針闊混交林林分空間結(jié)構(gòu)的研究

針闊混交林林分空間結(jié)構(gòu)的研究

森林中的森林面積與森林功能密切相關(guān)。這決定了森林面積的穩(wěn)定、發(fā)展趨勢(shì)和經(jīng)營空間的大小。森林的空間格局和樹種的空間分布規(guī)律是合理管理森林管理活動(dòng)的重要依據(jù)。森林空間分布結(jié)構(gòu)的研究非常重要。通常,研究林木的分布格局主要研究一定面積樣方內(nèi)林木個(gè)體可能的株數(shù)分布,單木之間距離的大小與分布,各單木與其周圍單木所能構(gòu)成的夾角大小及其分布等3個(gè)方面,其研究方法有樣方法、距離法和角尺度法。樣方法取樣主觀性很大,研究結(jié)果準(zhǔn)確性較低,該方法現(xiàn)在應(yīng)用較少。目前,研究林木空間分布格局主要采用的是混交度、大小比數(shù)和角尺度方法。天目山地處浙江省西北部,許多專家和學(xué)者對(duì)天目山生物多樣性、植被空間分布規(guī)律、毛竹Phyllostachysedulis林空間結(jié)構(gòu)、常綠闊葉林混交度、常綠闊葉林優(yōu)勢(shì)種群競(jìng)爭(zhēng)、針闊混交林楓香Liquidambarformosana的結(jié)構(gòu)特征等進(jìn)行了研究,對(duì)天目山地區(qū)的種群和結(jié)構(gòu)特征方面有了一定的了解。但是對(duì)于針闊混交林林分空間結(jié)構(gòu),至今沒有較為系統(tǒng)的研究。針闊混交林在天目山地區(qū)森林類型中具有典型性,樹種多樣,空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其林分空間結(jié)構(gòu)特征、樹種混交、樹木大小、林木與相鄰木比照等尚不清楚。對(duì)此,進(jìn)行空間分布格局研究,對(duì)于把握針闊混交林空間結(jié)構(gòu)特征,開展林分穩(wěn)定性研究具有重大意義,對(duì)于深入了解天目山林分空間結(jié)構(gòu)特征,了解其生態(tài)特征和動(dòng)態(tài)規(guī)律,更好地采取保護(hù)措施具有重要的應(yīng)用價(jià)值。1氣候變化區(qū)域天目山地處30°20″N,119°25″E,氣候?qū)僦衼啛釒П本壪虮眮啛釒н^渡性氣候,四季分明,季風(fēng)強(qiáng)盛,氣候溫和,光照適宜,雨水充沛。山麓年均氣溫為14.9℃,年均降水量為1535.6mm,山頂年平均氣溫為8.7℃,年均降水量1766.7mm。山頂物候期比山麓遲15~25d。年相對(duì)濕度為76%~81%。主峰仙人頂海拔為1506m。土壤大部分為亞熱帶紅黃壤類型,同時(shí)隨著海拔的升高逐步向溫潤(rùn)的溫帶型過渡。區(qū)域內(nèi)森林土壤類型狀況較好,多由富含活性腐殖酸的腐殖質(zhì)組成。受海洋暖濕氣候影響,溫暖濕潤(rùn),森林植被十分茂盛。自山麓到山頂垂直帶譜為:海拔870m以下為針闊混交林、常綠闊葉林,主要喬木樹種有馬尾松Pinusmassoniana,杉木Cunninghamialanceolata,青岡Cyclobalanopsisglauca,楓香等;海拔870~1100m為常綠、落葉闊葉混交林,主要喬木樹種有小葉青岡Cyclobalanopsismysinifolia和天目木姜子Litseaauriculata等;海拔1100~1380m為落葉闊葉林,主要喬木樹種有白櫟Quercusfabri和茅栗Castaneaseguinii等。2研究過程和方法2.1胸徑大小木本植物物種組成2011年,在浙江省天目山山區(qū)選擇具有代表性且少有人為干擾的天然針闊混交林地段,設(shè)置30m×30m樣地15個(gè),樣地設(shè)置的坡度范圍是10°~40°,海拔變化范圍為50~400m。