趙文菲 曹小玉,2 謝政锠 龐一凡 孫亞萍 李際平,2 莫永俊 袁 達(dá)

(1.中南林業(yè)科技大學(xué)林學(xué)院 長(zhǎng)沙 410004； 2.南方森林資源經(jīng)營(yíng)與監(jiān)測(cè)國(guó)家林業(yè)與草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)沙 410004)

森林是生態(tài)環(huán)境中不可或缺的自然資源，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)賴以生存和發(fā)展的根本，對(duì)人類發(fā)展有著不可替代的作用。公益林作為以生態(tài)和社會(huì)效益為主的森林，是生態(tài)建設(shè)的重要部分，在應(yīng)對(duì)氣候變化、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、抵御自然災(zāi)害等方面具有重大意義(樊星火等， 2018)。杉木(Cunninghamialanceolata)是我國(guó)南方最重要的造林樹種，栽培歷史悠久，種植廣泛，具有生長(zhǎng)速度快、產(chǎn)量高、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)(張雄清等， 2014)；但由于管理措施不完善、管護(hù)水平不高等原因，現(xiàn)階段杉木公益林普遍存在林分質(zhì)量較低、林分結(jié)構(gòu)不合理、森林生態(tài)功能水平低下等問題，難以在短期內(nèi)達(dá)到預(yù)期的生態(tài)環(huán)境改善目標(biāo)。林分空間結(jié)構(gòu)是維持和改善森林質(zhì)量的基礎(chǔ)，是林分結(jié)構(gòu)最直觀的表現(xiàn)(劉玉平等， 2020)，林分空間結(jié)構(gòu)越合理，林分的穩(wěn)定性越高、功能越強(qiáng)，科學(xué)評(píng)價(jià)林分空間結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)橹贫ê蛯?shí)施以提高森林質(zhì)量、發(fā)揮森林多功能為目的的科學(xué)管理措施提供理論依據(jù)。

林內(nèi)樹種混交程度、林木水平分布格局和林木大小分化程度等共同決定了林分空間結(jié)構(gòu)。目前，林分空間結(jié)構(gòu)是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)(Baskentetal.， 2005； Getzinetal.， 2008； Liuetal.， 2021),研究主要集中在林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)量化(Hegyi， 1974； 惠剛盈等， 1999； 湯孟平等， 2012)、林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)分析方法(Lietal.， 2012； 白超， 2016； 和敬淵等， 2021)、林分空間結(jié)構(gòu)特征及動(dòng)態(tài)變化(Fraveretal.， 2017； 趙中華等， 2019； 張毅鋒等， 2021)、林分空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)模型構(gòu)建(郝月蘭， 2012； 林富成等， 2021)以及結(jié)構(gòu)化森林經(jīng)營(yíng)(惠剛盈等， 2009； 萬盼等， 2020)等方面，而林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)研究相對(duì)較少。已有關(guān)于林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的報(bào)道中，多數(shù)學(xué)者基于乘除法原理進(jìn)行林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)(李建軍等， 2013)，但由于該方法未考慮不同指標(biāo)參數(shù)對(duì)理想空間結(jié)構(gòu)形成的作用大小和貢獻(xiàn)程度，可能會(huì)使林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果產(chǎn)生偏差，基于此，有學(xué)者采用變異系數(shù)法、熵權(quán)-云模型法等確定指標(biāo)權(quán)重，進(jìn)而對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行加權(quán)評(píng)價(jià)，彌補(bǔ)了乘除法無法確定指標(biāo)權(quán)重的不足(張君鈺等， 2020； 李顯良等， 2021)。董靈波等(2013)引入微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)思想構(gòu)建林分空間結(jié)構(gòu)生產(chǎn)函數(shù)，從而對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)； 惠剛盈等(2010)通過建立迫切性指數(shù)評(píng)價(jià)林分空間結(jié)構(gòu)不合理方面；此外，還有學(xué)者基于單位圓(惠剛盈等， 2016a)、雷達(dá)圖(惠剛盈等， 2016b)、修正單位圓(Zhangetal.， 2018)等進(jìn)行林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)。這些方法雖取得了一定進(jìn)展，但是不同研究方法評(píng)價(jià)結(jié)果存在一定差異，因此，需要對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行進(jìn)一步探究，以尋求評(píng)價(jià)結(jié)果更精確、適用性更強(qiáng)的評(píng)價(jià)方法。

