周夢麗，張 青，亢新剛，楊英軍，王全軍

(1.北京林業(yè)大學(xué)，北京100083;2.吉林省汪清林業(yè)局，吉林延吉133200)

森林空間結(jié)構(gòu)驅(qū)動著森林的生長與發(fā)展，對森林未來起著不可替代的作用［1］。所有試圖推動森林生長及發(fā)展的人為干擾譬如擇伐，主要作用為調(diào)整森林空間結(jié)構(gòu)［2－3］。森林的結(jié)構(gòu)決定森林的功能，其包括非空間結(jié)構(gòu)(如樹種組成、直徑結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)等)和空間結(jié)構(gòu)(水平空間分布格局、林木種間關(guān)系、垂直空間分布狀況等)。其中，森林空間結(jié)構(gòu)包括樹種混交、樹木競爭(或樹木大小空間排列)和林木空間分布情況［4－7］，其決定了樹木之間的競爭優(yōu)勢以及它們在整個林分環(huán)境中所處的空間位置，并且在很大程度上決定了森林整體的穩(wěn)定性及其發(fā)展?jié)摿Γ?－10］。因此，對森林空間結(jié)構(gòu)的研究，不僅是探究森林生長發(fā)育階段的關(guān)鍵所在［11］，而且可為森林資源的經(jīng)營管理提供科學(xué)的理論依據(jù)。擇伐是實現(xiàn)森林資源有效利用的一種手段。然而，林分結(jié)構(gòu)的調(diào)整及林分健康生長及發(fā)展的關(guān)鍵是合理擇伐強度的確定。目前，大多數(shù)試驗研究表明，適度擇伐可提高林分生長速度，促進林分質(zhì)量改善［12－15］。在對北美白松(Pinus strobus)混交林擇伐后30 a的恢復(fù)狀況研究中，DARWIN等［16］發(fā)現(xiàn)，擇伐使北美白松胸高斷面積顯著增加，林分生長加快。林木組成和林分結(jié)構(gòu)得到調(diào)整和改善［17］，并且林分整體維持混交林的復(fù)層異齡林結(jié)構(gòu)［12］，而且擇伐后的林分能較快地恢復(fù)到合理的高度級和徑級結(jié)構(gòu)［18］。不同類型的林分，其最適擇伐強度亦不相同。在對小興安嶺的森林進行考察后，劉慎諤［19］認(rèn)為，以紅松、云杉和冷杉為主的針闊混交林最好采取弱度擇伐，保留幼壯樹木，縮短采伐周期，并使其迅速循環(huán)，以滿足國家對木材需要。云冷杉天然林，為針闊混交林，是長白山地區(qū)典型森林類型之一，有較高的生產(chǎn)力。雖然長白山林區(qū)是中國森林資源最豐富的林區(qū)之一，但由于開發(fā)利用較早，其面臨著一定資源環(huán)境問題。因此，要實現(xiàn)森林資源的永續(xù)利用和森林可持續(xù)發(fā)展，確定合理擇伐強度，不僅是云冷杉天然林營林工作中亟待解決的問題，也是有效指導(dǎo)云冷杉天然林經(jīng)營的重要技術(shù)關(guān)鍵。本研究通過利用表征林分空間結(jié)構(gòu)的4個空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)即混交度、大小比數(shù)［16－19］、角尺度和林層指數(shù)［20］，分析比較不同擇伐強度干擾下不同坡向的云冷杉天然林伐后林分空間結(jié)構(gòu)的差異性，確定云冷杉天然林較合理的擇伐強度，為天然林經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

本試驗研究區(qū)位于吉林省汪清林業(yè)局金溝嶺林場(130°10'E，43°22'N)，地貌為低山丘陵，海拔為300 ～1 200 m，坡度為5 ～25°，屬長白山系老爺嶺山脈雪嶺支脈。該區(qū)屬季風(fēng)型氣候，年均氣溫為3.9℃，≥10℃的有效年積溫為2 144℃，7月份氣溫最高，年降水量為600～700 mm，生長期為120 d。本區(qū)土壤為低山灰化土灰棕壤，粒狀結(jié)構(gòu)，濕松，根系多，平均厚度為40 cm。該研究區(qū)的主要喬木樹種有:臭冷杉(Abies nephrolepic)、魚鱗云杉(Picea jezoensis)、紅皮云杉(Picea koraiensis)、紅松(Pinus koraiensis)、白樺(Betula platyphylla)、色木槭(Acer mona Maxim)、椴樹(Tilia amurensis)、楓樺(Ribbed Birch)等。

