李杰茹,黨坤良*,王先初,強(qiáng)浪浪
(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院,陜西 楊陵 712100;2.陜西省石泉縣林業(yè)局,陜西 石泉 725200)
秦嶺是我國(guó)中部重要的生態(tài)屏障及南水北調(diào)工程的水源地,在保障我國(guó)中部地區(qū)生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展方面具有重要作用。秦嶺林區(qū)地理位置特殊,地形復(fù)雜,森林群落類(lèi)型多樣,垂直帶譜明顯。銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)林作為秦嶺山地森林群落主要構(gòu)譜成分之一,其分布面積不僅較大,而且空間范圍較廣,在秦嶺林區(qū)森林生態(tài)系和森林植被資源中具有重要位置。20世紀(jì)50年代,由于秦嶺林區(qū)不合理的采伐作業(yè)方式,使得現(xiàn)有銳齒櫟中幼齡次生林多數(shù)存在生產(chǎn)力低下和穩(wěn)定性較差等問(wèn)題[1,2],因此,探尋秦嶺林區(qū)銳齒櫟天然次生林科學(xué)有效的經(jīng)營(yíng)措施具有重要意義。
撫育間伐是對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)經(jīng)營(yíng)的重要措施,是優(yōu)化森林結(jié)構(gòu)、提高森林生產(chǎn)力及質(zhì)量的主要途徑[3]。關(guān)于撫育間伐對(duì)森林組分和生態(tài)功能等各方面的影響研究成果較多[4-6],其中M.Newtonetal[7]通過(guò)研究間伐對(duì)北美云杉(Piceasitchensis)和異葉鐵杉(Tsugaheterophylla)生長(zhǎng)的影響,認(rèn)為撫育間伐有利于促進(jìn)樹(shù)木胸徑和斷面積的增長(zhǎng);徐金良等[8]研究了間伐對(duì)杉木(Cunninghamialanceolata)人工林生長(zhǎng)的影響,認(rèn)為間伐可以顯著提高林木平均胸徑和單株材積的增加;尤文忠等[9]通過(guò)研究間伐對(duì)蒙古櫟(Q.mongolica)次生林的影響,認(rèn)為間伐能顯著提高林分蓄積定期生長(zhǎng)量累計(jì)以及定期生長(zhǎng)量。關(guān)于秦嶺林區(qū)銳齒櫟林的研究頗多,主要集中在撫育間伐對(duì)銳齒櫟林光合特性的影響[10]、銳齒櫟種群空間分布格局[11]、林木個(gè)體生長(zhǎng)[12]、生態(tài)位特征[13]和碳密度[14]等方面,關(guān)于撫育間伐對(duì)銳齒櫟林分生長(zhǎng)方面的研究甚少。本研究以秦嶺南坡銳齒櫟林為對(duì)象,探討撫育間伐對(duì)其林分胸徑和蓄積的影響以及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,為秦嶺林區(qū)銳齒櫟林的進(jìn)行科學(xué)經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)樣地設(shè)置在秦嶺南坡銳齒櫟林分布較廣的陜西省寧東林業(yè)局沙溝林場(chǎng),地理位置為33°43′-34°47′N(xiāo) ,108°33′-108°48′E。本區(qū)為山地溫帶氣候類(lèi)型,年平均氣溫6℃~10℃,年降水量920~1 230 mm,生長(zhǎng)期6個(gè)月;土壤類(lèi)型為山地棕色森林土,平均厚度約50 cm,成土母巖主要為花崗巖、片麻巖和變質(zhì)砂巖;該區(qū)森林均為20世紀(jì)80年代人為采伐后通過(guò)天然更新形成的次生林;森林類(lèi)型主要有銳齒櫟林、油松林、華山松林、松櫟混交林和松樺混交林等。主要成林樹(shù)種有銳齒櫟、油松(Pinustabuliformis)、華山松(P.armandii)、紅樺(Betulaalbosinensis)等,伴生樹(shù)種有山楊(Populusdavidiana)、漆樹(shù)(Toxicodendronvernicifluum)、青榨槭(Acerdavidii)等。研究區(qū)概況見(jiàn)表1。
