京西油松水源保护林林分结构特征

刘海翔,秦亚航，杨新兵，高泽威，刘敏，郭建军

(1.张家口市塞北林场(市国有林场管理处)，河北 张家口 075000；2.河北农业大学林学院，河北 保定 071000；3.河北省深州市农业综合服务中心，河北 石家庄 052800)

林分结构是林分经过长时间的演替与周围环境共同作用的结果，合理的林分结构是充分发挥森林多种功能的基础[1]。林分结构的研究一直是研究森林经营与规划的重点，随着研究的深入，研究方向由直观的特征表述转为模型、函数等定量化的新方法模拟预测林分结构的发展趋势[2]。林分结构包括空间结构和非空间结构。其中，非空间结构包括直径结构、树高分布、生长量和树种多样性等，空间结构包括林分空间分布格局、混交程度、林木分化和林木竞争指数等[3]。目前研究林分直径分布规律最常用的方法为概率分布函数法，如Weibull分布、正态分布等[4]。常用的树高预测模型分为以胸径为自变量的树高预测模型和以树龄为自变量的树高预测模型[5]。林分空间分布格局的研究方法主要有样方法、距离法和角尺度法3种[6]。林分结构特征的量化是森林结构化经营的基础。

为改善北京上游水源地环境，北京在河北省张家口市和承德地区投资营造了百万亩水源保护林，张家口市涿鹿县2015年在涿鹿林场完成了66.7 hm2的水源保护林造林任务。为探究京西油松水源保护林的林分结构特征，本文以北京西部张家口市涿鹿林场为研究区域，选择分布最多，也是京西水源林主要造林树种的油松(Pinustabuliformis)为研究对象，对样地进行每木检尺，计算胸径、树高、角尺度、大小比数等林分结构特征，为林场的油松林结构化经营提供数据支撑。

1 研究区概况

张家口市涿鹿县位于39°40′—40°39′ N，114°55′—115°31′ E，年降水量372.7 mm，年均温9.1 ℃，属温带半干旱大陆性季风气候，海拔460～2 882 m，土壤类型主要为褐土。代表性造林树种有油松、华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)、白桦(Betulaplatyphylla)等。常见灌木种类有短序胡枝子(Lespedezacyrtobotrya)、三裂绣线菊(Spiraeatrilobata)、平榛(Corylusheterophylla)、六道木(Abeliabiflora)、美蔷薇(Rosabella)等。试验样地选在张家口市涿鹿林场，40.1919°N，115.1008° E，海拔1 399 m，土壤类型为褐土，阴坡中坡位，郁闭度0.5，坡度32°。

2 研究方法

设置投影面积50 m×50 m样地，将样地划分为25个10 m×10 m的小样方，在每个样方内进行每木检尺，记录每株林木的树种、胸径、树高、相对坐标、生长状况等。

2.1 林分直径和树高分布规律计算

将测得的直径分别以1、2、3和4 cm为径阶距划分整化径阶，树高分别以1、2和3 m为间距分成不同的树高距。以径阶(树高距)中值为横坐标，各径阶(树高距)林木株数为纵坐标，绘制直径(树高)分布图。直径(树高)分布特征用偏度系数(S)和峰度系数(K)来描述[7]。计算公式为：

式中：S为偏度系数，大于0表示均值位于峰值左侧，小于0表示均值位于峰值右侧，绝对值越大，表示偏斜程度越大。K为峰度系数，K=0时为正态分布；K>0表示陡峭，分布较集中；K<0表示平坦，分布较离散。n为样地总株数，x为平均胸径(树高)，xi为第i株树的胸径(树高)，s为胸径(树高)标准差。

采用正态分布对胸径结构和树高结构进行拟合，用χ2检验正态分布的拟合效果。正态分布概率密度函数为：

式中：x为平均胸径(树高)，s为胸径(树高)的标准差，xi表示第i株林木胸径(树高)。

2.2 林分空间结构计算

林分空间结构包括空间分布格局[8]、林分混交程度[8]、林木分化特征[8]、林木竞争程度[9]等。

林木空间分布格局分为随机分布、均匀分布和聚集分布。采用角尺度(Wi)法测定对象木i附近的4株相邻木任意两株间的夹角α0，标准角α选择72°，记录α0小于标准角α所占比例。计算公式为：

式中：Zij为变量，相邻木j与对象木i的夹角小于标准角α，Zij记为1，反之记为0。Wi取值有0、0.250、0.500、0.750、1，分别对应林分分布非常均匀、均匀、随机、不均匀、非常不均匀5种格局。平均角尺度≥0.457，且≤0.517时为随机分布；大于0.517是聚集分布；小于0.475是均匀分布。

样地内树种的混交程度常用混交度(Mi)来表示，统计对象木i相邻的4株林木树种是否与对象木为同一树种，公式如下：

式中：Lij为变量，相邻木j与对象木i不同种记为1，同种记为0；Mi取值有0、0.250、0.500、0.750、1，分别对应零度、弱度、中度、强度、极强度混交。