2 研究方法

2.1 樣地布設(shè)與調(diào)查

研究對象為8塊云冷杉天然針闊混交林固定樣地，于1986年設(shè)置，其立地條件基本一致，分別設(shè)立對照(編號為4號、5號)及20%(編號為2號、6 號)、30%(編號為3 號、8 號)、40%(編號為1號、7號)強度擇伐樣地，總面積為1.44 hm2，其中樣地1～4號面積為40 m×50 m，坡向為東北坡;5～8號面積為40 m×40 m，坡向為西南坡。采伐后對各樣地每2 a進行一次復(fù)測。對樣地內(nèi)胸徑(DBH)≥5 cm的所有喬木進行每木調(diào)查，記錄其樹種名、胸徑、樹高、冠幅、枝下高等。在測定各林木空間分布時，先將各樣地分割成10 m×10 m小樣方，再以各小樣方的西南角為坐標(biāo)原點，用皮尺測量各林木在小樣方中的位置，最后轉(zhuǎn)換成相對坐標(biāo)。表1為不同擇伐強度樣地伐后23 a的林分特征。

2.2 分析方法

構(gòu)成林分結(jié)構(gòu)的基本單位是空間結(jié)構(gòu)單元，它是由林分內(nèi)任意一株樹與距離其最近的n株相鄰樹構(gòu)成。該任意樹稱為參照木，而與其最近的n株相鄰樹則稱為相鄰木［20］。相鄰木的株數(shù)決定了空間結(jié)構(gòu)單元的大小。郝月蘭等［21］研究發(fā)現(xiàn)，用傳統(tǒng)的取4株相鄰木的方法與其他方法相比，計算得出結(jié)果具有較高的相關(guān)性和一致性。故本試驗取n=4，即參照木與其距離最近的4株相鄰木構(gòu)成結(jié)構(gòu)單元，分析不同擇伐強度下不同坡向云冷杉天然林伐后空間結(jié)構(gòu)的差異。

表1 不同擇伐類型樣地伐后23 a的林分特征Table 1 Status of each tree measuring factor of different selective cutting samples 23 years after cutting

2.2.1 混交度 林分中樹種的空間隔離程度用混交度(Mi)來表達，其定義為參照樹i的4株最近相鄰木中與參照樹不屬于同種的個體所占的比例，其公式為［22－23］:

式中:Vij為參照樹與相鄰木是否為同一樹種，當(dāng)?shù)趈株相鄰木與參照樹i非同一樹種時，Vij=1;否則，Vij=0。因此，Mi可取0，0.25，0.5，0.75，1.0，所對應(yīng)的該結(jié)構(gòu)單元中樹種的隔離程度為零度、弱度、中度、強度、極強度混交。

由式(1)計算的混交度稱為點混交度，林分混交度為點混交度的平均值為:

式中:N為樣地內(nèi)參照木的株數(shù)(下同)。

2.2.2 大小比數(shù) 大小比數(shù)(Ui)是反映林木大小差異程度的指標(biāo)，其定義為大于參照樹的相鄰木數(shù)占所考察的4株最近相鄰木的比例，其公式表示為［24］:

式中:Kij為相鄰木是否大于參照樹i，當(dāng)?shù)趈株相鄰木大于參照樹i時，Kij=1;反之，Kij=0。因此，Ui可取 0，0.25，0.5，0.75，1.0，所對應(yīng)的參照樹狀態(tài)為優(yōu)勢、亞優(yōu)勢、中庸、劣勢、絕對劣勢。

大小比數(shù)量化了參照樹與其相鄰木的大小相對關(guān)系，Ui值越低，說明參照樹所處的狀態(tài)越為優(yōu)勢，依樹種計算的大小比數(shù)的均值在很大程度上反映了樹種在林分所測指標(biāo)上的優(yōu)勢程度，其計算公式為:

式中:l為所觀察的樹種(sp)的參照樹的數(shù)量。

2.2.3 角尺度 從參照樹出發(fā)，任意2株最近相鄰樹夾角有2個，令小角為 α，大角為 β，α+β=360°。角尺度(Wi)被定義為α角小于標(biāo)準(zhǔn)角(α0=72°)的個數(shù)占所考察的4個α角的比例，其公式為:

式中:Zij為參照樹與相鄰木所夾角α是否小于α0，當(dāng)?shù)?j個 α 角小于 α0時，Zij=1;否則，Zij=0。因此，Wi可取0，0.25，0.5，0.75，1.0，分別表示為絕對均勻、均勻、隨機、不均勻、團狀分布。

2.2.4 林層劃分及林層指數(shù)

2.2.4.1 林層垂直分層 根據(jù)國際林聯(lián)(IUFRO)的林分垂直分層標(biāo)準(zhǔn)，以林分的優(yōu)勢高為依據(jù)，把森林劃分為3個(或4個)垂直層，上層林木為樹高≥2/3優(yōu)勢高，中層為1/3～2/3優(yōu)勢高的林木，下層為≤1/3優(yōu)勢高的林木［18］。本次調(diào)查的各樣地的林分優(yōu)勢高的平均值為27.1 m。故將調(diào)查地的森林分為3個垂直層，即上層林:樹高 ≥18.1 m，中層林:9.0 m ＜ 樹高 ＜18.1 m，下層林:樹高 ≤9.0 m。

2.2.4.2 林層比 林層比(Si)反映了林分中林層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，其定義為參照樹i的4株最近相鄰木中，與參照樹不屬同一林層的林木所占的比例，其計算公式為［26］:

式中:Sij為參照樹與相鄰木是否屬于同一林層(下同)。當(dāng)?shù)趈株相鄰木與參照樹i不屬于同一林層時，Sij=1;反之，Sij=0。

2.2.4.3 改進林層比——林層指數(shù) 由參照樹i的4株最近相鄰木處于同一林層但與參照樹i本身不屬于同一林層這一情況和參照樹i的4株最近相鄰木不屬于同一林層且與參照樹i本身也不屬于同一林層這一情況計算出來的林層比都為1，說明林層比不能很好地反映出空間結(jié)構(gòu)單元中在垂直方向上的多樣性，故為了更好地反映林層結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，將能夠表達林層多樣性的指標(biāo)與林層比的乘積定義為林層指數(shù)(Li)，其計算公式為［26］:

式中:zi為參照樹i空間結(jié)構(gòu)單元中林層的種數(shù)。因此，Li的取值有 0，0.17，0.33，0.50，0.67，0.75，1.0。Li值越大，其林分垂直空間結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。式(8)不僅展現(xiàn)了結(jié)構(gòu)單元中的林層種數(shù)，而且描述了參照樹的林層空間關(guān)系。

林分整體的林層指數(shù)為所觀察林木林層指數(shù)的平均值，其計算公式為:

通過分析不同樣地平均混交度及其均值、平均大小比數(shù)、平均角尺度、平均林層指數(shù)及其均值，研究不同擇伐強度下處于不同坡向樣地的樹種混交程度、優(yōu)勢狀態(tài)、水平及垂直方向上的分布狀況的差異性。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同擇伐強度干擾下不同坡向伐后林分種間隔離狀況

各樣地的平均混交度對不同擇伐強度的響應(yīng)情況，可從不同擇伐樣地平均混交度均值及其頻率分布(圖1)看出，不同擇伐強度樣地之間混交度差異顯著。經(jīng)多重比較后，各擇伐樣地與對照樣地間的差異性顯著，其值均大于對照樣地，且樣地平均混交度值與擇伐強度呈負(fù)相關(guān)。其中，20% 的擇伐樣地的平均混交度均值(0.74)最大，其零度混交所占的比例最小，僅為0.38%，說明20% 的擇伐樣地中基本無單種聚集現(xiàn)象，大多處于不同種混交狀態(tài)，林分整體穩(wěn)定性相對較強。

在擇伐強度相同時，不同坡向?qū)ζ淦骄旖欢鹊挠绊?，可從不同坡向各樣地的林木平均混交度及其頻率分布(圖2)看出，東北坡樣地的平均混交度值大于西南坡，且強度混交和極強度混交所占比例之和大于西南坡，零度混交所占比例小于西南坡。由此得出，東北坡樣地中單種聚集現(xiàn)象比西南坡弱，甚至基本無此現(xiàn)象，大多處于強度或極強度混交狀態(tài)。從總體上看，擇伐強度為20% 且處于東北坡的樣地的平均混交度最大，且其強度和極強度混交所占的比例也最大，說明該樣地的混交狀態(tài)最佳，穩(wěn)定性最強。

