張保全，段豐沛，郭小龍，劉文楨*，張 婷

(1.甘肅省小隴山林業(yè)科學研究所 甘肅省次生林培育重點實驗室 甘肅小隴山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，甘肅 天水 741022； 2.甘肅農業(yè)職業(yè)技術學院，甘肅 蘭州 730030；3.甘肅林業(yè)職業(yè)技術學院，甘肅 天水 741022)

采伐是森林經(jīng)營的重要手段，也是對森林的一種十分重要的人為干擾[1]。隨著森林經(jīng)營目標的轉變，傳統(tǒng)的皆伐作業(yè)因對森林生態(tài)系統(tǒng)產生顯著的負面影響而逐漸被摒棄，而擇伐被認為是一種有效的經(jīng)營方式。研究表明，適度擇伐能夠改善群落內的光照條件，加快林分更新和生長，對于林分的結構多樣性和特殊物種的保護具有積極作用[2-3]。擇伐是異齡混交林經(jīng)營的主要采伐方式，但由于異齡混交林樹種組成復雜，林木年齡差異較大，擇伐經(jīng)營方式應用仍存在一些難點，主要表現(xiàn)在應伐木的確定和采伐強度的控制2個方面。應伐木選擇的一般原則為“采壞留好、采老留壯、采大留小、采密留均”，但缺乏相應的標準，對于相同的林分類型可能會因為技術工人的認識不同而出現(xiàn)不同的標記結果。國內外針對各種林分類型開展了大量的不同擇伐強度對林分結構和生長影響的對比試驗，得出的結論也不盡相同[4-9]，在培育健康穩(wěn)定、優(yōu)質高效的森林生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)營目標下，如何確定應伐木及適當?shù)夭煞姸热匀灰粋€重要的問題。

基于結構優(yōu)化的森林擇伐方法是在森林可持續(xù)經(jīng)營原則下提出的經(jīng)營方法[10-11]，該方法在森林經(jīng)營中采用擇伐的方式進行林分結構調整，應伐木選擇及采伐強度控制方面與傳統(tǒng)擇伐方法顯著不同，即經(jīng)營前并不預設采伐強度，在優(yōu)先考慮林木個體健康的前提下，以林分中的頂極樹種或鄉(xiāng)土樹種的中、大徑木為經(jīng)營對象，運用林分空間結構參數(shù)來指導應伐木的選擇[10-12]，即綜合考慮培育對象與最近相鄰木組成的結構單元中林木分布格局、樹種隔離程度和競爭狀態(tài)來確定應伐木，具有相應的指標和量化方法。此外，該方法在確定經(jīng)營方向和經(jīng)營效果評價時均以林分現(xiàn)狀分析為基礎[10-11,13]，因此在標記采伐后即可預知經(jīng)營效果，從而可以及時、合理地調整經(jīng)營措施，避免造成不必要的損失。

秦嶺西段的小隴山林區(qū)是中國西北地區(qū)重要的天然林區(qū)，是中國西北地區(qū)物種多樣性最豐富的地區(qū)之一，在水源涵養(yǎng)、保持水土、維護地區(qū)生態(tài)平衡等方面發(fā)揮著不可替代的作用。銳齒槲櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)天然林是該地區(qū)的主要森林類型，在銳齒槲櫟天然林的群落結構、種間關系、生物多樣性等方面開展了一些研究[15-18]，但很少有銳齒槲櫟天然林經(jīng)營效果監(jiān)測的報道。本研究對甘肅小隴山林區(qū)銳齒槲櫟天然林內建立的基于結構優(yōu)化的森林擇伐地和未擇伐樣地3次調查數(shù)據(jù)進行對比分析，了解基于結構優(yōu)化的擇伐對銳齒槲櫟天然林組成結構、徑級結構、林分空間結構以及生長的影響，為小隴山林區(qū)銳齒槲櫟天然林經(jīng)營提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

