委 霞，曹小玉，李際平，龐一凡

(中南林業(yè)科技大學(xué) 林學(xué)院，湖南 長沙 410004)

森林是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要的組成部分，擁有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)組成、廣闊的分布面積和豐富的物種資源，對于全球的環(huán)境變化影響作用顯著，同時(shí)也是人們賴以生存和發(fā)展的重要保障[1]。依據(jù)可持續(xù)的森林經(jīng)營理念，生態(tài)安全持續(xù)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣、生產(chǎn)力效用高是森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營目標(biāo)。林分空間結(jié)構(gòu)是林木在生長過程中由樹種的生物學(xué)特性、生長環(huán)境及經(jīng)營措施綜合作用形成的，是森林生態(tài)系統(tǒng)的重要屬性[2]。大量的科學(xué)研究表明，林分空間結(jié)構(gòu)通過影響林分的生長、發(fā)育和穩(wěn)定，從而決定森林多功能的發(fā)揮[3]。因此，近年來國內(nèi)外專家學(xué)者對于林分空間結(jié)構(gòu)的研究越來越多，并取得了一系列重要成果：惠剛盈[4]提出了以空間結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ)的林分空間結(jié)構(gòu)量化分析方法，H.Pretzsch[5]介紹了空間林分結(jié)構(gòu)作為林分的中心特征，呂延杰[6]等研究了林分空間結(jié)構(gòu)對云冷杉林分胸徑生長量的影響，但研究多集中于對空間結(jié)構(gòu)的分析[7]，而針對林分空間結(jié)構(gòu)的評價(jià)則研究比較少。

異齡、復(fù)層、混交的天然次生林在涵養(yǎng)水源、維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)多樣性和固碳方面具有較強(qiáng)的功能性，同時(shí)對于我國木材和薪炭材的生產(chǎn)、林副產(chǎn)品的產(chǎn)出等方面的作用也不可或缺，是我國重要的森林類型[8]。在我國，天然次生林占地面積大、分布范圍廣，對于林業(yè)發(fā)展和生態(tài)建設(shè)具有重大意義[9]。根據(jù)結(jié)構(gòu)決定功能的原理，通過優(yōu)化天然次生林空間結(jié)構(gòu)是提高其生態(tài)服務(wù)功能的主要途徑[10]。本研究以湖南省平江縣福壽林場天然次生林為對象，選取角尺度、混交度和林層指數(shù)3個(gè)林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)分析其林分空間結(jié)構(gòu)特征，運(yùn)用乘除法原理構(gòu)建空間結(jié)構(gòu)評價(jià)參數(shù)對其空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)。以期為制定合理的林分空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施提供理論依據(jù)，同時(shí)也為人工林林分的空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化和生態(tài)功能提高提供參照模板。

1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)為湖南省平江縣南郡福壽國有林場(28°3′00″-28°32′30″N,113°41′15″-113°45′00″E)，占地面積約1 274 hm2，海拔800～1 500 m，地形走勢總體由北向南，山體上下陡立，中部平坦，整體起伏明顯，平均坡度為25°左右；林地植被茂盛，土壤以黃棕壤為主；氣候夏熱冬溫，屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候與濕潤大陸性季風(fēng)氣候的過渡型區(qū)域，年平均氣溫12.1℃，日照豐富，有效積溫可達(dá)4 547℃；降水較多且四季相對均勻，全年變化不明顯；陰霧多濕，空氣溫潤，年相對濕度87.5%；物種多樣，據(jù)調(diào)查現(xiàn)有木本植物55科275種。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選擇立地條件一致，受人類活動(dòng)影響較小且可以正確反映林分內(nèi)基本狀況的原則，在全面踏查的基礎(chǔ)上，利用pvc塑料管和玻璃繩等工具在林地中設(shè)置3塊20 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)地。為了更準(zhǔn)確地掌握林分內(nèi)樹種組成和空間結(jié)構(gòu)狀況，將樣地平均劃分為6個(gè)10 m×10 m的調(diào)查單元，對每塊調(diào)查單元用數(shù)字進(jìn)行編號(hào)命名并記錄坐標(biāo)位置，規(guī)定每塊標(biāo)準(zhǔn)地的1號(hào)調(diào)查樣格頂角為坐標(biāo)原點(diǎn)。對標(biāo)準(zhǔn)地的基本情況進(jìn)行調(diào)查，對已達(dá)到起測胸徑(≥5.0 cm)的林木分別編號(hào)，定位，記錄樹種，測定基本林木因子等(表1)。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic situations of sample plots

