文章信息
- 惠刚盈, 张弓乔, 赵中华, 胡艳波, 刘文桢, 张宋智, 白超
- Hui Gangying, Zhang Gongqiao, Zhao Zhonghua, Hu Yanbo, Liu Wenzhen, Zhang Songzhi, Bai Chao
- 天然混交林最优林分状态的π值法则
- A New Rule of π Value of Natural Mixed Forest Optimal Stand State
- 林业科学, 2016, 52(5): 1-8
- Scientia Silvae Sinicae, 2016, 52(5): 1-8.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20160501
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文章历史
- 收稿日期:2015-12-15
- 修回日期:2016-03-24
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作者相关文章
2. 甘肃省小陇山林业实验局林业科学研究所 甘肃省栎类次生林生态系统重点实验室 天水 741022
2. Key Laboratory of Oak Secondary Forest Ecosystem of Gansu Province Xiaolongshan Research Institute of Forestry in Gansu Province Tianshui 741022
天然林是森林生态系统的主体,具有较高的生物多样性、较复杂的群落结构、较丰富的生境特征和较好的生态系统稳定性,在保障农牧业生产、维持生物多样性、保护生态环境、减缓自然灾害、调节全球碳平衡和生物地球化学循环等方面起着极其重要和不可替代的作用(唐守正等,2002)。国际上开展了许多有关天然林的研究(刘世荣等,2015),热点之一就是对复杂结构天然林的经营模拟,其前提就是量化描述森林状态,这种对森林状态的精确定量描述可以帮助人们更好地理解森林生态系统的发展历史、现状和将来的发展方向(Kint et al.,2000; Franklin et al.,2002)。
状态是指生物、非生物或事物所表现出来的形态,刻画的是物质、事情或生物系统所处的状况。林分状态是指林分在自然中所处的状况,用以表征林分的自然属性,林分状态合理 与否直接关系到森林经营的必要性和紧迫性。 林分状态评价是人们参照一定标准对林分的价值或优劣进行评判比较的一种认知过程,同时也是一种决策过程。评价是决策的前提,没有评价就没有决策,评价的质量直接影响到决策的质量(苏为华,2000)。森林是一个复杂的生态系统,对森林的评价通常采用多指标的综合评价方法,而多指标综合评价的前提 是确定科学的评价指标体系,只有科学、合理的评价指标体系,才有可能得出科学、公正的综合评价结论(王宗军,1998)。同样,只有明确了最优林分状态,才有可能对现实林分状态做出合理 评价,也才有可能对其进行有的放矢的经营调节。综合评价指标体系构造时须注意全面性、科学性和可操作性原则:全面性即评价指标体系必须反映被评价问题的各个方面; 科学性即整个综合评价指标体系从元素构成到结构,从每个指标计算内容到计算方法都必须科学、合理、准确; 可操作性即一个综合评价方案的真正价值只有在付诸现实才能够体现出来。这就要求指标体系中的每个指标都必须是可操作的,必须能够及时收集到准确的数据,对于指标收集困难的应该设法寻找替代指标、寻找统计估算的方法。由于评价森林的对象和目的不同,所以出现了各种各样的评价指标体系,如森林可持续经营标准与指标体系(张守攻等,2001)、森林健康评价指标体系(王得祥等,2015;余新晓等,2010;张会儒等,2014)、森林多功能评价体系(殷鸣放等,2012)、森林自然度评价体系(赵中华,2009)、林分经营迫切性评价体系(惠刚盈等,2007)以及林分经营模式评价体系(惠刚盈等,2011)等。
评价的方法也多种多样,如专家评价法(王宗军,1998;洪伟等,1993)、层次分析法(Saaty,1980)、乘除法(钱颂迪,1990)、模糊综合评价法(水本雅晴,1988)和雷达图分析方法(吕杏,2007)等。本研究试图给出基于单位圆的林分状态 评价方法,并应用该方法对我国天然红松阔叶林和锐齿栎混交林的林分状态进行评价。
