秦岭南坡油松次生林抚育强度综合评价与决策

常 伟，党坤良，武朋辉，李明雨

(西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100)

秦岭南坡油松次生林抚育强度综合评价与决策

常 伟，党坤良，武朋辉，李明雨

(西北农林科技大学 林学院，陕西 杨凌 712100)

【目的】 确定秦岭南坡油松次生林合理抚育强度，为其生态经营和综合管理提供理论依据。【方法】 以秦岭南坡油松林为研究对象，在旬阳坝、火地塘、新矿3个林场设置36块样地，并进行了弱度(5%)、中度(15%)和强度(25%)抚育，同时设置对照样地(未抚育)，不同抚育强度样地各9块。间伐4年后，在全面分析不同抚育强度对林分结构、林分生产力、水源涵养及林下植被多样性影响的基础上，运用灰色局势决策理论进行单目标和多目标决策，确定合理的抚育强度。【结果】 单目标决策表明，中度抚育在优化林分结构、提高林分生产力方面效果最佳；强度抚育在提高林分涵养水源能力与增加林分生物多样性方面效果最佳；与未抚育林分相比，弱度抚育效果不明显。多目标决策表明，秦岭南坡油松次生林的最佳抚育强度为中度抚育，其既能优化林分结构、减小林木个体竞争，又能提高林分生产力和稳定性，促进林分水源涵养能力和林内生物多样性稳步提高，效果优于强度抚育、弱度抚育和未抚育处理。【结论】 秦岭南坡油松次生林的抚育强度应设置在15%为宜。

油松；抚育强度；灰色局势决策；综合评价

森林抚育是森林培育的一项重要手段，是进行森林科学管理的重要内容[1-3]，其目的是通过有选择地采伐部分林木来提高森林质量、改善森林生长条件、促进森林生长、增加森林碳汇和应对气候变化[4-5]。目前，我国已对东北红松林[6]、南方杉木林[7]、北京侧柏林[8]及西部辽东栎林[9]进行了大范围的抚育改造，陆元昌等[10]对海南、云南、北京等省市进行了森林经营试点研究，认为通过森林抚育能够实现林分长期稳定的生长和发育，是改善我国林木质量低下的可行方法。随着森林经营以木材生产为主转向以生态防护和社会服务为主，森林抚育已成为我国林业发展的必然措施[11]。

油松(Pinustabulaeformis)是秦岭山地分布最广泛的林分类型之一。油松生长速度快，适应性强，抗寒、耐旱能力强，有良好的保持水土和美化环境的功能，是秦岭山地的顶级群落之一，也是典型的地带性群落[12-13]。然而，近百年来对秦岭林区的不合理采伐形成了许多质量低下的次生林，严重制约着其生态功能的发挥，如何保护和经营当地天然次生林已经成为亟待解决的问题，森林抚育作为森林经营与保护的重要措施势在必行。前人对油松林的抚育研究多集中在对油松林生产力、林下生物多样性、水源涵养和土壤理化性质[14-17]等方面的影响上，但对其抚育强度的综合决策还未见报道。为此，本研究以秦岭南坡间伐4年后的油松次生林为研究对象，调查了不同强度抚育间伐后油松次生林的生长现状，在全面分析抚育强度对林分结构、林分生长、水源涵养及林下植被多样性4个方面19个指标影响的基础上，运用灰色局势决策理论进行抚育强度的综合评价，旨在探寻秦岭油松次生林生态经营模式下的合理抚育强度，为以后的森林生态经营和林地的综合管理提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于秦岭林区油松分布较广、面积较大、林分状况具有代表性的平河梁自然保护区周围的旬阳坝林场、火地塘林场、新矿林场(108°15′～108°41′ E，33°14′～34°40′ N)，海拔1 400～1 800 m，年平均降水量900～1 200 mm，年均气温12.3 ℃，极高温度36.2 ℃，极低温度-13.1 ℃，年日照时数 1 638.3 h，无霜期210 d，植物生长期130～206 d，属我国北亚热带和暖温带的过渡地带。区内森林植被类型主要是20世纪60-70年代经全面主伐后形成的次生林。调查区植被类型以油松(Pinustabulaeformis)、锐齿栎(Quercusalienavar.acuteserrata)、华山松(Pinusarmandii)、红桦(Betulaalbosinensis)为主要建群树种，伴生树种有漆树(Toxicodendronvernicifluum)、青榨槭 (Acerdavidii)、山杨 (Populusdavidiana)、灯台树(Bothrocaryumcontroversum)等。林下灌木以野蔷薇(Rosamultiflora)、南方六道木(Abeliadielsii)、华北绣线菊(Spiraeafritschiana)、卫矛(Euonymusalatus)、胡枝子(Lespedezabicolor)、白檀(Symplocospaniculata)、木姜子(Litseapungens)、悬钩子(Rubuscorchorifolius)为主，草本有披针叶苔草(Carexcanteolata)、龙牙草(Agrimoniapilosa)、茜草(Rubiacordifolia)。其土壤主要是以花岗岩、片麻岩为母质发育的山地棕色森林土，土层厚度50 cm左右。

