天然林林分空間結(jié)構的二階特征分析

天然林林分空間結(jié)構的二階特征分析空間結(jié)構是森林的重要特征,它是森林群落內(nèi)林木間的空間組織關系的反映,目前的結(jié)構狀態(tài)既是過去森林中各個自然生態(tài)過程(如林木競爭,更新,生長,枯死等)和人類活動等留下的印記,又作為初始狀態(tài)影響著林木間的現(xiàn)在和此后競爭和作用方式、幼苗的生長與存活以及林木樹冠的形成等,因此,森林的結(jié)構狀態(tài)也同時決定著森林未來的發(fā)展方向。在森林經(jīng)營和生態(tài)學研究中,森林空間結(jié)構表達的正確性和有效性取決于對林分空間結(jié)構的科學解譯,正確的表達方法有助于認識和推測森林的自然發(fā)展規(guī)律,為合理進行森林經(jīng)營提供依據(jù)?；趨⒄諛渑c其四株相鄰木空間關系的結(jié)構參數(shù)表達了森林空間結(jié)構的不同方面,現(xiàn)已廣泛應用于描述各種森林類型的林分空間結(jié)構。在這組結(jié)構參數(shù)的構建中,選取固定最近四株相鄰木雖然從實踐應用方面已被廣泛認可,但是許多研究指出,應用其它選擇相鄰木的方法或許對于合理的表達森林空間結(jié)構提供了選擇,但是對于這組森林空間結(jié)構參數(shù)而言,如何應用其它選擇相鄰木的方法對結(jié)構參數(shù)進行分析是需要亟待解決的問題?；谧罱噜從娟P系構建的林分空間結(jié)構參數(shù)表達了特定尺度下相鄰木之間的空間關系,而森林空間結(jié)構的二階特征函數(shù)可以描述和表達不同尺度下林木間的相互關系。在很多森林生態(tài)學研究中應用森林空間結(jié)構二階特征方法,尤其是應用未標記的二階特征函數(shù)(RipleyK函數(shù),O-ring統(tǒng)計,雙相關函數(shù)等),分析林木空間中的分布格局、樹種之間的空間相關聯(lián)等,但是這些研究大多數(shù)為單純描述性的分析,并沒有很大程度上從空間結(jié)構描述中分析、推測或者驗證所提出的一些生態(tài)學理論,即從森林結(jié)構推測驗證森林的自然生態(tài)過程。尤其對于標記的二階特征函數(shù)的應用研究更少(考慮林木屬性,如樹種,大小特征的空間分布),而森林的空間結(jié)構不僅僅是林木的空間位置分布格局,還包括林木的屬性,如大小、樹種等的空間分布,因此應用標記二階特征函數(shù)描述森林多個方面的結(jié)構特征既可以從不同方面表達森林結(jié)構的多樣性,又可以分析和驗證更多的森林自然發(fā)展規(guī)律。本文首先分析了選取不同相鄰木個數(shù)對空間結(jié)構參數(shù)表達的影響,并闡明基于相鄰木關系描述與森林空間結(jié)構二階特征分析方法二者之間的聯(lián)系和區(qū)別。其次,同時應用最近相鄰木描述和二階特征分析的方法,通過對兩塊樟子松天然林和四塊紅松闊葉林(每塊樣地面積均為1公頃)結(jié)構的描述和分析,確定了樟子松林木間競爭對樟子松天然林結(jié)構形成的作用,以及提出了同種負密度制約效應對溫帶地區(qū)紅松闊葉林樹種空間隔離程度的影響。在分析選取的結(jié)構單元大小對結(jié)構參數(shù)表達影響時,模擬了不同類型和結(jié)構特征的林分,分別選取2-8株最近相鄰木對三個結(jié)構參數(shù)(角尺度,混交度和大小比數(shù))進行計算和分析;在推測林木間競爭對樟子松天然林結(jié)構形成作用中,通過計算林木的冠幅大小和林木間距離二者間線性擬合決定系數(shù)確定競爭的普遍存在性,以及應用雙相關函數(shù)和標記大小分化函數(shù)分別推測林木競爭對于林木枯死淘汰過程的作用以及對于林木大小分化形成的作用;本文通過比較和分析大樹和小樹的混交度差異來確定同種負密度依賴效應在紅松闊葉天然林中的存在和顯著性,應用林分混交度和標記混交二階特征函數(shù)分析大樹周圍是否分布有更多的異種相鄰木。本研究主要得出以下結(jié)論:(1)選取不同相鄰木個數(shù)(n)分析對林分角尺度表達影響最大,不同相鄰木個數(shù)計算隨機分布林分的角尺度值不一定都在0.5附近。當林分中樹種與大小為完全隨機分布時,相鄰木個數(shù)變化對于混交度和大小比數(shù)的值無影響。當林分中林木樹種與大小為非隨機分布時(相同屬性的林木之間聚集或排斥),混交度和大小比數(shù)的值會隨著選取相鄰木個數(shù)的增加而變化。對于林分空間結(jié)構分析而言,應該選取固定的相鄰木個數(shù)。選取2或3株相鄰木可能將接近于隨機分布的林分格局發(fā)生誤判,而4株或以上相鄰木個數(shù)可對林分的水平分布格局準確表達,考慮到抽樣調(diào)查需要的費用,建議統(tǒng)一選取4株相鄰木進行分析。(2)通過對兩塊不同密度樟子松樣地的分析,以研究林木間競爭對天然樟子松林結(jié)構形成的作用。參照樹和相鄰木冠幅的大小和參照樹到相鄰木的距離的相關性分析得出,林木間的競爭顯著影響著林木冠幅大小,說明樟子松林木間的競爭普遍存在并且在密度更大林分中體現(xiàn)更為明顯。兩塊樣地的雙相關函數(shù)表明,林分稀疏前的林木分布格局和稀疏后的林木分布格局均在小尺度上為均勻分布,并且稀疏后的格局更為均勻。隨機標記零模型明顯地拒絕了林木枯死的過程為隨機過程,而處于競爭更為強烈環(huán)境中的劣勢木更容易被淘汰。標記大小分化二階特征函數(shù)并沒有明顯表現(xiàn)出林木大小空間分布的負相關性,尤其對于密度大的樣地。我們認為被壓木高的死亡率和林木間非對稱競爭的缺乏是樟子松天然林林木大小分化不明顯的原因。通過本研究的分析表明,競爭是一個很重要的生態(tài)過程因子影響和決定樟子松天然林的發(fā)展。(3)通過分析溫帶紅松闊葉森林中林木混交度水平和林木胸徑大小的關系,得出不同混交度水平的林木大小有差異,大樹(dbh>25)多具有高的混交水平,而低混交水平上幾乎分布都是小樹(dbh<25)。標記混交二階特征函數(shù)和異質(zhì)泊松過程零模型的檢驗也得出小樹周圍具有同種聚集的分布格局,隨著林木胸徑的增加,林木周圍樹種分布格局趨于隨機的狀態(tài)。比較大樹和小樹標記混交二階特征函數(shù)差