2.2 研究方法

2.2.1 林分空間結(jié)構(gòu)單元的確定 在林分內(nèi)任選1株林木，它與周圍相鄰的n株林木所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)框架是林分內(nèi)最基本的空間結(jié)構(gòu)單元，以該單元為基礎(chǔ)進(jìn)行林分空間結(jié)構(gòu)的研究分析。采取國內(nèi)通用的n=4構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)單元來分析評價(jià)福壽林場天然林的空間結(jié)構(gòu)[11]。

2.2.2 邊緣矯正 樣地邊緣的林木其相鄰木可能會(huì)位于樣地之外，因此在計(jì)算過程中為防止邊緣效應(yīng)，須對樣地進(jìn)行邊緣矯正[12]，在樣地每條林分邊緣內(nèi)設(shè)置緩沖帶，寬2.0 m，對緩沖帶環(huán)繞的核心區(qū)內(nèi)目標(biāo)樹進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)研究分析。

2.2.3 林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)計(jì)算

1)角尺度(W)是用于判斷林木水平分布格局的參數(shù)[13]。表達(dá)式為：

(1)

式中，Wi為第i株參照木的角尺度，zij為離散型變量，其取值為：

2)混交度(M)表達(dá)林分中各樹種相互隔離的程度[14]。表達(dá)式為：

(2)

式中，Mi為第i株參照木的混交度；vij為離散型變量，取值為：

3)林層指數(shù)(S)是用于反映林分林層結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的參數(shù)[15]。表達(dá)式為：

(3)

式中，Si為參照木i的林層指數(shù)，sij為離散型變量，其取值為：

2.2.4 林分空間結(jié)構(gòu)評價(jià)指數(shù)計(jì)算 確定林分空間結(jié)構(gòu)主要影響因子是對空間結(jié)構(gòu)評價(jià)指數(shù)定義的關(guān)鍵所在。選取角尺度、混交度和林層指數(shù)3個(gè)指標(biāo)林分空間結(jié)構(gòu)評價(jià)指數(shù)構(gòu)建林分空間結(jié)構(gòu)評價(jià)指數(shù)。由于林分的空間結(jié)構(gòu)是在長期的生長演化過程中經(jīng)過不斷選擇、更新、混交的結(jié)果，各個(gè)林分的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)可能存在相互影響、相互依存又相互競爭和排斥，因此很難要求各個(gè)參數(shù)全部達(dá)到最優(yōu)，只能追求整體林分目標(biāo)最佳?；诖耍捎贸顺▽Ω骺臻g結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)規(guī)劃[16]。

乘除法基本思路：以x作為決策向量，當(dāng)有m個(gè)目標(biāo)時(shí)：f(x1),…,f(xm)，要求其中k個(gè)目標(biāo)達(dá)到最大：f(x1),…,f(xk)，其余目標(biāo)則需要實(shí)現(xiàn)最?。篺(xk+1),…,f(xm)，所有目標(biāo)均>0。使用評價(jià)函數(shù)Q(x)為目標(biāo)函數(shù)：

(4)

林分空間結(jié)構(gòu)的各個(gè)參數(shù)中，混交度和林層指數(shù)取值以大為佳，角尺度則以0.5為好，因此在計(jì)算空間結(jié)構(gòu)評價(jià)指數(shù)的過程中，需對角尺度數(shù)值進(jìn)行一定的處理：為了使角尺度的最佳值0.5符合取值范圍的極值，將角尺度分布范圍內(nèi)所有數(shù)據(jù)減去0.5再取絕對值，即Wi∈(0,1]→Wi∈|(-0.5,0.5]|，處理后的角尺度取值范圍為Wi∈[0,0.5]，取值越接近0越好，為最佳值。按照公式(4)綜合3個(gè)子目標(biāo)，得出林分空間結(jié)構(gòu)評價(jià)指數(shù)的計(jì)算公式如下：

(5)

式中，M(g)、S(g)和W(g)分別代表單木混交度、林層指數(shù)和角尺度；σM、σS和σW代表林木混交度、林層指數(shù)和角尺度的標(biāo)準(zhǔn)差。為方便對各評價(jià)指數(shù)值進(jìn)行比較分析，采用歸一化將各參數(shù)進(jìn)行等量變換處理：

(6)

