不同杉木林类型林地现存凋落物空间分布特征及其取样策略

陈梦瑶 林开敏 许诺 吴培培 赵长存 石丽娜

摘 要 通过统计学和ArcGIS技术等研究方法，以老龄林（在一代杉木人工林基础上以延长杉木轮伐期，并实施保护和促进天然更新为主要技术而形成的）、萌芽林（老龄林采伐后，以实施天然更新和杉木萌芽更新为主要造林技术而形成的撂荒天然更新林）、93人工林（老龄林采伐后，于1993年按照不炼山造林的栽杉模式而形成的二代杉木人工林）3个不同杉木林类型作为研究对象，深入地探讨不同杉木林类型林地现存凋落物的空间分布特征，并计算得出不同杉木林类型为满足精度要求所需的最少样本数。结果表明：不同杉木林系统凋落物现存量和变异系数存在着明显差异，均表现为萌芽林>老龄林>93人工林。不同杉木林类型林地现存凋落物量空间分布状况有较大的区别，存在明显的空间异质性。当精度为90%时，老龄林、萌芽林、93人工林所需的最少样方数量分别为48、72和42个；且在相同精度下，不同杉木林类型林地所需的最少样方数量基本上表现出93人工林<老龄林<萌芽林。这为不同杉木林类型林地研究中取样策略的选择和优化提供一定的参考。

关键词 杉木林；现存凋落物；空间分布；取样样方数量

中图分类号 S791.27 文献标识码 A

Abstract Statistics and ArcGIS technology research methods were used to study the space distribution of Chinese fir forest litter and to calculate the minimum number samples which required to meet the accuracy of different types of Chinese fir for old forest（74-year）， sprout forest（21-year）， 93 Plantation（23-year， restablished in 1993）Results showed the litter biomass and variation coefficient of different Chinese fir had a clear difference with an order sprout forest>old forest>93 Plantation. The space distribution of forest litter of different types of Chinese fir forest had great difference and obvious spatial heterogeneity. When the accuracy was 90%， the old forest， sprout forest and 93 Plantation required plots at minimum was 48， 72 and 42， respectively. And at the same precision， the minimum number of samples required in the different types was in the order 93 PlantationKey words Chinese fir forest； litter biomass； spatial distribution； sampling number

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.04.008

森林凋落物是研究森林生態系统生物量、养分循环和能量转化的一个重要指标[1-3]。凋落物能够调节氮、磷、钾等养分元素在土壤和森林生态系统中循环，并对森林的演替发挥着不可忽视的作用[4-6]。为了对凋落物在森林生态系统中的作用和功能进行更加深入的研究，就必须准确测定林地现存凋落物生物量，而要测定林地现存凋落物生物量最关键的问题就是如何根据所要达到的凋落物的精度要求来确定最佳的取样样方面积和样方数量。目前，关于森林林地现存凋落物量的研究较多，而且测定林地现存凋落物量一般笼统采用随机[7-9]或机械布点[10-11]（如S形路线或梅花型）设置一定数量（一般5～10个）的样方法来进行。但目前研究的森林植被类型较多，由于受到自然因素和人为经营措施等多种因素的影响，不同森林生态系统的结构差异较大[12-13]，导致林地现存凋落物生物量的空间异质性也存在较大差异，因此对于不同森林类型均笼统采用传统的设置相同数量的样方法来测定就难以获得较为准确的数据，从而影响着森林生态系统生物量、养分循环和能量转化等研究的准确估算。国内外一些学者对地面现存凋落物生物量的空间分布及其取样技术和方案的研究主要集中在草地和灌木群落[14-17]，但对森林群落的取样技术研究相对较少。本研究试图对不同杉木林生态系统现存凋落物生物量的空间分布特征及其异质性进行比较探讨，最后得出测定不同杉木林生态系统现存凋落物生物量时满足不同精度需求的最少样方数量，为准确测定森林生态系统的林地现存凋落物生物量提供参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究地的自然概况

本研究试验样地设置在福建农林大学西芹教学林场花竹沟（东经118°10′，北纬26°40′）。该林场位于福建省南平市延平区，土壤为土层较厚的黄红壤，属于杉木的中心产区。西芹教学林场属于武夷山脉东伸支脉的中低山地，海拔较低，处于200～500 m之间，坡度一般在25°左右，也有少部分在35°以上。该林场属于中亚热带季风气候，年平均气温为19.4 ℃，极端气温最高时为41 ℃，最低时为-5.8 ℃；年平均降雨量为1 817 mm，且多集中在5、6月；极少下雪，全年无霜期为302 d；年均日照时数为1 709.8 h，日照时间较长；年平均风速为1.1 m/s。该地独有的气候条件使其森林茂密，植物种类繁多[18]。

