采伐強(qiáng)度對(duì)闊葉紅松林空間結(jié)構(gòu)的影響1)

吳蒙蒙 王立海 侯紅亞 劉德洲

(黑龍江省森林持續(xù)經(jīng)營(yíng)與環(huán)境微生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

隨著自然森林經(jīng)營(yíng)的興起，森林的結(jié)構(gòu)、空間分布等諸多因素越來(lái)越受到人們的重視。林分空間結(jié)構(gòu)是指林木在林地上的分布格局及其屬性值空間的排列方式，是種群的生物學(xué)特性對(duì)其所在環(huán)境條件適應(yīng)和選擇的結(jié)果。林分空間結(jié)構(gòu)決定了樹(shù)木之間的競(jìng)爭(zhēng)及其空間生態(tài)位，它在很大程度上決定了林分的穩(wěn)定性、發(fā)展的可能性和經(jīng)營(yíng)空間的大小［1］。林木空間分布格局是林木與環(huán)境長(zhǎng)期相互適應(yīng)、相互作用的結(jié)果，種內(nèi)及種間的競(jìng)爭(zhēng)、物種對(duì)局域環(huán)境的適應(yīng)性、非生物因素干擾對(duì)更新的限制等都在一定程度上影響林木空間分布［2］。干擾是種群動(dòng)態(tài)變化的重要因素之一［3］。而森林的結(jié)構(gòu)決定其功能，所以對(duì)采伐干擾的評(píng)價(jià)必須從結(jié)構(gòu)入手。一種好的經(jīng)營(yíng)措施，使森林既有高的經(jīng)濟(jì)效益，又不損失生態(tài)效益、降低生物多樣性和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量。近年來(lái)，許多學(xué)者不只從林木的成活率、保存率、蓄積、生物量等生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)，也越來(lái)越重視經(jīng)營(yíng)措施對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)的影響［4－6］。為了探討采伐干擾對(duì)森林空間結(jié)構(gòu)的影響，運(yùn)用角尺度、混交度、大小比數(shù)三個(gè)空間結(jié)構(gòu)參數(shù)［7］對(duì)東方紅林場(chǎng)天然次生林不同采伐強(qiáng)度的林分空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，得出不同采伐強(qiáng)度下混交林的空間結(jié)構(gòu)變化，為后期調(diào)整經(jīng)營(yíng)措施提供依據(jù)。

1 研究區(qū)自然概況

實(shí)驗(yàn)地為帶嶺林業(yè)實(shí)驗(yàn)局東方紅林場(chǎng)，位于黑龍江省東北部、小興安嶺南坡。地理坐標(biāo)為東經(jīng)128°27'26″～129°17'50″，北緯 46°50'8″～47°21'32″。地形以低山丘陵為主，地勢(shì)南高北低，坡度平緩。平均坡度12.5°，平均海拔620 m，最高海拔1221 m，最低海拔210 m。屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年平均氣溫為1.4℃，極端最低氣溫達(dá)－43℃，極端最高氣溫為37℃。無(wú)霜期115 d。屬泛北極植物區(qū)，闊葉紅松林為原生地帶性頂級(jí)群落，林分類型主要有針闊混交林、闊葉混交林、楊樺林。地帶性土壤為暗棕壤。

主要樹(shù)種:紅松(Pinus koraiensis)、色木(Acer mono)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、冷杉(Abies nephrolepis)、楓樺(Betula costata)、椴樹(shù)(Tilia amurensis)、暴馬丁香(Syringa amurensis)、云杉(Picea jazoensis)、白樺(Betula costata)等。

