內蒙古旺業甸華北落葉松人工林空間結構分析及其優化

張苗苗,羅于洋,王樹森,張麗娜,馬成功,于勝利,王景圓

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院,內蒙古 呼和浩特 010018;2.內蒙古農業大學 荒漠生態系統保護與修復國家林業和草原局重點實驗室,內蒙古 呼和浩特 010018;3.內蒙古赤峰市旺業甸實驗林場,內蒙古 赤峰 024423;4.烏拉特后旗林業和草原局,內蒙古 巴彥淖爾 015000)

森林群落被認為是相互作用的林木個體網絡系統[1]。林分結構對森林的整個生態系統服務功能產生著影響,關于林分結構的研究對后期森林經營及優化起到了關鍵作用[2]。林分結構主要包括林分非空間結構及空間結構,非空間結構包括樹種組成、年齡分布、直徑分布、樹高分布、生長量以及樹種多樣性等,空間結構是指林木在空間上的分布格局[3],惠剛盈等[4-6]通過建立角尺度、大小比數及混交度3個參數對林分的空間結構進行描述。

在對林分進行合理的經營前,需要了解其整體生長狀況。很多學者利用空間結構參數對林分的狀態進行描述以及林分空間結構評價指標構建研究[7],以空間結構優化為目標確定采伐木,從而實現對林分空間結構的調整。孫宇等[8]對東升林場落葉松人工林進行研究,基于加權三角網計算了角尺度、大小比數、混交度、競爭指數、密集度、開敞度6個林分空間結構參數,構建了林分空間結構評價方法。呂忠爽等[9]、盛琪等[10]對帽兒山林場闊葉林進行研究,結合乘除法思想的基礎上進行了林分空間結構評價指數的構建。曹小玉等[11]對福壽林場杉木生態公益林進行了研究,對空間結構評價指數進行歸一化處理,采用定性與定量相結合的方法將林分空間結構評價指數劃分為5個等級,客觀地反映林分空間結構的實際情況。趙晨昊等[12]對金盆山林場天然闊葉混交林空間結構進行優化和采伐模擬,綜合評價結果表明,相較于僅對被壓木及枯死木等劣質林木個體進行采伐能夠更好地發揮森林多種功能。

旺業甸實驗林場林木種類多,占地面積廣,張濤[13]、劉兆華等[14]、趙波[15]、王春霞[16]對該地森林生物量、碳儲量、蓄積量、土壤持水及多樣性等方面做了大量研究。華北落葉松人工林由于近些年管理不當,部分林木生長狀況差,林木之間競爭較大,且目前尚未見有人對該地的林分空間結構進行研究。因此整體掌握該地華北落葉松人工林林分空間結構以及科學合理地判斷保留木與采伐木對后期加強人工林經營管理和林分健康穩定的發展具有重要意義?；诖?本研究以旺業甸實驗林場的落葉松人工林為對象,計算角尺度、大小比數、混交度及競爭指數4個參數,通過乘除法思想構建空間結構評價指數并劃分等級,對落葉松人工林空間結構進行客觀評價,并通過空間結構評價指數選取采伐木,對該地落葉松人工林進行空間結構優化的模擬,以期為旺業甸后期落葉松人工林結構優化調整提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

旺業甸實驗林場位于赤峰市喀喇沁旗西南部(118°09′-118°30′E,41°21′-41°39′N)。地形起伏不平,地貌主要為中山和低山山地,地勢西南較高、東北較低,平均海拔800～1 890 m。該地區為大陸性季風氣候,雨量較充沛,降雨主要在7-8月,年平均降水量300～500 mm,年平均氣溫4.2 ℃,年有效積溫2 000～3 000 ℃,主導風向為西北風。該地土壤類型呈多樣化特點,棕壤為主,植物種類豐富。林場土地總面積24 668.2 hm2,有林地面積為22 397.1 hm2。主要樹種有華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、油松(Pinustabuliformis)。除天然生長的落葉松林,分別于1974、1988年及2004年栽植了落葉松人工林。落葉松林面積共4 835.4 hm2,占有林地面積的21.60%。

