小隴山林區(qū)29年生油松人工林撫育效果評價1)

潘德乾 趙文杰 劉文楨 張宋智 郭小龍

(甘肅省小隴山林業(yè)實驗局，天水，741020) (甘肅省小隴山林業(yè)實驗局林業(yè)科學研究所)

林業(yè)生產周期長、見效慢的特點決定了運用功能評價的方法對森林經營活動結果進行評價必然具有一定的滯后性，不能掌握經營活動對森林各項指標的影響，從而不能在經營過程中及時調整經營措施，如果在經營過程中采取的措施不當，往往會造成事與愿違的結果。新的結構建模思想的出現(xiàn)使得傳統(tǒng)的功能建模思想受到了很大的沖擊，傳統(tǒng)的功能評價已轉向情景狀態(tài)的評價［1］24。小隴山林區(qū)是我國北方典型的天然次生林區(qū)，是嘉陵江、渭河的發(fā)源地，屬重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，對渭河下游陜西關中平原、嘉陵江下游漢中平原和四川嘉陵江流域的生態(tài)安全有著直接和間接的關系。在維護黃土高原西部以及黃河、長江流域地區(qū)生態(tài)平衡、生物多樣性保護、改善生態(tài)環(huán)境、維護區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的平衡、保障社會經濟的可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著極其重要的作用［2］。小隴山林區(qū)總面積 83.02 萬 hm2，林地面積81.4萬hm2，其中中幼齡林面積41.2萬 hm2(天然林中幼齡林31.0萬 hm2，人工中幼齡林10.2萬hm2)。林區(qū)森林覆蓋率63.6%，活立木總蓄積為3 451萬m3。2009年作為國家級森林撫育試點林區(qū)，開展中幼齡林撫育工程。為了準確評價中幼齡林撫育效果，以小隴山百花林場中幼林撫育區(qū)具有代表性的油松人工林為研究對象，運用結構化森林經營理論與方法［1］46，通過對林木水平分布格局、競爭關系及林分樹種組成等的分析，確定經營方向及目標，并對油松人工林撫育間伐前后林分的樹種組成、樹種多樣性、空間利用程度和競爭態(tài)勢等狀態(tài)變化進行分析，研究小隴山林區(qū)中幼齡林撫育措施效果，以期為實現(xiàn)小隴山林區(qū)森林可持續(xù)經營提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)及林分概況

實驗區(qū)設在小隴山林業(yè)實驗局百花林場仙坪營林區(qū)87林班1號小班，地理坐標為34°16'22.6″N，106°26'43.4″E，坡度 31°，海拔 1 685 m，年均降水量510 mm，無霜期185 d。土壤以褐色森林土為主。林分為油松人工林，造林時間1978年，方式為改造更新，造林密度為 5 000/hm2(株行距為 1.3 m×1.3 m)，經營前林分郁閉度0.9，林齡29 a。喬木層主要樹種為油松、遼東櫟、銳齒櫟(Quercus aliena var.acutiserrata)、青榨槭(Acer davidii)、白樺(Betula platyphylla)、鄂椴(Tilia oliveri)、漆樹(Toxicodendron verniciflus)、華山松(Pinus armandii)、茶條槭(Acer ginnala Maxim)、紅樺(Betula albo-sinensis)、五角楓(Acer mono Maxim)、黃 榆 (Ulums macrocarpa Hance)、梾木(Swida macrophylla)、大葉椋子(Swida macrophylla)、杜梨(Pyrus betulaefolia Bunge)、秦嶺白蠟(Fraxinus paxina Lingelsh)、黃花柳(Salix caprea Linn)、毛梾(Swida walteri)、樺葉四蕊槭(Acer tetramerum var.betulifolium)。平均胸徑11.7 cm，平均高11.2 m，每公頃蓄積 156.57 m3。林下灌木以白檀(Symplocos paniculata)、平榛(Corylus heterophylla)、蔥皮忍冬(Lonicera ferdinandii)為主，平均高0.42 m，平均蓋度12%，團塊狀分布。草本以垂穗苔草(Carex dimorpholepis)、茖韭(Allium victorialis)、心葉淫羊霍(Epimedium brevicornu)為主，平均高0.26 m，平均蓋度5%。