表1 樣地基本概況Table 1 A survey of natural secondary forest sample plots of Quercus aliena var.acuteserrata in the Shagou Forest Farm
2012年3-4月在陜西省寧東林業(yè)局沙溝林場(chǎng)選取立地條件和林分特點(diǎn)基本相同的地段,設(shè)置12塊銳齒櫟林研究固定樣地,樣地面積為20 m×30 m;在對(duì)樣地立地和林分因子調(diào)查的基礎(chǔ)上,按照蓄積強(qiáng)度0%(CK)、5%、10%、15%、20%和25%分別進(jìn)行間伐處理,每個(gè)處理及對(duì)照(CK)樣地重復(fù)2次,并設(shè)置界樁和標(biāo)志牌,以便長(zhǎng)期觀測(cè)研究。
2018年10月對(duì)各研究樣地林木進(jìn)行每木檢尺,起測(cè)徑階為4 cm徑階,并以2 cm進(jìn)行林木徑階劃分;按照研究樣地內(nèi)林木各徑階的分布和數(shù)量,分別選取3~5株標(biāo)準(zhǔn)木,利用生長(zhǎng)錐在標(biāo)準(zhǔn)木胸高處東西和南北2個(gè)方位分別獲取木芯,在測(cè)量木芯長(zhǎng)度后,將其放置于自制的紙筒內(nèi),并進(jìn)行標(biāo)記和編號(hào),帶回實(shí)驗(yàn)室,以便室內(nèi)分析。
將獲取的木芯置于實(shí)驗(yàn)室,經(jīng)常溫風(fēng)干2周后,對(duì)木芯進(jìn)行處理并測(cè)量,計(jì)算樣芯干濕長(zhǎng)度比為0.969,誤差較小。將木芯固定在特制木槽內(nèi),待晾干后用200目和1 000目的砂紙進(jìn)行打磨;利用WinDENDRO年輪分析儀測(cè)定年輪寬度。
1.5.1 林分平均胸徑(Dg)
(1)
式中,G為林分總斷面積/cm2,N為林分林木總株數(shù)。
1.5.2 試驗(yàn)期林分總生長(zhǎng)量(胸高總斷面積和蓄積)(Z) 為林分在試驗(yàn)期7 a間的總生長(zhǎng)量,
Z=d2018-d2012伐后
(2)
式中,d2018為2018年時(shí)的測(cè)定量,d2012伐后為2012年間伐后的測(cè)定量。
1.5.3 試驗(yàn)期平均生長(zhǎng)量θ
(3)
式中,Zt為試驗(yàn)期第t年時(shí)的林分生長(zhǎng)量,nt為試驗(yàn)期第t年距2012年所間隔的年數(shù)。
1.5.4 試驗(yàn)期連年生長(zhǎng)量 樹(shù)木一年間的生長(zhǎng)量。
Z=dt-dt-1
(4)
式中,dt為試驗(yàn)期第t年時(shí)的測(cè)定量,dt-1為試驗(yàn)期第t-1年時(shí)的測(cè)定量。
1.5.5 試驗(yàn)期總增長(zhǎng)率
(5)
1.5.6 試驗(yàn)期平均年增長(zhǎng)率
(6)
式中,pi為在試驗(yàn)期第i年的增長(zhǎng)率,i=1,2,3,…,7。
1.5.7 蓄積量 通過(guò)一元材積表獲得各徑階林木的單株材積,各徑階蓄積之和即為樣地蓄積。
(7)
式中,k為徑階數(shù),Vi為第i徑階單株材積(m3),ni為相應(yīng)徑階的林木株數(shù)。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行處理分析,運(yùn)用SPSS20.0軟件對(duì)林木生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析和Duncan多重比較,使用Origin9繪圖。
2.1.1 間伐對(duì)林分胸高斷面積生長(zhǎng)的影響 撫育間伐對(duì)銳齒櫟林分的胸高斷面積生長(zhǎng)有明顯促進(jìn)作用(表2),間伐7 a后,5%林分胸高斷面積最高,為24.78 m2·hm-2,CK次之,其余各組從大到小依次是10%、15%、20%和25%。方差分析表明,5%樣地林分胸高斷面積>CK,除10%樣地林分胸高斷面積與CK差異不顯著(P>0.05),其余各組均呈顯著差異(P<0.05)。林分胸高斷面積總增長(zhǎng)量和年均增長(zhǎng)量最大值均為5%樣地,分別為9.14 m2·hm-2和1.31 m2·hm-2,方差分析表明,5%~20%樣地林分胸高斷面積年均增長(zhǎng)量和總增長(zhǎng)量均>CK,除25%樣地林分胸高斷面積年均增長(zhǎng)量和總增長(zhǎng)量與CK差異均不顯著(P>0.05),其余各組間均呈顯著差異(P<0.05)。間伐后5%~25%各組樣地的林分胸高斷面積年均增長(zhǎng)率和總增長(zhǎng)率均>CK,且與CK均呈顯著差異(P<0.05)。與未間伐樣地相比,間伐后林分胸高斷面積年均增長(zhǎng)率提高了24.32%~41.37%,林分胸高斷面積總增長(zhǎng)率提高了28.86%~49.94%。
