海南南渡江流域木麻黃人工林林分結構的特點及規(guī)律

0林分結構特征與林下物種多樣性木麻黃是澳大利亞的一種毛毛樹和樹冠樹。它于20世紀50年代在國外進口。由于其干燥、抗旱性、耐鹽堿性和抗沙性，已成為中國東南沿海海岸帶的主要造林樹種，在預防風、固沙、改善生態(tài)環(huán)境和提供材料方面發(fā)揮著重要作用。目前,國內學者對木麻黃開展了較多研究,且多數是關于能量特征、生物量、碳貯量等方面的研究,對其林分結構特征和林下物種多樣性的研究還比較罕見。本文擬用Weibull分布函數和正態(tài)分布函數進行直徑、樹高擬合分析其林分結構,并采用香農多樣性指數來估算群落物種多樣性,旨在為南渡江流域木麻黃人工林的優(yōu)化改造、合理經營提供科學依據。1上游:瓊州海峽—研究區(qū)概況南渡江流域位于東經109°12'~110°35'、北緯18°56'~20°05'之間,是海南島第一大河流,干流全長333.8km,流域面積7176km2。干流發(fā)源于白沙縣南峰山,東北向流經白沙、儋州、瓊中、澄邁、屯昌、定安至?？谑腥摯鍏R入瓊州海峽。上游河段,穿行于山丘之中,落差較大,河岸較陡,河谷狹窄,多為石底河床,水力充足,進入澄邁后河流水勢變緩,河道沙洲、小丘、淺灘較多,最后穿過?？谑袇^(qū)東部而入海。流域植物資源豐富,種類繁多,天然林主要有白楸(Mallotuspaniculatus)、滑桃樹(Trewianudiflora)、黃牛木(Cratoxylumcochinchinense)、柿葉木姜(Litseamonopetala)、苦楝(Meliaazedarach)等,人工林主要有木麻黃、橡膠(Heveabrasiliensis)、桉樹(Eucalyptusspp)等,在中游還有少許馬占相思(Acaciamangium)分布。2學習方法2.1自然因子測定在南渡江下游選擇典型木麻黃樣地6塊,樣方面積為25m×25m。記錄每塊樣地的海拔、坡向、坡位、坡度、土壤等自然因子,對樣方內胸徑≥3cm的樹木進行每木檢尺,記錄其樹種、胸徑、樹高、冠幅等基本測樹因子。每個樣方中沿對角線機械設置5個2m×2m的小樣方,記錄小樣方內灌木層的植物組成、高度、蓋度、冠幅,草本層記錄植物組成、高度和蓋度。典型樣地基本情況見表1。2.2學習方法2.2.1不同偏度、陡度的分布函數模型1)Weibull分布選擇Weibull分布函數對南渡江下游木麻黃人工林進行直徑和樹高擬合。眾多研究表明:Weibull分布函數具有適應性強、靈活性大、參數表現能力強的特點,可擬合不同偏度、峭度的曲線。三參數的Weibull分布函數概率密度函數為:式中:x為組中值,a為位置參數,這里為林分直徑最小徑階的下限值,b為尺度參數,c為形狀參數,當c<1時,Weibull分布函數呈反J型分布;當1<c<3.6時,呈單峰左偏山狀分布;當c=1時,為負指數分布函數;當c=2時,為X2分布;當c≈3.6時,為近似正態(tài)分布;當c>3.6時,呈單峰右偏山狀分布。2)正態(tài)分布正態(tài)分布的概率密度函數為:式中:μ為變量x的期望,σ為x的標準差。2.2.2密度對林分第i徑階的影響運用Weibull分布和正態(tài)分布對南渡江木麻黃人工林進行直徑、樹高擬合,對其理論株數和實際株數在α=0.05的水平下進行X2檢驗,統(tǒng)計量:式中:m表示徑階數,S(xi)為林分第i徑階的實際值,F(xi)為林分第i徑階的理論值。2.2.3ener指數ener采用香農多樣性指數來估算群落多樣性,也叫香農-維納(Shannon-Wiener)或香農-韋弗(Shannon-Weaver)指數,其公式如下:物種均一度(Pielou指數)用來描述物種中的個體的相對豐富度或所占比例。式中:S表示樣地內物種的總數,pi表示第i個種的個數占物種總數的比例。3結果分析3.1林分直徑研究3.1.1直徑分布隨徑級分布為研究南渡江流域木麻黃人工林直徑分布總體變化規(guī)律,將6塊標準地的木麻黃直徑數據進行合并,繪制木麻黃的徑階分布株數圖(圖1)。由圖1可以看出,木麻黃人工林林分平均胸徑為11.6cm,變幅為3.4~21.3cm,直徑分布范圍較小。直徑分布呈單峰左偏山狀分布,徑級結構的變化規(guī)律為:隨著徑階的增大,株數開始逐漸增加,在10cm徑階處達到最大值,之后開始減少。其中,6cm徑階到12cm徑階的林木株數所占比重最多,累計百分比已達到75.8%,大徑階株數分布很少。根據外業(yè)調查發(fā)現,在澄邁永發(fā)及定安境內河道兩旁的木麻黃林被大面積砍伐,且南渡江下游非法采沙嚴重,兩岸土壤沙化嚴重,導致立地條件衰退、林相層次不齊,這些都是造成木麻黃人工林生長緩慢的主要原因。3.1.2南渡江木麻黃的直徑分布應用上述兩種概率密度函數和調查數據,采用Forstat軟件對6塊樣地的直徑分布進行計算,結果見表2。X2檢驗的結果表明,6塊樣地的直徑分布均服從Weibull分布、正態(tài)分布。其中,1號標準地的擬合效果最好,其次是3號、6號樣地,2號、4號樣地擬合效果一般,5號樣地的擬合效果最差。結合圖1可以發(fā)現,木麻黃樣地的直徑分布近似呈正態(tài)分布,這與擬合檢驗結果完全相符?？