2. 北京林业大学林业生态工程教育部工程研究中心, 100083, 北京
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项目名称
- "十三五"国家重点研发计划课题"水蚀风蚀交错区仿自然高效植被构建技术研究"(2016YFC050170502);深圳市铁汉生态环境股份有限公司项目"华北石质山地边坡植被构建技术研究"(THRD007)
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第一作者简介
- 辛云玲(1995-), 女, 硕士研究生。主要研究方向:林业生态工程。E-mail:xinyunling61@163.com
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通信作者简介
- 朱清科(1956-), 男, 教授, 博士生导师。主要研究方向:林业生态工程学与水土保持学。E-mail:zhuqingke@sohu.com
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文章历史
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收稿日期:2019-07-01
修回日期:2019-11-25
2. 北京林业大学林业生态工程教育部工程研究中心, 100083, 北京
2. Beijing Forestry University, Engineering Research Center of Forestry Ecological Engineering of the Ministry of Education, 100083, Beijing, China
森林是陆地生态系统的主体,具有复杂的结构及功能[1]。在自然条件严酷的陕北半干旱黄土区,构建结构合理的水土保持林是维持生态系统稳定性及功能高效发挥的基础。林分结构分为空间结构和非空间结构[2],森林的空间结构特征体现林木在空间上的分布格局和排列方式,从而极大程度上影响森林的稳定性和发展空间[3]。林分的非空间结构主要是描述林分平均特征,不受相对位置约束,包括胸径树高结构、生长量以及一些描述树种多样性和丰富度的指数。
林分空间结构是森林结构最直观的表达因子[4]。目前,对于空间结构的研究主要分2方面:一是对于结构单元的研究,Gadow等[5]首先提出基于3株最近相邻木的混交度研究开启将林分划分为结构单元研究空间结构的先河,增强分析的精细程度;惠刚盈等[6]又将结构单元相邻木数目提高到4株;汤孟平等[7]提出利用Voronoi图确定参照树的邻近木株树。近些年考虑到林木自身生长状况,有学者提出用加权Voronoi图确定参照树的邻近木株数[8],如何确定影响因子及权重成为当下一大研究热点。二是对空间结构指标的定义和计算[9],惠刚盈等[10]提出基于相邻木大小关系的参数大小比数,常用代表性空间结构指数有竞争指数、角尺度及混交度3种[11];吕勇等[12]提出反应林分垂直结构的林层指数。以往对于空间结构的计算多为均值或一元分布来分析林分整体或个体的特征[13],近几年分析方法从一元向二元甚至多元转化。
综上所述,对于结构单元及空间结构指标定义计算研究颇多已趋于成熟,但是对于空间结构综合评价方面研究较少,林分空间结构分析作为一种研究手段与实际联系才能更好地发挥作用。陕北地区黄土丘陵沟壑区地形复杂,降水不足。自退耕还林工程实施以来,由于树种单一,结构简单,部分沙棘纯林、山杏林等林分存在衰退、生长不良现象。前人已对微地形和水分与林分状况的耦合关系做了大量研究,但是对于空间结构方面研究不多。笔者通过分析森林空间结构对林分状态做出准确的诊断,有针对性地对林分提出抚育措施,调整森林结构中不合理的部分,对于保持森林的健康状态具有重要意义。
1 研究区概况吴起县位于延安市西北部,洛河与无定河上游。地理坐标介于E 107°38′57″~108°32′49″,N 36°33′33″ ~37°24′27″之间,吴起县地貌属黄土高原梁状丘陵沟壑区,海拔在1 233~1 809 m之间,属半干旱温带大陆性季风气候。年平均气温7.8 ℃,1月份气温最低,平均为-7.7 ℃;7月份气温最高,平均21.5 ℃。极端最高气温37.1 ℃,极端最低气温-28.5 ℃。降雨量少,多年平均降水量为478.3 mm,降水量随时间分布不均匀,相对集中在7—9月,降水量为301.7 mm,占全年降水量的62.4%。降水地域分布不均匀,东南部普遍多于西北部,相差100 mm左右。年蒸发量891.2 mm,干燥度1.86。无霜期短,平均147 d;光照充足,日照时间长,多年平均日照时间2 370.7 h。乔木和灌木树种主要有河北杨(Populus hopeiensis)、小叶杨(Populus simonii)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、油松(Pinus tabuliformis)、臭椿(Ailanthus altissima)、榆树(Ulmus pumila)、山杏(Armeniaca sibirica)、柠条(Caragana korshinskii)、沙棘(Hippophae rhamnoides)、山桃(Amygdalus davidiana)、胡枝子(Lespedeza bicolor)等。
