撫育間伐對黃龍山遼東櫟林分質(zhì)量的影響

于世川，張建國，葉權(quán)平，張文輝*

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 陜西省林業(yè)綜合實驗室，陜西 楊陵 712100；2.陜西省延安市黃龍山林業(yè)局，陜西 黃龍 715700)

遼東櫟(Quercuswutaishanica)為殼斗科(Fagaceae)櫟屬(Quercus)植物，作為暖溫帶落葉闊葉林地帶性植被類型的主要樹種，對暖溫帶落葉闊葉林的外貌、結(jié)構(gòu)和動態(tài),甚至種類組成都有重要作用。關(guān)于遼東櫟撫育間伐主要集中在群落穩(wěn)定性、林木更新、種群結(jié)構(gòu)等某一方面的研究，但是缺乏對林分質(zhì)量進(jìn)行綜合評價。在黃龍山林區(qū)，遼東櫟是主要的建群種之一，形成遼東櫟純林和以遼東櫟為優(yōu)勢種的落葉闊葉混交林，在涵養(yǎng)水源、水土保持、改善生態(tài)環(huán)境、天然林持續(xù)發(fā)育及維持生物多樣性發(fā)揮著重要的作用[1]。同時，遼東櫟也為當(dāng)?shù)靥峁┠静?，作為培養(yǎng)食用菌的主要原料，種子中淀粉可以釀酒 ，葉子可以養(yǎng)蠶，具有重要經(jīng)濟(jì)價值[2]。

撫育間伐作為森林經(jīng)營重要措施，對于改善林分衛(wèi)生狀況，促進(jìn)林木生長，建立適宜的林分結(jié)構(gòu)，提升林分質(zhì)量有重要意義。林分質(zhì)量是林分發(fā)揮生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的綜合體現(xiàn)。經(jīng)營多功能森林是現(xiàn)代林業(yè)發(fā)展的需求，對林分質(zhì)量綜合評價可以有效反映多功能森林經(jīng)營的成果。國內(nèi)外對林分質(zhì)量的評價選取的指標(biāo)因林分功能發(fā)生相應(yīng)變化[3-5]，但可以概括為林分穩(wěn)定性[6-8]、林分結(jié)構(gòu)[9-11]、林分生產(chǎn)力[11-12]、優(yōu)勢樹種價值[13-14]、立地質(zhì)量[15-16]、更新演替潛力[17-20]等，但是研究間伐對遼東櫟林分質(zhì)量的影響尚未見報道。本研究是在黃龍山林區(qū)間伐10 a后，綜合考慮林分持續(xù)發(fā)育和生態(tài)防護(hù)功能的基礎(chǔ)上，提升林產(chǎn)品數(shù)量與質(zhì)量，選擇發(fā)育潛力、生長量和持水能力3方面來研究不同間伐強(qiáng)度即輕度(保留郁閉度0.8)、中度(保留郁閉度0.7)、重度(保留郁閉度0.6)與對照(郁閉度0.9)下對遼東櫟林分質(zhì)量的影響并進(jìn)行綜合評價，探討遼東櫟林分質(zhì)量在不同間伐強(qiáng)度下的差異，為黃土高原地區(qū)森林經(jīng)營提供依據(jù)，為林分質(zhì)量評價體系的構(gòu)建提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域選擇在延安市黃龍山林業(yè)局蔡家川林場，地理位置109°38′49″-110°12′47″E，35°28′46″-36°02′01″N，海拔 962.6～1 783.5 m，屬暖溫帶半濕潤與半干旱氣候的過渡地帶，年均氣溫8.6℃ ，最高氣溫36.7℃ ，最低氣溫-22.5℃，無霜期 126～186 d，年均降水量611.8 mm。該林區(qū)屬暖溫帶落葉闊葉林，以遼東櫟(Q.wutaishanica)、油 松 (Pinustabulaeformis) 、白樺 (Betulaplatyphylla)為建群種形成的純林或者混交林呈鑲嵌性分布，并伴有茶條槭 (Acerginnala)、山楊 (Populusdavidiana)、漆(Toxicodendronvernicifluum)、鵝耳櫪(Carpinusturczaninowii)、紅麩楊(Rhuspunjabensis)等伴生樹種，灌木主要有金銀忍冬(Loniceramaackii)、土莊繡線菊 (Spiraeapubescens)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、胡枝子(Lespedezabicolor)、陜西莢蒾(Viburnumschensianum)、南蛇藤(Celastrusorbiculatus)、灰栒子(Cotoneasteracutifolius)、剛毛忍冬(Lonicerahispida)、黃刺玫(Rosahugonis)、胡頹子(Elaeagnuspungens)、杠柳(Periplocasepium)、衛(wèi)矛(Euonymusalatus)等；草本層主要有大披針薹草(Carexlanceolata)、白茅(Imperatacylindrica)、茜草(Rubiacordifolia)、披堿草(Elymusdahuricus)、黃精(Polygonatumsibiricum)、敗醬(Patriniascabiosifolia)、山羅花(Melampyrumroseum)等[1，21-22]。