2 研究方法

2.1 抚育强度试验设计

2010年在林分生长状况可以代表区域内平均水平的油松中龄林中按照不同的间伐强度(以蓄积量计)，在尽可能保证地形因子和树种组成基本一致的情况下设置研究样地36块，分别采取未抚育(对照)及弱度(5%)、中度(15%)、强度(25%)3个间伐强度处理，样地面积均为20 m×30 m，样地概况见表1。采用下层抚育的方法对研究样地进行抚育间伐，主要伐除林分平均胸径以下的长势较差且干形不良的林木个体，间伐木就地打枝，树干移出林地，剩余物均匀铺于林地表层。2011-2014年于每年9月对研究样地进行复测。

2.2 调查方法与指标的测定

1)生境。利用GPS确定每个样地的位置，并记录每块样地的海拔、坡向、坡位、坡度。

2)乔木层调查。记录样地内林分起源、树种名称、干形、长势、病虫害情况，测量单木坐标、树高、胸径、冠幅和林分的保留密度(以单位面积林分胸高断面积表示)，运用SVMS软件计算聚集度、优势度和混交度[18-20]等空间结构指标；根据间伐前样地调查数据，将林木按径级分组(4 cm一个径级)。根据样地调查资料，利用研究区已有油松及主要伴生树种的生物量模型估算出单株木各年的生物量[21]，然后再根据样地林分密度和径级分组情况分别计算各径级和样地的总生物量。胸径生长量和生物量生长量(林分生产力)为相邻两年的差值。年平均生长率则采用普雷斯特公式计算[22]。计算公式如下：

(1)

式中：Z为n年间的平均生长率，yt和yt-n为t年和t-n年的胸径。

3)林下植物调查。在每个样地的四角和中心共设置5个1 m×1 m的林下植物调查样方，记录灌木和草本植物名称、数量、高度、盖度、地径、生长状况，多样性指数计算公式[23-24]如下：

Shannon-Wiener 多样性指数:

(2)

(3)

式中：S为种i所在样方内物种总数，N为全部总个体数，Pi为第i个种的多度比例，即Pi=S/N。

4)林下植被生物量调查。灌木和草本的生物量测定用全株收割法，在灌木和草本样方内将植株全部挖出，并将灌木按根、茎、叶，草本按地上、地下部分分别称鲜质量后，各部分再分别取样200 g左右带回实验室于80 ℃烘干称质量，进行生物量的测定。

5)枯落物现存量和持水量。在样地对角线上设置3个1 m×1 m的枯落物调查样方，将样方内所收集的枯落物样品称取质量(m1,g)，置于80 ℃烘箱中烘干后再次称取质量(m2,g)，用单位面积枯落物的烘干质量来表示枯落物现存量(A,t/hm2)，再将烘干后的枯落物样品浸泡24 h后称取质量(m3,g)，

枯落物的最大持水率(Rm,%)、最大持水量(W,t/hm2)计算公式[25]为：

Rm=(m3-m2)/m2×100%。

(4)

W=ARm。

(5)

