董莉莉,劉紅民,汪成成,殷方升,高英旭,丁 磊,陸愛君

(1.遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院,沈陽 110032；2.遼寧省公共資源交易中心,沈陽 110001；3.遼寧省森林經(jīng)營研究所,遼東 丹東 118002)

林分結(jié)構(gòu)是研究森林結(jié)構(gòu)的基本單元,既是森林經(jīng)營和分析中的重要因子,也是實施森林經(jīng)營活動的具體對象。提高林分結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性,被認(rèn)為是實現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性維持和增加的基礎(chǔ),是實現(xiàn)精準(zhǔn)提升森林質(zhì)量的有效途徑,一直是森林經(jīng)營研究的重要問題[1]。目前,關(guān)于林分結(jié)構(gòu)的研究主要集中在不同森林類型樹種組成[2-3]、年齡結(jié)構(gòu)、徑級結(jié)構(gòu)[4]和空間結(jié)構(gòu)特征[5-7]的簡單描述,以及林分結(jié)構(gòu)對林下植被多樣性[8]、生產(chǎn)力[9-10]和土壤養(yǎng)分[11]的影響等方面,關(guān)于森林經(jīng)營措施對林分結(jié)構(gòu)尤其是林分空間結(jié)構(gòu)影響的報道尚不多見,而探究森林經(jīng)營活動對林分結(jié)構(gòu)的影響對實現(xiàn)森林可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

蒙古櫟(Querusmongolica)為殼斗科(Fagaceae)櫟屬(Quercus)落葉高大喬木,是我國東北、華北山地森林的主要建群樹種[12]。由于長期不合理的森林經(jīng)營,導(dǎo)致遼東山區(qū)蒙古櫟林群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能不斷退化,以中、幼齡林居多[13],存在結(jié)構(gòu)單一、穩(wěn)定性差、生產(chǎn)力和生態(tài)功能低等問題。如何通過科學(xué)、合理的經(jīng)營措施,改善林分結(jié)構(gòu),提高林分質(zhì)量,充分發(fā)揮其生態(tài)和經(jīng)濟效益是丞待解決的問題。本研究以遼東山區(qū)蒙古櫟天然次生林為研究對象,分析擇伐強度對蒙古櫟天然次生林生長和林分結(jié)構(gòu)的影響,探討林分經(jīng)營的合理擇伐強度和擇伐方式,以期為實現(xiàn)蒙古櫟次生林高效、穩(wěn)定、可持續(xù)經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省本溪縣堿廠林場,地理位置為41°7′～41°17′N,124°27′～124°38′ E,屬于中溫帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)。年均溫5℃；年均降水量1 082mm,降水量分布不均勻,7—8月降水量占全年的55%；無霜期125d。屬于長白山山脈的余脈,土壤為典型的棕色森林土和暗棕色森林土。喬木層主要樹種有蒙古櫟、花曲柳(Fraxinusrhynchophylla)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、紫椴(Tiliaamurensis)、紅松(Pinuskoraiensis)、色木槭(Acerpictum)、春榆(Ulmusdavidianavar.japonica)等；林下灌木主要有衛(wèi)矛(Euonymusalatus)、龍牙楤木(Araliaelata)、胡枝子(Lespedezabicolor)、東北山梅花(Philadelphusschrenkii)等；常見的草本植物有五味子(Schisandrachinensis)、尾葉香茶菜(Rabdosiaexcisa)、水金鳳(Impatiensnoli-tangere)、蕁麻葉龍頭草(Meehaniaurticifolia)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置和調(diào)查

