董莉莉，汪成成，趙濟川，劉紅民，王建軍，劉怡菲，高英旭*

（1.遼寧省林業(yè)科學研究院，遼寧 沈陽 110032；2.遼寧白石砬子森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，遼寧 丹東 118201）

林分結(jié)構(gòu)是森林經(jīng)營和分析中的一個重要因子，是對林分發(fā)展過程，如更新方式、競爭、自然稀疏和經(jīng)歷的干擾活動的綜合反映[1-2]。林分結(jié)構(gòu)的好壞直接影響著森林的穩(wěn)定性和生態(tài)服務功能的發(fā)揮[3-5]。如何科學合理地調(diào)控林分結(jié)構(gòu)至最優(yōu)狀態(tài)，一直是森林經(jīng)營研究的熱點問題。早期林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要從樹種組成[6-7]、直徑結(jié)構(gòu)[8-9]、林分密度[10-12]、樹高結(jié)構(gòu)[13-14]等方面進行調(diào)控，于政中等[15]首次提出針闊混交林的最優(yōu)針闊混交比為7∶3，de Liocour研究認為，理想的異齡林株數(shù)按徑級依常量q值遞減，q值一般在1.2～1.5，可通過計算相鄰徑階q值對林分的直徑結(jié)構(gòu)進行調(diào)控。然而，傳統(tǒng)的林分結(jié)構(gòu)調(diào)控策略均未涉及到林分的空間結(jié)構(gòu)信息，優(yōu)化目標較為單一，缺乏全面性?；谙噜從娟P系林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的提出，量化描述了林分的空間結(jié)構(gòu)特征[16]，使林分結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能相結(jié)合成為可能[4]。此后，許多學者將林分的空間結(jié)構(gòu)參數(shù)納入到林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控的范疇內(nèi)，湯孟平等[17]將基于林分混交度、競爭指數(shù)和聚集指數(shù)的空間結(jié)構(gòu)作為優(yōu)化目標函數(shù)，建立了林分擇伐空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。曹小玉等[18]采用乘除法對5個空間結(jié)構(gòu)參數(shù)進行多目標規(guī)劃，構(gòu)建間伐空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型。魏紅洋等[19]選用林分空間參數(shù)和非空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，并結(jié)合熵值-AHP賦權法，構(gòu)建了單木綜合撫育采伐指數(shù)（T），量化了林木被作為采伐木的概率。然而，這些林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施多以建立復雜的數(shù)學模型為基礎，不利于在生產(chǎn)實踐中應用。

蒙古櫟Quercus mongolica林是東北地區(qū)常見的典型森林類型之一，在保持水土、涵養(yǎng)水源等方面具有重要作用。由于長期粗放經(jīng)營，多數(shù)蒙古櫟林存在林分結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，生產(chǎn)力和生態(tài)功能低，林分質(zhì)量不高等問題。因此，本研究以遼東山區(qū)蒙古櫟近熟林為對象，在量化分析林分結(jié)構(gòu)的基礎上，利用結(jié)構(gòu)化經(jīng)營理論，對具體實例提出林分結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控技術，以期為蒙古櫟林可持續(xù)經(jīng)營提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于撫順市新賓縣猴石國家森林公園，地理位置124°27.15′E，41°40.33′N，海拔520 m，屬溫帶大陸性濕潤季風氣候，年均氣溫7.5℃，年均降水量750～850 mm，多集中在7-8月，≥10℃的年有效積溫2 750℃。該區(qū)為長白山系龍崗余脈的延伸部分，自然植被屬長白植物區(qū)系，兼有華北和蒙古兩種植物區(qū)系特征，屬溫帶針闊混交林區(qū)，土壤以棕壤和暗棕壤為主。該研究區(qū)主要林分類型為蒙古櫟天然次生林、落葉闊葉混交林以及針闊混交林，人工林主要包括紅松Pinus koraiensis人工林和落葉松Larix gmelinii人工林。喬木建群種主要有核桃楸Juglans mandshurica、蒙古櫟、花曲柳Fraxinus rhynchophylla、落葉松、紅松等。

2 研究方法

2.1 樣地設置

2021年6 -9月，在研究區(qū)內(nèi)選擇有代表性的蒙古櫟近熟林，設置5塊50 m×50 m的矩形標準地，對標準地內(nèi)所有胸徑≥5 cm的林木進行每木檢尺，記錄樹種名稱、位置、胸徑、樹高、冠幅及健康情況。利用手持GPS記錄標準地的地理位置、海拔、坡位、坡向等參數(shù)，標準地基本情況見表1。

表1 標準地基本情況

2.2林分結(jié)構(gòu)指數(shù)

本研究采用空間結(jié)構(gòu)和非空間結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式來描述林分的結(jié)構(gòu)特征。非空間結(jié)構(gòu)主要包括樹種組成、蓄積結(jié)構(gòu)比；空間結(jié)構(gòu)指數(shù)主要包括混交度、角尺度、大小比數(shù)、競爭指數(shù)、密集度和開敞度等。為消除邊緣效應對林分空間結(jié)構(gòu)的影響，將標準地內(nèi)距各邊界3 m之內(nèi)的范圍確定為緩沖區(qū)。

