間伐對黃山松人工林林分空間結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性的影響

常陳豪，呂康婷，周夢麗，陳曉蔚，鄭天才，閆東鋒*

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，河南 鄭州 450002；2.河南省林業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，河南 鄭州 450003；3.河南省國有商城黃柏山林場，河南 商城 465350)

間伐作為一種重要的營林措施，通過調(diào)控林分結(jié)構(gòu)，釋放林分內(nèi)的營養(yǎng)空間，調(diào)整林木間的競爭關(guān)系，改善林分環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)林木的生長與林分的更新[1-2]。撫育間伐方式、強(qiáng)度等的不同，使林分內(nèi)的環(huán)境及結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差異，進(jìn)而影響林分內(nèi)林木生長以及林下植物的更新和林分空間結(jié)構(gòu)[3-4]。林分空間結(jié)構(gòu)是否合理決定了森林功能能否有效發(fā)揮，而林分空間結(jié)構(gòu)的合理性一般可以通過選取科學(xué)的林分結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析評價(jià)[5-6]。此外，關(guān)于間伐對林分空間結(jié)構(gòu)的影響，前人也做了大量研究，如馬映棟等[7]比較了不同采伐強(qiáng)度下小隴山遼東櫟天然林林分空間結(jié)構(gòu)的變化，姜廷山等[8]模擬了不同采伐強(qiáng)度對興安落葉松林空間結(jié)構(gòu)的影響，這些研究的結(jié)論均為間伐有助于改善林分空間結(jié)構(gòu)。林分穩(wěn)定性是表示林分在一個(gè)世代跨度內(nèi)能夠順利完成一個(gè)生命周期并提供生產(chǎn)力的能力[9]，其強(qiáng)調(diào)林分的抗性、彈性以及持續(xù)產(chǎn)出能力，是林分結(jié)構(gòu)和功能的綜合體現(xiàn)[10]。傳統(tǒng)的林分穩(wěn)定性研究都是基于物種多樣性進(jìn)行的，較少將林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)納入林分穩(wěn)定性評價(jià)中，本研究利用單位圓分析法，依據(jù)多指標(biāo)綜合評價(jià)原則對林分穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，這可為林分穩(wěn)定性的評價(jià)提供一個(gè)參考的途徑[11]。

黃山松(Pinustaiwanensis)是我國特有樹種和酸性土荒山的重要造林樹種，因其樹干通直、材質(zhì)較佳等優(yōu)點(diǎn)而成為重要的用材樹種[12]，但是，由于不合理的采伐方式以及對鄉(xiāng)土闊葉樹種的重視不夠等原因，造成林分質(zhì)量較差、林地生產(chǎn)力不高等問題。近年來，關(guān)于黃山松林分的研究主要集中在群落與環(huán)境的關(guān)系[13]、土壤的理化性質(zhì)[14]等方面，而對黃山松人工林林分空間結(jié)構(gòu)的研究卻鮮有報(bào)道。本研究以河南省商城縣黃柏山林場黃山松人工林為研究對象，采取基于相鄰木關(guān)系的林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)對比分析間伐前后樣地的林分空間結(jié)構(gòu)特征的變化，同時(shí)以綜合評價(jià)的方法評價(jià)研究區(qū)的林分穩(wěn)定性，探討間伐對黃山松人工林空間結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響，以期為黃山松人工林的經(jīng)營管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河南省商城縣黃柏山林場九峰尖林區(qū)，處于豫、鄂、皖3省交界處，地理坐標(biāo)31°23′-31°35′N，115°13′-115°20′E，屬北亞熱帶向南暖溫帶過渡地帶，四季分明，氣候宜人，年平均氣溫14.8 ℃。研究區(qū)內(nèi)喬木樹種主要有黃山松、杉木(Cunninghamialanceolata)、柳杉(Cryptomeriafortunei)、君遷子(Diospyroslotus)、化香樹(Platycaryastrobilacea)、樸樹(Celtissinensis)、麻櫟(Quercusacutissima)等。黃柏山林場的黃山松人工林主要分布在700～1 000 m的大牛山林區(qū)、九峰尖林區(qū)，純林較多，部分黃山松與杉木、柳杉成混交林。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

