基于林分結(jié)構(gòu)的楓香生物量結(jié)構(gòu)研究

楓樹是一種落葉樹木，樹干高、直、完美。最高達40m,胸徑最大可達1m。深根性,主根粗長,抗風力強;樹皮灰褐色,方塊狀剝落;小枝干后灰色,被柔毛,略有皮孔;葉薄革質(zhì),闊卵形,掌狀3裂,中央裂片較長,先端尾狀漸尖。主要分布于中國長江流域及其以南的廣大地區(qū),垂直分布于海拔1500m以下平原、丘陵山谷、山麓。在浙江省各地廣泛分布,生于山地林中或村落附近,喜濕潤肥沃土壤,是很好的行道綠化樹種。楓香對二氧化硫、氯氣等有較強的抗性,具有生長快、用途廣、適應(yīng)性強、維護地力明顯、生態(tài)效益好等特點,是林種、樹種結(jié)構(gòu)調(diào)整的首選樹種。作為天目山區(qū)重要鄉(xiāng)土樹種的楓香,目前多處于野生狀態(tài)。研究表明:楓香是生態(tài)景觀林中的重要構(gòu)景樹種,喜與殼斗科Fagaceae,樟科Lauraceae,山茶科Theaceae等樹種混生,是與馬尾松Pinusmassoniana,濕地松Pinuselliottii,杉木Cunninghamialanceolata混交造林的理想伴生樹種,因此,研究混交林中楓香的林分結(jié)構(gòu)具有重要的意義。以往國內(nèi)對楓香的研究多集中在楓香同馬尾松、杉木等其他樹種混交的生長效應(yīng)方面,黃勇來研究過楓香的林分結(jié)構(gòu)和群落特征,鮮有學者關(guān)注混交林中楓香的結(jié)構(gòu)特征。本研究以天目山針闊混交林中的楓香樹種為研究對象,分別從楓香的胸徑、樹高、冠幅、生物量,以及株數(shù)分布密度、空間分布格局等方面展開研究,為天目山國家級自然保護區(qū)的管理提供科學的依據(jù)。1立地條件獨特天目山國家級自然保護區(qū),地處浙江省臨安市西北部,距杭州94km,面積為4284hm2,地理位置為30°18′30″~30°24′55″N,119°24′11″~119°28′21″E,海拔300~1556m,具有典型的中亞熱帶的森林生態(tài)系統(tǒng)和森林景觀。四季分明,氣候溫和,年平均氣溫為14.8~8.8℃,最冷月平均氣溫3.4~2.6℃,平均最低氣溫-13.1~-20.2℃,最熱月平均氣溫28.1~19.9℃,平均最高氣溫38.2~29.1℃。無霜期為235~209d,雨水充沛,年雨日為159.2~183.1d,年降水量達1390~1870mm,積雪期較長,比區(qū)外多10~30d,形成浙江西北部的多雨中心。天目山土壤隨著海拔升高由亞熱帶紅壤向濕潤的溫帶型棕黃壤過渡,海拔600m以下為紅壤,海拔600m至1200m為黃壤,海拔1200m以上為棕黃壤。這些獨特的環(huán)境條件構(gòu)成了天目山植物區(qū)系的古老性,復(fù)雜性和種類豐富性,共計有苔類植物70種、蘚類植物240種、蕨類植物110種、種子植物1570種。其中,國家重點保護植物25種,以天目山命名的植物24種,珍稀孑遺植物銀杏的野生種也分布于此,具有重要的科研價值。2材料和方法的研究2.1標準地的樹種2011年7月在天目山國家級自然保護區(qū)結(jié)合地勢條件,設(shè)立10塊具有代表性的針闊混交林標準地進行林分結(jié)構(gòu)調(diào)查(表1),標準地大小為30m×30m。采用全面調(diào)查法,調(diào)查標準地內(nèi)所有大于起測徑階(5cm)的林木特征值,包括樹種、胸徑、樹高、枝下高、冠幅等,同時用全站儀記錄每株林木的具體坐標。