張崗崗，王得祥 ，柴宗政，朱紅燕，張叢珊

(西北農(nóng)林科技大學 林學院，陜西 楊凌 712100)

對森林結(jié)構(gòu)的合理描述是制定森林經(jīng)營方案的有效手段。林分空間結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了樹木在林地上的分布格局及其屬性在空間上的排列方式，決定了樹木之間的競爭勢及其空間生態(tài)位，且在很大程度上能夠決定林分的穩(wěn)定性、發(fā)展的可能性和經(jīng)營空間大小[1]。林分空間結(jié)構(gòu)可從3個方面進行描述：林木的空間隔離程度，胸徑、樹高和冠幅等的分化程度，空間分布格局[2]。目前，對林分空間結(jié)構(gòu)方面的研究較多，主要集中于不同林分空間結(jié)構(gòu)特征[3-5]、空間結(jié)構(gòu)調(diào)整及優(yōu)化[6-8]、空間結(jié)構(gòu)異質(zhì)性量化分析[9]等方面。上述研究采用林分空間參數(shù)的均值或者單變量分布描述空間結(jié)構(gòu)時具有一定的局限性[1,5]，只能相對獨立地描述整個林分單方面的特征或者對林分某方面進行評價優(yōu)化，而未涉及其他方面的屬性特征。例如，角尺度及其分布僅展示林分整體結(jié)構(gòu)中林木的水平分布格局，而與混交度或大小比數(shù)沒有關(guān)系；混交度分布僅能提供林分整體的混交狀態(tài)，而不涉及直徑大小或分布；大小比數(shù)分布僅能說明樹木大小分化程度，而與另外2個指標無關(guān)[10]。這方面研究的局限和差距，將不利于對林分空間結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)、全面和深刻認識。因此，必須在分析林分整體結(jié)構(gòu)特征的同時，獲得更實用的空間結(jié)構(gòu)異質(zhì)性信息，才能對林分結(jié)構(gòu)做出全面、完整的描述和判斷。國內(nèi)外研究表明，二元分布能夠提供比單變量分布或其他常規(guī)林分描述更直接、實用的空間結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性信息，有利于恒續(xù)林擇伐經(jīng)營和森林的模擬與恢復,同時能夠有效地從2個方面反映不同種群空間結(jié)構(gòu)的異同，也能更好地突出同一樹種林木結(jié)構(gòu)的差異[11-13]。但是這方面的研究在國內(nèi)外剛剛起步，有很多理論和實際問題需要深入研究，尤其是應用二元分布描述林分空間結(jié)構(gòu)信息方面的獨特優(yōu)勢及實踐基礎(chǔ)等問題，尚需進一步研究。

截至2008年，陜西省落葉松人工林面積達0.87萬hm2，其中秦嶺林區(qū)面積0.79萬hm2，占全省落葉松人工林面積的90%[14]。長期以來，由于華北落葉松林密度過大、更新困難、純林化嚴重、生物多樣性低，加之風倒、雪折、病蟲等災害頻發(fā)，直接影響了華北落葉松林分的質(zhì)量及生長量，因此亟需改善林分結(jié)構(gòu)、提升森林質(zhì)量[15]。目前，對秦嶺中段華北落葉松人工林的研究較多，但主要集中于土壤特征[16]、群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性[17]、種群結(jié)構(gòu)與更新[18]、生長特性和近自然經(jīng)營技術(shù)與措施及演替動態(tài)[19-21]等方面，而對其林分空間結(jié)構(gòu)特征的相關(guān)研究鮮見報道。為此，本研究以秦嶺中段20和40年生華北落葉松人工林為對象，通過典型樣地調(diào)查獲取數(shù)據(jù)，利用Winkelmass 1.0[2,22]軟件和Excel 2007計算林分空間結(jié)構(gòu)指標的二元分布，探究二元分布在研究現(xiàn)實林分空間結(jié)構(gòu)中的有效性和實用性，并為秦嶺林區(qū)華北落葉松人工林林分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和決策提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于秦嶺中段陜西省寧東林業(yè)局旬陽壩林場和西北農(nóng)林科技大學火地塘教學試驗林場，地處秦嶺南坡中段的安康市寧陜縣境內(nèi)，該區(qū)域?qū)僦袊眮啛釒Ш团瘻貛У倪^渡地帶，海拔850～2 450 m，雨量充沛, 年降水量900～1 200 mm, 多集中于7、8月份，年平均氣溫10～12.7 ℃,年日照時數(shù)1 327.5～1 638.3 h,年蒸發(fā)量800～950 mm,相對濕度77.1%,平均無霜期199 d,最長216 d,最短140 d。旬陽壩林場土壤為礦礫質(zhì)壤黏土，呈微酸性，森林植被屬暖溫帶落葉闊葉林和針闊混交林向北亞熱帶常綠落葉混交林的過渡帶，境內(nèi)華北落葉松人工林多為幼齡林，主要分布于響潭溝、七里溝、大溪溝等，處于其中3、45、46、47、70、71、75、80、81、94、96、99、102、103、108共15個林班，面積約184 hm2；火地塘林場土壤主要有山地棕壤、暗棕壤和山地草甸土，森林植被屬溫帶針闊混交林和寒帶針葉林，森林垂直分布比較明顯，境內(nèi)華北落葉松人工林主要分布于平河梁營林區(qū)，處于21、22、23共3個林班，面積約33.3 hm2。

