苍山东坡云南松次生林林分结构特征*

宣帅,王建明,尹继庭,管亚东

(1.大理大学 数学与计算机学院,云南 大理 671003;2.大理州林业和草原科学研究所,云南 大理 671000;3.云南省林业调查规划院大理分院,云南 大理 671000)

次生林在我国分布范围广,树种类型多,不仅是木材、薪炭等森林资源的重要基地,同时还具有固持土壤、涵养水分和改善生态环境等优点[1]。然而,次生林普遍存在林分结构不合理、生物多样性低、森林火险等级高等问题,面临病虫害及林火等自然灾害的威胁[2-3]。在没有高强度的人为干扰和自然干扰的情况下,次生林会通过特定的演替序列进行漫长的正向演替[4]。目前,云南省大理市苍山东坡地区的云南松(Pinusyunnanensis)主要以次生林为主,但大部分处于中幼龄林阶段[3],林分组成简单,结构不合理,普遍存在品质退化,火灾与病虫害较重等问题[5]。对苍山东坡次生林可持续经营研究的需求较为迫切,但未见相关研究报道。

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。林分结构特征的量化是森林结构化经营的基础[6],对于次生林的健康经营具有重要的理论和实践意义[7-8]。林分结构由林分非空间结构指标和空间结构指标来共同描述。林分非空间结构指标包括物种数量特征、直径结构和树高分布等。空间结构指标包括角尺度[9-10]、大小比[11]、混交度[12-13]和密集度[14-15]等。在描述复杂的林分空间结构时,单独的林分结构参数可以从整体上描述林分状态,而2个或多个林分结构参数的合理组合能够客观地描述林分内几种结构参数之间的关系。

因此,本研究以云南省大理市苍山东坡云南松次生林为研究对象,分析其物种数量特征、林木直径和树高分布规律以及角尺度、大小比、混交度和密集度之间的一元、二元和四元分布特征,对其林分结构进行量化和分析,以期为其可持续经营提供理论参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

苍山位于云南省西部,苍山呈西北-东南走向,南北长约75 km,东西宽约30 km,总面积499 km2,地理坐标99°58′～100°27′E、25°25′～26°02′N,海拔1 966～4 122 m。研究区位于苍山东坡。该区属于典型的亚热带高原季风气候,日照充足、热量丰富、年温差小、日温差大、干湿季分明、四季不分明,年平均降水量861.6 mm,年平均相对湿度61%,年平均气温16.1℃,年均日照时数2 375.4 h。水平地带性土壤为红壤,并镶嵌着石灰土、紫色土等非地带性土壤;山地垂直带土壤主要有高山草甸土、暗棕壤、棕壤、黄棕壤、红壤、石灰(岩)土、紫色土7个土壤类型。样地设置在苍山东坡海拔2 136～2 396 m范围内,坡位多为中坡,平均坡度20.2°,地势相对平缓,土壤类型为红壤。

1.2 样地调查

在样地调查中,相比于传统的方形样地,圆形样地具有易于建立、定位,地形适应性好等优势[16]。相同面积下,圆形样地的边缘误差更小。在小班调查中,方形样地一般以20 m ×20 m为起始样地大小,通过面积换算得到对应的圆形样地半径大约为11.29 m。

苍山东坡云南松次生林主要分布于海拔2 000～2 500 m[17],本研究基于地形条件及林分情况,设立10块半径为12～35 m的固定圆形样地,使用全站仪对样地内直径大于5 cm的林木全部进行定位、挂牌/编号,并进行检尺,详细记录直径、树高、冠幅、树种等林木因子及海拔、坡度、坡向等样地信息(表1)。

表1 样地基本信息

1.3 数据处理

采用Voronoi图法确定空间结构单元[18]。每个多边形代表每株林木与其相邻木构成的空间结构单元[19]。为减少误差,本研究使用距离缓冲区法(图1),将样地边界向内2 m作为缓冲区,以最大程度减少边缘林木空间结构参数计算时的误差[20]。

图1 样地矫正后的Voronoi

为确保不同半径样地数据的一致性和可比性,本研究基于相同的测量标准和划分规则,采用一致的数据处理和分析方法,对林分结构参数进行归一化处理,将其转化为相对值,以尽可能消除样地半径不同可能带来的数据差异,减小半径差异对研究结果的潜在影响。

1.4 数据分析

1.4.1 林分非空间结构

(1)树种组成和重要值

树种组成是林分非空间结构特征之一。本研究以树种组成系数来表示各树种在样地林分中所占的数量比例,通过计算各树种蓄积量占林分总蓄积量的比重得到树种组成系数[21]。以树种重要值来表示样地中起到重要作用的树种[22]。

重要值=(相对多度+相对频度+相对显著度)/3

(2)林分直径和树高结构

对样地内林木的直径、树高进行测量和统计。起测直径为5 cm,将测得的直径分别以2 cm、3 cm和4 cm为径阶距划分整化径阶,树高分别以1 m、2 m和3 m为间距划分不同的树高距。以径阶中值为横坐标,各径阶林木株数为纵坐标,绘制直径分布图;以树高距中值为横坐标,各树高距林木株数为纵坐标,绘制树高分布图。分析林分直径、树高的分布规律。采用正态分布对直径分布和树高分布特征进行拟合。

