董莉莉

(遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110032)

森林空間結(jié)構(gòu)包括林木空間分布格局、樹(shù)種混交和樹(shù)木競(jìng)爭(zhēng)(或樹(shù)木大小空間排列)[1]，其決定了樹(shù)木之間的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)及其空間生態(tài)位，在很大程度上決定了林分的穩(wěn)定性、發(fā)展的可能性和經(jīng)營(yíng)空間的大小等[2]。因此，研究間伐對(duì)森林空間結(jié)構(gòu)的影響，明確森林空間結(jié)構(gòu)調(diào)控機(jī)理，對(duì)實(shí)現(xiàn)森林的多功能可持續(xù)經(jīng)營(yíng)具有重要的指導(dǎo)意義。

蒙古櫟Quercusmongolica闊葉混交林是我國(guó)東北地區(qū)主要的天然次生林型之一[3]，對(duì)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、生物多樣性保護(hù)和森林可持續(xù)發(fā)展具有重要作用[4]。目前有關(guān)撫育間伐對(duì)蒙古櫟闊葉混交林的研究，主要集中在間伐對(duì)林分蓄積量、生長(zhǎng)量[5-7]以及林分生態(tài)功能[8-9]方面，鮮有從空間結(jié)構(gòu)的角度分析間伐對(duì)林分結(jié)構(gòu)的影響。本研究以蒙古櫟闊葉混交林為對(duì)象，采用基于相鄰木關(guān)系的林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)合Hegyi競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)，研究不同間伐強(qiáng)度蒙古櫟闊葉混交林空間結(jié)構(gòu)變化，以期為遼東山區(qū)蒙古櫟闊葉混交林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧東部山區(qū)本溪縣草河口鎮(zhèn)正溝村(123°51′～123°52′E，40°53′～40°54′N(xiāo))，海拔280 m，屬溫帶季風(fēng)氣候，年均氣溫6.1 ℃，年均降水量926 mm，年均蒸發(fā)量1 072 mm，無(wú)霜期124～144 d。地形以低山丘陵為主，土壤類型為山地棕色森林土。植被屬長(zhǎng)白植物區(qū)系，主要喬木樹(shù)種有紅松Pinuskoraiensis、落葉松Larixspp.、蒙古櫟、色木槭Acermono、核桃楸Juglansmandshurica、紫椴Tiliaamurensis、山楊Populusdavidiana等，林下灌木主要有胡枝子Lespedezabicolor、衛(wèi)矛Euonymusalatus、迎紅杜鵑Rhododendronmucronulatum，草本主要有寬葉薹草Carexsiderosticta、關(guān)蒼術(shù)Atractylodesjaponica、玉竹Polygonatumodoratum等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

本研究試驗(yàn)樣地為1995年設(shè)置的4塊蒙古櫟闊葉混交林固定樣地，面積822～851 hm2，撫育間伐方式為下層撫育法，伐除徑級(jí)較小的受壓木、瀕死木和枯立木，以及干形不良的林木，間伐強(qiáng)度以株數(shù)計(jì)算，設(shè)置為強(qiáng)度間伐(41%)、中度間伐(30%)、弱度間伐(12%)和未間伐對(duì)照樣地(0%)。各樣地間伐后當(dāng)年林分因子見(jiàn)表1。2018年6月對(duì)該樣地進(jìn)行復(fù)測(cè)，運(yùn)用TOPCON全站儀對(duì)樣地內(nèi)胸徑≥5 cm的喬木進(jìn)行定位及每木檢尺，記錄其樹(shù)種、水平坐標(biāo)、胸徑、樹(shù)高、冠幅、枝下高、健康狀況等因子。

表1 間伐后當(dāng)年蒙古櫟闊葉混交林樣地基本情況

2.2 分析方法

本研究基于相鄰木空間結(jié)構(gòu)對(duì)林分及樹(shù)種的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，選取混交度、角尺度、大小比數(shù)、競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)作為表達(dá)林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時(shí)為消除邊緣效應(yīng)對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)的影響，將標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)距各邊界2 m之內(nèi)的范圍確定為緩沖區(qū)。各指標(biāo)計(jì)算公式如下：

①混交度主要反映林分中樹(shù)種空間隔離程度[10]，其計(jì)算公式為：

式中：Mi為第i株參照樹(shù)的混交度；n為相鄰木數(shù)量(下同)；vij取值為：

因此，Mi取值為0，0.25，0.5，0.75，1，所對(duì)應(yīng)的樹(shù)種隔離程度分別表示為零度、弱度、中度、強(qiáng)度、極強(qiáng)度混交。