2.3 生态经营的综合评价方法

首先，参照许明祥等[26]提出的敏感性分析来筛选因子，选定19个代表性指标，并将其归类为林分结构指标、生产力指标、涵养水源指标和生物多样性指标4个方面：

1)林分结构指标：包括林木聚集度、优势度、混交度及灌木盖度、草本盖度、林分郁闭度、林分保留密度。

2)生产力指标：包括林木平均胸径生长量、林分生产力、平均胸径、平均树高、林分生物量(包括乔木、灌木和草本)。

3)涵养水源指标：包括枯落物现存量、最大持水率、最大持水量。

4)林下植被多样性指标：包括草本Simpson指数、草本Shannon-Wiener指数、灌木Simpson指数、灌木Shannon-Wiener指数。

其次，采用灰色局势决策理论[27-28]对不同抚育强度林分进行多目标综合决策。先确定决策矩阵，然后根据决策矩阵利用相关系数法求各个指标的权重，再求其灰色关联度，最后得到的关联度越高，说明该抚育强度对生态经营的影响越好。

2.4 数据处理

用Excel 2003和SPSS 18.0软件进行数据处理。用SPSS 18.0软件中one-way ANOVA分析各测定指标在不同抚育间伐处理间的差异；用线性模型计算各测定指标间的相关系数。

3 结果与分析

3.1 抚育强度对秦岭南坡油松林群落的综合影响

不同抚育强度对油松次生林群落各指标的影响见表2。从表2不同间伐强度对林分结构的影响来看，在间伐后4年内，中、强度抚育能够显著降低林分聚集度，控制聚集度在0.46～0.49，表现为随机分布或轻度聚集分布；弱度抚育与不抚育林分聚集度较高(0.54～0.56)，表明林分种内、种间竞争激烈[29]。抚育间伐对林分的优势度、混交度、灌木盖度影响不显著，不同抚育强度下优势度取值均在0.50 左右，表明抚育强度并不能提高林分整体的优势度，大多数林木个体为中庸木，林木分级不明显；不同抚育强度下混交度取值在0.51～0.60，林分均处于中度混交状态；灌木盖度的最大值出现于强度抚育，地点为阳坡上坡位，悬钩子生长茂盛，严重制约了林分更新。抚育后的林分保留密度随着抚育强度的增大呈现下降趋势，从(50.79±1.51) m2/hm2下降到(39.40±1.37) m2/hm2。随着抚育强度的增大，林分草本盖度不断提高，变化于0.46～0.65，强度抚育能够显著提高草本盖度，其值为0.65±0.06，高出未抚育林分41.3%。林分郁闭度随抚育强度的增加不断下降，变化于0.86～0.71，3个抚育强度均能明显降低林分郁闭度。柏广新等[30]指出，郁闭度和草本盖度共同制约着林内更新，郁闭度越低，则草本盖度越高，杂草与更新幼苗竞争，不利于幼苗的更新。本研究中，强度抚育郁闭度最低(0.71)，草本盖度最高，制约了油松幼苗的更新，这与样地实际调查情况一致，中、弱度抚育与未抚育样地草本盖度差异不明显。

注：表中数据为9次重复的“平均值±标准差”。每行数据后标不同小写字母表示在P=5%水平差异显著。

Note:The data are the average of “nine replicates±SD”.Different lowercase letters in each row show significant difference atP=5% level.

林分生产力是衡量森林生态系统稳定性的重要指标，研究抚育强度与林木生长的关系对提高森林生态系统稳定性、改善林分生态条件有重要意义[8]。由表2可见，抚育间伐能够显著提高油松林林木平均胸径生长量，其中以中度抚育的林分林木胸径平均生长量(0.99±0.11) mm最高，其次为强度抚育(0.86±0.08) mm和弱度抚育(0.73±0.09) mm的林分，分别比未抚育林分的平均胸径生长量(0.56±0.06) mm高出77.8%，46.7%和26.9%。经过不同强度抚育间伐的林分，其林分生产力均高于未抚育林分，中度抚育(7.25±1.16) t/hm2的林分生产力显著高于强度抚育(6.06±1.35) t/hm2、弱度抚育(5.69±1.30) t/hm2和未抚育林分(4.84±0.78) t/hm2，强度抚育和弱度抚育的林分生产力也高于未抚育林分，但差异不显著，弱度、中度、强度抚育下的林分生产力分别比未抚育林分高出16.13%，46.90%和20.01%。不同间伐强度能提高单株生物量,但因单位面积株数减少,故单位面积生物量并不随间伐强度任意加大而增加，反而会降低。抚育间伐对林分平均树高、平均胸径影响不显著，不同抚育强度下的林分平均胸径、平均树高均较对照略有提高。

