間伐對華北落葉松林林分結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

王 蕓，趙鵬祥，楊永輝，李治國

(1.河北開放大學 教務(wù)處，河北 石家莊 050080；2.西北農(nóng)林科技大學 林學院，陜西 楊陵 712100；3.河南省農(nóng)業(yè)科學院 植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所，河南 鄭州 450002；4.河北博嘉農(nóng)業(yè)有限公司，河北 石家莊 050080)

森林具有豐富的物種組成和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，對維持大氣平衡、保護水土資源等具有重要的作用。森林與所在空間的非生物環(huán)境有機地結(jié)合在一起，構(gòu)成完整的生態(tài)系統(tǒng)[1-3]。森林是地球上最大的陸地生態(tài)系統(tǒng)，是全球生物圈中重要的一環(huán)，是地球上的基因庫、碳貯庫、蓄水庫和能源庫，對維系整個地球的生態(tài)平衡起著至關(guān)重要的作用，是人類賴以生存和發(fā)展的資源和環(huán)境[4-5]，因此人類必須要保護森林。森林撫育間伐對于生態(tài)環(huán)境的改善、經(jīng)濟效益的提高有著無比重要的意義。間伐強度會影響林分質(zhì)量和林木蓄積，從而導(dǎo)致林分不同的生態(tài)質(zhì)量與經(jīng)濟活動。森林的撫育間伐對我國的生態(tài)以及經(jīng)濟效益具有較大的影響，與目前提倡可持續(xù)經(jīng)營理念相吻合[6-8]。森林資源在正確引導(dǎo)下將出現(xiàn)持續(xù)遞增，通過撫育間伐縮短森林樹木的成材期，提前達到主伐的條件，有利于提升林木的質(zhì)量和出材率。因此，確定適宜的撫育間伐強度對于全面提升森林的經(jīng)濟效益與生態(tài)效益具有積極意義。

目前，國內(nèi)外眾多專家學者對于間伐對于森林環(huán)境各方面的影響都有一定程度的研究，主要體現(xiàn)在間伐對土壤中微量元素含量的影響[9-11]、間伐對于土壤質(zhì)量的影響[12-14]、間伐對于林分內(nèi)光輻射強度的影響[15-16]、間伐對于地表徑流量和水質(zhì)的影響[17-19]、間伐對于林分內(nèi)灌木層和草本層物種豐富度的影響[20-21]等。同時，對于間伐對林分結(jié)構(gòu)的影響的研究，也不斷在發(fā)展優(yōu)化中。李克檢等[22]研究了撫育間伐對側(cè)柏人工林的效果，得出不同的間伐強度對側(cè)柏林分的生長產(chǎn)生了不同影響的結(jié)論。姚克平[23]的研究結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi),馬尾松的胸徑生長隨間伐強度增大而增大。由此得出可以通過強度較大的撫育間伐去增加胸徑的生長量，使得目標木達到標準，從而可以提高林木的出材率，達到工藝的成熟。曹云等[24]的結(jié)論是油松林經(jīng)過撫育措施后的平均胸徑、樹高、冠幅均有極顯著的變化，由此說明撫育間伐會對這些指標有一定的影響。王智勇等[25]通過試驗分析發(fā)現(xiàn)間伐會改變林分的結(jié)構(gòu)且影響到森林的健康發(fā)展。森林健康體現(xiàn)在森林生態(tài)系統(tǒng)的各層次中，目前許多專家學者采用綜合評價模型評價森林健康狀況，如復(fù)合結(jié)構(gòu)功能法、聚類分析法、主成分分析法，通過綜合評價的方法對不同類型、不同立地條件、不同撫育措施的林分健康質(zhì)量評判。

林分結(jié)構(gòu)對于森林的整體狀態(tài)具有非常重要的影響，其中空間結(jié)構(gòu)是研究撫育間伐對森林結(jié)構(gòu)影響的重要方向[26]?？臻g結(jié)構(gòu)調(diào)整會使森林的林木的林齡更優(yōu)，調(diào)節(jié)樹種組成，使得林木的生長得到有利條件?？臻g結(jié)構(gòu)代表著物種的空間關(guān)系，顯示了林木在空間的分布，是森林的一種驅(qū)動力[27-28]。而林分物種結(jié)構(gòu)能夠反映森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[29]。鑒于此，本研究以華北落葉松(Larixprincipisrupprechtii)為研究對象，分析不同撫育強度對林分各結(jié)構(gòu)因子的影響，確定反映林分穩(wěn)定狀態(tài)的關(guān)鍵指標，并利用主成分分析法評估各樣地綜合林分水平，初步判斷試驗區(qū)撫育間伐的最佳模式，以期為華北落葉松的林分穩(wěn)定結(jié)構(gòu)調(diào)整改善提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 試驗區(qū)概況

