王春風(fēng)，賈磊，許中旗，房子怡，李校

(1河北省塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)總場(chǎng)，河北 圍場(chǎng) 068450；2河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；3河北省木蘭圍場(chǎng)林管局，河北 圍場(chǎng) 068450)

林分結(jié)構(gòu)對(duì)林分生長(zhǎng)、天然更新等生態(tài)過(guò)程具有重要影響[1-3]。林分結(jié)構(gòu)包括空間結(jié)構(gòu)和非空間結(jié)構(gòu)。林分的空間結(jié)構(gòu)指林木在水平方向上的分布格局和屬性在空間上的排列。它是指與樹(shù)木所在的空間位置有關(guān)的林分結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)[4]，決定著林下光照、水分以及土壤養(yǎng)分含量，在不同程度上影響著林木的生長(zhǎng)[5-6]。林分的非空間結(jié)構(gòu)主要包括林分的直徑分布與樹(shù)高分布，它們能最直接有效地反映林分經(jīng)營(yíng)狀況[7]。撫育間伐是實(shí)現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)的重要措施，科學(xué)合理的間伐能夠促進(jìn)林木生長(zhǎng)，提高林分質(zhì)量，對(duì)森林的發(fā)展具有重要意義。目前，關(guān)于撫育間伐對(duì)林分結(jié)構(gòu)的影響已有較多研究。合理的間伐措施，能夠減小保留木的競(jìng)爭(zhēng)壓力，促進(jìn)保留木的快速生長(zhǎng)[4-5]。有關(guān)撫育間伐對(duì)林分的空間結(jié)構(gòu)研究表明，撫育間伐有利于林分的空間結(jié)構(gòu)趨于隨機(jī)分布，從而改善林分的空間結(jié)構(gòu)[6-7]。但是，現(xiàn)在多數(shù)研究基于較小的樣地面積(400～600 m2)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)查，而基于大樣地?cái)?shù)據(jù)研究撫育間伐對(duì)林分結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)缺乏。蒙古櫟(Quercusmongolica)是中國(guó)二級(jí)珍貴樹(shù)種，主要分布在大興安嶺和河北北部地區(qū)[8]。蒙古櫟是在逆行演替過(guò)程中保留下來(lái)的優(yōu)勢(shì)樹(shù)種 ，多分布于干旱陽(yáng)坡，絕大部分蒙古櫟是在森林屢遭破壞、環(huán)境條件極差的生境上形成的群落類(lèi)型[9]。本研究采用撫育間伐經(jīng)營(yíng)方式對(duì)蒙古櫟林進(jìn)行改造，對(duì)其林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，旨在探究撫育間伐的背景下，了解蒙古櫟林的林分結(jié)構(gòu)變化情況，以期為該地區(qū)蒙古櫟林的經(jīng)營(yíng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)大喚起林場(chǎng)位于塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)南部，河北省北部，屬于燕山山系北部，海拔1 010～1 939.9 m，共設(shè)有7個(gè)營(yíng)林區(qū)。2018年全場(chǎng)總經(jīng)營(yíng)面積1.88萬(wàn)hm2左右，其中公益林約8 933.3 hm2，商品林約8 733.3 hm2，森林覆蓋率87%左右。此次調(diào)查樣地是蒙古櫟純林樣地。林區(qū)屬于寒溫性大陸季風(fēng)氣候，海拔較高，其氣候特點(diǎn)是冬季比較漫長(zhǎng)、寒冷干燥，春季較短且多風(fēng)，夏季不明顯、光照相對(duì)較強(qiáng)；晝夜溫差大，降水少，年均降雨量在450 mm左右、蒸發(fā)量大，易春旱；該地區(qū)災(zāi)害性天氣較為頻繁。主要土質(zhì)為棕壤，蒙古櫟能夠在此環(huán)境生長(zhǎng)。本研究的試驗(yàn)地位于塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)的大喚起林場(chǎng)80號(hào)作業(yè)區(qū)。林分為蒙古櫟天然次生林，林齡20年，林分密度為855株/hm2，坡度20°，陽(yáng)坡，郁閉度為0.4，壤質(zhì)土。

2 研究方法

2.1 野外調(diào)查

2019年4月份，在塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)的大喚起林場(chǎng)的80號(hào)作業(yè)區(qū)，選擇有代表性的蒙古櫟林，設(shè)置25 m×30 m的調(diào)查樣地12塊。在樣地內(nèi)對(duì)每株林木進(jìn)行編號(hào)，并調(diào)查其胸徑、樹(shù)高和坐標(biāo)。同年5月，林場(chǎng)對(duì)各樣地進(jìn)行了撫育間伐。間伐后對(duì)林分的保留木及間伐木進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對(duì)其徑級(jí)結(jié)構(gòu)及空間分布格局進(jìn)行分析。