2 研究方法

2.1 樣地設置與調(diào)查

研究樣地位于秦嶺中段火地塘林場和旬陽壩林場，通過典型選樣設置6塊標準地，樣地面積為54 m×54 m。樣地采用相鄰網(wǎng)格法進行全面調(diào)查，即將樣地劃分為6 m×6 m的小樣方，共計81個，將小樣方從左到右、從上到下依次布置(方格按正南正北方向設置)，再按“之”字形依次對每個小樣方內(nèi)胸徑≥7 cm的喬木進行每木檢尺，用測高器測定樹高、枝下高，圍尺測定胸徑，皮尺測定林木東西向和南北向的冠幅，取其平均值作為林木的平均冠幅，并用相鄰網(wǎng)格法進行全林定位，記錄林木個體的具體位置，計算時為了避免邊緣效應對林分結(jié)構(gòu)的影響，設置5 m緩沖區(qū)(即樣地四周均向內(nèi)縮進5 m)，緩沖區(qū)內(nèi)的林木只作為相鄰樹，而核心區(qū)內(nèi)的林木則既作為參照樹又作為相鄰樹參與計算。

表 1 秦嶺中段華北落葉松人工林樣地概況

2.2 數(shù)據(jù)分析及處理

基于相鄰木空間關(guān)系的林分空間結(jié)構(gòu)指標能夠準確地描述林分中林木個體的空間分布特征，主要從以下3個方面進行描述[2]：

(1)角尺度(W)。W用來判定林木空間分布格局，被定義為α角小于標準角α0(72°)的個數(shù)占所考察的4個α角的比例，其計算式為：

式中：Zij為離散型變量，其值定義為當?shù)趈個α角小于標準角α0時，Zij=1；反之，Zij=0。

(2)混交度(M)。M用來說明樹種空間隔離程度，被定義為參照樹i的4株最近相鄰木中與參照樹不屬于同種個體所占的比例，其計算式為：

式中：Vij為離散變量，其值定義為當參照樹i與第j株相鄰木非同種時，Vij= 1； 反之，Vij=0。

(3)大小比數(shù)(U)。U用來表示林木大小差異程度，被定義為大于參照樹i的相鄰木數(shù)占所考察的4株最近相鄰木的比例，其計算式為：

式中：Kij為離散變量，其值定義為當相鄰木j比參照樹i小時，Kij=0；反之，Kij=1。本研究采用胸徑作為比較指標[23]。

本研究利用林分空間結(jié)構(gòu)分析軟件Winkelmass 1.0計算每棵樹的角尺度、混交度和大小比數(shù)，利用Excel 2007建立數(shù)據(jù)透視表，分別計算每2個指標不同取值組合(Xi,Yj)的相對頻率。以某一指標X的5種可能取值(Xi=0，0.25，0.50，0.75，1)為橫坐標,另一指標Y的5種可能取值(Yj=0，0.25，0.50，0.75，1)為豎坐標,不同取值組合(Xi，Yj)的相對頻率為縱坐標，用Sigmaplot 12.5繪制X-Y的二元分布圖，其由25個(5×5)立柱組成。

