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杨桦次生林林分空间结构参数多元分布研究

和敬渊 王新杰 王开 郭韦韦 刘丽 王福增

和敬渊, 王新杰, 王开, 郭韦韦, 刘丽, 王福增. 杨桦次生林林分空间结构参数多元分布研究[J]. 北京林业大学学报, 2021, 43(2): 22-33. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200076
引用本文: 和敬渊, 王新杰, 王开, 郭韦韦, 刘丽, 王福增. 杨桦次生林林分空间结构参数多元分布研究[J]. 北京林业大学学报, 2021, 43(2): 22-33. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200076
He Jingyuan, Wang Xinjie, Wang Kai, Guo Weiwei, Liu Li, Wang Fuzeng. Multivariate distribution of spatial structure parameters of Populus davidiana-Betula platyphylla secondary forest[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2021, 43(2): 22-33. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200076
Citation: He Jingyuan, Wang Xinjie, Wang Kai, Guo Weiwei, Liu Li, Wang Fuzeng. Multivariate distribution of spatial structure parameters of Populus davidiana-Betula platyphylla secondary forest[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2021, 43(2): 22-33. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200076

杨桦次生林林分空间结构参数多元分布研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200076
基金项目: 国家重点研发计划(2017YFC050410101)
详细信息
    作者简介:

    和敬渊。主要研究方向:森林结构与生长模型模拟。Email:1375158831@qq.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    通讯作者:

    王新杰,教授。主要研究方向:森林结构与生长模型模拟。Email:xinjiew@bjfu.edu.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S718.54+2

Multivariate distribution of spatial structure parameters of Populus davidiana-Betula platyphylla secondary forest

  • 摘要:   目的  运用林分空间结构参数多元分布,系统描述和分析金沟岭林场两种起源(造林失败地天然更新和火灾迹地天然更新)的杨桦次生林林分空间结构特征,为森林经营管理和林分结构优化调整提供有力手段,以期促进林分演替。  方法  每木调查和空间定位6块样地(面积均为30 m × 30 m)的林木。利用RStudio forestSAS包计算各样地的空间结构参数,包括角尺度、大小比数、混交度和密集度,统计各起源的频率分布,运用Origin 2018建立结构参数的多元分布图。  结果  杨桦次生林的零元分布表明,两种林分整体呈聚集分布、混交较好的中庸生长状态,而起源Ⅱ较起源Ⅰ密集;一元分布表明,林分内大多数林木呈混交良好、密集或很密集、各大小比数等级占比相近的随机分布。分树种来看,起源Ⅰ中,山杨生长发育良好,绝大多数处于优势及亚优势生长状态;白桦、水曲柳和枫桦整体上均大致处于中庸生长状态。起源Ⅱ中,山杨和白桦优势木多,劣势木少,总体生长发育良好。二至四元分布表明,结构参数的各种组合下,林木大多表现为混交良好或随机分布状态。  结论  相较于传统的利用结构参数零元分布和一元分布描述林分空间结构,运用多元分布描述杨桦次生林林分结构特征是对其经营管理和结构优化的有效方法,蕴含的信息更为丰富和清晰。同时,也是具有可操作性的采伐木遴选方法。
  • 图  1  起源Ⅰ一元分布

