基于单木位置的杉木林分空间竞争关系研究

宋亚斌 江腾宇 彭检贵 李佳 何丽妮

摘 要： 研究林木竞争关系，有助于了解林木生长规律，帮助制定科学有效的营林措施。本文基于树冠因子的林木竞争指数，提出了一种顾及林分地形因子的树冠竞争指数，并把这两种指数与基于交角的林木竞争指数以及简单竞争指数在不同林分中的适应性进行对比。同时用这四种指数计算不同树种组成的林分以及杉木林中不同龄组、坡向、坡度的林分中单木受到的平均竞争。结果表明四种指数中简单竞争指数的相关性最高，顾及地形的树冠竞争指数次之，基于交角的林木竞争指数相关性最低;在不同树种组成的林分中马褂木样地单木受到的平均竞争最大，马褂木杉木混交林最小，其它两种林分次之;在杉木林分中，中龄林单木受到平均竞争要大于成熟林，阴坡样地中单木受到平均竞争要大于阳坡，单木受到的平均竞争随坡度增大而增大。因此四种指数中简单竞争指数的适用性最好;在杉木林经营中，中龄林需要及时间伐;在造林过程中阴坡的林地造林密度要适当小于阳坡、坡度级大的林地要小于坡度级小的林地。

关键词： 单木位置;林木竞争;竞争指数模型;空间竞争差异

中图分类号：S791.253 文献标识码：A 文章编号：1004-3020（2019）06-0016-04

Study on the Spatial Competition Relationship of Cunninghamia lanceolata Based on Single Tree Position

Song Yabin Jiang Tengyu Peng Jiangui Li Jia He Lini

（1.Central South Inventory and Planning Institute of National Forestry and Grassland Administration Changsha 410014;

2. Hongan County Forestry Survey Planning and Design Institute Huanggang 438400）

Abstract： Study of forest tree competition is helpful to understand the law of forest growth and help to make scientific and effective Afforestation Measures. Based on tree competition index of tree crown factor，this paper puts forward a tree crown competition index considering forest topographic factors. The four indices are used to calculate average competition of single tree in different tree species and different age groups，slope and aspect in the Cunninghamia lanceolata forest. The results show that the correlation of simple competition index is the highest，

Key words： single tree location;forest competition;competition index model; spatial competition differences

林木競争，是指生长在同一环境中的林木，为了获得更好的阳光、水分等生长发育所必需的条件，一些林木之间就会出现争夺共有资源的情况[1-3]，而林木竞争指数是定量描述林木间竞争强烈程度的数量指标。其大小取决于林木本身的状态（胸径、树高、冠幅）以及所处的环境[4]。对林木间竞争规律的研究，有助于了解森林的发育和演替过程，预测森林演替的动向，进而辅以必要的人工管理措施，以促进森林生态系统功能的完善和提高[5-7]。当前，基于竞争关系的森林经营措施研究，已成为研究的重点[8-9]。

Hegyi[10]（1974）直接使用对象木与竞争木之间的距离及竞争木与对象木的直径之比构造了简单竞争指数。该指数反应树木竞争关系较为准确，并且其所用参数容易获取，计算简单，运用十分广泛。但是简单竞争指数并未衡量对象木与竞争木树冠之间的遮挡对竞争的影响[11]。惠刚盈[12]等（2013）综合考虑了林木的树高和胸径大小，基于交角原理、以大小比数为权重提出了基于交角的林木竞争指数，其生物学意义在于对象木所受到的竞争压力在距离保持不变时随竞争木树高的增加呈非线形增加，或在竞争木树高一定时随距离的变远而呈非线性减小，但是其所有参数难以获取且计算复杂[13-14]。张晔珵[15]等人（2015）基于简单竞争指数的基础上引进了树冠竞争因子，提出了基于树冠竞争因子的林木竞争指数，该指数简洁地表达出竞争木上方树冠的遮盖和侧翼胸径的挤压，但是其未曾顾及地形因子对树冠遮挡的影响。