通過實(shí)地樣地調(diào)查,使用全站儀對(duì)樣地邊界和胸徑≥5cm的木本植物個(gè)體進(jìn)行精確測(cè)量定位,用水平距表示林木間的距離。對(duì)于每一個(gè)樣地,采用樣方法和喬木定位方法,對(duì)胸徑≥5cm的木本植物個(gè)體進(jìn)行種類識(shí)別、掛牌、定位和每木檢測(cè)。用圍尺測(cè)定胸徑,用激光測(cè)高儀測(cè)出樹高,用全站儀測(cè)量每株樹的方向和離西南點(diǎn)的距離,同時(shí)用皮尺測(cè)定每株樹木的枝下高、南北冠幅和東西冠幅。調(diào)查結(jié)果顯示:15個(gè)樣地內(nèi)胸徑5cm以上喬木層物種共有49種,針葉類主要有馬尾松和杉木;闊葉類主要有楓香,短柄枹Quercusglanduliferavar.brevipetiolata,白櫟Quercusfabri,苦櫧Castanopsissclerophylla,山礬Symplocoscaudata,錐栗Castaneahenryi,麻櫟Quercusacutissima,黃連木Pistaciachinensis,木荷Schimasuperba,化香Platycaryastrobilacea,山合歡Albiziakalkora;灌木類主要是檵木Loropetalumchinense,山胡椒Linderaglauca和山櫻Prunusserrulata。其中馬尾松、杉木、楓香屬于森林群落中的優(yōu)勢(shì)較為明顯的樹種。各樣地林分冠幅、胸徑、樹高的變化基本情況見表1。2.2混交度、大小比數(shù)和角尺度的測(cè)定以樣地調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用森林空間結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)軟件V1.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,計(jì)算樣地內(nèi)林木的混交度、大小比數(shù)和角尺度。在實(shí)際計(jì)算中,為避免邊緣效應(yīng),確定樣地內(nèi)距每條邊線5m之內(nèi)為緩沖區(qū),其余部分為核心區(qū),緩沖區(qū)內(nèi)的林木只做相鄰木處理,不參與統(tǒng)計(jì),計(jì)算核心區(qū)內(nèi)全部單木的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)。2.2.1混合等級(jí)其中:n為林分內(nèi)所有林木株數(shù),Mi表示第i株樹的混交度。2.2.2參照樹與相鄰樹的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)程度的計(jì)算大小比數(shù)(Ui)是大小分化度的改進(jìn),是指胸徑大于參照樹的相鄰木占n株最近相鄰木的株數(shù)比例,用以描述林木個(gè)體大小分化程度,或者說是樹種的生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)程度,它能準(zhǔn)確判斷出參照樹是否比其相鄰木大,同時(shí)量化了參照樹與其相鄰木的關(guān)系。其計(jì)算公式為:其中:。大小比數(shù)(Ui)的5種取值,即0,0.25,0.50,0.75和1.00,對(duì)應(yīng)于參照樹在4個(gè)相鄰木中不同的優(yōu)勢(shì)程度,即優(yōu)勢(shì)、亞優(yōu)勢(shì)、中庸、劣態(tài)和絕對(duì)劣態(tài)。