圖1 不同擇伐樣地平均混交度均值及其頻分布Fig.1 The average of mean mingling degree and its frequency distribution of different selective cutting

圖2 不同坡向各樣地平均混交度及其頻率分布Fig.2 Mean mingling degree and its frequency distribution of different slope direction

3.2 不同擇伐強度干擾下不同坡向伐后林分內(nèi)林木大小分化情況

不同擇伐強度對各樣地林木大小比數(shù)的影響，可從不同擇伐樣地平均大小比數(shù)均值及其頻率分布(圖3)得出，各樣地間大小比數(shù)值差異不大，且其平均大小比數(shù)值均為0.49。30%的擇伐樣地優(yōu)勢和亞優(yōu)勢所占比例最大，其值為0.42;而20%的擇伐樣地最小，其值為0.36。但從總體上看，不同擇伐強度樣地的平均大小比數(shù)之間差異不大，故擇伐強度對林木大小分化沒有產(chǎn)生明顯的影響。

但不同坡向?qū)Ψズ髽拥氐牧帜敬笮”葦?shù)的影響，可從不同坡向各樣地林木平均大小比數(shù)及其頻率分布(圖4)得出，各樣地的平均大小比數(shù)分布為0.48 ～0.51，且其優(yōu)勢和亞優(yōu)勢所占比例為0.36 ～0.43。因此，不同坡向樣地的大小比數(shù)之間差別不大，坡向?qū)Ψズ髽拥氐牧帜敬笮”葦?shù)的影響不大，各樣地之間基本處于同一競爭地位。

圖3 不同擇伐樣地平均大小比數(shù)均值及其頻率分布Fig.3 The average of mean neighborhood comparison and its frequency distribution of different selective cutting

圖4 不同坡向各樣地平均大小比數(shù)及其頻率分布Fig.4 Mean neighborhood comparison and its frequency distribution of different slope direction

3.3 不同擇伐強度干擾下不同坡向伐后林分水平分布狀態(tài)

由于天然林計算角尺度的最優(yōu)標(biāo)準(zhǔn)角為72°，故隨機分布的角尺度取值為0.475～0.517，平均角尺度小于0.475的分布為均勻分布，大于0.517的分布為聚集分布。

各樣地的平均角尺度對擇伐強度的響應(yīng)情況，可從不同擇伐強度樣地平均角尺度均值及其頻率分布(圖5)得出，各樣地角尺度值之間存在一定差異，但總體差異不太明顯。20%的擇伐樣地平均角尺度均值為0.47，為均勻分布，其余擇伐強度樣地的平均角尺度均值為0.49～0.51，故為隨機分布。從平均角尺度均值頻率分布看，20%的擇伐樣地絕對均勻和均勻分布所占比例最大，為0.27，30%的擇伐樣地次之，未擇伐樣地最小，為0.18。

當(dāng)擇伐強度相同時，各樣地的平均角尺度對不同坡向的響應(yīng)情況，可通過不同坡向各樣地平均角尺度及其頻率分布(圖6)得出，各不同坡向樣地的平均角尺度為0.47～0.51，基本都屬于隨機分布，20%的擇伐強度且處于東北坡樣地的絕對均勻和均勻分布所占的比例最大，為0.29。從總體上看，擇伐強度為20%且處于東北坡向的樣地的水平分布狀況較佳，為均勻分布。

圖5 不同擇伐強度樣地平均角尺度均值及其頻率分布Fig.5 The average of mean uniform angle index and its frequency distribution of different selective cutting

圖6 不同坡向各樣地平均角尺度及其頻率分布Fig.6 Mean uniform angle index and its frequency distribution of different slope direction

3.4 不同擇伐強度干擾下不同坡向伐后林分垂直分布狀態(tài)

通過不同擇伐樣地林木平均林層指數(shù)均值及其頻率分布(圖7)可以看出，各樣地間林層指數(shù)值差異明顯。其中，林層指數(shù)值為1.0的值很少。20%的擇伐樣地的平均林層指數(shù)均值最大，為0.34，隨著擇伐強度的增加，其值不斷減小。在各樣地中，林層指數(shù)值不小于0.17所占的比例之和最大的是 20%的擇伐樣地，為 89.54%。說明20%的擇伐樣地林層垂直結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜。