傮w來看,所有樣地的林分直徑分布規(guī)律呈單峰山狀分布曲線,中等大小的林木株數比例最大,并向兩端徑階逐漸減少。從兩種分布函數的擬合效果來看,Weibull分布函數的擬合精度要略高于正態(tài)分布,但差異不顯著。Weibull分布函數的參數見表3,結合表2、表3對南渡江木麻黃直徑分布特征進行分析。6塊標準地的削度均為負值,說明木麻黃人工林直徑分布的離散程度較大;2號、3號、5號和6號樣地的偏度為正值,且Weibull參數值c均在1~3.6范圍內,表明分布曲線頂峰偏左,中、小徑階的林木占多數;1號、4號標準地的偏度為負值,且c值均大于3.6,說明直徑分布右偏,樣地內中、大徑階的林木較多。3.2樹高結構研究3.2.1樹高生長規(guī)律根據樣地調查,木麻黃人工林林分平均樹高為13.6m,變幅為5.2~23.5m,全距18.3m。將6塊樣地的樹高數據合并,并按2m樹高距分組,木麻黃樹高分布見圖2。由圖2可以看出,南渡江木麻黃人工林樹高的基本規(guī)律為:隨著樹高的增高,株數逐漸增加,在12m處達到最高值,隨后株數開始逐漸減少。林木樹高分布范圍較廣、跨度較大,從5.2~23.5m均有分布,其中,8~16m高階的株數最多,累計百分比已達82.59%,樹高在20m以上的林木株數很少。從總體上看,木麻黃人工林樹高分布符合一般人工林樹高分布規(guī)律。3.2.2木麻黃樹高分布特征采用Weibull分布和正態(tài)分布對木麻黃人工林樹高進行擬合,計算結果見表4。X2檢驗的結果表明:6塊樣地的樹高分布均服從Weibull分布、正態(tài)分布,擬合精度排序為:樣地1號>樣地6號>樣地3號>樣地5號>樣地4號>樣地2號;兩種分布函數相比,Weibull分布擬合精度優(yōu)于正態(tài)分布。表5列出了木麻黃樹高Weibull分布的參數值,由表4、表5可以發(fā)現:6塊樣地的削度均為負值,說明木麻黃人工林樹高分布的離散程度較大,在樹高級上分布比較均勻,分布形狀較正態(tài)分布平坦。2號、5號和6號樣地的偏度大于0且c值在1~3.6范圍內變動,表明樹高分布曲線頂峰偏左,低矮、中等樹高的林木占多數;1號、3號和4號樣地的偏度小于0且c值均大于3.6,表明樹高分布曲線右偏,高大林木占多數,這與直徑擬合結果相一致。3.3地下植被多樣性研究3.3.1灌木層豐富度表6列出了6塊樣地的灌木層物種多樣性變化。據調查,木麻黃林下灌木層物種包括南酸棗(Choerospondiasaxillaris)、荊條(Vitexnegundovar.heterophylla)、冬青(Ilexchinensis)、山油柑(Acronychiapedunculata)、野葛(Puerarialobata)、倒吊筆(Wrightiapubescens)、馬藍(Strobilanthescusia)等。由表6可以看出:6塊典型樣地的灌木層物種豐富度為0~8,香農-威納爾指數為0~1.52,均勻度指數為0~0.95。其中,6號樣地的物種豐富度最大,其對應的香農-威納爾指數也最高;2號樣地的均勻度指數最大,但物種豐富度較少。3號樣地的灌木層豐富度為0,其原因是該樣地土壤沙化較嚴重,立地條件惡劣,致使林下植被數量減少。總體來說,木麻黃人工林灌木層物種豐富度低且分布不均勻。3.3.2不同立地條件對木麻黃林下物種豐富度和均勻度的影響表6還列出了6塊樣地的草本層物種多樣性變化。木麻黃林下草本層物種包括鬼針草(B.pilosa)、鳥巢蕨(Aspleniumantiquum)、南海鐵角蕨(Aspleniumloriceum)、狗甘菜(Diclipterachinensis)、茜草(Rubiacordifolia)、假臭草(Praxelisclematidea)、卷柏(Selaginellatamariscina)、翠云草(Selaginellauncinata)、淡綠短腸蕨(Allantodiavirescens)、柊葉(Phryniumrheedei)、雙蓋蕨(Diplaziumdonianum)等。由表6可以看出:木麻黃草本層豐富度為6~10,香農-威納爾指數1.45~1.64,均勻度指數0.71~1.03;6號樣地的物種豐富度最大,其香農-威納爾指數和均勻度指數也最高;1號、2號、4號和5號樣地的物種豐富度和香農-威納爾指數差異不大,但5號樣地的均勻度指數最小,說明5號樣地草本層分布不均勻;3號樣地的物種豐富度和香農-威納爾指數最小,但均勻度指數較高,分布較為均勻,草本層優(yōu)勢種競爭不顯著。與灌木層相比,南渡江木麻黃人工林草本層生長較灌木層茂盛。4木麻黃人工林密度和多樣性1)運用Weibull分布函數和正態(tài)分布函數進行直徑、樹高擬合的結果表明:兩種分布函數都能很好地擬合木麻黃人工林直徑分布和樹高分布,且Weibull分布函數的擬合精度略優(yōu)于正態(tài)分布。兩種分布函數均可用于南渡江木麻黃人工林直徑、樹高分布結構預測。2)南渡江木麻黃人工林林下植被組成簡單,多樣性較低,且草本層生長較灌木層茂盛。灌木層物種豐富度為0~8,香農-威納爾指數為0~1.52,