大理州云南松天然林林分直徑結(jié)構(gòu)動態(tài)變化研究

魏安超，張大為

(1.云南金杉工程建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司，云南 昆明 650051；2.國家林業(yè)和草原局調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，北京 100714)

單木在林分中的自然生長過程并非雜亂無章，而是存在著比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這種自然的林分結(jié)構(gòu)規(guī)律體現(xiàn)在直徑、樹高、材積以及復(fù)層異齡混交林中的林層、樹種組成等方面[1]。其中，林分直徑結(jié)構(gòu)是林分結(jié)構(gòu)中最為重要、最為基本的結(jié)構(gòu)，是決定林分樹高、斷面積和材積等的基礎(chǔ)[2]。目前，關(guān)于林分直徑結(jié)構(gòu)的研究主要集中在分布規(guī)律及生長模型方面。國內(nèi)學(xué)者張建國等[3]曾對林分直徑結(jié)構(gòu)模擬與預(yù)測模型的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了較為系統(tǒng)的論述，并指出林分直徑結(jié)構(gòu)模型的研究主要圍繞參數(shù)和非參數(shù)2種方法展開。段愛國等[4]通過6種理論生長方程對杉木人工林林分直徑累積分布進(jìn)行過模擬，對比分析了各生長方程的模擬精度。Bailey[5]用正態(tài)分布擬合了不同樹種的直徑分布，效果較好，但只能擬合發(fā)育過程中某一個階段的林分直徑分布情況，具有一定的局限性。張巧巧等[6]對不同優(yōu)勢度胖大海林分林木直徑分布進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在 13.1～86.5 cm胸徑范圍，林分直徑分布曲線為左偏，中小徑階林木占多數(shù)；張雷等[7]對祁連山云杉林分結(jié)構(gòu)隨海拔的變化研究時得出，隨海拔的升高，平均胸徑和冠幅直徑增加，林分密度降低，平均樹高和胸高斷面積呈“單峰”變化。趙丹丹[8]采用參數(shù)預(yù)測模型系統(tǒng)對人工落葉松純林直徑分布進(jìn)行預(yù)估，取得了較好的擬合結(jié)果，但模型變量選擇比較單一，模擬過程中忽略了林木枯損。張鵬等[9]以杉木人工林為研究對象，分析不同間伐強(qiáng)度下杉木的生長情況，表明適度的間伐強(qiáng)度能減少小徑木比例，使林分直徑分布曲線左偏程度減弱，但研究中間伐后林分生長的時間較短，有待于進(jìn)一步研究。

云南松是我國西南部干性亞熱帶植被的典型代表群系[10-11]，在云南省的分布面積約占有林地面積的29.2%[12]，是我國西南地區(qū)重要的用材林資源[13-14]。一直以來，針對云南松的研究主要集中于分布規(guī)律、群落結(jié)構(gòu)及生物量等方面，對云南松林分結(jié)構(gòu)的研究相對較少，尤其缺乏對其林分結(jié)構(gòu)長期動態(tài)變化的研究。對云南松天然林分直徑結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化以及林分保留密度對直徑結(jié)構(gòu)動態(tài)變化的影響進(jìn)行研究，分析云南松天然林不同林齡階段的林分直徑結(jié)構(gòu)變化規(guī)律和特點(diǎn)，為云南松天然林林分結(jié)構(gòu)的調(diào)整及可持續(xù)經(jīng)營提供參考，為有效保護(hù)和合理利用天然云南松資源提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)收集

以大理白族自治州天然云南松林分為研究對象。大理白族自治州位于云南省中部偏西，最高點(diǎn)為蒼山馬龍峰，海拔 4 122 m，最低點(diǎn)海拔 1 386 m。氣候?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ц咴撅L(fēng)氣候區(qū)，熱量充足、年溫差小、日溫差大、四季不分明。年均溫15.1℃，年均降水量 1 080 mm，年均日照時數(shù) 2 276.6 h[15]。

研究數(shù)據(jù)采用位于大理白族自治州境內(nèi)的第三、四、五、六、七次森林資源連續(xù)清查(一類調(diào)查)樣地?cái)?shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)采用系統(tǒng)抽樣方法，抽樣間距為6 km×8 km，現(xiàn)地設(shè)置正方形實(shí)測樣地，樣地面積為0.08 hm2，調(diào)查對象是從幼小到成熟的全部林木總體，每間隔5 a連續(xù)觀測林木的測樹學(xué)和生態(tài)學(xué)特征。