結(jié)構(gòu)方程模型(structural equation model, SEM)是一般線性模型(General Linear model, GLM)的擴(kuò)展，其將因素分析與路徑分析有機(jī)結(jié)合，相較于傳統(tǒng)回歸分析方法，具有能夠處理多個(gè)因變量、考慮測(cè)量誤差影響等優(yōu)勢(shì)(程開明， 2006； Librioetal.， 2020)。林分空間結(jié)構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)整體，其狀態(tài)受多種因素影響，林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)間既相互影響又相互制約。結(jié)構(gòu)方程模型從多重交互影響的角度聚焦整個(gè)林分空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，將因果關(guān)系的多元回歸分析與潛在變量的因子分析相結(jié)合，建模分析包括驗(yàn)證性分析和探索性分析，驗(yàn)證性分析通過適配度檢驗(yàn)判斷模型的擬合程度，進(jìn)行模型整體評(píng)價(jià)，避免了對(duì)單個(gè)變量之間直接關(guān)系的評(píng)估，探索性分析同時(shí)探討系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)變量間的關(guān)系并確定影響強(qiáng)度大小，能夠全面反映林分空間結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)及各指標(biāo)間復(fù)雜的影響關(guān)系和機(jī)制(Doncaster， 2007； Laughlinetal.， 2007； Zhaoetal.， 2020)。在林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)研究中，結(jié)構(gòu)方程模型基于現(xiàn)有理論的先驗(yàn)知識(shí)，分析模型中各因素之間的相互關(guān)系，全面提取原始數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)內(nèi)在邏輯關(guān)系計(jì)算路徑系數(shù)，克服多重線性，從而揭示關(guān)聯(lián)變量之間的直接和間接理論因果關(guān)系，并識(shí)別潛在的多元關(guān)系(Jonssonetal.， 2010； Yangetal.， 2020)?？梢?，采用結(jié)構(gòu)方程模型評(píng)價(jià)林分空間結(jié)構(gòu)是科學(xué)評(píng)價(jià)林分空間結(jié)構(gòu)的有益探索。本研究以湖南省平江縣蘆頭實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)杉木公益林為研究對(duì)象，基于30塊樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選取全混交度、角尺度、空間密度指數(shù)、林層指數(shù)、開敞度、交角競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)作為林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)，采用結(jié)構(gòu)方程模型確定各指標(biāo)權(quán)重，綜合評(píng)價(jià)杉木公益林林分空間結(jié)構(gòu)，確定不同齡組林分空間結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，以期為制定精準(zhǔn)可行的林分空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化和經(jīng)營(yíng)措施提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

中南林業(yè)科技大學(xué)蘆頭實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)(28°31′17″N—28°38′00″N，113°51′52″E—113°58′24″E)為中亞熱帶林學(xué)國(guó)家長(zhǎng)期科研基地，位于湖南省平江縣加義鎮(zhèn)境內(nèi)，地處湘東地區(qū)的岳陽(yáng)市東南邊陲，屬羅霄山脈北段，隔淚羅江與平江幕阜山背部相望(圖1)。林場(chǎng)屬中亞熱帶向北亞熱帶過渡氣候，平均氣溫18.5 ℃，面積約3 340 hm2，地貌以中山、低山為主，山勢(shì)較陡峭，平均坡度25°左右，最高海拔1272.5 m，最低海拔124 m，隨著海拔升高，土壤類型依次為紅壤、山地黃壤和山地黃棕壤。植被類型為中亞熱帶常綠闊葉林，在長(zhǎng)期經(jīng)營(yíng)過程中，不少山地的原始群落已被杉木林代替。研究樣地杉木林均為人工營(yíng)造，但由于山勢(shì)地形復(fù)雜，且林地多山石，再加上林木生長(zhǎng)過程中的自然稀疏和自然災(zāi)害等原因，林木分布密疏不均。喬木層為杉木純林，幼齡林零星分布的伴生樹種有泡桐(Paulowniafortunei)、毛櫻桃(Prunustomentosa)、楓香(Liquidambarformosana)、馬尾松(Pinusmassoniana)、柳杉(Cryptomeriafortunei)等， 中齡林零星分布的伴生樹種有柳杉、青岡(Cyclobalanopsisglauca)、山槐(Albiziakalkora)、黃山松(Pinustaiwanensis)等， 近熟林零星分布的伴生樹種有毛竹(Phyllostachysedulis)、苦楝(Meliaazedarach)、亮葉樺(Betulaluminifera)、山雞椒(Litseacubeba)等。3個(gè)齡組杉木林的灌木層主要有滿山紅(Rhododendronmariesii)、鹽膚木(Rhuschinensis)、狗骨柴(Diplosporadubia)、山烏桕(Sapiumdiscolor)、冬青(Ilexchapaensis)等、草本層主要有芒(Miscanthussinensis)、卷柏(Selaginellauncinata)、鐵芒萁(Dicranopterislinearis)、狗脊(Woodwardiaorientalis)等。研究樣地杉木林均被劃為公益林經(jīng)營(yíng)。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2012和2017年，在蘆頭實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)分別設(shè)置18和12塊大小均為20 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地(幼齡林、中齡林、近熟林各設(shè)置10塊樣地，圖1)，采用相鄰網(wǎng)格法將每塊標(biāo)準(zhǔn)樣地劃分為6塊10 m×10 m樣格，以此為樣木調(diào)查單元，坐標(biāo)原點(diǎn)取樣地西南角，對(duì)樣木(胸徑≥2.0cm)編號(hào)掛牌后進(jìn)行每木檢尺并測(cè)得樣木坐標(biāo)(x，y)。調(diào)查內(nèi)容包括樣地經(jīng)緯度、坡度、坡位、坡向、海拔以及喬木樹種名稱、樹高、胸徑、坐標(biāo)、冠幅、枝下高等，樣地基本情況見表1。