式中，xi為歸一化前的參數(shù)值，x′為歸一化處理后的值，xmax和xmin分別為樣本數(shù)據(jù)中的最大值和最小值。

2.2.5 林分空間結(jié)構(gòu)評價(jià)指數(shù)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn) 依據(jù)公式(5)和(6)，計(jì)算出林分空間結(jié)構(gòu)評價(jià)指數(shù)值后進(jìn)行歸一化處理，再結(jié)合前人的研究對林分空間結(jié)構(gòu)評價(jià)指數(shù)等級(jí)進(jìn)行劃分[17-18]，規(guī)定當(dāng)L(g)≥0.8，林分空間結(jié)構(gòu)非常理想；0.6≤L(g)<0.8時(shí)，林分空間結(jié)構(gòu)較好；0.4≤L(g)<0.6時(shí)，林分空間結(jié)構(gòu)一般；0.2≤L(g)<0.4時(shí)，林分空間結(jié)構(gòu)較差；L(g)<0.2時(shí)，林分空間結(jié)構(gòu)差，評價(jià)等級(jí)值分別為5、4、3、2、1。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分空間結(jié)構(gòu)

3.1.1 角尺度分析 林木的水平分布格局以隨機(jī)分布為最佳，Wi值以接近0.5為優(yōu)。從表2可以看出，3個(gè)樣地的平均角尺度分別為0.44、0.45、0.48，全林分平均角尺度為0.45，3個(gè)樣地的水平格局分布均接近隨機(jī)分布。研究表明林分的單株林木多以隨機(jī)分布為主，林木的水平分布狀況較好，無明顯林木聚集與人為干擾情況，林分狀態(tài)比較理想。

表2 角尺度分布頻率Table 2 Uniform angle index division frequency of the sample plots

樣地1中亮葉水青岡與白檀樹種，樣地2中的化香和鹿角杜鵑樹種，平均角尺度均<0.4，分別為0.39、0.38、0.35和0.31，在均勻與隨機(jī)區(qū)間分布，對于林木水平方向上的空間利用影響不大，不需要人為進(jìn)行干涉調(diào)整；樣地2中白檀的平均角尺度為0.63，為不均勻分布，存在同種單株林木聚集的情況，需要通過調(diào)整結(jié)構(gòu)使其向隨機(jī)分布過渡，但占比較小，為11.5%，對林分整體影響不大，可忽略不計(jì)。3個(gè)樣地其他樹種的平均角尺度分布頻率均在0.5左右，處于均勻與隨機(jī)區(qū)間分布，多接近于隨機(jī)生長。

3.1.2 混交度分析 一般認(rèn)為林分的混交度越高林分的生產(chǎn)力越好，即Mi取值越大則越優(yōu)。分析表3可以看出：3個(gè)樣地的林分平均混交度分別為0.85、0.77、0.59，全林分平均混交度為0.73，樣地1和樣地2為極強(qiáng)度混交，樣地3接近強(qiáng)度混交，說明福壽林場天然次生林林分樹種豐富多樣，林分穩(wěn)定性較強(qiáng)，生活力較好，具有較強(qiáng)的抵抗能力，可抵御一般的自然災(zāi)害。

表3 混交度分布頻率Table 3 Mingling division frequency of the sample plots

樣地3中化香樹種的平均混交度為0.34，接近中度混交狀態(tài)，說明化香樹種并未完全被其他樹種包圍，混交程度較低，存在部分林木與同樹種林木聚集生長的情況。樣地2的鹿角杜鵑以及樣地3的青岡櫟樹種，混交度的平均值為0.58和0.51，接近中度混交，在中度混交以上，這3個(gè)樹種需要在周圍補(bǔ)植一些其他樹種林木以增強(qiáng)樹種混交程度，提高林分活力。3個(gè)樣地其他樹種混交度平均值的分布頻率0.60以上，混交程度均在中度混交以上；部分樹種，如羽脈新木姜子和中華石楠?jiǎng)t達(dá)到了完全混交。由于原始林遭受的破壞程度不同，殘留的樹種多少有差異，導(dǎo)致3個(gè)樣地的混交度存在差異。分析表明，福壽林場天然次生林林分的各樹種都與其他樹種進(jìn)行了不同程度的混交，同樹種林木單獨(dú)聚集生長的情況較少，林木種間的隔離程度較高。

3.1.3 林層指數(shù)分析 從表4可以看出，3個(gè)樣地的平均林層指數(shù)分別為0.44、0.41和0.39，全林分平均林層指數(shù)為0.42，即該林分結(jié)構(gòu)單元平均由接近2棵非同層相鄰木與參照木組成，林分整體垂直結(jié)構(gòu)成層情況較好，林層豐富多樣成層復(fù)雜，在垂直方向上空間利用性較強(qiáng)。

表4 林層指數(shù)分布頻率Table 4 Storey level rate division frequency of the sample plots

分析各樹種林層指數(shù)平均值大小，樣地1的白木烏桕、山槐和羽脈新木姜子，樣地2的鹿角杜鵑和蠟瓣花，這5個(gè)樹種的林層平均指數(shù)值>0.50，表明由這些樹種為參照構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元中平均有2株及以上的相鄰木與參照樹不在同一林層。樣地1中的白檀與樣地3的冬青樹種林層指數(shù)平均值為0.13和0.17，這2樹種的參照樹周圍非同林層林木平均為0.6株；其余樹種的林層指數(shù)平均值大小均為0.25～0.50。各樹種在垂直結(jié)構(gòu)分層情況比較良好。