2 研究方法

2.1 調(diào)查方法

在林區(qū)內(nèi)設(shè)置的研究樣地于2002年冬季進(jìn)行了采伐，從中選取4塊(A、B、C、D)50 m×50 m 的樣地，采伐強(qiáng)度分別為13%(弱度)、29%(中度)、52%(強(qiáng)度)和71%(極強(qiáng)度)，于2012年3月復(fù)測(cè)，對(duì)胸徑≥5 cm的樹(shù)木進(jìn)行每木測(cè)量，各樣地中測(cè)得的林木株數(shù)分別為256、303、183、211株。測(cè)量因子包括相對(duì)坐標(biāo)、樹(shù)種、胸徑、樹(shù)高、冠幅等，利用這些特征值計(jì)算空間結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且把處于同地帶的原始針闊混交林的空間結(jié)構(gòu)作為參照［8］，分析該天然次生林采伐干擾后的空間結(jié)構(gòu)。

2.2 分析方法

參照樹(shù)與參照樹(shù)最近的4株相鄰木構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元，既測(cè)量簡(jiǎn)便，又能夠滿足森林空間結(jié)構(gòu)研究的要求。以參照樹(shù)與4株最近相鄰木構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ)，進(jìn)行角尺度、混交度、大小比數(shù)分析。

2.2.1 角尺度

角尺度方法是從參照樹(shù)出發(fā)，任意兩個(gè)相鄰的最近木間的夾角有兩個(gè)，角尺度定義為兩夾角中小角α小于標(biāo)準(zhǔn)角α0(α0=72°)的個(gè)數(shù)所占考察的最近4株相鄰木的比例［9］。角尺度(Wi)數(shù)值從小到大變化，表示參照樹(shù)最近的4株相鄰木在其周圍的分布狀態(tài)由均勻到隨機(jī)再到團(tuán)狀分布的變化。Wi的表達(dá)式為:

式中:當(dāng)?shù)趈個(gè)α角小于標(biāo)準(zhǔn)角α0時(shí)，Zij為1;否則為0。i為任一參照樹(shù);j為參照樹(shù)i的4株最近相鄰木。Wi=0、0.25、0.50、0.75、1.00 時(shí)，表示絕對(duì)均勻、均勻、隨機(jī)、不均勻及團(tuán)狀分布。顯然Wi值的分布就能反映出一個(gè)林分中林木個(gè)體的分布格局。

2.2.2 混交度

混交度表明了任意一個(gè)樹(shù)的最近相鄰木為非同種的概率［10］?；旖欢?Mi)用來(lái)說(shuō)明混交林中樹(shù)種空間隔離程度。它被定義為參照樹(shù)i的4株最近相鄰木中與參照樹(shù)不屬同種的個(gè)體所占的比例，用公式表示為:

式中:Vij定義為當(dāng)參照樹(shù)i與第j株相鄰木為非同種時(shí) Vij=1，反之 Vij=0，0≤Mi≤1。Mi=1 表示周圍4株相鄰木均與參照樹(shù)不屬于同一種;Mi=0.75表示周圍3株與參照樹(shù)不屬同一種;Mi=0.50表示周圍2株最近相鄰木與參照樹(shù)不屬同一種;Mi=0.25表示周圍1株最近相鄰木與參照樹(shù)不屬同一種;Mi=0表示4株最近相鄰木與參照樹(shù)屬同種。

上述5種可能，分別對(duì)應(yīng)通常所講的極強(qiáng)度、強(qiáng)度、中度、弱度、零度混交，它表明樹(shù)種在樣地內(nèi)的隔離程度。

2.2.3 大小比數(shù)

大小比數(shù)(Ui)是指胸徑、樹(shù)高或冠幅等大于參照樹(shù)的相鄰木占4株最近相鄰木株數(shù)的比例［11］，公式為:

式中:Kij=1，參照樹(shù)i比相鄰樹(shù)j小;Kij=0，參照樹(shù)i比相鄰樹(shù)j大(本文采用胸徑指標(biāo))。Ui=1時(shí)，參照樹(shù)比4株最近相鄰木都小;Ui=0.75時(shí)，參照樹(shù)比3株最近相鄰木小;Ui=0.50時(shí)，參照樹(shù)比2株最近相鄰小;Ui=0.25時(shí)，參照樹(shù)比1株最近相鄰小;Ui=0時(shí)，參照樹(shù)比4株最近相鄰木大。