2 研究方法 2.1 林分调查在陕西省吴起县县域内选择立地条件基本一致的林地作为研究对象,设置以山杏,河北杨,榆树为优势树种的9块40 m×40 m的标准地(山杏、河北杨、榆树各3块),以样地西南角为坐标原点,用全站仪对样地内乔木进行坐标定位,并进行每木检尺,测量并记录每株林木的胸径,树高,冠幅等信息(表 1)。
笔者选取在空间结构描述中极具代表性和解释性的指标,具体包含描述林木空间隔离程度的混交度(Mi)[14],反映林木空间分布格局的角尺度(Wi)[15],表现林木在垂直方向多样性的林层指数(Si)[12],体现林木个体生长空间大小的开敞度(Ki),表达林木个体承受竞争压力大小的参数竞争指数简称为Ii[16],反映树种大小分化程度的参数大小比数(Ui),各样地空间指标取值见表 2。
$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{M_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {{v_{ij}}} ;\\ {v_{ij}} = \left\{ \begin{array}{l} 1, \;\;\;\;\;\;\;\;\;当参照树i与第j株相邻木非同种\\ 0, \;\;\;\;\;\;\;\;\;否则 \end{array} \right. \end{array}。$ | (1) |
式中:Mi为第i株树是混交度;vij为参照树i第j株树相邻木是否与其同种分类值。
$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{W_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {{Z_{ij}}} ;\\ {Z_{ij}} = \left\{ \begin{array}{l} 1, \;\;\;\;\;\;\;\;\;当第j个角小于标准角{\alpha _0}\\ 0, \;\;\;\;\;\;\;\;\;否则 \end{array} \right. \end{array} $ | (2) |
式中:Wi为第i株树角尺度;Zij为株树j与参照木i夹角分类值;α0为标准角,α0=72°。
$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{S_i} = \frac{{{Z_i}}}{3}\frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {{S_{ij}}} ;\\ {\rm{ }}{S_{ij}} = \left\{ \begin{array}{l} 1, \;\;\;\;\;\;\;\;\;当参照树i与第j株相邻木不属于同层时\\ 0, \;\;\;\;\;\;\;\;\;否则 \end{array} \right. \end{array} $ | (3) |
式中:Zi为参照树i所在结构单元内的林层数;Sij为参照树i与第j株相邻木是否同层分类值。
$ {K_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {\left( {\frac{{{d_{ij}}}}{{{H_j}}}} \right)} {\rm{ }}。$ | (4) |
式中:Ki为参照树i的开敞度;dij为参照树i与相邻木j之间的水平距离,m;Hj为相邻木j的树高,m。
$ \begin{array}{l} \;\;\;\;{I_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {\frac{{({\alpha _1} + {\alpha _2} \cdot {C_{ij}})}}{{180^\circ }}} {U_i};\\ \;\;\;\;\;{C_{ij}} = \left\{ \begin{array}{l} 1, \;\;\;\;\;\;\;\;\;当{H_i} < {H_j}时\\ 0, \;\;\;\;\;\;\;\;\;否则 \end{array} \right.\\ {\alpha _1} = \left\{ \begin{array}{l} {\rm{arctg}}\left( {\frac{{{H_j}}}{{{d_{ij}}}}} \right), \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;当{H_i} < {H_j} < 时\\ {\rm{arctg}}\left( {\frac{{{H_j} - {H_i}}}{{{d_{ij}}}}} \right), \;\;\;\;否则 \end{array} \right.\\ \;\;\;\;{\alpha _2} = \left\{ \begin{array}{l} {\rm{arctg}}\left( {\frac{{{H_j} - {H_i}}}{{{d_{ij}}}}} \right), \;\;\;\;\;\;\;当{H_i} < {H_j}\\ 0, \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;否则 \end{array} \right. \end{array} $ | (5) |