2012年在全面踏查的基礎(chǔ)上,選擇立地條件和生長狀況基本一致的52a生蒙古櫟天然次生林,按蓄積量計算,設(shè)置3種采伐強度的作業(yè)區(qū)(強度采伐(40%),中度采伐(29%)和對照(0%)),不同作業(yè)區(qū)間設(shè)置50m隔離帶。依據(jù)間密留疏,留優(yōu)去劣的原則,去除被壓木、瀕死木和枯立木及干形不良的干擾樹。采伐后樣地情況如表1所示。在每塊作業(yè)區(qū)內(nèi)設(shè)置25m×40m的標(biāo)準(zhǔn)地,對標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)胸徑≥5cm的林木進行每木檢尺,記錄樹種名稱、位置、胸徑、樹高、冠幅、枝下高及生長情況,每隔2～3年復(fù)測1次。同時,在各標(biāo)準(zhǔn)地的四角和中心分別設(shè)置面積為2m×2m的灌木樣方和1m×1m的草本樣方(共設(shè)置了15個灌木和15個草本樣方),并對樣方內(nèi)灌木、草本及更新情況進行調(diào)查,同樣也是每隔2～3年復(fù)測1次。

表1 伐后樣地基本情況Tab.1 Basic situations of sample plots after cutting

2.2 指標(biāo)計算

2.2.1材積與蓄積量

采用遼寧東部林區(qū)柞樹、軟闊和硬闊一元立木材積表計算各樹種材積,樣地內(nèi)所有樹種單株材積之和為全林分蓄積,然后換算成每公頃蓄積量。

采用Huang[14]提出的北方森林的生長季算法,即將1—4月,5月,6月,7月和8—12月分別定義為0,0.2,0.5,0.9和1個生長季,計算采伐后不同時間林分的蓄積年生長率。

蓄積年生長率采用普雷斯特公式[15]計算,即:

(1)

式中:Pn為n年間的蓄積量年均生長率；ya和ya-n分別為a和a-n年的蓄積量。

2.2.2林分空間結(jié)構(gòu)指數(shù)

選取混交度、角尺度、Hegyi競爭指數(shù)作為表達林分空間結(jié)構(gòu)的參數(shù)。同時為消除邊緣效應(yīng)對林分空間結(jié)構(gòu)的影響,設(shè)置2m緩沖區(qū)。本研究空間結(jié)構(gòu)單元數(shù)n取4。

1)混交度定義為與中心木不屬同種的相鄰木占所考察相鄰木的比例[16],其公式為:

(2)

式中:Mi為第i株目標(biāo)樹的混交度；n為相鄰木數(shù)量；vij取值為

2)角尺度定義為夾角小于標(biāo)準(zhǔn)角(取值為72°)的個數(shù)占所考察相鄰木的比例[17],其公式為:

(3)

式中:Wi為第i株中心木的角尺度；n為相鄰木數(shù)量；zij取值為

3)競爭指數(shù)。采用Hegyi簡單競爭指數(shù)[18]計算林木所承受的競爭壓力,用四鄰木法確定競爭木,計算公式為:

(4)

式中:CIi為對象樹i的簡單競爭指數(shù)；Di為對象樹i的胸徑；Dj為對象樹周圍第j競爭樹的胸徑(j=1,2,3,4)；DISTij為對象樹i與競爭樹j之間的距離。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

利用SPSS 20.0軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)、差異顯著性檢驗和Duncan多重比較；利用Excel 2013進行作圖；采用ArcGIS對林分的空間結(jié)構(gòu)進行分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 采伐對林分生長的影響

3.1.1林分平均胸徑生長變化

分析林分胸徑生長動態(tài)可知,強度、中度采伐,其林分平均胸徑在采伐后的各個生長階段均高于對照,且隨著采伐強度的增加而增大。在伐后7年,強度、中度采伐林分平均胸徑分別比對照增長6.9cm和5.2cm(圖1)。在林分胸徑定期生長量方面(圖2),強度、中度采伐在伐后前5年均明顯高于對照,而在伐后5—7年間均低于對照,主要是由于在這期間大量小徑木枯死,導(dǎo)致林分平均胸徑和胸徑生長量大幅增加所致。7年間胸徑增加量表現(xiàn)為:強度采伐最大,為3 cm；其次中度采伐,為2.7cm；對照最少,為2.6 cm。由此可知,采伐促進了林分胸徑的生長,且表現(xiàn)為采伐強度越強,胸徑生長量越大。