小隴山林區(qū)位于甘肅省東南部(104°22′-106°43′E，33°30′-34°49′N)，年均氣溫7～12 ℃，年積溫3 563.9 ℃；年日照時數(shù)2 098.7 h。年均降水量460～800 mm，50%～60%的降水集中在7-9月，無霜期185 d，海拔750～3 200 m。兼有我國南北氣候特點，生物的地理成分、區(qū)系成分復雜多樣，是甘肅生物種質資源最豐富的地區(qū)之一。小隴山林區(qū)海拔2 200 m以下是以銳齒槲櫟和蒙古櫟(Q.mongolica)為主的天然林，櫟類林主要伴生樹種有華山松(Pinusarmandii)、漆(Toxicodendronvernicifluum)、冬瓜楊(Populuspurdomii)、白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana) 、千金榆(Carpinuscordata)、甘肅山楂(Crataeguskansuensis)、刺楸(Kalopanaxseptemlobus)等喬木樹種。

2 研究方法

2.1 樣地設置與數(shù)據(jù)調查

樣地位于甘肅小隴山林區(qū)百花林場墁坪營林區(qū)小陽溝營林區(qū)71號林班內，小班面積35.6 hm2，海拔1 720 m，坡向東北，平均坡度13°。2008年9月，運用全站儀設置了2塊70 m×70 m的全面調查樣地，一塊為經(jīng)營樣地，一塊為對照樣地。對樣地內胸徑大于5 cm的林木全部進行定位、掛牌/編號，并進行胸徑測量，記載每株樹木的樹種、胸徑，同時調查林分的郁閉度、坡度、林分平均高、林層數(shù)和枯立木情況等；分別在樣地的中心、四角設置10 m×10 m的小樣方5個，調查更新幼樹、幼苗，灌木、草本的種類、數(shù)量、高度、蓋度等內容。樣地每5 a進行1次復測，調查內容與首次調查時完全相同，并對于達到起測胸徑(DBH≥5 cm)的林木記錄胸徑、樹高和冠幅等，并測量與其最近3株林木的距離，運用2點間距離公式推算其坐標。樣地林分因子特征及復測數(shù)據(jù)見表1。

2.2 經(jīng)營樣地應伐木確定

在對經(jīng)營樣地的林分狀態(tài)特征進行分析后，確定了該林分的經(jīng)營方向，即降低林分密度，提高培育目標的競爭態(tài)勢和伴生樹種的比例，增加林木的混交程度，擇伐、利用部分成熟林木。在采伐木確定時，首先將林分中的不健康林木作為采伐對象，然后選擇干形通直、生長旺盛的銳齒槲櫟、華山松、漆等中、大徑木作為培育對象，利用林分空間結構參數(shù)，重點調整培育對象的混交和競爭。此次經(jīng)營共標記45株林木作為采伐對象，其中，有4株林木由于健康原因、8株為達到目標直徑而擇伐利用，其余33株主要是調整培育對象和避免與相鄰木的競爭和混交；采伐木涉及12 個樹種，包括銳齒槲櫟18株，華山松、白樺、杜梨(Pyrusbetulifolia)、多毛櫻桃(Cerasuspolytricha)、湖北海棠(Malushupehensis)、桑(Morusalba)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、甘肅山楂和深灰槭(Acercaesium)各1株，春榆(Ulmusdavidianavar.japonica)、茶條槭(Acerginnala)各2株，于2008年12 月進行了采伐作業(yè)，采伐株數(shù)強度為10.1%，斷面積強度為22.6%，屬于中度干擾。2013年12月第1次對2塊樣地進行復測，2018年12月第2次對2塊樣地進行復測。

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 林分特征 2塊樣地的樹種組成結構包括林分密度、斷面積、平均胸徑、樹高、郁閉度、樹種多樣性等內容，樹種多樣性計算指標包括Shannon-Wiener指數(shù)[19]和Pielou均勻度指數(shù)[20]。

2.3.2 林分直徑結構 將樣地中胸徑>5 cm的林木按照4 cm徑級進行統(tǒng)計，并計算每個徑級林木的數(shù)量占全部林木總數(shù)的比例，繪制林分胸高直徑分布圖，并用K-S檢驗方法[21-22]對林分徑級結構進行差異顯著性檢驗。

2.3.3 林分空間結構 林分空間結構采用基于4株最近相鄰木林分空間關系的結構參數(shù)進行分析，主要參數(shù)包括角尺度和混交度[23-24]，并用K-S檢驗方法對林分角尺度分布和混交度分布進行差異顯著性檢驗。

