不同杉木林類型林地現(xiàn)存凋落物空間分布特征及其取樣策略

陳夢(mèng)瑤 林開敏 許諾 吳培培 趙長(zhǎng)存 石麗娜

摘 要 通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)和ArcGIS技術(shù)等研究方法，以老齡林（在一代杉木人工林基礎(chǔ)上以延長(zhǎng)杉木輪伐期，并實(shí)施保護(hù)和促進(jìn)天然更新為主要技術(shù)而形成的）、萌芽林（老齡林采伐后，以實(shí)施天然更新和杉木萌芽更新為主要造林技術(shù)而形成的撂荒天然更新林）、93人工林（老齡林采伐后，于1993年按照不煉山造林的栽杉模式而形成的二代杉木人工林）3個(gè)不同杉木林類型作為研究對(duì)象，深入地探討不同杉木林類型林地現(xiàn)存凋落物的空間分布特征，并計(jì)算得出不同杉木林類型為滿足精度要求所需的最少樣本數(shù)。結(jié)果表明：不同杉木林系統(tǒng)凋落物現(xiàn)存量和變異系數(shù)存在著明顯差異，均表現(xiàn)為萌芽林>老齡林>93人工林。不同杉木林類型林地現(xiàn)存凋落物量空間分布狀況有較大的區(qū)別，存在明顯的空間異質(zhì)性。當(dāng)精度為90%時(shí)，老齡林、萌芽林、93人工林所需的最少樣方數(shù)量分別為48、72和42個(gè)；且在相同精度下，不同杉木林類型林地所需的最少樣方數(shù)量基本上表現(xiàn)出93人工林<老齡林<萌芽林。這為不同杉木林類型林地研究中取樣策略的選擇和優(yōu)化提供一定的參考。

關(guān)鍵詞 杉木林；現(xiàn)存凋落物；空間分布；取樣樣方數(shù)量

中圖分類號(hào) S791.27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract Statistics and ArcGIS technology research methods were used to study the space distribution of Chinese fir forest litter and to calculate the minimum number samples which required to meet the accuracy of different types of Chinese fir for old forest（74-year）， sprout forest（21-year）， 93 Plantation（23-year， restablished in 1993）Results showed the litter biomass and variation coefficient of different Chinese fir had a clear difference with an order sprout forest>old forest>93 Plantation. The space distribution of forest litter of different types of Chinese fir forest had great difference and obvious spatial heterogeneity. When the accuracy was 90%， the old forest， sprout forest and 93 Plantation required plots at minimum was 48， 72 and 42， respectively. And at the same precision， the minimum number of samples required in the different types was in the order 93 PlantationKey words Chinese fir forest； litter biomass； spatial distribution； sampling number

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2017.04.008

森林凋落物是研究森林生態(tài)系統(tǒng)生物量、養(yǎng)分循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化的一個(gè)重要指標(biāo)[1-3]。凋落物能夠調(diào)節(jié)氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素在土壤和森林生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)，并對(duì)森林的演替發(fā)揮著不可忽視的作用[4-6]。為了對(duì)凋落物在森林生態(tài)系統(tǒng)中的作用和功能進(jìn)行更加深入的研究，就必須準(zhǔn)確測(cè)定林地現(xiàn)存凋落物生物量，而要測(cè)定林地現(xiàn)存凋落物生物量最關(guān)鍵的問(wèn)題就是如何根據(jù)所要達(dá)到的凋落物的精度要求來(lái)確定最佳的取樣樣方面積和樣方數(shù)量。目前，關(guān)于森林林地現(xiàn)存凋落物量的研究較多，而且測(cè)定林地現(xiàn)存凋落物量一般籠統(tǒng)采用隨機(jī)[7-9]或機(jī)械布點(diǎn)[10-11]（如S形路線或梅花型）設(shè)置一定數(shù)量（一般5～10個(gè)）的樣方法來(lái)進(jìn)行。但目前研究的森林植被類型較多，由于受到自然因素和人為經(jīng)營(yíng)措施等多種因素的影響，不同森林生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)差異較大[12-13]，導(dǎo)致林地現(xiàn)存凋落物生物量的空間異質(zhì)性也存在較大差異，因此對(duì)于不同森林類型均籠統(tǒng)采用傳統(tǒng)的設(shè)置相同數(shù)量的樣方法來(lái)測(cè)定就難以獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而影響著森林生態(tài)系統(tǒng)生物量、養(yǎng)分循環(huán)和能量轉(zhuǎn)化等研究的準(zhǔn)確估算。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)地面現(xiàn)存凋落物生物量的空間分布及其取樣技術(shù)和方案的研究主要集中在草地和灌木群落[14-17]，但對(duì)森林群落的取樣技術(shù)研究相對(duì)較少。本研究試圖對(duì)不同杉木林生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)存凋落物生物量的空間分布特征及其異質(zhì)性進(jìn)行比較探討，最后得出測(cè)定不同杉木林生態(tài)系統(tǒng)現(xiàn)存凋落物生物量時(shí)滿足不同精度需求的最少樣方數(shù)量，為準(zhǔn)確測(cè)定森林生態(tài)系統(tǒng)的林地現(xiàn)存凋落物生物量提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究地的自然概況

