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兴安落叶松人工林空间结构优化

林富成 王维芳 门秀莉 孙钰森 李国春

林富成, 王维芳, 门秀莉, 孙钰森, 李国春. 兴安落叶松人工林空间结构优化[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200228
引用本文: 林富成, 王维芳, 门秀莉, 孙钰森, 李国春. 兴安落叶松人工林空间结构优化[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200228
Lin Fucheng, Wang Weifang, Men Xiuli, Sun Yusen, Li Guochun. Spatial structure optimal of Larix gmelini plantation[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200228
Citation: Lin Fucheng, Wang Weifang, Men Xiuli, Sun Yusen, Li Guochun. Spatial structure optimal of Larix gmelini plantation[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200228

兴安落叶松人工林空间结构优化

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200228
基金项目: “十三五”国家重点研发计划项目(2017YFD0601204)
详细信息
    作者简介:

    林富成。主要研究方向:森林可持续经营。Email:815967578@qq.com 地址:150040黑龙江省哈尔滨市和兴路26号东北林业大学林学院

    通讯作者:

    王维芳,博士,副教授。主要研究方向:森林可持续经营。Email:weifangwang@126.com 地址:同上

  • 中图分类号: S758.5

Spatial structure optimal of Larix gmelini plantation

  • 摘要:   目的  以小兴安岭林区兴安落叶松人工林为研究对象,基于林分空间结构参数和经营密度表确定采伐强度及采伐木,对林分空间结构进行优化,分析优化效果,为人工林空间结构优化提供理论依据。  方法  在黑龙江省伊春市南岔县设置4块面积为0.2 hm2的兴安落叶松人工林固定样地,选择常用林分空间结构参数角尺度、大小比数、竞争指数和开阔比,并构建空间结构评价指数,结合兴安落叶松经营密度表确定采伐强度和采伐木,并分析间伐前后林分空分间结构变化。  结果  样地中的林木分别属于聚集分布、随机分布和均匀分布,中小径级林木较多,处于劣势状态,林木的生长空间处于严重不足状态和不足状态,林木竞争压力较大,各样地评价等级都为2级。根据经营密度表对监测样地2和监测样地4进行采伐,采伐株数强度分别为20.7%和12.7%,采伐之后角尺度分别降低3.9%和增加3.8%,大小比数分别降低0.5%和0.4%,竞争指数分别降低16.8%和5.2%,开阔比分别增加24.5%和4.2%,空间结构评价指数分别增加27.8%和7.2%。  结论  采用林分空间结构参数结合经营密度表进行林分抚育间伐可以有效改善林分空间结构,提升林木生长空间和优势程度,并减小了竞争压力。
  • 表  1  样地基本信息

    Table  1.   Basic information of plots

    样地号
    Plot No
    年龄
    Age/a
    平均胸径
    Mean DBH/cm
    平均树高
    Mean height/m
    单位蓄积
    Volume/(m3·hm−2)
    林分密度/(株·hm−2)
    Stand density/(tree·hm−2)
    12518.915.62541 325
    22518.315.8232.51 155
    31811.311.1184.82 125
    4181110154.71 845
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    表  2  林分空间结构评价指数等级划分

    Table  2.   Classification of forest spatial structure evaluation index

    评价指数值
    Evaluation index value
    特征描述
    Feature description
    等级评价
    Grade evaluation
    ≤ 0.20 几乎所有林分空间结构参数值与理想取值的标准相差很大,林木大小分化明显,林分分布呈非随机分布,林木个体生长空间严重不足
    The spatial structure parameters of almost all stands differ greatly from the standard of ideal values, the tree size differentiation is obvious, the stand distribution is non-random, and the individual growth space of trees is seriously insufficient
    1
    0.20 ~ 0.40 有一小部分林分空间结果接近于理想的取值标准。林分分布非随机分布,林木大小差异分布较明显,林木个体生长空间不足
    A small part of stand space results close to the ideal value standard. The distribution of stands is non-random, the distribution of tree size difference is obvious, and the individual growth space of trees is insufficient
    2
    0.40 ~ 0.60 接近于1/2左右的林分空间结构参数满足理想的取值标准,林木分布为均匀分布或均匀分布向随机分布转变,林木个体生长空间不足
    The spatial structure parameters of stands close to 1/2 meet the ideal value standard, the tree distribution is uniform distribution or uniform distribution changes to random distribution, and the individual growth space of trees is insufficient
    3
    0.60 ~ 0.80 大部分林分空间结构因子结构参数值满足理想取值的标准,林木分布格局接近于随机分布,林木大小分化不明显,林木个体生长空间较充足
    The structural parameters of spatial structure factor of most stands meet the criteria of ideal value, the tree distribution pattern is close to random distribution, the tree size differentiation is not obvious, and the individual growth space of trees is sufficient
    4
    ≥ 0.80 林分空间结构因子基本满足取值标准,林木整体格局成随机分布,林木大小分化明显,林木个体生长空间充足
    The spatial structure factor of stand basically meets the value standard, the overall pattern of the tree is random distribution, the tree size differentiation is obvious, and the individual growth space of the tree is sufficient
    5
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    表  3  林木角尺度频率分布及平均值

