撫育間伐強(qiáng)度對(duì)側(cè)柏林及林下植被生長(zhǎng)的影響1)

劉文　王敏增　蘭欣　溫靜　王奇峰

(北京市西山試驗(yàn)林場(chǎng)，北京，100093)

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撫育間伐強(qiáng)度對(duì)側(cè)柏林及林下植被生長(zhǎng)的影響1)

劉文王敏增蘭欣溫靜王奇峰

(北京市西山試驗(yàn)林場(chǎng)，北京，100093)

摘要以北京市西山試驗(yàn)林場(chǎng)干旱陽(yáng)坡側(cè)柏為研究對(duì)象，分析撫育間伐強(qiáng)度與側(cè)柏林生長(zhǎng)、天然落種更新、林下植被生長(zhǎng)及林下植物多樣性的變化特征，并對(duì)不同間伐強(qiáng)度進(jìn)行森林健康等級(jí)評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：撫育間伐對(duì)林木單株的直徑和高生長(zhǎng)具有顯著的促進(jìn)作用；天然更新的數(shù)量及其分布特征與撫育間伐強(qiáng)度關(guān)系較大，低強(qiáng)度間伐林分天然更新數(shù)量和種類較少，隨著間伐強(qiáng)度增大，更新數(shù)量和種類隨之增加，40%間伐強(qiáng)度為40%時(shí)，林內(nèi)中生樹(shù)種更新最多；撫育過(guò)程中林窗的分布情況是決定林下灌、草植物多樣性及其分布特征的主要因素；不同強(qiáng)度撫育后林下植物Simpson多樣性指數(shù)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)增大；從生產(chǎn)力、群落結(jié)構(gòu)功能、抵抗力(干擾)、效益等4個(gè)方面9個(gè)指標(biāo)對(duì)林分健康等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，間伐強(qiáng)度為40%時(shí)，林分達(dá)到健康水平。

關(guān)鍵詞側(cè)柏林；間伐強(qiáng)度；林木生長(zhǎng)；多樣性指數(shù)

撫育間伐是森林經(jīng)營(yíng)作業(yè)的一項(xiàng)重要措施[1]，從森林經(jīng)營(yíng)理論的發(fā)展歷史來(lái)看，撫育間伐的目標(biāo)從單純地以收獲木材為主發(fā)展到以實(shí)現(xiàn)森林的多效益、多目標(biāo)經(jīng)營(yíng)為主。然而這些理論的共同點(diǎn)是強(qiáng)調(diào)森林經(jīng)營(yíng)管理應(yīng)該將森林生態(tài)系統(tǒng)作為整體進(jìn)行考慮，并以長(zhǎng)期維持系統(tǒng)的穩(wěn)定性為前提[2]。國(guó)外對(duì)撫育間伐與森林生態(tài)系統(tǒng)的影響以及對(duì)林木材性的影響研究較多[3-5]，國(guó)內(nèi)的研究多集中在撫育間伐對(duì)林木個(gè)體生長(zhǎng)、森林結(jié)構(gòu)及碳儲(chǔ)量變化的影響方面[6-8]，對(duì)于撫育間伐后，林木生長(zhǎng)與林下植被生長(zhǎng)的關(guān)系研究較少。本文以西山林場(chǎng)主要優(yōu)勢(shì)樹(shù)種側(cè)柏(Platycladus orientalis)人工林為研究對(duì)象。從不同間伐強(qiáng)度下林木及林下植被生長(zhǎng)的差異化，探討撫育間伐對(duì)側(cè)柏林生長(zhǎng)的影響。通過(guò)研究撫育間伐與側(cè)柏林生長(zhǎng)及林下更新?tīng)顩r的關(guān)系，既解決了西山林場(chǎng)現(xiàn)有的側(cè)柏林撫育技術(shù)難題，也可為北京低山區(qū)的側(cè)柏林的科學(xué)經(jīng)營(yíng)和管理提供技術(shù)支持。