2018年10月，在黃柏山林場九峰尖林區(qū)選取林分條件基本一致、總面積為26.5 hm2的40年生黃山松人工林地塊并將其劃分為3個(gè)相鄰的區(qū)域，面積分別為7.5、10.8、8.1 hm2，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)各設(shè)置4塊20 m×30 m的試驗(yàn)樣地，共12塊，各樣地間的間隔距離至少50 m。記錄樣地的海拔、坡度、坡位、坡向以及西南角的經(jīng)緯度等信息，其中林地土壤類型主要為黃棕壤，海拔750～900 m,坡度20°～30°，坡位均為下坡。對樣地內(nèi)胸徑≥5 cm的喬木進(jìn)行每木調(diào)查并編號，測量其胸徑、樹高、枝下高和冠幅等因子，用POSTEX林地定位儀測量每木的相對坐標(biāo)。在每塊樣地的西北角和東南角10 m×10 m的網(wǎng)格中心各設(shè)置1個(gè)5 m×5 m的小樣方，并調(diào)查小樣方中幼樹和幼苗的株數(shù)、高度和地徑等指標(biāo)。

2018年11月，對3個(gè)區(qū)域分別按照弱度采伐、中度采伐和重度采伐3種間伐強(qiáng)度進(jìn)行間伐作業(yè)，其間伐蓄積強(qiáng)度分別為16.5%、30.4%和48.8%。間伐對象根據(jù)相鄰樹木之間的距離、樹種以及林木的生長狀況來確定，優(yōu)先去除有病蟲害、生長力弱、沒有培育前途的林木，盡量去除與相鄰木相距過近和個(gè)體數(shù)量較多的樹種。2020年11月，對試驗(yàn)樣地進(jìn)行復(fù)測，樣地調(diào)查內(nèi)容與間伐前完全一致，其基本情況見表1。

表1 黃山松人工林林分基本信息

2.2 林分空間結(jié)構(gòu)分析

林分空間結(jié)構(gòu)單元是由林分內(nèi)任意一株單木與其周圍相距最近的n株相鄰木組成，是構(gòu)成林分結(jié)構(gòu)的基本單位。本文采取參照木及其周圍4株相鄰木構(gòu)成的空間結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行林分空間結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算，選取混交度(M)[15]、角尺度(W)[16]、大小比數(shù)(U)[17]3個(gè)參數(shù)作為描述林分空間結(jié)構(gòu)的指標(biāo)。

2.3 林分穩(wěn)定性

選擇黃山松人工林林分的林分垂直結(jié)構(gòu)、林分水平結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)、樹種多樣性、樹種組成、林分更新、林分長勢和頂級種競爭8個(gè)狀態(tài)指標(biāo)作為評價(jià)林分穩(wěn)定性的參數(shù)[18]，其中林分更新通過林下幼樹和幼苗的更新多樣性進(jìn)行描述，用Simpson指數(shù)[19]表達(dá)。計(jì)算各個(gè)指標(biāo)，并對其進(jìn)行賦值、標(biāo)準(zhǔn)化和正向處理，使其變成[0,1]無量綱數(shù)值，各個(gè)指標(biāo)的計(jì)算方法和賦值標(biāo)準(zhǔn)見惠剛盈等[18]，計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中:ω為現(xiàn)實(shí)林分狀態(tài)值；s1為閉合圖形中扇形面積和；s2為閉合圖形中三角形面積和；n為指標(biāo)個(gè)數(shù)(n≥2)；m為指標(biāo)等于1的個(gè)數(shù)；s2i=L1L2sinθ/2；L1、L2分別為三角形部分的相鄰指標(biāo)值；θ為相鄰指標(biāo)構(gòu)成的夾角。ω在[0,1]，當(dāng)ω≥0.70時(shí)，說明林分狀態(tài)極佳；當(dāng)ω在[0.55,0.70)時(shí)，說明林分狀態(tài)良好；ω在[0.40,0.55)時(shí)，說明林分狀態(tài)一般；ω在[0.25,0.40)時(shí)，說明林分狀態(tài)較差；當(dāng)ω≤0.25時(shí)，說明林分狀態(tài)極差[11]。