圖1 研究區(qū)與樣地分布

表1 樣地基本情況①

續(xù)表1 Continued

2.2 研究方法

2.2.1 林分空間結(jié)構(gòu)單元確定 采用4株木法確定林分空間結(jié)構(gòu)單元，即以中心木相鄰近的4株木作為鄰近木，與中心木共同構(gòu)成空間結(jié)構(gòu)單元。同時(shí)，利用距離緩沖區(qū)法消除邊緣效應(yīng)，在樣地四周設(shè)置2 m帶狀緩沖區(qū)進(jìn)行邊緣矯正，緩沖區(qū)內(nèi)和矯正樣地內(nèi)的林木分別作為邊緣木和參照木，邊緣木只作為中心木的鄰近木。

2.2.2 林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)權(quán)重確定 采用結(jié)構(gòu)方程模型確定林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)權(quán)重，結(jié)構(gòu)方程模型是一種建立、估計(jì)和檢驗(yàn)因果關(guān)系模型的多元統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)，其整合回歸分析、因素分析、路徑分析和多元方差分析等方法，分為測(cè)量模型和結(jié)構(gòu)模型(Feistetal.， 2003； 俞立平等， 2010)：

X=Λxξ+δ;

(1)

Y=Λyη+ε;

(2)

η=Bη+Γξ+ζ。

(3)

方程(1)、(2)是測(cè)量模型，X為ξ的測(cè)量變量，Y為η的測(cè)量變量，ξ為外生潛變量，η為內(nèi)生潛變量，δ、ε為測(cè)量誤差向量，Λx、Λy為測(cè)量變量X、Y和潛變量ξ、η的相關(guān)系數(shù)矩陣。方程(3)是結(jié)構(gòu)模型，表示潛變量之間的因果關(guān)系，B為內(nèi)生潛變量之間的相關(guān)系數(shù)矩陣，Γ為外生潛變量ξ對(duì)內(nèi)生潛變量η的作用，ζ為模型中未能解釋的部分，是內(nèi)生潛變量的誤差。

1) 模型構(gòu)建 林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)首先需要構(gòu)建科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型。林分的空間分布格局、樹種混交程度和林木競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)共同構(gòu)成林分空間結(jié)構(gòu)(李際平等， 2020)，林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系需要客觀反映林木個(gè)體及其屬性(大小、分布、種類)的連接方式，從整體上評(píng)價(jià)林分結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性?；诖?，依據(jù)現(xiàn)有研究并借鑒前人成果，本研究將林分空間結(jié)構(gòu)作為外生潛變量，將水平空間結(jié)構(gòu)和垂直空間結(jié)構(gòu)作為內(nèi)生潛變量，并綜合考慮林分樹種隔離程度、空間分布格局、林木擁擠程度、林層結(jié)構(gòu)、透光條件及競(jìng)爭(zhēng)木受遮蓋和擠壓情況6方面，選取全混交度(湯孟平等， 2012)、角尺度(惠剛盈等， 1999)和空間密度指數(shù)(李際平等， 2008)作為林分水平空間結(jié)構(gòu)的觀測(cè)變量，林層指數(shù)(呂勇等， 2012)、開敞度(羅耀華等， 1984)和交角競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)(惠剛盈等， 2013)作為林分垂直空間結(jié)構(gòu)的觀測(cè)變量，構(gòu)建林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的理論模型(圖2)。