②角尺度主要反映林分中林木個(gè)體分布格局，定義為第i株與相鄰兩株樹(shù)的水平夾角小于標(biāo)準(zhǔn)角(取值為72°)的個(gè)數(shù)占所考察相鄰木的比例[11]，其計(jì)算公式為：

式中：Wi為第i株參照樹(shù)的角尺度；zij取值為

當(dāng)n=4時(shí)，角尺度取值為0，0.25，0.5，0.75，1，分別代表林木個(gè)體空間分布格局為絕對(duì)均勻、均勻、隨機(jī)、不均勻、聚集分布。

③大小比數(shù)是反映林木大小差異程度的指數(shù)，其定義為林木大小指標(biāo)(胸徑、樹(shù)高、冠幅等)大于中心木的相鄰木占所考察相鄰木的比例，林木大小指標(biāo)可以是胸徑、樹(shù)高和冠幅等[12]，本研究采用胸徑大小比數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中：Ui為第i株參照樹(shù)的胸徑大小比數(shù)；kij取值為：

當(dāng)n=4時(shí)，大小比數(shù)取值為0，0.25，0.5，0.75，1，對(duì)應(yīng)林木大小分化程度分別為優(yōu)勢(shì)、亞優(yōu)勢(shì)、中庸、劣勢(shì)和極端劣勢(shì)地位。

④競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)主要反映參照樹(shù)來(lái)自競(jìng)爭(zhēng)木的競(jìng)爭(zhēng)壓力。本研究采用Hegyi簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)模型，其計(jì)算公式：

式中：CIi為參照樹(shù)i的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)；Lij為參照樹(shù)到競(jìng)爭(zhēng)木j之間的距離；di為參照樹(shù)i的胸徑；dj為競(jìng)爭(zhēng)木j的胸徑；n為競(jìng)爭(zhēng)木的株數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1 間伐對(duì)林分種間隔離程度的影響

從不同間伐強(qiáng)度樣地平均混交度及其頻率分布可以看出(表2)，強(qiáng)度間伐樣地的平均混交度最大，為0.488，屬于中度混交；中度間伐樣地平均混交度為0.363，屬于弱度混交向中度混交的過(guò)渡類型；弱度間伐和對(duì)照樣地平均混交度較低，分別為0.260和0.211，屬于弱度混交。隨著間伐強(qiáng)度的增大，林分平均混交度逐漸增大。結(jié)合頻率分布可知，弱度和對(duì)照樣地處于零度混交的林木株數(shù)均大于50%，說(shuō)明在弱度和對(duì)照樣地內(nèi)有一半以上林木處于單種聚集狀態(tài)。在中度和強(qiáng)度間伐樣地內(nèi)，處于零度混交林木個(gè)體較少，分別為16%、19%，處于強(qiáng)度和極強(qiáng)度混交林木個(gè)體逐漸增加，表現(xiàn)為隨著間伐強(qiáng)度增大，強(qiáng)度和極強(qiáng)度混交林木比例之和逐漸增大。由此可知，間伐能夠提高林分平均混交度，增強(qiáng)林分的穩(wěn)定性，間伐強(qiáng)度越大，林分平均混交度越高。

表2 不同間伐強(qiáng)度蒙古櫟闊葉混交林混交度及頻率分布

3.2 間伐對(duì)林木個(gè)體空間分布格局的影響

從不同間伐強(qiáng)度樣地的平均角尺度可知(圖1)，除中度間伐樣地外，其余3塊樣地平均角尺度均在0.475≤Wi≤0.517，屬于隨機(jī)分布；中度間伐樣地平均角尺度為0.529，略大于0.517，屬于聚集分布。從角尺度分布頻率來(lái)看，強(qiáng)度、弱度間伐處于隨機(jī)分布林木比例相較于對(duì)照均有所提高，而處于極度聚集分布林木比例有所下降。中度間伐處于極度聚集分布林木個(gè)體較高，右側(cè)大于左側(cè)，導(dǎo)致林分平均混交度較高，這可能與間伐時(shí)采伐木的選擇較為粗放有關(guān)?？傮w來(lái)看，間伐能夠提高隨機(jī)分布林木的比例，對(duì)于改善林分整體分布格局具有一定的積極作用，但具有一定的不確定性。

圖1 不同間伐強(qiáng)度蒙古櫟闊葉混交林角尺度及頻率分布

3.3 間伐對(duì)林木大小分化程度的影響

由不同間伐強(qiáng)度各樣地平均大小比數(shù)及其頻率分布可知(表3)，4塊樣地的平均大小比數(shù)0.467～0.485，變化幅度較小，在0.016～0.028范圍內(nèi)浮動(dòng)，各頻率分布差異不大，說(shuō)明大小比數(shù)在反映林分整體分化程度上靈敏度較差。