2 研究方法

2.1 撫育間伐與調查方法

2007年6月，以結構化森林經營理論為基礎，進行了撫育間伐試驗，將全部林木標記為保留木和采伐木，間伐強度為34%，并設置了未間伐的樣地作為對照。觀測樣地面積為0.36 hm2(60 m×60 m)。采用T72型GPS對實驗區(qū)進行定位確定地理坐標、海拔，并在樣地內，用羅盤儀和超聲波測距儀對樣地內胸徑大于5 cm的林木進行每木定位、檢尺，記錄樹種、株數(shù)、年齡、樹高、枝下高、胸徑、冠幅;并在樣地內的四角和中心設置5 m×5 m的樣方5個，進行灌木和草本的調查，記錄灌木和草本的種類、高度、蓋度、株數(shù)。采用羅盤儀測定坡向、坡度。利用SVMS軟件分析試驗區(qū)林分的角尺度、物種多樣性指數(shù)［3］、混交度、大小比數(shù)和優(yōu)勢度、開敞度，確定林木間的相互關系。2011年7月進行了復查。

2.2 林分狀態(tài)分析

運用林分空間結構分析方法，分別計算撫育間伐前后林分的組成、空間結構如角尺度［4-6］、混交度［7-8］、大小比數(shù)［9］和優(yōu)勢度［1］147-148、開 敞度 參數(shù)［10］等指標，并分析評價撫育間伐后林分生長與植物多樣性變化。

2.2.1 物種多樣性指數(shù)

物種多樣性是指一個群落中物種數(shù)目和各物種的個體數(shù)目分配的均勻度，反映了群落組成中物種的豐富程度及不同自然地理條件與群落的相互關系，以及群落的穩(wěn)定性與動態(tài)，是群落組織結構的重要特征［1］146。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)：

式中：H'為Shannon-Wiener多樣性指數(shù);pi為第i個樹種株數(shù)在林分樹木總株數(shù)中所占百分比;s為林分中樹種的數(shù)目。

2.2.2 角尺度

角尺度Wi被定義為a角小于標準角a0(72°)的個數(shù)占最近4株相鄰木的比例［4-5，11］，用公式表示為：

樣地內林木角尺度在［0，0.475)之間，表明林分處于均勻分布;角尺度在［0.475，0.517］之間，表明林分處于隨機分布;角尺度在(0.517，1］之間，表明林分處于團狀分布。

2.2.3 混交度

混交度Mi用來說明混交林中樹種空間的隔離程度［8，12］。定義為參照樹i的4株最近相鄰木中與參照樹不屬同種的個體所占的比例［1，7，11］，用公式表示為：

2.2.4 大小比數(shù)和優(yōu)勢度

大小比數(shù)(Ui)是指胸徑大于參照樹的相鄰木占 4 株最近相鄰木的比例［1］32-34，［9，11］，用公式表示為：

即：4株相鄰木胸徑都大于參照樹時，參照樹的大小比數(shù)為1.0，表明參照樹處于絕對劣勢;都小于參照樹時，參照樹為絕對優(yōu)勢(0);其他依次類推為：亞優(yōu)勢(0.25)、中庸(0.5)、劣態(tài)(0.75)。樹種的優(yōu)勢度用相對顯著度和樹種大小比數(shù)的結合［1］148來表達，公式為：式中：Dsp為樹種優(yōu)勢度;Dg為相對顯著度;ˉUsp為樹種大小比數(shù)。

樹種優(yōu)勢度的值介于0～1之間。接近1表示非常優(yōu)勢，接近0表示幾乎沒有優(yōu)勢。

2.2.5 開敞度

開敞度參數(shù)表示的是林木發(fā)展的可能性和經營空間的大小。在此定義為：林內任意一株林木到最近的4株相鄰木水平距離與它們各自高度比值之和［10，13］?？捎孟率奖硎荆?/p>

式中：ki為第i株樹木的開敞度;dij為樣點到第j株樹的距離;hij為第j株樹的高度。

3 結果與分析

3.1 林分組成和徑級結構

保留木為林分中的優(yōu)勢木，同時是具有較高經濟價值的優(yōu)勢樹種，撫育間伐前后優(yōu)勢樹種的平均胸徑和平均樹高略有上升，群落保持著相對穩(wěn)定的優(yōu)勢。伐掉了處于相對劣勢的小徑級材，為中徑級長勢良好的林木個體創(chuàng)造了良好的生存空間，并保留了闊葉伴生樹種，使林分混交度有所上升，樹種隔離程度提高，使林分結構進一步穩(wěn)定(表1)。