3 結(jié)果與分析

3.1 混交度-大小比數(shù)二元分布特征

對秦嶺中段華北落葉松人工林樣地數(shù)據(jù)進行處理和分析，得到以混交度為橫坐標、大小比數(shù)為豎坐標、不同取值組合(Mi，Uj)的相對頻率為縱坐標的混交度-大小比數(shù)二元分布圖(圖1)。由圖1可知，在20年生華北落葉松林分中，不同混交度等級和大小比數(shù)等級所有組合(Mi,Uj)的相對頻率值差異較小，即林分中處于不同優(yōu)劣程度和混交等級組合的林木株數(shù)大致相等。以中庸軸(U=0.50)和中度混交軸(M=0.50)為界，大致劃分為優(yōu)勢且混交良好、劣勢且混交良好、優(yōu)勢且混交較差、劣勢且混交較差4種類型，其林木株數(shù)比例接近1∶1∶1∶1，表明株數(shù)分布不合理。40年生華北落葉松林分中,在同一大小比數(shù)等級上,相對頻率值隨著混交度等級的增大(M=0.00→1.00)先大幅下降后趨于平緩，即相同優(yōu)劣程度的絕大多數(shù)林木處于零度混交，相對頻率均值為0.122，約為其他組合(0.020)的6倍。在同一混交度等級上,不同優(yōu)劣程度林木數(shù)量相近。林分中處于優(yōu)勢且混交良好、劣勢且混交良好、優(yōu)勢且混交較差、劣勢且混交較差的林木株數(shù)比例約為1∶1∶2∶2，說明林分內(nèi)處于低度混交和劣勢的個體較多，經(jīng)營過程中應逐步提高林木混交程度和競爭優(yōu)勢。20與40年生華北落葉松4種類型林木株數(shù)比例的差異，可能是20年生林分(中低海拔)中喬木樹種遠遠多于40年生林分(中高海拔)及種群演替趨勢不同所致[15,21]。

圖 1 秦嶺中段華北落葉松人工林的混交度-大小比數(shù)二元分布特征

3.2 大小比數(shù)-角尺度二元分布特征

以大小比數(shù)為橫坐標、角尺度為豎坐標、不同取值組合(Ui，Wj)的相對頻率為縱坐標，得到秦嶺中段華北落葉松人工林的大小比數(shù)-角尺度二元分布圖(圖2)。

圖 2 秦嶺中段華北落葉松人工林的大小比數(shù)-角尺度二元分布特征

由圖2可知，在20和40年生華北落葉松林分中，隨著林木分布格局從很均勻變化到隨機再到聚集分布(W=0.00→1.00),同一大小比數(shù)對應的相對頻率值呈現(xiàn)先增大后下降的趨勢，且在角尺度為0.50時取得最大值，整體近似呈正態(tài)分布，即林分中相同優(yōu)劣程度的林木大多處于隨機分布，處于其他分布格局的較少。同一分布格局對應的相對頻率值隨著大小比數(shù)等級的增大基本無變化，即相同分布格局林木在不同優(yōu)劣程度的株數(shù)比例大致相等。以中庸軸(U=0.50)和隨機分布軸(W=0.50)為界，劃分為優(yōu)勢且均勻分布、優(yōu)勢且聚集分布、劣勢且均勻分布、劣勢且聚集分布4種類型，其林木株數(shù)比例大致為1∶2∶2∶2，說明林分中聚集分布的劣勢木較多。

3.3 角尺度-混交度二元分布特征

以角尺度為橫坐標、混交度為豎坐標、不同取值組合(Wi，Mj)的相對頻率為縱坐標，得到秦嶺中段華北落葉松人工林的角尺度-混交度二元分布圖(圖3)。

圖 3 秦嶺中段華北落葉松人工林的角尺度-混交度二元分布特征

由圖3可知，在20年生華北落葉松林分中，隨著林木分布格局從很均勻變化到聚集分布(W=0.00→1.00)，同一混交程度對應的相對頻率值先增大后減小，并在隨機分布(W=0.50)時取得最大值，而處于其他分布格局的林木比例接近或者等于零，整體近似呈正態(tài)分布，即林分中相同混交狀況的林木大多處于隨機分布；隨著混交度等級的增大，同一分布格局對應的相對頻率值基本一致，即相同分布格局的林木處于不同混交等級的株數(shù)比例大致相等。在40年生華北落葉松林分中，林木混交度等于0且角尺度等于0.50時取得最大相對頻率值，樣地D、E、F分別為0.355，0.232，0.354，遠大于其他組合對應的相對頻率值，即林分中最常見的結(jié)構(gòu)單元為參照樹周圍為相同樹種且呈隨機分布；同一混交度對應的相對頻率值隨著角尺度從0.00增大到1.00時先增大后減小，并在角尺度為0.50時取得最大值，近似呈正態(tài)分布，即相同混交等級的林木大多處于隨機分布；隨著混交度的增大，相同分布格局對應的相對頻率值先大幅減小后趨于平緩，即同一分布格局的絕大多數(shù)林木處于零度混交，其他混交狀況的林木較少。以上分析表明，林分中林木分布格局較為合理，處于高度混交的林木株數(shù)比例極小，迫切需要調(diào)整樹種結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論與討論