顯然，大小比數(shù)表示了該林區(qū)樹(shù)種的大小分化程度。上述5種情況，分別表示絕對(duì)劣態(tài)、劣態(tài)、中庸、亞優(yōu)勢(shì)、優(yōu)勢(shì)狀態(tài)。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分分布格局

在林分中，林木的分布格局有3種情況，即隨機(jī)、均勻和團(tuán)狀，隨機(jī)分布的ˉW(平均角尺度)取值范圍在［0.475，0.517］內(nèi)，ˉW小于0.475的分布為均勻分布，大于0.517的分布則為團(tuán)狀分布［12］。表1給出4塊固定樣地的平均角尺度及其取值分布。

表1 樣地角尺度的取值頻率分布

由表1的數(shù)據(jù)可以看出，4塊樣地的平均角尺度均大于0.517，林木呈團(tuán)狀分布，角尺度的變化范圍也很小，可見(jiàn)，采伐強(qiáng)度對(duì)林木水平分布格局的影響較小。在弱度和中度采伐時(shí)，樣地A和B的平均角尺度均接近于隨機(jī)分布的臨界值，處于隨機(jī)分布的比例也最大，均達(dá)到60%以上，而且從絕對(duì)均勻到團(tuán)狀分布的結(jié)構(gòu)單元都出現(xiàn)在樣地中，分布比例也很相似。當(dāng)采伐強(qiáng)度增大時(shí)，角尺度值也呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，絕對(duì)均勻的結(jié)構(gòu)單元消失，不均勻和團(tuán)狀分布的結(jié)構(gòu)單元比例上升。這可能是由于采伐時(shí)的大徑級(jí)木急劇減少，剩余的小徑木在較小尺度上趨向于團(tuán)狀分布［13］，而且強(qiáng)度和極強(qiáng)度采伐產(chǎn)生了大的林窗，林冠疏開(kāi)，其內(nèi)部的光照條件勢(shì)必發(fā)生變化［14］，進(jìn)而影響作業(yè)后跡地上保留樹(shù)木生長(zhǎng)和新生苗的更新［15－16］，破壞了林分原有的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致林分的平均聚集度增加。以上分析說(shuō)明，弱度和中度采伐對(duì)林分分布格局的影響較小，經(jīng)過(guò)10 a的恢復(fù)，該林分已經(jīng)接近隨機(jī)分布，和未經(jīng)采伐的天然闊葉紅松林相似，恢復(fù)情況相對(duì)較好。研究表明，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的演替，森林群落最終趨向于隨機(jī)分布［17］，因此進(jìn)行森林作業(yè)時(shí)宜采用弱度或中度采伐。

3.2 樹(shù)種隔離程度

為得到各樣地內(nèi)樹(shù)種的分布情況，進(jìn)行了樹(shù)種間隔離程度的分析，利用各樣地的平均混交度和主要樹(shù)種的混交度進(jìn)行各樣地的隔離程度分析。

由表2可知，4塊樣地的混交度都很大，隨采伐強(qiáng)度的增加，樣地的平均混交度有下降的趨勢(shì)。樣地A和B屬于強(qiáng)度混交向極強(qiáng)度混交的過(guò)渡狀態(tài)，樣地C和D處于中度混交向強(qiáng)度混交的過(guò)渡狀態(tài)。且樣地A、B中混交度為0的個(gè)體所占比例非常小，強(qiáng)度和極強(qiáng)度混交的結(jié)構(gòu)單元的比例占到75%左右，可見(jiàn)，林分中同種聚集的樹(shù)木很少，大多數(shù)參照樹(shù)的最近相鄰木中有3到4株是非同種樹(shù)木，混交度很大。樣地C和樣地D混交度為0和0.25的個(gè)體所占的比例明顯上升，取值為0的在樣地D中所占比例最大，同種聚集的情況顯著增多，而強(qiáng)度和極強(qiáng)度混交比例有所下降，導(dǎo)致平均混交度也低于弱度和中度采伐的混交度。