不同樹種的大小比數(shù)平均值(Usp)算式為:其中:L為林分內(nèi)該樹種(sp)的數(shù)量,Ui為該樹種的第i株樹的大小比數(shù)值。2.2.3般生長(zhǎng)狀態(tài)隨機(jī)狀態(tài)的計(jì)算惠剛盈等提出角尺度Wi。角尺度是從參照樹出發(fā),任意2個(gè)最近相鄰木的夾角有2個(gè),令小角為α,角尺度被定義為α角小于標(biāo)準(zhǔn)角α0的個(gè)數(shù)占所考察的最近4株相鄰木的比例。Wi=0表示4株最近相鄰木在參照樹周圍分布是特別均勻的狀態(tài),Wi=0.500表示4株最近相鄰木在參照樹周圍分布是特別隨機(jī)的狀態(tài),Wi=1.000則表示4株最近相鄰木在參照樹周圍分布是特別不均勻的或聚集的狀態(tài)。角尺度既可用分布圖,也可用分布的均值表達(dá),角尺度分布圖對(duì)稱表示林木分布為隨機(jī)即位于中間類型(隨機(jī))兩側(cè)的頻率相等;若左側(cè)大于右側(cè)則為均勻;若右側(cè)大于左側(cè)則為團(tuán)狀。更為精細(xì)的分析可以角尺度均值W的置信區(qū)間為準(zhǔn);隨機(jī)分布時(shí)W取值范圍為[0.475,0.517];W>0.517時(shí)為團(tuán)狀分布;W<0.475時(shí)為均勻分布。W公式為:其中:,n為林分內(nèi)參照樹的株數(shù),i為任一參照樹,j為參照樹i的4株最近相鄰木,Wi為角尺度即描述相鄰木圍繞參照樹i的均勻性。3結(jié)果與分析3.1杉木混交林天目山針闊混交林林木的大小分布結(jié)構(gòu)特征如表2。由表2可以看出:天目山針闊混交林主要喬木層樹種中,馬尾松、杉木、楓香、短柄枹等在該群落中占有明顯優(yōu)勢(shì),既是該群落的優(yōu)勢(shì)種,也是建群種,這與其他學(xué)者對(duì)天目山針闊混交林特性研究一致。馬尾松和杉木種群個(gè)體分布范圍最廣,蓄積量最大,占據(jù)著群落的上層空間,林木生長(zhǎng)狀況較好。主要伴生樹種有錐栗、麻櫟、山合歡、化香、木荷、黃連木,伴生種群的株數(shù)比例較小。該群落針葉樹的株數(shù)比例為34.71%,闊葉樹為65.29%。3.2生長(zhǎng)特性分析天目山針闊混交林樹種混交度分布范圍為0.400~0.900,混交度從0.400開始,呈現(xiàn)階梯狀上升,混交度最大達(dá)到0.870。0.700~0.900比例較大,樹種平均混交度為0.712。由圖1可知:天目山針闊混交林林分混交度為強(qiáng)度混交,林分混交程度高,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。3.3林分樹種分布天目山針闊混交林林分胸徑大小比數(shù)范圍為0.400~0.600,其中0.460~0.480比例最高,林地林分的平均胸徑大小比數(shù)為0.477,近0.500(圖2)。大小比數(shù)取值越大,代表相鄰木胸徑大于參照樹的樹木株樹越多,相鄰木個(gè)體占優(yōu)勢(shì),反之,參照樹占優(yōu)勢(shì)。由圖2可知:林分內(nèi)樹種大小分化差異較小,在空間結(jié)構(gòu)單元里,大部分個(gè)體分化程度處于中等水平。林分中有近一半的樹木處于優(yōu)勢(shì)地位,并且比值在各等級(jí)上出現(xiàn)的幾率相近(20%左右),總體優(yōu)勢(shì)度有繼續(xù)上升的潛力。從表3可以看出:樹種間的大小比數(shù)有一定差異。楓香、杉木、短柄枹的平均大小比數(shù)最接近0.500,生長(zhǎng)上處于中庸?fàn)顟B(tài),在由它構(gòu)造的結(jié)構(gòu)單元中,比它大和比它小的相鄰木數(shù)量基本一致。