王春風(fēng)，賈磊，許中旗，房子怡，李校

(1河北省塞罕壩機(jī)械林場總場，河北 圍場 068450；2河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；3河北省木蘭圍場林管局，河北 圍場 068450)

林分結(jié)構(gòu)對林分生長、天然更新等生態(tài)過程具有重要影響[1-3]。林分結(jié)構(gòu)包括空間結(jié)構(gòu)和非空間結(jié)構(gòu)。林分的空間結(jié)構(gòu)指林木在水平方向上的分布格局和屬性在空間上的排列。它是指與樹木所在的空間位置有關(guān)的林分結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)[4]，決定著林下光照、水分以及土壤養(yǎng)分含量，在不同程度上影響著林木的生長[5-6]。林分的非空間結(jié)構(gòu)主要包括林分的直徑分布與樹高分布，它們能最直接有效地反映林分經(jīng)營狀況[7]。撫育間伐是實(shí)現(xiàn)森林可持續(xù)經(jīng)營的重要措施，科學(xué)合理的間伐能夠促進(jìn)林木生長，提高林分質(zhì)量，對森林的發(fā)展具有重要意義。目前，關(guān)于撫育間伐對林分結(jié)構(gòu)的影響已有較多研究。合理的間伐措施，能夠減小保留木的競爭壓力，促進(jìn)保留木的快速生長[4-5]。有關(guān)撫育間伐對林分的空間結(jié)構(gòu)研究表明，撫育間伐有利于林分的空間結(jié)構(gòu)趨于隨機(jī)分布，從而改善林分的空間結(jié)構(gòu)[6-7]。但是，現(xiàn)在多數(shù)研究基于較小的樣地面積(400～600 m2)進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)查，而基于大樣地?cái)?shù)據(jù)研究撫育間伐對林分結(jié)構(gòu)的影響相對缺乏。蒙古櫟(Quercusmongolica)是中國二級珍貴樹種，主要分布在大興安嶺和河北北部地區(qū)[8]。蒙古櫟是在逆行演替過程中保留下來的優(yōu)勢樹種 ，多分布于干旱陽坡，絕大部分蒙古櫟是在森林屢遭破壞、環(huán)境條件極差的生境上形成的群落類型[9]。本研究采用撫育間伐經(jīng)營方式對蒙古櫟林進(jìn)行改造，對其林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，旨在探究撫育間伐的背景下，了解蒙古櫟林的林分結(jié)構(gòu)變化情況，以期為該地區(qū)蒙古櫟林的經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地概況

塞罕壩機(jī)械林場大喚起林場位于塞罕壩機(jī)械林場南部，河北省北部，屬于燕山山系北部，海拔1 010～1 939.9 m，共設(shè)有7個(gè)營林區(qū)。2018年全場總經(jīng)營面積1.88萬hm2左右，其中公益林約8 933.3 hm2，商品林約8 733.3 hm2，森林覆蓋率87%左右。此次調(diào)查樣地是蒙古櫟純林樣地。林區(qū)屬于寒溫性大陸季風(fēng)氣候，海拔較高，其氣候特點(diǎn)是冬季比較漫長、寒冷干燥，春季較短且多風(fēng)，夏季不明顯、光照相對較強(qiáng)；晝夜溫差大，降水少，年均降雨量在450 mm左右、蒸發(fā)量大，易春旱；該地區(qū)災(zāi)害性天氣較為頻繁。主要土質(zhì)為棕壤，蒙古櫟能夠在此環(huán)境生長。本研究的試驗(yàn)地位于塞罕壩機(jī)械林場的大喚起林場80號(hào)作業(yè)區(qū)。林分為蒙古櫟天然次生林，林齡20年，林分密度為855株/hm2，坡度20°，陽坡，郁閉度為0.4，壤質(zhì)土。

2 研究方法

2.1 野外調(diào)查

2019年4月份，在塞罕壩機(jī)械林場的大喚起林場的80號(hào)作業(yè)區(qū)，選擇有代表性的蒙古櫟林，設(shè)置25 m×30 m的調(diào)查樣地12塊。在樣地內(nèi)對每株林木進(jìn)行編號(hào)，并調(diào)查其胸徑、樹高和坐標(biāo)。同年5月，林場對各樣地進(jìn)行了撫育間伐。間伐后對林分的保留木及間伐木進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對其徑級結(jié)構(gòu)及空間分布格局進(jìn)行分析。