2) 模型識(shí)別 模型識(shí)別可分為正好識(shí)別、過度識(shí)別和低度識(shí)別3種，一般采用t規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn)，只有當(dāng)模型為正好識(shí)別或過度識(shí)別時(shí)，才能得到有效解(閻舟， 2019； 侯瓊， 2020)。本研究以每株中心木為1個(gè)樣本，根據(jù)結(jié)構(gòu)方程模型每個(gè)變量有10個(gè)以上樣本的要求(吳明隆， 2009)，從30塊樣地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取64個(gè)樣本作為結(jié)構(gòu)方程模型建模樣本，并將所選樣本的林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)值采用SPSS 25.0軟件的Z-score方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，再將標(biāo)準(zhǔn)化樣本數(shù)據(jù)輸入到AMOS 24.0軟件的理論模型(圖2)進(jìn)行模型識(shí)別。

3) 信度和效度檢驗(yàn) 基于標(biāo)準(zhǔn)化樣本數(shù)據(jù)，采用SPSS 25.0軟件計(jì)算克朗巴哈系數(shù)(Cronbach’sα)進(jìn)行數(shù)據(jù)可靠性分析； 并計(jì)算KMO(Kaiser-Meyer-Olkin)和巴特利球形檢驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)探索性因子分析(exploratory factor analysis, EFA)，即效度檢驗(yàn)(閻舟， 2019)。

圖2 林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系理論模型

4) 模型適配度檢驗(yàn) 驗(yàn)證性因子分析(confirmatory factor analysis, CFA)通過適配度檢驗(yàn)判斷檢驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型的適配程度，以確定數(shù)據(jù)是否符合假設(shè)的測(cè)量模型。模型適配度包括絕對(duì)擬合度、簡(jiǎn)約擬合度和增值擬合度(Zhaoetal.， 2018)，本研究采用AMOS 24.0軟件輸出的卡方自由度比值(normed Chi-square,χ2/df)、比較擬合指數(shù)(comparative fit index, CFI)、非正規(guī)化擬合指數(shù)(non-normed fit Index, NNFI)、遞增擬合指數(shù)(incremental fit index, IFI)和組合信度(composite reliability,CR)進(jìn)行模型適配度檢驗(yàn)(王長(zhǎng)義等， 2010； 溫忠麟等， 2004； Huetal.， 1998； Bentleretal.， 1990； Steigeretal.， 1980)。

5) 模型修正 模型估計(jì)和適配度檢驗(yàn)后，如果適配度不合適，則需對(duì)不適配或參數(shù)不合理的模型進(jìn)行修正?；诂F(xiàn)有研究，除了通過增加或刪減變量、改變路徑方法外，還有學(xué)者根據(jù)AMOS輸出報(bào)表的M.I.(modification indices)指標(biāo)進(jìn)行修正，對(duì)修正后模型再次進(jìn)行上述模型估計(jì)和適配度檢驗(yàn)，直至得到符合理論假設(shè)且適配度佳的模型(王姣， 2016)。本研究根據(jù)AMOS 24.0輸出報(bào)表的M.I.指標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行修正。

2.2.3 林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)分計(jì)算 林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)中，全混交度、林層指數(shù)、開敞度以取大為優(yōu)，其中因開敞度取值為(0,+∞)，故將其進(jìn)行歸一化處理(式4)； 空間密度指數(shù)、交角競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)以取小為優(yōu)，將空間密度指數(shù)、交角競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)用1減去指標(biāo)值，處理后得分以取大為優(yōu)； 因角尺度越接近0.5越好，故對(duì)其原始數(shù)據(jù)進(jìn)行正向化處理，即先同時(shí)減去0.5，再取絕對(duì)值，使數(shù)據(jù)取值在0～0.5之間，此時(shí)角尺度以取小為優(yōu)，最優(yōu)值為0(李建軍等， 2010)，在此基礎(chǔ)上，再用1減去處理后所得結(jié)果(式5)，得分以取大為優(yōu)，最后將處理后角尺度得分進(jìn)行歸一化處理(式4)。

