林分结构三维特性研究进展

林分结构三维特性研究进展

支架结构是支架特征的重要组成部分。林分内树种的不同组成及其空间分布的不同格局构成了林分的空间结构。林分空间结构是森林生态系统的主要属性之一。决定了树木之间的竞争优势极其空间生态位,在很大程度上决定了林分的稳定性、发展的可能性和经营空间的大小。林分空间结构分析作为现代森林经营的基础,已在森林可持续经营中得到高度重视。林分空间结构通常从3个方面加以描述:1)林木个体在二维水平方向的分布形式,即林木空间分布格局;2)树种空间隔离程度;3)林木个体大小分化程度,如直径、树高结构分布。但是,直径、树高、Shannon指数等一维结构因子在很大程度上忽略了林分空间结构特性,而且也并未涉及不同林分间结构异质性的定量比较。空间分布格局只是描述二维水平方向上林木间的相对位置关系,没有考虑到不同林木的大小变化,林木的胸径或树高等因子的差异并未在林分空间格局中得到反映。EricK.Zenner和DavidE.Hibbs建立了一种林分三维结构分析模型,并且把林分水平结构和垂直结构整合为一个指数-结构异质性指数(SCI)。借用景观生态学中空间异质性、斑块、垂直梯度等概念,量化分析、比较不同林分的空间结构异质性和复杂性。本文应用该三维结构模型分析和比较不同林分的结构异质性,在林分水平上研究森林三维结构。1材料和方法1.1叶、阔叶树种及立木空间结构调查吉林省汪清林业局金沟岭林场(130°5′~130°20′E,43°17′~43°25′N)地处长白山西北坡图们江上游发源地。该场地貌属低山丘陵地带,海拔为550~1100m。该区主要针叶树种有:红松、冷杉、云杉、长白落叶松等。阔叶树种主要有:白桦、杨树、榆树、水曲柳、柞树、椴树、色木、枫桦等。金仓林场,共有150个林班,2647个小班,总面积33640hm2。林业用地主要类型有落叶松林、白桦林、杨树林、混交林、臭松林、采伐迹地、柞树林等。选用金沟岭林场2个林分和金仓林场1个林分作为研究对象,3个林分分别是原始林、原始次生林和柞树纯林。选择具有代表性的典型地段设立标准地进行立木空间结构调查。采用全面调查法,调查样地内所有大于起测径阶(5cm)的林木特征值,包括树木的相对X、Y坐标、树种、胸径、树高、冠幅等。各林分具体情况见表1。1.2森林系统异质性与斑块在景观生态学中,Kolasa和Pickett将空间异质性定义为某种生态学变量在空间分布上的不均匀性及复杂程度,是空间斑块性(patchness)和垂直梯度(gradient)的综合反映。Li和Reynolds则认为,空间异质性可根据2个组分来解释,即所研究景观的系统特征及其复杂性和变异性。斑块则指的是外观上不同于周围环境的非线性地表区域。借用景观生态学中的概念,EricK.Zenner和DavidE.Hibbs把林分结构异质性定义为,依赖于空间尺度的相邻林木的三维结构分布。由于林分可由斑块间的特定空间关系来区分,斑块可看做是森林结构异质性的重要组分。在林分水平内,“斑块”被定义为树高差小于一给定值的相邻树木的集合,“斑块类型”定义为处于树冠层中一定高度层的斑块,“垂直梯度”定义为组成三角形的3株相邻树木的最大树高差。这样,林分可以看成由斑块组成的结构镶嵌体。1空间分布格局是相对于现代空间格局的一个重要概念林木个体的空间分布格局是指林木个体在水平空间的配置状况或分布状态,反映了林木个体在水平空间上彼此间的相互关系。林木分布格局是种群空间属性的重要方面。格局研究可以对种群和群落的水平结构进行定量描述,也可以说明其动态变化。空间分布格局是建立在点过程理论基础上的空间分析方法。空间点格局是描述林木个体在样地中相对位置的数学模型。空间格局基本的分布类型有3种:随机分布、均匀分布和群团(集群)分布。抽样的关系,空间分布格局分析的结果与选定的尺度有关。本文选用基于聚集指数R的最近邻分析法、Ripley’sK函数对各林分进行空间点分布格局分析,见表2。2林分垂直结构模型基于树木位置的空间镶嵌(spatialtessellation)概念,把每株树都看成是三维空间(x,y,z)中的一个不规则的空间数据点,其中x、y为每株树的水平位置坐标,z为每株树的其它属性(树高或胸径)。3株相邻木在三维空间中组成一个三角面,整个林分组成一个镶嵌状、非重叠的不规则三角网(triangulatedirregularnetwork)。不规则三角网建立遵循Delaunay法则。由此提出了一个基于林分垂直结构和邻接木距离的指数SCI,来直接比较不同林分空间结构异质性大小的差异。SCI定义为林分中所有不规则三角网的表面积(S)与其投影面积(AT)之比。SCI=SAT‚S=∑i=1N12|ai×bi|SCΙ=SAΤ‚S=∑i=1Ν12|ai×bi|其中:AT为不规则三角网投影面积之和;i=1,2,…;N是实验样地的三角形数量;|ai×bi|为矢量乘积AB的绝对值;ai=(xib-xia;yib-yia,zib-zia),矢量AC坐标bi=(xic-xia,yic-yia,zic-zia)。