標準地中主要樹種有:楓香,馬尾松,杉木,白櫟Quercusfabric,麻櫟Quercusacutissima,短柄枹Quercusglanduliferavar.brevipetiolata,小葉櫟Quercuschenii,石櫟Lithocarpusglabra,山礬Symplocoscaudata,木荷Schimasuperba,苦櫧Castanopsissclerophylla,化香Platycaryastrobilacea,青岡Cyclobalanopsisglauca,錐栗Castaneahenryi,檵木Loropetalumchinense,山合歡Albiziakalkora,天目槭Acersinopurpurascens等。本研究將所有標準地中的楓香樹單獨列出作為本次研究的對象。2.2學習方法2.2.1擬合分析過程胸徑結(jié)構(gòu)是林分內(nèi)各種大小胸徑林木按徑階的分配狀態(tài),是最重要、最基本的林分結(jié)構(gòu),它直接影響著林木的樹高、干形、材積材種及樹冠等因子的變化,因此,胸徑分布模擬對于預(yù)測未來的林分收獲有著重要意義,能夠準確模擬林分發(fā)展,對于制定森林經(jīng)營計劃顯得十分重要。本研究采用適用性最為普遍的Weibull分布模型來模擬楓香的胸徑結(jié)構(gòu)規(guī)律。同時以1m為1個樹高級寬度,將楓香東西、南北冠幅取算術(shù)平均值得到平均冠幅后以1m為1個冠幅級寬度,用Weibull分布密度函數(shù)分別對楓香樹高、冠幅分布進行擬合。之后通過對比楓香胸徑、樹高、冠幅實際分布曲線與擬合曲線進行分析探討,并對擬合結(jié)果進行殘差分析,從而說明擬合精度。三參數(shù)Weibull分布的概率密度函數(shù)為:式(1)中:a,b,c分別稱為位置參數(shù)、尺度參數(shù)及形狀參數(shù),e為自然對數(shù)的底,x分別對應(yīng)徑階、樹高級、冠幅級的頻數(shù),f(x)分別對應(yīng)各徑階、樹高級、冠幅級數(shù)百分數(shù)。在利用三參數(shù)Weibull分布密度函數(shù)進行擬合時,一般將參數(shù)a分別定為楓香胸徑、樹高、冠幅的下限值,根據(jù)其分布函數(shù)形式(2)的性質(zhì),通過線性變換得式(3),采用線性求解法求解參數(shù)b和c。式(1)對應(yīng)的分布函數(shù)形式如下:變換可得:式(3)中:F(x)對應(yīng)各數(shù)量級胸徑、樹高、冠幅x的累計株數(shù)百分數(shù),其中F(x)=1不參與擬合。用式(3)求出楓香胸徑、樹高、冠幅的分布參數(shù)a,b,c,然后通過matlab編程進行楓香株數(shù)分布擬合。2.2.2浙江省楓香樹單株生物量的模型測定樹種的生物量,對于評價該樹種的生產(chǎn)力及提高營林水平和綜合利用其產(chǎn)品都有重要意義。目前,測定生物量的方法有很多,本研究采用適合浙江省楓香樹種的單株生物量模型:S1=S2+S3+S4;S2=0.0444H0.7197D1.7095;S3=0.0856D1.22657L0.3970;S4=0.0459H0.1067D2.0247。其中:S1為單株生物量總量,S2為樹干部分生物量,S3為樹冠部分生物量,S4為樹根部分生物量。通過計算楓香各徑階、各部分生物量及總和來分析天目山楓香的生物量分布規(guī)律。2.2.3楓香植物數(shù)密度2.2.4角尺度wi值分析林木空間分布格局的方法主要有樣方法、距離法和角尺度法等3類。本研究采用角尺度法來分析楓香的空間分布格局。在林分中,任意2個最近相鄰木的夾角有2個,令小角為α,角尺度Wi被定義為α角小于標準角α0(α0=72°)的個數(shù)占所考察的最近4株相鄰木的比例。