當(dāng)擇伐強度相同時，不同坡向?qū)拥亓謱又笖?shù)的影響程度，可從不同坡向各樣地林木平均林層指數(shù)及其頻率分布(圖8)看出，東北坡與西南坡平均林層指數(shù)之間規(guī)律性均不強，但從總體上看，處于東北坡的20%的擇伐樣地的平均林層指數(shù)值最大，為0.37，而且其林層指數(shù)值不小于0.17所占的比例之和為0.97，說明其林層垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖7 不同擇伐樣地林木平均林層指數(shù)均值及其頻率分布Fig.7 The average of mean storey index and its frequency distribution of different selective cutting

圖8 不同坡向各樣地林木平均林層指數(shù)及其頻率分布Fig.8 Mean storey index and its frequency distribution of different slope direction

4 結(jié)論與討論

云冷杉天然林是中國東北地區(qū)森林中的主要林型，其經(jīng)濟效益、社會效益以及生態(tài)效益為中國的社會建設(shè)做出了突出貢獻。合理經(jīng)營云冷杉天然林是長白山林區(qū)森林經(jīng)營管理中的重中之重。本研究通過對8塊云冷杉天然林固定樣地進行定位調(diào)查，利用4個空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)(混交度、大小比數(shù)、角尺度、林層指數(shù))分析研究不同擇伐強度對不同坡向云冷杉天然林伐后空間結(jié)構(gòu)的影響，旨在為云冷杉天然林擇伐經(jīng)營提供一定的參考價值和理論依據(jù)。研究結(jié)果表明，在東北坡進行強度為20%的擇伐作業(yè)較利于云冷杉天然林經(jīng)營。究其原因可能為擇伐強度過大，會大大降低林分的郁閉程度，使林內(nèi)光照驟增，不利于林內(nèi)樹木更新生長，同時還會破壞林分空間結(jié)構(gòu)。此外，云冷杉為耐陰樹種，幼苗幼樹的更新生長需要蔭蔽的環(huán)境。再者，由于林分所處的坡向、坡度、海拔等地形因子的不同也會對林分內(nèi)的林木生長及林分的空間結(jié)構(gòu)的配置產(chǎn)生不同程度的影響。

周蔚等［27］研究得出“在長白山區(qū)天然云冷杉針闊混交林的擇伐作業(yè)中，擇伐強度保持在20%為宜”這一結(jié)論，與本研究的結(jié)論是一致的。然而，他們僅從林木種間關(guān)系、水平空間分布狀態(tài)研究擇伐強度對林分伐后空間結(jié)構(gòu)的影響，并未從林分垂直結(jié)構(gòu)方面研究其影響。此外，也并未考慮地形因子對林分伐后空間結(jié)構(gòu)的影響。因此，本研究主要通過對以下2個方面的改進，來進一步提高分析判斷擇伐經(jīng)營對林分生長及發(fā)展的影響的能力，以期更好地經(jīng)營云冷杉天然林。這2個方面為:(1)采用林層指數(shù)這一指標(biāo)分析比較擇伐強度對云冷杉天然林的伐后空間結(jié)構(gòu)在垂直方向上的分布狀態(tài);(2)研究了地形因子中的坡向這一要素對林分伐后空間結(jié)構(gòu)的影響。然而，本研究還存在一定的不足之處，如試驗設(shè)計還不夠完善，如東北坡和西南坡的比較只選擇了一組樣地;數(shù)據(jù)處理方法還有待改善。因此，只是得出一些具有一定參考價值的研究結(jié)果，仍需后繼工作，如通過構(gòu)建泰森多邊形以及Delaunay三角網(wǎng)，進而更準(zhǔn)確地找出參照樹周圍最近的相鄰木，提高空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)的精確度。通過建立數(shù)學(xué)模型，將角尺度、混交度、大小比數(shù)整合一起并構(gòu)造一個新的指標(biāo)來分析擇伐強度對林分伐后空間結(jié)構(gòu)的影響。此外，研究擇伐強度對不同坡向林分生長量、物種多樣性等的影響，對試驗結(jié)論加以驗證。

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