小陇山林区29年生油松人工林抚育效果评价1)

2012-08-09潘德乾赵文杰刘文桢张宋智郭小龙

东北林业大学学报 2012年12期

潘德乾赵文杰刘文桢张宋智郭小龙

(甘肃省小陇山林业实验局，天水，741020) (甘肃省小陇山林业实验局林业科学研究所)

林业生产周期长、见效慢的特点决定了运用功能评价的方法对森林经营活动结果进行评价必然具有一定的滞后性，不能掌握经营活动对森林各项指标的影响，从而不能在经营过程中及时调整经营措施，如果在经营过程中采取的措施不当，往往会造成事与愿违的结果。新的结构建模思想的出现使得传统的功能建模思想受到了很大的冲击，传统的功能评价已转向情景状态的评价［1］24。小陇山林区是我国北方典型的天然次生林区，是嘉陵江、渭河的发源地，属重要的水源涵养区，对渭河下游陕西关中平原、嘉陵江下游汉中平原和四川嘉陵江流域的生态安全有着直接和间接的关系。在维护黄土高原西部以及黄河、长江流域地区生态平衡、生物多样性保护、改善生态环境、维护区域生态系统的平衡、保障社会经济的可持续发展方面发挥着极其重要的作用［2］。小陇山林区总面积 83.02 万 hm2，林地面积81.4万hm2，其中中幼龄林面积41.2万 hm2(天然林中幼龄林31.0万 hm2，人工中幼龄林10.2万hm2)。林区森林覆盖率63.6%，活立木总蓄积为3 451万m3。2009年作为国家级森林抚育试点林区，开展中幼龄林抚育工程。为了准确评价中幼龄林抚育效果，以小陇山百花林场中幼林抚育区具有代表性的油松人工林为研究对象，运用结构化森林经营理论与方法［1］46，通过对林木水平分布格局、竞争关系及林分树种组成等的分析，确定经营方向及目标，并对油松人工林抚育间伐前后林分的树种组成、树种多样性、空间利用程度和竞争态势等状态变化进行分析，研究小陇山林区中幼龄林抚育措施效果，以期为实现小陇山林区森林可持续经营提供依据。

1 研究地区及林分概况

实验区设在小陇山林业实验局百花林场仙坪营林区87林班1号小班，地理坐标为34°16'22.6″N，106°26'43.4″E，坡度 31°，海拔 1 685 m，年均降水量510 mm，无霜期185 d。土壤以褐色森林土为主。林分为油松人工林，造林时间1978年，方式为改造更新，造林密度为 5 000/hm2(株行距为 1.3 m×1.3 m)，经营前林分郁闭度0.9，林龄29 a。乔木层主要树种为油松、辽东栎、锐齿栎(Quercus aliena var.acutiserrata)、青榨槭(Acer davidii)、白桦(Betula platyphylla)、鄂椴(Tilia oliveri)、漆树(Toxicodendron verniciflus)、华山松(Pinus armandii)、茶条槭(Acer ginnala Maxim)、红桦(Betula albo-sinensis)、五角枫(Acer mono Maxim)、黄榆 (Ulums macrocarpa Hance)、梾木(Swida macrophylla)、大叶椋子(Swida macrophylla)、杜梨(Pyrus betulaefolia Bunge)、秦岭白蜡(Fraxinus paxina Lingelsh)、黄花柳(Salix caprea Linn)、毛梾(Swida walteri)、桦叶四蕊槭(Acer tetramerum var.betulifolium)。平均胸径11.7 cm，平均高11.2 m，每公顷蓄积 156.57 m3。林下灌木以白檀(Symplocos paniculata)、平榛(Corylus heterophylla)、葱皮忍冬(Lonicera ferdinandii)为主，平均高0.42 m，平均盖度12%，团块状分布。草本以垂穗苔草(Carex dimorpholepis)、茖韭(Allium victorialis)、心叶淫羊霍(Epimedium brevicornu)为主，平均高0.26 m，平均盖度5%。

2 研究方法

2.1 抚育间伐与调查方法

2007年6月，以结构化森林经营理论为基础，进行了抚育间伐试验，将全部林木标记为保留木和采伐木，间伐强度为34%，并设置了未间伐的样地作为对照。观测样地面积为0.36 hm2(60 m×60 m)。采用T72型GPS对实验区进行定位确定地理坐标、海拔，并在样地内，用罗盘仪和超声波测距仪对样地内胸径大于5 cm的林木进行每木定位、检尺，记录树种、株数、年龄、树高、枝下高、胸径、冠幅;并在样地内的四角和中心设置5 m×5 m的样方5个，进行灌木和草本的调查，记录灌木和草本的种类、高度、盖度、株数。采用罗盘仪测定坡向、坡度。利用SVMS软件分析试验区林分的角尺度、物种多样性指数［3］、混交度、大小比数和优势度、开敞度，确定林木间的相互关系。2011年7月进行了复查。