采用大小比数(Ui)反映林分的林木分化程度，测量对象木i相邻4株林木的胸径，计算大于对象木胸径的林木比例，计算公式为：

式中：Kij为变量，相邻木j胸径大于对象木i，Kij=1，反之Kij=0；Ui可取值为0、0.250、0.500、0.750、1，分别对应优势、亚优势、中庸、劣势、绝对劣势。

采用Hegyi单木竞争指数模型，作为描述林分内林木竞争程度指标。将林木按照胸径大小编号，选取样地内生长状况良好，且树高和胸径都占据优势的林木作为优势木i。竞争木j则选择优势木邻近的4株林木。计算公式为：

式中：CIi为样地内优势木的竞争指数，Di、Dj分别表示为优势木和竞争木的胸径，Eij表示竞争木与优势木之间的直线距离。竞争指数越大，林分树种间竞争越激烈；反之，林木间竞争关系越缓和。

3 结果与分析

3.1 非空间结构特征

表1 林分树种组成及断面积、蓄积占比

3.1.2 林分直径分布规律 林分直径分布范围为5.0～36.4 cm，平均直径为15.7 cm。直径分布的偏度为0.158>0，林分直径分布偏左，即样地内直径较小的林木株树多于直径较大的。峰度-0.865<0，与正态分布相比，分布较为平坦，即直径分布较广，径阶范围较大，直径分布的离散程度较大。

由图1可知，划分的径阶间距不同，直径的分布也有所不同，以1和2 cm为间距划分的径阶分布比较相似，直径分布呈多峰值分布。以3和4 cm为间距划分的径阶分布较为相似，大体上为株数随径阶的增长而减少的趋势，以小径阶林木株数最多。从多个径阶分析看，在径阶大于20 cm时，林木株数大体上随着径阶的增大而减小，林分直径整体上不符合正态分布。侯梅等[10]人在研究麻城黄山松天然林直径分布时发现，直径分布符合正态分布的样地仅占25%。本研究油松林中小径阶的林木占林分株数的大多数，直径分布不符合正态分布，与侯梅等人结论基本一致。原因可能与人工抚育采伐的干扰和林分内更新起来的中小径阶株数较多有关。

图1 不同径阶直径分布及拟合

3.1.3 林分树高分布规律 样地树高分布范围为2.78～18.80 m，平均树高9.08 m。树高分布的偏度为-0.140，树高分布偏右，树高较大的林木株数多于树高较小的林木株数；峰度为-0.776，树高分布较平坦，分布比较离散。由图2可知，以1 m为间隔划分的树高距分布为多峰分布，分别在树高距中值为5.5、7.5、10.5和12.5 m时林木株数达到峰值，峰值与附近株数差距较小。树高距间隔为2 m时，树高分布基本呈双峰曲线，分别在树高距中值为7和11 m时达到峰值，林分树高分布整体上呈先增后减，再增再减的趋势。树高距间隔为3 m时，树高分布整体呈现出先增后减的类正态分布状，峰值位于正态分布右侧。树高距划分不同，树高分布规律明显不一致，原因可能是：林内经过抚育采伐；林下更新幼树的增加；林内有小部分断头木。

图2 树高分布及拟合

3.2 空间结构特征

3.2.1 角尺度 由表2可知，样地内的平均角尺度为0.524>0.517，说明整体呈聚集分布。从频率分布看，角尺度为0.500的分布频率最大，频率为0.619，林分内随机分布的林木株数最多，占林分株数一半以上；其次处于均匀状态和不均匀状态的林木株数相近；最少的为处于非常均匀分布的林木。

表2 空间结构参数分布频率及平均参数

3.2.2 混交度 由表2可知，样地内的平均混交度仅有0.193。样地内大多数的林木为零度混交，分布频率高达0.614，其他混交度分布频率依次减小，表明样地内树种多为同一种类，林分结构比较单一。

3.2.3 大小比数 由表2可知，样地的平均大小比数为0.493，整体的分化水平接近中庸，各大小比数分布频率相近，皆位于0.200附近。说明油松林分内的林木胸径与其附近4株林木的胸径相比，大于对象木和小于对象木的株数大致相等。林分内不同大小林木分布均匀。

3.2.4 竞争指数 由表3可知，林分内优势木树种为油松，胸径分布在15～37 cm，树高分布在12～16 m。陈立新等[9]研究红松人工林优势木竞争指数时指出，竞争指数越大，竞争越激烈，林木竞争指数为5左右时，林木竞争比较激烈。本研究样地的林木竞争指数为1.08<5，达不到竞争激烈的水平，林分内的林木竞争程度比较平缓。

表3 优势木竞争指数计算结果

4 结论

京西油松水源保护林树种组成式为10油-椴-栎-桦-榆-山，林木直径和树高分布不符合正态分布规律，林分整体上呈轻度的聚集分布，大小分布均匀，混交度较小，树种单一，林木竞争较小。