1.4.2 林分空间结构

(1)角尺度

角尺度是对林分水平分布格局的描述,指对象木i与其最近相邻木j之间所构成的夹角α小于标准角α0的个数在形成的n个夹角中所占的比例[23],其中标准角α0=360°/(n+1),n为对象木i周围相邻木j的株数。对象木i的角尺度(Wi)计算公式[9,23]为:

当Wi均值落在[0.475,0.517]的区间内时,表示该林分为随机分布;当Wi均值落在区间[0.475,0.517]的左侧时,表示该林分为均匀分布;当Wi均值落在区间[0.475,0.517]的右侧时,表示该林分为团状分布[24]。

(2)大小比

大小比是对林木个体直径大小分化程度的描述,指与对象木i最近的n株相邻木j中大于对象木i的株数在n株相邻木中所占的比例。对象木i的大小比(Ui)计算公式[11,25]为:

Ui值越低,说明比对象木i大的相邻木j越少。

(3)混交度

混交度是对树种空间隔离程度的描述,指相邻木j中与对象木i不属于同一树种的林木株数在n株相邻木中所占的比例。对象木i的混交度(Mi)计算公式[12-13,26]为:

(4)密集度

密集度是对林木密集程度的描述,指与对象木i树冠投影存在重叠的相邻木的株数在n株相邻木中所占的比例。对象木i的密集度(Ci)计算公式为[14-15,27]:

利用R4.2.0对林分调查数据进行计算和分析,采用Microsoft Excel 2019对数据进行处理并用OriginLab 2019作图。

2 结果与分析

2.1 林分非空间结构特征

2.1.1 树种组成和重要值

从表2可以看出,群落中主要乔木树种的数量特征及其在林分中的地位和影响。云南松在该群落中占据着68.21%的重要值,远超排名第二的华山松(P.armandii)(20.21%),表明云南松在该群落中处于绝对优势地位且优势十分显著。而麻栎(Quercusacutissima)、南烛(Vacciniumbracteatum)、西南桦(Betulaalnoides)、尾叶白珠(Gaultheriagriffithiana)等树种的重要值都很低,均在5.00%以下。这些较低重要值的树种在林分中是主要的伴生种,作为不可或缺的一部分,对于提高林分的稳定性具有重要作用。因此,该区域的群落主要由云南松和华山松组成。

表2 各树种数量特征和重要值

2.1.2 林分直径分布特征

如图2所示,样地内林木主要分布于较小直径范围,大直径树木较少。与正态分布相比,林分的直径分布更平坦,分布范围广、径阶差异大、离散程度高。在不同径阶间距下,林木直径分布相似,呈现单峰偏左趋势,随径阶增加,林木株数先增后减,中小径阶树木最多。综合多径阶分析,整体林分直径分布符合近正态分布特征。在研究区的云南松次生林中,中小径阶树木占绝大多数,与侯梅等[28]的研究结果一致。此现象或因人为干扰以及林分更新增加了中小径阶树木的数量。

图2 不同径阶直径分布及拟合

2.1.3 林木树高分布特征

如图3所示,不同树高距的树高分布呈现单峰曲线,整体上表现为先增后减的趋势,峰值左偏,并以峰值为中心向两侧递减,林木株数下降速度较快,曲线较陡。尽管树高距划分不同,树高分布规律基本一致,可能是因为人为干扰、林下更新幼树增加以及林内断梢树的存在所致。

图3 不同树高距分布及拟合

2.2 林分空间结构特征

2.2.1 一元分布特征

通过计算角尺度(W)、大小比(U)、混交度(M)和密集度(C)的不同取值等级(0.00、0.25、0.50、0.75、1.00)的相对频率(Relative frequency)获得空间结构参数的一元分布[29]。图4显示了不同结构参数在不同取值级别下的频率变化。在群落中,约41.22%的林木呈现随机分布,其角尺度均值为0.480 4,整体呈现随机分布格局。大小比等级相对频率相对稳定,但绝对优势木和绝对劣势木占比最高,分别约占35.88%和33.49%,表明林木的优劣差异显著。混交度差异明显,大多数林木混交度为0.00,林分内树种单种聚集的情况较多。而林分整体密集度较低,98.77%的林木呈现非常稀疏状态,表明了林木间竞争较小。

图4 空间结构特征一元分布

2.2.2 二元分布特征

以参数A(0.00、0.25、0.50、0.75、1.00)和参数B(0.00、0.25、0.50、0.75、1.00)的可能取值进行组合[30-31],构建角尺度-大小比、角尺度-混交度、角尺度-密集度、大小比-混交度、大小比-密集度和混交度-密集度6种组合。每种组合方式可产生25种不同的参数组合[32],计算得到相对频率,用以表示一个空间结构参数在另一个空间结构参数上的相对影响,最终得到的联合频率数据构成了林分空间结构的二元分布。