    Figure  1.  Univariate distribution of origin I

    图  2  起源Ⅱ一元分布

    Figure  2.  Univariate distribution of origin II

    图  3  起源Ⅰ二元分布

    Figure  3.  Bivariate distribution of origin I

    图  4  起源Ⅱ二元分布

    Figure  4.  Bivariate distribution of origin II

    图  5  起源Ⅰ三元分布

    Figure  5.  Trivariate distribution of origin I

    图  6  起源Ⅱ三元分布

    Figure  6.  Trivariate distribution of origin II

    图  7  起源Ⅰ四元分布

    Figure  7.  Quadrivariate distribution of origin I

    图  8  起源Ⅱ四元分布

    Figure  8.  Quadrivariate distribution of origin II

    表  1  两种起源林分概况

    Table  1.   General situation of two original stands

    样地号
    Sample
    plot No.
    坡位
    Slope
    position
    坡度
    Slope degree/(°)
    海拔
    Altitude/m
    平均胸径
    Mean
    DBH/cm
    平均树高
    Mean tree
    height/m
    树种组成
    Tree species
    composition
    林分密度/
    (株·hm−2)
    Stand density/
    (plant·ha−1)
    郁闭度
    Canopy
    density
    平均冠幅
    Average
    crown
    width/m
    起源
    Origin
    1-1
    Downside
    2 830 12.5 13.4 4杨2白2水 + 椴 + 红 + 桤 + 旱 + 色−榆−枫−冷−桃−槐 1 733 0.73 1.4 起源Ⅰ
    Origin Ⅰ
    1-2
    Downside
    3 860 12.5 11.9 4杨2白2水 + 枫 + 椴 + 红 + 旱 + 云 + 色−榆−槐−冷 1 633 0.77 1.4 起源Ⅰ
    Origin Ⅰ
    1-3
    Downside
    3 830 12.9 12.2 2杨2水1白1云1红1枫 + 旱 + 冷 + 椴−栎−色−槐 1 522 0.65 1.8 起源Ⅰ
    Origin Ⅰ
    2-1
    Middle
    18 740 13.6 14.6 5白3杨 + 椴 + 色−桃−落−榆 1 532 0.63 2.2 起源Ⅱ
    Origin Ⅱ
    2-2
    Middle
    16 740 13.8 14.1 3杨3白1色1椴 + 桃 +
    水−旱−榆
    1 335 0.71 2.5 起源Ⅱ
    Origin Ⅱ
    2-3
    Middle
    13 750 14.8 12.3 3杨3白3椴1色 + 枫−黄 1 202 0.72 2.6 起源Ⅱ
    Origin Ⅱ
    注:杨代表山杨,白代表白桦,水代表水曲柳,椴代表紫椴,红代表红松,桤代表东北桤木,旱代表旱柳,色代表色木槭,榆代表榆树,枫代表枫桦,冷代表臭冷杉,桃代表山桃,槐代表山槐,云代表鱼鳞云杉,栎代表蒙古栎,落代表落叶松,黄代表黄檗。Notes: 杨 represents Populus davidiana, 白 represents Betula platyphylla, 水 represents Fraxinus mandshurica, 椴 represents Tilia amurensis, 红 represents Pinus koraiensis, 桤represents Alnus mandshurica, 旱 represents Salix matsudana, 色 represents Acer mono, 榆 represents Ulmus pumila, 枫 represents Betula costata, 冷 represents Abies nephrolepis, 桃 represents Amygdalus davidiana, 槐represents Albizia kalkora, 云 represents Picea jezoensis, 栎 represents Quercus mongolica, 落 represents Larix gmelinii, 黄 represents Phellodendron amurense.
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    表  2  两种起源林分的空间结构参数平均值

    Table  2.   Average values of spatial structure parameters of two original stands

    起源
    Origin
    空间结构参数 Spatial structure parameter
    角尺度
    Uniform
    angle index
    大小比数
    Neighborhood
    comparison
    混交度
    Mingling
    degree
    密集度
    Crowding
    degree
    0.559 30.489 60.653 00.458 5
    0.558 50.501 60.621 30.685 3
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-20
  • 修回日期:  2020-04-09
  • 网络出版日期:  2021-01-26
  • 刊出日期:  2021-02-24

杨桦次生林林分空间结构参数多元分布研究

doi: 10.12171/j.1000-1522.20200076
    基金项目:  国家重点研发计划(2017YFC050410101)
    作者简介:

    和敬渊。主要研究方向:森林结构与生长模型模拟。Email:1375158831@qq.com 地址:100083 北京市海淀区清华东路35号北京林业大学林学院

    通讯作者: 王新杰,教授。主要研究方向:森林结构与生长模型模拟。Email:xinjiew@bjfu.edu.cn 地址:同上
  • 中图分类号: S718.54+2

摘要:   目的  运用林分空间结构参数多元分布,系统描述和分析金沟岭林场两种起源(造林失败地天然更新和火灾迹地天然更新)的杨桦次生林林分空间结构特征,为森林经营管理和林分结构优化调整提供有力手段,以期促进林分演替。  方法  每木调查和空间定位6块样地(面积均为30 m × 30 m)的林木。利用RStudio forestSAS包计算各样地的空间结构参数,包括角尺度、大小比数、混交度和密集度,统计各起源的频率分布,运用Origin 2018建立结构参数的多元分布图。  结果  杨桦次生林的零元分布表明,两种林分整体呈聚集分布、混交较好的中庸生长状态,而起源Ⅱ较起源Ⅰ密集;一元分布表明,林分内大多数林木呈混交良好、密集或很密集、各大小比数等级占比相近的随机分布。分树种来看,起源Ⅰ中,山杨生长发育良好,绝大多数处于优势及亚优势生长状态;白桦、水曲柳和枫桦整体上均大致处于中庸生长状态。起源Ⅱ中,山杨和白桦优势木多,劣势木少,总体生长发育良好。二至四元分布表明,结构参数的各种组合下,林木大多表现为混交良好或随机分布状态。  结论  相较于传统的利用结构参数零元分布和一元分布描述林分空间结构,运用多元分布描述杨桦次生林林分结构特征是对其经营管理和结构优化的有效方法,蕴含的信息更为丰富和清晰。同时,也是具有可操作性的采伐木遴选方法。