    Table  3.   Frequency distribution and mean of angle scale of forests

    样地号
    Plot No
    频率分布 Frequency distribution平均值w
    Mean
    wi (0)wi (0.25)wi (0.5)wi (0.75)wi (1)
    10.0050.1020.5610.2860.0460.565
    20.0130.120.5470.2730.0470.555
    30.0250.2110.5990.1520.0130.479
    40.1390.2130.5100.13800.412
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    表  4  不同径级大小比数平均值

    Table  4.   The average value and average value of different diameter grades of each plot size ratio

    样地号
    Plot No
    大小比数 Size Ratio平均值
    Mean
    10.8970.5030.12500.490
    20.9670.6160.1940.0360.505
    30.8110.5590.2880.1780.497
    40.7920.5450.3170.1170.499
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    表  5  各样地平均竞争指数

    Table  5.   average competition index of different regions of forests

    样地号 Plot No1234
    平均竞争指数 Mean competitive index2.282.342.432.07
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    表  6  开阔比分布频率及平均值

    Table  6.   Frequency and average value of open ratio distribution

    样地号
    Plot No
    频率分布 Frequency distribution平均值
    Mean
    $ \mathrm{O}{\mathrm{P}}_{i} $ (0)$ \mathrm{O}{\mathrm{P}}_{i} $ (0.25)$ \mathrm{O}{\mathrm{P}}_{i} $ (0.5)$ \mathrm{O}{\mathrm{P}}_{i} $ (0.75)$ \mathrm{O}{\mathrm{P}}_{i} $ (1)
    10.1080.0830.1780.2990.3320.666
    20.0930.0930.1470.3200.3470.683
    30.0760.0890.1440.3140.3770.710
    40.0450.0640.1340.1980.5500.791
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    表  7  各样地空间结构指标与评价指数

    Table  7.   indexes and evaluation indexes of various spatial structures

    样地号
    Plot No
    角尺度
    Angular scale
    大小比数
    Neighborhood comparison
    竞争指数
    Competition index
    开阔比
    Open ratio
    空间结构评价指数
    Stand spatial structure parameter
    10.5650.4902.280.6660.320
    20.5550.5052.340.6830.317
    30.4790.4872.430.7100.328
    40.4120.4992.070.7910.358
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    表  8  采伐木信息

    Table  8.   Thinning tree information

    样地号
    Sample No.
    树号
    The tree
    胸径
    DBH/cm
    角尺度
    Angle scale
    大小比数
    Neighborhood comparison
    竞争指数
    Competition index
    空间结构评价指数
    Stand spatial structure parameter
    24130.515.7850.059
    11130.2512.5330.122
    2015.40.750.751.7490.184
    2413.60.7512.1560.133
    259.70.7512.7450.115
    299.50.7515.7180.160
    3512.80.513.3100.095
    3811.70.513.4770.095
    6312.40.514.0430.080
    ...............
    22215.50.514.8490.067
    4229.40.7512.5290.070
    4480.512.8920.065
    928.90.7512.5230.136
    1129.90.7511.7970.097
    1827.50.512.8510.068
    23580.512.4560.075
    28160.512.1790.081
    32080.512.6280.071
    ..................
    3577.60.512.8110.068
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    表  9  样木间伐的原因

    Table  9.   Reasons for thinning of sample trees

    样地号
    Sample No.
    树木号
    Tree number
    胸径
    DBH/cm
    间伐原因
    Cause of tending thinning
    2 4 13 与6号和7号树距离太近,竞争压力过大,评价指数低
    Too close to no. 6 and no. 7 trees, too much competitive pressure, low evaluation index
    11 13 与10号树距离太近,处于绝对劣势状态
    Too close to tree number 10, at an absolute disadvantage
    20 15.4 被周围林木挤压
    Squeezed by surrounding trees
    24 13.6 处于劣势状态,受到相邻木挤压
    At a disadvantage, squeezed by adjacent wood
    25 9.7 林木分布不均匀,被周围林木严重挤压
    Uneven distribution of trees, severely squeezed by surrounding trees
    29 9.5 与224号树距离过近,受到相邻木挤压,竞争压力过大
    Too close to No. 224 tree, squeezed by adjacent wood, too much competition pressure
    35 12.8 与36号树距离过近,竞争压力大,评价指数过低
    Too close to tree 36, high competitive pressure and low evaluation index
    38 11.7 受到39号树严重挤压,竞争压力过大
    Severely squeezed by tree 39, the competition pressure is too high
    63 12.4 与81号树距离过近,受到严重挤压,评价指数过低
    Too close to No.81 tree, severely squeezed, and the evaluation index is too low
    222 15.5 与45号树距离过近竞争压力大,评价指数低
    Too close to No.45 tree, high competitive pressure and low evaluation index
    4 22 9.4 处于绝对劣汰,被邻木严重挤压
    In absolute fittest, severely squeezed by neighboring trees
    38 8.8 与39号树靠的太近,竞争压力过大
    Too close to tree 39, too much pressure from competition
    92 8 被周围邻木严重挤压
    Severely squeezed by surrounding wood
    112 8.9 被周围林木严重挤压,评价指数低
    Severely squeezed by surrounding trees, with low evaluation index
    182 9.9 受183号树严重挤压,竞争压力大评价指数低
    Seriously squeezed by No. 183 tree, the evaluation index of competitive pressure is low
    235 7.5 受234邻木挤压,评价指数低
    Squeezed by 234 neighboring trees, low evaluation index
    281 8 被周围林木挤压
    Squeezed by surrounding trees
    320 6 竞争压力大,评价指数低
    High competitive pressure and low evaluation index
    357 7.6 受336号树挤压,评价指数低
    Squeezed by 336 tree, low evaluation index
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    表  10  抚育间伐前后空间结构指标变化

