乌溪江源头水源涵养林空间结构二元分布特征

夏春平，季新良，彭 辉，周红敏，廖北云，季如春

(1.浙江省龙泉市林业局，浙江 龙泉 323700； 2.浙江凤阳山自然保护区管理处，浙江 龙泉 323700； 3.浙江省龙泉市林业科学研究院，浙江 龙泉 323700)

森林水源涵养功能作为森林生态系统服务的一个重要方面，在拦蓄降水、改善水环境、调节地表径流及水分再分配等方面具有关键作用[1]。近年来，人们对森林的水源涵养功能越来越重视，水源涵养林林分空间结构功能的提升，有利于森林生态系统的稳定和水资源状况的改善[2]。孟楚等[3]对北京市八达岭林场水源涵养林空间结构特征研究结果表明，处于高混交状态且处于随机分布的林分具有较强的竞争优势，有利于水源涵养林生态功能的提升。我国大量的天然次生林分布在亚热带地区，目前对该区域天然常绿阔叶林的成熟林空间格局及关联性研究较多[4]，而对常绿阔叶次生林，特别是小流域源头水源涵养林空间结构的研究相对较少。廖北云等[5]对乌溪江源头天然次生阔叶混交林的空间结构进行研究，但仅是研究空间结构一元分布特征。林分空间结构参数二元分布能够同时提供树种间隔离程度、分布格局及相互间的挤压状况等综合的生境信息，而这些信息常作为被伐木选择的基础[6-7]。因此，本研究以乌溪江源头水源涵养林为研究对象，应用描述林分空间结构的角尺度、混交度和大小比数3个林分空间结构参数的二元分布特征[8]，立足优化水源涵养林空间结构的角度分析乌溪江源头次生林林分空间结构特征，继而为浙西南区域的小流域水源涵养林林分空间结构和功能的研究提供参考。

1 研究区概况

研究区位于浙江省西南部浙闽赣交界的龙泉市住龙镇，该区是乌溪江源头之一，属于中亚热带季风气候区(118°43′—119°26′E、27°42′—28°21′N) ，年降水量1645 mm，年均气温17.7 ℃。试验林分在20世纪八九十年代初被人为采伐破坏，之后一直进行封育管理。2020年，在全面调查的基础上，选择住龙镇西井村的生态公益林作为样地(面积为3200 m2)。该样地中现有植物25科42属50种，主要优势树种是杉科(Taxodiaceae)的杉木(Cunninghamialanceolata)，其次是壳斗科(Fagaceae)的青冈(Cyclobalanopsisglauca)、冬青科(Aquifoliaceae)的冬青(Ilexchinensis)。林分中还分布有马银花(Rhododendronovatum)、檵木(Loropetalumchinense)、薯豆(Elaeocarpusjaponicus)、木荷(Schimasuperba)、甜槠(Castanopsiseyrei)、马尾松(Pinusmassoniana)等树种。林下植被以蕨类为主，土壤为红壤。样地基本情况见表1。

表1 样地基本情况

2 研究方法

2020年3月，对样地内胸径(DBH)≥5 cm的乔木树种进行每木检尺，记录其胸径、树种、坐标等。采用空间结构参数二元分布[9]分析林分的空间结构，主要由角尺度(uniform angle index，W)、混交度(mingling degree，M)、大小比数(dominance，U)组成[10]。3个参数均在结构上有相互独立且相同的划分[11]都有5种取值可能，0.00、0.25、0.50、0.75、1.00，可形成M-U、M-W、U-W的3种两两组合进行分析。不同的频率值为林分中处于某一分布状态的林木所占比值，通过空间结构参数的二元分布可以更好地认识林分空间结构的微观特征，具体计算过程可详见文献[12]。为了避免边缘效应对分析结果的影响，缓冲区设置为5 m。采用Winkelmass 1.0处理数据，并用Excel 2016作图。

3 结果与分析

3.1 水源涵养林林分空间结构参数二元分布

3.1.1 林分的M-U的二元分布 由图1a可知，在不同大小比数等级上的混交度组合频率的和差异较小(0.178～0.215之间)。随着混交度从0.00～1.00等级的升高，大小比数呈现为先增大后减小，呈正态分布。混交度和大小比数结构组合中86%的林木分布在中高混交等级M=0.50～1.00时，在M=1.00时，M-U的频率组合值最高为44.4%，即林分中处于极强度混交状态的林木株树最多。混交等级M=0.00～0.25时，各大小比数的林木个体数量差别不大且较少，说明林分中林木的大小比数分布较均匀。

