華北落葉松人工林目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)效果研究

李艷茹，周慶營(yíng)，肖永青，李利新，谷建才，陸貴巧

(1河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河北 保定 071000；2河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)，河北 承德 068450；3河北省林業(yè)和草原局，河北 石家莊 050000；4常德市園林局，湖南 常德 415000)

目標(biāo)樹(shù)是長(zhǎng)期保留、完成天然下種更新并達(dá)到目標(biāo)直徑后才采伐利用的林木，目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)是通過(guò)伐除對(duì)目標(biāo)樹(shù)有影響的干擾樹(shù)，降低林木冠層競(jìng)爭(zhēng)，給目標(biāo)樹(shù)充分的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)空間，從而提高林木單株質(zhì)量的經(jīng)營(yíng)技術(shù)，是一種特殊的撫育間伐方式[1-2]。林木間伐后會(huì)對(duì)林分結(jié)構(gòu)、林下植物生長(zhǎng)產(chǎn)生影響[3,4]。林分結(jié)構(gòu)和植物多樣性是衡量森林群落功能復(fù)雜性和穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，是研究森林經(jīng)營(yíng)學(xué)的重要基礎(chǔ)[5]。針對(duì)目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)林木生長(zhǎng)及林下植物多樣性進(jìn)行了一些研究，劉泰瑞等研究了華北落葉松天然林目標(biāo)樹(shù)間伐釋壓與胸徑生長(zhǎng)關(guān)系，呂倩等研究了目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)初期柏木和馬尾松人工林對(duì)植物多樣性的影響[6-8]。

華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)是我國(guó)華北地區(qū)重要用材林、公益林樹(shù)種之一，對(duì)木材生產(chǎn)、構(gòu)建區(qū)域尺度的景觀多樣性、保持水土和維持森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性等方面發(fā)揮著重要作用[9]。該地區(qū)森林生態(tài)功能穩(wěn)定性較差、林下植物多樣性較低，林分生產(chǎn)力水平較低[10]。基于此，以河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)山灣子分場(chǎng)華北落葉松人工林為研究對(duì)象，采用5株、8株目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)方式和對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比分析，研究目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)5年后，不同株數(shù)目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)林分生長(zhǎng)及林下植物多樣性的影響，以期為更加合理的開(kāi)展森林經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，提高森林系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)也能為華北落葉松人工林目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)措施的選擇與研究提供理論指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)山灣子分場(chǎng)，東接內(nèi)蒙古赤峰市松山區(qū)，西與塞罕壩機(jī)械林場(chǎng)毗鄰，南與八英莊分場(chǎng)接壤，北與內(nèi)蒙古克什克騰旗相連，地勢(shì)西北高，東南低，海拔在 950～1 940 m，年平均氣溫2.9 ℃，無(wú)霜期67～128 d，年降水量380～560 mm，屬內(nèi)蒙古高原與冀北山地的過(guò)渡帶，系內(nèi)蒙古高原與大興安嶺余脈的交接處，境內(nèi)風(fēng)力、礦熱資源蘊(yùn)含豐富，是遼河主要發(fā)源地之一。山灣子分場(chǎng)總面積 6 466.67 hm2，有林地面積5 266.67 hm2，森林覆蓋率83.5%，林木總蓄積31.7萬(wàn)m3，喬木主要以華北落葉松、油松、樟子松、山楊、白樺、蒙古櫟等為主。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