表2 樣地的平均混交度及其各混交度的頻率

由表3各主要樹(shù)種的混交度可知，紅松在樣地A、B都為強(qiáng)度混交向極強(qiáng)度混交過(guò)渡狀態(tài)，在樣地C和樣地D中的平均混交度較為接近，處于中度混交向強(qiáng)度混交過(guò)渡狀態(tài)。冷杉在樣地A、B中處于強(qiáng)度混交向極強(qiáng)度混交過(guò)渡狀態(tài)，在樣地C中已接近于強(qiáng)度混交，在樣地D中處于中度混交向強(qiáng)度混交的過(guò)渡狀態(tài)。紅松和冷杉在強(qiáng)度和極強(qiáng)度采伐中混交度都發(fā)生了很大變化，明顯減小，可能和紅松、冷杉的徑級(jí)較大有關(guān)，采伐的數(shù)量較多，導(dǎo)致混交度降低。楓樺在樣地A中為完全混交狀態(tài)，在其余3個(gè)樣地中也處于極強(qiáng)度混交向完全混交的過(guò)渡狀態(tài)。水曲柳在樣地A處于完全混交狀態(tài)，可能是水曲柳數(shù)量較少，散生在林分中，而在樣地C處于中度混交向強(qiáng)度混交過(guò)渡狀態(tài)。椴樹(shù)在樣地A、B中處于極強(qiáng)度混交向完全混交過(guò)渡狀態(tài)，在樣地C中為弱度混交向中度混交過(guò)渡狀態(tài)。色木在樣地D中為中度混交向強(qiáng)度混交過(guò)渡狀態(tài)，其余3塊樣地中處于強(qiáng)度混交向極強(qiáng)度混交過(guò)渡狀態(tài)。由以上分析可知采伐作業(yè)后林分的混交度發(fā)生了改變，且采伐強(qiáng)度越大混交度越小。各樹(shù)種的最大混交度出現(xiàn)在弱度或中度采伐的林地中，甚至出現(xiàn)了完全混交的情況。中等干擾假說(shuō)認(rèn)為:當(dāng)干擾速率中等時(shí)，物種生存的機(jī)會(huì)最多，因此群落物種多樣性最高［3］，這一結(jié)果與其基本一致。說(shuō)明適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行人為的干擾，可以促進(jìn)林分結(jié)構(gòu)的調(diào)整，加速地帶性頂級(jí)植被的恢復(fù)進(jìn)程。

表3 樹(shù)種混交度均值

3.3 林分大小分化程度

根據(jù)大小比數(shù)的定義，胸徑大小比數(shù)越大表示相鄰木胸徑越大參照樹(shù)越不占優(yōu)勢(shì)。

由表4可知，各樣地的胸徑大小比數(shù)取值為0、0.25、0.5、0.75、1 的個(gè)體所占比例均接近 0.2，平均大小比數(shù)都接近于0.5，說(shuō)明樣地內(nèi)樹(shù)木在大小分化程度上均接近中庸?fàn)顟B(tài)，各樹(shù)種在樣地內(nèi)生長(zhǎng)良好。采伐時(shí)遵循“采壞留好，采老留壯，采大留小，采密留疏”的原則，勢(shì)必會(huì)對(duì)保留木及其最近相鄰木所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)單元的大小比數(shù)產(chǎn)生一定影響，但是從整體來(lái)看，采伐強(qiáng)度對(duì)林分分化程度的大小影響并不明顯。