在一代杉木人工林基础上，通过延长杉木轮伐期，并实施保护和促进天然更新为主要技术而形成的被定义为杉木老龄林（简称老龄林）；二代杉木萌芽天然更新林（简称萌芽林）是在一代杉木人工林（即老龄林）采伐后，通過天然更新和杉木萌芽更新而形成的撂荒天然更新林；1993年二代杉木人工林（简称93人工林）是在一代杉木人工林（即老龄林）采伐后，于1993年按照不炼山造林的栽杉模式而形成的二代杉木人工林[18]，样地的具体情况见表1。

1.2 样地设置与调查方法

在老龄林、萌芽林和93人工林3个不同杉木林生态系统的代表性地段分别设置面积为100 m2（10 m×10 m）的样地，将每个样地细分为100个1 m2（1 m×1 m）的小样方，将每个小样方作为收集林地现存凋落物的基本调查和测量的单元，之后将所有收集的未分解和半分解的凋落物装袋带回实验室，进行凋落物含水量的测定，通过凋落物含水量的测定来求算出凋落物干重。

为了深入了解不同杉木林生态系统林地现存凋落物的重量分布情况，把各系统林地现存凋落物的样方测定数据进行分组统计，分组方法为：以100 g为一组距，共设置了11组别，分别是0～100、100～200、200～300、300～400、400～500、500～600、600～700、700～800、800～900、900～1 000、>1 000 g。

1.3 数据处理

3个不同杉木林生态系统林地现存凋落物量的空间异质性采用的是地统计学研究方法进行分析，用SPSS16进行单因素方差分析，Office2010作图。

因本试验样方数量为100个，属于大样方，根据数理统计参数估计的原则，为了测定林地现存凋落物量满足不同精度要求所需要最小的取样样方数量。应使用如下的公式[19]：

根据公式，计算出当样方面积为1 m2时，测定林地现存凋落物量满足不同精度要求而需要设置的最少样方数目。

2 结果与分析

2.1 林地现存凋落物的重量分布特征

由表2可知，3个杉木林类型林地凋落物现存量（干重）存在着较为明显的差异。其中萌芽林最大，达610.79 g/m2；其次是老龄林，为558.19 g/m2；最小的是93人工林，为254.56 g/m2。

此外，3个杉木林类型凋落物（干重）的变异系数位于38.55%～50.7%之间，不同杉木林类型不同样方间凋落物现存量也存在着较大差异，这表明3个杉木林类型林地现存凋落物量存在着一定程度的空间变异性。老龄林、萌芽林、93人工林凋落物现存量的变异系数也有明显差异，表现为93人工林（38.55%）<老龄林（41.37%）<萌芽林（50.7%）。

由图1可知，老龄林各样方的林地现存凋落物量主要集中在300～400 g和500～600 g，其中林地现存凋落物量在300～400 g和500～600 g的样方数占老龄林样方数的18%。萌芽林各样方的林地现存凋落物量主要集中在600～700 g，林地现存凋落物量在600～700 g的样方数占萌芽林样方数的20%。93人工林各样方的林地现存凋落物量主要集中在200～300 g，林地现存凋落物量在200～300 g的样方数占93人工林样方数的20%。由此得知，不同杉木林类型各样方的林地现存凋落物的重量分布存在较大的差异。

2.2 林地现存凋落物量的空间分布特征

树木的数量、凋落量的多少及凋落物分解快慢等因素会对林地现存凋落物量的空间分布状况产生影响。由图2可知，3个杉木林类型林地现存凋落物量的空间异质性存在明显差异，不同杉木林类型林地现存凋落物量的空间分布状况也相差较大。老龄林凋落物干重多集中在454～546 g，凋落物现存量由南到北逐渐减小，呈规则条带和斑块状分布；萌芽林凋落物干重多数在389～645 g，凋落物现存量西南部量较小，东北部量较大，以WN-ES为分界线分布；93人工林干重主要集中在176～255 g之间，凋落物现存量大致呈现出由东北向西南逐渐增大的分布特征。

2.3 林地现存凋落物量测定的取样样方数量确定

森林生态系统研究中的一个重要方面是林地现存凋落物量的测定，不同研究所要求的林地现存凋落物量的测定精度是不同的。因此，为了减少和控制研究森林生态系统林地现存凋落量的误差，有必要对林地现存凋落物测定中的精度问题进行更加深入的探讨，确定不同精度要求下林地现存凋落物量测定的取样样方数量，以满足不同研究目的的需要。