3.1.2 林分的M-W的二元分布 从图1b可以看出，随着混交度M的升高，角尺度W频率值增大。在同一等级的角尺度上，频率值随着混交度等级的增加而增大。在W=0.50时M频率值之和最大，为60%；表明林分内处于随机分布的林木比例为2/3。在很均匀状态的林木比例为0，表明在很均匀状态无林木个体存在。很不均匀状态的林木比例为10%，说明在有1/10的林木处于很不均匀分布。在混交度为1.00和角尺度为0.50的组合上林木比例为26.8%，极强混交和随机状态的林木个体数量最多。

3.1.3 林分的U-W的二元分布 从图1c的角尺度-大小比数组合上可以看出，大小比数在同一角尺度等级上的频率值相近，整体趋势为先减小后增大。在U=0.75时，总频率值最低，为17.86%，即林分中处于劣势的林木相对较少；林分中处于优势和绝对优势(U=0.25～0.00)的林木株树最多，频率值达42%；处于中庸状态(U=0.50)的林木株树较少，频率值为19.4%。各等级大小比数频率值均为在随机分布状态(W=0.50)时最高，频率值大小为0.09～0.132，在该等级的频率和为60%，说明在林木个体分布格局多为随机分布。在W=0.00时，大小比数各个级别上无林木个体分布。

图1 林分空间结构参数二元分布

3.2 优势树种杉木的空间结构二元分布

通过对样地树种优势度的分析表明，在该林分中杉木为优势树种。林分中优势树种杉木种群的二元分布图见图2，由图2a可知，各等级大小比数均表现为在相同混交等级上频率值存在显著差异。以中度混交轴(M=0.50)为界，在低混交等级轴上(M=0.00～0.25)，无林分分布；在高混交等级上(M=0.50～1.00)，分布所有林木个体；最大频率出现在M=1.0上。说明杉木种群主要分布在高度混交条件下。从图2b可知，在M-W组合中，林木主要分布在高度混交和随机分布状态，在(M=0.75～1.00)混交等级上，角尺度的频率均表现为先增大后减小。图2c中，在同大小比数等级上，角尺度频率值均表现为先升后降，在随机分布状态(W=0.50)时，大小比数的频率值最大，虽个别组合有林木缺失，但整体分布均为正态分布。表明同一大小比数等级上的林木个体大多属于随机分布，较少林木处于其它分布格局。

图2 杉木种群的结构参数二元分布

4 讨论与结论

4.1 讨论

自我国天然林资源保护工程正式实施以来，江河源头及小流域源头的天然次生林得到有效保护，生态功能得以持续发挥，但目前在水源涵养林时空变化与水源涵养效果的关系及近自然经营技术等方面的研究报道还较少[13]。赵阳等[14-15]对北京山区栓皮栎和北京西山侧柏水源涵养林进行空间结构特征研究表明，只有增加林分物种多样性才能使群落的稳定性提升，进而提升林分的水源涵养功能。二元分布克服了结构参数均值或单一分布在描述林分空间结构的局限性，更有效、更精准、更全方位地研究林分空间结构特征，提供不同空间结构参数组合的林木生长环境信息[16]。本研究应用描述林分空间结构的大小比数、混交度、角尺度3个林分空间结构参数的二元分布特征深入探讨乌溪江源头水源涵养林典型林分空间结构的微观特征，可为乌溪江流域乃至浙西南地区小流域源头的水源涵养林林分空间结构和功能的研究提供参考。目前张岗岗等[17]基于交叉列联表对角尺度、混交度、大小比数、密集度(Crowding，C)等4个空间结构参数进行分析，该研究包括了全部较低维分布所包含的结构信息，且以625倍精细程度细化了三元、二元、一元、零元 4个分布状态，为全面了解森林空间结构及森林空间结构可视化经营提供理论依据。因此，今后可以在乌溪江小流域源头设置固定大样地，对水土保持功能等进行长期监测，对其林分的空间结构四元分布等特征进行进一步分析研究。

4.2 结论

由乌溪江源头水源涵养林的林木个体空间结构二元分布可知，经过多年封育形成的天然次生混交林的整体林分混交度较高，林分中处于极强度混交的林木个体数量最多，林分中林木的大小比数分布较均匀。林分中有一半以上的林木个体属于随机分布，少量林木处于很均匀分布和团状分布。林分中处于优势和绝对优势的林木个体总频率最高。其中杉木作为主要优势树种之一，种群个体多处在高度混交状态，处于随机分布的个体较多，多数个体在林分中处于优势状态。该林分生物多样性高，林分结构稳定，林分水源涵养功能得到较好发挥，这些信息的获取无论是对于水源涵养林功能发挥还是对天然次生林可持续经营均具有重要意义。