本研究中，從秦嶺中段華北落葉松人工林結(jié)構(gòu)參數(shù)的二元分布可以看出，20年生林分中，處于不同優(yōu)劣程度和混交等級的林木株數(shù)比例大致相等；相同優(yōu)劣程度的林木大多處于隨機分布，而相同分布格局的林木在不同優(yōu)劣程度的分布比例基本相等；相同混交狀況的林木大多處于隨機分布，而相同分布格局的林木處于不同混交等級的比例大致相等。40年生林分中，相同優(yōu)劣程度的林木混交程度較低，而相同混交狀況的林木在不同優(yōu)劣等級的株數(shù)比例幾乎相等；相同優(yōu)劣程度的林木大多處于隨機分布，處于其他分布格局的林木比例較小，而相同分布格局林木在不同優(yōu)劣程度分布的相對頻率值大致相等；最常見的結(jié)構(gòu)單元為參照樹周圍為相同樹種且呈隨機分布，相同混交狀況的林木大多處于隨機分布，而同一分布格局的林木周圍絕大多數(shù)為零度混交，其他混交狀況的林木較少。

上述結(jié)構(gòu)特征反映了華北落葉松人工林空間結(jié)構(gòu)異質(zhì)性較低，與實際調(diào)查情況相符。華北落葉松人工林空間結(jié)構(gòu)異質(zhì)性較低與其發(fā)展階段密不可分。華北落葉松人工林采用純林造林模式，群落演替進程非常緩慢，林內(nèi)以華北落葉松占絕對優(yōu)勢，其他樹種的比例非常低，林下土著植被種類稀少[15]；同時，由于華北落葉松人工林林分密度較大，喬木層幾乎占據(jù)了全部的資源空間，林下光照、水熱、養(yǎng)分、生存空間不足，土壤肥力和酶活性顯著降低[16]，限制了林下植被的繁殖、定居、更新與發(fā)育，植物多樣性指數(shù)降低，不利于林下土著植被群落的建構(gòu)，這是造成林分混交度低的主要原因。由于華北落葉松人工林初植密度非常大，隨著生長的進行，林木個體間對光照、水分和營養(yǎng)等條件的競爭愈加激烈，導致部分林木大小分化嚴重，但同齡優(yōu)勢種個體間競爭能力相當，生態(tài)位幾乎完全相同且相互競爭過程中相互影響、彼此制約，這可能使得多數(shù)林木大小分化程度不明顯。秦嶺中段華北落葉松人工林風倒、雪折、病蟲等自然災害嚴重[15]，該區(qū)落葉松近熟林和幼齡林更新狀況不良，其林分內(nèi)更新幼苗、幼樹的種類和數(shù)量較少，天然下種能力十分有限[19]，長期以來尚未采取有效的間伐、補植等經(jīng)營措施，林木分布格局變化非常緩慢，這也就導致了華北落葉松人工林林分不同優(yōu)劣程度林木混交度低、不同分布格局的林木大多處于零度混交、不同優(yōu)劣程度的林木大多處于隨機分布，故難以形成健康穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)。