三种指数在反应林木间竞争状态方面各有其优点，但是很少有人对这些竞争指数的适应性做出评价，也很少有人利用这些指数分析不同类型的林分中单木受到竞争的空间差异。而研究林分空间竞争差异，对于了解树木生长规律具有非常重要的作用[16-17]，也可以帮助相关人员制定更为科学有效的造林、抚育等营林措施。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖南省攸县黄丰桥国有林场，林场横跨攸县东西部，介于东经113°04'至113°43'，北纬27°06'至27°24'之间。全场地貌以中低山为主，境内最高海拔1 270 m，最低海拔115 m。林场地处中亚热带季风湿润气候区，年均气温17.8 ℃，平均无霜期为292 d，年均降水量1 410.8 mm。林场的森林覆盖率为86.24%。树种主要以杉木、松类为主，其中杉木面积3 197.6 hm2，占用材林面積89.9%，蓄积593 738 m3，占96.56%，全部为人工造林。

1.2 数据来源

实验数据来源于林场内样地调查，共选取样地22块，样地面积30 m×30 m，每块样地均调查了单木的胸径、树高、冠幅，用全站仪测量每棵单木的位置以及相对高程，同时记录了海拔、坡向、坡度等立地因子。按树种来分，杉木样地15块，马褂木样地3块，马褂木和杉木混交样地2块，杉木和樟树混交林2块，共计单木1 974株。其中杉木样地中成熟林5块、中龄林10块;阳坡样地7块，阴坡样地8块;平坡样地3块，缓坡样地4块，斜坡样地5块，陡坡3块。共计杉木1 280株。

1.3 数据分析

1.3.1 样地中对象木和竞争木选取

为了消除样地边缘效应的影响，1 280棵杉木的平均冠幅的半径为1.69 m，694棵阔叶树的平均冠幅半径为1.97 m。故在原来样地边界周围设置一个2 m的缓冲区域，在缓冲区里面的树只作为竞争木，不作为对象木，在修改后边界上的树遵循取上不取下，取左不取右的原则。其余树木均可作为对象木与竞争木，参与指数运算。修改的样地边界如图1。

图1 某样地边界修改示意图

1.3.2 单棵对象木周围竞争木的确定

简单竞争指数和基于交角的林木竞争指数中竞争木的选取皆采用固定竞争木的方法，即选取与对象木距离最近的n（n=4或6或8）棵树作为竞争木，而基于树冠因子的林木竞争指数采用树冠重叠的方法，认为其它树木与对象木之间的距离小于它们平均冠幅半径即为竞争木。树冠重叠的方法比固定竞争木的方法更能够真实反映林木之间相互竞争的状态，故本文中所有指数均采用树冠重叠的方法来确定单棵对象木的竞争木。

1.4 竞争指数的计算

应用matlab高级程序语音编程，计算四种指数，得到每块样地所有对象木受到其它树木竞争的大小以及每块样地中单木受到平均竞争的大小。四种指数的具体表达式如下。

1.4.1 基于树冠因子的竞争指数

ccIi=∑nj=1HjHi ×（wi+wj-|xi-xj |）wi（1）

式中：Hj为第j棵竞争木的树高，Hi为对象木的树高，wi为对象木的平均冠幅半径，wj为第j棵竞争木的平均冠幅半径，|xi-xj |为两棵树水平方向的距离。

1.4.2 顾及地形因子的树冠竞争指数

基于树冠因子的竞争指数中用两棵树水平方向的距离来表示两棵树之间的距离并不能准确反应两棵树木之间的相对位置;同时用两棵树高的比值来表示两棵树垂直方向的遮挡也并不准确，因为在林地中受地形起伏以及坡度的影响，两棵树树高的差值，并不能代表两棵树顶的相对高差，因此为顾及地形因子的影响，引入两棵树的相对高程的差值加以修正，其具体表达式如下：

ccIi-e=∑nj=1（Hj+（ej-ei））Hi

×（wi+wj+（xi-xj）2-（yi-yj）2 ））wi （1）

式中：Hj为第j棵竞争木的树高，Hi为对象木的树高，ej为第j棵竞争木的相对高程，ei为第i棵对象木的高程，wi为对象木的平均冠幅半径，wj为第j棵竞争木的平均冠幅半径，（xi-xj）2-（yi-yj）2为两棵树之间距离。