English Abstract

和敬渊, 王新杰, 王开, 郭韦韦, 刘丽, 王福增. 杨桦次生林林分空间结构参数多元分布研究[J]. 北京林业大学学报, 2021, 43(2): 22-33. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200076
引用本文: 和敬渊, 王新杰, 王开, 郭韦韦, 刘丽, 王福增. 杨桦次生林林分空间结构参数多元分布研究[J]. 北京林业大学学报, 2021, 43(2): 22-33. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200076
He Jingyuan, Wang Xinjie, Wang Kai, Guo Weiwei, Liu Li, Wang Fuzeng. Multivariate distribution of spatial structure parameters of Populus davidiana-Betula platyphylla secondary forest[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2021, 43(2): 22-33. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200076
Citation: He Jingyuan, Wang Xinjie, Wang Kai, Guo Weiwei, Liu Li, Wang Fuzeng. Multivariate distribution of spatial structure parameters of Populus davidiana-Betula platyphylla secondary forest[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2021, 43(2): 22-33. doi: 10.12171/j.1000-1522.20200076
  • 合理优化林分结构有利于森林可持续功能的发挥。林分空间结构是林分结构最直接的表现和最有可能调控的因子,它描述林木在林内水平或垂直方向上的分布格局及其属性在林内的排列方式,影响着林木间的竞争关系及其空间生态位,亦是林分的稳定性、经营空间的大小和演替方向的表征[1-2],通常采用结构参数来描述。空间结构分析与评价随森林经营对精确信息需求的增加日益重要,是林分结构优化与调整的基础[2]

    多年来,大量学者围绕林分空间结构展开了丰富的研究。空间结构参数混交度、大小比数、角尺度和密集度分别被用于描述树种隔离情况、林木个体大小分化程度、林分空间分布格局和树冠投影重叠程度,有很高的应用价值。目前林分空间结构的研究主要集中于结构参数零元分布和一元分布的分析和评价[3-6],但这只是对空间结构特征进行单方面的独自描述,具有一定局限性。而复杂的林分结构特征常需要多个结构参数相互组合、相互联系来描述。近年来,部分学者采用二元分布和三元分布分析和评价林分空间结构。李远发[7]、梁文俊等[8]分别采用结构参数的二元分布对东北地区红松(Pinus koraiensis)阔叶林以及河北围场4块次生林样地加以描述;白超[9]、吴晓永等[10]分别采用结构参数的三元分布对甘肃小陇山次生锐齿栎(Quercus aliena var. acuteserrata)混交林、汪清云杉−白桦(Pieca asperata-Betula platyphylla)混交林加以分析。但三元分布是运用三个参数描述空间结构,亦无法完整说明林分的空间结构信息。目前,国内外对于林分空间结构参数的四元分布研究较少,如张岗岗等[11]利用空间结构参数的四元分布将混交度、大小比数、角尺度和密集度进行随机组合,对小陇山锐齿栎天然混交林林分空间结构特征加以诠释,蕴含信息十分清晰和丰富,利于空间结构微观特征的认识。

    采用混交度、大小比数、角尺度和密集度4种空间结构参数的N元分布,以金沟岭林场两种不同起源的杨桦次生林为研究对象,对其空间结构特征进行分析与评价,为该地区该林型的结构优化调整提供思路,以期促进森林演替。

