森林的空間結(jié)構(gòu)。按照現(xiàn)代森林經(jīng)理學的觀點，林分空間結(jié)構(gòu)可以從3個方面加以描述:①林木個體在水平方向上的分布形式，或者說是樹種的空間分布格局;②樹種的空間隔離程度，或者說林分樹種組成和空間配置情況;③林木個體大小分化程度，或者說樹種的生長優(yōu)勢程度[3-4]。

上述的3個方面即林分的一維、二維和三維空間結(jié)構(gòu)。林分的一維變量包括樹高、胸徑、密度、胸高斷面積、冠幅、林層數(shù)量、平均值和方差，對林分一維結(jié)構(gòu)的研究主要是通過測量一些一維參數(shù)值展開，例如樹木胸徑、胸徑標準差、樹木單位面積內(nèi)的密度、或者是單位面積的密度[5]。近年來，大量的研究者們開始將對相鄰樹木的樹干分布分析并使用Ripley K函數(shù)對林分結(jié)構(gòu)復雜度進行研究[6-8]。Pretzsch認為使用Ripley K函數(shù)對森林結(jié)構(gòu)進行描述是一種較好的方法，而且是對樹木尺寸分布的二維概括[7]。樹木位置的橫向模式被納入對森林結(jié)構(gòu)的描述，這些模式通常分為均勻分布、隨機分布和集群分布。觀察空間格局已被用于了解樹木死亡率、種間競爭作用和更新作用等過程，這種模式被認為是可靠的，然而這種方法的缺點在于只考慮了樹的位置，而沒有考慮到樹的大小在空間上的變化[8]，因此也就忽略了森林的垂直結(jié)構(gòu)。森林的復雜性是一個三維的概念，對于結(jié)構(gòu)多樣性、復雜性以及差異性的測量并不像我們預期的那么簡單[9]。本文以樹高、胸徑和冠幅數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在統(tǒng)計軟件R的環(huán)境中運行產(chǎn)生圖像，并通過圖像處理軟件Photoshop和ENVI(The Environment for Visualizing Images)建立一個森林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)FSI(Forest spatial structure information index)來對森林結(jié)構(gòu)進行量化，為研究森林結(jié)構(gòu)提供一種新的方法。

1 研究區(qū)概況

本文分別在門頭溝區(qū)百花山自然保護區(qū)、延慶松山自然保護區(qū)、海淀西山林場內(nèi)各選取一個樣地。北京百花山自然保護區(qū)位于北京市門頭溝區(qū)清水鎮(zhèn)境內(nèi) ，地理坐標為北緯 39°48′-40°05′，東經(jīng) 115°25′-115°42′，屬于中緯度溫帶大陸性季風氣候區(qū)，年降水量450～720 mm，多集中在植物生長旺盛的夏季，全年平均氣溫6～7℃，全年無霜期110 d左右。松山自然保護區(qū)位于北京市延慶縣西北部，年均降水量490 mm，年均蒸發(fā)量 1 700 mm。氣候的垂直分帶性比較明顯。西山林場位于北京西北郊，地理坐標為東經(jīng)116°28′，北緯 39°34′，該區(qū)屬暖溫帶大陸性氣候 ，冬寒夏熱，春季多風，平均風速4.1 m/s，年平均氣溫為11.6℃，無霜期193 d，年日照2 662 h。年降水量630 mm，集中在夏季，6-8月的降雨量占全年降雨量的70%以上，全年平均蒸發(fā)量950 mm左右。

2 研究方法與材料

本文分別在門頭溝百花山自然保護區(qū)、延慶松山自然保護區(qū)、海淀西山林場各選取了一個公頃級的標準樣地，樣地信息見表1，三塊樣地的樹種組成見表2-4

表1 樣地詳細信息

以每木檢尺的方法獲取樣地內(nèi)喬木樹高、胸徑和冠幅值，其中，樹高采用激光樹高測量儀，胸徑則采用傳統(tǒng)的胸徑尺測量，冠幅采用樹冠投影面內(nèi)南北和東西距離值?？臻g結(jié)構(gòu)信息研究則是首先將3個指標胸徑(DBH)、樹高(H)、冠幅(S)在R統(tǒng)計軟件中統(tǒng)計并分別產(chǎn)生相對應的圖像(圖像格式可以根據(jù)需要生成)，然后通過Photoshop和ENVI進行一系列的處理后疊加以獲取相關(guān)信息，即圖像疊加或圖像的融合。本文將所獲取的統(tǒng)計結(jié)果定義為空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)用式(1)計算。

式中:FSI——經(jīng)過處理之后的圖像的信息總和，在本文中稱之為闊葉林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù);Pi——灰度等于i的像素數(shù)與圖像總像素數(shù)的比;FSI越大說明融合后的圖像上的信息量增加越多[10]。