表3 不同間伐強(qiáng)度蒙古櫟闊葉混交林大小比數(shù)頻率分布

進(jìn)一步分析主要樹(shù)種大小比數(shù)可知(表4)，蒙古櫟平均大小比數(shù)在中度、弱度和對(duì)照樣地內(nèi)均保持不變，為0.43，在強(qiáng)度間伐樣地內(nèi)減少至0.39，說(shuō)明蒙古櫟經(jīng)過(guò)強(qiáng)度間伐后其優(yōu)勢(shì)地位增加，核桃楸經(jīng)過(guò)中度和強(qiáng)度間伐后，大小比數(shù)增加至0.42和0.25，說(shuō)明核桃楸在經(jīng)過(guò)中度和強(qiáng)度間伐后優(yōu)勢(shì)地位有所減弱。紫椴在經(jīng)過(guò)弱度間伐后，優(yōu)勢(shì)地位有所提高，強(qiáng)度間伐后優(yōu)勢(shì)地位有所減弱，整體上，紫椴在各林分中均處于劣勢(shì)地位，花曲柳、色木槭在各樣地內(nèi)均處于劣勢(shì)或極劣勢(shì)地位。由此可知，撫育間伐能夠提高蒙古櫟在林分中的優(yōu)勢(shì)地位，但降低了核桃楸的優(yōu)勢(shì)地位，這可能與間伐時(shí)選擇胸徑較大的核桃楸進(jìn)行采伐有關(guān)。

表4 不同間伐強(qiáng)度蒙古櫟闊葉混交林主要樹(shù)種大小比數(shù)

3.4 間伐對(duì)林分空間競(jìng)爭(zhēng)的影響

不同間伐強(qiáng)度林分平均競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)如圖2所示。

圖2 不同間伐強(qiáng)度蒙古櫟闊葉混交林競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)

林分平均競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)在2.073～2.510變動(dòng)，表現(xiàn)為中度間伐的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)最大，其次為強(qiáng)度間伐和弱度間伐，對(duì)照樣地的競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)最小，說(shuō)明經(jīng)過(guò)20余年的生長(zhǎng)，間伐樣地已經(jīng)基本郁閉，樣地內(nèi)林木的生長(zhǎng)空間逐漸減小，林木之間競(jìng)爭(zhēng)加劇，中度間伐競(jìng)爭(zhēng)壓力尤為突出。

4 結(jié)論與討論

4.1 科學(xué)的森林經(jīng)營(yíng)應(yīng)建立在空間結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上，林分結(jié)構(gòu)越合理，林分的功能越強(qiáng)，穩(wěn)定性越高[13]。本研究利用混交度、角尺度、大小比數(shù)和競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)等空間結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)間伐后蒙古櫟闊葉混交林的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，一定強(qiáng)度的間伐能夠提高林分混交度，與胡雪凡等[13]對(duì)長(zhǎng)白山蒙古櫟次生林的研究結(jié)果相一致。但也有研究認(rèn)為，高強(qiáng)度的間伐反而降低了林分的混交度[14]，這可能是過(guò)度的采伐干擾，降低了物種的豐富度，使群落變得不穩(wěn)定[14]。

4.2 間伐能夠提高隨機(jī)分布林木的比例，對(duì)于改善林分整體分布格局具有一定的積極作用，但具有一定的不確定性。本研究發(fā)現(xiàn)，3塊間伐樣地林分的平均競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)均高于對(duì)照，這與劉泰瑞等[15]對(duì)華北落葉松人工林的研究結(jié)果不一致。究其原因：本研究中的蒙古櫟闊葉混交林距初次采伐已20余年，由采伐帶來(lái)的生長(zhǎng)空間的釋放效應(yīng)已經(jīng)逐漸減弱，林分再次郁閉，從而導(dǎo)致林木之間競(jìng)爭(zhēng)加劇，而對(duì)照樣地經(jīng)過(guò)自然稀疏，林分密度減小，林木之間的競(jìng)爭(zhēng)相對(duì)較弱。

4.3 在采伐木選取時(shí)，可以有意識(shí)地選擇混交度為0或0.25的林木，以提高林分混交度，增強(qiáng)林分穩(wěn)定性。在林木空間分布格局調(diào)控上，應(yīng)盡量將角尺度為0.5的林木作為保留木，使林分整體呈隨機(jī)分布[16-17]。