董莉莉,劉紅民,汪成成,殷方升,高英旭,丁 磊,陸愛(ài)君

(1.遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院,沈陽(yáng) 110032；2.遼寧省公共資源交易中心,沈陽(yáng) 110001；3.遼寧省森林經(jīng)營(yíng)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(yíng)和分析中的重要因子,也是實(shí)施森林經(jīng)營(yíng)活動(dòng)的具體對(duì)象。提高林分結(jié)構(gòu)的多樣性和復(fù)雜性,被認(rèn)為是實(shí)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(shí)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(yíng)研究的重要問(wèn)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(shù)種組成[2-3]、年齡結(jié)構(gòu)、徑級(jí)結(jié)構(gòu)[4]和空間結(jié)構(gòu)特征[5-7]的簡(jiǎn)單描述,以及林分結(jié)構(gòu)對(duì)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(yíng)措施對(duì)林分結(jié)構(gòu)尤其是林分空間結(jié)構(gòu)影響的報(bào)道尚不多見(jiàn),而探究森林經(jīng)營(yíng)活動(dòng)對(duì)林分結(jié)構(gòu)的影響對(duì)實(shí)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(guó)東北、華北山地森林的主要建群樹(shù)種[12]。由于長(zhǎng)期不合理的森林經(jīng)營(yíng),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(wèn)題。如何通過(guò)科學(xué)、合理的經(jīng)營(yíng)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(jì)效益是丞待解決的問(wèn)題。本研究以遼東山區(qū)蒙古櫟天然次生林為研究對(duì)象,分析擇伐強(qiáng)度對(duì)蒙古櫟天然次生林生長(zhǎng)和林分結(jié)構(gòu)的影響,探討林分經(jīng)營(yíng)的合理?yè)穹?qiáng)度和擇伐方式,以期為實(shí)現(xiàn)蒙古櫟次生林高效、穩(wěn)定、可持續(xù)經(jīng)營(yíng)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(chǎng),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(rùn)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(wú)霜期125d。屬于長(zhǎng)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(shù)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(jiàn)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(zhǎng)狀況基本一致的52a生蒙古櫟天然次生林,按蓄積量計(jì)算,設(shè)置3種采伐強(qiáng)度的作業(yè)區(qū)(強(qiáng)度采伐(40%),中度采伐(29%)和對(duì)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(shù)。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(duì)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)胸徑≥5cm的林木進(jìn)行每木檢尺,記錄樹(shù)種名稱、位置、胸徑、樹(shù)高、冠幅、枝下高及生長(zhǎng)情況,每隔2～3年復(fù)測(cè)1次。同時(shí),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(gè)灌木和15個(gè)草本樣方),并對(duì)樣方內(nèi)灌木、草本及更新情況進(jìn)行調(diào)查,同樣也是每隔2～3年復(fù)測(cè)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(jì)算

2.2.1材積與蓄積量

采用遼寧東部林區(qū)柞樹(shù)、軟闊和硬闊一元立木材積表計(jì)算各樹(shù)種材積,樣地內(nèi)所有樹(shù)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(zhǎng)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(gè)生長(zhǎng)季,計(jì)算采伐后不同時(shí)間林分的蓄積年生長(zhǎng)率。

蓄積年生長(zhǎng)率采用普雷斯特公式[15]計(jì)算,即:

(1)

式中:Pn為n年間的蓄積量年均生長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng)指數(shù)作為表達(dá)林分空間結(jié)構(gòu)的參數(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,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(shù)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(gè)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(jìng)爭(zhēng)指數(shù)。采用Hegyi簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)[18]計(jì)算林木所承受的競(jìng)爭(zhēng)壓力,用四鄰木法確定競(jìng)爭(zhēng)木,計(jì)算公式為:

(4)

式中:CIi為對(duì)象樹(shù)i的簡(jiǎn)單競(jìng)爭(zhēng)指數(shù)；Di為對(duì)象樹(shù)i的胸徑；Dj為對(duì)象樹(shù)周圍第j競(jìng)爭(zhēng)樹(shù)的胸徑(j=1,2,3,4)；DISTij為對(duì)象樹(shù)i與競(jìng)爭(zhēng)樹(shù)j之間的距離。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