表2 不同間伐強(qiáng)度下銳齒櫟林胸高斷面積生長(zhǎng)情況Table 2 Growth information of basal area at breast height of Quercus aliena var.acuteserrata forest under different thinning intensities
2.1.2 間伐對(duì)林分蓄積量生長(zhǎng)的影響 撫育間伐對(duì)銳齒櫟林分蓄積量生長(zhǎng)有明顯促進(jìn)作用(表3),間伐7 a后,5%樣地的林分蓄積量最大,為150.07 m3·hm-2,其余樣地林分蓄積量從大到小依次為10%、CK、15%、20%和25%。方差分析表明,在間伐7 a后,各組林分蓄積量相互間均呈顯著差異(P<0.05)。林分蓄積量的總增長(zhǎng)量和年均增長(zhǎng)量最高也均為5%樣地林分,其中5%~20%樣地林分蓄積量的年均增長(zhǎng)量和總增長(zhǎng)量均>CK,25%樣地林分蓄積量的年均增長(zhǎng)量和總增長(zhǎng)量均
表3 不同間伐強(qiáng)度下銳齒櫟林蓄積量生長(zhǎng)情況Table 3 Growth information of the accumulation of Q.aliena var.acuteserrata forest under different thinning intensities
各間伐樣地林木蓄積量與CK的動(dòng)態(tài)差異表明,隨著時(shí)間的推移,各間伐樣地林分的蓄積量與CK差距均逐漸減小,并且最終會(huì)超越CK(表4)。在間伐7 a后5%和10%樣地的林分蓄積量>CK。5%樣地林分蓄積量在間伐4 a后與CK持平,10%樣地林分蓄積量在間伐7 a后與CK持平,并且5%~10%樣地林分蓄積量有明顯提高。由此得出,間伐強(qiáng)度對(duì)林分蓄積量增長(zhǎng)和累積速度有明顯影響,5%~10%間伐強(qiáng)度林分的蓄積量在相對(duì)較短的時(shí)間(4~7 a)可以達(dá)到并超越未間伐樣地林分蓄積水平,15%~25%間伐強(qiáng)度林分蓄積量仍需較長(zhǎng)時(shí)間才能確定是否趕上未間伐樣地林分蓄積量水平。
表4 不同間伐強(qiáng)度下2012-2018年銳齒櫟林分蓄積量的變化Table 4 Changes of forest accumulation of Q.aliena var.acuteserrata under different thinning intensities from 2012 to 2018
2.3.1 間伐對(duì)林分胸高斷面積生長(zhǎng)過(guò)程的影響 間伐有利于促進(jìn)銳齒櫟林林分胸高斷面積連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量的增長(zhǎng),間伐后5%~15%樣地林分的胸高斷面積連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量顯著提高,其中5%樣地林分胸高斷面積連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量增長(zhǎng)趨勢(shì)最顯著。由圖1A1、A2可知,各個(gè)樣地林分的連年生長(zhǎng)量曲線(xiàn)和平均生長(zhǎng)量曲線(xiàn)呈現(xiàn)出不同幅度的增長(zhǎng)變化,表明銳齒櫟林分胸高斷面積還處在生長(zhǎng)旺盛期。與CK相比,5%~15%樣地林分胸高斷面積的連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量呈現(xiàn)出明顯的快速遞增趨勢(shì),低密度林分20%~25%樣地林分胸高斷面積的平均生長(zhǎng)量變化與CK基本相似。表明中低強(qiáng)度間伐(5%~15%)可以在短時(shí)間內(nèi)快速增加林分胸高斷面積連年生長(zhǎng)量,而高強(qiáng)度間伐(20%~25%)下的林分則受制于林木株數(shù)的減少,林分胸高斷面積連年生長(zhǎng)量增加不明顯。