1.2 研究方法

2021年8月對旺業甸林場自2013年起長期監測的落葉松人工林固定樣地進行踏查,樣地的選取包括華北落葉松幼齡林、近熟林和成熟林,每種樣地類型3個重復,設置半徑為13.82 m的圓形樣地,樣地大小均為600 m2,對樣地中所有林木進行掛牌編號。對樣地內所有林木進行每木調查,內容包括樹種、位置、胸徑,并記錄林分海拔、坡度、坡向等基本信息(表1)。

表1 樣地基本情況

1.3 指標計算

對林分空間結構的分析采用角尺度、混交度以及大小比數3個空間結構參數,具體計算方法詳見文獻[17]。以林內任意林木個體與其4株最近相鄰木所構成的林分空間結構單元為基礎,通過角尺度、大小比數、混交度及競爭指數4個空間結構參數進行分析并構建空間結構優化模型。角尺度可表達林木空間分布格局,大小比數可反映林木大小分化程度,混交度可表示林木樹種空間隔離程度,競爭指數可表達林木之間的競爭強度。

利用乘除法思想構建空間結構優化模型

(1)

式中:Q(x)為目標函數;f(x)表示各指標目標值;分子上各指標要求實現目標最大值,分母上各指標要求實現目標最小值。

根據乘除法基本思想,材積取大為優,角尺度、大小比數及競爭指數取小為優,但在計算空間結構評價指數時,角尺度的所有數據同時減去0.5,因為角尺度最優值是接近0.5的隨機分布。因樣地為人工林,存在混交度為0的情況,為防止混交度取值為0導致整體取值為0,綜合材積、角尺度、大小比數及競爭指數4個子目標構建評價指數。

(2)

式中:Qg、Vg、Wg、Ug、UCIg分別為單木綜合擇伐指數、材積、角尺度、大小比數及競爭指數,σV、σW、σU、σUCI分別為材積、角尺度、大小比數及競爭指數的標準差。

為將各林分的空間結構評價指數值進行統一分析比較,通過歸一化處理,利用等量變換將值的范圍歸納到[0,1]區間內。

2 結果與分析

在數據調查的基礎上,利用Winkelmass 1.0處理數據,SigmaPlot 14.0及Origin 2018繪圖,為避免邊緣效應,計算時設定2 m緩沖區[19-20],緩沖區內的林木只作為相鄰木處理,不參與空間結構參數的計算。

2.1 林分空間結構

通過對不同林齡的落葉松人工林林木角尺度(W)、大小比數(U)及混交度(M)的計算,得到不同取值(0.00、0.25、0.50、0.75、1.00)等級的相對頻率。林木角尺度最適分布范圍為[0.475,0.517],由表2可知,落葉松幼齡林、近熟林及成熟林的角尺度平均值分別為0.498 8、0.461 9、0.469 0,即落葉松幼齡林為隨機分布,林分分布狀態較好,近熟林及成熟林則靠近隨機分布,呈輕微均勻分布。各樣地中,隨機分布占比最多,均>50%,均勻分布次之。角尺度整體分布頻率呈現中間高兩邊低的近似正態分布趨勢。由表3可知,落葉松幼齡林、近熟林及成熟林大小比數各取值等級頻率變化均較小,取值多數分布在20%左右。大小比數均值分別為0.504 3、0.480 4、0.499 3,取值在0.5左右小范圍波動,表明各樣地不同優勢程度的樹木數量較接近,各林分生長處于中庸狀態。幼齡林、近熟林及成熟林各樣地混交度取值集中在0,取值等級為0的占比分別達100%、85.6%及94.7%,混交度均值分別為0、0.080、0.026,混交程度低,整體呈現零度混交及弱混交的狀態。由表4可知,落葉松幼齡林、近熟林及成熟林的競爭指數平均值分別為4.671 5、3.663 5、1.822 4,隨著林齡的增加,各樣地競爭指數逐漸降低,其原因是幼齡林時期,林木株數最多,林內競爭較大。