本研究試驗(yàn)樣地設(shè)置在福建農(nóng)林大學(xué)西芹教學(xué)林場(chǎng)花竹溝（東經(jīng)118°10′，北緯26°40′）。該林場(chǎng)位于福建省南平市延平區(qū)，土壤為土層較厚的黃紅壤，屬于杉木的中心產(chǎn)區(qū)。西芹教學(xué)林場(chǎng)屬于武夷山脈東伸支脈的中低山地，海拔較低，處于200～500 m之間，坡度一般在25°左右，也有少部分在35°以上。該林場(chǎng)屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為19.4 ℃，極端氣溫最高時(shí)為41 ℃，最低時(shí)為-5.8 ℃；年平均降雨量為1 817 mm，且多集中在5、6月；極少下雪，全年無(wú)霜期為302 d；年均日照時(shí)數(shù)為1 709.8 h，日照時(shí)間較長(zhǎng)；年平均風(fēng)速為1.1 m/s。該地獨(dú)有的氣候條件使其森林茂密，植物種類繁多[18]。

在一代杉木人工林基礎(chǔ)上，通過(guò)延長(zhǎng)杉木輪伐期，并實(shí)施保護(hù)和促進(jìn)天然更新為主要技術(shù)而形成的被定義為杉木老齡林（簡(jiǎn)稱老齡林）；二代杉木萌芽天然更新林（簡(jiǎn)稱萌芽林）是在一代杉木人工林（即老齡林）采伐后，通過(guò)天然更新和杉木萌芽更新而形成的撂荒天然更新林；1993年二代杉木人工林（簡(jiǎn)稱93人工林）是在一代杉木人工林（即老齡林）采伐后，于1993年按照不煉山造林的栽杉模式而形成的二代杉木人工林[18]，樣地的具體情況見表1。

1.2 樣地設(shè)置與調(diào)查方法

在老齡林、萌芽林和93人工林3個(gè)不同杉木林生態(tài)系統(tǒng)的代表性地段分別設(shè)置面積為100 m2（10 m×10 m）的樣地，將每個(gè)樣地細(xì)分為100個(gè)1 m2（1 m×1 m）的小樣方，將每個(gè)小樣方作為收集林地現(xiàn)存凋落物的基本調(diào)查和測(cè)量的單元，之后將所有收集的未分解和半分解的凋落物裝袋帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行凋落物含水量的測(cè)定，通過(guò)凋落物含水量的測(cè)定來(lái)求算出凋落物干重。

為了深入了解不同杉木林生態(tài)系統(tǒng)林地現(xiàn)存凋落物的重量分布情況，把各系統(tǒng)林地現(xiàn)存凋落物的樣方測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)，分組方法為：以100 g為一組距，共設(shè)置了11組別，分別是0～100、100～200、200～300、300～400、400～500、500～600、600～700、700～800、800～900、900～1 000、>1 000 g。

1.3 數(shù)據(jù)處理

3個(gè)不同杉木林生態(tài)系統(tǒng)林地現(xiàn)存凋落物量的空間異質(zhì)性采用的是地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究方法進(jìn)行分析，用SPSS16進(jìn)行單因素方差分析，Office2010作圖。

因本試驗(yàn)樣方數(shù)量為100個(gè)，屬于大樣方，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)參數(shù)估計(jì)的原則，為了測(cè)定林地現(xiàn)存凋落物量滿足不同精度要求所需要最小的取樣樣方數(shù)量。應(yīng)使用如下的公式[19]：

根據(jù)公式，計(jì)算出當(dāng)樣方面積為1 m2時(shí)，測(cè)定林地現(xiàn)存凋落物量滿足不同精度要求而需要設(shè)置的最少樣方數(shù)目。