通过结合林木z坐标和x,y坐标,矢量乘积之和就给出不规则三角网表面积之和S。同时,依据每个三角形所属的树高层和垂直梯度(最大树高差异:△Zmax),定义斑块类型。根据各林分的基本信息,划分了3个树高级和4个垂直梯度级,并由此划分了18个斑块类型。具体情况见表3。Shannon-Weaver指数是描述物种多样性的重要指数。林分树高多样性、垂直梯度多样性、斑块类型多样性由Shannon-Weaver方程得到:H′=∑i=1NpilnpiΗ′=∑i=1Νpilnpipi是第i个树高级中林木所占比例、第i个垂直梯度级中三角形所占比例、第i个斑块类型中三角形数量所占比例。2结果与分析2.1不同密度林分的ripctor-k函数空间格局聚集指数R,把目标木到最邻近林木的平均距离与随机或泊松分布期望的平均距离相关联,范围介于0和2.15(正六角形格局)之间。计算各林分聚集指数R,其值分别为:原始林0.98,原始次生林0.91,柞树纯林0.72(表4)。Ripley’K函数可以确定不同距离尺度下的空间分布格局,文中把距离尺度t定为50m,即各林分样地最大边长。各林分Ripley’k函数值分别为:原始林-28.35,原始次生林-28.24,柞树纯林-34.11(表4)。应用聚集指数R和Ripley’sK函数对各林分进行分析得到的结果表明:在50m的空间尺度下,原始林、原始次生林、柞树纯林的聚集指数R都小于1,Ripley’k函数值都小于0。因此3个林分都属于集群分布,空间分布格局见图1。原始林和原始次生林的聚集指数R值、Ripley’sK函数L值都比较接近,两个林分的水平聚集程度比较相似,水平结构的差异难以得到体现。2.2各所属树生长方向垂直梯度是对各斑块最大树高差异的描述。垂直梯度值越大,斑块内树高差异越大。斑块类型数量则反映了林分内斑块类型的丰富程度。垂直梯度和斑块类型都是对林分垂直结构的描述。垂直梯度只考虑林木间最大树高差,斑块类型还要考虑到各林木所属树高级。各林分垂直梯度和斑块类型数量见表5。由表5中可以看出,原始林的平均垂直梯度7.67m,最大垂直梯度为24.50m,平均斑块类型数量为12.60,在3个林分中都是最大的;其次是原始次生林,平均垂直梯度、最大垂直梯度、平均斑块类型数量分别为6.58m,21.8m,10.57;柞树纯林的值则是最小的,平均垂直梯度、最大垂直梯度、平均斑块类型数量分别为5.36m,16.4m,8.13。这表明,原始林各斑块内和各斑块间的树高差异是最大的,垂直结构异质性是最大的,垂直结构最复杂。其次是原始次生林,而柞树纯林的垂直结构异质性则是最小的。2.3斑块类型多样性指数Shannon-Weaver多样性指数是对物种数量多样性程度的描述。树高多样性指数描述的是各树高级间林木株数的差异程度,垂直梯度多样性指数描述的是各垂直梯度间斑块数量的差异程度,斑块类型多样性指数描述的是各斑块类型间斑块数量的差异程度。由于树高、垂直梯度、斑块类型都是对林分垂直结构的描述,各自的多样性指数则是从多样性的角度描述林分垂直结构异质性。各林分多样性指数见表6。由表6可以看出,各林分树高多样性指数、垂直梯度多样性指数、斑块类型多样性指数由大到小依次为原始林、原始次生林、柞树纯林。这表明,原始林的各树高级间的林木数量差异、各垂直梯度间的斑块数量差异、各斑块类型间的斑块数量差异都是最大的。其次是原始次生林,差异最小的是柞树纯林。2.4元结构模型下各林分把控下的质量差异结构异质性指数SCI整合了林分垂直结构和水平结构,SCI值的大小反映了林分三维结构异质性大小。依据SCI指数的定义可知,林分内相邻林木间水平距离和树高差异都对SCI值具有重要影响。依据delaunay法则,建立各林分不规则三角网(图2),进而求算SCI指数。各林分SCI指数由大到小依次为:原始林4.03、原始次生林3.16、柞树纯林2.74。这表明,原始林的空间结构异质性最大,结构最复杂,林木间差异最大。其次是原始次生林,而柞树纯林结构异质性最低。而且,各林分SCI值相差比较大,能够很明显地区分各林分结构异质性大小。各林分,尤其是原始林与原始次生林,水平聚集程度差别并不大,空间分布格局相同。因此,水平结构对SCI指数的影响并不十分显著。各林分SCI指数之间的显著差异更多地受到林分垂直结构差异的影响。3林分三维结构异质性评价本文应用林分三维结构分析模型,来分析林分三维结构异质性。空间格局分析表明3个林分都属于聚集分布,但是原始林和原始次生林的聚集程度比较接近,不能体现二者的结构差异。垂直梯度、斑块类型数量及其多样性指数从不同角度描述了林分垂直结构异质性。SCI指数则对林分三维结构异质性给出整体度量。通过空间格局分析、垂直结构指数和SCI指数,综合分析、比较各林分空间结构异质性及其差异。应用垂直梯度、斑块类型数量及其多样性指数和SCI指数对各林分进行量化分析得到的结果是一致的。原始林的水平聚集程度、垂直结构和三维结构异质性都是最大的,其次是原始次生林,最小的则