(4)

式中：Bi為指標(biāo)得分；xi為處理前指標(biāo)值，xmin、xmax分別為數(shù)據(jù)中的最小值和最大值。

(5)

林分空間結(jié)構(gòu)綜合評(píng)分公式如下：

(6)

式中：A為林分空間結(jié)構(gòu)綜合評(píng)分；Wi為各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重，且Wi≥0，ΣWi=1；Bi為各項(xiàng)指標(biāo)得分；n為指標(biāo)數(shù)。

將林分空間結(jié)構(gòu)綜合評(píng)分以級(jí)距0.2劃分等級(jí)，表2為評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 數(shù)據(jù)處理

指標(biāo)計(jì)算數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析使用 Microsoft Excel 2016軟件； 結(jié)構(gòu)方程模型構(gòu)建、適配性檢驗(yàn)及修正使用AMOS 24.0軟件； 信度和效度檢驗(yàn)以及差異性分析使用 SPSS 25.0軟件，其中差異性分析采用單因素方差分析(ANOVA)和Duncan多重比較方法，檢驗(yàn)分析不同齡組之間各指標(biāo)在P<0.05水平上的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

表2 林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)方程模型

3.1.1 信度和效度檢驗(yàn) 林分空間結(jié)構(gòu)信度檢驗(yàn)的克朗巴哈系數(shù)為0.697，大于0.5，滿足林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)模型要求，可進(jìn)行下一步檢驗(yàn)。效度檢驗(yàn)的KMO為0.705，大于0.7； 且數(shù)據(jù)P為0.000，巴特利球形檢驗(yàn)結(jié)果良好，說明數(shù)據(jù)適合作因子分析。

3.1.2 驗(yàn)證性因子分析 根據(jù)AMOS 24.0輸出報(bào)表的M.I.指標(biāo)對(duì)模型進(jìn)行修正，修正后模型適配度運(yùn)行結(jié)果如表3所示，χ2/df為1.708，介于1～3之間，CFI、NNFI和IFI分別為0.944、0.924和0.946，均大于0.90，各擬合指數(shù)均符合適配參考值(王長(zhǎng)義等， 2010)，模型整體適配度良好。CR為0.8688，大于臨界值0.6，說明各觀測(cè)變量之間具有較高的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。

表3 模型適配度指標(biāo)

修正后結(jié)構(gòu)方程模型路徑如圖3所示，內(nèi)生潛變量水平空間結(jié)構(gòu)、垂直空間結(jié)構(gòu)的路徑系數(shù)分別為0.57、0.52，全混交度、角尺度、空間密度指數(shù)在林分水平空間結(jié)構(gòu)要素上的路徑系數(shù)分別為0.86、0.74、0.94，林層指數(shù)、開敞度、交角競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)在林分垂直空間結(jié)構(gòu)要素上的路徑系數(shù)分別為0.54、0.61、0.61。標(biāo)準(zhǔn)化殘差e1、e2、e3、e4、e5、e6、e7、e8的多元相關(guān)平方(squared multiple correlations, SMC)分別為0.33、0.74、0.54、0.88、0.27、0.30、0.38、0.37。

3.1.3 林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)權(quán)重確定結(jié)果 林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)權(quán)重通過歸一化處理上述路徑系數(shù)確定，結(jié)果如表4所示。水平空間結(jié)構(gòu)和垂直空間結(jié)構(gòu)的權(quán)重分別為0.5229、0.4771，相差不大，二者共同決定林分空間結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀。在水平空間結(jié)構(gòu)要素中，空間密度指數(shù)所占權(quán)重最高(0.3701)，是影響林分水平空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，其次為全混交度(0.3386)，角尺度所占權(quán)重最低(0.2913)。在垂直空間結(jié)構(gòu)要素中，開敞度和交角競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)所占權(quán)重相等，均為0.3466，林層指數(shù)所占權(quán)重為0.3068，說明開敞度和交角競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)對(duì)林分垂直空間結(jié)構(gòu)的影響大于林層指數(shù)。