3.2 天然次生林空間結(jié)構(gòu)評價(jià)

由圖1可知，3塊天然次生林標(biāo)準(zhǔn)地的空間結(jié)構(gòu)評價(jià)指數(shù)分別為0.624 8、0.554 1和0.569 3，樣地1評價(jià)等級(jí)為第4等級(jí)，樣地2、3評價(jià)等級(jí)從屬第3等級(jí)，林分空間結(jié)構(gòu)為較好和一般。表明林分的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)值有1/2左右已達(dá)到理想的取值標(biāo)準(zhǔn)，樹種的隔離混交程度尚佳，林分水平分布格局接近隨機(jī)分布，林層較復(fù)雜。天然次生林林分整體目標(biāo)較好，空間利用性較強(qiáng)，但還未達(dá)到理想的空間結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 天然次生林空間結(jié)構(gòu)評價(jià)指數(shù)和評價(jià)等級(jí)Fig.1 The evaluation index and grade of natural secondary forest spatial structure

4 結(jié)論與討論

選取角尺度、混交度和林層指數(shù)3個(gè)林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)分析了福壽林場天然次生林林分的空間結(jié)構(gòu)特征，運(yùn)用乘除法原理構(gòu)建空間結(jié)構(gòu)評價(jià)參數(shù)對其空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行評價(jià)。結(jié)果表明：林分混交度的平均值為0.73，接近強(qiáng)度混交。這是由于研究區(qū)的天然次生林保留了原始天然林豐富的樹種，林分混交程度良好。林分平均林層指數(shù)為0.42，在垂直方向上成層較為復(fù)雜，這是由于在后期經(jīng)營過程中對林分進(jìn)行了補(bǔ)植，且多為幼樹，豐富了林層，增強(qiáng)了林分的樹高差異。林分平均角尺度為0.45，接近隨機(jī)分布，但有部分林木表現(xiàn)出完全聚集分布的狀況，角尺度>0.75，可將其作為林分調(diào)整對象，使林分水平格局向隨機(jī)分布轉(zhuǎn)化。

林分空間評價(jià)進(jìn)一步表明研究區(qū)天然次生林林分空間結(jié)構(gòu)評價(jià)指數(shù)為0.624 8、0.554 1和0.569 3，評價(jià)等級(jí)分屬3、4等級(jí)，林分空間結(jié)構(gòu)整體較理想，但和理想的空間結(jié)構(gòu)仍有一定差距。這是因?yàn)楦哿謭銎骄０屋^高，且坡度較陡，并非林木生長最佳適宜高度，冬季溫度低，寒潮來襲時(shí)降水容易形成枝梢結(jié)冰，不利于林木生長，降低補(bǔ)植幼樹的成活率，且單純依靠自然更新則存在林分生長緩慢，生產(chǎn)力低下，抵抗風(fēng)災(zāi)雪害能力較弱等問題[19]。為了天然次生林可以高效快速的成長為生長狀況良好、結(jié)構(gòu)完整、能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的健康林分，還需人為加強(qiáng)管護(hù)，在盡量保持天然次生林原有的林地生物多樣性不降低的前提下，選擇干形通直、樹體無明顯損傷、未遭受顯著蟲害與菌害的林木作為目標(biāo)樹經(jīng)營培育；對于已經(jīng)損傷、斷頭或過于聚集生長，影響目標(biāo)樹正常生長的林木進(jìn)行適當(dāng)伐除[20]；由于林分屬于天然更新，在生長過程中曾遭受過不同程度的破壞，林地上存在一些林窗，為了使林分更快恢復(fù)，可以選擇一些當(dāng)?shù)貎?yōu)良的鄉(xiāng)土樹種進(jìn)行補(bǔ)植，如馬褂木和錐栗(Castaneahenryi)。

本研究采用單項(xiàng)指標(biāo)對福壽林場天然次生林的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，未考慮各項(xiàng)指標(biāo)之間的相互關(guān)系，在以后的研究中可以考慮各指標(biāo)之間兩兩結(jié)合，建立二元分布[21]，或同時(shí)考慮3個(gè)指標(biāo)建立三元分布進(jìn)行分析。而且本研究基于福壽林場3塊樣地，數(shù)據(jù)來源偏少，今后可以在此基礎(chǔ)上擴(kuò)大樣地面積，擴(kuò)大樣本容量，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性。