2016年在山灣子分場(chǎng)大素汰選擇立地條件和生長(zhǎng)狀況基本一致的華北落葉松人工林，分別設(shè)立2 個(gè)不同株數(shù)(5株、8株)目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)的樣地和1個(gè)對(duì)照樣地。目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)樣地：以近自然經(jīng)營(yíng)為理論指導(dǎo)，選擇處在主林層、質(zhì)量最好、樹(shù)干通直、樹(shù)冠飽滿、沒(méi)有病蟲(chóng)害的優(yōu)勢(shì)木作為目標(biāo)樹(shù)，分別選取5株、8株，對(duì)選取的目標(biāo)樹(shù)主干進(jìn)行紅色自噴漆標(biāo)記，然后對(duì)其進(jìn)行修枝管理，對(duì)影響目標(biāo)樹(shù)生長(zhǎng)的干擾樹(shù)進(jìn)行采伐，給目標(biāo)樹(shù)充分的生長(zhǎng)空間，以培育優(yōu)質(zhì)的大徑階材，對(duì)其他樹(shù)按伐密留稀、伐小留大、伐次留好、伐先鋒留基本、伐萌留實(shí)的原則進(jìn)行間伐。對(duì)照樣地不進(jìn)行任何撫育措施，對(duì)其進(jìn)行封育和管護(hù)，防止人為干擾，運(yùn)用自然力生長(zhǎng)。將各樣地標(biāo)記為T(mén)5、T8、CK。在目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)樣地和對(duì)照樣地設(shè)置大小為20 m×30 m的標(biāo)準(zhǔn)地，對(duì)胸徑在5 cm及以上的林木進(jìn)行編號(hào)和測(cè)量，測(cè)量每株樹(shù)的胸徑、樹(shù)高、冠幅、枝下高等，記錄樣地海拔、坡度、坡位、坡向。在樣地內(nèi)的4個(gè)角和中心位置分別設(shè)置1 m×1 m的草本樣方，調(diào)查草本的種類、株數(shù)、平均高度、蓋度等有關(guān)數(shù)據(jù)(樣地內(nèi)無(wú)灌木，故不對(duì)灌木進(jìn)行調(diào)查分析)。目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)前后標(biāo)準(zhǔn)地基本信息見(jiàn)表1。

2.2 數(shù)據(jù)分析方法

2.2.1 林木生長(zhǎng)的計(jì)算 采用河北省一元材積表進(jìn)行林分平均單株材積、蓄積量的計(jì)算。

胸徑、平均單株材積以及蓄積林分年均生長(zhǎng)量計(jì)算公式：

Y(t)=(yt-yt-n)/n

(1)

胸徑、平均單株材積以及蓄積量年均生長(zhǎng)率計(jì)算公式：

Z(t)=(yt-yt-n)/(yt+yt-n)×(200/n)

(2)

其中yt為調(diào)查指標(biāo)末期值，yt-n為調(diào)查指標(biāo)初期值，n為調(diào)查間隔年數(shù)。

2.2.2 草本植物多樣性計(jì)算 選取Margalef指數(shù)(M)、Simpson指數(shù)(D)、Shannon-Wiener 指數(shù)(H)和Pielou指數(shù)(J)作為衡量植物多樣性的指標(biāo)。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：S為物種數(shù)目；N為所有物種個(gè)體數(shù)之和；Pi為第i個(gè)種個(gè)體數(shù)占所有種個(gè)體數(shù)比重。

采用Excel2019軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用單因素方差分析(ANOVA)和最小顯著法(LSD)分析目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)林分生長(zhǎng)和植物多樣性的差異，用Forstat林業(yè)專用軟件對(duì)徑階分布進(jìn)行擬合，最后用Excel2019軟件作圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)華北落葉松人工林生長(zhǎng)的影響

3.1.1 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)胸徑生長(zhǎng)的影響 不同株數(shù)目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)林分胸徑生長(zhǎng)的影響見(jiàn)表2。

表 2 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)下華北落葉松人工林胸徑生長(zhǎng)Table 2 DBH growth of Larix principis-rupprechtii plantation under target tree management

由表2知，目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)伐去干擾樹(shù)并對(duì)其他木間伐5年后，T5、T8胸徑年均生長(zhǎng)量分別是CK的1.5倍、1.7倍，T8胸徑年均生長(zhǎng)量是T5的1.2倍，胸徑年均生長(zhǎng)率與年均生長(zhǎng)量有相同的規(guī)律，即T8(1.98%)>T5(1.72%)>CK(1.25%)，T5、T8在胸徑年均生長(zhǎng)量、年均生長(zhǎng)率與CK之間均存在顯著性差異(P<0.05)。由此可知，目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)可顯著促進(jìn)林木胸徑的生長(zhǎng)，T8促進(jìn)效果更明顯。

3.1.2 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)平均單株材積的影響 不同株數(shù)目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)平均單株材積的影響見(jiàn)表3。

表3 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)下華北落葉松人工林平均單株材積生長(zhǎng)Table 3 Average volume growth per plant of Larix principis-rupprechtii plantation under target tree management