2.4 數(shù)據(jù)處理

通過林分空間結(jié)構(gòu)分析軟件Winkelmass1.0計(jì)算混交度、角尺度和大小比數(shù)，為避免邊緣效應(yīng)，每塊樣地設(shè)置2 m的緩沖區(qū)；運(yùn)用Excel 2016處理空間結(jié)構(gòu)參數(shù)、計(jì)算林分狀態(tài)指標(biāo)；利用CorelDRAW 2020和Adobe Photoshop CC 2019繪制林分狀態(tài)單位圓圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 間伐對黃山松人工林林分空間結(jié)構(gòu)的影響

3.1.1 間伐對林分混交度的影響 統(tǒng)計(jì)并計(jì)算黃山松人工林不同間伐強(qiáng)度前后混交度頻率分布(表2)可知，弱度間伐前后林分平均混交度分別為0.702和0.709，且分布在強(qiáng)度、極強(qiáng)度混交等級上的頻率之和分別為0.638和0.643，其中極強(qiáng)度混交的頻率從0.264增加到0.317，較采伐前林木比例提升5.3%；中度間伐處理后林分平均混交度由0.733提升到0.754，處于強(qiáng)度、極強(qiáng)度混交等級上的林木比例之和由0.695提升到0.709，其中處于極強(qiáng)度混交等級的林木比例提升4.5%；重度間伐后林分平均混交度由0.709提升到0.750，強(qiáng)度和極強(qiáng)度混交的林木比例之和由0.621增加到0.705，且極強(qiáng)度混交的林木比例提升尤其明顯，從0.324到0.410，增加了8.6%。3種間伐強(qiáng)度處理均提高了林分的平均混交度，提升幅度由大到小依次為重度間伐、中度間伐、弱度間伐，說明間伐有利于改善林分的樹種空間隔離程度，而相對于弱度間伐，強(qiáng)度間伐對林分的混交程度的提升較大。

表2 不同間伐強(qiáng)度前后的林分混交度頻率分布

表3 不同間伐強(qiáng)度前后的林分角尺度頻率分布

3.1.3 間伐對林分大小比數(shù)的影響 由表4可知，3種間伐強(qiáng)度處理前后各林分大小比數(shù)等級上的林木比例相差不大，都在20%左右。弱度間伐前后林分中處于優(yōu)勢生長狀態(tài)(包括優(yōu)勢和亞優(yōu)勢)的林木比例分別為0.394和0.376，處于被壓生長狀態(tài)(包括劣勢和絕對劣勢)的林木比例分別為0.382和0.408；中度間伐后優(yōu)勢狀態(tài)的林木比例沒有變化，仍為0.410，被壓林木的比例有所增加，由0.355增加到0.395；重度間伐后，林分中的優(yōu)勢林木和被壓林木的比例均無明顯變化，優(yōu)勢林木比例分別為0.412和0.410，被壓林木比例分別為0.419和0.426。林分中弱度間伐、重度間伐前平均大小比數(shù)均為0.497，間伐后平均大小比數(shù)分別為0.503、0.500，數(shù)值變化不大；中度間伐后林分大小比數(shù)均值由0.466增加到0.487，但林分仍處于中庸水平。整體來說，3種間伐強(qiáng)度均對林分林木大小分化程度影響不明顯。