2.3.2 間伐對(duì)林分蓄積量生長(zhǎng)過(guò)程的影響 間伐對(duì)銳齒櫟林分蓄積連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量有明顯的促進(jìn)作用,5%~25%樣地林分的蓄積連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量均表現(xiàn)為顯著遞增趨勢(shì)。由圖1A3、A4可知,5%~15%間伐樣地林分蓄積連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量明顯>CK。在2013年后,間伐后林分蓄積連年生長(zhǎng)量基本表現(xiàn)為5%>10%>15%>20%>25%,其中25%樣地林分蓄積連年生長(zhǎng)量曲線(xiàn)變化趨勢(shì)與CK接近重合。表明間伐后對(duì)銳齒櫟林分蓄積連年生長(zhǎng)量增長(zhǎng)有積極地促進(jìn)作用,中低強(qiáng)度(5%~15%)間伐強(qiáng)度下的林分蓄積連年生長(zhǎng)量可以在短時(shí)間內(nèi)高速增長(zhǎng),而高強(qiáng)度(20%~25%)間伐強(qiáng)度下的林分蓄積連年生長(zhǎng)量持續(xù)平穩(wěn)增長(zhǎng)。
注:A1:不同間伐強(qiáng)度下林分胸高斷面積連年生長(zhǎng)量;A2.不同間伐強(qiáng)度下林分胸高斷面積平均生長(zhǎng)量;A3.不同間伐強(qiáng)度下林分蓄積連年生長(zhǎng)量;A4.不同間伐強(qiáng)度下林分蓄積平均生長(zhǎng)量。圖1 不同間伐強(qiáng)度下銳齒櫟林分的胸高斷面積和蓄積連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量變化Fig.1 Current annual increment and mean annual growth increment of the area at breast height and stand volume of Q.aliena var.acuteserrata forest under different thinning intensities
撫育間伐可以提高銳齒櫟林分胸高斷面積和蓄積量的增長(zhǎng),間伐7 a后各間伐林分的胸高斷面積和蓄積量的增長(zhǎng)率相比CK均顯著提高,其中間伐強(qiáng)度5%樣地林分胸高斷面積和蓄積量及其增長(zhǎng)量和增長(zhǎng)率均為最高。
5%~10%低間伐強(qiáng)度林分蓄積量可以在相對(duì)較短時(shí)間內(nèi)趕超未間伐林分蓄積量,間伐強(qiáng)度越大的林分,則需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能確定是否可以趕超未間伐樣地林分蓄積量。
5%~15%中低強(qiáng)度間伐下林分胸高斷面積和蓄積連年生長(zhǎng)量可以在較短年限內(nèi)高速增長(zhǎng),而20%~25%高間伐強(qiáng)度下林分胸高斷面積和蓄積連年生長(zhǎng)量則維持平穩(wěn)增長(zhǎng),與未間伐樣地變化趨勢(shì)相近。
本研究中的5種間伐強(qiáng)度,秦嶺南坡銳齒櫟天然次生林森林撫育作業(yè)應(yīng)以5%間伐強(qiáng)度為宜。
撫育間伐可以改善林內(nèi)環(huán)境,使林分可利用的資源優(yōu)化且相對(duì)充足,例如生存空間擴(kuò)大,減少樹(shù)木間競(jìng)爭(zhēng),光照與水分更加充足[15]。T.P.Sullivanetal[16]研究了不同間伐強(qiáng)度對(duì)美國(guó)黑松(P.contorta)的影響,得出低間伐強(qiáng)度林分蓄積量及增長(zhǎng)量最大,未間伐樣地次之,中度和重度間伐則小于未間伐樣地;明安剛等[17]研究了不同間伐強(qiáng)度對(duì)馬尾松(P.massoniana)人工林生物量的影響,認(rèn)為間伐有利于提高喬木層生物量,輕度間伐效果最佳;M.Zasadaetal[18]在古賓林區(qū)進(jìn)行了為期10 a的分析試驗(yàn),認(rèn)為低間伐強(qiáng)度和采伐年限長(zhǎng)的方式最有利于生物量的積累,結(jié)論與本研究結(jié)果相似。