由表3可知，間伐5年后，林木平均單株材積表現(xiàn)為T(mén)8(0.053 4 m3)>T5(0.051 2 m3)>CK(0.048 0 m3)。平均單株材積年均生長(zhǎng)量大小規(guī)律與間伐5 a后的平均單株材積一致，T8平均單株材積年均生長(zhǎng)量顯著大于CK(P<0.05)，是CK的1.5倍，T8平均單株材積年均生長(zhǎng)量是T5的1.3倍，T5平均單株材積年均生長(zhǎng)量是CK的1.2倍，無(wú)顯著性差異(P>0.05)。由此可知，T8更有利于促進(jìn)平均單株材積生長(zhǎng)。

3.1.3 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)蓄積量的影響 不同株數(shù)目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)蓄積量生長(zhǎng)的影響見(jiàn)表4。

表4 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)下華北落葉松人工林蓄積量生長(zhǎng)Table 4 Stock growth of Larix principis-rupprechtii plantation under target tree management

由表4可知，間伐后林分蓄積量表現(xiàn)為CK>T5>T8，而間伐5年后林分蓄積量表現(xiàn)為CK>T8>T5。間伐5年后T5蓄積量由119H35 m3/hm2增加到145H74 m3/hm2，年均生長(zhǎng)量為5.28 m3/(hm2·a)，年均生長(zhǎng)率為3.99%。間伐5年后T8蓄積量由116.18 m3/hm2增加到147.20 m3/hm2，年均生長(zhǎng)量為6.21 m3/(hm2·a)，年均生長(zhǎng)率為4.70%。間伐5年后CK蓄積量由132.58 m3/hm2增加到157.24 m3/hm2，年均生長(zhǎng)量為4.93 m3/(hm2·a)，年均生長(zhǎng)率為3.42%。間伐5年后雖然目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)T5、T8蓄積量均小于CK，但T5、T8蓄積年均生長(zhǎng)量高于CK，分別是CK的1.1倍、1.3倍，且T8與CK間存在顯著性差異(P<0.05)。

3.2 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)華北落葉松人工林徑階分布的影響

不同株數(shù)目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)林木徑階分布的影響見(jiàn)圖1和表5。

圖1 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)徑階分布Figure 1 Distribution of target tree management diameter steps

表5 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)徑階分布曲線特征值Table 5 Characteristic values of the distribution curve of target tree management diameter

華北落葉松不同株數(shù)目標(biāo)樹(shù)林分徑階分布如圖1所示，T5林分徑階分布范圍在6～16 cm，峰值出現(xiàn)在10 cm徑階處，為58株，12 cm及以上徑階林木占53.72%，8 cm及以下徑階林木占15.43%。用Forstat擬合徑階分布結(jié)果表明，T5林分Gamma分布擬合效果最好，P值為0.368 163 大于0.05，偏度為正值(0.095 528)，說(shuō)明T5林分徑階分布呈現(xiàn)左偏，而峭度為負(fù)值(-0.611 596)，說(shuō)明T5林分徑階分布比較分散(表5)。

T8林分徑階分布范圍在6～16 cm，峰值在12 cm處，為66株，相對(duì)于T5林分峰值偏右，12 cm及以上徑階林木占64.87%，比T5高11.15%，8 cm及以下徑階林木僅占12.09%。擬合結(jié)果表明，T8林分正態(tài)分布擬合效果最好，P值為0.785 767大于0.05，偏度為負(fù)值(-0.193 910)，說(shuō)明徑階分布呈現(xiàn)右偏，較大徑階株數(shù)所占比例較大，峭度為負(fù)值(-0.274 647)，說(shuō)明T8林分徑階分布比較分散。

對(duì)照林分徑階分布范圍為6～16 cm，峰值在10 cm徑階處，為65株，12 cm及以上徑階林木占林分總株數(shù)的44V70%，比T5、T8分別低9.02%、20.17%，8 cm及以下徑階林木占25.35%，高于T5、T8林木所占比例。擬合結(jié)果表明，對(duì)照林分正態(tài)分布擬合效果最好，P值為0.412 432大于0.05，偏度為正值(0.005 789)，說(shuō)明徑階分布呈現(xiàn)左偏，峭度為負(fù)值(-0.653 698)，說(shuō)明對(duì)照林分徑階分布較分散。