本研究區(qū)地處山西省西部，位于呂梁山脈中段的關(guān)帝山林區(qū)。地理坐標為37°20′-38°20′N，110°18′-111°18′E。氣候?qū)儆跍貛Т箨懶詺夂?，平均坡?8°，年平均氣溫4.3 ℃，年均相對濕度72%，年平均降水量在820 mm。林內(nèi)混交有少數(shù)遼東櫟(Quercusliaotungensis)、白樺(Betulaplatyphlla)，林下灌木樹種主要有黃刺玫(Rosaxanthina)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)等，草本植物主要有茅草(Imperatacylindrica)、苔草(Carexspp.)、小紅菊(Dendranthemachanetii)、早熟禾(Poaannua)等。于2010年5月設(shè)置10塊規(guī)格為30 m×30 m的固定試驗樣地，依次編號為1～10號，其中1號樣地為照樣地，其撫育間伐強度為0，即不進行撫育間伐，其余各樣地基于蓄積量進行撫育。撫育間伐強度依次為3.51%、6.39%、13.12%、16.91%、19.42%、28%、34.29%、46.87%、52.10%。于2019年4月進行林地外業(yè)調(diào)查，具體基本概括見表1，分析不同撫育強度對林分空間結(jié)構(gòu)的影響并做出評價。

表1 樣地基本概況

2 研究方法

2.1 生長發(fā)育個體的相關(guān)指標測定

2.1.1 胸徑調(diào)查方式 用標準測量工具，使用皮尺測定樹木胸徑，而且當胸徑<5 cm時屬于森林的分類中的小徑木，因此5 cm以下的樹木不需要測量。當樹木是生長在坡面上的時候，需要讓坡上位為測量的起點，終點為胸高，在終點記錄胸徑的大小。必須準確記錄測量胸徑時的高度。以便正確地數(shù)據(jù)分析。平均胸徑的計算方式如下所示

(1)

式中：D為胸徑的大??；n為林木的編號。

2.1.2 樹高調(diào)查方法 根據(jù)樹木的胸徑來選擇標準木測定樹高，使用皮尺去記錄樹木的高度，樹高的測定誤差不超過5%或0.5 m，進而用方格紙繪制樹高曲線。根據(jù)樹高測定值繪制樹高曲線，根據(jù)平均胸徑從樹高曲線中查出平均樹高[30]。

2.2 物種豐富度測定

采用相鄰網(wǎng)格法，用盤尺將每塊樣地劃分為4個5 m×30 m的小樣方，隨后再以每個小樣方為調(diào)查單元，按照S形的路線方式依次對各單元內(nèi)胸徑大于等于5 cm的喬木進行每木檢尺，并記錄每個被檢測個體的位置、樹種，用卷尺分別測量東、南、西、北4個方向的冠幅(m)；樣地內(nèi)設(shè)置2個5 m×5 m的灌木層調(diào)查樣方，記錄灌木的樹種、數(shù)量并計算蓋度；同時設(shè)置2個1 m×1 m的樣方對草本層展開調(diào)查，調(diào)查樣方內(nèi)草本植物的數(shù)量、種類并計算其蓋度。其中物種豐富度指數(shù)計算方式如下所示：

D=S/lnA

(2)

式中：S為觀察到的物種種類；A為樣地面積。

描述林分內(nèi)灌木層物種多樣性和草本層物種多樣性計算方式如下：

(3)

式中：H為Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)；Pi為物種i的個體數(shù)占全部物種個體總數(shù)的比率；S為樣方內(nèi)的物種總數(shù)。

2.3 空間指標測定

角尺度的定義是從參照樹開始出發(fā)，到達最近的2棵相鄰的樹木夾角有2個，使其中的小角為α角，其中的大角為β角，參照樹和其中最近的4株相鄰木所構(gòu)成的夾角都是用α角表示α13，α14，α23，α24，角尺度Wi為α角小于標準角的個數(shù)所占4個角的比例，所以角尺度的計算公式為：

(4)