K.Glencrossetal[19]和孫洪剛等[20]分別通過(guò)研究間伐對(duì)鄧恩桉(Eucalyptusdunnii)和杉木的影響,認(rèn)為間伐對(duì)林分總斷面積沒(méi)有影響,最終林分?jǐn)嗝娣e會(huì)趨于一致,這與本研究結(jié)果存在出入,這種差異可能跟林分類(lèi)型和立地條件的不同有關(guān)。龔固堂等[21]通過(guò)研究柏木(Cupressusfunebris)人工林,認(rèn)為蓄積量增長(zhǎng)率會(huì)隨間伐強(qiáng)度的增大而增大;賈忠奎等[22]通過(guò)研究間伐對(duì)華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)的影響也得出類(lèi)似結(jié)論。在本研究中,沙溝林場(chǎng)的銳齒櫟林分胸高斷面積和蓄積量增長(zhǎng)率均為5%間伐強(qiáng)度樣地最高,可能的原因是雖然高強(qiáng)度間伐樣地的單株材積增長(zhǎng)率迅速增大,但是高強(qiáng)度間伐使得林分密度迅速下降,而單株材積增長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)在間伐一定年限后基本消失[23],因此高強(qiáng)度間伐樣地整體林分單位面積蓄積量生長(zhǎng)速率較低。
間伐強(qiáng)度通過(guò)對(duì)林木生長(zhǎng)環(huán)境的影響,進(jìn)而影響林分蓄積量的積累。在本研究中,低間伐強(qiáng)度(5%~10%)林分能在生長(zhǎng)短時(shí)間內(nèi)利用較高的蓄積量生長(zhǎng)速率來(lái)彌補(bǔ)間伐移除的蓄積量,銳齒櫟林在間伐7 a后,低間伐強(qiáng)度(5%~10%)樣地的林分蓄積量均趕超CK,而自間伐年起,隨時(shí)間的推移中高間伐強(qiáng)度(15%~25%)樣地的林分蓄積量與CK的差值逐步減小。很多學(xué)者針對(duì)間伐是否能提高林分總蓄積量做了研究,得出的結(jié)果不盡相同,潘輝等[24]研究了不同間伐對(duì)巨尾桉(E.grandis×E.urophylla)林生長(zhǎng)的影響,得出1/3間伐強(qiáng)度林分的蓄積量?jī)?yōu)于未間伐和其他間伐強(qiáng)度林分,但經(jīng)方差分析,差異并不顯著;B.R.Knoeboletal[25]通過(guò)不同間伐強(qiáng)度對(duì)美國(guó)鵝掌楸(Liriodendrontulipifera)的研究認(rèn)為間伐會(huì)降低林分蓄積量。針對(duì)間伐對(duì)林分蓄積量的影響結(jié)果的不同,大部分學(xué)者認(rèn)為到主伐時(shí)才可做結(jié)論[26]。從本研究中可以看出間伐后為林分蓄積生長(zhǎng)提供了較為優(yōu)越的生活環(huán)境,還為林分蓄積量繼續(xù)的生長(zhǎng)和積累提供了更大的空間。
通過(guò)對(duì)銳齒櫟林生長(zhǎng)過(guò)程的研究,得出間伐對(duì)銳齒櫟林分胸高斷面積和蓄積連年生長(zhǎng)量和平均生長(zhǎng)量的增長(zhǎng)有促進(jìn)作用。原因是未間伐樣地在自然狀態(tài)下,林分生長(zhǎng)的平均生長(zhǎng)量均呈現(xiàn)穩(wěn)定且緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì),而林分在間伐后林木迅速生長(zhǎng)即生長(zhǎng)旺盛期,間伐后各樣地的平均生長(zhǎng)量均表現(xiàn)為遞增趨勢(shì)[27]。目前沙溝林場(chǎng)銳齒櫟林仍處在生長(zhǎng)旺盛期階段,中低強(qiáng)度(5%~15%)間伐林分連年生長(zhǎng)量在短期內(nèi)已經(jīng)達(dá)到高速生長(zhǎng),高強(qiáng)度(20%~25%)間伐連年生長(zhǎng)量與CK則保持平穩(wěn)增長(zhǎng)。由于銳齒櫟林分的蓄積平均生長(zhǎng)量曲線(xiàn)呈增長(zhǎng)趨勢(shì),并未達(dá)到峰值,且蓄積連年生長(zhǎng)量曲線(xiàn)仍有增長(zhǎng)趨勢(shì),因此該林分第1次采伐距第2次采伐的合理年限在7 a以上。