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森林中物种的不同组成及其在空间分布的不同格局构成了森林的空间结构,而这些空间结构特征的变化会对森林的发展、演替产生重要影响。近几十年来,人们对森林结构的量化进行了大量研究[1],并提出不同的结构指数来量化森林的空间结构特征[2-3],其中一些学者提出的空间结构指数在实际调查中较为费时、费力,因此在应用中有一定限制。基于此,惠刚盈等[4]提出基于最近相邻木的林分空间结构指数,通过以最近相邻木组成的林分空间结构单元为基础构建林分空间结构参数体系,客观地分析评价林分空间结构状态。具体从描述林木空间分布格局的角尺度,体现林木大小差异的大小比数,描述树种混交程度的混交度以及描述林木密集程度的密集度4个方面综合反应,然而,单一的林分结构参数不足以描述复杂的林分结构,所以,更多的研究中将两个或多个结构参数结合作为有机整体。通过多元分布更全面与客观地描述森林状态[5-6],更完整地体现森林结构和功能,且通过结构参数的多元分布可弥补林分结构参数与林木竞争指数之间的差距,可对森林整体结构进行深入全面的解释,为基于空间结构分析的森林经营方法提供科学依据,也为精准提高森林质量提供有效途径[7]。
鹅掌楸(Liriodendron chinense (Hemsl.) Sarg.)是我国特有珍稀植物,落叶大乔木,星散分布于长江流域以南的亚热带中、低山地区,我国11省84县均有鹅掌楸天然林的分布,由于其材型通直高大,屡遭滥伐,主要分布区鹅掌楸数量已逐渐减少,且因其繁殖特性导致天然更新困难[8-9],所以其种群处于濒危状态。目前,国内对鹅掌楸的研究较多,且主要集中在其遗传特性[10]、基因与组织表达[11-12],繁殖与栽培[13-14]等方面,旨在解决鹅掌楸繁育问题,而关于现存鹅掌楸天然林群落物种组成与空间结构特征的研究甚少。本研究以鹅掌楸天然林为研究对象,分析鹅掌楸林木个体在群落中的优势度,采用林分空间结构一元分布、二元分布及四元分布分析方法,量化林分结构指标,客观评价鹅掌楸天然林空间结构特征,为实现以鹅掌楸为目的树种的可持续经营提供理论依据。
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于2019年7月在鹤峰县中营镇白水沟村和五里乡下六峰村鹅掌楸天然群落分布区,使用罗盘仪布设40个20 m × 20 m调查样地,每个样地间隔距离至少大于20 m,其中白水沟村19个,下六峰村21个。样地建立后,使用不锈钢钢管在样地中心及四角进行埋桩标记,并记录样地生境概况:经纬度、海拔、坡度、坡向、坡位、土壤类型、受干扰程度及因素等。每个样地分为4个10 m × 10 m的样方,以样方为调查单元,对其中胸径 ≥ 5 cm的乔木进行每木检尺和坐标定位,测量其胸径、树高、冠幅(取平均值),同时调查样方内灌木和草本物种组成、基径、高度及多度,层间植物物种组成等。
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(1)乔木树种重要值计算:
重要值 =(相对多度 + 相对频度 + 相对显著度)/3
(2)空间结构特征指标:用以下4个量化指标对林分空间结构特征进行描述。
角尺度:对林分空间分布格局的描述,指参照树i与4株最近相邻木j之间所构成的夹角α小于标准角α0(α0 = 72°)的个数占所形成4个角的比例[15-16],其表达式为:
$ {W_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {{Z_{ij}}} $
式中:Wi为角尺度,Zij为离散型变量,当第j个α角小于标准角α0时,Zij = 1;反之,则Zij = 0。
大小比数:对林木个体大小分化程度的描述,指与参照树i最近的四株相邻木j中大于参照树的株数占相邻木总株数的比例[17],其表达式为:
$ {U_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {{K_{ij}}} $
式中:Ui为大小比数,Kij为离散型变量,当相邻木大于参照树时,Kij = 1;反之,则Kij = 0。
混交度:对树种空间隔离程度的描述,指相邻木j中与参照树不属于同一树种的林木株数占相邻木总株数的比例[3]。其表达式为:
$ {M_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {{V_{ij}}} $
式中:Mi为大小比数,Vij为离散型变量,当相邻木与参照树不属于同一树种时,Vij = 1;反之,则Vij = 0。
密集度:对林木密集程度的描述,指4株最近相邻木中与参照树树冠投影相连接的林木株数占相邻木总株数的比例[18]。其表达式为:
$ {C_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {{Y_{ij}}} $
式中:Ci为密集度,Yij为离散型变量,当相邻木与参照树树冠投影相重叠时,Yij = 1;反之,则Yij = 0。
利用林分空间结构分析软件Winkelmass与R3.5.1[19]进行分析,采用Microsoft Excel对数据进行处理并用Origin2017作图。
鹅掌楸天然林物种组成与林分空间结构特征研究
Community Composition and Stand Spatial Structure of Liriodendron chinense Natural Forest
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摘要:
目的 以湖北省恩施土家族苗族自治州鹤峰县鹅掌楸(Liriodendron chinense)天然林为研究对象,通过分析其物种组成与林分空间结构,直观、精准的描述其林分结构特征,为我国珍稀植物鹅掌楸的可持续经营提供理论依据。 方法 在两个鹅掌楸典型分布区域共建立40个20 m × 20 m调查样地,进行每木定位与检尺调查,利用Winkelmass软件与R 3.5.1计算胸径(DBH) ≥ 5 cm的林木个体的角尺度(W)、大小比(U)、混交度(M)与密集度(C),分析其一元分布、二元分布及四元分布特征。 结果 群落中物种总计251种,其中乔木88种、灌木61种、草本77种、木质藤本25种,隶属于76科172属,鹅掌楸为该群落的优势种群,但优势不明显。鹅掌楸天然林林分角尺度均值为0.566,整体呈现轻微团状分布,林木生长处于中庸状态(U = 0.508),各树种呈现高度混交状态(M = 0.742),林分郁闭度较高,密集度均值为0.865。角尺度对大小比数、混交度与密集度均有一定影响,且林木混交状态与林分密集程度呈现相互促进的状态。 结论 研究区鹅掌楸天然林各树种高度混交,正处于森林自然演替的中后期阶段。森林经营过程中应调整林木个体之间的竞争关系,减少同种聚集现象,选择性地伐除处于绝对劣势且弱度混交的林木个体,改善林内环境,增加林下光照,促进鹅掌楸天然更新,以维持森林结构的稳定与可持续发展。 Abstract:Objective Taking Liriodendron chinense natural forest in Hefeng county, Enshi Tujia and Miao Autonomous Prefecture, Hubei Province as the research object, to analyze the species composition and stand space structure were analyzed, and describe the forest structure characteristics of L. chinense. Method Forty L. chinense plots of 20 m × 20 m were established in two typical distribution areas, respectively, each tree in the plots was positioned and measured. The Winkelmass software and R 3.5.1 were used to calculate the uniform angle index (W), dominance (U), mingling (M) and crowding degree (C) for trees with DBH ≥ 5 cm, the distribution of univariate distribution, the bivariate distribution and quadrivariate distribution characteristics were presented and analyzed. Result There were a total of 251 species in the L. chinense community, including 88 species of trees, 61 species of shrubs, 77 species of herbs and 25 species of woody lianas, belonging to 172 genera of 76 families. L. chinense population was the dominant population in the community, but the dominance was not obvious. The uniform angle index of the L. chinense natural forest was 0.566, and the overall distribution was slightly aggregated. The tree growth was in a neutral state (U = 0.508), the tree species were in a highly mixed state (M = 0.742), the stand density was high, and the mean crowding degree was 0.865. The uniform angle index had a certain influence on the dominance, mingling and crowding degree, and the mixing state and stand density were mutually promoting. Conclusion The species of L. chinense natural forest in the study area are highly mixed and estimated during the middle and late stage of natural forest succession. The competition relationships between individual trees should be adjusted in the process of forest management, in order to maintain the stability and sustainable development of the forest structure. It is necessary to reduce the phenomenon of the aggregation of same species, to selectively remove individual trees at absolute disadvantage and weak mixed degree, so as to improve the forest environment, and promote natural regeneration. -
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