韓敏 董希斌 劉慧 張期奇
(森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué)),哈爾濱,150040)
森林生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)巨大而復(fù)雜的系統(tǒng),動(dòng)植物種類繁多,群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在人類的生存與發(fā)展過程中發(fā)生著至關(guān)重要的作用[1]。林分結(jié)構(gòu)不僅反映林木的生長(zhǎng)狀況,還為維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)揮了重要的作用。同時(shí),林分空間結(jié)構(gòu)還與林分的功能相互影響,不同的林分結(jié)構(gòu)會(huì)反應(yīng)不同的林分功能,林分功能的強(qiáng)弱也會(huì)間接的反映出林分結(jié)構(gòu)的合理性[2]。森林空間結(jié)構(gòu)是林分特征的重要內(nèi)容,并且為經(jīng)營(yíng)森林提供強(qiáng)有力的理論基礎(chǔ)[3]。許多學(xué)者已經(jīng)對(duì)森林空間結(jié)構(gòu)方面展開了大量的研究,研究范圍不斷擴(kuò)大、研究方法不斷更新、研究?jī)?nèi)容不斷豐富,并且取得了一系列重要的成果[4-7]。對(duì)于林分結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)相對(duì)成熟。
落葉松在東北地區(qū)分布廣泛,其中大部分為人工林,主要用于生態(tài)防護(hù)[8]。目前,關(guān)于天然落葉松林土壤理化性質(zhì)、水文性能、持水性等方面的研究較多[9-13],但對(duì)林分結(jié)構(gòu)的研究相對(duì)較少。本文以黑龍江省大興安嶺地區(qū)的翠崗林場(chǎng)的不同演替階段的落葉松天然次生林為研究對(duì)象,主要利用威布爾分布函數(shù),對(duì)混交度、大小比數(shù)和角尺度等空間參數(shù)展開分析,為大興安嶺落葉松天然次生林的可持續(xù)發(fā)展與更新?lián)嵊峁﹨⒖肌?/p>
試驗(yàn)區(qū)設(shè)在黑龍江省大興安嶺林區(qū)的翠崗林場(chǎng)(124°5′46.7″~124°30′0.8″E,51°38′14.4″~51°47′7.1″N),總共分為4塊林班,分別為119林班1小班(幼齡林試驗(yàn)區(qū))、285林班1小班(中齡林試驗(yàn)區(qū))、352林班1小班(近成熟林試驗(yàn)區(qū))、288林班2小班(成熟林試驗(yàn)區(qū))。該地區(qū)屬于寒溫帶大陸性氣候,四季分明,冬季嚴(yán)寒、夏季炎熱,氣溫年較差、日較差很大,年平均氣溫-1.2 ℃,年平均積溫不足1 600 ℃;年降水量較少,約為500 mm,大陸性強(qiáng);土壤以棕土為主,土壤平均厚度18 cm,土壤形態(tài)分布層次比較明顯,有機(jī)質(zhì)含量多;平均林齡分別為35、52、91、122 a。該試驗(yàn)區(qū)海拔570~620 m,地勢(shì)平坦,坡度多在6°以下,風(fēng)力大。試驗(yàn)區(qū)林分類型為興安落葉松林(Larixgmelinii),其次還有少量白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、楊樹(PopulusL.)。
研究區(qū)內(nèi)設(shè)置4塊不同演替階段樣地,分別編號(hào)1~4,齡組類型分別為幼齡林、中熟林、近成熟林、成熟林,每塊樣地面積為60 m×60 m;2019年7月16日—2019年8月2日測(cè)定。研究區(qū)內(nèi)林分類型為天然次生林,在設(shè)置的4塊樣地內(nèi)構(gòu)成了1個(gè)由幼齡林分逐漸向成熟林分轉(zhuǎn)變的過程。由于起測(cè)胸徑的確定會(huì)直接影響林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算,因此,本研究按照S形的路線方式,在各樣方內(nèi)對(duì)胸徑大于5.0 cm的單木進(jìn)行每木調(diào)查;以每個(gè)樣方西南角為坐標(biāo)原點(diǎn),記錄樣方內(nèi)林木的樹種、胸徑、樹高、冠幅、枝下高及相對(duì)空間坐標(biāo)(見表1)。
威布爾分布(Weibull distribution),又稱韋伯分布,通常是用來(lái)檢驗(yàn)工件壽命和分析可靠性的重要理論基礎(chǔ),主要通過該函數(shù)建立實(shí)際的數(shù)學(xué)模型,再利用計(jì)算機(jī)軟件(MATLAB)對(duì)其所得函數(shù)進(jìn)行曲線擬合,進(jìn)而進(jìn)行初步的評(píng)價(jià)[14]。威布爾分布函數(shù)的概率密度函數(shù)為:
(1)
式中:a為位置參數(shù);b為尺度參數(shù);c為形狀參數(shù);x為組中值。
表1 不同演替階段天然落葉松林樣地基本概況
用Winkelmass1.0林分空間結(jié)構(gòu)分析軟件將樣地的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析,各個(gè)指標(biāo)計(jì)算方法如下:
混交度(Mi)是反映混交林中不同樹種的隔離程度[15-17],定義是在參照樹i的4株相鄰木中,與每個(gè)參照樹i不同種類的個(gè)體占據(jù)的比例[18]。計(jì)算公式為Mi=(1/4)∑vij、i=1~4。式中的vij為離散型變量,當(dāng)參照樹i與第j株相鄰木屬于非同種時(shí)vij=1;反之,vij=0。Mi有5種取值,分別為0(零度混交)、0.25(弱度混交)、0.50(中度混交)、0.75(強(qiáng)度混交)、1.00(極強(qiáng)度混交)。
大小比數(shù)(Ui)主要反映林分中樹種優(yōu)勢(shì)程度,用以描述林分中林木分化程度的大小,其定義為胸徑大于參照樹i的相鄰木個(gè)體數(shù)占全部4株最近相鄰木的比例[19]。計(jì)算公式為Ui=(1/4)∑kij、i=1~4。式中的kij為離散型變量,當(dāng)參照樹的胸徑比第j株相鄰木小時(shí)kij=1;反之,kij=0。Ui有5種取值,分別為0(優(yōu)勢(shì)地位)、0.25(亞優(yōu)勢(shì)地位)、0.50(中庸地位)、0.75(劣勢(shì)地位)、1.00(絕對(duì)劣勢(shì)地位)。
角尺度(Wi)用來(lái)描述林木水平分布格局,并且在2個(gè)相鄰木的鄰接夾角中選擇其中的小角(α),與標(biāo)準(zhǔn)角(α0,相鄰木均勻分布時(shí)的夾角)進(jìn)行比較。此時(shí)角尺度的定義為:α小于α0的個(gè)數(shù)占4個(gè)鄰接夾角的比例[20]。計(jì)算公式為:Wi=(1/4)∑zij、i=1~4。式中的zij為離散型變量,定義為當(dāng)?shù)趈個(gè)α的值小于α0時(shí),zij=1;反之,zij=0。
利用具體的威布爾分布函數(shù)分別計(jì)算出4塊樣地的林木株數(shù),從而得到理論株數(shù)和實(shí)際株數(shù)分布情況。由表2可見,實(shí)際株數(shù)與理論株數(shù)相差不大,說(shuō)明大興安嶺天然落葉松林可以用威布爾分布函數(shù)進(jìn)行曲線擬合;通過χ2檢驗(yàn)結(jié)果可知,4塊不同演替階段的落葉松天然次生林的函數(shù)擬合效果不同,其原因與該地區(qū)的樹種單一有關(guān)。由威布爾分布函數(shù)的參數(shù)以及檢驗(yàn)結(jié)果(見表2),可預(yù)測(cè)出不同演替階段的4塊樣地的林木株數(shù),此結(jié)果可為調(diào)整林分結(jié)構(gòu)提供參考。
表2 威布爾分布函數(shù)參數(shù)估計(jì)及檢驗(yàn)
由林分直徑分布擬合分析結(jié)果(見圖1)可知,樣地的混交程度對(duì)威布爾分布函數(shù)的擬合程度影響較大。近成熟林與成熟林的混交度,比幼齡林與中齡林的混交度大,所以近成熟林與成熟林的直徑分布曲線更加符合威布爾函數(shù)分布特征,這主要是由于大興安嶺天然落葉松林的林分結(jié)構(gòu)較單一,其混交度也相對(duì)較低。
混交度:試驗(yàn)樣地的幼齡林、中齡林、近成熟林、成熟林的不同樣地混交度頻率分布見表3。經(jīng)計(jì)算,4塊樣地的平均混交度依次為0.017、0.037、0.103、0.236。由表3可見,在4塊樣地中0混交度(Mi=0)的個(gè)體分布頻率明顯高于其他4個(gè)混交度,說(shuō)明大興安嶺地區(qū)幼齡林、中齡林、近成熟林、成熟林混交度很低,這與大興安嶺地區(qū)的樹種單一有關(guān),需要對(duì)樣地進(jìn)行合理的種植改造,提高樣地的生物多樣性,適度種植一些除落葉松以外的伴生樹種。
表3 5種混交度值(Mi)在4塊樣地的分布頻率
大小比數(shù):胸徑大小指數(shù)主要體現(xiàn)了相鄰樹木之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系與競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)[21-22]。幼齡林、中齡林、近成熟林、成熟林的林分大小比數(shù)的分布情況見表4,由表4可見,樣地2、樣地4的落葉松和白樺的數(shù)量相差不大,處于相同的競(jìng)爭(zhēng)生態(tài)位,而樣地1、樣地3落葉松比白樺數(shù)量多,其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)地位明顯。兩樹種5種大小比數(shù)值(Ui)在4塊樣地的分布頻率見表5,樣地1、樣地2中的落葉松、白樺大小比數(shù)分布相差較大,樣地3、樣地4中的落葉松、白樺大小比數(shù)分布較為平均。不同演替階段的4塊樣地中,大小比數(shù)數(shù)值范圍為0.478~0.595之間,其中最大值出現(xiàn)在近成熟林中,最小值出現(xiàn)在成熟林中,幼齡林、中齡林2塊樣地大小比數(shù)相差不大;幼齡林、中齡林、近成熟林、成熟林平均大小比數(shù),分別為0.478、0.500、0.504、0.595。按照樣地的樹種平均大小比數(shù),由大到小依次為成熟林、近成熟林、中齡林、幼齡林。
表4 4塊樣地主要樹種平均大小比數(shù)
表5 兩樹種5種大小比數(shù)值(Ui)在4塊樣地的分布頻率
