基于單木位置的杉木林分空間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系研究

宋亞斌 江騰宇 彭檢貴 李佳 何麗妮

摘?要：?研究林木競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，有助于了解林木生長(zhǎng)規(guī)律，幫助制定科學(xué)有效的營(yíng)林措施。本文基于樹(shù)冠因子的林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)，提出了一種顧及林分地形因子的樹(shù)冠競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)，并把這兩種指數(shù)與基于交角的林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)以及簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)在不同林分中的適應(yīng)性進(jìn)行對(duì)比。同時(shí)用這四種指數(shù)計(jì)算不同樹(shù)種組成的林分以及杉木林中不同齡組、坡向、坡度的林分中單木受到的平均競(jìng)爭(zhēng)。結(jié)果表明四種指數(shù)中簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的相關(guān)性最高，顧及地形的樹(shù)冠競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)次之，基于交角的林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)相關(guān)性最低;在不同樹(shù)種組成的林分中馬褂木樣地單木受到的平均競(jìng)爭(zhēng)最大，馬褂木杉木混交林最小，其它兩種林分次之;在杉木林分中，中齡林單木受到平均競(jìng)爭(zhēng)要大于成熟林，陰坡樣地中單木受到平均競(jìng)爭(zhēng)要大于陽(yáng)坡，單木受到的平均競(jìng)爭(zhēng)隨坡度增大而增大。因此四種指數(shù)中簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的適用性最好;在杉木林經(jīng)營(yíng)中，中齡林需要及時(shí)間伐;在造林過(guò)程中陰坡的林地造林密度要適當(dāng)小于陽(yáng)坡、坡度級(jí)大的林地要小于坡度級(jí)小的林地。

關(guān)鍵詞：?單木位置;林木競(jìng)爭(zhēng);競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)模型;空間競(jìng)爭(zhēng)差異

中圖分類(lèi)號(hào)：S791.253?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?文章編號(hào)：1004-3020（2019）06-0016-04

Study?on?the?Spatial?Competition?Relationship?of?Cunninghamia?lanceolata?Based?on?Single?Tree?Position

Song?Yabin?Jiang?Tengyu?Peng?Jiangui?Li?Jia?He?Lini

（1.Central?South?Inventory?and?Planning?Institute?of?National?Forestry?and?Grassland?Administration?Changsha?410014;

2.?Hongan?County?Forestry?Survey?Planning?and?Design?Institute?Huanggang?438400）

Abstract：?Study?of?forest?tree?competition?is?helpful?to?understand?the?law?of?forest?growth?and?help?to?make?scientific?and?effective?Afforestation?Measures.?Based?on?tree?competition?index?of?tree?crown?factor，this?paper?puts?forward?a?tree?crown?competition?index?considering?forest?topographic?factors.?The?four?indices?are?used?to?calculate?average?competition?of?single?tree?in?different?tree?species?and?different?age?groups，slope?and?aspect?in?the?Cunninghamia?lanceolata?forest.?The?results?show?that?the?correlation?of?simple?competition?index?is?the?highest，

Key?words：?single?tree?location;forest?competition;competition?index?model;?spatial?competition?differences

林木競(jìng)爭(zhēng)，是指生長(zhǎng)在同一環(huán)境中的林木，為了獲得更好的陽(yáng)光、水分等生長(zhǎng)發(fā)育所必需的條件，一些林木之間就會(huì)出現(xiàn)爭(zhēng)奪共有資源的情況[1-3]，而林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)是定量描述林木間競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)烈程度的數(shù)量指標(biāo)。其大小取決于林木本身的狀態(tài)（胸徑、樹(shù)高、冠幅）以及所處的環(huán)境[4]。對(duì)林木間競(jìng)爭(zhēng)規(guī)律的研究，有助于了解森林的發(fā)育和演替過(guò)程，預(yù)測(cè)森林演替的動(dòng)向，進(jìn)而輔以必要的人工管理措施，以促進(jìn)森林生態(tài)系統(tǒng)功能的完善和提高[5-7]。當(dāng)前，基于競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的森林經(jīng)營(yíng)措施研究，已成為研究的重點(diǎn)[8-9]。