圖1 不同采伐強度蒙古櫟林胸徑生長過程Fig.1 DBH growth process in Q.mongolica forests with different cutting intensity

圖2 不同采伐強度蒙古櫟林胸徑定期生長量Fig.2 Periodical increment of DBH in Q.mongolica forests with different cutting intensity

3.1.2林分單株材積生長

方差分析結(jié)果表明,強度、中度采伐活立木單株材積在伐后不同生長階段均顯著高于對照(P<0.05),在伐后7年,分別為對照的1.8倍、1.5倍；在單株材積生長量方面,強度、中度處理顯著高于對照(P<0.05),分別比對照增加41.5%,15.4%,且強度、中度采伐之間差異也顯著(P<0.05)(表2):

表2 不同采伐強度單株材積比較Tab.2 Multiple comparison of volume per plant at different cutting intensities m3

可見,采伐促進單株活立木材積的增加,且采伐強度越大,單株材積生長量越大。

3.1.3林分蓄積生長變化

由表3可知:采伐樣地林分蓄積量較對照均有不同程度的減小,采伐當(dāng)年,強度、中度采伐林分蓄積量分別低于對照22.68%和17.42%；但采伐促進了林分蓄積生長加快,伐后7年,強度、中度采伐蓄積分別增加了38.36m3/hm2和43.47 m3/hm2,高于對照(21.61 m3/hm2)77.51%和101.06%。進一步分析林分蓄積生長率可知:除強度采伐在伐后初期(2年),由于采伐時砸傷的部分林木枯死,導(dǎo)致林分蓄積生長率低于對照外,其它生長階段,采伐樣地林分蓄積生長率均高于對照；伐后7年,林分平均蓄積生長率表現(xiàn)中度采伐>強度采伐>對照。綜上,說明了采伐雖然降低了林分的蓄積量,但能夠提高林分蓄積生長速度。同時研究還發(fā)現(xiàn),強度采伐在采伐初期(伐后2年),林分蓄積生長率較低。

表3 不同生長階段蒙古櫟林蓄積和蓄積年生長率Tab.3 The volume and annual growth percentage of volume of Q.mongolica forests at different growth stages

3.1.4林分徑級結(jié)構(gòu)變化

不同采伐強度林分各生長階段徑級分布如圖3所示。強度和中度采伐林木徑級分布曲線呈單峰型曲線,對照為多峰曲線,且各樣地均表現(xiàn)為隨時間的推移,小徑級林木逐漸減少,中大徑級林木逐漸增加。采伐7年后,強度、中度采伐樣地胸徑≥26cm徑級林木所占比例明顯高于對照,表現(xiàn)為強度采伐>中度采伐>對照；而胸徑≤14cm徑級林木所占比例明顯低于對照,僅為2.08%和0%(圖4)；強度采伐在36cm和38cm徑級均有一定比例的林木,中度采伐主要集中在24～30cm徑級范圍內(nèi)。

圖3 各樣地不同生長階段林分徑級分布Fig.3 Distribution of stand diameter class at different growth stages in all plots

圖4 采伐7年后林分徑級結(jié)構(gòu)分布Fig.4 Distribution of stand diameter class after cutting for 7 years

總體上來看,采伐促進了林木徑級分布曲線逐漸向右偏移,且采伐強度越大,右偏幅度越大。表明采伐有助于提高中、大徑級林木比例,且采伐強度越大,大徑級林木比例越高。

3.2 采伐對林分枯死率的影響

比較不同生長階段林分枯死率可知(表4),強度采伐在采伐初期(伐后2年),枯死率相對較高,為4%,此后,各間隔期枯死率均為0；中度采伐在伐后的5年內(nèi)枯損率均為0,而后在5—7年間的枯損率為1.61%；對照在伐后0—2年內(nèi),枯損率相對較低,為1.59%,但隨后的2—5年和5—7年枯死率均大于10%。伐后7年,林分總枯死率表現(xiàn)為對照>強度采伐>中度采伐,強度、中度采伐樣地枯死率僅為對照的18.00%和7.20%。由此可知,采伐能夠在很大程度上降低林分的枯死率,提高林分質(zhì)量,但采伐強度過大,在采伐初期林分的枯死率較高。