表4 不同間伐強(qiáng)度前后的林分大小比數(shù)頻率分布

3.2 間伐對黃山松人工林林分穩(wěn)定性的影響

選取能夠合理反映林分穩(wěn)定性的林分結(jié)構(gòu)狀態(tài)指標(biāo)，并對各指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算并采取賦值、標(biāo)準(zhǔn)化和正向處理，其結(jié)果見表5。由表5可知，不同采伐強(qiáng)度前后各樣地在垂直結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)及年齡結(jié)構(gòu)上無明顯變化：林分水平分布均處于隨機(jī)分布，直徑分布呈“多峰”型；林分的樹種多樣性在經(jīng)過弱度間伐處理后有所提高，由0.730增加到0.777；中度間伐對林分的物種多樣性影響不大，間伐前后分別為0.790和0.792，重度間伐后林分的物種多樣性變化明顯，由0.730提升到0.835；弱度、重度間伐前后林分的樹種組成系數(shù)均為2，中度間伐后林分的樹種組成系數(shù)由1變?yōu)?；林下更新多樣性經(jīng)過間伐作業(yè)后均有所提高，弱度、中度、重度間伐分別提高了0.012、0.021和0.025；弱度間伐后林分長勢有所提升，中度間伐后林分長勢則稍有下降，重度間伐后林分長勢無明顯變化?？傮w來說，3種間伐強(qiáng)度下林分優(yōu)勢度均>0.5，林分長勢均較好；弱度、重度間伐均提高了樹種優(yōu)勢度，分別由0.823、0.756提升到0.840、0.793，中度間伐后的樹種優(yōu)勢度變化不大，分別為0.854、0.848。因此，3種間伐強(qiáng)度分別從相同或不同林分指標(biāo)對林分的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的正面影響。

表5 不同間伐強(qiáng)度前后林分的狀態(tài)特征

采用單位圓分析法計(jì)算并運(yùn)用CorelDRAW 2020作圖得到不同間伐強(qiáng)度前后林分ω及林分狀態(tài)單位圓圖(圖1)。從圖1可以得出，弱度間伐后林分的ω為0.460，相比間伐前的0.476提高了3.48%，弱度間伐前后的ω均處于[0.40,0.55)等級上，林分狀態(tài)為一般；中度間伐前林分ω0.394，處于[0.25,0.40)，林分狀態(tài)較差，而間伐后ω提高21.32%，增加到0.478，林分狀態(tài)提升為一般；經(jīng)過重度間伐的林分ω由0.436增加到0.465，提高6.65%，林分狀態(tài)仍為一般。這說明不同強(qiáng)度的間伐均能提高林分穩(wěn)定性，其中，中度間伐對林分狀態(tài)的影響最明顯，有效地增強(qiáng)了林分的穩(wěn)定性。

注：A.弱度間伐前；B.弱度間伐后；C.中度間伐前；D.中度間伐后；E.重度間伐前；F.重度間伐后。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

間伐能有效優(yōu)化黃山松人工林結(jié)構(gòu)，其中，中度間伐對林分狀態(tài)的影響最明顯，弱度、重度間伐雖也增強(qiáng)了林分的穩(wěn)定性，但對林分狀態(tài)的優(yōu)化提升并不明顯。間伐能夠優(yōu)化林分空間結(jié)構(gòu)并提高林分的穩(wěn)定性，其中，中度間伐能夠改善林分空間結(jié)構(gòu)并使林分變得更加健康穩(wěn)定，而弱度、重度間伐相對于中度間伐對林分空間結(jié)構(gòu)和林分穩(wěn)定性的優(yōu)化并不明顯，因此中度間伐對林分整體的影響最有利。

