華北落葉松混交林空間結(jié)構(gòu)特征研究

華北落葉松混交林空間結(jié)構(gòu)特征研究

森林空間結(jié)構(gòu)反映了森林的分布結(jié)構(gòu)和森林屬性的空間排列方式，即森林之間的樹種、大小、分布和其他空間關(guān)系。這是森林面積的結(jié)構(gòu)，與森林的空間距離有關(guān)。森林結(jié)構(gòu)的合理解釋是制定森林健康工程安排方案的有效手段。以相鄰木關(guān)系為基礎(chǔ)的現(xiàn)代森林生態(tài)和森林經(jīng)理學(xué)方法對結(jié)構(gòu)的描述一般從3個主要方面進(jìn)行:樹種空間隔離程度(即混交)、林木個體大小分化程度(即競爭)和林木個體在水平面上的分布形式(即林木空間分布格局),分別采用混交度、大小比數(shù)和角尺度進(jìn)行表達(dá)。核桃楸(Juglansmandshurica)是落葉喬木,為強陽性樹種,不耐陰,耐寒性強,不耐干旱和瘠薄。核桃楸樹冠雄偉,其木材被譽為中國東北三大名貴木材之一。核桃楸由于其資源價值高而遭到大量采伐,1992年曾被列入《國家珍貴樹種保護(hù)名錄》(二級)。本研究利用描述林分空間結(jié)構(gòu)的混交度、大小比數(shù)和角尺度等空間參數(shù),分析了北京百花山自然保護(hù)區(qū)內(nèi)的核桃楸華北落葉松混交林林分的空間結(jié)構(gòu)和分布格局,旨在便于人們對其認(rèn)識,進(jìn)而為制定和實施森林健康經(jīng)營及保護(hù)規(guī)劃提供一定的技術(shù)支持。1研究領(lǐng)域和方法1.1地質(zhì)背景及植被百花山自然保護(hù)區(qū)地處北京市門頭溝區(qū)清水鎮(zhèn)境內(nèi),地理坐標(biāo)為北緯39°48′-40°05′,東經(jīng)115°25′-115°42′,屬于太行山脈北端,在地質(zhì)構(gòu)造上位于華北陸臺中部的燕山沉降帶。該區(qū)地處溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),全年平均氣溫在2～7℃,≥0℃年積溫3800℃左右,全年無霜期180d左右,年平均降水量450～720mm。本區(qū)屬于褐色土分布帶。保護(hù)區(qū)植被垂直帶譜明顯,生物多樣性豐富,主要的樹種有油松、華北落葉松、側(cè)柏、遼東櫟、核桃楸;灌木主要種類有毛花繡線菊、六道木、牛迭肚等;草本主要種類有藍(lán)萼香茶菜、大油芒、披針苔草等。1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1陽坡厚層土壤溫度下降明顯在百花山自然保護(hù)區(qū)核桃楸華北落葉松混交林布設(shè)樣地,對該群落進(jìn)行調(diào)查。標(biāo)準(zhǔn)地面積為80m×80m,海拔1230m,坡向為陽坡,坡度19.5°,郁閉度0.6。采用相鄰網(wǎng)格法,將樣地劃分為16個20m×20m小樣方,以每個小樣方為調(diào)查單元,進(jìn)行喬木層調(diào)查,對樣地內(nèi)胸徑>5cm的樹木分別用網(wǎng)格進(jìn)行每株定位,調(diào)查指標(biāo)包括樹種、胸徑、樹高、冠幅和枝下高等。1.2.2混交樹種混交度、大小比數(shù)和角尺度的計算以樣地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用空間結(jié)構(gòu)分析軟件Winkelmass1.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,分別計算核桃楸華北落葉松混交林樹種混交度、大小比數(shù)和角尺度,計算時為了消除處于林分邊緣樹木的系統(tǒng)影響,設(shè)置了5m緩沖區(qū)(樣地四邊均向內(nèi)縮進(jìn)5m),核桃楸華北落葉松混交林實際計算面積為4900m2。