式中：Zij為離散型變量，定義為當?shù)趈個α角的值小于標準角α0時，Zij= 1，反之Zij= 0。

在角尺度相關(guān)研究中確定若角尺度值Wi在0.475≤Wi≤0.517中，這屬于標準的隨機分布；在Wi<0.475中，這屬于團狀分布；在Wi>0.517中，這屬于聚集分布。

混交度(Mi)是用以反映混交林中不同樹種混交程度的一個空間結(jié)構(gòu)參數(shù),它的定義為：在參照樹i的4株相鄰木中，與每個參照樹i不同種類的個體占據(jù)的比例[31],計算公式為：

(5)

式中：vij是一個離散型變量，當參照樹i與第j株相鄰木屬于非同種時vij=1；反之，vij=0。Mi有5種取值，分別為0(零度混交)、0.25(弱度混交)、0.50(中度混交)、0.75(強度混交)和 1(極強度混交)。

大小比計算就是大于參照樹的相鄰木占最近的所有的相鄰木的比值，計算公式為：

(6)

式中：如果相鄰木j比參照樹i小，則kij=0，否則為1。

2.4 數(shù)據(jù)分析和評價方法

采用Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)整理，Winkelmass 1.0進行數(shù)據(jù)處理和分析,采用Origin 2018進行圖形繪制。綜合評價方法采用主成分分析法[25]，利用Spss20.0完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 間伐對林分物種結(jié)構(gòu)的影響

根據(jù)各間伐樣地喬木層、灌木層和草本層各自的結(jié)構(gòu)組成，對其水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)指標賦值。如表2所示，間伐樣地和對照樣地的賦值結(jié)果均為2～4，其中5、6、10號樣地垂直層次更加全面，1、5、6、8號樣地水平層次更為全面，因此5、6號樣地林分結(jié)構(gòu)層次較好；3號樣地的灌木層蓋度明顯提升，在撫育強度為28%的6號樣地達到最大值，為0.101，再逐漸呈下降趨勢；草本層的蓋度分布呈現(xiàn)波動性，整體差異性不大；對照樣地的冠幅最大，其次為4號樣地，冠幅值為1.629。計算灌木層和草本層的物種多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)，間伐強度為6.39%的3號樣地灌木層多樣性指數(shù)(H′)最低，對照樣地的灌木層多樣性指數(shù)(H1)最高，整體介于0.637～0.914；間伐強度為34.29%的8號樣地的灌木層均勻度指數(shù)(J1)最低，10樣地的灌木層均勻度指數(shù)(J1)最高，整體介于0.527～1.398。間伐強度為3.51%的2號樣地的草本層多樣性指數(shù)(H2)最低，4號樣地的草本層多樣性指數(shù)(H2)最高，整體介于1.043～1.411。間伐強度為34.29%的8號樣地的草本層均勻度指數(shù)(J2)最低，4號樣地的草本層均勻度指數(shù)(J2)最高，整體介于0.559～1.021。

表2 林分物種結(jié)構(gòu)指標

鑒于林分物種結(jié)構(gòu)指標的多樣性，采用主成分分析結(jié)合多指標的影響，判斷間伐強度對于林分物種結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果如表3、表4所示。前4個主成分的累計貢獻率為79.93%，接近80%，所以確定前4個主成分基本可以反映原始數(shù)據(jù)信息，描述間伐強度對于華北落葉松林分物種結(jié)構(gòu)的影響。由表4可知，第1主成分在垂直層次結(jié)構(gòu)、水平層次結(jié)構(gòu)、灌木層豐富度指數(shù)上有較大載荷；第2主成分在灌木層蓋度、草本層多樣性指數(shù)、灌木層豐富度指數(shù)上有較大載荷；第3主成分在草本層多樣性指數(shù)、草本層豐富度指數(shù)、冠幅上有較大載荷；第4主成分在灌木層蓋度、草本層多樣性指數(shù)、草本層蓋度有較大載荷。計算得出各主成分權(quán)重依次為0.409、0.234、0.198和0.160，各樣地綜合得分排名由大到小依次為：6號樣地(0.846)、10號樣地(0.729)、5號樣地(0.722)、7號樣地(0.703)、8號樣地(0.670)、4號樣地(0.669)、對照樣地(0.646)、9號樣地(0.622)、2號樣地(0.561)、3號樣地(0.504)。6號樣地的綜合排名最高，多數(shù)樣地的得分優(yōu)于對照樣地，說明間伐會改善林分整體物種結(jié)構(gòu)且17%以上的間伐強度更加適宜。

