基于heghi简单竞争指数模型的林木竞争模式研究

基于heghi简单竞争指数模型的林木竞争模式研究

1研究区域的总结1.1自然森林经营模式20世纪80年代和90年代，“封闭天然林”在欧洲大陆上很受欢迎，尤其是在中欧。近自然林业可表达为“在确保森林结构关系自我保存能力的前提下遵循自然条件的林业活动”,是兼容林业生产和森林生态保护的一种经营模式。基于对林木竞争关系分析,采用单株择伐作业体系是近自然森林经营的重要特征和主要技术之一。20世纪60年代以来,一些学者为了更准确地预测林木生长,相继提出了许多描述林木竞争的数学模型,其中Hegyi(1974)提出的与距离有关的简单竞争模型能有效地描述林木生长与生存空间的关系,并得到了广泛的应用。1.2森林、森林条件清原满族自治县国营大边沟林场位于清原满族自治县东南部,地理位置为124°59′-125°10′E、41°59′-42°04,总经营面积4677.4hm2。区内平均海拔500~600m,年平均气温5℃左右,年降水量700~800mm,土壤以棕色森林土为主,森林主要以人工针叶林和天然次生林为主,柞树天然次生林占绝对优势。选取该林场的林分施业法试验区为研究对象,基于近自然林业经营理念,利用Hegyi简单竞争模型定量分析了3种不同密度林分竞争指数与胸径的关系、林木胸径生长量与竞争指数的关系以及林木种内与种间竞争关系,为下一步模拟林分生长和对天然次生林的经营提供科学依据。2材料和方法2.1各优良木种造林试验地设置于清源县大边沟林场萝卜地沟,属于天然林择伐林冠下更新示范林,主要树种有蒙古栎(Quercusmongolica)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、红松(Pinuskoraiensis)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、黄菠萝(Phellodendronamurense)、色树(Acermono)、山杨(Populusdavidiana)、花曲柳(Fraxinusrhynchophylla)、槐树(Sophorajaponica)、白桦(Betulaplatyphylla)、紫椴(Tiliaamurensis)、黄榆(UlmusmacrocarpaHance)等,面积为5.75hm2,2010年春季进行全林检尺和每树标记,将立木标记为目标树(Z),干扰树(B)和保留木。2010年冬季开展伐树作业(伐去干扰木)和清理林下作业,2011年春季进行林下造林作业,按2m×2m株行距栽植冷杉和云杉。为探求目标树最优生长空间,根据具体林分结构和发育阶段,采用近自然育林方法,设计了3种不同目标树期望密度,并以此确定了3种林分密度(A、B、C)(表1)。2.2ddbh5m实验方法在3个密度区内各设置2块2230m的标准地,6个标准地均设在坡中腹,坡度在20~32°之间,海拔在540~550m之间;对标准地中DDBH≥5cm林木进行每木定位测量(确定x,y坐标),记录标准地内所有林木编号、树种、胸径和生长状态。各标准地如表2所示。其中蒙代表蒙古栎(作为研究的对象木),胡代表胡桃楸,花代表花曲柳,桦代表白桦,黄代表黄菠萝,槐代表槐树,色代表色树,杨代表山杨,椴代表紫椴,红代表红松,水代表水曲柳,榆代表黄榆。2.3连接:竞争木讨论,竞争模型的建立选择标准地内优势树种蒙古栎作为对象木,其余树种作为竞争木。在竞争范围的选取上,将对象木周围一定范围内的邻体作为它的竞争木,借鉴Hegyi及国内文献选择半径范围为5m。当对象木到最近邻体的距离大于它到样地边界的最近距离时,需要进行边缘校正,方法是将这些林木不作为对象木,而只作为竞争木讨论,对象木只在距离边缘5m的样方内选取,而距离边缘5m以内的林木只作为竞争木讨论。本研究采用的竞争指标是Hegyi(l974)简单竞争模型:式中,CIi:竞争指数,Di:对象木的胸径,Dj:竞争木的胸径,Lij:对象木与竞争木之间的距离,n:竞争木的株数;CI:对象木竞争指数,N:对象木的株数。模型表明:CIi和CI的值越大,表明林木之间竞争越激烈,反之,竞争越弱。3结果与分析3.1蒙古栎竞争强度模型A区共测得对象木11株,竞争木4种20株;B区共测得对象木15株,竞争木9种36株;C区共测得对象木21株,竞争木8种53株。对象木的径级分布和各径级受到的竞争强度如表3所示。在3个密度区中,从纵向来看,随着蒙古栎胸径逐渐增大,平均竞争指数随之逐渐减小,说明随着蒙古栎个体的发育,胸径不断增大,蒙古栎自身竞争能力逐渐增强,周围竞争木对蒙古栎的竞争强度逐渐减弱。从横向来看,随着林分密度增大,蒙古栎各径级受到的竞争强度有随之增大的趋势,说明林分密度越大,优势种群受到的来自周围竞争木的压力越大。