該地區(qū)遼東櫟為天然次生林，撫育以前，林分表現(xiàn)為純林多、密度大、生長不良，劣質(zhì)木、病蟲木比例增大，由于林木競爭作用、自然稀疏，使林分基本維持郁閉度0.9左右。2004 年實施采伐作業(yè)，以近自然森林經(jīng)營理念為指導(dǎo)，將林內(nèi)樹木分為目標(biāo)樹、特別目標(biāo)樹、干擾樹和一般林木，通過標(biāo)記目標(biāo)樹，對目標(biāo)樹單株木撫育管理，擇伐干擾樹，保護(hù)特別目標(biāo)樹與目標(biāo)樹，使林木分布均勻，調(diào)整林分結(jié)構(gòu)更為合理，提升林分質(zhì)量。為了比較間伐強(qiáng)度對林分質(zhì)量的影響，本研究在陰陽坡分別采取了3種間伐強(qiáng)度，包括重度(保留郁閉度0.6)、中度(保留郁閉度0.7)、輕度(保留郁閉度0.8)撫育間伐與對照(郁閉度0.9)。為了保留郁閉度不變，每隔3 a進(jìn)行1次撫育間伐，共撫育間伐3次。本研究結(jié)果所利用的數(shù)據(jù)，是2004年16個固定樣地間伐后的調(diào)查數(shù)據(jù)(與本研究相關(guān)數(shù)據(jù)未發(fā)表)和2014年對樣地監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查 2004年對遼東櫟林充分踏查，在蔡家川林場143林班，通過典型取樣，共設(shè)置20 m×20 m樣地16個，每個郁閉度各設(shè)置4個樣地(陰坡、陽坡各2個)。每塊樣地的4個角與中央設(shè)置5個5 m×5 m灌木(幼苗幼樹)樣方，在每個灌木(幼苗幼樹)樣方左下角設(shè)置1 m×1 m草本樣方。遼東櫟調(diào)查樣地基本特征見表1。

表1 2004年遼東櫟調(diào)查樣地間伐前基本特征Table 1 Stand characteristics of Q.wutaishanica forest in 2004 before thinning

2014年對樣地喬木進(jìn)行每木檢尺，記錄喬木樹高、胸徑、冠幅、數(shù)量、頻度，計算喬木蓄積量、建群種重要值；灌木、草本調(diào)查蓋度、多度、頻度、基徑、平均高、平均冠幅等；幼苗幼樹(胸徑DBH<4 cm)，記錄株數(shù)和高度，樣地內(nèi)的數(shù)值由小樣方換算而來。

在灌木樣方中，按灌木種類選取生長勢處于平均水平的個體作為標(biāo)準(zhǔn)木，分別將不同種類的標(biāo)準(zhǔn)灌木連根挖出，將完整的植株分成根、主干、側(cè)枝和葉4個部分，分別稱取各部分的鮮質(zhì)量。另外，在草本樣方中，按草本種類將草本連根挖出，分地上、地下部分稱鮮質(zhì)量。在實驗室 80 ℃ 條件下，將灌木和草本樣品烘干至恒重，稱干重[4,23]。在各樣地右上、中間和左下選擇3個具有代表性的1 m×1 m樣方，測量枯落物厚度、腐殖質(zhì)厚度。

1.2.2 建立林分質(zhì)量評價體系 基于遼東櫟在黃土高原地區(qū)發(fā)揮的作用，選取具有代表性12個指標(biāo)反應(yīng)林分質(zhì)量，利用層次分析法的基本原理，將遼東櫟林分質(zhì)量評價體系分為有隸屬關(guān)系的3層遞階層次結(jié)構(gòu)，分別為：

最高層：表示解決問題的目的，即AHP所要達(dá)到的目標(biāo)——林分質(zhì)量最好[24]。

中間層：包括了為實現(xiàn)目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié),它可由若干個層次組成,本研究分為2個層次，準(zhǔn)則層A為發(fā)育潛力、生長量、持水能力，準(zhǔn)則層B為幼苗幼樹密度、建群種幼苗幼樹數(shù)量/建群種數(shù)量、物種豐富度、建群種重要值、樹高平均生長量、胸徑平均生長量、喬木蓄積量、灌草生物量、灌木蓋度、草本蓋度、枯落物厚度、腐殖質(zhì)厚度。