Hegyi[10]（1974）直接使用對(duì)象木與競(jìng)爭(zhēng)木之間的距離及競(jìng)爭(zhēng)木與對(duì)象木的直徑之比構(gòu)造了簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)。該指數(shù)反應(yīng)樹(shù)木競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系較為準(zhǔn)確，并且其所用參數(shù)容易獲取，計(jì)算簡(jiǎn)單，運(yùn)用十分廣泛。但是簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)并未衡量對(duì)象木與競(jìng)爭(zhēng)木樹(shù)冠之間的遮擋對(duì)競(jìng)爭(zhēng)的影響[11]。惠剛盈[12]等（2013）綜合考慮了林木的樹(shù)高和胸徑大小，基于交角原理、以大小比數(shù)為權(quán)重提出了基于交角的林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)，其生物學(xué)意義在于對(duì)象木所受到的競(jìng)爭(zhēng)壓力在距離保持不變時(shí)隨競(jìng)爭(zhēng)木樹(shù)高的增加呈非線形增加，或在競(jìng)爭(zhēng)木樹(shù)高一定時(shí)隨距離的變遠(yuǎn)而呈非線性減小，但是其所有參數(shù)難以獲取且計(jì)算復(fù)雜[13-14]。張曄珵[15]等人（2015）基于簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的基礎(chǔ)上引進(jìn)了樹(shù)冠競(jìng)爭(zhēng)因子，提出了基于樹(shù)冠競(jìng)爭(zhēng)因子的林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)，該指數(shù)簡(jiǎn)潔地表達(dá)出競(jìng)爭(zhēng)木上方樹(shù)冠的遮蓋和側(cè)翼胸徑的擠壓，但是其未曾顧及地形因子對(duì)樹(shù)冠遮擋的影響。

三種指數(shù)在反應(yīng)林木間競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)方面各有其優(yōu)點(diǎn)，但是很少有人對(duì)這些競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的適應(yīng)性做出評(píng)價(jià)，也很少有人利用這些指數(shù)分析不同類(lèi)型的林分中單木受到競(jìng)爭(zhēng)的空間差異。而研究林分空間競(jìng)爭(zhēng)差異，對(duì)于了解樹(shù)木生長(zhǎng)規(guī)律具有非常重要的作用[16-17]，也可以幫助相關(guān)人員制定更為科學(xué)有效的造林、撫育等營(yíng)林措施。

1?材料和方法

1.1?研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省攸縣黃豐橋國(guó)有林場(chǎng)，林場(chǎng)橫跨攸縣東西部，介于東經(jīng)113°04'至113°43'，北緯27°06'至27°24'之間。全場(chǎng)地貌以中低山為主，境內(nèi)最高海拔1?270?m，最低海拔115?m。林場(chǎng)地處中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，年均氣溫17.8?℃，平均無(wú)霜期為292?d，年均降水量1?410.8?mm。林場(chǎng)的森林覆蓋率為86.24%。樹(shù)種主要以杉木、松類(lèi)為主，其中杉木面積3?197.6?hm2，占用材林面積89.9%，蓄積593?738?m3，占96.56%，全部為人工造林。

1.2?數(shù)據(jù)來(lái)源

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于林場(chǎng)內(nèi)樣地調(diào)查，共選取樣地22塊，樣地面積30?m×30?m，每塊樣地均調(diào)查了單木的胸徑、樹(shù)高、冠幅，用全站儀測(cè)量每棵單木的位置以及相對(duì)高程，同時(shí)記錄了海拔、坡向、坡度等立地因子。按樹(shù)種來(lái)分，杉木樣地15塊，馬褂木樣地3塊，馬褂木和杉木混交樣地2塊，杉木和樟樹(shù)混交林2塊，共計(jì)單木1?974株。其中杉木樣地中成熟林5塊、中齡林10塊;陽(yáng)坡樣地7塊，陰坡樣地8塊;平坡樣地3塊，緩坡樣地4塊，斜坡樣地5塊，陡坡3塊。共計(jì)杉木1?280株。

1.3?數(shù)據(jù)分析

1.3.1?樣地中對(duì)象木和競(jìng)爭(zhēng)木選取

為了消除樣地邊緣效應(yīng)的影響，1?280棵杉木的平均冠幅的半徑為1.69?m，694棵闊葉樹(shù)的平均冠幅半徑為1.97?m。故在原來(lái)樣地邊界周?chē)O(shè)置一個(gè)2?m的緩沖區(qū)域，在緩沖區(qū)里面的樹(shù)只作為競(jìng)爭(zhēng)木，不作為對(duì)象木，在修改后邊界上的樹(shù)遵循取上不取下，取左不取右的原則。其余樹(shù)木均可作為對(duì)象木與競(jìng)爭(zhēng)木，參與指數(shù)運(yùn)算。修改的樣地邊界如圖1。