馬尾松的平均大小比數(shù)大于0.500,但沒有達(dá)到0.750,其單木在構(gòu)成結(jié)構(gòu)單元時(shí),2~3株相鄰木較粗大的情況經(jīng)常發(fā)生,生長(zhǎng)上不占優(yōu)勢(shì)。其他優(yōu)勢(shì)樹種平均大小比數(shù)為0.250~0.500,生長(zhǎng)上介于優(yōu)勢(shì)和中庸?fàn)顟B(tài)之間,生長(zhǎng)上也占有優(yōu)勢(shì)。從上面的分析來看,馬尾松空間大小對(duì)比上比其他樹種生長(zhǎng)略少一些,楓香、杉木、短柄枹優(yōu)勢(shì)不明顯,其余樹種生長(zhǎng)占優(yōu)勢(shì)地位。3.4林分密度分布如圖3所示:天目山針闊混交林中角尺度取值為0和1.000的頻率很低,這說明林分中極少有很均勻和很不均勻的結(jié)構(gòu)單元出現(xiàn),角尺度為0.500等級(jí)的分布頻率最大,角尺度在等級(jí)0.500兩側(cè)的分布頻率差異較小。林分平均角尺度為0.533,大于0.517,也證明該林分整體林木水平分布格局為團(tuán)狀分布。經(jīng)過計(jì)算,15個(gè)樣地的平均角尺度見表4。根據(jù)W取值范圍的分析可知,樣地林分團(tuán)狀分布的樣地有9個(gè),隨機(jī)分布樣地有6個(gè),團(tuán)狀分布比例較高。這和整體的林分分布狀態(tài)趨于一致。為達(dá)到頂級(jí)群落結(jié)構(gòu),林分演替未來仍有很大的演替空間。4林分密度、混交程度分布特征根據(jù)林分空間的大小分在天目山針闊混交林中,馬尾松、杉木、楓香、短柄枹等在該群落中占有明顯優(yōu)勢(shì),既是該群落的優(yōu)勢(shì)種,也是建群種,馬尾松和杉木種群個(gè)體分布范圍最廣,蓄積量最大,占據(jù)著群落的上層空間,林木生長(zhǎng)狀況較好。主要伴生樹種有錐栗、麻櫟、山合歡、化香、木荷、黃連木等,伴生種群的株數(shù)比例較小。林分為針葉樹和闊葉林混交為主的針闊混交林。林分空間分布格局上,天目山針闊混交林的林木零度混交和輕度混交的比例不高,中度混交和強(qiáng)度、極強(qiáng)度混交占很大比例,且為多個(gè)樹種混交。林分空間大小分化差異較小,在空間結(jié)構(gòu)單元里,大部分個(gè)體分化程度處于中等水平。林分中有近一半的樹木處于優(yōu)勢(shì)地位,并且比值在各等級(jí)上出現(xiàn)的幾率相近(20%左右),總體優(yōu)勢(shì)度有繼續(xù)上升的潛力。樹種間的大小比數(shù)有一定差異。馬尾松空間大小對(duì)比上比其他樹種生長(zhǎng)略少一些,楓香、杉木、短柄枹優(yōu)勢(shì)不明顯,木荷和苦櫧等為占優(yōu)勢(shì)的樹種。天目山針闊混交林林分處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),林分中極少有很均勻和很不均勻的結(jié)構(gòu)單元出現(xiàn),角尺度為0.500等級(jí)的分布頻率最大。整體林木水平分布格局為團(tuán)狀分布,一般情況下,林分演替進(jìn)化后,頂級(jí)群落的水平分布格局應(yīng)為隨機(jī)分布。在未來的演替過程中,天目山針闊混交林林分分布有隨機(jī)分布的趨勢(shì)。天目山針闊混交林物種豐富,結(jié)構(gòu)相對(duì)合理,林分處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)中。針葉樹種,尤其是馬尾松占據(jù)了群落上層,對(duì)較小的闊葉樹林木進(jìn)行了遮蔽,為闊葉樹的生長(zhǎng)發(fā)育提供了良好的生態(tài)環(huán)境,應(yīng)加強(qiáng)保護(hù),尤其是