    Table  10.   Spatial index changes of sample plots before and after thinning

    样地号
    Sample No
    项目
    Project
    平均胸径
    Mean
    DBH/cm
    角尺度
    Angle
    scale
    大小比数
    Neighborhood
    comparison
    竞争指数
    Competition
    index
    开阔比
    Open
    ratio
    空间结构评价指数
    Standspatial structure
    parameter
    2 间伐前Before tending thinning 18.3 0.555 0.505 2.340 0.683 0.317
    间伐后After tending thinning 19 0.533 0.502 1.946 0.850 0.405
    变化幅度%Amplitude of variation% 3.8 −3.9 −0.5 −16.8 24.5 27.8
    4 间伐前Before tending thinning 11 0.412 0.499 2.070 0.791 0.358
    间伐后After tending thinning 11.2 0.428 0.497 1.963 0.824 0.384
    变化幅度%Amplitude of variation% 1.8 3.8 −0.4 −5.2 4.2 7.2
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-22
  • 修回日期:  2020-08-24

兴安落叶松人工林空间结构优化

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200228
    基金项目:  “十三五”国家重点研发计划项目(2017YFD0601204)
    作者简介:

    林富成。主要研究方向:森林可持续经营。Email:815967578@qq.com 地址:150040黑龙江省哈尔滨市和兴路26号东北林业大学林学院

    通讯作者: 王维芳,博士,副教授。主要研究方向:森林可持续经营。Email:weifangwang@126.com 地址:同上
  • 中图分类号: S758.5

摘要:   目的  以小兴安岭林区兴安落叶松人工林为研究对象,基于林分空间结构参数和经营密度表确定采伐强度及采伐木,对林分空间结构进行优化,分析优化效果,为人工林空间结构优化提供理论依据。  方法  在黑龙江省伊春市南岔县设置4块面积为0.2 hm2的兴安落叶松人工林固定样地,选择常用林分空间结构参数角尺度、大小比数、竞争指数和开阔比,并构建空间结构评价指数,结合兴安落叶松经营密度表确定采伐强度和采伐木,并分析间伐前后林分空分间结构变化。  结果  样地中的林木分别属于聚集分布、随机分布和均匀分布,中小径级林木较多,处于劣势状态,林木的生长空间处于严重不足状态和不足状态,林木竞争压力较大,各样地评价等级都为2级。根据经营密度表对监测样地2和监测样地4进行采伐,采伐株数强度分别为20.7%和12.7%,采伐之后角尺度分别降低3.9%和增加3.8%,大小比数分别降低0.5%和0.4%,竞争指数分别降低16.8%和5.2%,开阔比分别增加24.5%和4.2%,空间结构评价指数分别增加27.8%和7.2%。  结论  采用林分空间结构参数结合经营密度表进行林分抚育间伐可以有效改善林分空间结构,提升林木生长空间和优势程度,并减小了竞争压力。

English Abstract

林富成, 王维芳, 门秀莉, 孙钰森, 李国春. 兴安落叶松人工林空间结构优化[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200228
引用本文: 林富成, 王维芳, 门秀莉, 孙钰森, 李国春. 兴安落叶松人工林空间结构优化[J]. 北京林业大学学报. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200228
Lin Fucheng, Wang Weifang, Men Xiuli, Sun Yusen, Li Guochun. Spatial structure optimal of Larix gmelini plantation[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200228
Citation: Lin Fucheng, Wang Weifang, Men Xiuli, Sun Yusen, Li Guochun. Spatial structure optimal of Larix gmelini plantation[J]. Journal of Beijing Forestry University. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200228
  • 林分空间结构是森林特有属性之一,可由树木的空间位置分布、不同树种的空间混合程度和树木大小分化程度来描述,它决定了林木之间的竞争优势和空间生态位,同时也反映林分的稳定性、生长潜力和经营空间的大小[1]。合理的林分空间结构是发挥森林多种功能的基础。对森林空间结构进行分析是森林质量调控的基础和重要前提,可为森林经营决策提供理论支持[2]