1研究區(qū)概況

西山試驗(yàn)林場(chǎng)位于北京市近郊小西山，地跨海淀、石景山、門(mén)頭溝3區(qū)，是以經(jīng)營(yíng)風(fēng)景林為主的城市景觀生態(tài)公益型國(guó)有林場(chǎng)，總面積為5 949 hm2，森林覆蓋率為92.22%。西山林區(qū)是距北京市區(qū)最近的山林，與香山公園、臥佛寺、碧云寺、八大處等名勝古跡相鄰，構(gòu)成著名的西山風(fēng)景旅游區(qū)。小西山屬太行山系的低海拔石質(zhì)山，山區(qū)海拔200～400 m，最高峰克勒峪海拔800 m，年降水量660 mm。小西山土層較薄，一般30～50 cm，土壤中石礫含量多，立地條件較差，不利于造林和樹(shù)木生長(zhǎng)。小西山有維管束植物90科286屬517種。樹(shù)種主要有側(cè)柏(Platycladus orientalis)、油松(Pinus tabulaeformis)、栓皮櫟(Quercus variabilis)、刺槐(Robinia pseudoacacia)、山桃(Amygdalus davidiana)、黃櫨(Cotinus coggygria Scop.)、桑樹(shù)(Morus alba)、山杏(Prunus armeniaca)、元寶楓(Acer truncatum)、槲櫟(Quercus aliena)、臭椿(Ailanthus altissima)、榆樹(shù)(Ulmus pumila)、白蠟(Fraxinus chinensis)、蒙桑(Moru smongolica)、欒樹(shù)(Koelreuteriapaniculata)等。

2研究方法

2.1樣地設(shè)置

選取具有代表性的低山陽(yáng)坡側(cè)柏林為研究對(duì)象，立地類型為低陽(yáng)薄堅(jiān)型，樣地海拔為200～400 m，樣地內(nèi)側(cè)柏為20世紀(jì)50年代的人工造林，林齡60 a，于20世紀(jì)80年代統(tǒng)一進(jìn)行過(guò)撫育間伐，樣地林分密度為2 400～2 650株/hm2。設(shè)置10塊固定樣地，對(duì)照樣地(A1、A2，間伐強(qiáng)度0%)、弱度(B1、B2，間伐強(qiáng)度10%)、中度(C1、C2，間伐強(qiáng)度25%)、強(qiáng)度(D1、D2，間伐強(qiáng)度40%)、重度(E1、E2，間伐強(qiáng)度55%)。為確保調(diào)查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每種強(qiáng)度間伐進(jìn)行3次重復(fù)處理。樣地規(guī)格均為20 m×20 m，撫育間伐時(shí)間為2010年9月，間伐前，對(duì)各樣地的林木進(jìn)行每木檢尺，3 a后對(duì)研究指標(biāo)進(jìn)行再次調(diào)查。

2.2調(diào)查計(jì)算

每木胸徑使用胸徑尺測(cè)量;樹(shù)高使用魚(yú)竿測(cè)量。

幼苗(直徑小于5 cm)更新調(diào)查：在樣地4角及中心共設(shè)置5個(gè)2 m×2 m的樣方，按照順時(shí)針對(duì)小樣方進(jìn)行編號(hào)和分別量測(cè)記錄。調(diào)查幼苗的種類、株數(shù)。

灌木調(diào)查：在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)均勻選取3個(gè)5 m×5 m的樣方，用測(cè)繩標(biāo)出界線。調(diào)查灌木的種類、蓋度、數(shù)量等。

草本調(diào)查：在灌木調(diào)查樣方中心取1 m×1 m小樣方進(jìn)行草本植物調(diào)查。調(diào)查草本的種類、蓋度等。

生物多樣性指標(biāo)：選用了Simpson多樣性指數(shù)(D)和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)2個(gè)指標(biāo)[9]。

2.3林分健康評(píng)價(jià)