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

3 結(jié)果與分析

3.1 采伐對(duì)林分生長(zhǎng)的影響

3.1.1林分平均胸徑生長(zhǎng)變化

分析林分胸徑生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)可知,強(qiáng)度、中度采伐,其林分平均胸徑在采伐后的各個(gè)生長(zhǎng)階段均高于對(duì)照,且隨著采伐強(qiáng)度的增加而增大。在伐后7年,強(qiáng)度、中度采伐林分平均胸徑分別比對(duì)照增長(zhǎng)6.9cm和5.2cm(圖1)。在林分胸徑定期生長(zhǎng)量方面(圖2),強(qiáng)度、中度采伐在伐后前5年均明顯高于對(duì)照,而在伐后5—7年間均低于對(duì)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(zhǎng)量大幅增加所致。7年間胸徑增加量表現(xiàn)為:強(qiáng)度采伐最大,為3 cm；其次中度采伐,為2.7cm；對(duì)照最少,為2.6 cm。由此可知,采伐促進(jìn)了林分胸徑的生長(zhǎng),且表現(xiàn)為采伐強(qiáng)度越強(qiáng),胸徑生長(zhǎng)量越大。

圖1 不同采伐強(qiáng)度蒙古櫟林胸徑生長(zhǎng)過(guò)程Fig.1 DBH growth process in Q.mongolica forests with different cutting intensity

圖2 不同采伐強(qiáng)度蒙古櫟林胸徑定期生長(zhǎng)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(zhǎng)

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

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

可見(jiàn),采伐促進(jìn)單株活立木材積的增加,且采伐強(qiáng)度越大,單株材積生長(zhǎng)量越大。

3.1.3林分蓄積生長(zhǎng)變化

由表3可知:采伐樣地林分蓄積量較對(duì)照均有不同程度的減小,采伐當(dāng)年,強(qiáng)度、中度采伐林分蓄積量分別低于對(duì)照22.68%和17.42%；但采伐促進(jìn)了林分蓄積生長(zhǎng)加快,伐后7年,強(qiáng)度、中度采伐蓄積分別增加了38.36m3/hm2和43.47 m3/hm2,高于對(duì)照(21.61 m3/hm2)77.51%和101.06%。進(jìn)一步分析林分蓄積生長(zhǎng)率可知:除強(qiáng)度采伐在伐后初期(2年),由于采伐時(shí)砸傷的部分林木枯死,導(dǎo)致林分蓄積生長(zhǎng)率低于對(duì)照外,其它生長(zhǎng)階段,采伐樣地林分蓄積生長(zhǎng)率均高于對(duì)照；伐后7年,林分平均蓄積生長(zhǎng)率表現(xiàn)中度采伐>強(qiáng)度采伐>對(duì)照。綜上,說(shuō)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(zhǎng)速度。同時(shí)研究還發(fā)現(xiàn),強(qiáng)度采伐在采伐初期(伐后2年),林分蓄積生長(zhǎng)率較低。

表3 不同生長(zhǎng)階段蒙古櫟林蓄積和蓄積年生長(zhǎng)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(jí)結(jié)構(gòu)變化

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

圖3 各樣地不同生長(zhǎng)階段林分徑級(jí)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(jí)結(jié)構(gòu)分布Fig.4 Distribution of stand diameter class after cutting for 7 years

總體上來(lái)看,采伐促進(jìn)了林木徑級(jí)分布曲線逐漸向右偏移,且采伐強(qiáng)度越大,右偏幅度越大。表明采伐有助于提高中、大徑級(jí)林木比例,且采伐強(qiáng)度越大,大徑級(jí)林木比例越高。

3.2 采伐對(duì)林分枯死率的影響

比較不同生長(zhǎng)階段林分枯死率可知(表4),強(qiáng)度采伐在采伐初期(伐后2年),枯死率相對(duì)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(duì)照在伐后0—2年內(nèi),枯損率相對(duì)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(duì)照>強(qiáng)度采伐>中度采伐,強(qiáng)度、中度采伐樣地枯死率僅為對(duì)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(qiáng)度過(guò)大,在采伐初期林分的枯死率較高。

表4 不同采伐強(qiáng)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(duì)林分空間結(jié)構(gòu)的影響

3.3.1樹(shù)種隔離程度

由表5可知,強(qiáng)度、中度、對(duì)照林分的平均混交度分別為0.04,0.00和0.43,強(qiáng)度、中度采伐屬于零度混交,對(duì)照屬于中度混交。結(jié)合混交度頻率分布可知:強(qiáng)度和中度采伐樣地中零度混交所占比例均大于90%,說(shuō)明這兩個(gè)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(duì)照樣地中,零度混交所占比例為28%,處于強(qiáng)度和極強(qiáng)度混交林木比例之和為34%,說(shuō)明在對(duì)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(shù)種混交狀態(tài),樹(shù)種隔離程度相對(duì)較高。