式中:Ii为参照树i的竞争指数;α1和α2为不同情况下参照树i与相邻木j之间的角度,(°);Ui为参照树i的大小比数;Hi为参照树i的树高,m;dij为参照树i与想林木j之间的水平距离,m。
$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{U_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {{K_{ij}}} ;\\ {K_{ij}} = \left\{ \begin{array}{l} 1, \;\;\;\;\;\;\;\;\;当第j株相邻木比参照树i小时\\ 0, \;\;\;\;\;\;\;\;\;否则 \end{array} \right. \end{array} $ | (6) |
式中:Ui为参照树i的大小比数;Kij为参照树i第j株相邻木开敞度。
2.3 空间结构评价首先选择能够客观合理表征林木空间关系的参数。笔者参照前人研究[17]中选择林木的竞争指数,大小分化程度、林木混交程度、开敞度、林层多样性以及林木空间分布格局状况6方面(表 2)来进行评价,林分结构参数之间彼此联系互相影响,因此同时使得每个空间指标都达到最优值是不现实的,在实际应用中我们的目标是使林分整体的空间结构呈现最优状态。笔者中采用乘除法进行多目标规划,因为角尺度的取值范围Wi∈(0,1],而当角尺度取0.5时为最优状态,为使角尺度的最优值是取值范围的极值,将角尺度数据同时减去0.5,然后对其取绝对值,从而使角尺度范围都落在[0,0.5]之间,最优值无限接近于0[17]。
在本研究中林分混交度、开敞度和林层指数都是以取大为优,角尺度、大小比数、竞争指数则是以取小为优,运用层次分析法针对这6项指标进行权重确定(表 3)。
计算判断矩阵的一致性比率:
$ {Q_{(i)}} = {\rm{ }}\frac{{\frac{{{w_{({k_i})}}{K_i}}}{{{\sigma _{({k_i})}}}} \cdot \frac{{{w_{({S_i})}}{S_i}}}{{{\sigma _{({S_i})}}}} \cdot \frac{{{w_{({M_i})}}{M_i}}}{{{\sigma _{({M_i})}}}}}}{{\frac{{{w_{({U_i})}}{U_i}}}{{{\sigma _{({U_i})}}}} \cdot \frac{{{w_{({I_i})}}{I_i}}}{{{\sigma _{({I_i})}}}} \cdot \frac{{{w_{(W_i^I)}}{W_i}}}{{{\sigma _{({W_i})}}}}}}。$ | (7) |
式中:w(Ki)、wSi)、w(Mi)、w(Ui)、w(Ii)、w(Wi)分别为开敞度、林层指数、混交度、大小比数、竞争指数和角尺度的权重,σ(Ki)、σ(Si)、σ(Mi)、σ(Ui)、σ(Ii)、σ(Wi)分别为对应指数标准差。
空间结构评价标准建立,参照前人的研究[18],以各指标在几种林分中的最优值作为标准值代入评价函数直接进行计算,以此为标准划分等级范围并对不同等级林分加以对应的定性描述(表 4)。
由表 2可以看出各样地角尺度均值皆>0.517,0.5右侧大于左侧,属于团状分布(图 1)。A3、B2和C1样地中分布格局为随机分布的林木数量比例不足0.5,影响整体的分布。A3、B1、C1和C2样地角尺度0.5左右两侧频率相差超过0.2,分别为0.211、0.218、0.223和0.214。只有A1和B2样地存在少量参照树周围分布很均匀的林木,比例分别是0.014和0.024。有7个样地周围相邻木分布不均匀及很不均匀的林木比例之和超过0.3,B3样地甚至达到0.447,将至半数,反映出该样地林分分布格局的严重不合理性。以山杏、榆树、河北杨为优势种的林分样地角尺度平均值分别是0.561、0.594和0.594,可以看出山杏林相对于另2种林型而言,林分分布格局略好,但想达到理想状态仍需进行进一步优化。
从林分类型(表 5)来看,以山杏为优势树种的林分和以河北杨为优势树种的林分大小比数差异不显著都接近0.5,每个结构单元内树木大小分化合理,与以榆树为优势树种的林分差异显著(P < 0.05)。河北杨林分中参照木介于亚优势与中庸态势之间。同一类型样地差异性水平基本相同,但在榆树林和河北杨样地中,B3和C3样地与同类样地差异显著,原因可能是当地不同时期补植带来的影响。从树种角度来看,山杏、刺槐、榆树和小叶杨均处于亚优势向中庸状态过渡的态势。以河北杨为优势树种C1、C2、C3样地的大小比数均值接近0.500的中庸状态,分别为0.506、0.491和0.521,表明样地内林木树高大小分化程度较低,其余6个样地相对而接近中庸状态,侧柏在样地内的数量较少,因此大小比数值不具解释性。各样地林木处于优势、亚优势、中庸、劣态和绝对劣态五种态势的比例基本相同,都在0.200附近。