2 結(jié)果與分析

2.1 林地現(xiàn)存凋落物的重量分布特征

由表2可知，3個(gè)杉木林類型林地凋落物現(xiàn)存量（干重）存在著較為明顯的差異。其中萌芽林最大，達(dá)610.79 g/m2；其次是老齡林，為558.19 g/m2；最小的是93人工林，為254.56 g/m2。

此外，3個(gè)杉木林類型凋落物（干重）的變異系數(shù)位于38.55%～50.7%之間，不同杉木林類型不同樣方間凋落物現(xiàn)存量也存在著較大差異，這表明3個(gè)杉木林類型林地現(xiàn)存凋落物量存在著一定程度的空間變異性。老齡林、萌芽林、93人工林凋落物現(xiàn)存量的變異系數(shù)也有明顯差異，表現(xiàn)為93人工林（38.55%）<老齡林（41.37%）<萌芽林（50.7%）。

由圖1可知，老齡林各樣方的林地現(xiàn)存凋落物量主要集中在300～400 g和500～600 g，其中林地現(xiàn)存凋落物量在300～400 g和500～600 g的樣方數(shù)占老齡林樣方數(shù)的18%。萌芽林各樣方的林地現(xiàn)存凋落物量主要集中在600～700 g，林地現(xiàn)存凋落物量在600～700 g的樣方數(shù)占萌芽林樣方數(shù)的20%。93人工林各樣方的林地現(xiàn)存凋落物量主要集中在200～300 g，林地現(xiàn)存凋落物量在200～300 g的樣方數(shù)占93人工林樣方數(shù)的20%。由此得知，不同杉木林類型各樣方的林地現(xiàn)存凋落物的重量分布存在較大的差異。

2.2 林地現(xiàn)存凋落物量的空間分布特征

樹木的數(shù)量、凋落量的多少及凋落物分解快慢等因素會(huì)對(duì)林地現(xiàn)存凋落物量的空間分布狀況產(chǎn)生影響。由圖2可知，3個(gè)杉木林類型林地現(xiàn)存凋落物量的空間異質(zhì)性存在明顯差異，不同杉木林類型林地現(xiàn)存凋落物量的空間分布狀況也相差較大。老齡林凋落物干重多集中在454～546 g，凋落物現(xiàn)存量由南到北逐漸減小，呈規(guī)則條帶和斑塊狀分布；萌芽林凋落物干重多數(shù)在389～645 g，凋落物現(xiàn)存量西南部量較小，東北部量較大，以WN-ES為分界線分布；93人工林干重主要集中在176～255 g之間，凋落物現(xiàn)存量大致呈現(xiàn)出由東北向西南逐漸增大的分布特征。

2.3 林地現(xiàn)存凋落物量測(cè)定的取樣樣方數(shù)量確定

森林生態(tài)系統(tǒng)研究中的一個(gè)重要方面是林地現(xiàn)存凋落物量的測(cè)定，不同研究所要求的林地現(xiàn)存凋落物量的測(cè)定精度是不同的。因此，為了減少和控制研究森林生態(tài)系統(tǒng)林地現(xiàn)存凋落量的誤差，有必要對(duì)林地現(xiàn)存凋落物測(cè)定中的精度問(wèn)題進(jìn)行更加深入的探討，確定不同精度要求下林地現(xiàn)存凋落物量測(cè)定的取樣樣方數(shù)量，以滿足不同研究目的的需要。

從表3可看出，當(dāng)樣方面積為1 m2且精度為80%時(shí)，老齡林、萌芽林、93人工林所需的最少樣方數(shù)量分別為8、12和7個(gè)；當(dāng)樣方面積為1 m2且精度為90%時(shí)，3個(gè)不同杉木林類型所需的最少樣方數(shù)量分別為48、72和42個(gè)。在相同精度的情況下，不同杉木林類型所需的最少樣方數(shù)量有所不同，基本表現(xiàn)出萌芽林所需的樣方數(shù)量最多，老齡林所需的最少樣方數(shù)量介于萌芽林和93人工林之間，93人工林所需的樣方數(shù)量最少。其原因可能和杉木與闊葉樹水平空間分布均勻程度有關(guān)。93人工林由于是人工種植，林木個(gè)體呈現(xiàn)較均勻分布、凋落物空間分布均勻，凋落物空間異質(zhì)性低，所以所需的最小樣方數(shù)目最少。萌芽林由于主要依靠天然更新，林木個(gè)體呈現(xiàn)聚集分布或者隨機(jī)分布格局，凋落物空間分布不均勻，所以所需的最小樣方數(shù)目最多。在老齡林中杉木是人工種植的，杉木凋落葉空間分布均勻，然而老齡林中闊葉樹種是天然更新的，呈現(xiàn)聚集分布或者隨機(jī)分布格局。因此，在相同精度下，不同杉木林類型林地所需的最少樣方數(shù)量基本上表現(xiàn)出萌芽林>老齡林>93人工林。

