研究区位于吉林省汪清林业局金沟岭林场(130°10′ E，43°22′ N)。属温带大陆性典型季风气候，年平均气温3.9℃，年降水量为600~700 mm，降雨主要集中在6—8月。地貌为低山丘陵，海拔在300~1 200 m之间，采样林地的坡度范围为3°~25°，东高西低。土壤类型以暗棕壤为主。森林植被类型为天然云冷杉针阔混交林，针叶树种主要为鱼鳞云杉(Picea jezoensis var. microsperma (Lindl.) Cheng et L.K.F)、红皮云杉(Picea koraiensis Nakai)、臭冷杉(Abies nephrolepis (Trautv.) Maxim.)、长白落叶松(Larix olgensis Henry)和红松(Pinus koraiensis Sieb. et Zucc.)等。阔叶树种主要有白桦(Betula platyphylla Suk.)、榆树(Ulmus pumila L.)、大青杨(Populus ussuriensis Kom.)、水曲柳(Fraxinus mandschurica Rupr.)和紫椴(Tilia amurensis Rupr.)等^[4]。

样地设立时间为2012年7月，每块样地面积为1 hm²。采伐作业时间为2015年1月，采伐剩余物均移出林地。选择4块固定样地，分别为重度采伐(采伐强度21.21%)、中度采伐(采伐强度11.22%)、轻度采伐(采伐强度6.29%)和对照样地(未采伐)。其中重度采伐样地与其他3块样地距离较远。林地存在一定的坡度，对照样地海拔略高于其他3块样地，各样地基本情况见表 1。

2017年8月底采用系统布点法，将1 hm²的样地划分为100个10 m×10 m的样方^[5]，在每个样方中心选取0.5 m×0.5 m的小样方进行半分解层凋落物样品采集和称量，用四分法减量后再次称量装袋带回实验室。同时，利用Nikon，Coolpix995，f =7~32 mm相机与Nikon，FC-E8，f=8~24 m鱼眼镜头在每个样方中心距离地面1.3 m处垂直向天空拍照，获得晴朗天气下林分郁闭度照片^[6]。总计得到半分解层样本400个，照片400张。

将凋落物样品风干并烘干，称量计算凋落物含水率与现存量。

式中，MC表示凋落物含水率，a表示样本湿质量，b表示样本烘干质量，q表示水的质量分数，M表示现存量，m为样地半分解层称质量，0.25为取样面积。

运用Photoshop软件对照片进行处理，通过像素来计算林分郁闭度^[7]。

式中，ε代表林分郁闭度，d表示选定区域天空部分的像素值，D选定区域的像素值。

经典数据分析(正态分布检验、多重比较、box-cox数据转换、相关性分析)使用R3.4.3与Excel软件进行；空间统计分析(莫兰指数、半方差函数(模型))采用GS+9.0以及ArcGIS10.2来完成。

空间自相关的莫兰指数表示为：

式中，w_ij为i与j两点的空间权重，$\bar x$为取样点对应的属性值，为属性平均值，n为样点总数。

凋落物现存量描述性统计如表 2。轻度采伐(18.45 t·hm^-2)与中度采伐(17.42 t·hm^-2)样地凋落物现存量均略低于对照样地(19.65 t·hm^-2)；而重度采伐样地凋落物现存量为22.42 t·hm^-2，比对照样地高；但所有采伐样地与对照样地均无显著差异。随着采伐强度的增加，各样地变异系数也略有变化，轻度采伐样地变异系数(42.03%)略低于对照样地(42.53%)，而中度与重度采伐高于对照，但都属于中等强度变异。

各样地的凋落物含水率介于61.55%68.15%，样地间差异不显著(P>0.05)。由于8月恰好是汪清的雨季，空气潮湿，且昼夜温差较大，水分很容易在地表聚集，导致各样地凋落物含水率差异不大。从表 2可以看出，所有采伐样地凋落物含水率变异系数(CV)均大于对照样地(23.92%)，CV最大值出现在轻度采伐样地，为44.11%。采伐样地与对照样地相比，水分含量产生了更大的波动：对照处理极差为65.98%，而轻度、中度和重度采伐处理的凋落物含水率极差分别为236.9%、123.83%和100.31%。