3.3 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)華北落葉松人工林草本植物多樣性影響

3.3.1 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)華北落葉松人工林草本物種組成和重要值的影響 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)主要草本的重要值見(jiàn)表6。

表6 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)主要草本的重要值Table 6 The important values of the main herbs in the target tree management

由表6可以看出，目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)草本物種組成和重要值有影響。在CK樣地中，砧草、纈草、細(xì)葉藁本、大瓣鐵線蓮、拳參、歪頭菜、毛茛、水楊梅、蒲公英、草問(wèn)荊重要值居前10，占重要值總數(shù)的79.94%，為群落的優(yōu)勢(shì)草本。在T5中，優(yōu)勢(shì)草本組成變化較大，10個(gè)優(yōu)勢(shì)種變?yōu)椴輪?wèn)荊、砧草、野山芹、水楊梅、歪頭菜、林地早熟禾、纈草、興安老鸛草、小黎、蒲公英，占重要值總數(shù)的77.18%。T8物種組成與CK相差較大，與T5相差不大，10個(gè)優(yōu)勢(shì)種為草問(wèn)荊、砧草、垂果南芥、水楊梅、興安老鸛草、林地早熟禾、蒲公英、歪頭菜、毛茛、纈草，占總重要值的82.01%。T5、T8較CK，草問(wèn)荊、水楊梅、林地早熟禾等的重要值增加，砧草重要值減小。由此可見(jiàn)，目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)改變了草本層群落的物種組成。

3.3.2 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)華北落葉松人工林草本植物多樣性指數(shù)影響 不同株數(shù)目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)草本植物多樣性的影響見(jiàn)圖2。

圖2 目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)草本植物多樣性指數(shù)Figure 2 The target tree management herb plant diversity index

由圖2可知，不同措施草本植物多樣性指數(shù)存在差異。Simpson指數(shù)表現(xiàn)為T(mén)8(0.75)>T5(0.71)>CK(0.68)，T8優(yōu)勢(shì)度較好，T8、T5分別比CK高10.29%、4.41%；Shannon-Wiener 指數(shù)表現(xiàn)為T(mén)8(1.70)>T5(1.54)>CK(1.53)，T8、T5分別比CK高11.11%、0.65%；Pielou均勻度指數(shù)也表現(xiàn)為T(mén)8(0.78)>T5(0.77)>CK(0.73)，T8分布相對(duì)均勻，T8、T5分別比CK高6.85%、5.48%；而Margalef指數(shù)表現(xiàn)為T(mén)8(2.26)>CK(2.10)>T5(1.91)，T8比CK高7.62%，均無(wú)顯著性差異(P>0.05)。總體來(lái)看，T8的草本植物多樣性較好。