本研究選擇人為干擾較小、以云南松為優(yōu)勢樹種的天然林分，共篩選出56個樣地，樣地分布如圖1所示，樣地總體統(tǒng)計(jì)特征如表1所示。

2 研究方法

統(tǒng)計(jì)各徑階內(nèi)的株數(shù)分布和累積頻率分布，再以10 a為一個齡級(根據(jù)云南省森林資源規(guī)劃設(shè)計(jì)調(diào)查技術(shù)規(guī)定)，劃分各樣地林木所屬的齡級。

根據(jù)林分密度指數(shù)(SDI)將各樣地所有林木按不同密度分為3級[16]：SDI<1 000 為Ⅰ密度級，1 000≤SDI<1 800 為Ⅱ密度級，SDI≥1 800 為Ⅲ密度級；分析林分直徑分布曲線的統(tǒng)計(jì)量指標(biāo)為偏度(SK)、峰度(ST)和變動系數(shù)(CV)。計(jì)算公式為：

根據(jù)各樣地林分平均胸徑分齡級計(jì)算各時期的偏度、峰度及變動系數(shù)，擬合動態(tài)變化曲線；結(jié)合林分直徑累積分布曲線，分析云南松天然林直徑結(jié)構(gòu)動態(tài)變化及林分密度對其變化的影響。計(jì)算各齡級每公頃胸高斷面積，擬合不同林分密度級每公頃胸高斷面積隨年齡的變化曲線。

3 結(jié)果與分析

3.1 直徑偏度和峰度變化分析

林分直徑偏度隨林分年齡的變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 不同林分密度級的直徑偏度 Fig.2 Diameter skewness of different stand densities

由圖2可知，林分直徑偏度分布曲線總體上是隨著林分年齡的增大而減小，起初直徑偏度大于零，林分直徑曲線偏度左偏，表明此時林分中小徑木株數(shù)占多數(shù)，中央徑階株數(shù)和大徑階株數(shù)較少，之后偏度隨林分年齡的增大而減小并逐漸趨近于零甚至為負(fù)值。林分直徑分布曲線向右偏移，表明林分中，中徑木和大徑木株數(shù)增多。在云南松林齡10～70 a范圍，除了在20 a及50 a處之外，Ⅲ密度級的林分偏度基本上大于Ⅰ和Ⅱ密度級；在30 a以前和40 a時，Ⅱ密度級林分直徑的偏度大于Ⅰ密度級，之后小于Ⅰ密度級。在林分生長過程中，隨林分年齡的增加，林分內(nèi)樹木競爭加劇，樹木直徑分化隨之增加，引起自然稀疏，導(dǎo)致林分內(nèi)大量的小徑木枯死；隨林分株數(shù)密度的增加，林分中小徑木株數(shù)逐漸增加，中大徑木株數(shù)逐漸減少；隨林分年齡增加，林分直徑分布曲線左偏程度減弱，并向正態(tài)及右偏的狀態(tài)過渡性發(fā)展。

林分直徑峰度隨年齡的變化規(guī)律如圖3所示。

由圖3可知，云南松林分直徑峰度值總體上隨年齡的增大呈下降趨勢，起初直徑峰度值為正值，之后由正值呈下降趨勢且趨向于負(fù)值，但接近于零。由圖3可知，只有Ⅰ密度級的林分直徑峰度值出現(xiàn)負(fù)值，且高密度級林分的直徑峰度值大于低密度級林分的直徑峰度值，但各密度級的林分直徑峰度值最終都呈趨近于零的趨勢。Ⅲ密度級的林分直徑峰度值始終為正值，表明林分直徑分布曲線尖峭。Ⅰ密度級和Ⅱ密度級的林分直徑峰度值在60 a以后均接近于零，林分直徑分布比較分散。林分直徑峰度值的變化能較好地反映出云南松林分直徑在幼齡林階段分布比較集中，隨著年齡的增長，林分直徑分布越來越分散。