2.3.4 林分生長 林木生長采用胸徑(胸高斷面積)絕對生長率(AGR)和相對生長率(RGR)計算，計算公式如下：

AGR=(dbht-dbh0)/Δt

(1)

RGR=(ln(dbht)-ln(dbh0))/Δt

(2)

式中：dbht和dbh0分別為調查時間t和t0時林木的胸徑(胸高斷面積)，Δt為調查間隔期。采用無重復雙因素方差分析方法對不同調查間隔期及處理進行相對生長率差異分析[25]。

林分林木死亡率(m)和進階率(r)分別計算如下[26]。

m=1-(Nt/N0)1/t

(3)

(4)

式中：Nt和N0分別代表t時和初始調查時(t0)時林分中林木的數(shù)量，Ns代表t時的林分中林木存活數(shù)量。

3 結果與分析

3.1 擇伐對林分樹種﹑密度﹑生長及多樣性的影響

2008年，對照樣地和擇伐樣地擇伐前具有相似的林分因子特征(表1)。擇伐樣地進行擇伐后，林分密度、林木平均胸徑、平均樹高、平均冠幅及胸高斷面積均有所下降，其中，平均胸徑和斷面積下降幅度較大。2013年和2018年數(shù)據(jù)表明，擇伐樣地的林木密度和樹種數(shù)呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢，其他因子則呈現(xiàn)持續(xù)增加的趨勢，其中，2013-2018年林分斷面積增長幅度較大。未擇伐樣地的林木由于自然稀疏，密度呈現(xiàn)下降的趨勢；樣地內的樹種也有所下降，其他林分因子指標均呈現(xiàn)增加的趨勢(表1)。

2008年，擇伐樣地的Shannon-Wiener指數(shù)值和Pielou均勻度指數(shù)分別為2.595和0.742，擇伐后，分別為2.615和0.755；擇伐5 a和10 a的Shannon-Wiener指數(shù)值和Pielou均勻度指數(shù)均有所上升；未擇伐樣地Shannon-Wiener指數(shù)值和Pielou均勻度指數(shù)均較擇伐樣地高，但隨著時間的推移樹種多樣性和均勻性總體上表現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢。

表1 擇伐樣地和未擇伐樣地林分因子Table 1 Stand feature of the management plot and control plot in Xiaoyanggou

3.2 擇伐對林分徑級結構的影響

圖1 2塊樣地的徑級結構Fig.1 Diameter distribution of plots in different survey time

3.3 擇伐對林分空間結構的影響

從圖2可以看出，擇伐樣地擇伐后，林分中角尺度W=0.5和W=1的結構單元頻率明顯下降，而W=0.25和W=0.75的結構單元頻率有所上升；在2013年和2018年調查時，W=0.25和W=1的結構單元頻率有所下降，W=0.75的結構單元頻率仍在上升。擇伐樣地不同的調查時間平均混交度值分別為0.494、0.484、0.479和0.492，始終變動在[0.475，0.517]之間，屬于隨機分布的范疇。未擇伐樣地中W=0.5的結構單元頻率呈現(xiàn)增加的趨勢，W=0.75和W=1的結構單元頻率有所下降，而W=0.25結構單元頻率呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢；未擇伐樣地3次調查的平均角尺度分別為0.534、0.525和0.521，屬于輕度團狀分布，但總體上有向隨機分布轉變的趨勢，可認為是自然演替的結果，這也符合天然林林木分布的空間格局從聚集到隨機的演替規(guī)律[27-28]。

擇伐樣地的混交度分布頻率可以看出(圖3)，擇伐后，林分中混交度M=1的結構單元頻率有所上升；2013 年與2018年調查表明，林分中M=0的結構單元頻率為0，M=0.75的結構單元頻率不斷下降，而M=1的結構單元頻率持續(xù)上升。擇伐樣地不同調查時間的混交度均值分別為0.816、0.831、0.852和0.846，擇伐后林分的平均混交度呈現(xiàn)增加的趨勢。未擇伐樣地不同調查時間的林分混交度變化較小。未擇伐樣地3次調查的平均混交度分別為0.771、0.768和0.768，林分平均混交度呈現(xiàn)略有下降的趨勢。擇伐樣地和未擇伐樣地不同調查時間的混交度分布差異性不顯著。