    • 吉林省汪清林业局金沟岭林场地处长白山西北坡图们江上游发源地,踞长白山系老爷岭山脉雪岭支脉(43°17′ ~ 43°25′N,130°05′ ~ 130°20′E),属于低山丘陵地貌,平均坡度10° ~ 25°,海拔550 ~ 1100 m。地区属温带大陆性季风气候。年平均气温3.9 ℃,年平均降水量500 ~ 600 mm,主要集中在7—9月份。大于等于10 ℃活动积温约为2 473 ℃。年无霜期110 ~ 130 d,平均日照时数约2 358 h,积雪日数80 ~ 100 d。林区地带性土壤为暗棕壤。河漫滩地多分布草甸土和泥炭沼泽土,平缓台地主要分布白浆土[12-14]。金沟岭林场地处泛北极植物区,中国−日本森林植物亚区的东北地区[15],气候顶级植被为云臭冷杉红松(Picea jezoensis-Picea koraiensis-Abies nephrolepis-Pinus koraiensis)针阔混交林,而杨桦次生林则为向顶级群落演替过程中的过渡林分。其以山杨(Populus davidiana)和白桦为主要树种,辅以枫桦(Betula costata)、紫椴(Tilia amurensis)、色木槭(Acer mono)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)和红松(Pinus koraiensis)等乔木,灌木有忍冬(Lonicera japonica)、山梅花(Philadelphus incanus)、毛榛(Corylus mandshurica)和土庄绣线菊(Spiraea pubescens)等,草本有酢浆草(Oxalis corniculata)、荨麻(Urtica fissa)、大叶章(Deyeuxia langsdorffii)和东北羊角芹(Aegopodium alpestre)等。

    • 经资料查阅及全面踏查,于2018年在金沟岭林场的造林失败地(起源Ⅰ)和火灾迹地(起源Ⅱ)天然更新的两种起源的杨桦次生林森林群落中分别设立3块30 m × 30 m的方形样地。记录每个样地的坡位、坡度、海拔和郁闭度。同时进行每木调查和坐标定位,胸径5 cm及以上的乔木记录树种、胸径、树高和冠幅。将各样地划分为4个15 m × 15 m的小样方,以各样方西南角为原点,东西方向为x轴,南北方向为y轴,测量各林木在小样方的坐标,再将其转换为样地的相对坐标。各样地概况见表1

      表 1  两种起源林分概况

      Table 1.  General situation of two original stands

      样地号
      Sample
      plot No.
      坡位
      Slope
      position
      坡度
      Slope degree/(°)
      海拔
      Altitude/m
      平均胸径
      Mean
      DBH/cm
      平均树高
      Mean tree
      height/m
      树种组成
      Tree species
      composition
      林分密度/
      (株·hm−2)
      Stand density/
      (plant·ha−1)
      郁闭度
      Canopy
      density
      平均冠幅
      Average
      crown
      width/m
      起源
      Origin
      1-1
      Downside
      2 830 12.5 13.4 4杨2白2水 + 椴 + 红 + 桤 + 旱 + 色−榆−枫−冷−桃−槐 1 733 0.73 1.4 起源Ⅰ
      Origin Ⅰ
      1-2
      Downside
      3 860 12.5 11.9 4杨2白2水 + 枫 + 椴 + 红 + 旱 + 云 + 色−榆−槐−冷 1 633 0.77 1.4 起源Ⅰ
      Origin Ⅰ
      1-3
      Downside
      3 830 12.9 12.2 2杨2水1白1云1红1枫 + 旱 + 冷 + 椴−栎−色−槐 1 522 0.65 1.8 起源Ⅰ
      Origin Ⅰ
      2-1
      Middle
      18 740 13.6 14.6 5白3杨 + 椴 + 色−桃−落−榆 1 532 0.63 2.2 起源Ⅱ
      Origin Ⅱ
      2-2
      Middle
      16 740 13.8 14.1 3杨3白1色1椴 + 桃 +
      水−旱−榆
      1 335 0.71 2.5 起源Ⅱ
      Origin Ⅱ
      2-3
      Middle
      13 750 14.8 12.3 3杨3白3椴1色 + 枫−黄 1 202 0.72 2.6 起源Ⅱ
      Origin Ⅱ
      注:杨代表山杨,白代表白桦,水代表水曲柳,椴代表紫椴,红代表红松,桤代表东北桤木,旱代表旱柳,色代表色木槭,榆代表榆树,枫代表枫桦,冷代表臭冷杉,桃代表山桃,槐代表山槐,云代表鱼鳞云杉,栎代表蒙古栎,落代表落叶松,黄代表黄檗。Notes: 杨 represents Populus davidiana, 白 represents Betula platyphylla, 水 represents Fraxinus mandshurica, 椴 represents Tilia amurensis, 红 represents Pinus koraiensis, 桤represents Alnus mandshurica, 旱 represents Salix matsudana, 色 represents Acer mono, 榆 represents Ulmus pumila, 枫 represents Betula costata, 冷 represents Abies nephrolepis, 桃 represents Amygdalus davidiana, 槐represents Albizia kalkora, 云 represents Picea jezoensis, 栎 represents Quercus mongolica, 落 represents Larix gmelinii, 黄 represents Phellodendron amurense.
    • 为全面认识林分空间结构特征,不仅要掌握林木本身的特性,还需考虑对象木与相邻木之间的关系[16]。1个空间结构单元的大小是由对象木和与其相邻的n株相邻木共同决定的[17]