采用Costanza的VOR模型為雛形，建立評(píng)價(jià)體系模型來(lái)進(jìn)行健康評(píng)價(jià)。從生產(chǎn)力、群落結(jié)構(gòu)、抵抗力(干擾)等方面挑選包括平均胸徑、郁閉度、喬木層密度、幼苗更新密度、灌木物種多樣性Simpson指數(shù)、草本物種多樣性Simpson指數(shù)、病蟲(chóng)危害比率、火險(xiǎn)等級(jí)、有機(jī)質(zhì)含量在內(nèi)的9個(gè)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)(見(jiàn)表1)。

表1　人工林健康指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

在調(diào)查、計(jì)算并且分級(jí)之后，采用加權(quán)累計(jì)法進(jìn)行評(píng)分[10]，對(duì)西山地區(qū)人工林健康狀況計(jì)算總分。Ui=∑(Uij×Wj)。式中:Ui為各樹(shù)種人工林健康的評(píng)價(jià)得分；Uij為各樹(shù)種人工林不同森林健康指標(biāo)的等級(jí)得分；Wj為j指標(biāo)的權(quán)重；i為各樹(shù)種；j(j=1、2、3、…、9)為人工林健康評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用評(píng)價(jià)指標(biāo)分值法，對(duì)需要進(jìn)行評(píng)價(jià)的林分以小班為單位，按評(píng)價(jià)指標(biāo)逐項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)分值，Ⅰ級(jí)3分、Ⅱ級(jí)2分、Ⅲ級(jí)1分，表1中9個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重相同，均為1/9。

根據(jù)以上評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系，結(jié)合復(fù)合結(jié)構(gòu)功能指標(biāo)法[11]，把森林健康的等級(jí)劃分為3個(gè)等級(jí)，將0≤Ui<1.8劃分為不健康等級(jí)、1.8≤Ui<2.4劃分為亞健康等級(jí)、2.4≤Ui≤3劃分為健康等級(jí)。

3結(jié)果與分析

3.1撫育間伐對(duì)側(cè)柏林生長(zhǎng)的影響

撫育間伐是調(diào)控林分密度的有效措施[12]。從圖1、圖2可知，不同撫育間伐強(qiáng)度對(duì)保留木胸徑、樹(shù)高的生長(zhǎng)有顯著影響。對(duì)低山陽(yáng)坡的側(cè)柏來(lái)說(shuō)，保留木平均胸徑生長(zhǎng)量與撫育間伐強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)；間伐強(qiáng)度越大，胸徑生長(zhǎng)量越大，間伐強(qiáng)度在0～40%時(shí)，隨間伐強(qiáng)度的增加，平均胸徑生長(zhǎng)量顯著增加；40%間伐強(qiáng)度處理時(shí)，平均胸徑生長(zhǎng)量為1.2 cm，而55%強(qiáng)度處理時(shí)，平均胸徑生長(zhǎng)量增加不顯著，說(shuō)明40%強(qiáng)度處理下，側(cè)柏林分株間競(jìng)爭(zhēng)已不明顯，其胸徑生長(zhǎng)也達(dá)極限。隨間伐強(qiáng)度的增加，保留木平均樹(shù)高生長(zhǎng)量呈現(xiàn)出先增降的變化趨勢(shì)，在10%間伐強(qiáng)度處理時(shí)，平均樹(shù)高生長(zhǎng)量最大，在25%、40%、55%間伐強(qiáng)度處理下，平均樹(shù)高生長(zhǎng)量逐漸降低，但和對(duì)照處理相比，仍有較大幅度的增加。這是由于西山林場(chǎng)現(xiàn)有側(cè)柏林仍處于中幼齡林階段，存在密度過(guò)大，樹(shù)木的生長(zhǎng)停滯等現(xiàn)象[13]，對(duì)其進(jìn)行10%間伐強(qiáng)度處理后，有效改善了林分光照環(huán)境，促進(jìn)了側(cè)柏的高生長(zhǎng)。間伐強(qiáng)度過(guò)大后，雖然林分光照環(huán)境有所改善，但與周?chē)帜静荒苄纬捎行Ц?jìng)爭(zhēng)，故高生長(zhǎng)也較為緩慢[14]。