枯枝落叶层在水土保持、水源涵养以及森林生态系统的物质循环中具有重要意义，因而成为秦岭林区相关研究的主要对象[31-32]。由表2可知，与未抚育林分相比，中、强度抚育能够显著提高枯落物现存量、最大持水率、最大持水量，其中强度抚育在改善水源涵养功能方面效果最好，3个指标值分别为(30.50±0.60) t/hm2，(200±7)%，(61.26±2.70) t/hm2，分别比未抚育林分高33.65%，11.12%和36.98%；中度抚育效果次之，分别比未抚育林分高21.4%，8.3%和14.4%；弱度抚育在水源涵养功能上效果不明显，3个指标值与未抚育样地相仿。

本研究还从生物多样性角度探究合适的抚育强度，为秦岭南坡油松次生林的合理经营及林分生物多样性的提高提供依据和参考。由表2可知，强度抚育在提高草本多样性方面效果显著，Simpson指数和Shannon-Wiener指数值分别为0.97±0.05和2.16±0.34，比中度抚育(0.77±0.05，1.76±0.28)、弱度抚育(0.74±0.08，1.82±0.29)和未抚育(0.74±0.05，1.70±0.19)显著提高；与未抚育样地相比，中、弱度抚育在草本多样性方面效果不显著，这与前人研究结果[33-34]类似。从灌木Simpson指数和Shannon-Wiener指数来看，中度(0.89±0.01，2.26±0.04)、强度(0.93±0.02，2.32±0.08)抚育在提高灌木多样性方面效果显著，弱度抚育效果(0.82±0.09，2.06±0.05)与未抚育效果(0.83±0.05，2.05±0.08)相似。这说明适度干扰能够增加林地植被物种多样性，提高林分稳定性。

3.2 秦岭油松次生林抚育强度的综合评价

3.2.1 抚育目标和对策的确定 不同抚育强度对油松次生林群落的影响表现在许多方面，为了对不同抚育强度的适宜度和合理性进行全面评价，本研究运用灰色局势决策理论，并从调整适宜林分结构、增加林分生产力、提高林分水源涵养能力和林分生物多样性等生态效益方面出发，确定以下几个目标：(1)林分结构最优；(2)林分生产力最大；(3)水源涵养能力最强；(4)林下植物多样性最高。因此抚育强度的合理选用是一个多目标决策的问题。根据上述确定的目标，选择(1)林分聚集度指数、(2)草本盖度指数、(3)平均胸径生长量指数、(4)林分生产力指数、(5)最大持水量指数、(6)灌木Shannon-Wiener指数、(7)草本Shannon-Wiener指数，共计7个目标用于综合评价与决策。具体的抚育对策有：(1)不抚育；(2)弱度抚育5%；(3)中度抚育15%；(4)强度抚育25%。

3.2.2 效果测度的选择及单目标决策矩阵 在选择的7个目标(1)～(7)中，前2个目标越小越好，故选择下项效果测度，其公式为：

rij(p)=min minuij(p)/uij(p)。

(6)

后5个目标越大越好，故选择上项效果测度，其公式为：

rij(p)=uij(p)/max maxuij(p)。

(7)

式中：uij(p)为第p个目标下第i个事件第j个对策的白化值。i=1，即将油松次生林群落的抚育强度看成一个事件；j=1,2,3,4，分别对应不抚育和弱、中、强度抚育，即将4种抚育强度看成4个对策；p=1,2,3,4,5,6,7，即指7个目标；min minuij(p)为第p个目标下第i个事件所有对策取得的白化值集中的最小者，max maxuij(p)为第p个目标下第i个事件所有对策取得的白化值集中的最大者。由上面各式计算而组成的单目标矩阵如下：

