熊子月，周春國

（南京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，江蘇 南京 210037）

0 引言

天然林在凈化空氣、調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源、維持生物多樣性、保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定等多方面發(fā)揮著重要作用[1]。但是隨著長期的人為和自然因素的干擾，結(jié)構(gòu)合理、功能完整的原始頂級群落逐漸向以天然次生林為主的次生群落退化[2]。該次生群落由于大量至關(guān)重要的建群樹種和珍貴樹種的缺失，與原始森林相比，其在林地生產(chǎn)力、林分結(jié)構(gòu)組成、林分質(zhì)量、天然更新和生態(tài)功能等方面存在著明顯的差異，多表現(xiàn)為生物多樣性降低，穩(wěn)定性和抗逆性等生態(tài)功能退化[3]。天然次生林作為我國森林資源的重要組成部分，其恢復(fù)和經(jīng)營對森林資源的開發(fā)利用及可持續(xù)經(jīng)營規(guī)劃發(fā)揮重要作用[4]，因此如何基于次生林當(dāng)前內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征開展有目的性的森林經(jīng)營，是當(dāng)前亟需解決的問題。

林分結(jié)構(gòu)是指林分的樹種組成、年齡結(jié)構(gòu)、直徑分布、樹高分布和空間分布，研究林分結(jié)構(gòu)可以為林木生長發(fā)育、林分演替規(guī)律提供幫助[5]。林分結(jié)構(gòu)分為林分空間結(jié)構(gòu)和林分非空間結(jié)構(gòu)，在林分非空間結(jié)構(gòu)中，林分直徑結(jié)構(gòu)是能直接有效反映林分結(jié)構(gòu)特征的重要因子，同時其便于測定、測值準(zhǔn)確可靠[6]。林分直徑結(jié)構(gòu)是指林分內(nèi)各種不同林木直徑大小按徑階大小的分布狀態(tài)[7]。理論上，林分直徑結(jié)構(gòu)不僅對林分生長、林分競爭、生物量等具有重要意義[8]，還可用于檢查營林技術(shù)措施效果并為測樹制表提供堅實的數(shù)據(jù)支撐。對于林分直徑結(jié)構(gòu)的研究，早期主要從生物學(xué)角度對林分直徑分布規(guī)律進(jìn)行探討，后來隨著數(shù)學(xué)表達(dá)式被大量運(yùn)用于林分直徑結(jié)構(gòu)的擬合，分布函數(shù)成為國內(nèi)外研究林分直徑結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)。目前概率密度法和理論生長方程被廣泛應(yīng)用于林分直徑結(jié)構(gòu)的擬合，主要包括Gamma分布[9]、Weibull 分布[10-11]、負(fù)指數(shù)分布[12]、β 分布[13]、正態(tài)分布[14]以及Logistic 方程和Richards 方程[15]等。

森林撫育是培育森林的重要措施之一，科學(xué)合理的撫育措施能夠有效加速林木生長、提高林分質(zhì)量和林地生產(chǎn)力、改善目的樹種營養(yǎng)空間和增強(qiáng)抵抗自然災(zāi)害能力。森林資源經(jīng)營管理的理論經(jīng)過了法正林、恒續(xù)林理論的發(fā)展，形成了當(dāng)前的近自然經(jīng)營理論[16]。目標(biāo)樹經(jīng)營作為近自然經(jīng)營的方法之一，其核心是保留并培育高質(zhì)量的目標(biāo)樹，伐除與目標(biāo)樹有競爭關(guān)系的干擾樹，不斷優(yōu)化森林的結(jié)構(gòu)和功能，促進(jìn)目標(biāo)樹的生長，提高林木的質(zhì)量和林分蓄積以實現(xiàn)林地的綜合效益[17]。

