張利利 譚新建 姚甲寶 李翱翔 葛曉寧

(中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)實驗中心，江西分宜,336600)

撫育間伐是通過林分密度的調(diào)節(jié)，增加林分的生長空間，促進林木生長的一種森林經(jīng)營的手段。間伐強度的大小對保留木的干形材質(zhì)、生長速度具有直接影響，同時也影響林分的質(zhì)量和產(chǎn)量[1]。合理的采伐強度是調(diào)整林分結(jié)構(gòu)、改善林木生長環(huán)境、提高林地生產(chǎn)力和林木質(zhì)量的關(guān)鍵因素，若采伐方式和采伐強度不合理，將引起水土流失，不利于林木生長和更新[2-5]。林分空間結(jié)構(gòu)是森林結(jié)構(gòu)變化的直接表現(xiàn)形式，也是林木位置、林木大小和疏密等空間關(guān)系的體現(xiàn)[6-7]。林分的空間結(jié)構(gòu)決定了林木的分布狀況和林木的競爭趨勢，對林分的健康程度及生長潛質(zhì)具有重要影響[8-9]。萌芽杉木-木荷混交林的經(jīng)營以培育杉木中小徑材、木荷大徑材為目標。在森林經(jīng)營的過程中，選擇合理的間伐強度是人工林經(jīng)營的關(guān)鍵技術(shù)。目前，國內(nèi)外對林分空間結(jié)構(gòu)的研究大多通過空間結(jié)構(gòu)參數(shù)一元分布的方法來進行分析[10-13]，且分析時僅使用胸徑大小比數(shù)、角尺度、混交度3個參數(shù)[14-19]，對間伐影響下杉闊混交林空間結(jié)構(gòu)二元分布變化特征的分析較為少見。因此，本文以16年生杉木-木荷混交林為研究對象，對不同間伐強度下混交度、胸徑大小比數(shù)、樹高大小比數(shù)、角尺度的二元分布特征進行對比分析[20-22]，探討撫育間伐強度對林分空間結(jié)構(gòu)的影響，提出合理的間伐強度，結(jié)果可為杉闊混交人工林林分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于中國林科院亞熱帶林業(yè)實驗中心長埠實驗林場，地處江西省分宜縣最南端，境內(nèi)氣候宜人，四季分明、溫暖濕潤；年平均氣溫16.5 ℃，7月平均最高氣溫28.8 ℃，1月平均最低氣溫5.3 ℃，年降水量1 500～1 800 mm，年無霜期265 d，海拔170～1 090 m，屬亞熱帶溫潤季風氣候，土質(zhì)以黃紅壤為主。研究區(qū)內(nèi)植被類型豐富，共有野生和引種栽培的植物254科，847屬，1888種(含亞種、變種、變型及園藝品種)，是中亞熱帶難得的植被種質(zhì)基因資源寶庫。主要樹種包括毛竹(Phyllostachysedulis)、馬尾松(Pinusmassoniana)、鵝掌楸(Liriodendronchinense)、油茶(CamelliaOleifera)、杉木(Cunninghamialanceolata)；林下植被主要有山茶花(Camelliajaponica)、杜莖山(Maesajaponica)、小葉女貞(Ligustrumquihoui)、粗葉懸鉤子(Rubusalceaefolius)、七星蓮(Violadiffusa)、芒萁(Dicranopterisdichotoma(Thunb.) Berhn)、雙蓋蕨(Diplaziumdonianum)、寒梅(RubusbuergeriMiq)、醡漿草(Oxaliscorniculata)、青蒿(ArtemisiaannuaL)、狗脊蕨(Woodwardiajaponica)等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

試驗地于1994年春季造林，將木荷實生苗與杉木萌芽條按照1∶3的比例進行混交，混交林的初始密度為3 330株·hm-2，造林完成后使用傳統(tǒng)營林措施對試驗地進行撫育管理。2010年進行間伐撫育試驗，對試驗地設(shè)置了4種間伐處理方式(對照、弱度、中度、強度)，在撫育間伐前對樣地進行伐前調(diào)查，然后根據(jù)株數(shù)比例，按照弱度間伐(15%)、中度間伐(35%)和強度間伐(60%)伐去生長緩慢、有缺陷、過密或劣勢的杉木和長勢差的木荷。2018年8月，在4種間伐處理的試驗地上各設(shè)置2塊20 m×20 m的樣地，對樣地進行全面調(diào)查，調(diào)查數(shù)據(jù)取平均值(見表1)。