（1）混交度（Mi）主要反映林分中樹種空間隔離程度[20]，計算公式為：

式中：vij是一個離散型變量，當參照樹i與第j株相鄰木非同一樹種時，vij=1，反之，vij=0。n為最近鄰木株數(shù)（下同）。

混交度越大代表林分的樹種隔離程度越大。

（2）角尺度（Wi）是描述林分中林木個體空間分布格局的參數(shù)[21]，計算公式為：

式中：zij是一個離散性變量，當?shù)趈個αj角小于標準角α0（72°）時，zij=1；反之，zij=0。角尺度取值為0、0.25、0.5、0.75、1，分別代表林木個體空間分布格局為絕對均勻、均勻、隨機、不均勻、聚集分布。

（3）大小比數(shù)（Ui）是反映林木大小差異程度的指數(shù)[22]，本研究采用胸徑大小比數(shù)，計算公式為：

式中：當?shù)趈株相鄰木的胸徑比參照樹i大時，kij=1，反之，kij=0。大小比數(shù)取值為0、0.25、0.5、0.75、1，分別代表林木大小分化程度為優(yōu)勢、亞優(yōu)勢、中庸、劣勢和極端劣勢地位。

（4）競爭指數(shù)（CIi）主要反映參照樹i來自相鄰木的競爭壓力。本研究采用Hegyi簡單競爭指數(shù)[23]，計算公式為：

式中：Lij為參照樹到競爭木j之間的距離；di為參照樹i的胸徑；dj為競爭木j的胸徑。

競爭指數(shù)越大代表來自周圍相鄰木的競爭壓力越大。

（5）密集度（Ci）用來反映林木的疏密程度[24]，計算公式為：

式中：當參照樹i與相鄰木j的樹冠投影相重疊時，yij=1，反之，yij=0。密集度的取值為0、0.25、0.5、0.75、1，分別代表很稀疏、稀疏、中等密集、比較密集和很密集。

（6）開敞度（K）i為參照樹i與其周圍鄰近木的水平間距，與鄰近木樹高比值的均值[25]，計算公式為：

式中：Dij為參照樹i與其第j株鄰近木的水平間距；Hij為鄰近木j的樹高。開敞度取值為（0，0.2]、（0.2，0.3]、（0.3，0.4]、（0.4，0.5]和（0.5，+∞）5個區(qū)間，分別代表喬木生長空間狀態(tài)嚴重不足、不足、基本充足、充足和很充足5個狀態(tài)。

3 結(jié)果與分析

3.1 蒙古櫟近熟林樹種組成

由表2可知，蒙古櫟近熟林共有喬木樹種11種，林分密度為678株·hm-2，林分樹種組成為7蒙古櫟1花曲柳1紫椴Tilia amurensis+其它。蒙古櫟重要值最大，在林分內(nèi)占絕對優(yōu)勢，為該群落的優(yōu)勢種，也是建群種；其次為主要伴生樹種紫椴、花曲柳和色木槭Acer mono。綜合林分特征來看，該群落物種組成較豐富，蒙古櫟種群在該群落中占據(jù)絕對優(yōu)勢。

表2 蒙古櫟近熟林樹種組成特征

續(xù)表2蒙古櫟近熟林樹種組成特征

3.2 蓄積結(jié)構(gòu)

由表3可知，蒙古櫟近熟林蓄積量為174.33～251.92 m3·hm-2，平均蓄積量為220.29 m3·hm-2，其中小徑木蓄積最少，僅占林分總蓄積量的1%～4%，大徑木蓄積量最大（樣地2除外），占林分總蓄積量的48%～64%，小、中、大徑木蓄積比為0.2∶2.3∶5，與理想林分的蓄積結(jié)構(gòu)比（小、中、大徑木蓄積比為2∶3∶5或2∶4∶4）相差較大?？傮w來說，蒙古櫟近熟林蓄積結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為小徑木蓄積量嚴重不足，大徑木和特大徑木蓄積量過大。

表3 蒙古櫟近熟林不同徑級蓄積之比

3.3 空間結(jié)構(gòu)特征

由表4可見，5塊樣地的角尺度范圍為0.486～0.547，僅樣地2的角尺度落在隨機分布置信區(qū)間[0.475，0.517]，屬于隨機分布，其余4塊樣地的角尺度均大于0.517，屬于聚集分布。全林分的平均混交度為0.547，除樣地2混交度較低，屬于弱度混交外，其它樣地均屬于中度混交。各樣地大小比數(shù)為0.460～0.517，林木整體生長優(yōu)勢程度處于中庸狀態(tài)。林分平均密集度、開敞度和競爭指數(shù)分別為0.528、0.240和2.820，表明林分透光條件較差，生長空間不足，林木間競爭激烈，林分整體處于中等密集狀態(tài)。