1.4.3 简单竞争指数

CIi=∑Nj（Dj/Di）/（DIST）ij（1）

式中：CIi为对象木i的简单竞争指标，Dj为对象木i的直径，Di对象木周围第j株对象木的直径（DIST）ij为对象木与竞争木之间的距离。

1.4.4 基于交角的竞争指数

u_a_CIi=1n∑nj=1（α1+α2.Cij）j180°.Ui（1）

α1=arctan（Hidij ） Hj>Hi

arctan（Hjdij ） Hj

α2=arctan（Hj-Hidij）（3）

Cij=1 Hj>Hi0 Hj

Ui=1n ∑nj=1kij;kij=1 Hj>Hi0 Hj

式中：Hi为对象木的树高，Hj为相邻木树高，dij为对象木和相邻木之间的距离，n为竞争木的株数，Ui是林木所处的竞争态势，Cij表示对象木是否被遮挡。

2 结果与分析

2.1 四种竞争指数的相关性

为了比较四种竞争指数在不同林分中的适应性，对四种指数算出的单木受到竞争的大小与胸径因子进行拟合，拟合得到的模型均为y=a*Db形式，以四种指数与胸径生长因子的相关性（R2）作为评判标准，得出结论如下：简单竞争指数的相关性明显优于其他三种指数;顾及地形的树冠竞争指数虽比原来要好，但是两种指数的相关性均偏低，而基于交角的竞争指数基本上无相关性（见表1）。

2.2 不同树种的种间竞争差异

把样地按不同树种划分为四种类型，以每一类样地中所有单木受到的平均竞争的大小为指标，得出结论如下;马褂木样地单木受到的平均竞争>樟树杉木混交林>杉木>马褂木杉木混交林。四种指数表现均一致（见表2）。

2.3 杉木林分的种内竞争差异

为了消除不同样地间密度和其他立地因子的影响，把杉木样地按龄组、坡向、坡度划分为不同的类别，用每一类样地中所有单木受到的平均竞争大小为指标得出结论如下：中龄林中单木受到的平均竞争要大于成熟林，可能因为中龄林生长比较旺盛，需要生存资源更多，竞争更激烈;阴坡样地中单木受到平均竞争要大于阳坡，可能是阴坡光照资源不充足，生存资源更少，竞争更激烈;陡坡单木受到的平均竞争>斜坡>缓坡>平坡，即随着坡度的增加，竞争更激烈，可能由于坡度越陡，水土越容易流失，导致林分内水分养分缺失，树木间竞争更为激烈。四种指数得出结果均一致，具体结果如表3。

3 结论与讨论

本文基于树冠因子的竞争指数，顾及林分地形因子，提出了一种顾及地形的树冠竞争指数，并且把这两种指数与简单竞争指数和基于交角的林木竞争指数在不同林分的适用性作比较，以它们与胸径生长因子的相关性为判断依据。发现顾及地形的树冠竞争指数比基于树冠因子的竞争指数的相关性更高，但总的来说两种指数的相关性均偏低。四种指数中简单竞争指数的相关性明显高于其它三种指数，说明其在不同林分中的适应性更强。而基于交角的林木竞争指数基本上没有相关性，说明该指数的适用性较差。

通过把林分划分为不同类别，分别用四个指数计算每一类样地中所有单木受到的平均竞争的大小，以此作为依据。发现在不同林分中马褂木样地单木受到的平均竞争>樟树杉木混交林>杉木>马褂木杉木混交林。在杉木人工林林分中，中龄林中单木受到的平均竞争要大于成熟林，因此在营林过程中，中龄林林分要及时间伐或者施加肥料，以满足林木旺盛的生长需求;阴坡样地中单木受到平均竞争要大于阳坡，陡坡单木受到的平均竞争>斜坡>缓坡>平坡，因此在造林过程中，阴坡林地的造林密度应该小于阳坡，陡坡<斜坡<缓坡<平坡。

参 考 文 獻

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（责任编辑：唐 岚）