    森林空间结构的研究中,林分空间单元的确定[3-4]、林分空间结构指标的量化和选择[5-7]是林分空间结构分析中的关键环节。森林空间结构的合理描述可以为森林经营提供准确的信息,并已成为森林经营研究的热点,研究主要集中在林分空间结构现状的分析[8-12]、林分空间结构优化[13-15]、优化模型确立优化方案[16]、主要森林类型的空间结构[17]、空间结构多样性研究[18]、森林经营方法[19]、森林结构特征[20]等,基于空间结构分析的经营方案的优化设计更是目前国际上森林经营研究的一个重要方向[21]

    在对林分空间结构进行研究过程中,选择的指标不同,关注的角度就有所不同。由于森林空间结构指标是相互关联的,并且可以相互排斥,因此不可能实现角尺度、大小比数和混交度等空间结构指标同时达到最优。汤孟平等[22]提出森林最佳空间结构往往强调整体最优。方景[23]和许晓东等[24]根据近自然林改造指标,定性与定量结合,采用乘除法对各空间结构参数进行多目标规划来构建空间结构评价指数。董灵波等[25]研究发现林分空间结构评价指数是林分空间结构参数的完善和补充,可以作为量化林分空间结构状态和综合变化的指标,能够确定林分空间结构是否合理,以阐明森林量化决策的客观结构。林分空间结构评价指标的研究,是人工林理想空间结构表达的一条新途径。众所周知,人工林很难通过自然演替来优化林分空间结构,在林木生长过程中,会有自然稀疏现象,可以适当降低林分密度,但不能很大程度上解决林分空间结构问题。因此,对人工林进行优化非常重要,基于林分空间结构优化的结构化经营是国内外森林经营的重要方向。

    本研究以黑龙江省伊春市南岔县兴安落叶松(Larix gmelini)人工林为研究对象,分别计算林分内林木的角尺度、大小比数、开敞度、竞争指数和开阔比,并构建林分的空间结构评价指数,对林分空间结构现状进行分析。利用这些空间结构参数结合林分经营密度表确定采伐木,在优化林分空间结构的同时,将林分空间结构调整到最优状态,为今后空间结构分析和优化提供理论依据和科学基础。

    • 南岔县位于黑龙江省东北部,介于128°49′ ~ 129°46′E,46°36′ ~ 47°24′N之间。行政区总面3 088.41 km2,全年10.0 ℃以上积温在2 200 ~ 2 300 ℃左右;年极端最高气温为38.2 ℃,年极端最低气温为−44.2 ℃;年平均降雨量550 ~ 750 mm,时数为1 236.4 h;主导风向为SW(西南)。区域代表树种主要有红松(Pinus koraiensis)、云杉(Picea asperata)、樟子松(Pinus sylvestris)、兴安落叶松、水曲柳(Fraxinus mandshurica)等。

    • 于2018年在南岔县设置4块固定样地。其中柳树林场设置2块(样地1和样地2),样地1为对照,样地2为监测,林龄为25年。松青林场设置2块(样地3和样地4),样地3为对照,样地4为监测,林龄为18年。固定样地为50 m × 40 m,面积为0.2 hm2,对样地内胸径 ≥ 5 cm的树木进行每木检尺,记录每木的树种、胸径、树高、冠幅和位置等信息。样地的具体统计信息见表1。为避免边缘效应的影响,在样地边缘设置5 m的缓冲区,缓冲区中的林木只作为相邻木处理。

      表 1  样地基本信息

      Table 1.  Basic information of plots

      样地号
      Plot No
      年龄
      Age/a
      平均胸径
      Mean DBH/cm
      平均树高
      Mean height/m
      单位蓄积
      Volume/(m3·hm−2)
      林分密度/(株·hm−2)
      Stand density/(tree·hm−2)
      12518.915.62541 325
      22518.315.8232.51 155
      31811.311.1184.82 125
      4181110154.71 845
    • 根据森林结构化经营理论,综合各参数的林学意义等因素,采用n = 4组成的空间结构单元分析兴安落叶松人工林的空间结构特征,选取角尺度($ {w}_{i} $)、大小比($ {U}_{i} $)、竞争指数($ \mathrm{C}{\mathrm{I}}_{i} $)、开阔比($ \mathrm{O}{\mathrm{P}}_{i} $)4个参数,分析落叶松人工的空间结构。

      角尺度是描述林木个体空间分布格局的空间结构参数,被定义为任意2株相邻木和参照树的夹角小于标准角的个数占4株相邻木株数的比值,计算公式[26]如下:

      $${w_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {{z_{ij}}} $$ (1)

      式中:$ {w}_{i} $为对象木$ i $的角尺度,$ {{w}}_{{i}} $可以取值为0、0.25、0.5、0.75、1,分别代表林木处于绝对均匀、均匀、随机、不均匀、绝对不均匀分布状态;当第$ {j} $株相邻木与参照树的夹角小于72°时,$ {{z}}_{{i}{j}} $ = 1,反之,$ {{z}}_{{i}{j}} $ = 0。

      大小比数用来表示林木间大小差异程度及优势程度,指胸径大于参照树的相邻木株数占4株最近相邻木的比例,计算公式[27]如下:

      $${U_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {{k_{ij}}} $$ (2)