      研究表明,由对象木与周围最近4株相邻木共同组成的空间结构单元适宜描述和分析林分的空间结构特征[18-20]。因此,本研究以n = 4作为1个空间结构单元。采用距离缓冲区法,在样地周围设置5 m宽的带状缓冲区。

    • 选取混交度、大小比数、角尺度、密集度及其间的相互组合描述和分析杨桦次生林林分空间结构特征。

    • 混交度是一个空间结构单元中,对象木i周围最近的n株相邻木中,与其树种相异的林木的占比。描述林木的空间隔离程度[21]。计算公式为[22]

      $${M_i} = \frac{1}{n}\sum\limits_{j = 1}^n {{X_{ij}}} $$ (1)
      $${M_q} = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N {{M_i}} $$ (2)
      $$M' = \frac{1}{{N'}}\sum\limits_{q = 1}^{N'} {{M_q}} $$ (3)

      式中:Mi为第i棵对象木的混交度;Mq是样地平均混交度;M′为起源平均混交度,即混交度的零元分布值;$ {X_{ij}} = \left\{ \begin{array}{l} \!\!\! 1{\text{,对象木}}i{\text{与第}}j{\text{棵相邻木异种}}\\ \!\!\! 0{\text{,对象木}}i{\text{与第}}j{\text{棵相邻木同种}} \end{array} \right.$n为周围最近的相邻木株数,本文中,n = 4;q为样地序号;N为样地林木总株数,N′为样地个数。nNN′的含义均与下文角尺度、大小比数与密集度中的相同。

    • 角尺度是一个空间结构单元中,α角小于标准角α0α0 = 72°)的个数在周围最近的n株相邻木中的占比。描述林木水平空间分布格局[23]。计算公式为[22]

      $${W_i} = \frac{1}{n}\sum\limits_{j = 1}^n {{Y_{ij}}} $$ (4)
      $${W_q} = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N {{W_i}} $$ (5)
      $$W' = \frac{1}{{N'}}\sum\limits_{q = 1}^{N'} {{W_q}} $$ (6)

      式中:Wi是第i株对象木的角尺度;Wq是样地平均角尺度;W′为起源平均角尺度,即角尺度的零元分布值;${Y_{ij}} = \left\{ \begin{array}{l} \!\!\! 1{\text{,第}}j{\text{个}}\alpha {\text{角小于}}{\alpha _0}\\ \!\!\! 0{\text{,第}}j{\text{个}}\alpha {\text{角大于}}{\alpha _0} \end{array} \right.$

    • 大小比数是一个空间结构单元中,对象木i周围最近的n株相邻木,胸径大于对象木i的占比。描述林木大小分化程度和林木间的相对优势度[24]。计算公式为[22]

      $${U_i} = \frac{1}{n}\sum\limits_{j = 1}^n {{Z_{ij}}} $$ (7)
      $${U_q} = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N {{U_i}} $$ (8)
      $$U' = \frac{1}{{N'}}\sum\limits_{q = 1}^{N'} {{U_q}} $$ (9)

      式中:Ui是第i棵对象木的大小比数;Uq是林分平均大小比数;U′为起源平均大小比数,即大小比数的零元分布值;${Z_{ij}} = \left\{ \begin{array}{l} \!\!\! 1{\text{,对象木}}i{\text{胸径小于第}}j{\text{棵相邻木胸径}}\\ \!\!\! 0{\text{,对象木}}i{\text{胸径大于第}}j{\text{棵相邻木胸径}} \end{array} \right.$

    • 密集度是一个空间结构单元中,对象木i与周围最近的n株相邻木树冠连接的株数的占比。描述林木树冠的连接程度和林分的拥挤程度[25]。计算公式为:

      $${C_i} = \frac{1}{n}\sum\limits_{j = 1}^n {{K_{ij}}} $$ (10)
      $${C_q} = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N {{C_i}} $$ (11)
      $$C' = \frac{1}{{N'}}\sum\limits_{q = 1}^{N'} {{C_q}} $$ (12)