通過Wi可以得到角尺度均值W軘,當取值范圍在[0.475,0.517]內(nèi)時林分為隨機分布,小于0.475時為均勻分布,大于0.517時則為團狀分布。角尺度均值計算公式為:式(4)中,N為林分內(nèi)參照樹的株數(shù);i為任一參照樹;j為參照樹i的4株最近相鄰木;Wi為角尺度。通過計算機軟件編程進行邊緣矯正并計算出各標準地中楓香的平均角尺度。3結(jié)果分析3.1布爾分布密度函數(shù)調(diào)整參數(shù)結(jié)果見表2。擬合相關(guān)指數(shù)R2表明擬合效果良好,表明可以采用Weibull分布密度函數(shù)擬合楓香的胸徑、樹高、冠幅分布規(guī)律。3.2直徑大小擬合殘差通過統(tǒng)計各徑階的楓香株數(shù),可以得到表3。根據(jù)表3和胸徑分布擬合結(jié)果可以得到楓香各徑階實際株數(shù)分布同Weibull分布曲線對比圖1。從圖中可以看出:楓香胸徑實際分布近似于倒“J”型曲線,6~10cm徑階楓香株數(shù)占絕大多數(shù),12~64cm徑階楓香株數(shù)較少。Weibull分布函數(shù)擬合呈倒“J”型曲線,同樣是6~10cm徑階楓香株數(shù)占絕大多數(shù),12~64cm徑階楓香株數(shù)較少。為了較好地反映擬合結(jié)果,以徑階為橫坐標、各徑階株數(shù)殘差為縱坐標作直徑擬合殘差圖。從圖2中可以看出:Weibull分布模型在6~14cm小徑階時擬合誤差較大,而大徑階中僅有32cm徑階誤差較大,較好的擬合了大徑階林木株數(shù)。3.3樹高擬合殘差按各樹高級統(tǒng)計楓香株數(shù),可以得到表4。根據(jù)表4和樹高分布擬合結(jié)果可以得到楓香各樹高級實際株數(shù)分布同Weibull分布曲線對比圖3,從中可以看出楓香直徑實際分布近似于倒“J”型曲線,樹高主要集中在6~9m,大于9m的楓香株數(shù)較少,較高的樹主要集中在15m高,隨著樹高級的增大,株數(shù)越來越少。Weibull分布函數(shù)擬合呈倒“J”型曲線,同樣是6~9m樹高級的楓香株數(shù)占絕大多數(shù),大于9m的越來越少。為了較好地反映擬合結(jié)果,以樹高級為橫坐標、各樹高級株數(shù)殘差為縱坐標作樹高擬合殘差圖。從圖4中可以看出:Weibull分布模型在7,8,14~16m樹高時低估株數(shù),在6,9~11m樹高時高估株數(shù),除6~8m樹高級外,其余擬合效果均較好。3.4ll分布擬合殘差分析按各冠幅級統(tǒng)計楓香株數(shù),可以得到表5。根據(jù)表5和冠幅分布擬合結(jié)果可以得到楓香各冠幅級實際株數(shù)分布同Weibull分布曲線對比圖5,可以看出實際分布同Weibull分布擬合冠幅分布較為一致,都呈偏左的正態(tài)分布,株數(shù)多的集中在冠幅級為3~5m的區(qū)間。為了較好的反映擬合結(jié)果,以冠幅級為橫坐標、各冠幅級株數(shù)殘差為縱坐標作冠幅擬合殘差圖。從圖6中可以看出:Weibull分布模型在2,4m冠幅時誤差較大,較好的擬合了其余冠幅級楓香株數(shù)。3.5樹冠生物量分布根據(jù)單株生物量模型,計算出楓樹干、樹冠、樹根等各部分生物量。計算可得各標準地楓香生物量總量為12044.134kg,其中樹干生物量為6907.224kg,樹冠生物量為1032.209kg,樹根生物量為4104.701kg。統(tǒng)計各徑階各部分生物量可以得到折線圖7,計算各徑階楓香生物量總和得到圖8。圖7所示天目山楓香生物量構(gòu)成中,樹干>樹根>樹冠。樹干和樹根各徑階生物量呈多峰曲線狀,且樹干生物量分布曲線和樹根生物量分布曲線起伏近似一致,樹干和樹根生物量分布較多的部分集中在相同徑階。