2.2 研究方法

2.2.1 林分直徑和樹(shù)高分布分析 以2 cm為起始徑階，統(tǒng)計(jì)各徑階株數(shù)，使用SPSS檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)地蒙古櫟胸徑分布服從的分布類(lèi)型。以2.5 m為起始樹(shù)高，統(tǒng)計(jì)調(diào)查樣地內(nèi)各徑階株數(shù)，以樹(shù)高為橫坐標(biāo)，林木株數(shù)占樣地總株樹(shù)的百分比為縱坐標(biāo)，作樹(shù)高分布圖，并運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析軟件檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)地蒙古櫟樹(shù)高分布服從的分布類(lèi)型。

2.2.2 種群空間分布格局分析 對(duì)12塊樣地進(jìn)行組合，形成1個(gè)90 m×100 m的大樣地。然后在4個(gè)尺度上通過(guò)擴(kuò)散指數(shù)(C)、Morisita指數(shù)和聚塊指數(shù)對(duì)蒙古櫟林撫育間伐前后的空間格局進(jìn)行分析[10-11]。4個(gè)尺度分別為5 m×5 m、5 m×10 m、10 m×10 m和10 m×15 m，取樣數(shù)量分別為360塊、180塊、90塊和60塊。

3 結(jié)果與分析

3.1 撫育間伐對(duì)蒙古林胸徑分布的影響

利用Normal分布、Weibull分布、Logistic分布函數(shù)對(duì)間伐前和間伐后蒙古櫟人工林林木直徑分布進(jìn)行擬合，并采用KS檢驗(yàn)對(duì)3個(gè)分布函數(shù)的擬合效果進(jìn)行分析，擬合優(yōu)度檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 間伐前和間伐后林分直徑分布KS檢驗(yàn)Table 1 The KS test for stand diameter distribution before and after thinning

由表1可知，伐前林分直徑結(jié)構(gòu)3種分布函數(shù)擬合效果P值的排序?yàn)閃eibull分布> Logistic分布>Normal分布，伐后林分直徑結(jié)構(gòu)3種分布函數(shù)擬合效果P值的排序?yàn)閃eibull分布> Logistic分布Normal分布。這說(shuō)明，Weibull分布函數(shù)對(duì)間伐前和間伐后林木直徑分布的擬合效果最好，Normal分布與Logistic分布次之。

撫育間伐對(duì)林分徑階分布的影響，見(jiàn)圖1。

圖1 撫育間伐對(duì)林分徑階分布的影響Figure 1 Influence of thinning on the diameter distribution of stand

由圖1可知，伐前和伐后徑階結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)為單峰分布。伐前偏度系數(shù)為1.157，峰度系數(shù)為2.148；伐后偏度系數(shù)為1.009，峰度系數(shù)為1.619。伐前與伐后林分的徑階結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布相比表現(xiàn)為右偏，但是伐后的偏度系數(shù)小于伐前，說(shuō)明伐后使林分的徑階結(jié)構(gòu)向著高徑級(jí)偏移。伐前與伐后的峰度系數(shù)均大于零，但伐后的峰度系數(shù)更加趨近于零，說(shuō)明間伐調(diào)整了林分結(jié)構(gòu)，使得間伐后林木直徑大小分布較間伐前趨于正態(tài)分布。

由圖1可知，撫育間伐前蒙古櫟的徑級(jí)分布范圍為4～16 cm，平均胸徑為7.86 cm。撫育間伐后，徑級(jí)分布范圍為4～16 cm，平均胸徑為8.79 cm。間伐前，小徑級(jí)林木(4～6 cm)所占比例為38.3%，遠(yuǎn)高于間伐后的18.2%。綜合來(lái)看，間伐后林木直徑分布主要集中在8～10 cm，伐前集中于6～8 cm。說(shuō)明，撫育間伐使中、高徑級(jí)林木的比例明顯增加，而小徑階林木比例明顯減小，林分直徑結(jié)構(gòu)更加趨于合理。

3.2 撫育間伐對(duì)樹(shù)高分布特征的影響

利用Normal分布、Weibull分布、Logistic分布函數(shù)對(duì)間伐前和間伐后蒙古櫟人工林林木樹(shù)高分布進(jìn)行擬合，并采用KS檢驗(yàn)對(duì)3個(gè)分布函數(shù)的擬合效果進(jìn)行分析，擬合優(yōu)度檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 間伐前和間伐后林分樹(shù)高分布KS檢驗(yàn)Table 2 The KS test for stand heigt distribution before and after thinning