圖2 擇伐樣地與未擇伐樣地不同調查時間的角尺度頻率分布Fig.2 Uniform angle index distribution frequency of plots in different survey time

圖3 擇伐樣地與未擇伐樣地不同調查時間的混交度頻率分布Fig.3 Mingling distribution frequency of plots in different survey time

3.4 擇伐對林分生長的影響

由表2可以看出，2008-2013年擇伐樣地和未擇伐樣地的胸徑平均絕對生長率均為0.21 cm·a-1；在2013-2018年擇伐樣地的胸徑平均絕對生長率較未擇伐樣地的高。在2個調查間隔期內，擇伐樣地的胸徑平均相對生長率分別較未擇伐樣地高18.4%和55.2%。從斷面積平均絕對生長率可以看出，在2008-2013年擇伐樣地較未擇伐樣地低，而在2013-2018年擇伐樣地較未擇伐樣地高。2個調查期間內，擇伐樣地的胸高斷面積相對生長率分別較未擇伐樣地高18.2%和54.4%。在2008-2013年擇伐樣地的進階率和死亡率分別為3.269%和4.257%，均高于未擇伐樣地(3.157%和3.703%)，而在2013-2018年擇伐樣地進階率略有下降，但死亡率下降幅度較大，僅為1.810%；未擇伐樣地的進階率有所提高，而死亡率有所下降，分別為2.288%和2.782%。

擇伐樣地和未擇伐樣地2次調查間隔期內各徑階的相對生長率可以看出(圖4)，各徑階的相對生長率均呈現(xiàn)隨著徑階的增加而下降。擇伐樣地2次調查間隔期內，除<9 cm徑階林木的平均相對生長率略有下降外，其他徑階林木的相對生長率均有所提高；未擇伐樣地<17 cm徑階林木的平均相對生長率略有下降，41～45 cm和51～55 cm略有上升外，其他徑階胸徑相對生長率變化很小。對2塊樣地調查間隔期間的胸徑相對生長率進行無重復雙因素方差分析結果表明，同一樣地內胸徑相對平均生長率差異并不顯著(表3)，但樣地內各徑階林木的胸徑相對平均生長率差異顯著(分別為F=17.031 68≥Fcrit(F臨界值)=3.905 204和F=12.185 21>Fcrit=3.241 93)。擇伐樣地和未擇伐樣地間在第1個調查間隔期內(2008-2013年)，林分整體胸徑相對平均生長率差異并不顯著，但各徑階林木的胸徑相對平均生長率差異顯著(F=13.617 44>Fcrit=3.241 93)。在第2個調查期內(2013-2018年)，林分整體胸徑相對平均生長率差異(F=12.876 7>Fcrit=8.399 74)和各徑階林木的胸徑相對平均生長率差異均顯著(F=12.400 79>Fcrit=3.241 93)，結合表2和圖4可以看出，擇伐樣地在2013-2018年期間的相對生率明顯高于未擇伐樣地。

表2 擇伐樣地與未擇伐樣地的生長Table 2 The growth comparison of management plot and control plot in different survey intervals

圖4 擇伐樣和未擇伐樣地各徑階林木相對生長率Fig.4 Relative growth rate of dimeter classes of plots in different survey intervals

表3 相同樣地2次調查間隔期胸徑平均相對生長率方差分析Table 3 Variance analysis of average relative growth rate of diameter class in same plot at two survey intervals

表4 擇伐樣地與未擇伐樣地的胸徑平均相對生長率方差分析Table 4 Vaiance analysis of average relative growth rate of diameter class of different plot at two survey intervals

4 結論與討論

4.1 結論

銳齒槲櫟天然林采用基于結構優(yōu)化的擇伐方式擇伐后，林木的分布格局始終變動在隨機分布的范圍內，林分的徑級結構并未發(fā)生明顯的改變，仍為典型異齡混交林倒“J”型分布；擇伐后林分樹種多樣性和林木混交程度的持續(xù)提高，未擇伐樣地林分樹種多樣性和林木混交程度有所下降。