表4 樣地的大小比數(shù)分布頻率及其均值

由表5可知，紅松和冷杉在樣地A、B中處于優(yōu)勢(shì)，在樣地C、D中處于劣勢(shì)。而在同地帶的原始闊葉紅松林中針葉樹(shù)種占有主導(dǎo)地位，隨著采伐強(qiáng)度的增大，強(qiáng)度和極強(qiáng)度采伐形成許多林窗，光照增加，不利于紅松和冷杉的生長(zhǎng)以及幼苗更新，導(dǎo)致紅松和冷杉的優(yōu)勢(shì)地位下降，處于劣勢(shì)。楓樺在樣地A、B中處于劣勢(shì)，在樣地C、D中處于優(yōu)勢(shì)。椴樹(shù)在樣地C中占有較大優(yōu)勢(shì)，在樣地A、B中為劣勢(shì)。楓樺和椴樹(shù)隨著采伐強(qiáng)度的增大優(yōu)勢(shì)地位得到提升。水曲柳在樣地A中處于中庸?fàn)顟B(tài)，在樣地C中為劣勢(shì)。色木在樣地B中處于優(yōu)勢(shì)，在其余樣地中趨向于中庸?fàn)顟B(tài)，在原始闊葉紅松林中始終處于劣勢(shì)，說(shuō)明色木在采伐干擾的影響下逐漸趨于平衡，與其它樹(shù)種互利共生。

表5 各樹(shù)種大小比數(shù)均值

綜合以上分析，不同采伐強(qiáng)度下4塊樣地的平均胸徑大小比數(shù)變化不大，紅松、冷杉、色木等主要樹(shù)種在樣地內(nèi)的優(yōu)勢(shì)程度發(fā)生變化，因此針對(duì)不同的目的樹(shù)種，應(yīng)根據(jù)樹(shù)種的生物學(xué)特性采取不同的經(jīng)營(yíng)方式［18］。

4 結(jié)論

綜合角尺度、混交度、大小比數(shù)3個(gè)指數(shù)，對(duì)采伐強(qiáng)度分別為13%、29%、52%、71%的4塊樣地的量化分析，結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)不同程度的采伐干擾后，帶嶺林區(qū)闊葉紅松林的林木分布格局都是以團(tuán)狀分布為主，采伐強(qiáng)度對(duì)林分水平分布格局的影響較小，弱度和中度采伐時(shí)，林分水平分布格局與未經(jīng)采伐干擾的對(duì)照樣地相似;隨著采伐強(qiáng)度的增加，樣地的平均混交度有下降的趨勢(shì)，各樹(shù)種的最大混交度出現(xiàn)在弱度或中度采伐的林地中，說(shuō)明適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行人為的干擾，可以促進(jìn)林分結(jié)構(gòu)的調(diào)整。樣地內(nèi)各樹(shù)木的大小分化程度均接近中庸?fàn)顟B(tài)，大小比數(shù)變化不大，隨著采伐強(qiáng)度的增加，不同樹(shù)種的競(jìng)爭(zhēng)勢(shì)態(tài)會(huì)發(fā)生不同變化，由優(yōu)勢(shì)變?yōu)榱觿?shì)或由劣勢(shì)變?yōu)閮?yōu)勢(shì)。

科學(xué)的森林經(jīng)營(yíng)應(yīng)建立在空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系基礎(chǔ)之上［19］。帶嶺林區(qū)闊葉紅松林為天然次生林，相對(duì)于頂級(jí)天然林，林分功能不強(qiáng)、穩(wěn)定性不高，但具有一定的代表性，經(jīng)營(yíng)紅松次生林，對(duì)恢復(fù)小興安嶺生態(tài)功能具有重大意義［20］。由研究可知帶嶺林業(yè)實(shí)驗(yàn)局東方紅林場(chǎng)闊葉紅松林在采伐經(jīng)營(yíng)時(shí)，弱度和中度采伐對(duì)林分空間結(jié)構(gòu)的影響較小，當(dāng)采伐強(qiáng)度增大時(shí)，雖然對(duì)林分總體的樹(shù)木分布、競(jìng)爭(zhēng)影響不大，但對(duì)不同樹(shù)種間的隔離程度及優(yōu)勢(shì)地位有很大影響。研究不同采伐強(qiáng)度下的闊葉紅松林的空間結(jié)構(gòu)可以為帶嶺林區(qū)闊葉紅松林的采伐經(jīng)營(yíng)提供數(shù)據(jù)。

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