林分結(jié)構(gòu)三維特性研究進(jìn)展

支架結(jié)構(gòu)是支架特征的重要組成部分。林分內(nèi)樹種的不同組成及其空間分布的不同格局構(gòu)成了林分的空間結(jié)構(gòu)。林分空間結(jié)構(gòu)是森林生態(tài)系統(tǒng)的主要屬性之一。決定了樹木之間的競爭優(yōu)勢極其空間生態(tài)位,在很大程度上決定了林分的穩(wěn)定性、發(fā)展的可能性和經(jīng)營空間的大小。林分空間結(jié)構(gòu)分析作為現(xiàn)代森林經(jīng)營的基礎(chǔ),已在森林可持續(xù)經(jīng)營中得到高度重視。林分空間結(jié)構(gòu)通常從3個方面加以描述:1)林木個體在二維水平方向的分布形式,即林木空間分布格局;2)樹種空間隔離程度;3)林木個體大小分化程度,如直徑、樹高結(jié)構(gòu)分布。但是,直徑、樹高、Shannon指數(shù)等一維結(jié)構(gòu)因子在很大程度上忽略了林分空間結(jié)構(gòu)特性,而且也并未涉及不同林分間結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的定量比較?？臻g分布格局只是描述二維水平方向上林木間的相對位置關(guān)系,沒有考慮到不同林木的大小變化,林木的胸徑或樹高等因子的差異并未在林分空間格局中得到反映。EricK.Zenner和DavidE.Hibbs建立了一種林分三維結(jié)構(gòu)分析模型,并且把林分水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)整合為一個指數(shù)-結(jié)構(gòu)異質(zhì)性指數(shù)(SCI)。借用景觀生態(tài)學(xué)中空間異質(zhì)性、斑塊、垂直梯度等概念,量化分析、比較不同林分的空間結(jié)構(gòu)異質(zhì)性和復(fù)雜性。本文應(yīng)用該三維結(jié)構(gòu)模型分析和比較不同林分的結(jié)構(gòu)異質(zhì)性,在林分水平上研究森林三維結(jié)構(gòu)。1材料和方法1.1葉、闊葉樹種及立木空間結(jié)構(gòu)調(diào)查吉林省汪清林業(yè)局金溝嶺林場(130°5′~130°20′E,43°17′~43°25′N)地處長白山西北坡圖們江上游發(fā)源地。該場地貌屬低山丘陵地帶,海拔為550~1100m。該區(qū)主要針葉樹種有:紅松、冷杉、云杉、長白落葉松等。闊葉樹種主要有:白樺、楊樹、榆樹、水曲柳、柞樹、椴樹、色木、楓樺等。金倉林場,共有150個林班,2647個小班,總面積33640hm2。林業(yè)用地主要類型有落葉松林、白樺林、楊樹林、混交林、臭松林、采伐跡地、柞樹林等。選用金溝嶺林場2個林分和金倉林場1個林分作為研究對象,3個林分分別是原始林、原始次生林和柞樹純林。選擇具有代表性的典型地段設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)地進(jìn)行立木空間結(jié)構(gòu)調(diào)查。采用全面調(diào)查法,調(diào)查樣地內(nèi)所有大于起測徑階(5cm)的林木特征值,包括樹木的相對X、Y坐標(biāo)、樹種、胸徑、樹高、冠幅等。各林分具體情況見表1。1.2森林系統(tǒng)異質(zhì)性與斑塊在景觀生態(tài)學(xué)中,Kolasa和Pickett將空間異質(zhì)性定義為某種生態(tài)學(xué)變量在空間分布上的不均勻性及復(fù)雜程度,是空間斑塊性(patchness)和垂直梯度(gradient)的綜合反映。Li和Reynolds則認(rèn)為,空間異質(zhì)性可根據(jù)2個組分來解釋,即所研究景觀的系統(tǒng)特征及其復(fù)雜性和變異性。斑塊則指的是外觀上不同于周圍環(huán)境的非線性地表區(qū)域。借用景觀生態(tài)學(xué)中的概念,EricK.Zenner和DavidE.Hibbs把林分結(jié)構(gòu)異質(zhì)性定義為,依賴于空間尺度的相鄰林木的三維結(jié)構(gòu)分布。由于林分可由斑塊間的特定空間關(guān)系來區(qū)分,斑塊可看做是森林結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的重要組分。在林分水平內(nèi),“斑塊”被定義為樹高差小于一給定值的相鄰樹木的集合,“斑塊類型”定義為處于樹冠層中一定高度層的斑塊,“垂直梯度”定義為組成三角形的3株相鄰樹木的最大樹高差。