2.2 研究方法

2.2.1 林分直徑和樹高分布分析 以2 cm為起始徑階，統(tǒng)計(jì)各徑階株數(shù)，使用SPSS檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)地蒙古櫟胸徑分布服從的分布類型。以2.5 m為起始樹高，統(tǒng)計(jì)調(diào)查樣地內(nèi)各徑階株數(shù)，以樹高為橫坐標(biāo)，林木株數(shù)占樣地總株樹的百分比為縱坐標(biāo)，作樹高分布圖，并運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析軟件檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)地蒙古櫟樹高分布服從的分布類型。

2.2.2 種群空間分布格局分析 對12塊樣地進(jìn)行組合，形成1個(gè)90 m×100 m的大樣地。然后在4個(gè)尺度上通過擴(kuò)散指數(shù)(C)、Morisita指數(shù)和聚塊指數(shù)對蒙古櫟林撫育間伐前后的空間格局進(jìn)行分析[10-11]。4個(gè)尺度分別為5 m×5 m、5 m×10 m、10 m×10 m和10 m×15 m，取樣數(shù)量分別為360塊、180塊、90塊和60塊。

3 結(jié)果與分析

3.1 撫育間伐對蒙古林胸徑分布的影響

利用Normal分布、Weibull分布、Logistic分布函數(shù)對間伐前和間伐后蒙古櫟人工林林木直徑分布進(jìn)行擬合，并采用KS檢驗(yàn)對3個(gè)分布函數(shù)的擬合效果進(jìn)行分析，擬合優(yōu)度檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 間伐前和間伐后林分直徑分布KS檢驗(yàn)Table 1 The KS test for stand diameter distribution before and after thinning

由表1可知，伐前林分直徑結(jié)構(gòu)3種分布函數(shù)擬合效果P值的排序?yàn)閃eibull分布> Logistic分布>Normal分布，伐后林分直徑結(jié)構(gòu)3種分布函數(shù)擬合效果P值的排序?yàn)閃eibull分布> Logistic分布Normal分布。這說明，Weibull分布函數(shù)對間伐前和間伐后林木直徑分布的擬合效果最好，Normal分布與Logistic分布次之。

撫育間伐對林分徑階分布的影響，見圖1。

圖1 撫育間伐對林分徑階分布的影響Figure 1 Influence of thinning on the diameter distribution of stand

由圖1可知，伐前和伐后徑階結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)為單峰分布。伐前偏度系數(shù)為1.157，峰度系數(shù)為2.148；伐后偏度系數(shù)為1.009，峰度系數(shù)為1.619。伐前與伐后林分的徑階結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布相比表現(xiàn)為右偏，但是伐后的偏度系數(shù)小于伐前，說明伐后使林分的徑階結(jié)構(gòu)向著高徑級偏移。伐前與伐后的峰度系數(shù)均大于零，但伐后的峰度系數(shù)更加趨近于零，說明間伐調(diào)整了林分結(jié)構(gòu)，使得間伐后林木直徑大小分布較間伐前趨于正態(tài)分布。

由圖1可知，撫育間伐前蒙古櫟的徑級分布范圍為4～16 cm，平均胸徑為7.86 cm。撫育間伐后，徑級分布范圍為4～16 cm，平均胸徑為8.79 cm。間伐前，小徑級林木(4～6 cm)所占比例為38.3%，遠(yuǎn)高于間伐后的18.2%。綜合來看，間伐后林木直徑分布主要集中在8～10 cm，伐前集中于6～8 cm。說明，撫育間伐使中、高徑級林木的比例明顯增加，而小徑階林木比例明顯減小，林分直徑結(jié)構(gòu)更加趨于合理。

3.2 撫育間伐對樹高分布特征的影響

利用Normal分布、Weibull分布、Logistic分布函數(shù)對間伐前和間伐后蒙古櫟人工林林木樹高分布進(jìn)行擬合，并采用KS檢驗(yàn)對3個(gè)分布函數(shù)的擬合效果進(jìn)行分析，擬合優(yōu)度檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 間伐前和間伐后林分樹高分布KS檢驗(yàn)Table 2 The KS test for stand heigt distribution before and after thinning