由表 2可以看出，采伐样地与对照样地的郁闭度存在显著差异(P＜0.05)。对照样地郁闭度最高，为0.815；重度采伐样地最低，为0.743。轻度采伐样地郁闭度为0.755，低于中度采伐样地(0.785)。在照片处理过程中，作者发现，中度采伐与重度采伐样地的郁闭度值偏高，有20%的鱼眼照片呈现出天空被完全遮盖的现象，但是这并非由高大的成年树木所造成，而是高度在2 m左右的幼树。拍照高度是1.3 m，因此，快速生长的幼树的树冠造成了过高的林分郁闭度。很多研究表明，当林分郁闭度在0.50.6左右时，有利于幼树的生长。采伐减少了树木的密度，且采伐强度越大，林窗越大，充足的阳光使得幼树能更好地生长。伐后2年，幼树的快速生长使得林分郁闭度值可以恢复到采伐前的状态。因此，轻度采伐更能体现出采伐对于林分郁闭度的影响，而中度与重度采伐样地，幼树的生长使得林分郁闭度值要高于预期值。

本研究用全局莫兰指数I来衡量数据的空间自相关性。I值介于1与-1之间，I=0时为随机分布，I＞0为聚集分布，而I＜0时为离散分布^[8-9]。利用ArcGIS自带的空间统计分析模块可以对数据进行空间自相关分析，计算莫兰指数，结果如表 3。

通常P值越大，说明数据更可能是随机分布。结合P值与z得分，中度采伐样地的凋落物现存量，轻度采伐样地的凋落物含水率较大可能是随机分布，不存在显著的自相关性，因此不适合做空间插值。同时通过莫兰指数可以看出，对照样地凋落物现存量是离散分布，而其他样地是聚集分布；而含水率除了中度采伐样地是聚集分布外，其他样地均为离散分布；所有样地的郁闭度均为聚集分布。

利用ArcGIS软件进行空间插值分析时，对数据并没有正态分布的要求，但如果数据不符合正态分布的话，线性克里格法就不是无偏最优的插值预测法^[10]。在对不满足正态分布的数据采用box-cox变换以后，再利用GS+与ArcGIS软件对数据进行半方差函数的模拟^[11-12]。各样地半方差函数模型参数见表 4。

由于中度采伐样地凋落物现存量与轻度采伐样地凋落物含水率数据不适合做空间插值，故没有进行拟合。轻度采伐与对照样地凋落物现存量数据、对照样地凋落物含水率数据和中度采伐样地的郁闭度数据均采用了孔洞效应模型，其余数据则使用了高斯模型。这两种模型曲线与X轴交点为块金值，高斯模型曲线平稳时对应即基台值，而孔洞效应模型曲线会在基台值附近上下波动。

对于同一个空间性变量，基台值越大，则总的空间异质性程度越大。就现存量而言，对照样地基台值为1.057，其他采伐样地均小于对照样地，轻度采伐的基台值最小，为0.990。对于凋落物含水率，重度采伐样地的基台值1.023，对照样地为0.982，中度采伐样地为0.943。郁闭度的最大基台值出现在重度采伐样地，为1.142，其它依次为对照1.072，中度采伐1.029，轻度采伐1.021。同一样地比较时，重度采伐、轻度采伐与对照样地的郁闭度空间异质性程度最大，中度采伐样地的凋落物含水率空间异质性最大。

结构比反映的是不同因素所导致的变异所占的比例^[13]。随机性因素与结构性因素共同产生变异，两者占比之和为1。轻度采伐样地现存量结构比最大，为18.4%，对照样地最小，为0.1%，均为强烈的自相关。因此采伐对于现存量空间异质性影响程度较低。凋落物含水率的结构比大小顺序为重度采伐>对照>中度采伐。重度采伐样地已超过了50%，而对照样地为23.5%，属中度自相关，中度采伐样地仅为5.5%，表现为强烈的自相关。因此，采伐并不是造成研究地含水率空间异质性的主要原因。此外，林分郁闭度的结构比顺序为重度采伐>中度采伐>对照>轻度采伐，轻度采伐与对照样地属于强烈的自相关，而其他属于中等自相关。

凋落物现存量变程重度采伐为18.78 m，轻度采伐和对照样地均为19.70 m。中度采伐样地的凋落物含水率变程最大，为19.70 m，其余样地均小于中度采伐样地，说明采伐对于半分解层凋落物含水率空间格局贡献不大。而林分郁闭度的变程最大值出现在中度采伐样地，为21.66 m，其余样地均为18.78 m。