最低層：表示為實現(xiàn)目標(biāo)可供選擇的各種措施、決策、方案等,因此又稱為措施層或方案層，即重度間伐、中度間伐、輕度間伐、對照[24]。

1.2.3 構(gòu)建判斷矩陣 請專家根據(jù)遼東櫟林功能特點與實踐經(jīng)驗對各元素評價，將同一層次中兩兩元素間相對重要性給出一定尺度判斷,按照2元素A與B同等重要、A比B稍重要、A比B重要、A比B明顯重要和A比B極端重要分別以 1、3、5、7、9作為標(biāo)度，并以2、4、6、8表示相鄰判斷的中間值，用這些值的倒數(shù)表示2個元素的反比較構(gòu)建判斷矩陣[4，23，25]。

1.2.4 一致性檢驗

BW=λmaxW

(1)

式中,λmax是矩陣B的最大特征根,W是相應(yīng)的特征向量,W的分量即是相應(yīng)元素單排序的權(quán)值[23]。

CI=(λmax-n)-(n-1)

(2)

式中，CI為一致性指標(biāo)，n為矩陣階數(shù)[23]。

CR=CI/RI

(3)

式中，CR為判斷矩陣隨機(jī)一致性比率，RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，RI值可查表(表2)[24]。

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 2 Average consistency index

當(dāng)CR<0.1時,認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，即計算得出的權(quán)重值可靠。否則,說明構(gòu)建的判斷矩陣不合理,必須重新調(diào)整判斷矩陣,直至滿足一致性[24]。

1.2.5 林木質(zhì)量綜合評價

(4)

式中，Ai為第i種間伐強(qiáng)度的林分質(zhì)量綜合評價得分，Xij為第i種間伐強(qiáng)度第j個指標(biāo)所對應(yīng)得分，Wj為第j個指標(biāo)的權(quán)重[22]。

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 按照林分質(zhì)量調(diào)查的指標(biāo)，將同一間伐強(qiáng)度(同一郁閉度)樣地數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，取平均值，用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理和計算平均值，利用SPSS20.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，用最小顯著法(LSD)結(jié)合Duncan檢驗比較參數(shù)間差異性(α=0.05)。采用origin 9.0軟件進(jìn)行圖表繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 構(gòu)建指標(biāo)的判斷矩陣并進(jìn)行一致性檢驗

林分質(zhì)量評價判斷矩陣、貢獻(xiàn)率和CR值見表3，可以看出準(zhǔn)則層A各指標(biāo)權(quán)重為：發(fā)育潛力(0.691)>持水能力(0.218)>生長量(0.091)，發(fā)育潛力是林分能夠持續(xù)生存的前提，對遼東櫟林分質(zhì)量影響最大；持水能力對遼東櫟林分質(zhì)量有一定影響，生長量對遼東櫟林分質(zhì)量影響較小，這符合林分在黃土高原地區(qū)是以發(fā)揮生態(tài)功能的基礎(chǔ)上提高林產(chǎn)品的特性。發(fā)育潛力、生長量和持水能力的判斷矩陣、貢獻(xiàn)率和CR值見表4～表6，各判斷矩陣隨機(jī)一致性比率CR值分別為0.051 6、0.029 9、0.005 4、0.028 7，均<0.1，說明各判斷矩陣具有滿意的一致性，可以用于權(quán)重計算。

表3 林分質(zhì)量評價判斷矩陣Table 3 Determining matrix of forest stand quality evaluation

2.2 評價指標(biāo)權(quán)重

用高斯迭代法求解各層次上評價指標(biāo)判斷矩陣的最大特征根及其對應(yīng)的特征向量，得到林分質(zhì)量評價指標(biāo)權(quán)重見表7?？梢钥闯鰷?zhǔn)則層B各指標(biāo)權(quán)重為：建群種幼苗幼樹數(shù)量/喬木數(shù)量(0.389 6)>物種豐富度(0.182)>腐殖質(zhì)厚度(0.111 7)>幼苗幼樹密度(0.081 4)>枯落物厚度(0.072 3)>喬木蓄積量(0.044 2)>建群種重要值(0.038)>灌草生物量(0.024 8)>灌木蓋度(0.023 3)>胸徑平均生長量(0.014 3)>草本蓋度(0.010 4)>樹高平均生長量(0.008 1)，建群種幼苗幼樹數(shù)量/喬木數(shù)量、物種豐富度、腐殖質(zhì)厚度對林分質(zhì)量影響較大，幼苗幼樹密度、枯落物厚度、喬木蓄積量、建群種重要值、灌草生物量、灌木蓋度、對林分質(zhì)量影響一般，胸徑平均生長量、草本蓋度、樹高平均生長量、對林分質(zhì)量影響較小。