圖1?某樣地邊界修改示意圖

1.3.2?單棵對(duì)象木周?chē)?jìng)爭(zhēng)木的確定

簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)和基于交角的林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)中競(jìng)爭(zhēng)木的選取皆采用固定競(jìng)爭(zhēng)木的方法，即選取與對(duì)象木距離最近的n（n=4或6或8）棵樹(shù)作為競(jìng)爭(zhēng)木，而基于樹(shù)冠因子的林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)采用樹(shù)冠重疊的方法，認(rèn)為其它樹(shù)木與對(duì)象木之間的距離小于它們平均冠幅半徑即為競(jìng)爭(zhēng)木。樹(shù)冠重疊的方法比固定競(jìng)爭(zhēng)木的方法更能夠真實(shí)反映林木之間相互競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài)，故本文中所有指數(shù)均采用樹(shù)冠重疊的方法來(lái)確定單棵對(duì)象木的競(jìng)爭(zhēng)木。

1.4?競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的計(jì)算

應(yīng)用matlab高級(jí)程序語(yǔ)音編程，計(jì)算四種指數(shù)，得到每塊樣地所有對(duì)象木受到其它樹(shù)木競(jìng)爭(zhēng)的大小以及每塊樣地中單木受到平均競(jìng)爭(zhēng)的大小。四種指數(shù)的具體表達(dá)式如下。

1.4.1?基于樹(shù)冠因子的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)

ccIi=∑nj=1HjHi?×（wi+wj-|xi-xj?|）wi（1）

式中：Hj為第j棵競(jìng)爭(zhēng)木的樹(shù)高，Hi為對(duì)象木的樹(shù)高，wi為對(duì)象木的平均冠幅半徑，wj為第j棵競(jìng)爭(zhēng)木的平均冠幅半徑，|xi-xj?|為兩棵樹(shù)水平方向的距離。

1.4.2?顧及地形因子的樹(shù)冠競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)

基于樹(shù)冠因子的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)中用兩棵樹(shù)水平方向的距離來(lái)表示兩棵樹(shù)之間的距離并不能準(zhǔn)確反應(yīng)兩棵樹(shù)木之間的相對(duì)位置;同時(shí)用兩棵樹(shù)高的比值來(lái)表示兩棵樹(shù)垂直方向的遮擋也并不準(zhǔn)確，因?yàn)樵诹值刂惺艿匦纹鸱约捌露鹊挠绊?，兩棵?shù)樹(shù)高的差值，并不能代表兩棵樹(shù)頂?shù)南鄬?duì)高差，因此為顧及地形因子的影響，引入兩棵樹(shù)的相對(duì)高程的差值加以修正，其具體表達(dá)式如下：

ccIi-e=∑nj=1（Hj+（ej-ei））Hi

×（wi+wj+（xi-xj）2-（yi-yj）2?））wi?（1）

式中：Hj為第j棵競(jìng)爭(zhēng)木的樹(shù)高，Hi為對(duì)象木的樹(shù)高，ej為第j棵競(jìng)爭(zhēng)木的相對(duì)高程，ei為第i棵對(duì)象木的高程，wi為對(duì)象木的平均冠幅半徑，wj為第j棵競(jìng)爭(zhēng)木的平均冠幅半徑，（xi-xj）2-（yi-yj）2為兩棵樹(shù)之間距離。

1.4.3?簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)

CIi=∑Nj（Dj/Di）/（DIST）ij（1）

式中：CIi為對(duì)象木i的簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指標(biāo)，Dj為對(duì)象木i的直徑，Di對(duì)象木周?chē)趈株對(duì)象木的直徑（DIST）ij為對(duì)象木與競(jìng)爭(zhēng)木之間的距離。

1.4.4?基于交角的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)

u_a_CIi=1n∑nj=1（α1+α2.Cij）j180°.Ui（1）

α1=arctan（Hidij?）?Hj>Hi

arctan（Hjdij?）?Hj

α2=arctan（Hj-Hidij）（3）

Cij=1?Hj>Hi0?Hj

Ui=1n?∑nj=1kij;kij=1?Hj>Hi0?Hj

式中：Hi為對(duì)象木的樹(shù)高，Hj為相鄰木樹(shù)高，dij為對(duì)象木和相鄰木之間的距離，n為競(jìng)爭(zhēng)木的株數(shù)，Ui是林木所處的競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，Cij表示對(duì)象木是否被遮擋。