2.2 林分状态分析

运用林分空间结构分析方法，分别计算抚育间伐前后林分的组成、空间结构如角尺度［4-6］、混交度［7-8］、大小比数［9］和优势度［1］147-148、开敞度参数［10］等指标，并分析评价抚育间伐后林分生长与植物多样性变化。

2.2.1 物种多样性指数

物种多样性是指一个群落中物种数目和各物种的个体数目分配的均匀度，反映了群落组成中物种的丰富程度及不同自然地理条件与群落的相互关系，以及群落的稳定性与动态，是群落组织结构的重要特征［1］146。

Shannon-Wiener多样性指数：

式中：H'为Shannon-Wiener多样性指数;pi为第i个树种株数在林分树木总株数中所占百分比;s为林分中树种的数目。

2.2.2 角尺度

角尺度Wi被定义为a角小于标准角a0(72°)的个数占最近4株相邻木的比例［4-5，11］，用公式表示为：

样地内林木角尺度在［0，0.475)之间，表明林分处于均匀分布;角尺度在［0.475，0.517］之间，表明林分处于随机分布;角尺度在(0.517，1］之间，表明林分处于团状分布。

2.2.3 混交度

混交度Mi用来说明混交林中树种空间的隔离程度［8，12］。定义为参照树i的4株最近相邻木中与参照树不属同种的个体所占的比例［1，7，11］，用公式表示为：

2.2.4 大小比数和优势度

大小比数(Ui)是指胸径大于参照树的相邻木占 4 株最近相邻木的比例［1］32-34，［9，11］，用公式表示为：

即：4株相邻木胸径都大于参照树时，参照树的大小比数为1.0，表明参照树处于绝对劣势;都小于参照树时，参照树为绝对优势(0);其他依次类推为：亚优势(0.25)、中庸(0.5)、劣态(0.75)。树种的优势度用相对显著度和树种大小比数的结合［1］148来表达，公式为：式中：Dsp为树种优势度;Dg为相对显著度;¯Usp为树种大小比数。

树种优势度的值介于0～1之间。接近1表示非常优势，接近0表示几乎没有优势。

2.2.5 开敞度

开敞度参数表示的是林木发展的可能性和经营空间的大小。在此定义为：林内任意一株林木到最近的4株相邻木水平距离与它们各自高度比值之和［10，13］。可用下式表示：

式中：ki为第i株树木的开敞度;dij为样点到第j株树的距离;hij为第j株树的高度。

3 结果与分析

3.1 林分组成和径级结构

保留木为林分中的优势木，同时是具有较高经济价值的优势树种，抚育间伐前后优势树种的平均胸径和平均树高略有上升，群落保持着相对稳定的优势。伐掉了处于相对劣势的小径级材，为中径级长势良好的林木个体创造了良好的生存空间，并保留了阔叶伴生树种，使林分混交度有所上升，树种隔离程度提高，使林分结构进一步稳定(表1)。

表1 小陇山林区油松林抚育间伐前后主要树种测树因子

表2为林分经过抚育间伐后直径分布变化情况，由于抚育间伐主要针对中径级和一些小径级中无培育前途的受挤压木以及角尺度为0.25和0.75的乔木进行采伐调整，各树种径级频率分布随林分结构调整有所增长，但林分直径分布结构变化不大。

表2 经营前后直径分布的变化%

3.2 空间利用程度

3.2.1 抚育间伐强度与林分郁闭度的变化

试验区样地抚育间伐前林分共有林木3 119株(D≥5.0 cm)，总胸高断面积为 29.0 m2。抚育间伐后样地林分共有林木1 881株(胸径≥5.0 cm)，总胸高断面积17.3 m2，按林木株数和胸高断面积计算，间伐强度分别为39.7%和34.0%，明显高于15%。由于林分初植密度较大，每公顷达3 120株，未及时进行林分生长抚育，抚育间伐前林分郁闭度为1.0，间伐强度偏大有助于林分生长及其它树种的更新。抚育间伐后郁闭度保持在0.7，有利于林分植被的快速恢复，保持了林分植被的多样性，增大单株生存空间。

3.2.2 林木分布格局

抚育间伐前林分平均角尺度为0.431，为均匀分布。为了促使林木分布格局向随机分布转变，将林分保留木中的油松和主要伴生树种的中、大径木角尺度为0和0.25的单木与其最近4株相邻木构成的结构单元作为调整对象，采用“首遇先调”的原则，调整林木的分布格局。由表3可知：初次抚育间伐后，结构单元角尺度在0、0.75和1的分布变化不大，由抚育间伐前的0、8.73%和0.79%增加到抚育间伐后的 1.42%、10.85%和 2.83%;结构单元角尺度为0.25的结构单元由抚育间伐前的38.1%减少到抚育间伐后的27.36%，角尺度为0.5的结构单元由抚育间伐前的52.38%增加到抚育间伐后的5 7.55%。总体而言，调整后林分平均角尺度为0.466，林分林木分布格局发生了由均匀分布向随机分布转化的趋势。