由表2可知，伐前林分樹高結(jié)構(gòu)3種分布函數(shù)擬合效果P值的順序?yàn)閃eibull分布> Logistic分布>Normal分布；伐后林分樹高結(jié)構(gòu)3種分布函數(shù)擬合效果P值的順序?yàn)閃eibull分布> Logistic分布> Normal分布。這說明，Weibull分布函數(shù)對間伐前和間伐后林木樹高分布的擬合效果最好，Normal分布與Logistic分布次之。

間伐前后，蒙古櫟林的樹高結(jié)構(gòu)如圖2所示。伐前和伐后其樹高結(jié)構(gòu)均表現(xiàn)為單峰分布。伐前偏度系數(shù)為0.562，峰度系數(shù)為0.901；伐后偏度系數(shù)為0.761，峰度系數(shù)為0.873。伐前與伐后林分的樹高結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布相比表現(xiàn)為右偏，但伐后的偏度系數(shù)大于伐前，表明撫育間伐后林木樹高分布向較高樹高級偏移。伐后峰度系數(shù)要小于伐前，但伐后峰度值更接近與零，樹高分布狀態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布差距最小，說明撫育間伐調(diào)整了林分的樹高結(jié)構(gòu)，使林分樹高結(jié)構(gòu)趨于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。

圖2 撫育間伐對樹高分布的影響Figure 2 Influence of thinning on the height distribution of stand

由圖2可知，撫育間伐前蒙古櫟的樹高分布范圍為2.5～10.5 m，平均樹高為5.27 m。撫育間伐后蒙古櫟的樹高分布范圍為3.5～10.5 m，平均樹高為5.50 m。間伐后林木樹高分布峰值占間伐后林木總株數(shù)比例(33.8%)低于間伐前(35.5%)。間伐前較低樹高林木(2.5～3.5m)所占比例為10.6%，明顯高于間伐后的6.1%。相比于間伐前，間伐后在大徑階范圍的林木株樹比例有所升高，但是間伐前后樹高分布總體差異不明顯。

3.3 撫育間伐對林分空間格局的影響

蒙古櫟伐前伐后空間分布散點(diǎn)圖見圖3；空間分布格局判定見表3。

圖3 蒙古櫟伐前(a)和伐后(b)空間分布散點(diǎn)圖Figure 3 Scatterplot of the spatial distribution of Quercus mongolica before (a) and after (b) thinning

表3 空間分布格局的判定Table 3 Determination of spatial distribution patterns

由表3、圖3可知，蒙古櫟林伐前在不同尺度的擴(kuò)散指數(shù)分別為3.35(5 m×5 m)、3.75(5 m×10 m)、3.43(10 m×10 m)和4.15(10 m×15 m)，伐后的擴(kuò)散指數(shù)分別為2.30(5 m×5 m)、2.37(5 m×10 m)、2.23(10 m×10 m)和2.49(10 m×15 m)，說明無論是間伐前，還是間伐后，蒙古櫟林在不同尺度下，蒙古櫟均呈集群分布。同時(shí)，盡管分布格局均為聚群分布，但是間伐后的蒙古櫟林的聚集程度呈明顯的下降趨勢。說明，撫育間伐降低了林木之間的擁擠程度，這樣有助于降低林木之間的競爭程度，對林木的生長更為有利。

尺度對蒙古櫟的空間分布格局具有明顯影響。對于擴(kuò)散指數(shù)C來說，無論是伐前還是伐后，隨著樣方面積的增加，t與t0.05的差異逐漸減小，這說明隨著尺度的增加，蒙古櫟林的聚集強(qiáng)度逐漸下降，趨于隨機(jī)分布。通過Morisita指數(shù)進(jìn)行格局類型的判別，當(dāng)取樣面積為5 m×5 m、5 m×10 m、10 m×10 m時(shí)，蒙古櫟林伐前與伐后均為聚群分布，取樣面積為10 m×15 m時(shí)，伐前伐后均為隨機(jī)分布。同時(shí)，伐前與伐后4個(gè)取樣面積的聚塊指數(shù)分別為1.69、1.4、1.18、1.15和1.95、1.62、1.35和1.32，隨著取樣面積的增加，聚塊指數(shù)呈逐漸下降的趨勢，說明，隨尺度的增加其聚集程度逐漸下降。以上結(jié)果表明，各種分布格局判定方法都表明蒙古櫟種群的分布格局對尺度具有依賴性。