(1)林分平均混交度樹種混交度(Mi)指參照樹i的4株最近相鄰木中與參照樹不屬于同種的個體所占的比例,公式為其中,Mˉˉˉˉ=1N∑MiΜˉ=1Ν∑Μi(2)式中:MˉˉˉˉΜˉ——林分平均混交度;N——林分總株數(shù)。(2)大小比數(shù)的取值大小比數(shù)(Ri)指胸徑大于參照樹的相鄰木占4株最近相鄰木的株數(shù)比例,算式為:Ui=14∑j=14kijUi=14∑j=14kij(3)其中,大小比數(shù)(Ui)的5種取值,即0,0.25,0.50,0.75,1,對應(yīng)于參照樹在4個相鄰木中不同的優(yōu)勢程度,即優(yōu)勢、亞優(yōu)勢、中庸、劣態(tài)和絕對劣態(tài)。不同樹種的大小比數(shù)平均值(UˉˉˉUˉ)算式為:Uˉˉˉ=1l∑i=1lUiUˉ=1l∑i=1lUi(4)式中:l——所觀察樹種的參照樹數(shù)量;Ui——樹種的第i個大小比數(shù)值。(3)林分角尺度及標(biāo)準(zhǔn)角的選取任意兩個鄰接最近相鄰木的夾角有兩個,小角設(shè)為α,把當(dāng)最近相鄰木均勻分布時的夾角設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)角α0。角尺度(Wi)被定義為α角小于標(biāo)準(zhǔn)角α0的個數(shù)占所考察的4個夾角的比例,用公式表示為:Wi=14∑j=14zijWi=14∑j=14zij(5)其中:當(dāng)Wi=0,Wi=0.25時,參照樹i為均勻分布,Wi=0.5時,為隨機分布,Wi=0.75、Wi=1時,為不均勻分布。顯然,所有參照樹的集合就體現(xiàn)了整個林分的林木水平分布格局。林木分布格局的判定林分角尺度平均值(WˉˉˉˉWˉ)計算公式:Wˉˉˉˉ=1n∑i=1nWiWˉ=1n∑i=1nWi(6)式中:Wi——第i株參照樹的角尺度;n——參照樹的總株數(shù)。在角尺度的定義中,標(biāo)準(zhǔn)角的大小和分布格局臨界值的判定,將影響到林木分布格局判斷的準(zhǔn)確性?；輨傆日J(rèn)為,標(biāo)準(zhǔn)角的可能取值范圍為:60°≤α0≤90°,72°是一個最優(yōu)的標(biāo)準(zhǔn)角。Gadow和Hui研究表明:當(dāng)0.475≤Wˉˉˉˉ≤0.5170.475≤Wˉ≤0.517時,為隨機分布;當(dāng)WˉˉˉˉWˉ<0.475時為均勻分布;當(dāng)WˉˉˉˉWˉ>0.517時為團(tuán)狀分布。本文據(jù)此判定林分的空間分布格局。2結(jié)果與分析2.1華北落葉松人工林在不同群落間斷面積和樹高生長規(guī)律百花山自然保護(hù)區(qū)核桃楸華北落葉松混交林林木結(jié)構(gòu)特征由表1可知:林分密度為606株/hm2,林分胸高斷面積為5.731m2/hm2。核桃楸占全林的株數(shù)比例為45.36%,斷面積占林分胸高斷面積的60.96%,從樹高和胸徑來看,核桃楸最大胸徑32.2cm,平均胸徑為11.78cm,最大樹高為13.5m,平均樹高為6.54m,說明核桃楸在該群落中占有優(yōu)勢,為主要優(yōu)勢種和建群種。華北落葉松人工林株數(shù)比例為18.30%,斷面積占林分總斷面積的16.19%,在林分內(nèi)占有一定優(yōu)勢。從林分每1hm2面積比例看,該群落的樹種組成式為:6核桃楸2華北落葉松+蒙古櫟+暴馬丁香+大葉白蠟+山杏+青楊-家榆-紫椴-油松-華山松。2.2主要樹種混交程度核桃楸華北落葉松混交林空間結(jié)構(gòu)參數(shù)分布見圖1。由圖1a可知:核桃楸華北落葉松混交林樹種混交度分布規(guī)律明顯,混交度從Mi=0到Mi=1不同取值范圍的比例呈減少的趨勢,林分以零度混交為主,零度混交的比例為36.6%,弱度混交的比例為19.0%,中度、強度和極強度混交的比例相關(guān)不大,林分平均混交度為0.382,說明核桃楸華北落葉松混交林整體樹種混交程度較低。