小兴安岭白桦落叶松混交林空间结构特征

高秀华

（大兴安岭林业集团公司，黑龙江 加格达奇 165000）

0 引言

林分空间结构能够决定林木间的竞争关系及林木空间生态位，林分空间结构是否合理，将会对林木的生长状态产生影响，在一定程度上可以决定森林的稳定性、经营空间的大小以及森林生态系统发展的可能性[1]。林分空间结构由树种的生物学特性、林分经营措施及林木的生长环境共同作用形成，是森林生态系统的重要属性[2]，是森林可持续经营的关键因素[3]。

目前已有学者利用角尺度、混交度、大小比数等空间结构参数对林木个体的水平分布格局、树种的空间隔离程度和林木个体的竞争状态等开展了研究。崔成乘等[4]采用聚集度、角尺度、大小比数、竞争指数、空间结构综合指数等对北京通州平原生态林的空间结构特征进行了评价；张向龙等[5]基于角尺度、混角度和大小比数分析了内蒙古大兴安岭白桦（Betula platyphylla）次生中幼龄林的空间结构；和敬渊等[6]采用角尺度、大小比数和混角度等空间结构参数分析了吉林省金沟林场不同天然起源的杨桦（Populusdavidiana-Betula platyphylla）次生林空间结构；刘铭波等[7]选取角尺度、大小比数、混角度、密集度及林层指数分析了山西灵空山典型天然林空间结构特征及其对生产力的影响。但对小兴安岭林分空间结构特征的研究相对较少。

本研究利用溪水国家森林公园白桦落叶松（Larix gmelinii）混交林为研究对象，利用角尺度、混交度、大小比数、林分空间结构距离和林分空间结构指数，分析了白桦落叶松混交林的空间结构特征，以期为小兴安岭白桦落叶松混交林的科学经营和森林质量精准提升提供一定科学依据。

1 研究区概况

研究区位于上甘岭林业局溪水国家级森林公园境内，地处小兴安岭中断，属汤旺河流域，森林公园总面积4 580公顷。该区域属北温带大陆性湿润季风气候，冬季严寒干燥，夏季温暖多雨；冬季受极地大陆气团影响，多西北风；夏季受亚热带海洋气团影响，多东南风；全年无霜期87～102天；年平均气温1.6℃，年平均降水量584毫米。该区域植被属长白山植物区系小兴安岭亚系，地带性植被主要有阔叶红松林、云冷杉林、蒙古栎林、杨桦林、白桦林、落叶松林，主要乔木树种有红松、落叶松、云杉、冷杉、枫桦、白桦、青杨、椴树、蒙古栎、色木槭、黄菠萝、水曲柳、胡桃楸等。

2 研究方法

2.1 样地设置和调查

2022年6 月在溪水国家级森林公园内设置100米×100米的白桦落叶松混交林样地，平均海拔318米，林分郁闭度0.7，树种组成4白桦3落叶松1黑桦1蒙古栎1杂木。采用相邻格子法把样地划分为100个10米×10米的调查单元，对每个调查单元进行每木调查和坐标定位。在每木调查中，对样地内胸径≥5厘米的乔木进行测量，记录树种和胸径。在坐标定位中，以样地西南角为坐标原点，利用RTK对样地内胸径≥5厘米的乔木进行坐标定位。样地基本信息及林木点格局分布见表1、图1。

表1 样地基本信息

图1 样地内林木点格局分布

2.2 乔木树种的重要值

重要值能够反映不同乔木树种在群落中的地位和作用，可以通过相对多度、相对频度和相对优势度计算[8]，计算公式如下：

2.3 空间结构分析单元的确定

利用空间结构分析单元，对林分空间结构进行分析，不仅能够利用林木本身的特性，还可以对林木与相邻木间的关系进行分析，有助于对林分空间结构的全面认识[9]。研究表明参照木与4株最近相邻木构成的结构关系，空间结构信息比较完整，可操作性强，因此本研究利用参照树和4株最近相邻木作为最佳空间结构分析单元。