4.2 討論

4.2.1 不同間伐強(qiáng)度對黃山松林分空間結(jié)構(gòu)的影響 理想狀態(tài)下的林分空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為林分的混交度高、角尺度為隨機(jī)分布狀態(tài)并且大小比數(shù)較小[20]，而現(xiàn)實(shí)林分的林分空間隔離程度、水平空間分布格局和大小分化程度極少同時(shí)處于極佳的狀態(tài)，這就需要采取一定的措施及方案使林分整體達(dá)到這樣一個(gè)理想的狀態(tài)[21]。適度的間伐能夠使林分的空間結(jié)構(gòu)得到明顯的優(yōu)化，從而達(dá)到森林經(jīng)營管理的理想目標(biāo)。本研究分析了不同強(qiáng)度間伐前后林分空間結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果表明，間伐增加了林分的空間隔離程度，其中重度間伐對混交度提升最明顯，中度間伐次之，這與馬映棟等[7]的研究結(jié)果相反，原因可能是黃山松人工林中的優(yōu)勢樹種黃山松大多為大徑階林木，其他樹種多為天然萌發(fā)的中小徑階林木，間伐作業(yè)中采伐的林木以黃山松為主要目標(biāo)，隨著間伐強(qiáng)度的增加，伐除的黃山松占比也相對增加，而單木周圍為同種林木的比例則相應(yīng)地有所下降。弱度和中度間伐對林分整體的角尺度影響較小，林分的角尺度在經(jīng)過弱度和中度間伐后仍為隨機(jī)分布，而重度間伐使林分的空間分布格局由隨機(jī)分布向均勻分布過渡，這與朱玉杰等[21]的研究結(jié)論相似，即當(dāng)采伐強(qiáng)度過大時(shí)，林分的水平分布格局趨向于均勻分布。間伐對林分的大小分化程度影響較小，與馬映棟等[7]、周蔚等[22]的研究結(jié)果相一致，這可能是由于大小比數(shù)更多反映的是林分空間結(jié)構(gòu)單元內(nèi)林木之間的競爭情況，而對林分整體的競爭情況的描述并不理想[8]。

4.2.2 不同間伐強(qiáng)度對黃山松林分穩(wěn)定性的影響 林分的穩(wěn)定性不是某一單個(gè)因子體現(xiàn)，是群落內(nèi)各因子共同作用的綜合特征[23]。本研究選取了林分垂直結(jié)構(gòu)、林分水平結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)、樹種多樣性、樹種組成、林分更新、林分長勢和頂級種競爭8個(gè)林分空間和非空間因子對林分穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價(jià)。弱度間伐后林分的各狀態(tài)指標(biāo)值變化較小，其中樹種多樣性、林下更新多樣性、林分優(yōu)勢度和樹種優(yōu)勢度有小幅度增長，林分經(jīng)過中度間伐處理后，其林分組成、林分更新得到改善，林分優(yōu)勢度有所下降，其中林分組成優(yōu)化明顯，經(jīng)過重度間伐處理的林分的樹種多樣性、林下更新多樣性和樹種優(yōu)勢度的參數(shù)值均有所上升，水平結(jié)構(gòu)處于隨機(jī)分布與均勻分布之間。說明3種間伐強(qiáng)度分別從相同或不同林分指標(biāo)對林分的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的正面影響。運(yùn)用單位圓分析法對間伐前后的林分狀態(tài)值進(jìn)行計(jì)算分析得出，弱度、重度間伐后的林分狀態(tài)均有所提升，但林分狀態(tài)均仍為一般，林分在經(jīng)過中度間伐后林分狀態(tài)由較差提升為一般。研究中的結(jié)果為林分間伐后兩年得到的效果，而林分的更新與生長是一個(gè)長期觀測的結(jié)果，隨著林分的生長，林分內(nèi)的各狀態(tài)指標(biāo)是否會有較大的變化，不同間伐強(qiáng)度林分的林分穩(wěn)定性的是否會得到提升，采伐強(qiáng)度是否仍以中度間伐為宜等，這些均需以后對研究區(qū)內(nèi)樣地的進(jìn)一步工作來進(jìn)行驗(yàn)證。