      式中:$ {U}_{i} $为对象木$ i $的大小比数,相邻木$ j $比参照树$ i $小时,$ {k}_{ij} $ = 0,否则,$ {k}_{ij} $ = 1,$ {U}_{i} $越小参照树越有优势;$ {U}_{i} $可以取值为0、0.25、0.5、0.75、1,分别代表林木处于优势、亚优势、中庸、劣势、绝对劣势状态。

      竞争指数表示林木个体生长与其生长空间的竞争关系。采用hegyi提出的简单竞争指数,计算公式[28]如下:

      $${\rm{C}}{{\rm{I}}_i} = \sum\limits_{j = 1}^4 {\frac{{{d_j}}}{{{d_{\dot i}}{L_{ij}}}}} $$ (3)

      式中:$ \mathrm{C}{\mathrm{I}}_{i} $是对象木$ i $的竞争指数,$ {d}_{j} $是竞争木$ j $的胸径,$ {d}_{i} $为对象木$ i $的胸径,$ {L}_{ij} $为对象木$ i $到竞争木$ j $之间的距离;竞争指数越小,表明对象木在竞争中越处于有利的地位。

      开阔比($ \mathrm{O}{\mathrm{P}}_{i} $)用来表达参照树对相邻木的遮蔽程度,当参照树$ i $到相邻木$ j $的水平距离大于二者树高之差时,$ {t}_{ij} $值为1,否则为0。$ \mathrm{O}{\mathrm{P}}_{i} $取值分别为0、0.25、0.5、0.75、1,分别代表林木处于完全遮挡、遮挡、中等开阔、开阔、非常开阔状态,计算公式[29]如下:

      $${\rm{O}}{{\rm{P}}_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {{t_{ij}}} $$ (4)
    • 最优的林分空间结构往往强调林分整体目标达到最优,采用乘除法对空间结构参数进行多目标规划,乘除法的基本思想是:x是决策向量,当在m个目标$ f\left({x}_{1}\right) $$ f\left({x}_{2}\right) $,…,$ f\left({x}_{m}\right) $ 中,有 k $ f\left({x}_{1}\right) $$ f\left({x}_{2}\right) $,…,$ f\left({x}_{k}\right) $ 要求实现最大,其余$ f\left({x}_{k+1}\right) $$ f\left({x}_{k+2}\right) $,…,$ f\left({x}_{m}\right) $要求实现最小,同时有$ f\left({x}_{1}\right) $$ f\left({x}_{2}\right) $,…,$ f\left({x}_{m}\right) $ > 0,那么采用公式(6)作为目标函数[30]

      $$ Q\left(x\right)=\frac{f\left({x}_{1}\right)f\left({x}_{2}\right)\cdots f\left({x}_{k}\right)}{f\left({x}_{k+1}\right)f\left({x}_{k+2}\right)\cdots f\left({x}_{m}\right)} $$ (5)

      根据乘除法思想,开阔比越大越好,大小比数和竞争指数越小越好,角尺度为0.5时最优,将角尺度 $ {w}_{i} $∈(0,1]范围的所有数据同时减去 0.5,并将角尺度 $ {w}_{i} $∈(−0.5,0]的数值取绝对值,因为$ 0.5-{w}_{i} $有可能为0,因此,通过将每个参数加1来改进公式,公式如下(7):

      $$ {P}_{i}=\frac{\left(1+\mathrm{O}{\mathrm{P}}_{i}\right)}{\left(1+{U}_{i}\right)\left(1+\mathrm{C}{\mathrm{I}}_{i}\right)\left(1+\left|0.5-{w}_{i}\right|\right)} $$ (6)