从凋落物现存量空间格局图(图 1)可以看出，3块样地中，采伐样地空间异质性程度低于对照样地。对照、轻度采伐与重度采伐样地均呈现出斑块状分布，说明其空间异质性程度较强；对照样地的斑块小而多，而轻度采伐与重度采伐样地同时呈现出不同程度的带状分布，说明对照样地的空间异质性程度更强。结合莫兰指数可以更直观地看出，对照样地属于离散型的分布，而轻度采伐与重度采伐样地都出现了一定程度的聚集。即采伐使得现存量由离散型分布向聚集型转变。而从整体的趋势来看，重度采伐与轻度采伐样地都有轻微的东高西低的趋势，而对照样地并没有明显的方向趋势。

图  1  凋落物半分解层现存量空间分布格局(t·hm^-2)

Figure 1.  Spatial distribution pattern of litter standing crop in semi-decomposition layer (t·hm^-2)

由凋落物含水率的空间格局分布(图 2)可以看出，3块样地均表现为斑块与带状的交替分布，中度采伐样地的聚集现象明显，而重度采伐与对照样地属于离散型分布。在趋势方面，中度采伐样地可以看出明显的东高西低的趋势，而重度采伐与对照样地并没有明显的方向趋势。

图  2  凋落物半分解层含水率空间分布格局

Figure 2.  Spatial distribution pattern of litter water content in semi-decomposition layer

林分郁闭度空间分布格局(图 3)各具特色，但总体上来说都是聚集型。从颜色对比与分布来看，对照样地属于高值聚集且呈现出大面积的块状分布；轻度采伐则呈现出明显的块状分布，高值集中在南部，低值集中在北部，过渡带夹杂少许斑点；中度采伐样地高值多于轻度采伐样地，但并没有对照与轻度采伐样地集中，多以斑块分布，带状分布不明显；重度采伐样地高值集中在中部位置，以带状贯穿南北，低值多集中在西部。

图  3  林分郁闭度空间分布格局

Figure 3.  Spatial distribution pattern of canopy density

对半分解层凋落物现存量与凋落物含水率和林分郁闭度进行相关性分析(表 5)，发现林分郁闭度与凋落物现存量并不存在显著的相关关系，而凋落物含水率与现存量仅在对照样地中存在显著的负相关。即在对照样地中，凋落物含水率越高，现存量越低，但相关系数的绝对值并没有超过0.3，说明两者之间相关程度较低。

温带森林在秋季大范围落叶之前，绝大多数新鲜凋落物转变为半分解状态。刘艳等^[14]在辽东地区得到不同的森林类型凋落物现存量介于8.53~37.51 t·hm^-2；郑金萍等^[15]对长白山北坡不同林分研究发现其现存量为5.50~6.73 t·hm^-2；在本研究中，现存量为17.42~22.42 t·hm^-2。而鉴于现阶段在表征现存量时往往都是直接用某一个时间点的采样值来表示，因此，在特定时间，用凋落物半分解层现存量来表示凋落物整体现存量是可行的。

本研究中半分解层现存量的大小顺序为重度采伐>对照>轻度采伐>中度采伐，与周新年等^[16]提出的针阔混交林凋落物现存量随着采伐强度的增大呈递减的趋势这一观点相矛盾。这可能是因为周新年对于现存量计算方式是未分解层与半分解层之和，而本研究只用半分解层来表示。郭婧^[17]对中亚热带4种不同森林类型研究后发现，林分密度与凋落物产量仅在最初几年呈正相关，伐后两年，林分密度降低，导致凋落物产生量减少；同时Parsons等^[18]在研究中发现凋落物现存量与凋落物产生量并没有明显的相关性。凋落物现存量是凋落物产生与分解动态过程的结果，本研究中重度采伐使得凋落物产生量降低的同时，降低了凋落物质量，使得半分解层向完全分解层的转化速度降低，最终使得半分解层现存量反而大于对照样地。其次，地形因素也不可忽视，重度采伐样地相比于其他几块样地，海拔最低，在有风的季节，大风会将枯落物从地势较高的周围林地带到地势较低的重度采伐样地，这也可能导致了重度采伐样地的凋落物量大于其他样地。