表1 小隴山林區(qū)油松林撫育間伐前后主要樹種測樹因子

表2為林分經過撫育間伐后直徑分布變化情況，由于撫育間伐主要針對中徑級和一些小徑級中無培育前途的受擠壓木以及角尺度為0.25和0.75的喬木進行采伐調整，各樹種徑級頻率分布隨林分結構調整有所增長，但林分直徑分布結構變化不大。

表2 經營前后直徑分布的變化%

3.2 空間利用程度

3.2.1 撫育間伐強度與林分郁閉度的變化

試驗區(qū)樣地撫育間伐前林分共有林木3 119株(D≥5.0 cm)，總胸高斷面積為 29.0 m2。撫育間伐后樣地林分共有林木1 881株(胸徑≥5.0 cm)，總胸高斷面積17.3 m2，按林木株數(shù)和胸高斷面積計算，間伐強度分別為39.7%和34.0%，明顯高于15%。由于林分初植密度較大，每公頃達3 120株，未及時進行林分生長撫育，撫育間伐前林分郁閉度為1.0，間伐強度偏大有助于林分生長及其它樹種的更新。撫育間伐后郁閉度保持在0.7，有利于林分植被的快速恢復，保持了林分植被的多樣性，增大單株生存空間。

3.2.2 林木分布格局

撫育間伐前林分平均角尺度為0.431，為均勻分布。為了促使林木分布格局向隨機分布轉變，將林分保留木中的油松和主要伴生樹種的中、大徑木角尺度為0和0.25的單木與其最近4株相鄰木構成的結構單元作為調整對象，采用“首遇先調”的原則，調整林木的分布格局。由表3可知：初次撫育間伐后，結構單元角尺度在0、0.75和1的分布變化不大，由撫育間伐前的0、8.73%和0.79%增加到撫育間伐后的 1.42%、10.85%和 2.83%;結構單元角尺度為0.25的結構單元由撫育間伐前的38.1%減少到撫育間伐后的27.36%，角尺度為0.5的結構單元由撫育間伐前的52.38%增加到撫育間伐后的5 7.55%?？傮w而言，調整后林分平均角尺度為0.466，林分林木分布格局發(fā)生了由均勻分布向隨機分布轉化的趨勢。

表3 小隴山林區(qū)油松林撫育間伐前后林分角尺度變化

3.3 物種多樣性

3.3.1 物種多樣性指數(shù)

通過間伐調整，實驗區(qū)撫育間伐前喬木樹種Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為1.88，進行撫育間伐后，林分喬木樹種的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為1.86，基本保持不變;林分內灌木和草本物種由10種降為9種，發(fā)生了輕微變化，人為干擾對灌木層和草本層產生了一定的影響。在經營5 a后灌木和草本物種由經營前10種增加到15種，說明撫育間伐使林木間空隙增大，為鄉(xiāng)土樹種的侵入和林下植物創(chuàng)造了有利條件和適生環(huán)境。

3.3.2 混交度

樣地內撫育間伐前后林木個體與其最近4株相鄰木構成的結構單元的混交度變化較大(表4)，撫育間伐前處于零度混交的比例最高，為27.36%，其次為極強度混交，比例為25%，處于弱度混交、中度混交和強度混交的比例相對較低;撫育間伐后，處于弱度混交的的比例明顯下降，處于極強度混交的比例由撫育間伐前的25%上升到了37%。

表4 撫育間伐前后林分混交度變化

表5表明，撫育間伐后，油松的混交度由經營前的弱度混交變?yōu)橹卸然旖?，毛梾由撫育前的極弱度混交轉變?yōu)闃O強度混交，這是由于毛梾原來處于叢生，經過撫育，將叢生的弱株、病株等去除掉，從而使得其周圍與不同樹種相鄰，混交度急劇上升。撫育伐除了相鄰漆樹的不良個體，使漆樹的混交度上升較大。白樺、杜梨和樺葉四蕊槭由于在林分中處于劣勢地位，被壓嚴重，在撫育中伐除，混交度歸零。其余樹種混交度變化不大，闊葉樹的整體混交度都有所很高。林分撫育后零度混交的比例降到最低，為12.7%，弱度混交、中度混交的比例略有下降，強度混交和極強度混交的比例都有所增加。林分的平均混交度由經營前的0.473提高到0.627。經營后混交度(Mi)從0到1取值的比例從下降的趨勢轉變?yōu)樯仙厔?，說明林分整體混交程度有所增加，有利于林分由單層純林向復層異齡針闊混交林結構發(fā)展。