這樣,林分可以看成由斑塊組成的結(jié)構(gòu)鑲嵌體。1空間分布格局是相對于現(xiàn)代空間格局的一個重要概念林木個體的空間分布格局是指林木個體在水平空間的配置狀況或分布狀態(tài),反映了林木個體在水平空間上彼此間的相互關(guān)系。林木分布格局是種群空間屬性的重要方面。格局研究可以對種群和群落的水平結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量描述,也可以說明其動態(tài)變化?？臻g分布格局是建立在點(diǎn)過程理論基礎(chǔ)上的空間分析方法?？臻g點(diǎn)格局是描述林木個體在樣地中相對位置的數(shù)學(xué)模型?？臻g格局基本的分布類型有3種:隨機(jī)分布、均勻分布和群團(tuán)(集群)分布。抽樣的關(guān)系,空間分布格局分析的結(jié)果與選定的尺度有關(guān)。本文選用基于聚集指數(shù)R的最近鄰分析法、Ripley’sK函數(shù)對各林分進(jìn)行空間點(diǎn)分布格局分析,見表2。2林分垂直結(jié)構(gòu)模型基于樹木位置的空間鑲嵌(spatialtessellation)概念,把每株樹都看成是三維空間(x,y,z)中的一個不規(guī)則的空間數(shù)據(jù)點(diǎn),其中x、y為每株樹的水平位置坐標(biāo),z為每株樹的其它屬性(樹高或胸徑)。3株相鄰木在三維空間中組成一個三角面,整個林分組成一個鑲嵌狀、非重疊的不規(guī)則三角網(wǎng)(triangulatedirregularnetwork)。不規(guī)則三角網(wǎng)建立遵循Delaunay法則。由此提出了一個基于林分垂直結(jié)構(gòu)和鄰接木距離的指數(shù)SCI,來直接比較不同林分空間結(jié)構(gòu)異質(zhì)性大小的差異。SCI定義為林分中所有不規(guī)則三角網(wǎng)的表面積(S)與其投影面積(AT)之比。SCI=SAT?S=∑i=1N12|ai×bi|SCΙ=SAΤ?S=∑i=1Ν12|ai×bi|其中:AT為不規(guī)則三角網(wǎng)投影面積之和;i=1,2,…;N是實(shí)驗(yàn)樣地的三角形數(shù)量;|ai×bi|為矢量乘積AB的絕對值;ai=(xib-xia;yib-yia,zib-zia),矢量AC坐標(biāo)bi=(xic-xia,yic-yia,zic-zia)。通過結(jié)合林木z坐標(biāo)和x,y坐標(biāo),矢量乘積之和就給出不規(guī)則三角網(wǎng)表面積之和S。同時,依據(jù)每個三角形所屬的樹高層和垂直梯度(最大樹高差異:△Zmax),定義斑塊類型。根據(jù)各林分的基本信息,劃分了3個樹高級和4個垂直梯度級,并由此劃分了18個斑塊類型。具體情況見表3。Shannon-Weaver指數(shù)是描述物種多樣性的重要指數(shù)。林分樹高多樣性、垂直梯度多樣性、斑塊類型多樣性由Shannon-Weaver方程得到:H′=∑i=1NpilnpiΗ′=∑i=1Νpilnpipi是第i個樹高級中林木所占比例、第i個垂直梯度級中三角形所占比例、第i個斑塊類型中三角形數(shù)量所占比例。2結(jié)果與分析2.1不同密度林分的ripctor-k函數(shù)空間格局聚集指數(shù)R,把目標(biāo)木到最鄰近林木的平均距離與隨機(jī)或泊松分布期望的平均距離相關(guān)聯(lián),范圍介于0和2.15(正六角形格局)之間。計算各林分聚集指數(shù)R,其值分別為:原始林0.98,原始次生林0.91,柞樹純林0.72(表4)。Ripley’K函數(shù)可以確定不同距離尺度下的空間分布格局,文中把距離尺度t定為50m,即各林分樣地最大邊長。各林分Ripley’k函數(shù)值分別為:原始林-28.35,原始次生林-28.24,柞樹純林-34.11(表4)。應(yīng)用聚集指數(shù)R和Ripley’sK函數(shù)對各林分進(jìn)行分析得到的結(jié)果表明:在50m的空間尺度下,原始林、原始次生林、柞樹純林的聚集指數(shù)R都小于1,Ripley’k函數(shù)值都小于0。因此3個林分都屬于集群分布,空間分布格局見圖1。原始林和原始次生林的聚集指數(shù)R值、Ripley’sK函數(shù)L值都比較接近,兩個林分的水平聚集程度比較相似,水平結(jié)構(gòu)的差異難以得到體現(xiàn)。2.2各所屬樹生長方向垂直梯度是對各斑塊最大樹高差異的描述。垂直梯度值越大,斑塊內(nèi)樹高差異越大。