      式中:Ci是第i棵对象木的密集度;Cq是林分平均密集度;C′为起源平均密集度,即密集度的零元分布值;$ {K_{ij}} = \left\{ \begin{array}{l} \!\!\! 1{\text{,对象木}}i{\text{与第}}j{\text{棵相邻木树冠投影重叠}}\\ \!\!\! 0{\text{,对象木}}i{\text{与第}}j{\text{棵相邻木树冠投影不重叠}} \end{array} \right.$

    • 本研究利用RStudio forestSAS包[26]计算各起源的空间结构参数,并运用WPS统计频率分布。采用Origin 2018绘图。

    • 表2中可以看出,杨桦次生林起源Ⅰ和起源Ⅱ平均角尺度相近,分别为0.559 3和0.558 5,说明两种林分整体呈聚集分布;平均大小比数为0.489 6和0.501 6,说明林木整体均处于中庸生长状态;平均混交度为0.653 0和0.621 3,说明两种林分整体介于中度混交和强度混交之间;平均密集度分别为0.458 5和0.685 3,相差较大,说明起源Ⅱ林木较起源Ⅰ密集。

      表 2  两种起源林分的空间结构参数平均值

      Table 2.  Average values of spatial structure parameters of two original stands

      起源
      Origin
      空间结构参数 Spatial structure parameter
      角尺度
      Uniform
      angle index
      大小比数
      Neighborhood
      comparison
      混交度
      Mingling
      degree
      密集度
      Crowding
      degree
      0.559 30.489 60.653 00.458 5
      0.558 50.501 60.621 30.685 3
    • 图1图2可以看出,两种起源的杨桦次生林林分空间分布格局相近,起源Ⅰ和起源Ⅱ分别有55.56%和57.38%的林木属于随机分布,很均匀分布的林木为0和0.57%,很不均匀的林木分别占11.11%和11.93%;两起源林分处于各生长状态的林木比例相近;起源Ⅰ和起源Ⅱ林木混交较好,半数以上林木处于强度混交及以上状态,分别为59.87%和53.40%,其余林木空间隔离程度不高;起源Ⅰ林木属于各密集度等级的林木比例相近,其中,很稀疏状态的林木有24.87%,起源Ⅱ属于很密集状态的林木比例最高,很稀疏状态的林木比例最低,分别为41.48%和6.81%,因而林分总体密集度高于起源Ⅰ。

      图  1  起源Ⅰ一元分布

      Figure 1.  Univariate distribution of origin I

      图  2  起源Ⅱ一元分布

      Figure 2.  Univariate distribution of origin II

      分树种来看,起源Ⅰ中(图1),山杨平均大小比数为0.131 9,生长发育总体良好。其中,处于优势生长状态的山杨个体占0.69,处于中庸生长状态的山杨个体占0.15,处于劣势生长状态的山杨个体占0.04。白桦、水曲柳和枫桦的平均大小比数分别为0.393 7、0.486 1和0.554 2,整体上均处于中庸生长状态。起源Ⅱ中(图2),山杨和白桦平均大小比数分别为0.247 2和0.270 2。其中,处于优势生长状态的林木个体分别占0.51和0.43,中庸生长状态的分别占0.05和0.20,绝对劣势生长状态的分别占0.07和0.03,生长发育总体良好。

    • 起源Ⅰ中,林木相对频率从(C = 0.00,M = 0.00)到(C = 0.50,M = 1.00)呈递增趋势,其中混交良好的林木中有50.44%的林木稀疏分布,尤其是12.17%的林木很稀疏地与4株不同的树种相伴生(图3a)。35.71%的优势木和26.83%的中庸木的林冠均很稀疏,27.78%的劣势木的林冠为中等密集,其余组合下的林木所占比例接近(图3b)。图3c图3f二元分布类似,每个密集度取值等级上,林木个体相对频率随均匀程度的下降,先增大后减小;其中林分内随机分布且很稀疏、稀疏的林木分别有12.17%、11.11%(图3c)。林分内极强混交状态的优势木比例最大,为10.05%(图3d)。同一混交等级林木大多处于随机分布;而同一分布格局林木大多混交良好,其中随机分布且极强度混交林木最常见,为18.52%(图3e)。各生长状态的林木大多处于随机分布;而同一分布格局的林木,处于各优劣等级的比例相近(图3f)。