表4 不同采伐強度各間隔期林分枯死率Tab.4 The rate of tree mortality in different interval with different cutting intensity %

3.3 采伐對林分空間結(jié)構(gòu)的影響

3.3.1樹種隔離程度

由表5可知,強度、中度、對照林分的平均混交度分別為0.04,0.00和0.43,強度、中度采伐屬于零度混交,對照屬于中度混交。結(jié)合混交度頻率分布可知:強度和中度采伐樣地中零度混交所占比例均大于90%,說明這兩個樣地中絕大多數(shù)林木處于單種聚集狀態(tài),近似于純林；在對照樣地中,零度混交所占比例為28%,處于強度和極強度混交林木比例之和為34%,說明在對照樣地中,處于單種聚集狀態(tài)的林木較少,大多數(shù)的林木處于與其它樹種混交狀態(tài),樹種隔離程度相對較高。

表5 不同采伐強度蒙古櫟林混交度及其頻率分布Tab.5 Mean value of mingling degree and its frequency distribution of Q.mongolica under different cutting

3.3.2林分空間分布格局

對林分角尺度及其頻率分布進行分析可知(圖5),中度采伐樣地平均角尺度為0.483(0.475≤Wi≤0.517),屬于隨機分布；強度、對照樣地的平均角尺度分別為0.519,0.570,Wi>0.517,屬于聚集分布。與對照相比,中度采伐樣地內(nèi)處于隨機分布林木比例有所增加,而處于聚集和絕對聚集分布林木比例降低,林分整體處于隨機分布狀態(tài)；而強度采伐降低了隨機分布林木的比例,增加了均勻分布和聚集分布林木的比例。

圖5 不同采伐強度蒙古櫟林角尺度及其頻率分布Fig.5 The mean uniform angle index and its frequency distribution of Q.mongolica under different cutting

3.3.3林分競爭壓力

不同采伐強度林分Hegyi競爭指數(shù)如圖6所示。強度、中度采伐林分Hegyi競爭指數(shù)分別為1.18和1.58,均小于對照林分的4.1,且表現(xiàn)為隨采伐強度的增加而降低的趨勢。表明采伐能夠有效釋放林木之間的競爭壓力,且采伐強度越大,林木之間競爭壓力越小。

圖6 伐后7年不同擇伐強度林分競爭指數(shù)Fig.6 The competition index of stand with different selective cutting intensity in 7 years after felling

4 結(jié)論與討論

不同經(jīng)營措施對林分的生長和林分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同的影響。采伐能夠降低林分的密度,減少林木之間的競爭,為保留木創(chuàng)造更多的營養(yǎng)和生長空間,從而促進林分胸徑[19-20]和單株材積[21-22]的生長。本研究也得出相同的結(jié)論,即:采伐7年后,強度、中度采伐林分平均胸徑分別比對照增長6.9cm和5.2cm,單株材積分別為對照的1.8倍、1.5倍(P<0.05)。表明采伐對蒙古櫟林生長具有明顯的促進作用。同時,研究發(fā)現(xiàn),采伐能夠明顯提高林分蓄積年生長率,且隨著采伐強度的增加而增加,但短期內(nèi)(采伐7年)采伐林分蓄積量仍低于對照。國內(nèi)外一些學(xué)者研究也表明,采伐能夠促進蓄積生長率的增加,但短期內(nèi)仍不能彌補因保留木株數(shù)的減少而導(dǎo)致蓄積量的損失[20,23-27]。李春義等[28]對油松人工林研究得出，間伐6年后林分蓄積量高于對照的結(jié)論；湯景明等[29]對間伐4年后日本落葉松人工林的生長情況進行調(diào)查得出,林分蓄積量在較小間伐強度(<35%)增加,在較大間伐強度(>50%)下降的結(jié)論?？梢?采伐對林分蓄積量的影響并沒有統(tǒng)一的定論,與林分類型、發(fā)育階段、采伐方式和強度以及伐后恢復(fù)期長短均有關(guān)。