擇伐能夠促進林木的生長和更新，胸徑平均相對生長率和胸高斷面積相對生長率分別較未擇伐樣地提高18.4%～55.2%和18.2%～54.4%。

綜上，建議在銳齒槲櫟天然林實施管理中應采用基于結構優(yōu)化的擇伐方式，主要由于該擇伐方式能夠保持天然林林分結構的連續(xù)性和穩(wěn)定性，促進林木生長和更新，利用部分成熟林木。

4.2 討論

4.2.1 結構優(yōu)化擇伐方式對林分結構的影響 擇伐作為重要的人為干擾方式，能夠對林分結構產生重要的影響，會因為強度的不同而產生不同的影響，但大多研究僅關注擇伐強度對林分徑級結構分布的影響，如胡云云等[4]對云、冷杉林不同強度擇伐林分研究結果表明，隨著初始擇伐時間的增加，云、冷杉林的徑級結構由反“J”形徑級分布向不對稱單峰或多峰山狀曲線變化，需要控制合理的采伐強度和擇伐周期，以保證徑級結構不發(fā)生明顯變化，合理的采伐強度應保持在20%左右，擇伐周期為8 a左右。雷相東等[29]研究表明，20%～30%的擇伐強度并不能明顯改變落葉松、云、冷杉林的多樣性和結構。近年來，隨著林分空間結構日益受到重視，也有一些研究開始關注擇伐對林分空間結構的影響。陳輝榮等[30]對擇伐后恢復的杉木、馬尾松和闊葉混交林空間結構進行了分析，發(fā)現(xiàn)擇伐對林木的分布格局影響不顯著，弱度和中度擇伐可以增加林分的混交度，而強度擇伐會降低林分的混交度。吳蒙蒙等[31]對帶嶺林業(yè)實驗局東方紅林場的紅松闊葉林不同強度擇伐后林分空間結構變化進行了分析，得出了類似的結論，但這些擇伐試驗在進行采伐木選擇時并沒有考慮林分的空間結構。與傳統(tǒng)研究相比，本試驗是對銳齒槲櫟天然林擇伐樣地林分狀態(tài)特征進行分析后，確定了擇伐方向，用林分空間結構參數(shù)作為指導，針對銳齒槲櫟、華山松、漆樹等主要樹種的競爭態(tài)勢、混交程度進行結構調整，并采伐留用了部分成熟林木。擇伐樣地和未擇伐樣地的徑級結構和林分空間結構多次調查數(shù)據(jù)對比表明，基于結構優(yōu)化的擇伐并未顯著改變林分的徑級結構和林木的分布格局，盡管擇伐樣地的徑級寬幅減小，這也體現(xiàn)了擇伐利用部分成熟林木的擇伐目的；此外，擇伐樣地林分的樹種多樣性和林分混交度呈現(xiàn)增加的趨勢，盡管這一變化并不十分顯著，但在一定程度上說明，擇伐促進了林分樹種多樣性的提高和樹種分配的均勻性，增加了林木的混交程度。

4.2.2 結構優(yōu)化擇伐方式對林分生長的影響 適度的擇伐會促進林分的生長，但僅根據(jù)林分生長和蓄積量的增長來確定擇伐強度的方法存在一定的局限性[32]，因為這一方法始終是模糊且受到多種標準影響[33]，特別對于具體林分而言，不同的林分會因為面臨問題不同而選擇不同的采伐強度。本研究在擇伐前并未設置采伐強度，而是根據(jù)擇伐目標選擇采伐后得到了采伐強度為22.6%，也屬于中度干擾。以上結果雖然無法直接排除由于擇伐強度適當而促進了林分生長和多樣性的提高，但從林分的結構變化來看，基于結構優(yōu)化的擇伐方法可以保持林分的連續(xù)性和穩(wěn)定性。擇伐對林分的影響涉及許多方面，本研究僅對采用結構優(yōu)化的方法擇伐后林分整體的徑級結構、林木分布格局、多樣性及徑向生長等方面的影響進行了分析，今后的研究還需要進一步對林分中主要種群的動態(tài)變化、培育目標林木的生長進行系統(tǒng)的評價和長期的監(jiān)測。