      图  3  起源Ⅰ二元分布

      Figure 3.  Bivariate distribution of origin I

      起源Ⅱ中,同一混交等级林木大多与周围4株林木树冠相连接,其中林分中19.89%的林木混交良好但很密集,仅2.27%的林木很稀疏地与周围4株不同树种的林木相伴生(图4a)。15.06%的绝对劣势木和31.51%的优势木的树冠均很密集(图4b)。同一密集度等级林木大多处于随机分布;而同一分布格局林木的树冠很密集,其中随机分布且很密集林木最常见,为25.00%(图4c)。53.41%以上同一大小比数等级林木混交良好;其中极强度混交且优势生长林木最常见,为10.80%(图4d)。各混交等级林木大多处于随机分布;而同一分布格局林木大多混交良好,其中随机分布且强度混交林木最常见,为22.73%(图4e)。同一大小比数等级林木处于随机分布,为57.39%;20.79%随机分布的林木处于亚优势生长状态(图4f)。

      图  4  起源Ⅱ二元分布

      Figure 4.  Bivariate distribution of origin II

    • 起源Ⅰ中,极强度混交的林木占林木总数的比例最大,为32.80%,其中,处于优势且树冠很稀疏生长状态的林木占林木总数的4.23%(图5a)。同一混交等级和密集度林木大多处于随机分布;同一分布格局和密集度林木大多混交良好,其中4.76%的林木为随机分布、极强度混交且树冠很稀疏的林木(图5b)。同一密集度和优劣等级的林木大多处于随机分布,其中4.23%的林木为很密集随机分布中庸木(图5c)。同一混交等级和优劣等级林木大多处于随机分布,其中6.35%的林木为优势木且伴生有4种随机分布的不同树种;同一分布格局和优劣等级的林木大多为强度混交及以上(图5d)。

      图  5  起源Ⅰ三元分布

      Figure 5.  Trivariate distribution of origin I

      起源Ⅱ中,树冠很稀疏的林木,各混交程度的劣势木占比最多,其中,极强度混交的劣势木占比37.14%;同一密集度和大小比数的林木混交较好,4.00%林木为极强度混交且很稀疏的优势木(图6a)。同一分布格局和密集度下,与周围2株不同树种伴生的林木比例最高;同一混交等级和分布格局林木大多趋于密集,其中混交良好、随机分布且很稀疏林木占到总株数的0.57%;同一混交等级和密集度林木大多处于随机分布(图6b)。同一分布格局和密集度的林木大多处于中庸生长状态;同一密集度和优劣等级下,41.48%的林木处于很不均匀分布(图6c)。同一混交度和大小比数的林木大多处于不均匀分布、很不均匀分布状态,其中,伴生有4种不同树种随机分布的优势木占总株数的比例为0.57%;在混交度和角尺度保持不变时,中庸木占总株数比例最大,为57.39%(图6d)。

      图  6  起源Ⅱ三元分布

      Figure 6.  Trivariate distribution of origin II

    • 图7所示,起源Ⅰ中,相同混交度等级和密集度等级下,同一分布格局林木半数处于劣势生长状态或同一生长状态林木大多处于随机分布;相同分布格局和大小比数等级下,同一混交度林木树冠大多处于密集和很密集状态或同一密集度林木大多与3 ~ 4株不同树种的林木混交。林分中最常见林木结构单元为周围密集地随机分布有其他4种树种的优势木,占总株数的2.65%,其次是周围比较稀疏地随机分布有其他4种树种的劣势林木和周围很稀疏很不均匀地分布有其他4种树种的优势木,均占总株数的2.12%。

      图  7  起源Ⅰ四元分布

      Figure 7.  Quadrivariate distribution of origin I

      图8所示,起源Ⅱ中,相同混交度等级和密集度等级下,同一生长状态林木大多处于随机分布;相同分布格局和大小比数等级下,同一混交度林木树冠大多处于密集和很密集状态,或同一密集度林木大多与3 ~ 4株不同树种的林木混交。林分中最常见林木结构单元为周围很密集地随机分布有其他4种树种的优势木,占总株数的5.68%,其次是林木结构单元为周围很密集地随机分布有其他2种树种的劣势木、周围稀疏地随机分布有其他3种树种的劣势木和周围中等密集地随机分布有其他3种树种的劣势木,均占总株数的2.27%。

      图  8  起源Ⅱ四元分布

      Figure 8.  Quadrivariate distribution of origin II

    • 运用结构参数的多元分布描述两种起源杨桦次生林的空间结构特征,可以得到各空间结构单元中对象木的树种隔离程度、空间分布格局、胸径生长状态和树冠重叠特征。相较于传统的利用结构参数的零元分布和一元分布描述林分空间结构,从所包含的信息上讲,其大大超过后者,即更加清晰和丰富,益于森林结构的优化与调整。