表5 不同采伐強(qiáng)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(duì)林分角尺度及其頻率分布進(jìn)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(jī)分布；強(qiáng)度、對(duì)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(duì)照相比,中度采伐樣地內(nèi)處于隨機(jī)分布林木比例有所增加,而處于聚集和絕對(duì)聚集分布林木比例降低,林分整體處于隨機(jī)分布狀態(tài)；而強(qiáng)度采伐降低了隨機(jī)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(qiáng)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(jìng)爭(zhēng)壓力

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

圖6 伐后7年不同擇伐強(qiáng)度林分競(jìng)爭(zhēng)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(yíng)措施對(duì)林分的生長(zhǎng)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(jìng)爭(zhēng),為保留木創(chuàng)造更多的營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)空間,從而促進(jìn)林分胸徑[19-20]和單株材積[21-22]的生長(zhǎng)。本研究也得出相同的結(jié)論,即:采伐7年后,強(qiáng)度、中度采伐林分平均胸徑分別比對(duì)照增長(zhǎng)6.9cm和5.2cm,單株材積分別為對(duì)照的1.8倍、1.5倍(P<0.05)。表明采伐對(duì)蒙古櫟林生長(zhǎng)具有明顯的促進(jìn)作用。同時(shí),研究發(fā)現(xiàn),采伐能夠明顯提高林分蓄積年生長(zhǎng)率,且隨著采伐強(qiáng)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(duì)照。國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者研究也表明,采伐能夠促進(jìn)蓄積生長(zhǎng)率的增加,但短期內(nèi)仍不能彌補(bǔ)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(duì)油松人工林研究得出，間伐6年后林分蓄積量高于對(duì)照的結(jié)論；湯景明等[29]對(duì)間伐4年后日本落葉松人工林的生長(zhǎng)情況進(jìn)行調(diào)查得出,林分蓄積量在較小間伐強(qiáng)度(<35%)增加,在較大間伐強(qiáng)度(>50%)下降的結(jié)論。可見(jiàn),采伐對(duì)林分蓄積量的影響并沒(méi)有統(tǒng)一的定論,與林分類型、發(fā)育階段、采伐方式和強(qiáng)度以及伐后恢復(fù)期長(zhǎng)短均有關(guān)。

林分徑級(jí)分布是林分生長(zhǎng)穩(wěn)定性及其株間競(jìng)爭(zhēng)的主要指標(biāo),了解和掌握林分的徑級(jí)分布結(jié)構(gòu),能夠?yàn)榱址纸?jīng)營(yíng)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(jí)分布曲線逐漸向中大徑級(jí)方向偏移,且采伐強(qiáng)度越大,偏移幅度越大。對(duì)照樣地小徑材林木數(shù)量相對(duì)較多,中度采伐徑級(jí)分布較為集中,強(qiáng)度采伐大徑材數(shù)量居多,說(shuō)明采伐有助于提高中大徑級(jí)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(qiáng)度的增大而增大。

已有研究表明,林分郁閉后,林木之間營(yíng)養(yǎng)和生長(zhǎng)空間競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng),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(shí),研究發(fā)現(xiàn),強(qiáng)度采伐樣地枯死率在伐后初期(2年)相對(duì)較大,這一方面是因?yàn)椴煞?qiáng)度過(guò)大,在采伐過(guò)程中增加了壓倒、損傷保留木的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面是因?yàn)椴煞?qiáng)度過(guò)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(yíng)的角度來(lái)說(shuō),對(duì)林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整時(shí),采伐強(qiáng)度不宜過(guò)大。

采伐改變了林木的空間關(guān)系,競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)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(qiáng)林分功能和穩(wěn)定性[35-36]。本研究表明,中度采伐能夠促進(jìn)林木分布格局向隨機(jī)分布方向發(fā)展,而強(qiáng)度采伐卻降低了隨機(jī)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(duì)中亞熱帶天然針闊混交林和吳蒙蒙等[37]對(duì)闊葉紅松林的研究結(jié)果相一致,即適當(dāng)強(qiáng)度的采伐能夠降低林木分布的聚集度,但當(dāng)采伐強(qiáng)度超過(guò)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(qiáng)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(guò)程中主要關(guān)注采伐強(qiáng)度和培育目標(biāo)樹(shù)種,對(duì)采伐對(duì)象選擇過(guò)于粗放和隨意,未重視林木的生物特性、空間位置和種間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系[40]有關(guān)。

綜上所述,在對(duì)林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整時(shí),采用中度采伐為宜,采伐強(qiáng)度過(guò)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(shí),注意調(diào)節(jié)林木之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,從而優(yōu)化林分的空間結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)森林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)。