根據(jù)表3可得出與肖瑜[19]在樣方面積和數(shù)量對(duì)測(cè)定次生林凋落物精度影響中類似的結(jié)論，即隨著精度的增加，不同杉木林類型所需的最少樣方數(shù)量均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。3個(gè)杉木林類型基本上都是在精度小于85%時(shí)，所需要的最少樣方數(shù)量增長(zhǎng)的速度較為緩慢；在精度為90%以上時(shí)，所需要的最少樣方數(shù)量劇烈增加。但不同杉木林類型的增加幅度則有所不同，萌芽林所需要的最少樣方數(shù)量增加的最快，其次是老齡林，最少樣方數(shù)量增加速度最慢的是93人工林。由于人工林現(xiàn)存凋落物變異系數(shù)小，林地現(xiàn)存凋落物空間異質(zhì)性低，因此，隨著精度的提高，其所需的樣方增加速度較慢。

3 討論

在不同杉木林中，林地現(xiàn)存凋落物量存在著較大的差異，表現(xiàn)為萌芽林（610.79 g/m2）>老齡林（558.19 g/m2）>93人工林（254.56 g/m2）。不同杉木林類型中，林地現(xiàn)存凋落物的重量分布也存在著較大的差異。老齡林的林地現(xiàn)存凋落物量主要集中在300～400 g和500～600 g，93人工林的林地現(xiàn)存凋落物量主要集中在200～300 g，而萌芽林的林地現(xiàn)存凋落物量在600～700 g中占多數(shù)。

不同杉木林類型林地現(xiàn)存凋落物量均存在著明顯的空間變異性，林地現(xiàn)存凋落物量的空間分布狀況相差較大。老齡林凋落物現(xiàn)存量呈規(guī)則條帶和斑塊狀分布，并由南到北逐漸減?。幻妊苛值蚵湮铿F(xiàn)存量以WN-ES為分界線分布，其中西南部量較小，東北部量較大；93人工林凋落物現(xiàn)存量大致呈現(xiàn)出由東北向西南逐漸增大的分布特征。

在野外調(diào)查中所采用的取樣策略、樣方面積和樣方數(shù)量會(huì)對(duì)最終的分析結(jié)果產(chǎn)生很大的影響[20]。管東生[15]在對(duì)香港草地和芒萁群落生物量進(jìn)行研究時(shí)，運(yùn)用Wiegert[21]的方法并結(jié)合考慮邊界效應(yīng)的影響，認(rèn)為1 m×1 m為最優(yōu)樣方。管東生[15]在研究中設(shè)置了5個(gè)樣方，但只能控制標(biāo)準(zhǔn)誤差為生物量平均值的20%以內(nèi)。通過(guò)本研究可知，要想使林地現(xiàn)存凋落物量的精度達(dá)到90%以上，3個(gè)不同杉木林生態(tài)系統(tǒng)所需的最少樣方數(shù)量分別為48、72和42個(gè)。而過(guò)去所采用S形路線或梅花型設(shè)置5～10個(gè)的樣方來(lái)獲得林地現(xiàn)存凋落物量只能達(dá)到75%～80%的精度。因此，為了使最終的研究結(jié)果更加準(zhǔn)確，建議增加調(diào)查的樣方數(shù)量。

空間異質(zhì)性是森林生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)重要特征。本研究結(jié)果表明不同杉木林生態(tài)系統(tǒng)的空間異質(zhì)性存在較大差異，因此為了較為準(zhǔn)確地測(cè)定不同杉木林生態(tài)系統(tǒng)的林地現(xiàn)存凋落物量，所設(shè)置的樣方數(shù)量必須要有所差異。但目前大多數(shù)研究林地現(xiàn)存凋落物所設(shè)置的樣方數(shù)量卻無(wú)太大差異，如鄭路等[22]在對(duì)克拉瑪依不同配置模式防護(hù)綠地凋落物現(xiàn)存量及養(yǎng)分貯量的研究中，根據(jù)植物配置類型及混交方式選擇14個(gè)典型樣地，分別在每個(gè)樣地中隨機(jī)選取6個(gè)小樣方進(jìn)行凋落物現(xiàn)存量取樣。因此，根據(jù)本研究建議不同杉木林類型最好要設(shè)置不同的取樣樣方數(shù)量，這樣才能提高林地現(xiàn)存凋落物量的測(cè)定精度。

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