4 討論

本研究基于蒙古櫟林每木檢尺數(shù)據(jù)，計(jì)算出間伐前后林木直徑與樹高的偏度系數(shù)和峰度系數(shù)，結(jié)果表明，間伐后林木直徑分布相比于間伐前向右偏移，峰度系數(shù)降低，對稱性升高。樹高分布相較于間伐前向左偏，峰度系數(shù)降低，對稱性變化不大。楊劍輝等研究了撫育間伐對云南松林分結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明撫育間伐后林分直徑分布結(jié)構(gòu)的偏度系數(shù)降低，但間伐對樹高的影響并不明顯[12]。馬瑞婷等研究了撫育間伐對栓皮櫟人工林直徑和樹高的影響，得出了相似的結(jié)果，結(jié)果表明撫育間伐后林分的直徑分布向著較大徑階偏移，使林分的直徑分布更趨向于正態(tài)分布；但是撫育間伐對樹高的影響卻不明顯[13]。對林木直徑和樹高分布擬合優(yōu)度的KS檢驗(yàn)結(jié)果表明，蒙古櫟林伐前與伐后均以Weibull分布擬合效果最好，其次是Logistic分布或Normal分布。劉菊卉等對東南石櫟人工林的研究、郭麗虹對榿木人工林的研究都表明，林分的胸徑分布與樹高分布趨向于Weibull分布[14-15]。

撫育間伐可以有效的降低林分密度，使林木之間的競爭性減弱，因而對保留木的生長有促進(jìn)作用，此過程對保留木的空間分布格局產(chǎn)生影響[16-17]。本研究發(fā)現(xiàn)，間伐后蒙古櫟林主要為集群分布，但是其聚集程度有明顯下降，其原因在于，該地區(qū)的蒙古櫟林多為萌生，在一個(gè)伐樁周圍會(huì)有多個(gè)萌生的個(gè)體，局部密度較大，因此呈明顯的聚群分布。撫育間伐后，伐樁周圍萌生個(gè)體的數(shù)量會(huì)有下降，但是其相對集中的格局并未明顯改變，因此只是聚集程度有所下降，而格局的類型并未發(fā)生改變。伊力塔對遼東櫟分布格局的研究也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果[18]。由此可知，通過撫育間伐，林分的聚集程度明顯下降，使得林木之間的競爭減弱，使光照、水分等資源以及林木生長空間得到有效配置，有助于保留木個(gè)體的生長，從而提高林分的質(zhì)量及其活力。同時(shí)，本研究還發(fā)現(xiàn)，蒙古櫟的空間格局與樣方大小，即調(diào)查的尺度密切相關(guān)，隨著樣方面積的增加，蒙古櫟林的空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出由集群分布向隨機(jī)分布過渡的趨勢。這是由于，隨著樣地面積的增加，因?yàn)槊壬鹪炊鴮?dǎo)致的林木相對集中的效應(yīng)會(huì)逐漸減弱，因此聚集程度逐漸下降，逐漸向隨機(jī)分布轉(zhuǎn)化[19-20]。

5 結(jié)論

(1)蒙古櫟林在撫育間伐前后林木直徑和樹高分布均服從于Weibull分布，間伐后小徑級林木所占比例明顯減小，中大徑級比例明顯增加。

(2)蒙古櫟林撫育間伐前后，多數(shù)尺度上都表現(xiàn)為集群分布，撫育間伐使其聚集程度明顯下降。

(3)取樣大小對蒙古櫟的空間分布格局具有明顯影響，隨取樣面積的增大，蒙古櫟林的聚集程度逐漸下降，逐漸向隨機(jī)分布轉(zhuǎn)化。撫育間伐使蒙古櫟林的林分狀況得到了明顯改善，結(jié)構(gòu)趨于合理。