表3 各指標的總方差分析

表4 各因子指標載荷

3.2 間伐對林分空間結(jié)構(gòu)的影響

由圖1可知，未間伐樣地的角尺度值偏高，間伐樣地的角尺度均低于對照樣地。隨著間伐強度的增加，林分角尺度呈先下降后上升再下降的趨勢，其中5號樣地內(nèi)林分角尺度最低。10個樣地的角尺度平均值為0.506，說明整體而言該試驗區(qū)的華北落葉松呈現(xiàn)隨機分布格局。其中1、2、6、7、8號樣地屬于聚集分布但是聚集程度較低，5、9、10號樣地屬于團狀分布，說明林木分布較為密集集中，不利于林木的生長，競爭加劇。3、4號樣地屬于隨機分布，林分密度適宜，適合林木生長。未間伐樣地的混交度值偏低，隨著間伐強度的增加，林分混交度呈先上升趨于穩(wěn)定后下降的趨勢，在間伐強度大于34.29%時，林分的混交度呈顯著下降?；旖欢确从车氖菢浞N的空間隔離程度，10塊樣地平均混交度為0.256，這表明在華北落葉松試驗區(qū)，樣地中的每一個空間結(jié)構(gòu)單元內(nèi)混交程度都不高，而且樹種隔離程度偏弱。大小比反映林分個體大小分化程度，就是描述不同大小樹木的競爭態(tài)勢，反映單元內(nèi)參照木和相鄰木之間的競爭關(guān)系。未間伐樣地的大小比值偏低，隨著間伐強度的增加，林分的大小比增加并趨于穩(wěn)定，說明間伐對于改善林木之間的競爭具有明顯的作用。對照樣地的大小比均值為0.392，而未間伐樣地組的大小比均值為 0.503，間伐后林分大小比明顯增加。

基于角尺度、混交度和大小比數(shù)5個不同值的相對頻率如圖2所示。由圖2可知，角尺度分布呈現(xiàn)出中間高兩邊低的現(xiàn)象。對照樣地和各間伐樣地中林分角尺度處于0.5處的相對頻率值均最高，并且沒有樣地處于角尺度為0處。其中，5號樣地在0.25處相對頻率值最高，對照樣地在0.25處相對頻率值最低；2號樣地在0.5處的相對頻率值最高，9號樣地在0.5處相對頻率值最低；3號樣地在0.75處相對頻率值最高，7、8、9號樣地在0.75處相對頻率值最低；對照樣地在1處相對頻率值最高，3號樣地在1處相對頻率值最低。對照樣地處于低分布值(0.25)的比例明顯低于間伐樣地，處于高分布值(1)的比例明顯高于間伐樣地，說明間伐對于改變林分內(nèi)樹木分布具有顯著效果，3、4號樣地經(jīng)若干年的修復(fù)期林分分布呈現(xiàn)隨機分布狀態(tài)，因此在調(diào)查期末，13.12%、16.91%對于調(diào)整華北落葉松林分分布狀態(tài)是最為合適的采伐強度。對照樣地零度混交(Mi=0)的個體比例高達0.82，8號樣地零度混交的比例最低；8號樣地弱度混交(Mi=0.25)的比例最高，9號樣地弱度混交的比例最低；8號樣地中度混交(Mi=0.5)的比例最高，對照樣地中度混交的比例最低；6號樣地強度混交(Mi=0.75)的比例最高，對照樣地強度混交的比例最低；3號樣地極強度混交(Mi=1)的比例最高，6號樣地極強度混交的比例最低。但總體而言，各樣地中零度混交和弱度混交的個體所占的比例較大，這說明樣地中樹種結(jié)構(gòu)較為簡單，伴生樹種生長狀態(tài)不理想，然而間伐對于改善林分內(nèi)樹種組成結(jié)構(gòu)具有積極促進作用，經(jīng)過撫育間伐后，其他的劣勢木得到發(fā)展，混交度都有了一定程度的提升，間伐強度過大時促進作用降低。各間伐樣地林木大小分化程度十分接近，對照樣地優(yōu)勢地位(Ui=0)的個體比例最高，4號樣地優(yōu)勢地位的比例最低；2號樣地處于亞優(yōu)勢地位(Ui=0.25)的個體比例最高，3號樣地處于亞優(yōu)勢地位的個體比例最低；8號樣地處于中庸地位(Ui=0.5)的個體比例最高，2號樣地處于中庸地位的個體比例最低；2號樣地處于劣勢地位(Ui=0.75)的個體比例最高，4號樣地處于劣勢地位的比例最低；4號樣地處于絕對劣勢地位(Mi=1)的個體比例最高，對照樣地處于絕對劣勢對位的個體比例最低。未間伐前華北落葉松林分內(nèi)樹木競爭較為激烈，林木處于不同的徑級結(jié)構(gòu)，而間伐使得樣地內(nèi)的保留木基本處于相同徑級內(nèi)，競爭減弱，無明顯競爭優(yōu)勢樹木。