由图5a可知,角尺度的变化对林木数量呈现先增后减的趋势,在W=0.50时达到峰值,这表明随机分布对林木直径生长的影响不显著。W=0.50时,林木个体主要处于绝对优势木和绝对劣势木状态。整体上,W=0.50、U=0.00的组合频率最高,表示林木均匀分布且绝对优势木最多,以云南松为优势树种。

图5 空间结构特征二元分布

图5b显示,在特定混交度下,随着角尺度的增大,林木数量呈现相似趋势,在W=0.50时达到峰值。当混交度增大时,林木数量急剧减少,表明以随机分布和极弱混交为主的林分结构最常见。针对此结构,可以通过补植乡土树种来改善林分结构。

角尺度-密集度(W-C)二元分布与角尺度-混交度(W-M)二元分布类似,处于随机分布且稀疏的林木占比最高,表明树冠重叠较少,林木间竞争平缓(图5c)。

大小比-混交度(U-M)二元分布显示林分中几乎所有林木都处于零度混交状态,表明混交情况较差。在弱混交的情况下,林木个体大小差异较为显著,应通过补植不同直径等级的乡土树种来优化林木个体差异和树种组成(图5d)。

其他二元分布结果类似地表现了林木的不同分布情况,显示了大小比、混交度与密集度的相互关系(图5e、5f)。

2.2.3 四元分布特征

通过组合不同的结构参数取值,形成625种不同的参数组合[33],见图6。

图6 林分结构特征四元分布

如图6所示,在特定条件下,如M=0.00,C=0.00,W=0.50时,林木个体总数占比达到35.49%。当林木大小比从0逐渐增加到1时,相对频率呈现中间小、两边大的趋势。在此情况下,主要的林木类型包括:处于随机分布且绝对优势的林木,占总株数的12.73%;随机分布、稀疏且极弱混交、绝对劣势的林木,占总株数的11.88%;以及随机分布、稀疏且极弱混交的中庸林木,占总株数的5.94%。

3 讨论与结论

3.1 讨论

林分直径结构和树高结构反映林分的分化程度[34]。合金鑫等[35]、韦建秋[36]、齐鹏等[37]的研究指出,随着林木的生长,天然林径阶分布逐渐呈倒“J”型曲线,而人工同龄林则呈正态分布或近正态分布。本研究中的苍山东坡云南松人工次生林处于中幼龄林阶段[3],研究发现其林分林木直径和树高分布规律总体近正态分布,具有典型的人工林特征,也与莎仁图雅等[38]对华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)人工林的研究结果相似。

在林分空间结构方面,角尺度对林分分布格局的重要性,尤其是与优势树种的聚集分布相关。理想的林分平均角尺度应在[0.475,0.517]的范围内,取其中间值0.496。在林分结构优化中,可以将角尺度与0.496的绝对值较大的目标树作为择伐木,使得保留木的水平分布格局更接近理想的随机分布[39]。针对混交度和密集度等二元分布特征,补植乡土树种可提高林分的结构稳定性和光照利用率。大小比有效衡量了目标树在结构单元中的竞争优势,反映了苍山东坡云南松人工次生林中云南松的优势地位,这与宋语涵等[40]的研究结论相同。同时,可将大小比数超过林分平均值的目标树作为择伐对象,使保留木能更好生长[39]。综上所述,苍山东坡云南松次生林直径与树高近正态分布,水平分布格局与随机分布有差距,林木个体大小差异较为显著,树种混交情况较差,密集程度低,林分结构不合理,应优化经营管理措施,制定合理且行之有效的经营方案,以促进苍山东坡云南松次生林的正向演替。建议重点关注云南松的同种竞争压力,将大小比和角尺度相结合能够更准确地预测林木生长的竞争压力,并考虑择伐劣势木,以促进保留木的生长潜力;补植乡土树种,在林中空旷提升光照利用率,促进自然更新,增强生态系统的稳定性以促进林分的空间分布格局的合理演变。

未来还需对主要种群的动态变化、目标树木的生长等方面进行系统评估和长期监测,以提供更具体的森林经营指导和建议,促进苍山东坡云南松次生林的正向演替,实现可持续经营。

3.2 结论

本研究以云南省大理市苍山东坡云南松次生林为研究对象,设置了10块圆形固定样地,以非空间结构参数(树种组成和重要值、直径和树高结构)以及空间结构参数(角尺度、大小比、混交度和密集度)为指标,对林分结构特征进行了深入分析。主要结论如下:(1)云南松作为绝对优势树种在次生林中占据主导地位。尽管其他伴生树种数量较多,但其个体数相对较少,未能有效提高林分的多样性;(2)林分内不同直径范围和树高距的树木分布表现出偏向小的趋势,符合自然演替的特征。这表明了林分结构受到自然演替的影响;(3)整体上林分表现出随机分布、低密集度和弱混交的特征。尽管林分的生长状态相对平稳,但绝对劣势和绝对优势树木数量较多,导致竞争压力不均衡。