基于以上因素，本研究以老山林場5 種主要林分類型為研究對象，采用近自然經(jīng)營中的目標(biāo)樹經(jīng)營的方法，通過運(yùn)用Weibull、Cauchy 和Logistic 分布概率密度函數(shù)對老山林場天然次生林撫育前后的林分結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行分析和評價，以期為該地區(qū)天然次生林的科學(xué)經(jīng)營、撫育和空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)收集

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江蘇省南京市浦口區(qū)老山林場，平均海拔在200～400 m 之間，年平均氣溫15.3℃。在中國植被區(qū)劃中，老山林場地處北亞熱帶落葉常綠闊葉混交林地帶內(nèi)的寧鎮(zhèn)揚(yáng)茅山丘陵山地、平原落葉常綠闊葉混交林區(qū)，該林區(qū)主要以江淮丘陵落葉櫟林、馬尾松林區(qū)為主。老山林場的地帶性森林為落葉常綠闊葉混交林，其中喬木層主要是落葉櫟樹，包括麻櫟（Quercus acutissima）、白櫟（Quercus fabri）等，其他成分有刺槐（Robinia pseudoacacia）、杜仲（Eucommia ulmoides）等，而該區(qū)地帶性森林被破壞之后自然恢復(fù)演替所產(chǎn)生的次生林由許多常見樹種如黃連木（Pistacia chinensis）、黃檀（Dalbergia hupeana）、化香（Platycarya strobilacea）、楓香（Liquidambar formosana）、樸樹（Celtis sinensis）等雜闊樹種組成；另外其地帶性針葉林以馬尾松（Pinus massoniana）林為主，局部地區(qū)有成片栽培的杉木（Cunninghamia lanceolata）林、水杉（Metasequoia glyptostroboides）林，間或有側(cè)柏（Platycladus orientalis）林以及國外引種的濕地松（pinus elliottii）、火炬松（Pinus taeda）等國外松林。

1.2 數(shù)據(jù)收集

本文研究數(shù)據(jù)來源于2019 年7 月～8 月進(jìn)行實地調(diào)查獲取的江蘇省老山林場森林撫育小班標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查資料，從中選取共計31 塊標(biāo)準(zhǔn)地、2 207 株樹，標(biāo)準(zhǔn)地面積均為0.066 7 hm2。標(biāo)準(zhǔn)地主要調(diào)查因子包括環(huán)境因子（地形地勢、立地條件、土壤條件、植被情況等），林分因子（權(quán)屬、林種、起源、樹種組成、郁閉度、平均年齡、平均胸徑、平均樹高、株數(shù)、蓄積量、幼苗幼樹、災(zāi)害情況等）。根據(jù)GB/T15781-2015《森林撫育規(guī)程》，采取目標(biāo)樹經(jīng)營作業(yè)體系的作業(yè)設(shè)計，對林分內(nèi)樹木進(jìn)行樹種和林木分類，明確標(biāo)準(zhǔn)地的目的樹種、輔助樹種、其它樹種和目標(biāo)樹、輔助樹、干擾樹，并對其進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)記。對標(biāo)準(zhǔn)地林木進(jìn)行每木檢尺，記錄標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)直徑在5 cm 以上的所有喬木的樹種、樹高、胸徑等因子。以2 cm 為單位劃分徑階，采用上限排外法分別統(tǒng)計各個徑階林木株數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)地的基本信息見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)地概況

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 林分因子的計算

用Excel 軟件對外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計、整理及作圖，林分類型基本特征見表2。

表2 撫育前不同林分類型標(biāo)準(zhǔn)地基本調(diào)查因子

1.3.2 重要值的計算

重要值的計算參照張金屯等[18]的方法：

2 研究方法

本研究應(yīng)用Delphi 7 軟件對基于Weibull 分布、Cauchy 分布、Logistic 分布3 種概率密度函數(shù)的林木直徑分布進(jìn)行擬合，根據(jù)判定系數(shù)R2的結(jié)果判定各函數(shù)擬合效果，選出撫育間伐前后林分直徑結(jié)構(gòu)擬合效果最好的概率密度函數(shù)模型。