斑塊類型數(shù)量則反映了林分內(nèi)斑塊類型的豐富程度。垂直梯度和斑塊類型都是對林分垂直結(jié)構(gòu)的描述。垂直梯度只考慮林木間最大樹高差,斑塊類型還要考慮到各林木所屬樹高級。各林分垂直梯度和斑塊類型數(shù)量見表5。由表5中可以看出,原始林的平均垂直梯度7.67m,最大垂直梯度為24.50m,平均斑塊類型數(shù)量為12.60,在3個林分中都是最大的;其次是原始次生林,平均垂直梯度、最大垂直梯度、平均斑塊類型數(shù)量分別為6.58m,21.8m,10.57;柞樹純林的值則是最小的,平均垂直梯度、最大垂直梯度、平均斑塊類型數(shù)量分別為5.36m,16.4m,8.13。這表明,原始林各斑塊內(nèi)和各斑塊間的樹高差異是最大的,垂直結(jié)構(gòu)異質(zhì)性是最大的,垂直結(jié)構(gòu)最復(fù)雜。其次是原始次生林,而柞樹純林的垂直結(jié)構(gòu)異質(zhì)性則是最小的。2.3斑塊類型多樣性指數(shù)Shannon-Weaver多樣性指數(shù)是對物種數(shù)量多樣性程度的描述。樹高多樣性指數(shù)描述的是各樹高級間林木株數(shù)的差異程度,垂直梯度多樣性指數(shù)描述的是各垂直梯度間斑塊數(shù)量的差異程度,斑塊類型多樣性指數(shù)描述的是各斑塊類型間斑塊數(shù)量的差異程度。由于樹高、垂直梯度、斑塊類型都是對林分垂直結(jié)構(gòu)的描述,各自的多樣性指數(shù)則是從多樣性的角度描述林分垂直結(jié)構(gòu)異質(zhì)性。各林分多樣性指數(shù)見表6。由表6可以看出,各林分樹高多樣性指數(shù)、垂直梯度多樣性指數(shù)、斑塊類型多樣性指數(shù)由大到小依次為原始林、原始次生林、柞樹純林。這表明,原始林的各樹高級間的林木數(shù)量差異、各垂直梯度間的斑塊數(shù)量差異、各斑塊類型間的斑塊數(shù)量差異都是最大的。其次是原始次生林,差異最小的是柞樹純林。2.4元結(jié)構(gòu)模型下各林分把控下的質(zhì)量差異結(jié)構(gòu)異質(zhì)性指數(shù)SCI整合了林分垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu),SCI值的大小反映了林分三維結(jié)構(gòu)異質(zhì)性大小。依據(jù)SCI指數(shù)的定義可知,林分內(nèi)相鄰林木間水平距離和樹高差異都對SCI值具有重要影響。依據(jù)delaunay法則,建立各林分不規(guī)則三角網(wǎng)(圖2),進(jìn)而求算SCI指數(shù)。各林分SCI指數(shù)由大到小依次為:原始林4.03、原始次生林3.16、柞樹純林2.74。這表明,原始林的空間結(jié)構(gòu)異質(zhì)性最大,結(jié)構(gòu)最復(fù)雜,林木間差異最大。其次是原始次生林,而柞樹純林結(jié)構(gòu)異質(zhì)性最低。而且,各林分SCI值相差比較大,能夠很明顯地區(qū)分各林分結(jié)構(gòu)異質(zhì)性大小。各林分,尤其是原始林與原始次生林,水平聚集程度差別并不大,空間分布格局相同。因此,水平結(jié)構(gòu)對SCI指數(shù)的影響并不十分顯著。各林分SCI指數(shù)之間的顯著差異更多地受到林分垂直結(jié)構(gòu)差異的影響。3林分三維結(jié)構(gòu)異質(zhì)性評價本文應(yīng)用林分三維結(jié)構(gòu)分析模型,來分析林分三維結(jié)構(gòu)異質(zhì)性?？臻g格局分析表明3個林分都屬于聚集分布,但是原始林和原始次生林的聚集程度比較接近,不能體現(xiàn)二者的結(jié)構(gòu)差異。垂直梯度、斑塊類型數(shù)量及其多樣性指數(shù)從不同角度描述了林分垂直結(jié)構(gòu)異質(zhì)性。SCI指數(shù)則對林分三維結(jié)構(gòu)異質(zhì)性給出整體度量。通過空間格局分析、垂直結(jié)構(gòu)指數(shù)和SCI指數(shù),綜合分析、比較各林分空間結(jié)構(gòu)異質(zhì)性及其差異。應(yīng)用垂直梯度、斑塊類型數(shù)量及其多樣性指數(shù)和SCI指數(shù)對各林分進(jìn)行量化分析得到的結(jié)果是一致的。原始林的水平聚集程度、垂直結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)異質(zhì)性都是最大的,其次是原始次生林,最小的則