4 結(jié)論與討論

不同間伐強度的各樣地物種結(jié)構(gòu)參數(shù)存在不同程度的改變，強度為19.42%、28%的樣地林分結(jié)構(gòu)層次分明；各參數(shù)隨著間伐強度的增加，變化無明顯變化規(guī)律，這與林分整體恢復(fù)年限有關(guān)[8]。其中，撫育強度為28%的樣地灌木層蓋度達到最大值，對照樣地的灌木層多樣性指數(shù)最高，撫育強度為52.10%的樣地灌木層均勻度指數(shù)最高；撫育強度為19.42%的樣地草本層蓋度達到最大值，間伐強度為16.91%的地草本層多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)最高。基于多參數(shù)建立綜合評價機制，結(jié)果表明28%的間伐強度下林分的物種結(jié)構(gòu)最為豐富，間伐強度16.91%以上對于改善林分物種結(jié)構(gòu)有明顯效果。

通過對空間結(jié)構(gòu)的角尺度、混交度、大小比3個參數(shù)隨間伐強度的變化規(guī)律展開分析，得到林分結(jié)構(gòu)特征。以未間伐作業(yè)為參照，發(fā)現(xiàn)撫育間伐對于改變林分內(nèi)樹木分布具有顯著效果，13%～17%的間伐強度使得華北落葉松林呈隨機分布狀態(tài)。而個體水平分布格局朝著隨機分布的趨勢發(fā)展有利于林木生長，實現(xiàn)林分的可持續(xù)經(jīng)營，因此間伐對于改善林木分布具有積極促進作用，13%～17%是調(diào)查期內(nèi)最適宜角尺度調(diào)整的間伐強度。整體而言，試驗區(qū)的角尺度平均值小于0.517，說明林分分布較為密集，可能是由于間伐后伴生樹種生長速度加快，造成林木趨向團狀分布[25]，因此定期對間伐區(qū)采取一定的作業(yè)措施是十分必要的。

撫育間伐強度能夠改變混交度，隨著間伐強度的增加混交度增大，這表明撫育間伐對混交度有著積極的作用，林分空間的增加使得其他樹種得以獲得更多的光、水等資源從而迅速生長[14]。但當間伐強度過大，>34.29%時，混交度出現(xiàn)下降，可能是因為林分空隙過大，進入林分內(nèi)的光照強度增加，造成林分中微氣候變化，過高的光照和溫度使得林木生長速率下降甚至劣勢樹種的死亡，由此造成混交度的下降[7]。因此，適當?shù)拈g伐對混交度的提高有明顯效果，樹種組成得到優(yōu)化，趨向復(fù)雜多樣性，而混交度越高，更加有利于林分結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

隨著間伐強度的增加，林分的大小比增加并趨于穩(wěn)定，說明間伐對于改善林木之間的競爭具有明顯的作用。這主要是因為間伐給劣勢樹種空間得以生長，各個樹木之間的競爭減弱，而且隨著間伐強度的持續(xù)增加林分的大小比趨于穩(wěn)定，說明過高的間伐強度對于持續(xù)減弱林木間的競爭無積極作用，事實上還會造成其他不利的影響，如地表積溫過高導(dǎo)致樹木干枯等[32]。

結(jié)合間伐強度對物種結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，得出撫育強度在26%時林分物種結(jié)構(gòu)最為豐富，17%以上的間伐強度多數(shù)對于整體林分物種結(jié)構(gòu)有優(yōu)化作用，而撫育強度為13%～17%時，林分空間結(jié)構(gòu)更加合理，在該撫育強度內(nèi)，林木分布趨于隨機分布，有利于林木生長；混交度提升，樹種組成得到優(yōu)化；大小比增加，林木競爭減弱，因此結(jié)合二者，17%的間伐強度能夠更好地實現(xiàn)華北落葉松整體林分結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、合理性、平衡性發(fā)展。