2.4 边缘矫正

样地边缘参照木的相邻木可能位于样地外，因此为防止边缘效应的产生，在整个样地的林分边缘设置5米的缓冲带，进行边缘矫正。

2.5 林分空间结构参数计算

本研究基于林分中任意1株参照木与最近相邻的4株对照木构成的基本结构单元计算林分的空间结构参数[10]。为分析小兴安岭白桦落叶松混交林的林木竞争大小分化程度、林木水平分布格局及空间隔离程度，采用大小比数、角尺度和混交度来分析林分空间结构情况。林分空间结构参数见表2。

表2 林分空间结构参数

利用林分空间结构距离和林分空间结构指数[5]可以从整体上对林分的空间结构进行评价。林分空间结构距离（FSSD）表示林分空间结构和理想结构之间的远离和逼近程度[6，11]。公式如下：

式中，M为平均混交度；U为平均大小比数；W为平均角尺度。FSSD取值范围为[0,1.5]。林分空间结构指数（FSSI）表示林分空间结构参数的投入与林分整体空间结构产出间的关系[6，11]。公式如下：

式中：M为平均混交度；U为平均大小比数；W为平均角尺度。FSSI取值范围为[0,1]。

2.6 数据分析与处理

本研究利用Winkelmass 1.0软件计算角尺度（W）、混角度（M）和大小比数（U）；利用Excel计算林分空间结构距离（FSSD）和林分空间结构指数（FSSI）及作图。

3 结果与分析

3.1 白桦落叶松混交林树种组成特征

1公顷白桦落叶松混交林样地内共有17个树种，样地内重要值≥1%的乔木树种共14种，排在前4位的分别是白桦、落叶松、黑桦和柞树，分别为22.80%、21.61%、11.50%和10.13%。云杉相对优势度最大为25.65%，但仅有11株，属于样地内的散生木。样地内树种组成及重要值见表3。

表3 样地内树种组成及重要值

3.2 白桦落叶松混交林径级结构

样地内白桦的平均胸径为14.14厘米，分布在5～18厘米径级范围内的白桦246株，占白桦总株数的83.40%；白桦大径级木（胸径≥30厘米）21株，占落叶松总株数的7.12%。

落叶松平均胸径17.25厘米，分布在5～18厘米径级范围内的落叶松185株，占落叶松总株数的75.20%；落叶松大径级木（胸径≥30厘米）53株，占落叶松总株数的21.54%。样地内主要树种径级分布情况见图2。

图2 样地内主要树种径级分布

3.3 白桦落叶松混交林空间结构参数零元分布

零元分布是指用林分内角尺度（W）、混交度（M）和大小比数（U）的平均值来描述林分空间结构的状态。林分平均角尺度（W）在[0.475,0.517]范围时，为随机分布；当W＜0.475时，为均匀分布；当W＞0.517时，为聚集分布[10]。林分的平均角尺度为0.540，说明整个林分呈聚集分布格局；林分的平均混交度为0.539，说明整个林分呈中度混交状态；林分的平均大小比数为0.497，说明整个林分呈中庸状态。

3.4 白桦落叶松混交林空间结构参数一元分布

由图3可以发现，林分角尺度（W）呈正态分布，W=0.5时，林木个体所占的比例最高，为57.74%；W=0和W=1时，林木个体所占的比例最小，分别为0.52%和7.72%。说明林分中处于随机分布状态的林木个体数量占多数，而非常均匀和非常不均匀的个体比例较小。

图3 角尺度分布频率

由图4可以发现，林分混交度（M）从零度到极强度混交的林木个体数量呈先增加后减小的趋势，M=0.5时，林分中林木个体所占的比例最高，为23.45%；M=0.75和M=1时，林分中林木个体所占的比例分别为22.57%和20.34%。说明林分中处于中度以上混交状态的林木占多数。

图4 混交度分布频率

图5可以发现，林分中不同大小比数（U）林木的个体数量基本相同，说明林分中各树种的大小分化程度不明显。

图5 大小比数分布频率

3.5 白桦落叶松混交林空间结构参数二元分布

空间结构参数的二元分布能够在多维度上更好地发掘林分空间结构信息，比零元和一元分布在空间结构特征分析中具有更强的解析能力[12]。角尺度（W）-大小比数（U）的二元分布见图6。随着角尺度（W）等级的增加，对应的大小比数（U）的相对频率呈先增加后减小的趋势，整体上呈现正态分布的规律。当W=0.5时，大小比数各等级的值均最大，林分中林木个体总相对频率值为57.75%，说明整个林分中有57.75%的林木处于随机分布状态。