威布爾（Weibull）分布概率密度函數(shù)：

式中，δ 位置參數(shù)；α 形狀參數(shù)；β 尺度參數(shù)，δ≥0，α＞0，β＞0。

邏輯斯蒂（Logistic）分布概率密度函數(shù)：

式中，α 位置參數(shù)；β 尺度參數(shù)，β＞0。

柯西（Cauchy）分布概率密度函數(shù)：

式中，θ 位置參數(shù)；λ 尺度參數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 天然次生林的測樹因子

根據(jù)各樹種蓄積量占總蓄積量的比例計算出各標(biāo)準(zhǔn)地的樹種組成并選出其優(yōu)勢樹種，然后根據(jù)樹種組成劃分出各標(biāo)準(zhǔn)地林分類型，得出研究區(qū)內(nèi)林分類型分別為杉木純林、針葉混交林、針闊混交林、硬闊葉混交林、闊葉混交林5 種類型（表3）。由表3 可知，撫育前研究區(qū)以闊葉混交林為主體，其數(shù)量最多為23 塊，但闊葉混交林的林分平均胸徑和林分平均樹高均較低，分別為13.4 cm 和10.8 m，杉木純林的平均胸徑和平均樹高最高，分別為18.2 cm 和14.8 m。經(jīng)過目標(biāo)樹撫育間伐后，闊葉混交林的林分?jǐn)?shù)量仍保持最多，但減少到21 塊，減少的兩塊標(biāo)準(zhǔn)地的林分類型被調(diào)整為硬闊葉混交林和針闊混交林。經(jīng)撫育后的闊葉混交林平均胸徑和平均樹高提高為14.2 cm 和11.5 m，另外針葉混交林和硬闊葉混交林的平均胸徑和平均樹高增幅較大。

表3 撫育前后林分類型對比

3.2 天然次生林的樹種特征值

由表4 可知，撫育前老山林場天然次生林內(nèi)主要樹種有9 類，總計2 207 株，按重要值從大到小排序分別是雜闊（80.47%）、麻櫟（30.00%）、馬尾松（9.42%）、杉木（7.71%）、刺槐（5.90%）、側(cè)柏（3.93%）、國外松（3.03%）、水杉（2.74%）、杜仲（2.53%），表明該研究區(qū)是以各種雜闊組成的天然次生林為主體，其次是地帶性樹種麻櫟和馬尾松構(gòu)成的林分；撫育后，研究區(qū)內(nèi)樹種組成及重要值排序均未改變，但是林分內(nèi)雜闊（78.80%）、馬尾松（8.63%）的重要值有所降低，麻櫟（30.78%）、杉木（6.55%）、刺槐（6.14%）、側(cè)柏（4.09%）、國外松（3.14%）、水杉（2.83%）、杜仲（2.59%）都得到提高（表5），表明研究區(qū)地帶性樹種麻櫟優(yōu)勢度增大，先鋒樹種馬尾松優(yōu)勢度降低，符合目標(biāo)樹經(jīng)營法的經(jīng)營目標(biāo)。

表4 撫育前天然次生林樹種特征值

表5 撫育后天然次生林樹種特征值

3.3 天然次生林的徑階結(jié)構(gòu)

老山林場全林分徑級結(jié)構(gòu)在撫育前表現(xiàn)出反“J”型曲線的趨勢（圖1），與異齡林的徑級結(jié)構(gòu)特征相符合。林分內(nèi)6 cm 小徑階林木數(shù)量最多，而隨著林木直徑的不斷增大，林木個體數(shù)呈急速減小趨勢，且徑階在28 cm 以上的大徑木數(shù)量較少。撫育后的林分直徑分布為單峰左偏山狀分布，8 cm 徑階的林木數(shù)量占比最多（圖2）。