3.2 直徑變動系數(shù)變化分析

林分直徑變動系數(shù)變化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，云南松直徑變動系數(shù)隨林分年齡的增長總體上呈現(xiàn)下降趨勢，具體是前期逐漸減小，后期緩慢增大。其原因可能是變動系數(shù)是胸徑標(biāo)準(zhǔn)差與算術(shù)平均胸徑的比值，前期云南松天然林分中小徑木株數(shù)占比較大，大徑木株數(shù)占比例少，使得林分平均直徑小，加之林分平均直徑增長速度比林分直徑標(biāo)準(zhǔn)差快，導(dǎo)致林分直徑變動系數(shù)逐漸下降；之后，隨著林分年齡的增長，林分內(nèi)樹木競爭加劇，使得林分直徑分化日趨嚴(yán)重，但林分標(biāo)準(zhǔn)差仍繼續(xù)增加，同時，林分直徑的生長在一定程度上受到抑制，使林分直徑變動系數(shù)值下降的幅度逐漸變??；林分內(nèi)小徑木被自然稀疏淘汰之后，大徑木的生長速度會增大，使得林分直徑標(biāo)準(zhǔn)差變大，導(dǎo)致直徑變動系數(shù)值出現(xiàn)了緩慢增大趨勢。由圖4還可以看出，林分密度的高低對云南松林分直徑變動系數(shù)變化的影響不明顯。

圖4 不同林分密度級的直徑變動系數(shù) Fig.4 Diameter variation coefficient of different stand densities

3.3 各徑階株數(shù)的累積分布特征

3.3.1各徑階株數(shù)的累積分布

為更直觀地描述林分直徑分布的3個特征值所反映出的規(guī)律，即林分密度對林分直徑分布的影響，由圖5不同林分密度時林分直徑累積分布規(guī)律可知，直徑累積株數(shù)比重隨徑階的增加而增加，后趨于穩(wěn)定。在任一相同徑階內(nèi)，隨林分密度的增加，云南松直徑株數(shù)累積百分比在增大，換言之，對于任一相同的株數(shù)累計(jì)，高密度林分對應(yīng)的徑階比低密度林分小，說明密度越高的林分所對應(yīng)的林木株數(shù)越多，林分整體直徑構(gòu)成較小。

圖5 不同林分密度級的株數(shù)累積分布Fig.5 Cumulative plant number distribution of different stand densities

3.3.2徑階株數(shù)動態(tài)變化分析

不同林分密度時林分徑階株數(shù)變化規(guī)律如圖6～圖8所示。

由圖6～圖8可知，總體上，不同密度級的云南松株數(shù)隨徑階的增加而減小，隨林分年齡的增加而呈下降的趨勢。Ⅰ密度級林分中，株數(shù)集中分布在10～30 a期間，且集中在6～14 cm徑階范圍；Ⅱ密度級林分中，株數(shù)集中分布在20～30 a期間，且集中在6～14 cm徑階范圍；Ⅲ密度級林分中，株數(shù)集中分布在20～30 a期間，且集中在6～18 cm徑階范圍。60 a和70 a的云南松株數(shù)較少，且林分密度對60 a后的云南松株數(shù)分布影響不再明顯；70 a的云南松只出現(xiàn)在Ⅰ密度級林分中，且株數(shù)最少。

圖6 Ⅰ密度級徑階株數(shù)變化Fig.6 Variety of diameter grade numbers atⅠdensity level

圖7 Ⅱ密度級徑階株數(shù)變化Fig.7 Variety of diameter grade numbers at Ⅱ density level

圖8 Ⅲ密度級徑階株數(shù)變化Fig.8 Variety of diameter grade numbers at Ⅲ density level

在Ⅲ密度級林分中，20 a、30 a的云南松株數(shù)在8 cm徑階有明顯的增加現(xiàn)象。結(jié)果表明，大理州云南松大部分屬于中小徑木，大徑木株數(shù)較少，林分主要屬于幼齡林和中齡林。

3.4 每公頃胸高斷面積變化分析

不同林分密度每公頃胸高斷面積變化如圖9所示。

由圖9規(guī)律可知，不同林分密度級云南松每公頃胸高斷面積總體上隨年齡的增加呈上升趨勢。前期胸高斷面積數(shù)值較小，可能是因?yàn)榱址稚L前期，小徑木株數(shù)較多，中、大徑木株數(shù)少，而隨著林分年齡的增加，小徑木減少，中、大徑木增加，林木平均直徑增大，故出現(xiàn)林分每公頃胸高斷面積隨林分年齡增加而增加的現(xiàn)象。由圖9可知，云南松每公頃胸高斷面積隨林分密度的增加而增加，說明云南松株數(shù)也隨林分密度的增加而增加，使得高密度級云南松每公頃胸高斷面積大于低密度級林分。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