林分徑級分布是林分生長穩(wěn)定性及其株間競爭的主要指標(biāo),了解和掌握林分的徑級分布結(jié)構(gòu),能夠為林分經(jīng)營管理提供理論依據(jù)[30]。有研究表明采伐能夠調(diào)整林分結(jié)構(gòu)[31]。本研究中,采伐7年后,采伐林分徑級分布曲線逐漸向中大徑級方向偏移,且采伐強度越大,偏移幅度越大。對照樣地小徑材林木數(shù)量相對較多,中度采伐徑級分布較為集中,強度采伐大徑材數(shù)量居多,說明采伐有助于提高中大徑級林木比例,改善林分結(jié)構(gòu),提高林分的質(zhì)量,且大徑材林木的比例隨著采伐強度的增大而增大。

已有研究表明,林分郁閉后,林木之間營養(yǎng)和生長空間競爭激烈,從而引起一部分林木枯損死亡,采伐能夠改善林地衛(wèi)生條件,釋放林木之間的競爭,從而降低林分的枯死率[13,32-33]。本研究也得出相同的結(jié)論。同時,研究發(fā)現(xiàn),強度采伐樣地枯死率在伐后初期(2年)相對較大,這一方面是因為采伐強度過大,在采伐過程中增加了壓倒、損傷保留木的風(fēng)險；另一方面是因為采伐強度過大,降低了林分抵御風(fēng)害、雪壓等自然災(zāi)害的能力,從而導(dǎo)致枯死率較高。因此,從可持續(xù)森林經(jīng)營的角度來說,對林分結(jié)構(gòu)進行調(diào)整時,采伐強度不宜過大。

采伐改變了林木的空間關(guān)系,競爭態(tài)勢和分布格局[34],適度的采伐有利于優(yōu)化林分空間結(jié)構(gòu),增強林分功能和穩(wěn)定性[35-36]。本研究表明,中度采伐能夠促進林木分布格局向隨機分布方向發(fā)展,而強度采伐卻降低了隨機分布林木的比例,使林分整體向偏聚集分布方向發(fā)展。此研究結(jié)果與鄭鳳麗等[34]對中亞熱帶天然針闊混交林和吳蒙蒙等[37]對闊葉紅松林的研究結(jié)果相一致,即適當(dāng)強度的采伐能夠降低林木分布的聚集度,但當(dāng)采伐強度超過一定的閾值,反而增加了林分的平均角尺度。在林分混交度方面,有研究表明,適度的采伐能夠提高林分的混交度,強度采伐反而降低了林分的混交度[38-39]。本研究中,采伐后林分的混交度大幅度降低,林分趨向于純林,這可能與采伐過程中主要關(guān)注采伐強度和培育目標(biāo)樹種,對采伐對象選擇過于粗放和隨意,未重視林木的生物特性、空間位置和種間競爭關(guān)系[40]有關(guān)。

綜上所述,在對林分結(jié)構(gòu)進行調(diào)整時,采用中度采伐為宜,采伐強度過大,不利于林分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和穩(wěn)定性的維持；在采伐木的選擇上,應(yīng)盡量考慮林木的生物學(xué)特性和林木空間位置,將角尺度較大,混交度較小的林木作為采伐木；同時,注意調(diào)節(jié)林木之間的競爭關(guān)系,從而優(yōu)化林分的空間結(jié)構(gòu),實現(xiàn)森林的可持續(xù)經(jīng)營。