      式中:$ {P}_{i} $为林分空间结构评价指数。

      依据空间结构评价指数的含义,采用定性与定量相结合的方法,参照曹小玉等[30]对空间结构评价等级的划分,将评价指数划分为5个等级(表2)。

      表 2  林分空间结构评价指数等级划分

      Table 2.  Classification of forest spatial structure evaluation index

      评价指数值
      Evaluation index value
      特征描述
      Feature description
      等级评价
      Grade evaluation
      ≤ 0.20 几乎所有林分空间结构参数值与理想取值的标准相差很大,林木大小分化明显,林分分布呈非随机分布,林木个体生长空间严重不足
      The spatial structure parameters of almost all stands differ greatly from the standard of ideal values, the tree size differentiation is obvious, the stand distribution is non-random, and the individual growth space of trees is seriously insufficient
      1
      0.20 ~ 0.40 有一小部分林分空间结果接近于理想的取值标准。林分分布非随机分布,林木大小差异分布较明显,林木个体生长空间不足
      A small part of stand space results close to the ideal value standard. The distribution of stands is non-random, the distribution of tree size difference is obvious, and the individual growth space of trees is insufficient
      2
      0.40 ~ 0.60 接近于1/2左右的林分空间结构参数满足理想的取值标准,林木分布为均匀分布或均匀分布向随机分布转变,林木个体生长空间不足
      The spatial structure parameters of stands close to 1/2 meet the ideal value standard, the tree distribution is uniform distribution or uniform distribution changes to random distribution, and the individual growth space of trees is insufficient
      3
      0.60 ~ 0.80 大部分林分空间结构因子结构参数值满足理想取值的标准,林木分布格局接近于随机分布,林木大小分化不明显,林木个体生长空间较充足
      The structural parameters of spatial structure factor of most stands meet the criteria of ideal value, the tree distribution pattern is close to random distribution, the tree size differentiation is not obvious, and the individual growth space of trees is sufficient
      4
      ≥ 0.80 林分空间结构因子基本满足取值标准,林木整体格局成随机分布,林木大小分化明显,林木个体生长空间充足
      The spatial structure factor of stand basically meets the value standard, the overall pattern of the tree is random distribution, the tree size differentiation is obvious, and the individual growth space of the tree is sufficient
      5
    • 根据兴安落叶松经营密度表,确定监测样地2和样地4的采伐株数;在优先考虑角尺度调整,使林分趋于随机分布的基础上,考虑大小比数等于1的优先伐除,并对单木的竞争指数和林木开敞度进行综合考量,确定采伐木。

    • 各样地角尺度分布频率及其平均值如表3所示。4块样地的平均角尺度分别为0.565、0.555、0.479、0.412,样地1和样地2为聚集分布,样地3为随机分布,样地4为均匀分布。从分布频率上看,4块样地角尺度值呈现出两端低中间高的状态,4块样地都以$ {w}_{i} $ = 0.5随机分布为主,频率分别为56.1%、54.7%、59.9%、51%。处于均匀状态和不均匀状态分布的频率大体一致。根据这一现状可采伐聚集分布的林木,减小聚集分布频率,使林木分布向着随机分布的方向发展。

      表 3  林木角尺度频率分布及平均值

      Table 3.  Frequency distribution and mean of angle scale of forests

      样地号
      Plot No
      频率分布 Frequency distribution平均值w
      Mean
      wi (0)wi (0.25)wi (0.5)wi (0.75)wi (1)
      10.0050.1020.5610.2860.0460.565
      20.0130.120.5470.2730.0470.555
      30.0250.2110.5990.1520.0130.479
      40.1390.2130.5100.13800.412
    • 根据样地内实际情况,采用上线排外法,把样地内林木划分为4个径级:林龄25年的样地1和样地2内,胸径 ≤ 13 cm为Ⅰ径级,13 ~ 18.9 cm为Ⅱ径级,19 ~ 24.9为III径级,≥ 25为IV径级;林龄18年的样地3和样地4内,胸径 ≤ 8 cm为Ⅰ径级,8 ~ 11.9 cm为Ⅱ径级,12 ~ 15.9 cm为III径级,≥ 16为IV径级。各样地不同径级大小比数的平均值如表4所示。平均大小比数在0.490 ~ 0.505之间,各样地中Ⅰ径级平均大小比数在0.792 ~ 0.967之间,处于劣势状态,IV径级平均大小比数在0 ~ 0.178,处于优势状态。可以看出,中小径级林木平均大小比数较大,处于劣势状态,大径级林木平均大小比数较小,处于优势状态。可调整林分的径阶结构,可适当采伐小径阶的林木,降低林分大小比数,保证林木的优势地位。

      表 4  不同径级大小比数平均值

      Table 4.  The average value and average value of different diameter grades of each plot size ratio

      样地号
      Plot No
      大小比数 Size Ratio平均值
      Mean
      10.8970.5030.12500.490
      20.9670.6160.1940.0360.505
      30.8110.5590.2880.1780.497
      40.7920.5450.3170.1170.499
    • 各样地平均竞争指数(表5)分别为2.28、2.34、2.43、2.07,竞争压力均过大。样地3压力最大,因为样地3内林木株数是最多的。样地4林木株数大于样地1和样地2,但竞争指数小于样地1和样地2,这是由于样地1和样地2林龄大于样地4,林分经过生长,竞争加剧,生长空间减小,导致了这种现象。

      表 5  各样地平均竞争指数

      Table 5.  average competition index of different regions of forests

      样地号 Plot No1234
      平均竞争指数 Mean competitive index2.282.342.432.07
    • 各样地开阔比分布频率及平均值见表6。平均开阔比为0.666 ~ 0.791,林分整体处于开阔的环境状态。各样地处于开阔状态(开阔比值为0.75和1)的林木均达到60%以上,说明各样地中大多数林木处于开阔状态,不受遮蔽。各样地处于完全遮挡状态的林木分布频率为4.5% ~ 10.8%,处于遮挡状态的林分分布频率较低,最高仅为9.3%,说明林分内生长空间充足,光照环境较好。