表4 蒙古櫟近熟林空間結(jié)構(gòu)特征

3.4 林分結(jié)構(gòu)調(diào)控

林分結(jié)構(gòu)調(diào)控原則：在保持林分樹種數(shù)目不減少的前提下，優(yōu)先調(diào)整林分水平分布格局向隨機方向發(fā)展，提高林分混交度，降低林木間競爭壓力，為保留木創(chuàng)造更多的營養(yǎng)和生長空間，同時兼顧對林分樹種組成、直徑結(jié)構(gòu)和蓄積量結(jié)構(gòu)比調(diào)節(jié)。以樣地5為例進行分析。

樣地5林分郁閉度0.8，密度552株·hm-2，小、中、大、特大徑木蓄積結(jié)構(gòu)比為0.2∶0.7∶5∶2，平均混交度為0.671，平均角尺度為0.547，密集度為0.519，開敞度為0.259，表現(xiàn)為中、小徑木蓄積量嚴重不足，大徑木和特大徑木蓄積量較高，林分處于強度混交狀態(tài)，林木水平空間分布呈聚集分布，林木生長空間不足。通過分析可知，樣地5的林分結(jié)構(gòu)與理想林分存在一定差距，需要對其進行優(yōu)化調(diào)控，采用單木擇伐的方式進行調(diào)控，為減少對森林的干擾，采伐強度不超過總蓄積量的15%。采伐木選擇方法：

（1）確定調(diào)整參照樹結(jié)構(gòu)單元。優(yōu)先調(diào)整林分的水平分布格局，使其向隨機方向發(fā)展，結(jié)合林分平均角尺度，將角尺度為0.75和1的結(jié)構(gòu)單元作為調(diào)整對象，參照樹號分別為2、3、9、21、27、41、46、50、55、70、80、86、93、99、100、104、108、113、124、129、131、132、133和135。

（2）確定采伐木。在調(diào)整林分空間分布格局的基礎上，提高林分的混交度，減少建群樹種的競爭壓力，同時兼顧林分蓄積結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)，把混交度小、大小比數(shù)較大、胸徑較大的非目的樹種作為采伐木。采伐樹號及采伐原因見表5。

表5 采伐木信息及采伐原因

根據(jù)以上原則，共確定采伐木19株，蓄積量為26.95 m3·hm-2，占林分總蓄積量的12%，符合采伐控制量。

3.5 調(diào)控效果

由表6可知，采伐前后林分徑階數(shù)和樹種數(shù)保持不變，平均角尺度由0.547降到0.495，林分水平分布格局由聚集分布變?yōu)殡S機分布，平均混交度由0.671提高到0.735，種間隔離程度提高9.54%，競爭指數(shù)由2.855降到2.510，降幅為12.08%，開敞度提高12.74%。由此可知，調(diào)控措施在保持林分徑階多樣性和樹種多樣性的同時，有效釋放了林木之間的競爭壓力，為保留木創(chuàng)造更多的生長空間，提高了林分的混交度，使林分整體向隨機分布發(fā)展，林分結(jié)構(gòu)得到明顯改善。

表6 采伐前后林分結(jié)構(gòu)參數(shù)變化

4 結(jié)論與討論

4.1 本研究結(jié)果表明，蒙古櫟近熟林有11種樹種，蒙古櫟種群占絕對優(yōu)勢，為該群落的優(yōu)勢種，花曲柳、紫椴和色木槭為伴生種，該群落小、中、大徑階蓄積比為0.2∶2.3∶5，與理想林分的蓄積結(jié)構(gòu)比相差較大，表現(xiàn)為小徑木蓄積量嚴重不足，大徑木和特大徑木蓄積量過大。在林分空間結(jié)構(gòu)方面表現(xiàn)為林分整體處于中度混交狀態(tài)，林木生長空間不足，競爭激烈，林分水平分布格局呈聚集分布，與理想林分存在一定差距，需對其林分結(jié)構(gòu)進行調(diào)控。

4.2 以樣地5為例，介紹林分結(jié)構(gòu)調(diào)控的具體措施。在充分分析樣地5林分結(jié)構(gòu)的基礎上，調(diào)整林分的水平分布格局，伐除林分中角尺度較大、混交度小、生長衰弱的林木，同時采伐利用部分達到目標徑階的林木。經(jīng)調(diào)控后，林分種間隔離程度明顯提高，生長空間得到有效釋放，競爭壓力減小，林分整體趨于隨機分布。

4.3 林分結(jié)構(gòu)越合理，林分越穩(wěn)定，生態(tài)功能發(fā)揮越多，理想的林分結(jié)構(gòu)為復層異齡混交林，本研究僅對林分的水平空間結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，林分還存在更新能力差、小徑級林木蓄積量少等問題，因此，應通過補植鄉(xiāng)土樹種和針葉樹種等方式逐漸提高小徑級林木的蓄積量。