表3 小陇山林区油松林抚育间伐前后林分角尺度变化

3.3 物种多样性

3.3.1 物种多样性指数

通过间伐调整，实验区抚育间伐前乔木树种Shannon-Wiener多样性指数为1.88，进行抚育间伐后，林分乔木树种的Shannon-Wiener多样性指数为1.86，基本保持不变;林分内灌木和草本物种由10种降为9种，发生了轻微变化，人为干扰对灌木层和草本层产生了一定的影响。在经营5 a后灌木和草本物种由经营前10种增加到15种，说明抚育间伐使林木间空隙增大，为乡土树种的侵入和林下植物创造了有利条件和适生环境。

3.3.2 混交度

样地内抚育间伐前后林木个体与其最近4株相邻木构成的结构单元的混交度变化较大(表4)，抚育间伐前处于零度混交的比例最高，为27.36%，其次为极强度混交，比例为25%，处于弱度混交、中度混交和强度混交的比例相对较低;抚育间伐后，处于弱度混交的的比例明显下降，处于极强度混交的比例由抚育间伐前的25%上升到了37%。

表4 抚育间伐前后林分混交度变化

表5表明，抚育间伐后，油松的混交度由经营前的弱度混交变为中度混交，毛梾由抚育前的极弱度混交转变为极强度混交，这是由于毛梾原来处于丛生，经过抚育，将丛生的弱株、病株等去除掉，从而使得其周围与不同树种相邻，混交度急剧上升。抚育伐除了相邻漆树的不良个体，使漆树的混交度上升较大。白桦、杜梨和桦叶四蕊槭由于在林分中处于劣势地位，被压严重，在抚育中伐除，混交度归零。其余树种混交度变化不大，阔叶树的整体混交度都有所很高。林分抚育后零度混交的比例降到最低，为12.7%，弱度混交、中度混交的比例略有下降，强度混交和极强度混交的比例都有所增加。林分的平均混交度由经营前的0.473提高到0.627。经营后混交度(Mi)从0到1取值的比例从下降的趋势转变为上升趋势，说明林分整体混交程度有所增加，有利于林分由单层纯林向复层异龄针阔混交林结构发展。

表5 抚育间伐前后各树种混交度变化

3.4 竞争态势

由表6可知：抚育间伐前毛梾的大小比数为0.03，黄榆为 0.41，油松为 0.43，这几个树种在结构单元中的大小比数较小，在结构单元中较其它树种更具优势。结合相对显著度来看，油松总体上较其它树种具有明显优势，其次为锐齿栎和辽东栎。抚育间伐后大小比数油松为0.34，黄榆为0.41，华山松为0.53，这几个树种在结构单元中的大小比数较小，在结构单元中相对于其它树种更具优势，华山松的优势度明显提高。

3.4.1 林分生长

林分经过抚育间伐后各树种的年均生长率都有不同的变化(表7)。抚育间伐样地林木的胸径年均生长率和立木材积生长率都高于对照样地，油松胸径生长率提高了48.2%、立木材积生长率提高了54.4%;华山松胸径生长率提高了46.9%，立木材积生长率提高了42.6%;栎类胸径生长率提高了49.2%，立木材积生长率提高了66.9%;林分的胸径平均生长率提高了47.8%，蓄积生长率提高了51.7%。充分说明适宜的抚育间伐可提高林分各树种生长率，从而使林分逐步达到健康稳定的林分结构。

3.4.2 天然更新

抚育间伐样地天然更新由2007年的3 186株/hm2增加到2011年的3 541株/hm2，增加11.1%;对照样地天然更新由2007年的3 730株/hm2减少到2011年的3 365株/hm2，减少了9.8%(表8)。林分经过抚育后，林隙空间增大，随着光照、温度、水肥等条件的改善，从而促使土壤中的天然种子萌发，加快了天然更新，为林分逐步向针阔混交林演替创造了有利条件。

表6 抚育间伐前后油松林分和主要树种角尺度等参数的变化

表7 油松林间伐及其对照样地主要树种年生长率 %

4 结论与讨论

具有代表性的人工油松林中幼林抚育实验区，通过抚育间伐调整，Shannon-Wiener多样性指数基本保持不变，保持了原群落物种的稳定性和丰富度。人为干扰对林下植被产生了一定的影响。

通过林分空间结构分析，林分水平分布格局由均匀分布向随机分布转变。抚育间伐，使树木个体间的距离加大，林木的平均开敞度都有明显的增长，间伐后林木光照条件、资源空间得到极大改善，抚育间伐样地林木的胸径年均生长率和立木材积生长率都高于对照样地。油松胸径生长率提高了48.2%，立木材积生长率提高了54.4%;华山松胸径生长率提高了46.9%，立木材积生长率提高了42.6%;栎类胸径生长率提高了49.2%，立木材积生长率提高了66.9%。充分说明适宜的抚育间伐可提高林分各树种生长率。经过5 a，抚育间伐样地天然更新增加了11.1%，对照样地天然更新减少了9.8%，林分经过抚育后，林隙空间增大，随着光照、温度、水肥等条件的改善，从而促使土壤中的天然种子萌发，加快了天然更新。