表1 不同間伐強度的林分基本情況

2.2 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2013軟件對數(shù)據(jù)進行處理，使用R軟件計算混交林內(nèi)每株立木的混交度、角尺度、樹高大小比數(shù)、胸徑大小比數(shù)。利用角尺度(W)、混交度(M)、樹高大小比數(shù)(Uh)、胸徑大小比數(shù)(Ug)進行林分空間結(jié)構(gòu)描述[15]。4個結(jié)構(gòu)參數(shù)均在空間上有直觀的解析力，在結(jié)構(gòu)上有相同且相互獨立的劃分[10-12]，因此形成混交度(M)—角尺度(W)、混交度(M)—樹高大小比數(shù)(Uh)、混交度(M)—胸徑大小比數(shù)(Ug)、樹高大小比數(shù)(Uh)—角尺度(W)、胸徑大小比數(shù)(Ug)—角尺度(W)和樹高大小比數(shù)(Uh)—胸徑大小比數(shù)(Ug)等6種組合的相對頻率值[8，22]。相對頻率值是指處于某兩個指標組合的相對頻率，即樣地中處于某種生存狀態(tài)的林木株數(shù)占總株數(shù)的比例。通過對各指標組合相對頻率值的分布特點可以判斷出樣地中各林木間的優(yōu)勢、分布和混交的綜合關(guān)系，判斷林地生態(tài)環(huán)境的現(xiàn)狀和林分結(jié)構(gòu)的缺陷，有利于對林分細小的空間結(jié)構(gòu)的特征進行全面的認識。

3 結(jié)果與分析

3.1 徑階株數(shù)變化特征

間伐前林分密度為2 825株/hm2，經(jīng)過弱度間伐、中度間伐、強度間伐處理后，樣地的林分密度分別為2 276、1 813、1 100株/hm2，對照樣地的林分密度為2 675株/hm2。采用2 cm徑階，對不同間伐強度的杉木、木荷作直徑分布表(見表2)。

由表2可知，未間伐時的小徑階林木株數(shù)基本都大于其他間伐強度，在木荷12～14 cm、杉木8～10 cm徑階處，對照樣地的林木株數(shù)明顯大于各個間伐強度的株數(shù)。不同間伐強度下，在林分平均胸徑處的林木株數(shù)最多，徑階越大或越小，林木株數(shù)越少；杉木在8～14 cm徑階處的株數(shù)分布較多。隨著間伐強度的增加，樣地中的大徑階林木株數(shù)所占比重增加。

表2 不同間伐強度后林分徑階分布

3.2 不同間伐強度下的林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布

3.2.1 混交度-角尺度

從表3可知，不間伐的情況下，樣地中的林木主要為中低度混交，處于聚集分布格局的林木數(shù)量超過樣地總林木株數(shù)的1/3，近2/5的林木處于隨機分布格局。隨著角尺度的增加，相同混交程度的林木相對頻率值先增大后減少，并在隨機分布(W=0.50)時取得最大值，說明在混交度相同的林木當中處于隨機分布的林木所占比例最高。相同角尺度上的林木相對頻率值隨著混交度的增大表現(xiàn)為先增大后減少，正態(tài)分布趨勢明顯。弱度間伐后，極不均勻分布的林木相對頻率值急劇下降，林木相對頻率值由0.10下降至0.01，隨機分布格局中處于中高度混交(M=0.50、0.75、1.00)的林木相對頻率值上升了0.08，聚集分布格局中處于低度混交(W=0.75，M=0、0.25)的林木，林木相對頻率值由0.16下降至0.06，林分中沒有零度混交且很不均勻分布的林木。中度間伐后，分布格局為隨機的林木中處于中低度混交(W=0.50、M=0、0.25、0.50)的林木相對頻率值由弱度間伐時的0.31下降至0.28，處于高度混交(M=0.75、1.00)的相對頻率值則由0.17上升至0.24，說明中度間伐后，隨機分布格局的林木中處于高度混交的林木較弱度間伐有明顯增加。強度間伐后，沒有出現(xiàn)團狀分布的林木，集聚分布的林木中不在出現(xiàn)極強度混交的林木，均勻分布的林木中處于中高度混交狀態(tài)的林木相對頻率值由中度間伐時的0.05增加至0.10，集聚分布的林木中高度混交的林木相對頻率值由中度間伐時的0.08降低至0.01。

表3 不同間伐強度后混交度-角尺度二元分布

3.2.2 大小比數(shù)-混交度

由表4、表5可知，不間伐時，林木主要為中低度混交且劣勢狀態(tài)，弱度間伐后，中低度混交的林分中樹高為劣勢(Uh=0.75或1.00)的林木相對頻率值由0.39下降至0.28，胸徑為劣勢(Ug=0.75或1.00)的林木相對頻率值由0.36下降至0.27。高度混交的林分中，樹高處于優(yōu)勢狀態(tài)的相對頻率值增加了0.08，胸徑處于優(yōu)勢狀態(tài)的林木相對頻率值增加了0.07。