表2 角尺度分布頻率及平均值

表3 大小比數分布頻率及平均值

表4 競爭指數分布頻率及平均值

2.2 林分空間結構評價

根據空間結構優化目標函數的構建過程可知,空間結構綜合指數取值越小,空間結構分布越差。綜合陸元昌[21]、曹小玉等[11]研究結果,可將空間結構綜合指數劃分為5個等級,取值為[0,0.2]、(0.2,0.4]、(0.4,0.6]、(0.6,0.8]、(0.8,1],評價等級對應為1、2、3、4、5,分別代表空間結構差、較差、一般、較好、非常好。落葉松幼齡林空間結構綜合指數分別為0.247、0.178、0.234,平均空間結構綜合指數約為0.220,近熟林空間結構綜合指數分別為0.321、0.271、0.311,平均空間結構綜合指數約為0.301,成熟林空間結構綜合指數分別為0.265、0.296、0.240,平均空間結構綜合指數約為0.267,各林分類型平均空間結構綜合指數評價等級均為2。說明該地落葉松林空間結構距離理想狀態還有差距,需要進行空間結構的優化。

2.3 林分空間結構優化

2.3.1 間伐木及株數確定 根據林分空間結構優化的原則,通過調整角尺度取值的分布范圍,調整林木整體分布狀態,將均勻分布及聚集分布向隨機分布的狀態調整,通過降低大小比數及競爭指數,調控林木生長狀態,增加林木生長空間。由各林分空間結構綜合指數及評價等級結果可知,該地不同林齡的落葉松人工林樣地空間結構均有調整優化的空間,因此對幼齡林、近熟林及成熟林各選取1塊樣地,對LY1、LJ1及LC1 3個樣地進行林分空間結構的優化。幼齡林平均胸徑為11 cm,樣地內的理論株數為130株,近熟林平均胸徑為12 cm,樣地內的理論株數為118株,成熟林平均胸徑為17 cm,樣地內的理論株數為78株。結合華北落葉松經營密度表[22],優先選取各樣地空間結構綜合指數的較小值,從中選取角尺度、大小比數及競爭指數較大的林木進行采伐,每采伐1株林木,重新計算各空間結構參數,若得到優化則確定該林木為擇伐備選木,重復上述步驟,得到所有備選木,控制采伐量不超過總株數的20%[23]。部分代表性間伐木信息及原因見表5,采伐木點位分布見圖1。

圖中紅色圓點代表保留木,黑色圓點代表采伐木,圓點的大小表示胸徑的大小。

表5 采伐木信息及采伐原因

2.3.2 間伐前后空間結構變化 由圖2～圖5可見,將各樣地備選木進行采伐后,角尺度變化均不大,林內各林木結構單元多數呈隨機分布。幼齡林及成熟林樣地大小比數采伐前后取值變化不大,近熟林大小比數采伐前后由0.506 8降低為0.485 8,林木大小整體呈中庸狀態。競爭指數均發生較大變化,幼齡林競爭指數采伐前后由4.207 8降低為2.423 5,近熟林競爭指數采伐前后由4.028 6降低為2.890 6,成熟林競爭指數采伐前后由2.407 0降低為2.104 6。落葉松幼齡林空間結構綜合指數采伐前后由0.247增加為0.308,近熟林空間結構綜合指數采伐前后由0.312增加為0.406,成熟林空間結構綜合指數采伐前后由0.265增加為0.319,近熟林評價等級由2級提升為3級,各樣地整體空間結構較采伐前得到了優化。