表2 百花山自然保護區(qū)遼東櫟林樹種組成

表3 松山自然保護區(qū)蒙古櫟林樹種組成

表4 西山林場栓皮櫟林樹種組成

3 結(jié)果與分析

3.1 櫟類林空間結(jié)構(gòu)信息分析

運用R軟件，ENVI和Photoshop軟件獲取類林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)，其獲取流程如下:

(1)運行 R軟件處理原始數(shù)據(jù)得到樣地中喬木的3個指標即樹高(H)、胸徑(DBH)和冠幅(S)的格式為 Tiff的灰度圖像，見圖1。

圖1 樹高、胸徑和冠幅的灰度圖

(2)將(1)得到的三張灰度圖在ENVI軟件中進行疊加處理，得到一幅新的24位的Tiff的彩圖，然后通過Photoshop處理得到灰度圖，見圖2。

(3)將(2)所得的圖像導入ENVI軟件中利用式(1)對圖像信息進行統(tǒng)計便得到每塊樣地的森林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)數(shù)值。

3.2 森林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)在樣地中的應用

樣地森林樹種各項指標見表5。

從表5可知:這3塊櫟類林樣地中生長情況具有相似性也存在差異性。2號樣地栓皮櫟的結(jié)構(gòu)空間信息指數(shù)最大，為70.075 2，3號樣地栓皮櫟最小，為42.101 6。

圖2 樹高、胸徑和冠幅的疊加灰度圖

表5 闊葉林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)

1號樣地遼東櫟森林結(jié)構(gòu)指數(shù)為62.216 4，在3種櫟類樹種中排名第2，其胸徑和冠幅在3種樹種中也是排在第2位，而樹高卻是最高的，從表5可以看出，遼東櫟林中優(yōu)勢樹種的混交比在這3個樣地中是最大的，為0.73。首先，遼東櫟本身是屬于生長高大的喬木;其次，結(jié)合表2可知，在遼東櫟林中主要伴生樹種為樺樹、榆樹、丁香和白蠟，其中樺樹的混交比達到了0.2以上，由于樺樹一般生長較為高大;因此該樣地中平均樹高是3個樣地中最高的。

2號樣地蒙古櫟林森林結(jié)構(gòu)指數(shù)最大為70.075 2，其胸徑、冠幅也是最大但其樹高卻不是最大值，這可能是由于樣地立地條件的差異所決定，同時在樣地中蒙古櫟只是主要樹種，還有大量的伴生樹種，從表5中可看到2號地的密度達到了2 228株/hm2，在所有的樣地中為最大，而主要樹種蒙古櫟的混交比(rate)只有0.56，剛超過一半，因此還有大量的伴生樹種，從表3可知2號樣地中有大量的白蠟，其比重占到了0.335 8，而白蠟屬于闊葉樹種冠幅較大但是樹高不大，因此整個樣地所得的平均樹高較小。

3號樣地栓皮櫟森林結(jié)構(gòu)空間信息指數(shù)為42.101 6，在3種櫟類樹種中為最小值，其胸徑和冠幅也是最小。栓皮櫟林的樹木密度為742株/hm2，栓皮櫟在該樣地中的相對密度為520株/hm2，兩種密度均為所有樣地中最小值。結(jié)合表4可知，3號樣地的主要伴生樹種有油松、側(cè)柏、黃櫨等，其中油松的混交比為0.212 3，占了伴生樹種的2/3比重，油松、側(cè)柏為針葉樹種生長較為矮小，黃櫨、山楂和山杏等為小喬木，臭椿和榆樹雖為高大喬木但是在該樣地中所占比重太小。因此，3號樣地的空間信息指數(shù)、胸徑和冠幅均為最小。

4 結(jié)論與討論

(1)建立了森林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)FSI，通過分析計算可知，3塊樣地的空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)分別為:1號樣地遼東櫟林62.216 4，2號樣地蒙古櫟林70.075 2，3號樣地栓皮櫟林42.101 6。

(2)通過對森林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)的計算結(jié)果的比較可知，森林空間結(jié)構(gòu)的復雜性與多個因素有關(guān)，不能憑森林單一的某一方面來評價森林結(jié)構(gòu)的復雜與否。

(3)森林的穩(wěn)定性同森林結(jié)構(gòu)的復雜性成正相關(guān)，因此可以通過森林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)的大小來描述森林結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。本文中2號樣地蒙古櫟林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)最大，因此可以確定2號樣地蒙古櫟林的穩(wěn)定性在這3塊樣地中是最大的;同樣的道理，3號樣地栓皮櫟林空間結(jié)構(gòu)信息指數(shù)最小，其穩(wěn)定性也最小。

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