林分空間結(jié)構(gòu)的二元分布特征更好地提供了林分不同空間結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的林木生境信息，有利于采伐木的高效選擇。例如武紀成[24]以角尺度、混交度2項指標作為約束對落葉松-云杉-冷杉林林分結(jié)構(gòu)進行調(diào)整時，初步篩選出角尺度W取值為 0.5，0.75和1且混交度M為任意取值的15種不同組合的所有林木結(jié)構(gòu)單元及混交度M取值為0，0.25和0.5且角尺度W為任意取值的15種不同組合的所有林木結(jié)構(gòu)單元作為調(diào)整的對象，在分析過程中逐漸舍棄多余或者重復的21種不同組合的結(jié)構(gòu)單元，即角尺度分別為0.5，0.75，1且混交度為0.75和1，混交度分別為0，0.25，0.5且角尺度為0和0.25的所有林木結(jié)構(gòu)單元，再根據(jù)具體的林木分布格局和混交狀況，確定了最終需要調(diào)整的結(jié)構(gòu)單元。而本研究根據(jù)混交度-角尺度的二元分布，清晰、明確地呈現(xiàn)出角尺度分別為0.5，0.75，1且混交度取值0，0.25 和 0.5的9種不同組合的林木結(jié)構(gòu)單元的分布狀況，大大提高了篩選的效率，減少了工作量，且可以從二元分布圖上直觀地看出這9種不同組合(Wi，Mj)的數(shù)量特征和分布狀況，確保需調(diào)整結(jié)構(gòu)單元篩選的針對性和準確性，同時給出林分空間結(jié)構(gòu)調(diào)整過程中可采取的最大采伐強度，即這9種不同組合的分布頻率之和，為合理確定采伐強度提供了依據(jù)。這種組合優(yōu)勢在之前的林分優(yōu)化過程中并未加以考慮和應用[4,6-8]，而二元分布給出了合理全面的解釋并能在采伐實踐中得以實現(xiàn)。

單一的優(yōu)化指標會因為缺少林分空間信息因子而造成優(yōu)化的片面性，所以在考慮林分空間優(yōu)化時，幾個優(yōu)化指標相互對照使用更為合理[6]。例如單獨調(diào)整林木的混交狀況而忽略林木分布格局和大小分化程度，未免會造成林木之間聚集分布和對空間、資源的激烈競爭等一系列問題，而理想的林分結(jié)構(gòu)應為林分中樹種合理、林木分布均勻、林木間競爭相對穩(wěn)定、有足夠的養(yǎng)分及空間等，因而充分挖掘林分結(jié)構(gòu)潛在的空間異質(zhì)性信息尤為重要，二元分布直觀地給出了結(jié)構(gòu)參數(shù)組合的分布狀況和數(shù)量特征，可以提供更直接的參考信息。林分空間結(jié)構(gòu)的二元分布中，處于優(yōu)勢且高度混交、優(yōu)勢且隨機分布、高度混交且隨機分布的林木比例遠遠小于其他條件下的林木，分布不合理，這些不僅為林分空間結(jié)構(gòu)調(diào)整提供了大量且更具操作性的異質(zhì)性信息，而且更好地反映出了現(xiàn)實林分結(jié)構(gòu)與理想結(jié)構(gòu)的較大差距，這些差距也決定了林分結(jié)構(gòu)調(diào)整過程的長期性和復雜性。而這些組合所反映的林分空間結(jié)構(gòu)信息在之前的研究中鮮有報道[4,6-8]。同時，可依據(jù)二元分布的這些獨特優(yōu)勢，通過采伐、補植等經(jīng)營措施調(diào)整不同組合狀態(tài)的林木比例，有針對性地縮小現(xiàn)實林分結(jié)構(gòu)與理想結(jié)構(gòu)的差距，制定科學合理的經(jīng)營措施，廣泛地指導經(jīng)營實踐。

基于空間結(jié)構(gòu)特征的林分空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化經(jīng)營模型[7,25-26]、森林可視化模擬經(jīng)營[6,8,27]等，需要借助計算機完成大量數(shù)據(jù)的錄入和復雜的計算過程，要求較高的計算機水平且易受林分類型和立地因子的影響，不易為廣大基層林業(yè)工作者認識和理解，也就難以落實到具體的現(xiàn)實林業(yè)經(jīng)營實踐活動中。而二元分布數(shù)據(jù)的獲取、處理和分析比較簡便，在基層的營林活動中，林業(yè)工作者可直接根據(jù)單株林木所處小環(huán)境的具體情況，即參照樹周圍的相鄰木分布格局、混交情況和競爭壓力直接判定這一空間結(jié)構(gòu)單元是否需要調(diào)整及如何進行調(diào)整，從而制定科學的經(jīng)營措施。因此，二元分布的獨特優(yōu)勢在實際的森林經(jīng)營中具有更強的可操作性，但長期、大尺度、多維度的森林空間結(jié)構(gòu)量化分析與優(yōu)化仍要進一步研究和完善。

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