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采伐是一种常见的森林经营措施,在以往的研究中,大多关注的是采伐对凋落物产生与分解的影响,如Ibrahima[1]对喀麦隆西南部热带雨林的研究发现,采伐对凋落物的分解与养分动态没有影响;而Martínez-Falcón[2]对墨西哥中部温带松柏林的研究却发现,择伐减慢了凋落物分解的速率,同时Sabine[3]对婆罗洲热带雨林的研究也发现,择伐使得凋落物分解减慢。但有关采伐对凋落物空间异质性影响的研究的报道较少。
本研究选取了4块1 hm2不同采伐强度的天然云冷杉针阔混交林样地,8月底进行凋落物样品采集,此时研究区的树木还没有进入落叶季节,地表基本不存在新鲜凋落物,绝大多数以半分解的形态存在。通过研究不同采伐强度下特定时间凋落物半分解层的现存量、含水率和林分郁闭度三者的空间异质性及其相关性,以期了解长白山天然云冷杉针阔混交林凋落物的分布规律以及影响因素,为实施合理有效的森林经营管理措施提供科学依据。
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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]。
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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。
样地
Plot林分保留密度
Stand density/(stem·hm-2)胸径
DBH/cm树高
Tree height/m坡向
Slope aspect坡度
Slope/°海拔
Elevation/mHC 934 14.5±0.32 13.9±0.26 东北NE 3 732 MC 1 165 12.3±0.26 11.4±0.21 东北NE 5 769 LC 1 301 13.7±0.24 13.6±0.23 东北NE 5 742 CK 1 437 14.0±0.19 15.1±0.21 东北NE 3 773 注:HC:重度采伐heavy cutting;MC:中度采伐medium cutting;LC:轻度采伐light cutting;CK:未采伐no thinning。下同the same below. Table 1. The basic information of the plots
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。
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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。
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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。
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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,wij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。
1.1. 研究区概况
1.2. 研究方法
1.2.1. 样地选择及取样
1.2.2. 半分解层含水率与现存量的测定
1.2.3. 林分郁闭度的计算
1.2.4. 数据分析
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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。
项目
Items平均值
Mean最大值
Max最小值
Min标准差
SD变异系数
CV/%凋落物现存量
Litter standingcrop/(t·hm-2)HC 22.42b 80.76 6.69 12.20 54.41 MC 17.42a 71.69 5.77 8.17 46.91 LC 18.45a 47.31 7.10 7.75 42.03 CK 19.65ab 54.77 6.83 8.36 42.53 凋落物含水率
Litter watercontent/%HC 62.55a 116.84 16.53 21.46 34.31 MC 61.55a 150.03 26.20 19.28 31.32 LC 68.15a 267.05 30.15 30.06 44.11 CK 64.04a 99.27 33.29 15.32 23.92 林分郁闭度
Canopy densityHC 0.743a 0.879 0.497 0.08 11.04 MC 0.785b 0.914 0.625 0.06 8.09 LC 0.755a 0.903 0.512 0.09 11.50 CK 0.815c 0.938 0.615 0.05 6.43 注:同一指标数值后的不同小写字母表示不同样地差异显著(P<0.05)。 Data followed by different lowercase letters indicate significant differences between plots at P<0.05. Table 2. Descriptive statistics of plots
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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%。
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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。
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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。
项目
Items莫兰指数
Moran’s Iz得分
z-scoreP值
P-value凋落物现存量
Litter standing cropHC 0.11 2.40 0.02 MC 0.03 0.84 0.40 LC 0.12 1.83 0.07 CK -0.10 -1.93 0.05 凋落物含水率
Litter water contentHC -0.06 -1.27 0.11 MC 0.03 2.77 0.01 LC -0.02 -0.60 0.55 CK -0.03 -1.73 0.08 林分郁闭度
Canopy densityHC 0.22 4.62 <0.001 MC 0.13 2.73 0.01 LC 0.47 9.74 <0.001 CK 0.14 3.07 0.01 Table 3. Moran's index of plots
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。
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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。
项目
Items拟合模型
Model块金值
C0基台值
C0+C结构比
C0/(C0+C)变程
Range /m回归拟合决定系数
R2凋落物现存量
Litter standing cropHC G 0.071 1.036 0.068 18.78 0.13 MC - - - - - - LC H 0.183 0.990 0.184 19.70 0.16 CK H 0.001 1.057 0.001 19.70 0.27 凋落物含水率
Litter water contentHC G 0.525 1.023 0.513 18.78 0.25 MC G 0.052 0.943 0.055 19.70 0.30 LC - - - - - - CK H 0.213 0.982 0.235 18.78 0.35 林分郁闭度
Canopy densityHC G 0.351 1.142 0.307 18.78 0.42 MC H 0.390 1.029 0.379 21.66 0.30 LC G 0.001 1.021 0.001 18.78 0.54 CK G 0.140 1.072 0.130 18.78 0.31 注:G:高斯模型Gaussian model; H:孔洞效应模型Hole effect model Table 4. Parameters for the semi-variogram model of plots
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。
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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。
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。
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。
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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。
样地
Plot相关因素
Factor相关系数
rP值
P-valueHC 凋落物含水率 Litter water content -0.151 2 0.133 林分郁闭度 Canopy density 0.016 4 0.875 MC 凋落物含水率 Litter water content -0.132 1 0.572 林分郁闭度 Canopy density 0.019 4 0.847 LC 凋落物含水率 Litter water content -0.085 0 0.667 林分郁闭度 Canopy density 0.151 8 0.132 CK 凋落物含水率 Litter water content -0.252 0 0.025 林分郁闭度 Canopy density 0.107 2 0.288 Table 5. Correlation between litter standing crop with water content in semi-decomposition layer and canopy density (n=100)