圖2 采伐前后角尺度

圖3 采伐前后大小比數

圖4 采伐前后競爭指數

圖5 采伐前后空間結構評價指數

3 討論

3.1 華北落葉松人工林空間結構特征

林分空間結構的研究對于整體把握林分狀態以及對其作出調整具有重要意義,林分空間結構的描述主要是通過對角尺度、大小比數、混交度及競爭指數的計算[24]。角尺度的計算結果體現了森林空間內部林木的分布格局,主要包括均勻分布、隨機分布以及聚集分布3種情況,結構穩定的森林群落一般趨近于隨機分布。本研究選取的樣地為落葉松人工林,人工林林層結構簡單[25],受人為因素影響,初始結構大多數趨近于均勻分布。隨著林齡的增加,林內結構逐漸由均勻分布轉變為隨機分布,幼齡林、近熟林及成熟林林分中林木單株的胸徑大小的分化程度差距不大,較為均衡,均處于中庸狀態。種內競爭激烈,但隨著林齡的增加,競爭逐漸降低。因樣地為人工林,初始林分處于零度混交狀態,隨著林齡的增加,林分內生長出少量其他樹種,但數量較少,近熟林、成熟林也僅處于弱度混交狀態。因此,后期需要人為引進其他樹種增大林分混交程度,使其形成健康穩定的森林群落。

3.2 林分空間結構模擬優化

隨著林木的生長,林木間產生競爭,空間結構不足等問題導致部分林木死亡,需要通過間伐的手段達到林分空間結構優化的目的。該林場內落葉松人工林空間結構現狀與理想狀態仍存在差距,存在著結構問題,林木分布多數趨近于隨機分布,調控空間小,但林木生長空間不足,競爭的壓力相對較大,導致落葉松林的空間結構評價指數較低,這些問題主要是由于部分區域栽植時林分密度大及后期經營不當所造成的。在森林經營過程中,處于聚集分布且大小比數較大的林木可優先伐除。通過對落葉松幼齡林、近熟林及成熟林進行采伐,伐除各樣地中比較聚集的林木、大小比數分布不合理以及處于被擠壓或嚴重被擠壓生長狀態的林木。根據采伐后結果可知,除角尺度變化不明顯,各樣地大小比數及競爭指數均有了較大的改變,林分內各空間結構參數均向著較好的方向發展,林分空間結構有所改善,研究結果與已有的研究結果相一致。陳昌雄等[26]利用空間結構參數選擇采伐木,制定以角尺度作為主要調整目標的林分空間結構優化方案,基于林分空間結構格局的采伐使得林分整體質量得到了提高。如林富成等[25]通過選用角尺度、大小比數等4個參數構建空間結構評價指數,結合經營密度確定采伐強度及采伐木,間伐后有效改善了林分空間結構[11]。綜合以上分析,本研究中旺業甸林場不同林齡的落葉松人工林整體生長狀況一般,生長已經達到穩定狀態的成熟林混交程度仍較差。因此,在充分掌握林分空間結構的前提下,后期經營過程中應當提高林木混交程度,栽植其他樹種,并結合空間結構優化指數,以空間分布格局為基礎,通過合理調整林分中競爭木與劣質木的方式來降低林木間競爭,調整林分空間結構,提高林分穩定性。

4 結論

旺業甸落葉松人工林林分空間結構較為簡單,林分內有1/2以上林木處于隨機分布狀態,大小分化不明顯,樹種組成單一,部分林木競爭較大。通過空間結構參數能夠體現林木的水平分布、生長空間及競爭程度,林木空間分布的狀態并不能夠成為決定林木生長優劣的關鍵影響因子。

通過對內蒙古赤峰市旺業甸林場的華北落葉松人工林空間結構分析與優化,能夠整體把握林分空間結構現狀并進行優化調整,結合林分生長狀況進行模擬采伐,采伐后可以較好地改善當地華北地區華北落葉松人工林林分空間結構,研究結果可為我國華北落葉松人工林經營提供數據支持。