      表 6  开阔比分布频率及平均值

      Table 6.  Frequency and average value of open ratio distribution

      样地号
      Plot No
      频率分布 Frequency distribution平均值
      Mean
      $ \mathrm{O}{\mathrm{P}}_{i} $ (0)$ \mathrm{O}{\mathrm{P}}_{i} $ (0.25)$ \mathrm{O}{\mathrm{P}}_{i} $ (0.5)$ \mathrm{O}{\mathrm{P}}_{i} $ (0.75)$ \mathrm{O}{\mathrm{P}}_{i} $ (1)
      10.1080.0830.1780.2990.3320.666
      20.0930.0930.1470.3200.3470.683
      30.0760.0890.1440.3140.3770.710
      40.0450.0640.1340.1980.5500.791
    • 将各样地的林分平均空间结构参数带入公式(6),计算得到林分空间评价指数(表7)。各样地评价指数为0.317 ~ 0.358,各样地评价等级都为2级。总体上来说,仅有一小部分林分空间结构单元接近理想的取值标准,林木竞争压力大,林木大小分化明显,林木个体生长空间不足。说明研究区域内兴安落叶松人工林空间结构与理想的空间结构相差较大,需要进行抚育间伐来改变该地区的林分竞争压力以及林分的生长空间,来提高林分生长状况。

      表 7  各样地空间结构指标与评价指数

      Table 7.  indexes and evaluation indexes of various spatial structures

      样地号
      Plot No
      角尺度
      Angular scale
      大小比数
      Neighborhood comparison
      竞争指数
      Competition index
      开阔比
      Open ratio
      空间结构评价指数
      Stand spatial structure parameter
      10.5650.4902.280.6660.320
      20.5550.5052.340.6830.317
      30.4790.4872.430.7100.328
      40.4120.4992.070.7910.358
    • 根据空间结构优化的原则,降低大小比数,调整林木分化程度,由处于劣势状态转为优势状态,调整林木分布状态,由聚集分布向随机分布转化,降低竞争指数,增加开敞度来增加林木生长空间。对监测样地2和样地4进行抚育间伐,对抚育间伐前后各空间结构参数进行对比分析,充分了解抚育间伐对林分现状的改善情况。

    • 样地2的平均胸径为18.3 cm,样地内理论株数应为204株,样地4的平均胸径为11 cm,样地内理论株数为344株。按照兴安落叶松经营密度表对样地内林木采伐,确定样地2采伐株树为48株,样地4采伐株树为47株,样地2采伐株数强度为20.7%,样地4采伐株树强度为12.7%。间伐木信息及原因如表8表9所示。

      表 8  采伐木信息

      Table 8.  Thinning tree information

      样地号
      Sample No.
      树号
      The tree
      胸径
      DBH/cm
      角尺度
      Angle scale
      大小比数
      Neighborhood comparison
      竞争指数
      Competition index
      空间结构评价指数
      Stand spatial structure parameter
      24130.515.7850.059
      11130.2512.5330.122
      2015.40.750.751.7490.184
      2413.60.7512.1560.133
      259.70.7512.7450.115
      299.50.7515.7180.160
      3512.80.513.3100.095
      3811.70.513.4770.095
      6312.40.514.0430.080
      ...............
      22215.50.514.8490.067
      4229.40.7512.5290.070
      4480.512.8920.065
      928.90.7512.5230.136
      1129.90.7511.7970.097
      1827.50.512.8510.068
      23580.512.4560.075
      28160.512.1790.081
      32080.512.6280.071
      ..................
      3577.60.512.8110.068

      表 9  样木间伐的原因

      Table 9.  Reasons for thinning of sample trees

      样地号
      Sample No.
      树木号
      Tree number
      胸径
      DBH/cm
      间伐原因
      Cause of tending thinning
      2 4 13 与6号和7号树距离太近,竞争压力过大,评价指数低
      Too close to no. 6 and no. 7 trees, too much competitive pressure, low evaluation index
      11 13 与10号树距离太近,处于绝对劣势状态
      Too close to tree number 10, at an absolute disadvantage
      20 15.4 被周围林木挤压
      Squeezed by surrounding trees
      24 13.6 处于劣势状态,受到相邻木挤压
      At a disadvantage, squeezed by adjacent wood
      25 9.7 林木分布不均匀,被周围林木严重挤压
      Uneven distribution of trees, severely squeezed by surrounding trees
      29 9.5 与224号树距离过近,受到相邻木挤压,竞争压力过大
      Too close to No. 224 tree, squeezed by adjacent wood, too much competition pressure
      35 12.8 与36号树距离过近,竞争压力大,评价指数过低
      Too close to tree 36, high competitive pressure and low evaluation index
      38 11.7 受到39号树严重挤压,竞争压力过大
      Severely squeezed by tree 39, the competition pressure is too high
      63 12.4 与81号树距离过近,受到严重挤压,评价指数过低
      Too close to No.81 tree, severely squeezed, and the evaluation index is too low
      222 15.5 与45号树距离过近竞争压力大,评价指数低
      Too close to No.45 tree, high competitive pressure and low evaluation index
      4 22 9.4 处于绝对劣汰,被邻木严重挤压
      In absolute fittest, severely squeezed by neighboring trees
      38 8.8 与39号树靠的太近,竞争压力过大
      Too close to tree 39, too much pressure from competition
      92 8 被周围邻木严重挤压
      Severely squeezed by surrounding wood
      112 8.9 被周围林木严重挤压,评价指数低
      Severely squeezed by surrounding trees, with low evaluation index
      182 9.9 受183号树严重挤压,竞争压力大评价指数低
      Seriously squeezed by No. 183 tree, the evaluation index of competitive pressure is low
      235 7.5 受234邻木挤压,评价指数低
      Squeezed by 234 neighboring trees, low evaluation index
      281 8 被周围林木挤压
      Squeezed by surrounding trees
      320 6 竞争压力大,评价指数低
      High competitive pressure and low evaluation index
      357 7.6 受336号树挤压,评价指数低
      Squeezed by 336 tree, low evaluation index
    • 对比监测样地2和样地4进行间伐前后各空间结构参数变化(表10)。样地2和样地4的角尺度都向随机分布发展,分别降低3.9%和增加3.8%;大小比数分别降低0.5%和0.4%;竞争指数分别减小16.8%和5.2%;开阔比分别增加24.5%和4.2%,空间结构评价指数分别增加27.8%和7.2%;林分各空间结构指数和空间结构指标都有了很大的改善。