圖3 林分空間結(jié)構(gòu)模型路徑

表4 林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

3.2 林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果

不同齡組杉木公益林林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)及綜合得分如表5所示，幼齡林、中齡林和近熟林的綜合得分分別為0.3781、0.4526和0.3775，3個(gè)齡組林分空間結(jié)構(gòu)等級(jí)處于Ⅱ、Ⅲ等級(jí)，但不同齡組間無顯著差異性(P>0.05)。從林分空間結(jié)構(gòu)單項(xiàng)指標(biāo)看，幼齡林的角尺度、林層指數(shù)顯著低于中齡林和近熟林(P<0.05)，近熟林的交角競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)顯著高于幼齡林和中齡林(P<0.05)，全混交度和空間密度指數(shù)在不同齡組間不存在顯著差異(P>0.05)，開敞度在不同齡組間差異顯著(P<0.05)?？傮w來看，研究區(qū)杉木益林林分空間結(jié)構(gòu)較差，樹種混交程度低，混交樹種較少，林層結(jié)構(gòu)單一，透光條件一般，林木分布密度較大，但林木空間分布格局較好，處于均勻至近似隨機(jī)分布狀態(tài)，林木上方受遮蓋和擠壓情況較小。

表5 林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)及綜合得分①

4 討論

林分空間結(jié)構(gòu)是林分健康和穩(wěn)定的重要影響因素，分析林分空間結(jié)構(gòu)對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性保護(hù)、可持續(xù)經(jīng)營(yíng)、營(yíng)造林工程樹種選擇等具有重要意義，能夠?yàn)榱址纸Y(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。當(dāng)前，雖已有學(xué)者在林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)方面取得了一些成果，但評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性和普適性還有待進(jìn)一步探究，采用全新思路對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)，尋求評(píng)價(jià)結(jié)果更精確、適用性更強(qiáng)的評(píng)價(jià)方法仍是現(xiàn)階段的研究重點(diǎn)(Lietal.， 2021)。

科學(xué)的評(píng)價(jià)方法是客觀評(píng)價(jià)林分空間結(jié)構(gòu)的前提。結(jié)構(gòu)方程模型是一般線性模型的擴(kuò)展，其整合路徑分析、因素分析和多元方差分析等方法，不是將各變量影響過程與系統(tǒng)隔離開來，而是基于現(xiàn)有理論的先驗(yàn)知識(shí)，從林分空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)整體出發(fā)，將傳統(tǒng)因果關(guān)系的多元回歸分析與潛在變量的因子分析相結(jié)合，既可通過適配度檢驗(yàn)進(jìn)行模型整體評(píng)價(jià)和模型擬合度測(cè)量，還能克服多重線性影響，通過可直接測(cè)量或容易量化的觀測(cè)變量估計(jì)無法直接測(cè)量的潛在變量，探討林分空間結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)多個(gè)變量間的直接或間接關(guān)系(Grace, 2006； 王酉石等， 2011； Dnescuetal.， 2016)，根據(jù)影響強(qiáng)度大小確定林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，全面客觀評(píng)價(jià)林分空間結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀。從結(jié)果來看，林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)方程模型的卡方自由度比值(χ2/df)為1.708，比較擬合指數(shù)(CFI)、非正規(guī)化擬合指數(shù)(NNFI)和遞增擬合指數(shù)(IFI)分別為0.944、0.924和0.946，各擬合指數(shù)均符合適配參考值，模型整體適配度良好，為林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)提供了一種科學(xué)的方法。