表4 不同間伐強度下樹高大小比數(shù)-混交度二元分布

表5 不同間伐強度下胸徑大小比數(shù)-混交度二元分布

中度間伐后，中庸木大多為中低度混交，中低度混交(M=0、0.25、0.50)的林木中樹高處于中庸狀態(tài)(Uh=0.50)的林木相對頻率值由弱度間伐時的0.12上升至0.20，胸徑處于中庸狀態(tài)(Ug=0.50)的林木相對頻率由0.14上升至0.19。高度混交(M=0.75、1.00)的林木中樹高為優(yōu)勢狀態(tài)的林木相對頻率值由0.19上升至0.23，胸徑為優(yōu)勢的林木相對頻率值由0.17上升至0.25，胸徑為劣勢(Ug=0.75、1.00)的林木相對頻率值由0.14下降至0.06。說明中度間伐有利于高度混交的林木胸徑和樹高向優(yōu)勢狀態(tài)發(fā)展。

強度間伐后，極強度混交的林木中不存在中庸狀態(tài)的林木，林木大多數(shù)處于中低度混交且優(yōu)勢的狀態(tài)。中低度混交狀態(tài)下，樹高或胸徑為優(yōu)勢的林木相對頻率值分別由中度間伐時的0.22、0.23上升至0.29，樹高或胸徑為劣勢競爭狀態(tài)的林木相對頻率值由0.21分別上升至0.25、0.28。高度混交狀態(tài)下(M=0.75、1.00)，樹高和胸徑處于優(yōu)勢的林木相對頻率值分別由0.23、0.25均下降至0.17、劣勢的林木相對頻率值變化顯著，由0.08、0.06分別下降至0.02、0.03。中低度混交林木中優(yōu)勢木和劣勢木的比例均有不同幅度的上升，兩極分化明顯，不利于林分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定發(fā)展。

3.2.3 大小比數(shù)-角尺度

由表6、表7可以看出，不間伐時，林分中最常見的為隨機分布且胸徑處于劣勢狀態(tài)(W=0.5，Ug=0.75)的林木。弱度間伐后，幾乎不存在團狀分布的林木，均勻分布(W=0.25)的林木中樹高處于優(yōu)勢狀態(tài)(Uh=0、0.25)的林木比例由對照的5%上升至11%；胸徑處于優(yōu)勢狀態(tài)(Ug=0或0.25)的林木由4%上升至10%，處于劣勢狀態(tài)(Uh=0.75、1.00)林木由13%下降至9%。隨機分布(W=0.50)的林木中樹高為優(yōu)勢的林木比例由不間伐時的17%上升至23%，胸徑為優(yōu)勢的林木由13%上升至21%，樹高處于劣勢狀態(tài)(Uh=0.75、1.00)的林木相對頻率值由0.15上升至0.19，胸徑處于劣勢狀態(tài)(Ug=0.75、1.00)的林木相對頻率值由0.16上升至0.20。聚集分布的林木的胸徑和樹高被相鄰木擠壓的比例減少。

表6 不同間伐強度下樹高大小比數(shù)-角尺度二元分布

表7 不同間伐強度下胸徑大小比數(shù)-角尺度二元分布

中度間伐后，樹高或胸徑為中庸狀態(tài)且隨機分布的林木比例由弱度間伐時的7%、8%上升至15%、11%，中庸狀態(tài)的林木大多為均勻分布和隨機分布。集聚分布的林木中，樹高或胸徑為優(yōu)勢(Uh或Ug=0、0.25)的林木比例由8%、7%分別上升至13%、12%，說明中度間伐后集聚分布的林木中優(yōu)勢木比例上升。

強度間伐狀態(tài)下，隨機分布(W=0.50)的林木競爭等級變化最為顯著，其中樹高處于絕對優(yōu)勢(Uh=0)林木株數(shù)占總林木株數(shù)的比例由9%上升至17%，樹高為優(yōu)勢(Uh=0.25)的林木比例由13%下降至6%，胸徑處于劣勢狀態(tài)(Ug=0.75)的林木比例由9%上升至14%，胸徑處于絕對劣勢(Ug=1.00)的林木比例由7%下降至3%，林木樹高競爭優(yōu)勢明顯，但卻不利于林木胸徑的生長。

3.2.4 胸徑大小比數(shù)-樹高大小比數(shù)

從表8可以看出，不同間伐強度下樹高大小比數(shù)與胸徑大小比數(shù)大多分布在對角線(Uh=Ug)方向上，即大多數(shù)林木的胸徑與樹高優(yōu)勢程度相當，均占林木比例的50%以上。隨著間伐強度增加，林木樹高與胸徑具有相同優(yōu)勢度的比例也隨之升高。