表5 撫育間伐前后各樹種混交度變化

3.4 競爭態(tài)勢

由表6可知：撫育間伐前毛梾的大小比數(shù)為0.03，黃榆為 0.41，油松為 0.43，這幾個樹種在結構單元中的大小比數(shù)較小，在結構單元中較其它樹種更具優(yōu)勢。結合相對顯著度來看，油松總體上較其它樹種具有明顯優(yōu)勢，其次為銳齒櫟和遼東櫟。撫育間伐后大小比數(shù)油松為0.34，黃榆為0.41，華山松為0.53，這幾個樹種在結構單元中的大小比數(shù)較小，在結構單元中相對于其它樹種更具優(yōu)勢，華山松的優(yōu)勢度明顯提高。

3.4.1 林分生長

林分經過撫育間伐后各樹種的年均生長率都有不同的變化(表7)。撫育間伐樣地林木的胸徑年均生長率和立木材積生長率都高于對照樣地，油松胸徑生長率提高了48.2%、立木材積生長率提高了54.4%;華山松胸徑生長率提高了46.9%，立木材積生長率提高了42.6%;櫟類胸徑生長率提高了49.2%，立木材積生長率提高了66.9%;林分的胸徑平均生長率提高了47.8%，蓄積生長率提高了51.7%。充分說明適宜的撫育間伐可提高林分各樹種生長率，從而使林分逐步達到健康穩(wěn)定的林分結構。

3.4.2 天然更新

撫育間伐樣地天然更新由2007年的3 186株/hm2增加到2011年的3 541株/hm2，增加11.1%;對照樣地天然更新由2007年的3 730株/hm2減少到2011年的3 365株/hm2，減少了9.8%(表8)。林分經過撫育后，林隙空間增大，隨著光照、溫度、水肥等條件的改善，從而促使土壤中的天然種子萌發(fā)，加快了天然更新，為林分逐步向針闊混交林演替創(chuàng)造了有利條件。

表6 撫育間伐前后油松林分和主要樹種角尺度等參數(shù)的變化

表7 油松林間伐及其對照樣地主要樹種年生長率 %

4 結論與討論

具有代表性的人工油松林中幼林撫育實驗區(qū)，通過撫育間伐調整，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)基本保持不變，保持了原群落物種的穩(wěn)定性和豐富度。人為干擾對林下植被產生了一定的影響。

通過林分空間結構分析，林分水平分布格局由均勻分布向隨機分布轉變。撫育間伐，使樹木個體間的距離加大，林木的平均開敞度都有明顯的增長，間伐后林木光照條件、資源空間得到極大改善，撫育間伐樣地林木的胸徑年均生長率和立木材積生長率都高于對照樣地。油松胸徑生長率提高了48.2%，立木材積生長率提高了54.4%;華山松胸徑生長率提高了46.9%，立木材積生長率提高了42.6%;櫟類胸徑生長率提高了49.2%，立木材積生長率提高了66.9%。充分說明適宜的撫育間伐可提高林分各樹種生長率。經過5 a，撫育間伐樣地天然更新增加了11.1%，對照樣地天然更新減少了9.8%，林分經過撫育后，林隙空間增大，隨著光照、溫度、水肥等條件的改善，從而促使土壤中的天然種子萌發(fā)，加快了天然更新。

表8 小隴山林區(qū)油松林樣地林下天然更新

表8 (續(xù))

研究區(qū)的人工油松林林齡較小，撫育間伐后空間結構并非最優(yōu)，要促使現(xiàn)有的油松人工林向最優(yōu)的林分結構轉變，需要經過對林分不同生長時期結構分析，確定合理的結構調整方向和目標，來實現(xiàn)真正意義上的林分空間結構上的優(yōu)化。

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