林木的竞争能力受多种因素制约,如所处发育阶段、植株个体大小、个体生活力的高低、周围植株个体对它的影响等,其中个体胸径的大小对竞争能力影响较大。以竞争指数为因变量,对象木胸径为自变量,对竞争指数与对象木胸径的关系进行回归拟合,发现幂函数的相关系数最大,证明幂函数为较优的回归模型,此结果与前人的研究结果基本一致。具体表达式为:式中,CIi:竞争指数,Di:对象木胸径,A、B:模型参数。模型拟合结果见表4。经检验,相关系数R均达到极显著水平。说明对象木的胸径越大,其受到的来自周围竞争木的竞争影响越小。即对象木个体越大,其附近一定范围内生长的其他个体越少,竞争木与对象木之间的竞争就越弱。由图1可知,蒙古栎受到的竞争强度随个体的增大而降低。当对象木胸径达到30cm以上,竞争强度趋于稳定,维持在较低水平。3.2不同密度林分蒙古栎生长量变化的差异以对象木蒙古栎年均胸径生长量Dh为因变量,竞争指数CIi为自变量,分析了对象木胸径生长量与竞争指数之间的关系,通过对几种数学回归模型的比较,发现对数函数的拟合效果最佳:模型拟合结果见表5。经显著性检验,相关系数R均达到极显著水平。从图2可以看出,竞争指数越大,蒙古栎的胸径生长量越小。说明蒙古栎的生长受到竞争木的数量、大小和离对象木距离的影响。即竞争木越多,个体越大,离对象木越近,其对对象木的竞争越激烈,对象木的生长量就越小。为了进一步探讨不同密度林分对象木生长量与竞争指数之间的关系,分析了3种不同密度林分蒙古栎年均胸径生长量与平均竞争指数之间的关系,如表6所示。可以看出,随着林分密度增大,对象木蒙古栎的平均竞争指数随之增大,年均胸径生长量随之降低。说明林分密度越大,林分的郁闭度越大,林木竞争生存资源空间也就越激烈,林木生长量也就越低。3.3蒙古栎种内竞争强度在林分生长过程中,对象木不仅受到来自蒙古栎种内的竞争压力,并且周围伴生树种在争夺水、热、光等自然资源时也对柞树产生了巨大的竞争压力,且不同伴生树种对蒙古栎的竞争强度存在较大差别,如表7所示。可以看出,A区蒙古栎种内竞争强度为4.03,其他伴生树种的竞争指数总和为6.79,种内及其与主要伴生树种种间的竞争强度排序为:花曲柳>蒙古栎>胡桃楸>榆树;B区柞树种内竞争强度为13.95,其他伴生树种的竞争指数总和为8.54,种内及种间竞争强度排序为:蒙古栎>色树>花曲柳>椴树>黄菠萝>胡桃楸>杨树>榆树>红松;C区蒙古栎种内竞争强度为20.76,其他伴生树种的竞争指数总和为12.6,种内及种间竞争强度排序为:蒙古栎>椴树>胡桃楸>红松>花曲柳>槐树>色树>榆树。从以上结果中可以看出,A区蒙古栎的种内竞争指数低于其伴生树种的竞争指数总和,说明A区种内竞争低于种间竞争,这是由于该区林分密度较低,林木株数较少且分布稀疏,优势树种蒙古栎并没有呈现出明显的聚集分布,导致种内竞争相对较小;B区和C区蒙古栎的种内竞争指数均高于其伴生树种的竞争指数总和,说明2个区中种内竞争大于种间竞争,而且C区种内竞争指数高于B区,说明在天然蒙古栎次生林中,林分密度越大,优势树种蒙古栎呈现聚集分布的趋势越强,种内竞争强度也就越大。物种之间的竞争能力主要取决于种内的生态习性、生态幅度以及其在生态系统中的生态位。生态习性越相近的种,其种间竞争越剧烈。当一个种处于其最适生态位,在生态系统中占有主导地位时,竞争能力最强。在天然蒙古栎次生林中,各密度区林木树种和数量分布具有一定的随机性,从表7中可以看出,低密度区中蒙古栎与花曲柳之间的竞争较为剧烈;中密度区中,对优势树种蒙古栎产生较大竞争影响的是色树、花曲柳、椴树、黄菠萝;高密度区中,对蒙古栎产生较大竞争影响的是椴树、胡桃楸和红松。4密度对蒙古栎生长量的影响选取清原满族自治县大边沟林场的林分施业法试验区为研究对象,从近自然林业经营理念出发,讨论了3种不同密度下的林木竞争关系。为了探求林分近自然经营模式,利用Hegyi简单竞争指数模型从竞争指数与对象木胸径的关系、胸径生长量与竞争指数的关系以及种内与种间竞争关系3个指标进行了论证。对竞争指数与对象木胸径大小之间的关系分析发现,对象木的个体胸径越大,竞争木对对象木的竞争强度就越小;随着林分密度增大,各个径级所受到的竞争强度也随之增大;当对象木胸径达到30cm以上,竞争强度趋于稳定,维持在较低水平。因此,在近自然森林经营过程中应加强对中小径级的干预,在蒙古栎胸径达到30cm之前,定期确定并伐除与其竞争的树木,通过择伐来减轻植株间的竞争消耗,保证目标树健康生长,实现林分质量的不断改进。对对象木胸径生长量与竞争指数之间的关系分析发现,竞争指数越大,蒙古栎的胸径生长量越小;林分密度越大,对象木蒙古栎受到的竞争强度越大,平均胸径生长量就越低。因此,保持合理密度,提高林木生长量是近自然森林经营的重要措施,在天然次生林经营过程中,应加强林分密度控制,去弱留强加以疏伐,实现林分整体最大生长量。从种内竞争与种间竞争的分析来看