角尺度:研究區(qū)4塊樣地的角尺度頻率分布見表6。經(jīng)計(jì)算,4塊樣地的角尺度平均值分別為0.471、0.502、0.500、0.473。不同演替階段的4塊樣地,主要表現(xiàn)為中間高兩頭低的趨勢(shì),林分角尺度分布左右基本對(duì)稱,說(shuō)明整個(gè)樣地的分布格局屬隨機(jī)分布。4塊樣地的整體平均值為0.486,其中樣地3更接近于0.5;在落葉松天然次生林中隨機(jī)分布的格局,表現(xiàn)出林分結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定,對(duì)于個(gè)體比例偏高的樣地,對(duì)其進(jìn)行適度的調(diào)整。
表6 5種角尺度值(Wi)在4塊樣地的分布頻率
本文主要以大興安嶺不同演替階段天然次生林為研究對(duì)象,探究不同演替階段落葉松天然次生林林分空間結(jié)構(gòu),為該地區(qū)的落葉松林的撫育更新以及可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供參考。對(duì)其混交度、角尺度、大小比數(shù)等方面進(jìn)行分析,并運(yùn)用威布爾分布函數(shù)進(jìn)行林分直徑分布擬合與檢驗(yàn)。
不同演替階段林分的平均混交度,由大到小依次為成熟林(0.235)、近成熟林(0.103)、中齡林(0.037)、幼齡林(0.017),4塊樣地林分平均混交度為0.098,此結(jié)果顯示樣地的林分空間隔離程度較弱。在4塊樣地中,落葉松的混交度最低,對(duì)于整個(gè)林分而言,白樺的數(shù)量極少,對(duì)整個(gè)樣地的混交度影響較小。隨著演替進(jìn)行,落葉松林的物種多樣性提升,但自然演替狀態(tài)下,成熟林中的其他樹種數(shù)量仍較少。因此,人工干預(yù)種植其他伴生樹種,提高生物多樣性。
天然落葉松林不同演替階段平均大小比數(shù),由大到小依次為成熟林(0.595)、近成熟(0.504)、中齡林(0.500)、幼齡林(0.478),不同演替階段樣地林分中落葉松與白樺樹種胸徑平均大小比數(shù)范圍相差不大。以胸徑為分析指標(biāo)的大小比數(shù),主要反映的是參照樹與相鄰木個(gè)體之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系、樹種之間的競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)。在不同演替階段的4塊樣地,從整體上看,落葉松和白樺在不同樣地中其競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)也不同,主要表現(xiàn)為落葉松處于競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)地位。原因主要是樣地中落葉松數(shù)量太多,并使其種間競(jìng)爭(zhēng)增大,這與王智勇等[22]探究大興安嶺地區(qū)天然次生林林分結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀研究結(jié)果一致。其次,應(yīng)采取適當(dāng)調(diào)整落葉松的徑階分布的結(jié)構(gòu),在提高落葉松的平均大小比數(shù)的前提下,適當(dāng)減少落葉松數(shù)量,適當(dāng)種植一些白樺和楊樹,提高種間競(jìng)爭(zhēng),減小種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng);用降低白樺的大小比數(shù),間接的達(dá)到提高落葉松大小比數(shù),以促進(jìn)森林群落的正向演替。
4塊樣地的角尺度,由大到小依次為成熟林(0.473)、中齡林(0.502)、近成熟林(0.500)、幼齡林(0.471)。不同演替階段的空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)角尺度的分析結(jié)果可以看出,4塊樣地的角尺度整體平均值為0.486。角尺度對(duì)林木水平分布格局的判斷非常重要,當(dāng)0.475≤Wi≤0.517時(shí),為隨機(jī)分布;當(dāng)Wi<0.475時(shí),為均勻分布;當(dāng)Wi>0.517時(shí),為團(tuán)狀分布[19]??梢钥闯觯淙~松天然次生林林分,整體分布格局屬于隨機(jī)分布狀態(tài)。在不同角尺度下,其樣地的分布格局也呈現(xiàn)出不同的狀態(tài),目前此方面研究較少,但這對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)的研究非常重要。
不同演替階段,良好的林分空間結(jié)構(gòu)是森林資源充分利用的重要基礎(chǔ),與林分生長(zhǎng)密切相關(guān)。探究不同演替階段的林分空間結(jié)構(gòu)具有很高的科研價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義,但是,本文只探究了混交度、大小比數(shù)、角尺度3個(gè)因素,并且只在水平結(jié)構(gòu)上研究了林分空間特征;在以后的研究中,需要從多方面研究整個(gè)林分,為森林正向演替提高參考。
東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)2020年6期