表8 不同間伐強度下樹高大小比數(shù)-胸徑大小比數(shù)二元分布

由弱到強的間伐等級下，樹高或胸徑為優(yōu)勢(Ug或Uh=0、0.25)的林木比例分別為18%、35%、31%、37%。不間伐時，樣地中最常見的為胸徑和樹高均為劣勢的林木，占總林木株數(shù)的11%；弱度間伐后，胸徑和樹高均處于優(yōu)勢狀態(tài)的林木相對頻率值由對照的0.05增加至0.16。中度間伐后，樹高處于絕對劣勢的林木所占比例最低(12%)。強度間伐后，樹高和胸徑均為中庸的林木占總林木株數(shù)的比例最大(16%)，樹高處于絕對優(yōu)勢狀態(tài)的林木中胸徑處于絕對優(yōu)勢的林木比例最大，由中度間伐時的10%上升至19%。

4 結(jié)論與討論

森林結(jié)構(gòu)越合理，越利于促進生態(tài)系統(tǒng)功能向穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展。通過間伐的方式對人工林進行近自然改造，調(diào)整林分密度，不僅可改善森林生態(tài)環(huán)境、促進林分生長，還能有效的調(diào)整林分直徑結(jié)構(gòu)向合理的方向變化[3，23]。

在本研究中，間伐時伐去了生長緩慢、有缺陷或過密的杉木和長勢差的木荷，經(jīng)過4種強度的間伐實驗處理后，林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的二元分布表現(xiàn)出不同的變化特征。不間伐的情況下，林分中最常見的為隨機分布且胸徑處于劣勢狀態(tài)的林木；弱度間伐后，聚集分布的林木中處于中低度混交的林木顯著減少，隨機分布的林木中處于中高度混交的林木增加，中低度混交狀態(tài)的林木中的劣勢木比例顯著下降，均勻分布的林木胸徑和樹高競爭優(yōu)勢增加；中度間伐后，中庸狀態(tài)的林木大多為均勻分布和隨機分布，隨機分布格局的林木中處于高度混交的林木比例較弱度間伐有明顯增加，中低度混交的林木中樹高和胸徑為中庸狀態(tài)的林木比例上升顯著；強度間伐后，木荷跟杉木的比例接近于1∶1.5，林分密度較低，林木有充足的生長和營養(yǎng)空間，林木大多數(shù)處于中低度混交且優(yōu)勢的狀態(tài)，林分中不存在團狀分布的林木，加上中齡杉木后期生長較為緩慢，而中齡木荷后期生長較快，中低度混交林木中優(yōu)勢木和劣勢木的比例較中度間伐均有不同幅度的上升，兩極分化明顯，不利于林分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定發(fā)展。

對照、弱度間伐、中度間伐、強度間伐的樣地，高度混交的林木中，處于隨機分布格局的林木占總林木的比例分別為9%、17%、24%、12%，樹高處于優(yōu)勢或中庸且隨機分布的林木比例分別為23%、31%、37%、40%，胸徑處于優(yōu)勢或中庸且隨機分布的林木比例分別為22%、29%、36%、37%；高度混交的林木中樹高為優(yōu)勢狀態(tài)的林木比例分別為15%、24%、29%、20%，胸徑為優(yōu)勢狀態(tài)的林木比例分別為14%、21%、31%、19%；理想的林分中，隨機分布是最為理想的分布格局，林分中的中庸木比例高于其他級別，劣勢的林木所占比例越低越好，混交度越高越好。綜合林分經(jīng)營目標及林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)二元分布的分析，中度間伐最有利于杉木-木荷混交林保持良好的林分結(jié)構(gòu)，與賴阿紅等[8]的研究結(jié)果一致。鄭鳴鳴等[24]通過對不同間伐處理后的林分直徑偏度、峰度和變化系數(shù)進行分析，認為中度間伐后，杉木中大徑材的出材率最高。朱玉杰等[25]選取了林分空間結(jié)構(gòu)、冠層結(jié)構(gòu)、光合作用等方面的35項指標，評價了不同撫育間伐后大興安嶺的森林經(jīng)營效果，表明間伐強度為20.86%時經(jīng)營效果最佳。趙衍征[26]分析了不同撫育間伐強度對大興安嶺天然次生林的林分結(jié)構(gòu)影響，認為35.5%的間伐強度是最優(yōu)的間伐強度。因此，建議使用中度間伐作為促進杉木-木荷混交林生長和更新的間伐強度。本研究對不同間伐強度下的木荷-萌芽杉木林的林分結(jié)構(gòu)的二元分布特征變化進行了分析，對于林分的土壤理化性質(zhì)和林分生長量的變化未做深層次的研究，后續(xù)的研究可綜合這些因子分析影響林分生長的關(guān)鍵因素，為杉木-木荷混交林的經(jīng)營制定更合理的經(jīng)營措施提供指導。