现阶段缺乏对于空间异质性的量化手段，只能通过模型模拟得到空间格局图，才能直观地表现空间变量的自相关性与空间异质性。因此，模型选择至关重要，作者最终选择了高斯模型与孔洞效应模型。Zhou^[19]认为在由植被与土壤特性所引起的空间异质性研究中，取样也应该具有特异性，即对于不同的空间变量应该有不同的最小取样距离。而本研究3个指标的最小取样距离均为10 m；同时由于选择的是100 m×100 m的大样地，导致最后对模型拟合的检验中(表 4)，回归函数的决定系数值均偏低。因此，有可能3个指标的变程小于10 m，但在模型中无法体现，如果缩小取样距离，比如5 m甚至更小，则有利于函数模型的选择，提高其拟合度，可以更好地探索本研究中的3个指标的空间异质性特征。

结构比可以反映出引起空间异质性的原因。本研究中除了郁闭度，其他两个指标的结构比均较小，因此，可以认为采伐对其空间异质性的影响较小。但对照样地凋落物含水率与郁闭度的结构比均不是最小的。由于对照样地没有采伐行为说明有其他非结构的因素造成了空间异质性。作者假设对照样地没有人为干扰，而事实上除采伐外的其它人为干扰仍然存在，比如松子采集、牧牛等，这些因素可能导致了对照样地的空间异质性。

天然林在未受到干扰的情况下，会有更高的空间异质性，因此格局图多呈现为斑块状。邵方丽等^[20]在对河北天然杨桦次生林凋落物空间异质性的研究中发现，半分解层有明显的斑块状分布。本研究的结果与此一致。而采伐后现存量的斑块状减弱，说明采伐使得现存量空间异质性减弱。通过对比空间分布格局图，作者也发现了地形因素的一些巧合。4块样地坡向均为东北向，而半分解层现存量的空间格局存在一定的方向趋势，重度采伐与轻度采伐样地都沿着东北方向大致划分高低值区域。东北坡向恰好是接受光热条件最差的坡向之一，越靠近南向光热条件越好，树木的生长状态也更好，因此产生更多的凋落物，这也一定程度上解释了半分解层空间分布格局。对于其它地形因素，魏强等^[21]认为，半分解层现存量受海拔显著影响，而与坡度并没有显著相关关系。本研究中坡度与海拔差异不大，是否会影响现存量的空间异质性还需要进一步的研究。

本研究各样地凋落物含水率差异不显著，空间分布格局差异也不大。这主要是由于采样前的天气状况与空气湿度相对稳定，与张恒等^[22]观点一致。不同的是，对照样地海拔高，而其他几块样地相对地势较低，且有一定的坡度，水分总存在向低地势集中的趋势，因此，地势可能是造成各样地含水率空间异质性的原因之一。当然对照与重度采伐样地凋落物含水率的空间异质性并没有明显的方向趋势，也可能与林分本身的性质有关，因为所选择的样地为云冷杉天然林，样地之间存在一定的差异。

林分郁闭度的空间格局各异，轻度采伐样地有明显的东北到西南的高低值界限，但结构比非常小。解伏菊等^[23]在火烧后林地郁闭度恢复的研究中认为，坡度、坡向和坡位均会影响到森林郁闭度的恢复。因为其空间异质性与采伐无关，可以推测其仍然与坡向为东北有关，南向的光照更加充足，使得林木的生长更加茂盛。而重度采伐与中度采伐样地郁闭度的空间异质性更多是由非结构因素造成，可能是由于采伐不均造成了林分郁闭度的差异。

采伐使得天然云冷杉针阔混交林的凋落物含水率与林分郁闭度的变异系数增大；凋落物半分解层现存量与林分郁闭度之间相关性不显著，而在对照样地与中度采伐样地，其与凋落物含水率之间存在显著的负相关关系，但相关程度不高。

在10~100 m的尺度上，采伐使得凋落物现存量空间异质性程度降低，且由离散型分布转变为聚集型分布；中度采伐样地凋落物含水率的空间格局为聚集分布，而重度采伐与对照样地均为离散型分布，但采伐并不是造成凋落物含水率空间异质性的主要原因；采伐对林分郁闭度空间异质性有一定的影响，中度采伐与重度采伐样地的异质性可能是由于采伐的不均匀所导致。