圖1　撫育間伐對(duì)平均胸徑生長(zhǎng)量的影響

圖2　撫育間伐對(duì)平均樹(shù)高生長(zhǎng)量的影響

3.2撫育間伐對(duì)林下植被生長(zhǎng)的影響

3.2.1撫育間伐對(duì)林下天然更新的影響

由圖3可知，不同撫育間伐強(qiáng)度處理下，側(cè)柏人工林林下天然更新數(shù)量有較大變化，側(cè)柏林下天然更新樹(shù)種較多。依據(jù)樹(shù)木生長(zhǎng)特性，依據(jù)調(diào)查結(jié)果，將山桃、山杏、臭椿、桑樹(shù)歸為先鋒樹(shù)種，將元寶楓、君遷子(Diospyros lotus)、欒樹(shù)、栓皮櫟歸為鄉(xiāng)土耐蔭樹(shù)種。隨著間伐強(qiáng)度的增大，天然更新先鋒樹(shù)種數(shù)量隨之增多，間伐強(qiáng)度55%處理樣地中，先鋒樹(shù)種數(shù)量最多(24株)。在間伐強(qiáng)度40%的處理樣地中，鄉(xiāng)土耐蔭樹(shù)種數(shù)量最多(17株)；在間伐強(qiáng)度55%處理樣地中，鄉(xiāng)土耐蔭樹(shù)種卻相對(duì)減少(14株)。說(shuō)明隨著間伐強(qiáng)度增大，林內(nèi)光照空間的增多，先鋒樹(shù)種具有較強(qiáng)的生長(zhǎng)能力而迅速增多，林窗面積越大，先鋒樹(shù)種數(shù)量就越多，鄉(xiāng)土耐蔭樹(shù)種并沒(méi)有隨著林窗面積增大而一直增加。因?yàn)檫^(guò)大的林窗對(duì)鄉(xiāng)土耐蔭樹(shù)種不能形成有效的庇蔭，反而使陽(yáng)性先鋒樹(shù)種占據(jù)絕大生長(zhǎng)空間。在撫育間伐中，為使天然更新的鄉(xiāng)土耐蔭樹(shù)種更好生長(zhǎng)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拈g伐強(qiáng)度，既讓鄉(xiāng)土耐蔭樹(shù)種得到充足的光照，又不讓先鋒樹(shù)種迅速擴(kuò)散而影響其生長(zhǎng)。當(dāng)然，對(duì)鄉(xiāng)土耐蔭樹(shù)種更新來(lái)說(shuō)，最佳的撫育間伐強(qiáng)度還需要我們進(jìn)一步研究確定。

圖3　撫育間伐對(duì)天然更新種數(shù)量的影響

3.2.2撫育間伐對(duì)林下植物種類的影響

林下天然更新樹(shù)種與林內(nèi)光照條件有密切關(guān)系[15]。由表2可知，山桃、山杏、君遷子、元寶楓、栓皮櫟等樹(shù)種數(shù)量隨著間伐強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，山桃、君遷子、元寶楓、栓皮櫟等均在40%間伐強(qiáng)度下數(shù)量最多(分別為12、8、8、14株)，山杏數(shù)量在25%間伐強(qiáng)度下數(shù)量最多(13株)。臭椿、桑樹(shù)、欒樹(shù)等數(shù)量則隨著撫育間伐強(qiáng)度增大而增多。這說(shuō)明撫育間伐確實(shí)能明顯增加林內(nèi)天然更新數(shù)量，而40%間伐強(qiáng)度下，林內(nèi)環(huán)境最適宜鄉(xiāng)土耐蔭樹(shù)種栓皮櫟和元寶楓的生長(zhǎng)，欒樹(shù)則在55%間伐強(qiáng)度下數(shù)量最多(9株)，這和欒樹(shù)喜歡光照，對(duì)生長(zhǎng)空間要求較高的特性有關(guān)。山杏數(shù)量在40%、55%的間伐強(qiáng)度下反而減少，或與調(diào)查樣地周邊山杏種源分布有關(guān)。分類統(tǒng)計(jì)表明，先鋒種數(shù)量隨著光照空間的增加直線增加，而鄉(xiāng)土耐蔭樹(shù)種樹(shù)種則在撫育間伐強(qiáng)度40%處理下數(shù)量最多，過(guò)多的光照反而對(duì)鄉(xiāng)土耐蔭樹(shù)種的更新有抑制作用，這與鄉(xiāng)土耐蔭樹(shù)種幼年喜歡庇蔭環(huán)境的特性有關(guān)。