表4 發(fā)育潛力指標(biāo)判斷矩陣Table 4 Determining matrix of developmental competence

2.3 評價指標(biāo)分級和林木形質(zhì)等級

圖1為對評價林分質(zhì)量的12個指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析，可以看出無論陰坡還是陽坡，胸徑平均生長量隨著間伐強(qiáng)度增大而增大，但受間伐強(qiáng)度影響不顯著；其余11個指標(biāo)在陰陽坡中均表現(xiàn)為受間伐強(qiáng)度影響顯著。在陽坡，灌木蓋度、草本蓋度在重度間伐時最大，分別為0.37±0.023 8、0.75±0.020 41；建群種幼苗幼樹數(shù)量/建群種數(shù)量、建群種重要值、灌木蓋度、草本蓋度與對照相比隨著間伐強(qiáng)度增大而增大；喬木蓄積量、枯落物厚度與對照相比隨著間伐強(qiáng)度增大而減??；幼苗幼樹密度、物種豐富度、樹高平均生長量、灌草生物量、腐殖質(zhì)厚度與對照相比隨著間伐強(qiáng)度增大先增加后減小，中度間伐時最大，分別為5 198.25±36.851 9株·hm-2、17.5±0.288 68 cm、29.3±2.146 cm、1.62±0.031 89 t·hm-2、2.5±0.081 65 cm。在陰坡，幼苗幼樹密度在中度間伐時最大，為1 839.25±18.309 26株·hm-2；重度間伐次之，為1 402.25±24.760 1株·hm-2；建群種幼苗幼樹數(shù)量/建群種數(shù)量只有在中度間伐時增加；物種豐富度、樹高平均生長量、灌木蓋度、草本蓋度與對照相比隨著間伐強(qiáng)度增大而增大；喬木蓄積量與對照相比隨著間伐強(qiáng)度增大而減?。豢萋湮锖穸认啾扔趯φ站鶞p少，中度間伐比輕度間伐、重度間伐大；建群種重要值、灌草生物量、腐殖質(zhì)厚度與對照相比隨著間伐強(qiáng)度增大先增加再減小，中度間伐時最大。

表5 生長量指標(biāo)判斷矩陣Table 5 Determining matrix of growth

表6 持水能力指標(biāo)判斷矩陣Table 6 Determining matrix of water-holding capacity

表7 評價指標(biāo)權(quán)重Table 7 Relative weight of evaluating indicators

結(jié)合單因素方差分析結(jié)果與12個指標(biāo)具體數(shù)值波動范圍，將各指標(biāo)劃分5個區(qū)間，表示5個質(zhì)量等級，分別按照各林分質(zhì)量指標(biāo)所表達(dá)的生物學(xué)意義，按百分制給質(zhì)量等級賦值．質(zhì)量等級依次用好、較好、中、較差、差表示，對應(yīng)的得分值依次為100、80、60、40和20(表8)。

依據(jù)表8對遼東櫟林分質(zhì)量綜合得分計算并劃分等級(表9)，≥90分，林木形質(zhì)好，記為Ⅰ級；80～90分，林分質(zhì)量較好，記為Ⅱ級；70～80分，林分質(zhì)量中等，記為Ⅲ級，60～70分，林分質(zhì)量較差，記為Ⅳ級；<60分，林分質(zhì)量差，記為Ⅴ級。在陽坡，中度間伐遼東櫟林分質(zhì)量較好，綜合得分達(dá)83.502分，重度間伐遼東櫟林分質(zhì)量中等，輕度間伐和對照遼東櫟林分質(zhì)量差；在陰坡，中度間伐遼東櫟林分質(zhì)量好，綜合得分達(dá)91.660分，重度間伐、輕度間伐遼東櫟林分質(zhì)量較差，對照的遼東櫟林分質(zhì)量差。無論陽坡還是陰坡，與對照相比，隨著間伐強(qiáng)度增加，遼東櫟林分質(zhì)量先增加后減少，中度間伐是其最佳間伐強(qiáng)度。