林层指数(表 6)能反映林分垂直方向上的复杂程度。从各样地林层指数平均值来看,同一类型林分中不同样地也存在显著差异。不同林分类型之间,以山杏为优势树种的林地与以榆树为优势树种的林地林层结构差异不明显,而与以河北杨为优势树种的林地差异显著(P < 0.05)。林层结构状况榆树林优于山杏林,河北杨林最差。除B3样地外林层指数为0.560超过0.5,其余样地林层指数平均值均在0.400附近,这一结果表明样地林分林层结构简单,分层不理想空间利用程度较低。从林层指数不同取值频率分布来看,0.5左侧取值频率明显大于右侧,在同一结构单元中出现3层复合林层结构的比例平均值只有0.003。结构单元内2层林层结构,与参照树处于不同林层林木数分别有1株和2株的比例是0.214和0.213。结构单元内有3株相邻木与参照树位于不同林层,林层结构分别为2层和3层的比例为0.156和0.173。林层结构简单,林分成层性不明显,垂直空间利用程度较低。
经过计算得出9个样地综合得分分别为0.132(A1)、0.200(A2)、0.095(A3)、0.313(B1)、0.04(B2)、0.509(B3)、0.105(C1)、0.217(C2)、0.193(C3),平均值为0.200 5。总体来看林分状态都不理想,样地B3得分最高为0.509处于第三级,其树种组成为34%榆树、27%河北杨、19%的刺槐和20%的小叶杨,各树种林木数量所占比例差距不大,树种分布均匀应该是该样地得分较高的原因之一,混交程度处于中度水平,分布格局也并不均匀,距离林分结构的理想状态仍有距离。其余8个样地中B1处于四级样地,另外7个均属于五级样地,林分结构状况较差,树种混交程度处于极弱或零度的状态,样地内林分分布状况很不均匀。
4 讨论结构决定功能,在森林营造和抚育过程中,空间结构是最容易把控的因子[19]。林木分布格局的理想状态是随机分布,角尺度值要落在[0.475, 0.517]之间,且左右两侧频率分布均衡。本研究中所有样地均属于团状分布,应通过调整使林分两侧角尺度基本对称。针对团状分布应该将角尺度为1或0.75的单木作为调整的目标对象,确定目标树后对其4株相邻木1株或2株进行调整,使其分布均衡[20]。广泛认为复层林结构对于空间的合理利用及森林的稳定性来讲是最合理的结构,林分越接近自然状态,林层结构就越复杂。从林层指数反映情况看,几种不同林型林分中,以榆树为优势树种的林分林层结构最好,上中下林层林木分布较均匀,对于林层结构不好的林分,通过调整树高大小比数实现垂直分化也是一种可行的方法[19]。
从森林生态系统自身规律出发,为其构建最佳的空间结构才能保证森林的健康和稳定[21]。张连金等[20-21]对京西九龙山油松公益林及侧柏公益林进行经营迫切性评价,发现油松纯林和侧柏林经营迫切性均为特别迫切,而油松混交林为十分迫切。孙宇晗等[22]认为北京市八达岭油松混交人工林优势树种混交度不够,劣势树种竞争强度需要加强,整体林分稳定性较弱。曹小玉等[23]通过对湖南福寿林场3组异龄杉木林空间特征研究发现林龄越大林分之间竞争强度越强林分结构越差,在经过间伐补植后林分结构状况明显改善。对于林分对于不同功能和地域林分健康程度存在差异,因此抚育措施需要具有一定的针对性。本研究选取陕北地区常见林分类型样地进行研究,评价标准参照样地空间指标实际取值,所以对于评价该地区林分结构合理性更具说服力。通过最后样地得分可以发现,林分结构较好的样地是以榆树为优势树种的样地,由于混交度相对比较大,大小分化和竞争程度适宜,整个林分相对而言更具生态活力,而山杏和河北杨混交弱,垂直方向上结构简单,整体稳定性较差。之前的水土保持林营造多以纯林等距种植效果一般,因此在今后的造林规划中,要注意适当强度的混交,保持合理的竞争强度,对于已有林分,通过对其进行林分调查进行评价后,根据等级确定林分调整的优先顺序,再根据各样地具体情况进行补植或者间伐。近十年来结构化经营已经成为一种被普遍接受的森林经营模式,但是针对不同功能的森林评价尚未有一个共同的评价标准,如何根据森林功能和气候区划分定制合理的评价系统仍有待研究。
5 结论1) 各样地林分分布格局均处于团状分布,周围相邻木分布不均匀及很不均匀的林木比例过大,应在其结构单元内选择1株或2株进行调整。
2) 从大小比数来看,各样地均值分布在0.5附近处于中庸状态,5种不同生态位取值频率在0.2附近波动,大小分化差异不显著。
3) 各样地林层结构简单,成层性不强,反映出林木更新情况较差,因此造林规划应拓宽时间尺度,形成异龄林,在纵向维度增加结构多样性。
4) 林分竞争强度普遍较弱,应适当增加林分密度增强生态活力。
5) 各样地平均得分0.200 5,林分健康状况都不理想,B3样地由于混交程度良好得分最高但也属于四级样地,其余样地均为五级样地,总体来讲都存在混交度低,分布格局不均,结构单一的问题。根据林分健康程度确定抚育优先顺序,以加强混交和林分密度为主要措施,辅之以单株木的调整。
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