1 材料与方法 1.1 材料研究采用甘肃小陇山天然锐齿栎混交林和吉林蛟河天然红松阔叶林长期每木定位试验样地数据(表 1)。甘肃小陇山地处秦岭山脉西端,属暖温带向北亚热带过渡地带。试验林分 位于甘肃省小陇山林业实验局林区百花林场蔓坪工区小阳沟57林班(104°22′—105°43′E,33°30′—34°49′N),海拔1 700 m。林分结构复杂,树种多样,属以锐齿栎(Quercus aliena var. acuteserrata)为优势种群的高度自然化的松栎混交林,主要有辽东栎(Quercus liaotungensis)、华山松(Pinus armandii)和山核桃(Carya cathayensis)30多个树种。吉林蛟河地处长白山张广才岭支脉(127°35′—127°51′E,43°51′—44°05′N),属温带气候带。试验林分 位于吉林蛟河林业实验局东大坡经营区54林班,相对海拔600 m。林分类型属以红松(Pinus koraiensis)、 杉松(Abies holophylla)、臭冷杉(Abies nephrolepis)和鱼鳞云杉(Picea jezoensis var. microsperma)等为主由20多个树种组成的针阔混交林。
众所周知,作为森林分子的林分通常既有疏密之分,也有长势之别; 林分中的林木既有高矮、粗细之分,也有幼树幼苗、小树大树之别,更有树种、竞争能力和健康状况的差异,林木并非杂乱无章的堆积而是有其内在的分布规律。这就是人们对森林的直观认识,也是人们对森林结构和活力等自然属性的认知。可见,林分状态可从林分空间结构(林分垂直结构和水平结构)、林分年龄结构、林分组成(树种多样性和树种组成)、林分密度、林分长势、 顶级树种(组)或目的树种竞争、林分更新、林木健康等方面加以描述(图 1)(惠刚盈等,2016)。
表达林分状态的指标复杂多样,既有定性指标也有定量指标,且每个指标的取值和单位差异很大。所以,首先要对所选的描述林分状态的指标进行赋值、标准化和正向处理(数值越大越好),使其变成[0,1]之间的无量纲数值。
林分空间结构通过垂直结构和水平结构衡量。垂直结构用林层数表达(惠刚盈等,2010),林层数按树高分层。树高分层可参照国际林联(IUFRO)的林分垂直分层标准(Kramer,1988),即以林分优势高为依据 将林分划分为3层,上层为树高≥2/3优势高的林木,中层为树高介于1/3 ~ 2/3优势高之间的林木,下层为树高≤1/3优势高的林木。可采用下面2种方法之一来计算林层数:1)按树高分层统计——如果各层的林木株数 ≥10%,则 认为该林分林层数为3,如果只有1个或2个层的林木株数≥10%,则该林分林层数对应为1或2; 2)按结构单元统计——统计由参照树及其最近4株相邻树所组成的结构单元中,该5 株树按树高可分层次的数目,统计各结构单元林层数为1,2,3 层的比例,从而估计出林分整体的林层数。林层数≥ 2.5,表示多层,赋值1; 林层数< 1.5,表示单层,赋值 0; 林层数在[1.5,2.5)之间,表示复层,赋值0.5。
林分水平结构用林木点格局表达(Ripley,1977),随机分布赋值1,团状分布赋值0.5,均匀分布赋值0。可采用距离法(Clark et al.,1954)或Voronoi多边形(张弓乔等,2015)或角尺度(惠刚盈等,2003)等方法来分析。
林分年龄结构是植物种群统计的基本参数之一,通过年龄结构的研究和分析,可以提供种群的许多信息。统计各年龄组的个体数占 总个体数的百分比,其从幼到老不同年龄组的比例关系可表述为年龄结构图解(年龄金字塔或生命表),分析种群年龄组成可以推测种群发展趋势(曲仲湘,1983)。如果一个种群具有大量幼体和少量老年个体,则说明 该种群是迅速增长的种群; 相反,如果种群中幼体较少而老年个体较多,则说明 该种群是衰退的种群;如果一个种群各个年龄组的个体数几乎相同或均匀递减,出生率接近死亡率,则说明 该种群处于平衡状态,是正常稳定型种群。也就是说,从年龄金字塔的形状可以辨识种群发展趋势,钟形是稳定型,赋值1;正金字塔形是增长型,赋值0.5; 倒金字塔形是衰退型,赋值0。在进行乔木树种年龄结构研究时,由于许多树木材质坚硬,难以用生长锥确定树木的实际年龄,或者为了减少破坏性,因此常常用树木的直径结构代替年龄结构来分析种群的结构和动态(宋永昌,2001)。森林种群年龄结构的研究在森林生态学领域取得了许多成果,发现了许多规律,种群稳定的径级结构类似于稳定的年龄结构,天然异龄林分的典型直径分布是小径阶林木株数极多,频数随着直径的增大而下降,即株数按径级的分布呈倒J形(Meyer,1952)。倒“J”表示典型异龄林(惠刚盈等,2010),赋值1; 单峰表示几乎为同龄林,赋值0; 多峰表示不完整异龄林,赋值0.5。