3.2.3撫育間伐對(duì)林下植被生長(zhǎng)的影響

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，低山陽(yáng)坡側(cè)柏林下灌木優(yōu)勢(shì)種以馬鞭草科-荊條為主，草本層以莎草科-披針葉苔草、禾本科-中華隱子草等為主，這些植物的生長(zhǎng)也反應(yīng)出西山林場(chǎng)土壤貧瘠的特性。由表3可知，草本和灌木均勻度指數(shù)均呈現(xiàn)出先升降的規(guī)律，40%間伐強(qiáng)度處理下，勻度指數(shù)最大，草本均勻度指數(shù)為0.258，灌木均勻度指數(shù)為0.534；55%間伐強(qiáng)度處理下，勻度指數(shù)略有下降，草本和灌木均勻度指數(shù)分別為0.246、0.453。但相比對(duì)照而言，勻度指數(shù)還是有較大的增長(zhǎng)幅度，說(shuō)明撫育間伐增加了林窗面積，從而促進(jìn)了林下草本、灌木植物的不均勻分布。Shannon-wiener指數(shù)則隨著間伐強(qiáng)度的增大直線增加，55%強(qiáng)度處理時(shí)，該指數(shù)達(dá)到最大值(草本和灌木分別為1.936和9.82)，說(shuō)明撫育間伐措施不僅增加了喬木層的生長(zhǎng)，同時(shí)也促進(jìn)了林下植被的生長(zhǎng)更新。

表2　撫育間伐對(duì)林下更新種分布的影響

間伐強(qiáng)度較小時(shí)，林分郁閉速度快，林內(nèi)光照相對(duì)較弱[16]，光照不足必然會(huì)阻滯林下植物的生長(zhǎng)發(fā)育。此時(shí)，開(kāi)展適度合理的撫育間伐作業(yè)，能改善林內(nèi)的生境條件，促進(jìn)林下植物的生長(zhǎng)和繁衍。

表3　間伐強(qiáng)度對(duì)林下植物多樣性的影響

3.3撫育間伐對(duì)側(cè)柏林健康等級(jí)的影響

采取撫育間伐后，側(cè)柏林森林健康等級(jí)有了較明顯的改善。對(duì)照樣地和撫育間伐強(qiáng)度為10%的樣地健康評(píng)為1.3分，仍處于不健康水平，撫育間伐強(qiáng)度為25%、55%處理樣地，健康評(píng)分分別為1.9、2.3，林分整體達(dá)到亞健康水平，而40%強(qiáng)度處理下，側(cè)柏林分得分2.5，達(dá)到了健康水平。由此表明，撫育間伐是改善林分狀況高效而有力的方法。所以，應(yīng)該通過(guò)林場(chǎng)主導(dǎo)功能定位及森林培育方向，有針對(duì)性地確定側(cè)柏林分適當(dāng)?shù)膿嵊g伐強(qiáng)度，40%間伐強(qiáng)度處理對(duì)側(cè)柏林分整體狀況均有很大的改觀，是可以試驗(yàn)推廣的理想間伐強(qiáng)度。

4結(jié)論

通過(guò)分析不同撫育間伐強(qiáng)度后側(cè)柏林木生長(zhǎng)和林下更新種類、數(shù)量變化情況可以得出以下結(jié)論：

西山林場(chǎng)現(xiàn)有大面積側(cè)柏林健康水平為不健康。普遍存在長(zhǎng)勢(shì)弱、密度偏大、林種單一、林下更新種類和數(shù)量少等問(wèn)題。開(kāi)展撫育間伐能有效促進(jìn)林木生長(zhǎng)，增加林下生物多樣性，尤其有利于鄉(xiāng)土闊葉樹(shù)種的更新生長(zhǎng)，對(duì)維持側(cè)柏林分生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和森林健康水平有積極的作用。