樹冠生物量曲線趨于平穩(wěn),各徑階變化幅度不大;圖8為楓香在各徑階生物量分布的具體情況,生物量較多部分主要集中在8,10,28,32,36,38,64cm徑階,綜合各徑階株數(shù)分布,小徑階和大徑階中生物量分布較多的部分,株數(shù)分布也較其他徑階多,大徑階生物量含量高,但株數(shù)較小徑階株數(shù)少。3.6地楓香密度的變動計算各標準地楓香密度得到表6,所有標準地中楓香平均密度為259株·hm-2,根據(jù)變動系數(shù)公式CV=σ/μ,計算出各標準地楓香密度的變動系數(shù)為0.625。由此可知,各標準地楓香株數(shù)分布不均衡,密度相差較大,從而反映出天目山楓香分布地域差異性較大。3.7標準地楓香角尺度分布用式(4)計算所有標準地楓香角尺度均值得到表7,從中可以看出10塊標準地楓香角尺度均值均大于0.517,各標準地楓香均呈現(xiàn)為團狀分布。由此也反映出天目山楓香整體分布格局為聚集分布。4標準地生物量分布的特征Weibull分布密度函數(shù)靈活性強、適用范圍較廣,常用來分析整體林分的直徑生長規(guī)律。本研究將針闊混交林中楓香單獨列出,用Weibull分布密度函數(shù)擬合,結(jié)果表明:Weibull分布基本適用于模擬天目山楓香的胸徑、樹高、冠幅結(jié)構(gòu)規(guī)律。在進行胸徑擬合時,擬合株數(shù)較實際株數(shù)偏少,在小徑階時擬合誤差較大,但較好地擬合了大徑階楓香株數(shù);擬合樹高結(jié)構(gòu)時,除6~8m樹高級外,其余擬合效果均較好;擬合冠幅結(jié)構(gòu)時,在2m和4m冠幅級誤差較大,其余冠幅級擬合效果較好。綜合擬合曲線圖,Weibull分布曲線近似符合楓香胸徑、樹高、冠幅實際分布的規(guī)律,仍能反映出天目山楓香樹種的生長規(guī)律?？傮w上看,標準地內(nèi)的楓香直徑呈不規(guī)則的倒“J”型曲線分布,小徑階的楓香株數(shù)最多,隨著胸徑的增大楓香株數(shù)開始急劇遞減,到一定徑階后,其遞減速度減慢,并趨于平穩(wěn),與天然林分的生長規(guī)律相符合。大徑階株數(shù)占有一定比例,同時能夠維持物種的自我更新,在生態(tài)學意義上有較強穩(wěn)定性,符合森林經(jīng)營標準。楓香樹高分布也近似倒“J”型曲線分布,株數(shù)分布在6~9m的占多數(shù),樹高較高的株數(shù)分布較少、近似均勻,這和楓香的胸徑規(guī)律有著密切的關(guān)系。冠幅則呈偏左的正態(tài)分布,中小尺度冠幅的株數(shù)占比例最大。楓香的胸徑、樹高、冠幅結(jié)構(gòu)規(guī)律基本一致,基本符合森林經(jīng)營的目標結(jié)構(gòu)。楓香生物量較多的主要分布在8~10cm徑階、28~38cm徑階、64cm徑階,峰值出現(xiàn)在32cm徑階。結(jié)合各徑階實際株數(shù)分析,8~10cm徑階株數(shù)較多,28~38cm徑階的株數(shù)在大徑階林木中相比略多,因此生物量較高。64cm徑階株數(shù)僅1株,屬異常情況,從中也可以看出胸徑大的楓香單株生物量占絕對優(yōu)勢,大徑階楓香的生物量占楓香總生物量中的比例最大。樹干、樹根生物量占楓香總體生物量的91.4%,在生物量構(gòu)成中,樹干>樹根>樹冠。各徑階楓香樹干、樹根生物量分布不均勻,分布曲線較為一致,各徑階樹冠生物量較為均勻,起伏不大。在不考慮其他樹種的情況下,標準地內(nèi)楓香平均密度為259株·hm-2,變動系數(shù)為0.625,分布呈現(xiàn)不均