3 結(jié)論與討論

林分質(zhì)量評價是對森林資源保護(hù)與可持續(xù)利用的基礎(chǔ)，建立一套科學(xué)的林分質(zhì)量評價體系可以為科學(xué)制定森林保護(hù)對策提供依據(jù)，對提高森林可持續(xù)經(jīng)營水平和環(huán)境管理水平具有重要的指導(dǎo)作用[26]。林分質(zhì)量是一個綜合性指標(biāo)，對其評價應(yīng)該考慮綜合性和代表性，目前對林分質(zhì)量的評價指標(biāo)的選擇沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各指標(biāo)占有的權(quán)重也沒有統(tǒng)一規(guī)定，本研究結(jié)合遼東櫟林分在黃土高原地區(qū)的功能特點，選取代表性指標(biāo)12個，可以較全面地反映遼東櫟林發(fā)育潛力、生長量、持水能力，對間伐10 a后黃龍山遼東櫟林分質(zhì)量進(jìn)行綜合評價，得出無論在陽坡還是陰坡，中度間伐(保留郁閉度0.7)下遼東櫟林分質(zhì)量評價得分最高，說明中度間伐(保留郁閉度0.7)可以有效提高遼東櫟林分質(zhì)量，可以為黃土高原地區(qū)森林經(jīng)營提供借鑒。

圖1 不同間伐強(qiáng)度與對照下遼東櫟林分質(zhì)量評價指標(biāo)的情況Fig.1 Situation of Q.wutaishanica forest stand quality evaluation index with different thinning intensities and control plots

在陽坡，由于撫育間伐改善林內(nèi)結(jié)構(gòu)，提高林內(nèi)生境條件[27-28]，在郁閉度0.7生境中，更適合幼苗幼樹更新生長，利于喬木、灌木、草本的生長，適合植物遷移定居，利于枯落物分解和腐殖質(zhì)積累，因此幼苗幼樹密度、物種豐富度、樹高平均生長量、灌草生物量、腐殖質(zhì)在中度間伐(保留郁閉度0.7)下表現(xiàn)最好；隨著間伐強(qiáng)度的增大，去劣留優(yōu)，遼東櫟胸徑平均生長量增加，林內(nèi)保留的建群種具有優(yōu)質(zhì)的遺傳資源比例增加，建群種幼苗幼樹存活量增加，同時，光照強(qiáng)度隨著間伐強(qiáng)度增加而增大，林下喜光的灌木與草本會擴(kuò)大分布范圍，因此在郁閉度0.6時建群種幼苗幼樹/建群種數(shù)量、建群種重要值、胸徑平均生長量、灌木蓋度、草本蓋度在重度間伐(保留郁閉度0.6)下表現(xiàn)最好；由于間伐除去部分林木，導(dǎo)致喬木蓄積量和枯落物厚度相對于對照減少，因此喬木蓄積量、枯落物厚度在對照(郁閉度0.9)下表現(xiàn)最好。

表8 林分質(zhì)量評價指標(biāo)等級及評分標(biāo)準(zhǔn)Table 8 Criteria and indicator interval partition，quality class and scores for forest stand quality evaluation

續(xù)表8

準(zhǔn)則層A準(zhǔn)則層B區(qū)間劃分陽坡陰坡質(zhì)量狀況得分枯落物厚度/cm[0,3.6)[0,3.7)差20[3.6,4.0)[3.7,4.2)較差40[4.0,4.4)[4.2,4.7)中60[4.4,4.8)[4.7,5.2)較好80[4.8,∞)[5.2,∞)好100腐殖質(zhì)厚度/cm[0,1.2)[0,1.5)差20[1.2,1.8)[1.5,2)較差40[1.8,2.4)[2,2.5)中60[2.4,3)[2.5,3)較好80[3,∞)[3,∞)好100

表9 林分質(zhì)量綜合得分及林分質(zhì)量等級Table 9 Forest stand quality synthetic value and quality grade

在陰坡，撫育間伐增加林內(nèi)光照強(qiáng)度，在郁閉度0.7生境中，適宜的光照條件更利于幼苗幼樹更新生長、灌木草本生長、枯落物分解和有機(jī)質(zhì)積累，因此幼苗幼樹密度、建群種幼苗幼樹/建群種數(shù)量、建群種重要值、灌草生物量、腐殖質(zhì)在中度間伐(保留郁閉度0.7)下表現(xiàn)最好[27-28]；陰坡林下植被主要是耐陰植物，隨著間伐強(qiáng)度增加，林內(nèi)光照增強(qiáng)，利于樹高、胸徑、灌草的生長，因此物種豐富度、樹高平均生長量、胸徑平均生長量、灌木蓋度、草本蓋度在重度間伐(保留郁閉度0.6)下表現(xiàn)最好；由于間伐除去部分林木，導(dǎo)致喬木蓄積量和枯落物厚度相對于對照減少，喬木蓄積量、枯落物厚度在對照(郁閉度0.9)下表現(xiàn)最好。

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