定量地確定側(cè)柏林的撫育間伐強(qiáng)度，要結(jié)合林分培育目標(biāo)進(jìn)行。以側(cè)柏林木個(gè)體高生長(zhǎng)為目標(biāo)時(shí)，要采取低強(qiáng)度撫育間伐；以改善林分結(jié)構(gòu)為目的時(shí)，要采取較大強(qiáng)度的撫育間伐。但是，過(guò)大強(qiáng)度的撫育間伐反而會(huì)引起林分逆向演替，具體表現(xiàn)為先鋒樹(shù)種、灌木草本生長(zhǎng)旺盛，但更新種類減少，多樣性水平下降。

撫育間伐強(qiáng)度與林下天然更新種的數(shù)量及其分布有密切關(guān)系。低間伐強(qiáng)度下，天然更新種類和數(shù)量較少；40%強(qiáng)度間伐時(shí)，林內(nèi)天然更新?tīng)顩r良好，且鄉(xiāng)土耐蔭樹(shù)種占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但過(guò)大的間伐強(qiáng)度導(dǎo)致先鋒樹(shù)種泛濫，反而影響了鄉(xiāng)土耐蔭樹(shù)種的生長(zhǎng)。

對(duì)林分進(jìn)行適度的撫育，能夠改善林內(nèi)的生境條件，促進(jìn)林下植物的生長(zhǎng)和繁衍。撫育過(guò)程中，林窗的分布情況是決定林下灌、草植物多樣性及其分布特征的主要因素，林窗面積越大，林下植被生長(zhǎng)越旺盛，但植被均勻度越差。

此外，在培育側(cè)柏林的過(guò)程中，需要充分考慮林分生態(tài)、景觀等綜合效益的發(fā)揮。由于樣地設(shè)置時(shí)間仍然較短，本文調(diào)查的各項(xiàng)指標(biāo)還需進(jìn)一步跟蹤研究。

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第一作者簡(jiǎn)介：劉文，女，1982年6月生，北京市西山試驗(yàn)林場(chǎng)，工程師。E-mail：shading9316@qq.com。 通信作者：王奇峰，北京市西山試驗(yàn)林場(chǎng)，高級(jí)工程師。E-mail：wqifg@163.com。

收稿日期：2015年12月14日。

分類號(hào)S718.5

Effects of Thinning Intensity on the Growth of Platycladus orientalis and Understory Vegetation//

Liu Wen, Wang Minzeng, Lan Xin, Wen Jing, Wang Qifeng(Beijing Xishan Experimental Forest Farm, Beijing 100093, P.R.China)//

Journal of Northeast Forestry University，2016,44(7)：4-7,18.

Taking Platycladus orientalis on arid sunny mountain slopes of Beijing xishan experimental forest farm as object of study, we studied the effect of tending thinning intensity on Platycladus orientalis forest growth, nature falling seed regeneration, undergrowth vegetation growth and change characteristics of plant diversity, and evaluated the different thinning intensity on forest health level.The tending thinning played a significant promoting role on the diameter and height of single tree.There is close connection between the quantity and distribution characteristics of natural regeneration and tending thinning intensity.Low intensity thinning forest stand leads to less natural regeneration and variety, with the increase of thinning intensity, the number and variety of natural regeneration increase accordingly.When thinning intensity reaches 40%, shade-tolerance tree species in forest area regenerate the greatest.The distribution of forest gap during tending process decides the diversity and distribution of undergrowth forests and grass plant.Under different intensities of tending, undergrowth Simpson and Shannon Wiener diversity index are increased.We evaluated forest health level based on productivity, community structure features, resistance (interference), benefits and nine indexes, and 40% thinning intensity can achieve healthy forest stand.

KeywordsPlatycladus orientalis; Thinning intensity; Tree growth; Diversity index

1)北京市森林資源固定樣地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

責(zé)任編輯：王廣建。