从表3可看出，当样方面积为1 m2且精度为80%时，老龄林、萌芽林、93人工林所需的最少样方数量分别为8、12和7个；当样方面积为1 m2且精度为90%时，3个不同杉木林类型所需的最少样方数量分别为48、72和42个。在相同精度的情况下，不同杉木林类型所需的最少样方数量有所不同，基本表现出萌芽林所需的样方数量最多，老龄林所需的最少样方数量介于萌芽林和93人工林之间，93人工林所需的样方数量最少。其原因可能和杉木与阔叶树水平空间分布均匀程度有关。93人工林由于是人工种植，林木个体呈现较均匀分布、凋落物空间分布均匀，凋落物空间异质性低，所以所需的最小样方数目最少。萌芽林由于主要依靠天然更新，林木个体呈现聚集分布或者随机分布格局，凋落物空间分布不均匀，所以所需的最小样方数目最多。在老龄林中杉木是人工种植的，杉木凋落叶空间分布均匀，然而老龄林中阔叶树种是天然更新的，呈现聚集分布或者随机分布格局。因此，在相同精度下，不同杉木林类型林地所需的最少样方数量基本上表现出萌芽林>老龄林>93人工林。

根据表3可得出与肖瑜[19]在样方面积和数量对测定次生林凋落物精度影响中类似的结论，即随着精度的增加，不同杉木林类型所需的最少样方数量均呈现增加的趋势。3个杉木林类型基本上都是在精度小于85%时，所需要的最少样方数量增长的速度较为缓慢；在精度为90%以上时，所需要的最少样方数量剧烈增加。但不同杉木林类型的增加幅度则有所不同，萌芽林所需要的最少样方数量增加的最快，其次是老龄林，最少样方数量增加速度最慢的是93人工林。由于人工林现存凋落物变异系数小，林地现存凋落物空间异质性低，因此，随着精度的提高，其所需的样方增加速度较慢。

3 讨论

在不同杉木林中，林地现存凋落物量存在着较大的差异，表现为萌芽林（610.79 g/m2）>老龄林（558.19 g/m2）>93人工林（254.56 g/m2）。不同杉木林类型中，林地现存凋落物的重量分布也存在着较大的差异。老龄林的林地现存凋落物量主要集中在300～400 g和500～600 g，93人工林的林地现存凋落物量主要集中在200～300 g，而萌芽林的林地现存凋落物量在600～700 g中占多数。

不同杉木林类型林地现存凋落物量均存在着明显的空间变异性，林地现存凋落物量的空间分布状况相差较大。老龄林凋落物现存量呈规则条带和斑块状分布，并由南到北逐渐减小；萌芽林凋落物现存量以WN-ES为分界线分布，其中西南部量较小，东北部量较大；93人工林凋落物现存量大致呈现出由东北向西南逐渐增大的分布特征。

在野外调查中所采用的取样策略、样方面积和样方数量会对最终的分析结果产生很大的影响[20]。管东生[15]在对香港草地和芒萁群落生物量进行研究时，运用Wiegert[21]的方法并结合考虑边界效应的影响，认为1 m×1 m为最优样方。管东生[15]在研究中设置了5个样方，但只能控制标准误差为生物量平均值的20%以内。通过本研究可知，要想使林地现存凋落物量的精度达到90%以上，3个不同杉木林生态系统所需的最少样方数量分别为48、72和42个。而过去所采用S形路线或梅花型设置5～10个的样方来获得林地现存凋落物量只能达到75%～80%的精度。因此，为了使最终的研究结果更加准确，建议增加调查的样方数量。

空间异质性是森林生态系统的一个重要特征。本研究结果表明不同杉木林生态系统的空间异质性存在较大差异，因此为了较为准确地测定不同杉木林生态系统的林地现存凋落物量，所设置的样方数量必须要有所差异。但目前大多数研究林地现存凋落物所设置的样方数量却无太大差异，如郑路等[22]在对克拉玛依不同配置模式防护绿地凋落物现存量及养分贮量的研究中，根据植物配置类型及混交方式选择14个典型样地，分别在每个样地中随机选取6个小样方进行凋落物现存量取样。因此，根据本研究建议不同杉木林类型最好要设置不同的取样样方数量，这样才能提高林地现存凋落物量的测定精度。

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