林分组成通过树种多样性和树种组成系数描述。树种多样性用Simpson 指数(Simpson,1949)或修正的混交度均值($ \bar M' $)表达(惠刚盈等,2001):
$\bar M' = \frac{1}{{5N}}\sum {\left({{M_i}{n_i}'} \right)} $ |
式中:N为林木株数;Mi为第i株树的混交度;$ {n_i}' $为第i株树所处 结构单元中的树种个数。$ \bar M' $值在[0,1]之间,越大越好。
树种组成系数依树种断面积与林分总断面积的比值计算,用十分法表示,统计大于1成的树种数:≥ 3 表示多优势树种混交林,赋值1;=2表示混交林,赋值0.5;<2 赋值0。
林分密度通过林分拥挤度(K)描述(张连金等,2011)。林分拥挤度表达林木之间拥挤在一起的程度,用林木平均距离(L)与平均冠幅(CW)的比值表示,即:
$K = \frac{L}{{CW}}$ |
显然,K>1,表明林木之间有空隙,林冠没有完全覆盖林地,林木之间不拥挤; K=1,表明林木之间刚刚发生树冠接触;只有当K<1 时,表明林木之间才发生拥挤,其程度取决于K值,K越小越拥挤。林分拥挤度在[0.9,1.1]之间表示密度适中,赋值1,其他赋值0。
林分长势通过林分优势度或林分潜在疏密度表达(赵中华等,2014)。林分优势度用下式表示:
${S_d} = \sqrt {{P_{{U_i} = 0}} \times \frac{{{G_{\max }}}}{{{G_{\max }} - \bar G}}} $ |
式中:PUi=0为林木大小比数取值为0等级的株数频率(惠刚盈等,2003);Gmax为林分的潜在最大断面积,这里将其定义为林分中50%较大个体的平均断面积与林分现有株数的积; $ \bar G $为林分断面积。林分优势度通常在[0,1]之间,越大越好;若偶尔出现 Sd>1,令其等于1。
林分疏密度是现实林分断面积与标准林分断面积之比。鉴于“标准林分”在实际应用中的难度,所以本文用林分潜在疏密度替代传统意义上的林分疏密度,用$ {B_0} = \bar G/{G_{\max }} $表示,其值在[0,1]之间,越大越好。
顶级种竞争通过顶级或目的树种的树种优势度描述。树种优势度用相对显著度(Dg)或树种空间优势度($ {D_{sp}} = \sqrt {{D_g}\left({1 - {{\bar U}_{sp}}} \right)} $)表达(惠刚盈等,2007),其中,$ {\bar U_{sp}} $为树种大小比数均值。树种优势度在[0,1]之间,越大越好。
林分更新采用《森林资源规划设计调查技术规程》(GB/T 26424—2010)来评价,即以苗高>50 cm的幼苗数量来衡量,幼苗数量≥2 500 表示更新良好,赋值1;<500 表示更新不良,赋值0;[500,2 500)之间表示更新一般,赋值0.5。
健康林木(没有病虫害且非断梢、弯曲、空心等)比例,≥ 90%,赋值1;<90%,赋值0。
1.2.3 林分状态的单位圆分析采用单位圆分析方法进行林分状态综合评价。单位圆的绘制方法是:首先,画一个半径为1的圆;然后,将圆的360°分成n个扇形区,分别代表n个林分状态指标,如林分空间结构(林分垂直结构和水平结构)、林分年龄结构、林分组成(树种多样性和树种组成)、林分密度、林分长势、顶级树种(组)或目的树种竞争、林木健康和林分更新等(图 2);再次,从n个扇形区的圆心开始以放射线 形式分别画出相应的指标线,并标明指标名称; 最后,将现实林分的相应指标值用点标在放射线上,依次连接相邻点,形成的闭合图形 即代表现实林分状态。需要指出的是,为使相邻点连线构成闭合图形,必须对指标值 大小进行排序(指标值相同的不分次序),将排序后的指标分成最大值为1和非1两类,最大值之间维持圆弧连接,最大值与其他值用线段连接,如此形成的图形就是现实林分状态的综合表达,其图形面积就是对现实林分状态的合理估计。显然,当所有林分状态指标的取值都为1时,构成的闭环面积最大,且恒等于单位圆面积π,可视为最优林分状态的期望值。该期望值与林分状态指标有多少或指标是什么无关,这就是最优林分状态的π值法则。所以,现实林分状态值与最优林分状态值之比就是对现实林分状态 最为恰当的度量,用公式表达为:
$\omega = \frac{{{s_1} + {s_2}}}{\pi } = \frac{{\frac{{\pi \left({m - 1} \right)}}{n} + \sum\limits_{i = 1}^{n - m + 1} {{s_{2i}}} }}{\pi },m \ge 1;$ | (1) |
或
$\omega = \frac{{{s_2}}}{\pi } = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{s_{2i}}} }}{\pi },m = 0$ | (2) |
式中:$ {s_{2i}} = \left({{L_1}{L_2}\sin \theta } \right)/2 $;ω为现实林分状态值;s1为闭合图形中扇形面积和;s2为闭合图形中三角形面积和;n为指标个数(n≥2);m为指标值等于1的个数;L1和L2为分别为三角形部分的相邻指标值;θ为相邻指标构成的夹角。
ω在[0,1]之间,依据ω的大小可将现实林分状态分为5类: 状态极佳,ω≥0.70;状态良好,ω在[0.55~0.70)之间; 状态一般,ω在[0.40~0.55)之间;状态较差,ω在[0.25~0.40)之间; 状态极差,ω<0.25。
2 结果与分析利用本文所提出的方法对我国天然锐齿栎混交林和红松阔叶林的林分状态进行分析,结果见表 2。由表 2可知,所分析的4块天然林直径分布均为倒J形,表明林分年龄结构状态良好; 而4块天然林的林分拥挤度均处于不合理的范围; 林木健康和林木水平分布格局,除小阳沟(2)外,其他3块样地均表现出健康和随机的良好状态; 东大坡54林班的林分在垂直结构方面优于其他3块样地。其他指标各有所不同,综合分析见图 3。图 3表明,东大坡54林班(ω=0.584)的林分状态处于良好等级;小阳沟(1)(ω=0.501)和东大坡52林班(ω=0.414)的林分状态处于中等; 而小阳沟(2)(ω=0.358)的林分状态较差。这与现地观感一致(惠刚盈等,2016)。
研究认为,林分状态可从林分空间结构(林分垂直结构和水平结构)、林分年龄结构、林分组成(树种多样性和树种组成)、林分密度、林分长势、顶级树种(组)或目的树种竞争、林分更新、林木健康8方面加以描述,这8方面能够表征林分主要的自然属性,且对应的每个指标都是可操作的并能够及时收集到准确的数据。为凸显指标的先进性和实用性,文中提到的多数指标均采用最新研究成果并给出了可选的测度方法。林分状态指标的归一化处理是林分状态评价的关键。表达林分状态的指标复杂多样,既有定性指标也有定量指标,且每个指标的取值和单位差异很大。所以,必须对所选的描述林分状态的指标进行赋值、标准化和正向处理(数值越大越好),使其变成[0,1]之间的无量纲数值,从而为基于单位圆的林分状态合理性评价方法奠定基础。与常用的多指标体系比较分析的专业图表雷达图(吕杏,2007; 殷鸣放等,2012)相比,本文所提出的单位圆方法首先需要依据指标值的大小进行排序,以便于形成闭合图形; 另外,指标之间的连接方式不同,雷达图采用折线连接,而本文所提出的方法最大值之间维持弧线连接,而最大值与其他值则用线段连接,从而在计算面积时采用扇形面积和三角形相结合的方法。二者的本质区别在于:单位圆方法能够直接给出最优林分状态的期望值,即最优林分状态的π值法则,无论何种林分,也无论描述的指标有多少或指标是什么,均不影响林分状态的期望值,其值恒等于单位圆面积π;而若采用雷达图方法,其期望值只是个无限逼近的近似值,且依赖于指标数量的多少。当然,单位圆方法也能像雷达图那样通过标定3个同心圆(最大、最小和平均值圆)而具有更为广泛的应用。显然,只有明确了最优林分状态,才有可能对现实林分状态做出合理 评价,也才有可能对其进行有的放矢的经营调节,因此,最优林分状态的期望值可作为衡量现实林分状态质量优劣的参照。本研究认为,现实林分状态的优良程度取决于林分状态指标所构成的闭合图形面积大小,该面积与最优林分状态值(期望值)之比即是对现实林分状态最为恰当的度量,可见,最优林分状态π值法则对于现实林分状态合理性评价至关重要。 应用本文提出的方法对我国天然红松阔叶林和锐齿栎混交林的林分状态进行分析发现,评价结果直观可靠,符合现实林分的客观实际。本研究提出的基于单位圆的林分状态评价方法(最优林分状态π值法则、现实林分状态计算公式以及林分状态等级区间),可为森林经营决策奠定科学基础,也可为不同地区不同类型森林健康质量评价提供分析工具。
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