由表2可知，伐前林分樹(shù)高結(jié)構(gòu)3種分布函數(shù)擬合效果P值的順序?yàn)閃eibull分布> Logistic分布>Normal分布；伐后林分樹(shù)高結(jié)構(gòu)3種分布函數(shù)擬合效果P值的順序?yàn)閃eibull分布> Logistic分布> Normal分布。這說(shuō)明，Weibull分布函數(shù)對(duì)間伐前和間伐后林木樹(shù)高分布的擬合效果最好，Normal分布與Logistic分布次之。

間伐前后，蒙古櫟林的樹(shù)高結(jié)構(gòu)如圖2所示。伐前和伐后其樹(shù)高結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)為單峰分布。伐前偏度系數(shù)為0.562，峰度系數(shù)為0.901；伐后偏度系數(shù)為0.761，峰度系數(shù)為0.873。伐前與伐后林分的樹(shù)高結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布相比表現(xiàn)為右偏，但伐后的偏度系數(shù)大于伐前，表明撫育間伐后林木樹(shù)高分布向較高樹(shù)高級(jí)偏移。伐后峰度系數(shù)要小于伐前，但伐后峰度值更接近與零，樹(shù)高分布狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布差距最小，說(shuō)明撫育間伐調(diào)整了林分的樹(shù)高結(jié)構(gòu)，使林分樹(shù)高結(jié)構(gòu)趨于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

圖2 撫育間伐對(duì)樹(shù)高分布的影響Figure 2 Influence of thinning on the height distribution of stand

由圖2可知，撫育間伐前蒙古櫟的樹(shù)高分布范圍為2.5～10.5 m，平均樹(shù)高為5.27 m。撫育間伐后蒙古櫟的樹(shù)高分布范圍為3.5～10.5 m，平均樹(shù)高為5.50 m。間伐后林木樹(shù)高分布峰值占間伐后林木總株數(shù)比例(33.8%)低于間伐前(35.5%)。間伐前較低樹(shù)高林木(2.5～3.5m)所占比例為10.6%，明顯高于間伐后的6.1%。相比于間伐前，間伐后在大徑階范圍的林木株樹(shù)比例有所升高，但是間伐前后樹(shù)高分布總體差異不明顯。

3.3 撫育間伐對(duì)林分空間格局的影響

蒙古櫟伐前伐后空間分布散點(diǎn)圖見(jiàn)圖3；空間分布格局判定見(jiàn)表3。

圖3 蒙古櫟伐前(a)和伐后(b)空間分布散點(diǎn)圖Figure 3 Scatterplot of the spatial distribution of Quercus mongolica before (a) and after (b) thinning

表3 空間分布格局的判定Table 3 Determination of spatial distribution patterns

由表3、圖3可知，蒙古櫟林伐前在不同尺度的擴(kuò)散指數(shù)分別為3.35(5 m×5 m)、3.75(5 m×10 m)、3.43(10 m×10 m)和4.15(10 m×15 m)，伐后的擴(kuò)散指數(shù)分別為2.30(5 m×5 m)、2.37(5 m×10 m)、2.23(10 m×10 m)和2.49(10 m×15 m)，說(shuō)明無(wú)論是間伐前，還是間伐后，蒙古櫟林在不同尺度下，蒙古櫟均呈集群分布。同時(shí)，盡管分布格局均為聚群分布，但是間伐后的蒙古櫟林的聚集程度呈明顯的下降趨勢(shì)。說(shuō)明，撫育間伐降低了林木之間的擁擠程度，這樣有助于降低林木之間的競(jìng)爭(zhēng)程度，對(duì)林木的生長(zhǎng)更為有利。

尺度對(duì)蒙古櫟的空間分布格局具有明顯影響。對(duì)于擴(kuò)散指數(shù)C來(lái)說(shuō)，無(wú)論是伐前還是伐后，隨著樣方面積的增加，t與t0.05的差異逐漸減小，這說(shuō)明隨著尺度的增加，蒙古櫟林的聚集強(qiáng)度逐漸下降，趨于隨機(jī)分布。通過(guò)Morisita指數(shù)進(jìn)行格局類(lèi)型的判別，當(dāng)取樣面積為5 m×5 m、5 m×10 m、10 m×10 m時(shí)，蒙古櫟林伐前與伐后均為聚群分布，取樣面積為10 m×15 m時(shí)，伐前伐后均為隨機(jī)分布。同時(shí)，伐前與伐后4個(gè)取樣面積的聚塊指數(shù)分別為1.69、1.4、1.18、1.15和1.95、1.62、1.35和1.32，隨著取樣面積的增加，聚塊指數(shù)呈逐漸下降的趨勢(shì)，說(shuō)明，隨尺度的增加其聚集程度逐漸下降。以上結(jié)果表明，各種分布格局判定方法都表明蒙古櫟種群的分布格局對(duì)尺度具有依賴性。