指標(biāo)權(quán)重影響林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果。結(jié)構(gòu)方程模型輸出的路徑系數(shù)經(jīng)歸一化處理后， 水平空間結(jié)構(gòu)和垂直空間結(jié)構(gòu)的權(quán)重相差不大，二者對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)均有重要影響?？臻g密度指數(shù)是影響林分水平空間結(jié)構(gòu)的最重要因素，其反映林木擁擠程度，不僅影響林木光能利用和器官內(nèi)養(yǎng)分積累，還影響土壤對(duì)植物的養(yǎng)分分配、積累、循環(huán)等過程，進(jìn)而影響森林生產(chǎn)力、群落結(jié)構(gòu)及林下物種多樣性(代林利等， 2022)。因此，可對(duì)密度過高的林分適當(dāng)進(jìn)行撫育間伐，以調(diào)節(jié)林分透光程度和林下生物量，促進(jìn)林木及林下植被發(fā)育(舒韋維等， 2021)。全混交度是影響水平空間結(jié)構(gòu)的次要因素，其反映林分樹種隔離程度和多樣性，影響林分樹種的競(jìng)爭(zhēng)程度以及林下灌草的均勻性和多樣性?；旖涣指卵萏孢^程中產(chǎn)生大量凋落物，這些凋落物能夠有效補(bǔ)充土壤流失的有效磷、速效鉀等，同時(shí)混交樹種復(fù)雜的根系系統(tǒng)可以加速土壤養(yǎng)分循環(huán)，進(jìn)而影響林分土壤肥力(朱光玉等， 2018； 曹小玉等， 2020)。因此，豐富物種組成使林分具有較好的組織結(jié)構(gòu)和土壤肥力，有利于維持林分穩(wěn)定、提高森林健康程度和生產(chǎn)力(Rozas， 2006； 陳亞南等， 2015)。在垂直空間結(jié)構(gòu)要素中，開敞度和交角競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)所占權(quán)重相等，是影響林分垂直空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。開敞度反映林下透光條件和林木生長(zhǎng)空間大小，良好的光照條件有利于上層樹樹高、胸徑生長(zhǎng)和林下幼樹生存生長(zhǎng)，且上層木形成的林隙影響林下光環(huán)境，進(jìn)而影響更新樹種和幼苗的生長(zhǎng)發(fā)育，因此，開敞度對(duì)林分的樹種組成、林層結(jié)構(gòu)和種間關(guān)系均有很大影響(Congetal.， 2011； 林存學(xué)， 2013； 沈海龍等， 2014)。交角競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)反映林木受擠壓和遮蓋情況，側(cè)方擠壓影響樹冠生長(zhǎng)，上方遮蓋影響林內(nèi)光和水資源的利用以及林下灌草的光合作用，從而影響林下物種多樣性。因此，有效減少競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度，可以促進(jìn)林木生長(zhǎng)、提高生物量(惠剛盈等， 2013； 任玫玫， 2017)。