      杨桦次生林作为东北长白山地区的一种典型林分,很多学者针对其空间结构与演替动向[27-32]、林下植被与土壤[33-36]、健康评价与经营模式[37]展开了大量研究,但这些研究仅通过零元分布和一元分布描述林分的空间结构特征,未深入涉及结构参数间的组合分析。本文则详细分析了其林分空间结构参数的多元分布。研究表明,从零元分布来看,两种林分整体呈聚集分布,介于中度混交和强度混交之间,林木整体处于中庸生长状态,而密集程度相差较大,起源Ⅱ林木树冠重叠程度较起源Ⅰ大。从一元分布看,两种林分半数以上的林木属于随机分布和强度混交及以上,各生长状态的林木比例相近,起源Ⅰ林木属于各密集度等级的林木比例相近,起源Ⅱ属于很密集状态的林木比例最高。从二元分布看,两种林分同一密集度等级林木大多处于随机分布,同一混交等级和同一大小比数等级林木也大多处于随机分布,而同一分布格局林木的树冠很密集,且大多混交良好。此外,起源Ⅰ同一分布格局的林木,各优劣等级的比例相近,起源Ⅱ同一混交等级林木大多与周围4株林木树冠相连接。从三元分布看,两种林分同一混交度和密集度的林木大多处于随机分布,同一角尺度和密集度的林木大多混交良好。起源Ⅰ中,同一密集度和大小比数的林木大多处于随机分布,同一角尺度和大小比数的林木大多为强度混交及以上,同一混交等级和大小比数的林木大多处于随机分布;而起源Ⅱ中,同一密集度和大小比数的林木混交较好,同一混交度和角尺度的林木大多趋于密集,同一角尺度和密集度的林木大多处于中庸生长状态,同一混交度和大小比数的林木大多处于不均匀分布、很不均匀分布状态。从四元分布看,两种林分相同混交度和密集度下,同一生长状态林木大多处于随机分布;相同分布格局和大小比数下,同一混交度林木树冠大多处于密集和很密集状态或同一密集度林木大多混交良好。最常见林木结构单元为周围很密集地随机分布有其他4种树种的优势木。此外,起源Ⅰ在相同混交度和密集度下,同一分布格局林木半数处于劣势生长状态。

      研究区所在地金沟岭林场,其顶级群落是以云冷杉和红松为主的针阔混交林,因而对杨桦次生林林分结构进行优化调整以促进正向演替是十分必要的,主要的人工干预手段包括择伐、间伐和补植改造[12]。根据两种林分的四元分布(图7 ~ 8),结构参数组合四方面均不合理,即绝对劣势、零度混交、很密集、很不均匀分布的林木分别占各林分林木总数的1.06%和0。在择伐作业中,将上述组合单元作为第一批采伐对象;将结构参数组合三方面不合理的林木作为第二批采伐对象,如周围很密集地很不均匀分布有其他0种树种的绝对优势木,起源Ⅰ和起源Ⅱ该类型林木占总株数的0.53%和0;再将结构参数组合两方面不合理的林木作为第三批采伐对象,如周围很密集地随机分布有其他0种树种的绝对优势木,起源Ⅰ和起源Ⅱ该类型林木占总株数的0.53%和0.57%。同时,运用间伐作业降低林分密度和郁闭度,促进硬阔叶树的生长和更新,如对结构参数组合四方面均不合理的林木,进行透光伐,减小林分密度,疏开顶层林木的生长空间,使下层林木能更充分地利用光照,促进其生长发育。此外,对林内遭受病虫害的林木,进行卫生伐,减小林分密集程度,提高竞争优势,促进林木生长发育。通过在各期间伐和择伐所产生的林间空地上和林内本身就具有的林窗下,人工补植林内的稀见种,如针叶树种补植云杉、臭冷杉、红松、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)等,阔叶树种补植蒙古栎(Quercus mongolica)、黄檗(Phellodendron amurense)、水曲柳等,营造针阔混交林分,提高林内物种多样性,促进杨桦次生林向地带性植被演替。

      运用结构参数多元分布描述林分结构特征是森林经营管理和林分结构优化调整的有力手段,本研究基于结构参数的多元分布对金沟岭林场两种起源的杨桦次生林空间结构进行分析,是对该类研究的补充和参考。同时,也为采伐木的筛选提供便利,具有可操作性,以期提升林分质量,促进演替。但按照此法将林木采伐后,林分空间结构具体的优化程度尚不清楚,这也是下一步的研究方向和思路。

参考文献 (37)

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