图6 角尺度和大小比数的二元分布

角尺度（W）-混交度（M）的二元分布见图7。随着角尺度（W）等级的增加，混交度（M）的相对频率整体呈先增加后减小的趋势。当W=0.5时，混交度各等级的值均最大，说明处于同一混交等级的林木个体主要呈随机分布；W=1或W=0时，混交度各等级的值均较小，说明角尺度太大或太小都对林分混交度的提升产生不利影响。

图7 角尺度和混交度的二元分布

混交度（M）-大小比数（U）的二元分布见图8。同一大小比数的林木在不同混交状态下的相对频率有所不同，林分中U=0.5，M=0.5的林木个体相对频率最高，为6.69%。

图8 混交度和大小比数的二元分布

3.6 白桦落叶松混交林空间结构距离与空间结构指数

研究发现林分空间结构距离在[0,1.5]范围内，取值越小，说明林分结构越理想；林分空间结构指数在[0,1]范围内，取值越大，说明林分结构越优化。林分空间结构距离为0.679，林分空间结构指数为0.630，说明研究区域内白桦落叶松混交林空间结构一般。

4 结论与讨论

本文利用小兴安岭地区溪水国家级森林公园1公顷的白桦落叶松混交林为研究对象，采用树种组成、径级结构2个非空间结构参数；角尺度、混交度和大小比数等空间结构参数，分析了白桦落叶松混交林的空间结构特征。研究发现白桦落叶松混交林样地内共有17个树种，白桦和落叶松为主要树种，重要值分别为22.80%、21.61%；样地内白桦平均胸径14.14厘米，落叶松平均胸径17.25厘米。

白桦落叶松林空间结构参数的零元分布发现，林分的平均角尺度为0.540，说明林分整体上呈聚集分布。而在一元分布模式下，角尺度（W）为0.5时，林分中林木个体所占的比例最高，即有57.74%的林木处于随机分布状态，说明角尺度的均值仅能反映林分的整体分布状态，这与付翠林等[13]研究柏木人工林空间结构特征及其评价和张君钰等[14]研究油松林林分空间结构分析及评价指数构建的研究结果相似。

林分的平均混交度为0.539，说明林分整体上呈中度混交状态；林分的平均大小比数为0.497，林分中不同大小比数林木的个体数量基本相同，说明整个林分呈中庸状态。

根据林分空间结构参数的二元分布特征发现，在角尺度（W）和大小比数（U）关系中，随着角尺度（W）等级的增加，对应的大小比数（U）的相对频率呈先增加后减小的趋势，整体上呈现正态分布的规律。这与孙明港等[15]对长白山地区白桦红松混交林结构特征分析和付翠林等[13]对柏木人工林空间结构特征及其评价研究结果相似。在角尺度（W）和混角度（M）关系中，随着角尺度（W）等级的增加，混交度（M）的相对频率整体呈先增加后减小的趋势，当角尺度（W）为1或0时，混交度各等级的值均较小，说明角尺度太大或太小都对林分混交度的提升产生不利影响，这与梁文俊等[16]研究结果一致。在混交度（M）和大小比数（U）关系中，混交度和大小比数关系不明显。

综合上述情况，白桦落叶松混交林的空间分布整体呈聚集分布，中度混交状态，林木分化程度中庸，林分的结构未达到稳定状态[13]，这与林分空间结构距离和空间结构参数结果一致。在长期未受到干扰的天然林分中，林分空间结构呈随机分布[17]，林分混交度越高，空间结构越优化[18]，林木分化程度处于中庸状态时林分越稳定[19]，因此在今后的森林经营中，要保留角尺度（W）为0.5的林木个体，选择聚集分布的林木作为采伐目标，进而使林分空间分布格局由聚集分布转变为随机分布；在此基础上要选择大小比数（U）为0.75和1的林木作为次选采伐目标，将林分中处于劣势或绝对劣势的林木伐除。在补植补造方面，在林间空地上补植合适的树种，提高林分混交度，增强林分空间异质性。