1)林分直徑偏度總體上隨林分年齡的增加而減小，起初直徑偏度大于零，林分直徑曲線偏度左偏，之后偏度隨林分年齡的增大而減小并逐漸趨近于零甚至為負(fù)值，林分直徑分布曲線向右偏移，即隨林分年齡增加，林分直徑分布曲線左偏程度減弱，并向正態(tài)及右偏的狀態(tài)過渡性發(fā)展。在林分生長過程中，前期林分中小徑木株數(shù)占多數(shù)，隨林分年齡的增加，林分內(nèi)樹木競爭加劇，樹木直徑分化隨之增加，引起自然稀疏，導(dǎo)致林分內(nèi)大量的小徑木枯死，中徑木和大徑木株數(shù)隨林分年齡的增加而增加，這與楊劍輝等[17]研究云南松幼林林分結(jié)構(gòu)得出的結(jié)論相符。

2)林分直徑峰度總體上隨年齡的增加而下降，與陳東來等[18]關(guān)于山楊天然林林分結(jié)構(gòu)的研究結(jié)論一致。直徑峰度值起初為正值，并由正值呈下降趨勢且趨向于負(fù)值，但接近于零。高密度級林分的直徑峰度值大于低密度級林分的直徑峰度值，但各密度級的林分直徑峰度值最終都呈趨近于零的趨勢。林分直徑峰度值的變化能較好地反映出云南松林分直徑在幼齡林階段分布比較集中，隨著年齡的增長，林分直徑分布越來越分散。

3)林分直徑變動系數(shù)值總體上隨年齡的增加而下降，前期逐漸減小，后期緩慢增大。林分密度的高低對云南松林分直徑變動系數(shù)變化的影響不明顯。

4)不同林分密度直徑株數(shù)累積比重隨徑階的增大而增加，隨林分密度的增加而增加，即對于任一相同的直徑株數(shù)累積，高密度林分對應(yīng)的徑階比低密度林分小，這說明密度越高的林分所對應(yīng)的林木株數(shù)越多，對應(yīng)的林分整體直徑構(gòu)成較小。

5)不同林分密度時林分徑階株數(shù)隨徑階的增加而減小，隨林分年齡的增加呈下降的趨勢。林分株數(shù)集中分布在10～30 a期間，且集中分布在6～18 cm徑階范圍；60 a和70 a的云南松株數(shù)較少，且林分密度對60a后的云南松株數(shù)分布影響不再明顯。大理州云南松大部分屬于中小徑木，大徑木較少，即林分主要屬于幼齡林和中齡林。

6)不同林分密度級云南松每公頃胸高斷面積總體上隨年齡的增加呈上升趨勢，隨林分密度的增加而增加，這可以反映林分直徑結(jié)構(gòu)變化的特點(diǎn)，與姚能昌等[16]對思茅松天然林林分直徑結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化研究結(jié)論一致。即在林分生長前期，小徑木株數(shù)較多，中、大徑木株數(shù)少，但隨林分年齡的增加，小徑木減少，中、大徑木增加，林木平均直徑增大，故林分每公頃胸高斷面積隨林分年齡的增加而增加，且高密度級云南松每公頃胸高斷面積大于低密度級林分。

4.2 討論

研究大區(qū)域尺度上云南松林分直徑結(jié)構(gòu)動態(tài)變化規(guī)律，采用森林資源連續(xù)清查數(shù)據(jù)雖然有數(shù)據(jù)量大、資料覆蓋面廣的優(yōu)點(diǎn)，對反映云南松天然林林分的生長狀況研究也具有較強(qiáng)的代表性，但也有缺點(diǎn)：研究過程中采用的是林分平均年齡，不是每株樣木的真實(shí)年齡，對結(jié)果有一定的影響。就本研究而言，雖然分析了一個州的云南松林分直徑結(jié)構(gòu)變化，但基于清查數(shù)據(jù)連續(xù)5期的完整樣地?cái)?shù)據(jù)較少，所對應(yīng)的樣木調(diào)查也具有一定的局限性，對研究的結(jié)果具有一定的影響，不能很好地反映出林分直徑的變化規(guī)律，有待于在今后的研究中改進(jìn)，且對于人為干擾后的林分直徑分布的研究模擬有待加強(qiáng)。