2?結(jié)果與分析

2.1?四種競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的相關(guān)性

為了比較四種競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)在不同林分中的適應(yīng)性，對(duì)四種指數(shù)算出的單木受到競(jìng)爭(zhēng)的大小與胸徑因子進(jìn)行擬合，擬合得到的模型均為y=a*Db形式，以四種指數(shù)與胸徑生長(zhǎng)因子的相關(guān)性（R2）作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，得出結(jié)論如下：簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的相關(guān)性明顯優(yōu)于其他三種指數(shù);顧及地形的樹(shù)冠競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)雖比原來(lái)要好，但是兩種指數(shù)的相關(guān)性均偏低，而基于交角的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)基本上無(wú)相關(guān)性（見(jiàn)表1）。

2.2?不同樹(shù)種的種間競(jìng)爭(zhēng)差異

把樣地按不同樹(shù)種劃分為四種類(lèi)型，以每一類(lèi)樣地中所有單木受到的平均競(jìng)爭(zhēng)的大小為指標(biāo)，得出結(jié)論如下;馬褂木樣地單木受到的平均競(jìng)爭(zhēng)>樟樹(shù)杉木混交林>杉木>馬褂木杉木混交林。四種指數(shù)表現(xiàn)均一致（見(jiàn)表2）。

2.3?杉木林分的種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)差異

為了消除不同樣地間密度和其他立地因子的影響，把杉木樣地按齡組、坡向、坡度劃分為不同的類(lèi)別，用每一類(lèi)樣地中所有單木受到的平均競(jìng)爭(zhēng)大小為指標(biāo)得出結(jié)論如下：中齡林中單木受到的平均競(jìng)爭(zhēng)要大于成熟林，可能因?yàn)橹旋g林生長(zhǎng)比較旺盛，需要生存資源更多，競(jìng)爭(zhēng)更激烈;陰坡樣地中單木受到平均競(jìng)爭(zhēng)要大于陽(yáng)坡，可能是陰坡光照資源不充足，生存資源更少，競(jìng)爭(zhēng)更激烈;陡坡單木受到的平均競(jìng)爭(zhēng)>斜坡>緩坡>平坡，即隨著坡度的增加，競(jìng)爭(zhēng)更激烈，可能由于坡度越陡，水土越容易流失，導(dǎo)致林分內(nèi)水分養(yǎng)分缺失，樹(shù)木間競(jìng)爭(zhēng)更為激烈。四種指數(shù)得出結(jié)果均一致，具體結(jié)果如表3。

3?結(jié)論與討論

本文基于樹(shù)冠因子的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)，顧及林分地形因子，提出了一種顧及地形的樹(shù)冠競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)，并且把這兩種指數(shù)與簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)和基于交角的林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)在不同林分的適用性作比較，以它們與胸徑生長(zhǎng)因子的相關(guān)性為判斷依據(jù)。發(fā)現(xiàn)顧及地形的樹(shù)冠競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)比基于樹(shù)冠因子的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的相關(guān)性更高，但總的來(lái)說(shuō)兩種指數(shù)的相關(guān)性均偏低。四種指數(shù)中簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)的相關(guān)性明顯高于其它三種指數(shù)，說(shuō)明其在不同林分中的適應(yīng)性更強(qiáng)。而基于交角的林木競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)基本上沒(méi)有相關(guān)性，說(shuō)明該指數(shù)的適用性較差。

通過(guò)把林分劃分為不同類(lèi)別，分別用四個(gè)指數(shù)計(jì)算每一類(lèi)樣地中所有單木受到的平均競(jìng)爭(zhēng)的大小，以此作為依據(jù)。發(fā)現(xiàn)在不同林分中馬褂木樣地單木受到的平均競(jìng)爭(zhēng)>樟樹(shù)杉木混交林>杉木>馬褂木杉木混交林。在杉木人工林林分中，中齡林中單木受到的平均競(jìng)爭(zhēng)要大于成熟林，因此在營(yíng)林過(guò)程中，中齡林林分要及時(shí)間伐或者施加肥料，以滿足林木旺盛的生長(zhǎng)需求;陰坡樣地中單木受到平均競(jìng)爭(zhēng)要大于陽(yáng)坡，陡坡單木受到的平均競(jìng)爭(zhēng)>斜坡>緩坡>平坡，因此在造林過(guò)程中，陰坡林地的造林密度應(yīng)該小于陽(yáng)坡，陡坡<斜坡<緩坡<平坡。

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（責(zé)任編輯：唐?嵐）