      表 10  抚育间伐前后空间结构指标变化

      Table 10.  Spatial index changes of sample plots before and after thinning

      样地号
      Sample No
      项目
      Project
      平均胸径
      Mean
      DBH/cm
      角尺度
      Angle
      scale
      大小比数
      Neighborhood
      comparison
      竞争指数
      Competition
      index
      开阔比
      Open
      ratio
      空间结构评价指数
      Standspatial structure
      parameter
      2 间伐前Before tending thinning 18.3 0.555 0.505 2.340 0.683 0.317
      间伐后After tending thinning 19 0.533 0.502 1.946 0.850 0.405
      变化幅度%Amplitude of variation% 3.8 −3.9 −0.5 −16.8 24.5 27.8
      4 间伐前Before tending thinning 11 0.412 0.499 2.070 0.791 0.358
      间伐后After tending thinning 11.2 0.428 0.497 1.963 0.824 0.384
      变化幅度%Amplitude of variation% 1.8 3.8 −0.4 −5.2 4.2 7.2
    • 南岔县隶属于小兴安岭地区,该区域内兴安落叶松人工林空间结构现状与理想空间结构现状相差甚远,存在明显的结构问题,林木生长空间严重不足,分布不均匀,竞争压力较大,空间结构评价指数过低等。这些问题主要是由林分密度过大造成的,需要通过抚育间伐来对林分结构进行优化调整。对林龄为25年的样地2和林龄为18年的样地4作为监测样地进行抚育间伐,样地1和样地3作为对照,后期继续观测,进行对比分析。根据兴安落叶松人工林经营密度表确定采伐株数,采伐掉大小比数分布不合理、林木分布较为聚集、林木生长处于严重挤压状态的林木。林分各空间结构指标都向着有益的方向改善,改善了林分内生长空间不均匀的状态,提高了林分的稳定性。

      人工林的初始结构是均匀的,随着林分生长,林木发生分化,产生竞争,导致部分林木死亡,需要采伐调整其林分结构,使其向着合理结构改变。林分的结构越合理,其稳定性越高,发挥的功能越多。在林分空间结构调整时,不能简单直接地给出采伐强度,应根据现有林分密度与合理经营密度之间的差距来确定采伐强度,同时需要考虑林木生长活力。在林分空间结构改善的同时,生长活力也能够提升。林分空间结构的改善并不是通过一次间伐就能够达到目的,可能需要多次经营才能达到优化的目的。由于人工林林层结构比较简单,本文所采用的林分空间结构评价指标没有涉及到垂直结构变化。改变间伐木的选择方式,郝月兰等[31]使用传统的最近邻木株数取4和Voronoi图来确定每株树的最近邻木的树号和株数,在调整角尺度的基础上调整混交度和大小比数,并结合临界值距离确定采伐木,在未来对林分进行经营时,可参考其采伐木确定方式,并考虑林分的非空间结构,使林分空间结构优化更具可能性。

    • 本研究旨在了解南岔县兴安落叶松人工林空间结构现状,对兴安落叶松进行经营管理优化并改善现状。利用空间结构参数能够准确描述林木空间结构的结构状态,体现出林木的优势度、水平分布、林木遮挡程度、林木生长空间以及林木竞争程度。此外,林分空间结构评价指数的构建,可以全面整体地描述林木空间现状。利用兴安落叶松经营密度表确定采伐株数,根据单木空间结构参数值确定单木现状进行抚育采伐。抚育间伐后角尺度取值为0.5的频率大幅度增加,表明林分空间分布逐渐转向随机分布,大小比数的变化表明林分中林木逐渐由中庸状态向亚优势转变及亚优势向优势转变,开敞度值有较大幅度提高,竞争指数相应有所降低,开阔比值大幅度提高,林分空间结构评价指数大幅提高。采用林分空间结构参数并构建林分空间结构评价指数,结合经营密度表确定采伐强度和采伐木,对人工林分进行优化,可以有效改善林木的空间结构,促进林木的生长。

参考文献 (31)

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