由表2可知:核桃楸和華北落葉松以零度、弱度和中度混交為主,核桃楸零度和弱度混交的比例為82%,說明核桃楸常與同種聚集生長在一起;華北落葉松常與2株或2株以上的同種伴生,二者的株數(shù)比例都較大,說明核桃楸華北落葉松混交林主要樹種的混交程度較低。暴馬丁香、大葉白蠟、華山松、家榆、蒙古櫟、青楊和油松的混交度以強度和極強度為主,山杏和紫椴混交度兩極分化現(xiàn)象嚴(yán)重,核桃楸華北落葉松混交林伴生樹種株數(shù)少,但大部分樹種的混交程度較高。2.3結(jié)構(gòu)因子分布百花山保護(hù)區(qū)核桃楸華北落葉松混交林大小比數(shù)分布見圖1b。由1b可知:核桃楸華北落葉松混交林的大小比數(shù)分布較均勻,優(yōu)勢木相比而言較少,說明核桃楸華北落葉松混交林林木大小差異明顯,在空間結(jié)構(gòu)單元中不同等級的林木分布頻率相差不大,林木分化程度高。由表2可知:核桃楸華北落葉松混交林不同樹種的大小比數(shù)差異較大,暴馬丁香、大葉白蠟、核桃楸、華北落葉松和山杏的大小比數(shù)在不同的取值范圍內(nèi)均有分布,核桃楸和華北落葉松種群在空間結(jié)構(gòu)單元中以優(yōu)勢木、亞優(yōu)勢木和中庸木為主,分別占種群總株數(shù)的65%和66%。華山松、家榆以劣態(tài)或絕對劣態(tài)分布為主,林木個體生長勢弱,蒙古櫟、青楊和紫椴株數(shù)少,但樹種優(yōu)勢度明顯,油松大小比數(shù)分布兩極分化現(xiàn)象嚴(yán)重。綜合分析可知,核桃楸和華北落葉松的樹種優(yōu)勢度都較大,核桃楸的株數(shù)多,個體分布廣,比華北落葉松優(yōu)勢程度高。2.4不同等級的角尺度的分布百花山保護(hù)區(qū)核桃楸華北落葉松混交林角尺度分布見圖1c。由圖1c可知:百花山保護(hù)區(qū)核桃楸華北落葉松混交林角尺度均以等級Wi=0.5分布頻率最大,等級Wi=0的分布頻率為零,說明該林分在空間結(jié)構(gòu)單元中沒有分布很均勻的個體,角尺度在其它等級上的比例相差不大。角尺度分布在等級Wi=0.5兩側(cè)的頻率差異較大,右側(cè)明顯大于左側(cè),林分角尺度均值WˉˉˉˉWˉ為0.553,WˉˉˉˉWˉ>0.517,說明核桃楸華北落葉松混交林整體上為聚集分布。3不同樹種混交類型林分密度分布規(guī)律本研究采用樹種混交度從單木的角度描述林分樹種空間搭配及排列形式。核桃楸華北落葉松混交林在空間結(jié)構(gòu)單元中主要以零度混交和弱度混交為主,處于中度、強度和極強度混交的林木比例較小,說明核桃楸華北落葉松混交林整體上的混交狀況不良,林分中同種林木聚集在一起的情況較多,大多數(shù)林木與本種相伴,同種隔離程度低。分析表明,作為優(yōu)勢種群的核桃楸的混交狀況最差,伴生樹種除華北落葉松種群外,其他種群同種個體聚集程度較低,在空間結(jié)構(gòu)單元中,常與2株或2株以上不同樹種相鄰混生,樹種混交度較大,林木混交狀況較好。林木大小差異程度常采用林木的直徑分布來表達(dá),但直徑分布僅給出了群落內(nèi)樹木個體各徑級所占的頻率,缺乏空間信息。本文采用大小比數(shù)(Ui),分析林分中所有樹種在胸徑指標(biāo)上的優(yōu)劣程度。核桃楸華北落葉松混交林在空間結(jié)構(gòu)單元內(nèi),處于絕對優(yōu)勢的林木個體數(shù)量最少,林分內(nèi)大部分個體分化程度較高,不同徑級林木在空間結(jié)構(gòu)單元內(nèi)分布均勻。核桃楸種群在空間結(jié)構(gòu)單元中的樹種優(yōu)勢度最大,華北落葉松次之,其他種群的樹種優(yōu)勢度不明顯。本研究中的核桃楸華北落葉松混交林樣地面積為0.64hm2,在天然林中,當(dāng)樣地面積≥50m×50m時,隨著樣地面積的增大,其對應(yīng)林木的空間分布格局趨于穩(wěn)定,所選樣地能夠滿足林分空