林分空間結(jié)構(gòu)對(duì)森林群落穩(wěn)定性和森林功能多樣性具有決定性影響，其評(píng)價(jià)是林分空間結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的量化，能夠確切反映林分空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性和復(fù)雜性。本研究顯示，不同齡組杉木公益林林分空間結(jié)構(gòu)的綜合得分為0.3775～0.4526，林分空間結(jié)構(gòu)等級(jí)處于Ⅱ、Ⅲ等級(jí)，即較差和一般狀態(tài)。究其原因，研究區(qū)樣地為杉木純林，混交樹種極少，天然更新能力弱，未形成豐富的林層結(jié)構(gòu)。優(yōu)化林分空間結(jié)構(gòu)對(duì)提高林分質(zhì)量和生產(chǎn)力具有重要意義，針對(duì)研究區(qū)杉木公益林林分空間結(jié)構(gòu)未達(dá)到理想狀態(tài)的現(xiàn)狀，應(yīng)加大樹種結(jié)構(gòu)、林層結(jié)構(gòu)的調(diào)整，改善林分空間結(jié)構(gòu)狀況，確保林木生長(zhǎng)空間充足，提高林分生產(chǎn)力，使林分整體結(jié)構(gòu)趨近復(fù)層、混交、異齡的近天然林分(萬盼等， 2020； 曹小玉等， 2020)。具體經(jīng)營(yíng)措施為適當(dāng)進(jìn)行單株采伐撫育，優(yōu)先采伐林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)得分低的林木，從而調(diào)整林分內(nèi)林木的密度、水平分布格局和林層結(jié)構(gòu)，改善林內(nèi)光照條件，促進(jìn)林下灌草生長(zhǎng)。對(duì)幼齡林來說，應(yīng)將林木0.5～1 m半徑內(nèi)生長(zhǎng)的雜灌雜草全部割除，割灌除草施工時(shí)要注意保護(hù)混交樹種、林窗處的幼樹幼苗及林下有生長(zhǎng)潛力的幼樹幼苗，對(duì)一些幼樹根部萌發(fā)的蘗條進(jìn)行處理，避免其生長(zhǎng)對(duì)其他實(shí)生苗木產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)按合理密度單株伐除部分林木，為保留木創(chuàng)造適宜生長(zhǎng)空間。對(duì)中齡林來說，應(yīng)對(duì)林木進(jìn)行修枝，修去枯死枝和樹冠下部1～2輪活枝，并保持修枝后冠長(zhǎng)不低于樹高的2/3，空間密度指數(shù)過大的林分要適當(dāng)進(jìn)行透光伐。對(duì)近熟林來說，為促進(jìn)優(yōu)質(zhì)木生長(zhǎng)和林下植被天然更新，除修枝外，必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行更新采伐，以增加林內(nèi)透光，促進(jìn)林下幼樹生長(zhǎng)，使整個(gè)林分呈現(xiàn)復(fù)層、異齡、多樹種混交、健康、穩(wěn)定、高效的生長(zhǎng)狀態(tài)，同時(shí)對(duì)更新層的林木，應(yīng)按不同發(fā)育階段及時(shí)采取相應(yīng)措施，最終實(shí)現(xiàn)近自然性的正向演替和可持續(xù)利用的多功能生態(tài)公益林。進(jìn)行單株采伐撫育后，在林中空地應(yīng)補(bǔ)植一些適合立地生長(zhǎng)的闊葉樹種，以提高林分混交度和樹種空間配置多樣性，改善林層結(jié)構(gòu)，減少土壤裸露和水土流失。在補(bǔ)植地塊清理時(shí)，應(yīng)注意保護(hù)天然樹種幼樹幼苗，清除補(bǔ)植點(diǎn)1 m范圍內(nèi)的灌木、雜草和伐根。按設(shè)計(jì)確定補(bǔ)植位置，進(jìn)行人工穴狀整地，穴狀整地采用圓形或方形坑穴，大小因林種和立地條件而異。穴徑和穴深應(yīng)均在30cm以上，去除樹根和石塊，補(bǔ)植樹種選擇要堅(jiān)持鄉(xiāng)土樹種優(yōu)先，慎用外來樹種，樹種的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特性要與當(dāng)?shù)亓⒌貤l件相適應(yīng)，最好選擇穩(wěn)定性、抗逆性好的樹種，林冠下補(bǔ)植要選擇耐陰樹種，杉木幼齡林可選擇喜光闊葉鄉(xiāng)土樹種馬褂木(Liriodendronchinense)、欒樹(Koelreuteriapaniculata)、山烏桕等，中齡林可選擇喜光且具有一定耐陰性的樹種亮葉樺、深山含笑(Micheliamaudiae)、青岡、凹葉厚樸(Houpoeaofficinalis)等，近熟林可選擇杜英(Elaeocarpusdecipiens)、冬青、刨花楠(Machiluspauhoi)等耐陰闊葉鄉(xiāng)土樹種，也可適當(dāng)補(bǔ)植南方紅豆杉(Taxuschinensis)等珍貴樹種。

5 結(jié)論

本研究以全混交度、角尺度、空間密度指數(shù)、林層指數(shù)、開敞度、交角競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)作為林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用結(jié)構(gòu)方程模型確定指標(biāo)權(quán)重，對(duì)蘆頭實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)杉木公益林進(jìn)行林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，研究區(qū)杉木公益林林分空間結(jié)構(gòu)未達(dá)到理想狀態(tài)，林分空間結(jié)構(gòu)較差，樹種混交程度低，接近零度混交至弱度混交狀態(tài)，林分擁擠程度中等，林木透光條件一般，林層結(jié)構(gòu)單一，但林木間競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度較弱，且空間分布格局較好，處于均勻至近似隨機(jī)分布狀態(tài)?？臻g密度指數(shù)是影響林分水平空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素，開敞度和交角競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)是影響林分垂直空間結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。為改善研究區(qū)整體林分空間結(jié)構(gòu)，應(yīng)采取多樹種補(bǔ)植與單株撫育間伐的綜合經(jīng)營(yíng)措施。研究區(qū)3個(gè)齡組杉木生態(tài)公益林林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)結(jié)果較客觀地反映了林分空間結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀，結(jié)構(gòu)方程模型能夠從整體上客觀反映林分空間結(jié)構(gòu)與各指標(biāo)間的因果關(guān)系，采用該方法對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)是科學(xué)合理的，可為林分空間結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)提供一個(gè)全新的思路。