4 討論

本研究基于蒙古櫟林每木檢尺數(shù)據(jù)，計(jì)算出間伐前后林木直徑與樹(shù)高的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)，結(jié)果表明，間伐后林木直徑分布相比于間伐前向右偏移，峰度系數(shù)降低，對(duì)稱性升高。樹(shù)高分布相較于間伐前向左偏，峰度系數(shù)降低，對(duì)稱性變化不大。楊劍輝等研究了撫育間伐對(duì)云南松林分結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明撫育間伐后林分直徑分布結(jié)構(gòu)的偏度系數(shù)降低，但間伐對(duì)樹(shù)高的影響并不明顯[12]。馬瑞婷等研究了撫育間伐對(duì)栓皮櫟人工林直徑和樹(shù)高的影響，得出了相似的結(jié)果，結(jié)果表明撫育間伐后林分的直徑分布向著較大徑階偏移，使林分的直徑分布更趨向于正態(tài)分布；但是撫育間伐對(duì)樹(shù)高的影響卻不明顯[13]。對(duì)林木直徑和樹(shù)高分布擬合優(yōu)度的KS檢驗(yàn)結(jié)果表明，蒙古櫟林伐前與伐后均以Weibull分布擬合效果最好，其次是Logistic分布或Normal分布。劉菊卉等對(duì)東南石櫟人工林的研究、郭麗虹對(duì)榿木人工林的研究都表明，林分的胸徑分布與樹(shù)高分布趨向于Weibull分布[14-15]。

撫育間伐可以有效的降低林分密度，使林木之間的競(jìng)爭(zhēng)性減弱，因而對(duì)保留木的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，此過(guò)程對(duì)保留木的空間分布格局產(chǎn)生影響[16-17]。本研究發(fā)現(xiàn)，間伐后蒙古櫟林主要為集群分布，但是其聚集程度有明顯下降，其原因在于，該地區(qū)的蒙古櫟林多為萌生，在一個(gè)伐樁周?chē)鷷?huì)有多個(gè)萌生的個(gè)體，局部密度較大，因此呈明顯的聚群分布。撫育間伐后，伐樁周?chē)壬鷤€(gè)體的數(shù)量會(huì)有下降，但是其相對(duì)集中的格局并未明顯改變，因此只是聚集程度有所下降，而格局的類(lèi)型并未發(fā)生改變。伊力塔對(duì)遼東櫟分布格局的研究也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的結(jié)果[18]。由此可知，通過(guò)撫育間伐，林分的聚集程度明顯下降，使得林木之間的競(jìng)爭(zhēng)減弱，使光照、水分等資源以及林木生長(zhǎng)空間得到有效配置，有助于保留木個(gè)體的生長(zhǎng)，從而提高林分的質(zhì)量及其活力。同時(shí)，本研究還發(fā)現(xiàn)，蒙古櫟的空間格局與樣方大小，即調(diào)查的尺度密切相關(guān)，隨著樣方面積的增加，蒙古櫟林的空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出由集群分布向隨機(jī)分布過(guò)渡的趨勢(shì)。這是由于，隨著樣地面積的增加，因?yàn)槊壬鹪炊鴮?dǎo)致的林木相對(duì)集中的效應(yīng)會(huì)逐漸減弱，因此聚集程度逐漸下降，逐漸向隨機(jī)分布轉(zhuǎn)化[19-20]。

5 結(jié)論

(1)蒙古櫟林在撫育間伐前后林木直徑和樹(shù)高分布均服從于Weibull分布，間伐后小徑級(jí)林木所占比例明顯減小，中大徑級(jí)比例明顯增加。

(2)蒙古櫟林撫育間伐前后，多數(shù)尺度上都表現(xiàn)為集群分布，撫育間伐使其聚集程度明顯下降。

(3)取樣大小對(duì)蒙古櫟的空間分布格局具有明顯影響，隨取樣面積的增大，蒙古櫟林的聚集程度逐漸下降，逐漸向隨機(jī)分布轉(zhuǎn)化。撫育間伐使蒙古櫟林的林分狀況得到了明顯改善，結(jié)構(gòu)趨于合理。