圖1 撫育前全林分直徑分布

圖2 撫育后全林分直徑分布

3.4 老天然次生林的直徑分布擬合

利用3 種分布概率密度函數(shù)擬合不同林分類型各標(biāo)準(zhǔn)地的直徑分布，根據(jù)判定系數(shù)R2值大小評價分布函數(shù)擬合效果，R2值越接近于1，其擬合效果越好。從表6 中可以看出，撫育前Weibull 分布概率密度函數(shù)擬合杉木純林的R2值最大（0.85）；Cauchy 分布概率密度函數(shù)擬合闊葉混交林（R2最大為0.96）時擬合效果較好。對林分進(jìn)行目標(biāo)樹經(jīng)營的撫育措施后，Weibull 分布概率密度函數(shù)在杉木純林的擬合表現(xiàn)最好，但對比撫育前R2值有所減?。≧2=0.79）；Cauchy 分布概率密度函數(shù)在闊葉混交林?jǐn)M合效果較好，R2最大為1.00（表7）。

表6 撫育前林分直徑分布函數(shù)參數(shù)估計值

表7 撫育后林分直徑分布函數(shù)參數(shù)估計值

4 結(jié)論與討論

本文研究了目標(biāo)樹撫育間伐對老山林場天然次生林的樹種組成、直徑分布和Weibull、Logistic、Cauchy分布概率密度函數(shù)的影響規(guī)律。

近自然經(jīng)營目標(biāo)主要是對喬木層的目標(biāo)樹和干擾樹進(jìn)行合理的撫育措施。森林的喬木主林層是林分內(nèi)林木個體生長發(fā)育的主體，其個體的數(shù)量、質(zhì)量和空間分布影響著林木間的競爭強(qiáng)度、林下植物的生長和更新、森林的生產(chǎn)量[19]。老山林場天然次生林喬木層樹種主要以被破壞后自然恢復(fù)演替所產(chǎn)生的各種闊葉樹種為主，作為地帶性喬木層樹種的麻櫟和馬尾松重要值不夠高（撫育前分別為30.00%、9.42%）。地帶性樹種在適應(yīng)性、生態(tài)價值、景觀價值等方面具有獨(dú)特作用，應(yīng)加強(qiáng)地帶性樹種麻櫟等的培育，可采取林冠下更新麻櫟提升其競爭性。

老山林場天然次生林按照林分樹種組成進(jìn)行林分類型分類后，整體來說，Weibull 分布概率密度函數(shù)在撫育前后的杉木純林?jǐn)M合效果較好，Cauchy 分布概率密度函數(shù)則在撫育前后的闊葉混交林?jǐn)M合表現(xiàn)較好。存在個別標(biāo)準(zhǔn)地在撫育后擬合效果變差的情況，主要原因是經(jīng)撫育間伐后林分內(nèi)林木株數(shù)減少。

林分直徑分布的變化主要是樹種、立地條件及經(jīng)營措施等因子長期相互作用的結(jié)果。從不同林分類型撫育前后的樹種組成、樹種特征值、測樹因子的變化可以看出，部分標(biāo)準(zhǔn)地的樹種組成、直徑分布狀態(tài)不夠合理。整體對比發(fā)現(xiàn)，闊葉混交林的林分結(jié)構(gòu)狀態(tài)較差，應(yīng)根據(jù)林分徑階分布和規(guī)律開展相應(yīng)的經(jīng)營措施，如林窗更新、林冠下更新等，調(diào)整林分直徑分布、促進(jìn)優(yōu)勢種和關(guān)鍵種的恢復(fù)和更新，加速林分向頂級植物群落恢復(fù)和發(fā)展進(jìn)程。另外，林分結(jié)構(gòu)狀態(tài)隨著林木的生長發(fā)育、環(huán)境變化及經(jīng)營措施的變化會進(jìn)行相應(yīng)的動態(tài)調(diào)整，因此，長期連續(xù)監(jiān)測林分結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化規(guī)律對近自然經(jīng)營的林分至關(guān)重要。