4 討論與結(jié)論

本研究中目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)是通過(guò)采伐影響目標(biāo)樹(shù)生長(zhǎng)的干擾木并對(duì)其它木進(jìn)行間伐、修枝的經(jīng)營(yíng)方式。間伐后改變了林內(nèi)空間結(jié)構(gòu)，林內(nèi)生長(zhǎng)小環(huán)境發(fā)生變化，林木之間的競(jìng)爭(zhēng)減小，有效改善了林內(nèi)狀況，增加營(yíng)養(yǎng)空間和透光度，促進(jìn)林木光合作用，進(jìn)而促進(jìn)林木胸徑、平均單株材積的生長(zhǎng)，林分蓄積量也隨之改變[11-12]。研究結(jié)果表明，河北省木蘭圍場(chǎng)國(guó)有林場(chǎng)山灣子分場(chǎng)華北落葉松目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)后林木胸徑年均生長(zhǎng)量、平均單株材積年均生長(zhǎng)量、蓄積年均生長(zhǎng)量均高于CK，這與吳建強(qiáng)等的研究結(jié)果相似[13]，T8、T5胸徑年均生長(zhǎng)量分別是CK的1.7 倍、1.5倍，T8、T5平均單株材積年均生長(zhǎng)量分別是CK的1.5倍、1.2倍，T8、T5蓄積年均生長(zhǎng)量分別是CK的1.3倍、1.1倍，T8較T5在促進(jìn)林木生長(zhǎng)上更明顯，由于目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)撫育間伐后林冠層更稀疏，有利于上下林分光照透入，對(duì)林木生長(zhǎng)有較好的促進(jìn)作用，且設(shè)立目標(biāo)樹(shù)株數(shù)越多，也就是對(duì)林木間伐強(qiáng)度越高，林分郁閉度降低，林木之間的競(jìng)爭(zhēng)減小，有利于林木水平方向生長(zhǎng)[14]。林木間伐后，由于采伐了部分林木，林木胸徑生長(zhǎng)速度變化導(dǎo)致徑階結(jié)構(gòu)在短期內(nèi)發(fā)生變化，用Forstat擬合徑階分布結(jié)果表明，T8、T5、CK徑階分布最優(yōu)擬合曲線不同，目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)T8徑階分布為正態(tài)分布擬合效果最好，呈現(xiàn)右偏，較大徑階林木株數(shù)所占比例偏多，T5徑階分布為Gamma分布擬合效果最好，呈現(xiàn)左偏，CK徑階分布為正態(tài)分布擬合效果最好，呈現(xiàn)左偏。吳建強(qiáng)等研究認(rèn)為干擾樹(shù)間伐有利于生產(chǎn)較大徑階林木[13]，王懿祥等認(rèn)為干擾樹(shù)間伐后較大徑階的林木株數(shù)顯著增加，較小徑階的林木株數(shù)顯著減小[15]。本研究結(jié)果表明，T5、T8林分12 cm及以上徑階林木株數(shù)百分比分別比對(duì)照高9.02%、20.17%，T8比T5高1.15%，說(shuō)明T8對(duì)促進(jìn)較大徑階生長(zhǎng)更明顯，與劉紅梅等對(duì)杉木和馬尾松的研究結(jié)果相似[16]。

生物多樣性能夠反映森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，是均勻度和豐富度的綜合表現(xiàn)[17-18]。呂倩等研究發(fā)現(xiàn)隨著目標(biāo)樹(shù)密度增大，草本植物重要值有減小的趨勢(shì)[7]，劉紅炎等研究發(fā)現(xiàn)間伐顯著改變了華北落葉松人工林林下植被種類組成，且物種數(shù)均高于對(duì)照[19]。本研究結(jié)果表明，T5、T8草本層群落物種組成較CK有較大改變，草問(wèn)荊、水楊梅、林地早熟禾等的重要值增加，砧草重要值減小。龔固堂等研究認(rèn)為目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)后增加了林下環(huán)境異質(zhì)性，改善了空間和光照條件，促進(jìn)林下灌草種類及蓋度增加，許多學(xué)者有相同的研究結(jié)果[18,20-21]，宋鑫彧等認(rèn)為林隙分?jǐn)?shù)與草本層植物多樣性指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，草本層的多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、豐富度指數(shù)隨著間伐強(qiáng)度的增加先減小再增大，間伐強(qiáng)度為10%時(shí)最好，范冬冬等研究認(rèn)為華北落葉松近自然經(jīng)營(yíng)更有利于維持草本植物多樣性[22-23]。本研究結(jié)果表明，草本層Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)均表現(xiàn)為T(mén)8>T5>CK，而Margalef指數(shù)為T(mén)8>CK>T5，T8在優(yōu)勢(shì)度、均勻度、豐富度上均較高，目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)間伐后，林隙增大，林內(nèi)光照增加，促進(jìn)了林下植物多樣性的提高，T8比T5影響較明顯，主要是由于T8間伐強(qiáng)度相對(duì)較大，給林下草本的生長(zhǎng)空間更大、光合作用較好，對(duì)林下草本生長(zhǎng)促進(jìn)作用更好。

通過(guò)研究不同株數(shù)目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)華北落葉松人工林的影響，結(jié)果表明T8在促進(jìn)林木生長(zhǎng)和提高草本植物多樣性上有較大優(yōu)勢(shì)。本研究?jī)H限于目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)對(duì)林分生長(zhǎng)和植物多樣性的影響，目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)后林分結(jié)構(gòu)改變，影響林內(nèi)光照和空間大小，應(yīng)該也會(huì)對(duì)林下枯落物和土壤產(chǎn)生影響。所以建議在今后的研究中還要從枯落物和土壤在目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)的響應(yīng)方面進(jìn)行研究，為華北落葉松人工林目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)提供更準(zhǔn)確的營(yíng)林措施。