D(1)=r11(1)/s11r12(1)/s12r13(1)/s13r14(1)/s14=0.76/s110.80/s121.00/s130.87/s14

D(2)=r11(2)/s11r12(2)/s12r13(2)/s13r14(2)/s14=1.00/s110.96/s120.90/s130.73/s14

D(3)=r11(3)/s11r12(3)/s12r13(3)/s13r14(3)/s14=0.55/s110.75/s121.00/s130.85/s14

D(4)=r11(4)/s11r12(4)/s12r13(4)/s13r14(4)/s14=0.67/s110.83/s121.00/s130.88/s14

D(5)=r11(5)/s11r12(5)/s12r13(5)/s13r14(5)/s14=0.70/s110.65/s120.97/s131.00/s14

D(6)=r11(6)/s11r12(6)/s12r13(6)/s13r14(6)/s14=0.76/s110.84/s120.82/s131.00/s14

D(7)=r11(7)/s11r12(7)/s12r13(7)/s13r14(7)/s14=0.88/s110.88/s120.95/s131.00/s14

式中：sij为局势标记，它表明目标下事件与对策二元组合对应的效果测度。

从该矩阵中得出，单就优化林分结构、提高林分生产力效果而言，中度抚育效果最好；单就提高林分涵养水源功能与灌木草本多样性而言，强度抚育效果最好；单就降低草本盖度而言，不抚育效果最佳。总之，要在该矩阵中挑出效果测度最大的对应油松次生林抚育强度就能实现该目标。然而，本研究并不是单纯地追求某一目标，而是想寻找出一种既能优化林分结构、提高林分生产力和水源涵养功能，又能增加生物多样性、减小草本盖度的抚育强度。因此需要进行多目标决策选择。

3.2.3 多目标最优决策的选择 为了实现多目标的最优决策，必须将上述7个目标(1)～(7)的效果测度转化为综合效果测度，在选择的影响因子中，不同影响因子对生态经营综合评价结果的影响程度不尽相同，需要对每个指标赋予不同的权重[35]，因此采用影响因子的相关系数法确定权重，先用SPSS 18.0计算出各影响因子间的相关系数，再用公式(8)计算出各因子的权重(Wi)[36-37]。

(8)

式中：vi为第i个指标对应其他指标的相关系数；i=1，2，…，m。用式(8)计算得出W1=0.242，W2=0.015，W3=0.245，W4=0.214，W5=0.062，W6=0.019，W7= 0.203。根据公式(9)计算指标的关联度：

(9)

得出上述7个目标的综合决策矩阵D(∑)为：

=(0.714/s110.804/s120.983/s13

0.902/s14)。

从D(∑)的表述值及上述7个目标综合考虑得出：s13对应的灰色关联度最高，为0.983，其次为s14(0.902)、s12(0.804)、s11(0.714)，即秦岭林区油松次生林抚育强度的局势优劣排序依次为s13>s14>s12>s11，即中度抚育优于强度抚育，强度抚育优于弱度抚育，弱度抚育优于不抚育。

4 结论与讨论

本研究结果表明，抚育间伐能够降低秦岭林区油松次生林的聚集度、郁闭度、保留密度，增加草本盖度、平均胸径生长量、林分生产力、枯落物现存量、最大持水率、最大持水量和灌木、草本多样性，对优势度、混交度、灌木盖度、平均胸径、平均树高、林分生物量影响不大。

综合分析结果表明，中度抚育在降低聚集度，提高优势度，保留合理密度[38]，促进林分平均胸径生长量和林分生产力的稳步增长，提高枯落物现存量、最大持水率和最大持水量及灌草多样性指标方面具有突出效果；强度抚育能够保持林分总体呈随机分布或轻度聚集分布，平均胸径生长量、林分生产力增大效果明显，对枯落物现存量、最大持水率和最大持水量、林下植被多样性的提高方面效果最佳，但保留密度和郁闭度的降低，使草本盖度显著增加，不利于林分更新，影响林分稳定性，这与以往研究结果[30]一致；与未抚育样地相比，弱度抚育对林分结构调节效果不明显，林分生产力有一定提高，枯落物现存量、最大持水量和最大持水率指标降低，导致其水源涵养功能下降，林下植被多样性提高不明显，综合影响不大。这说明抚育间伐尽管能优化林分结构，提高林分生产力，但控制不好强度就会影响林分的稳定性和林内更新，在生态经营中反而起到负面影响，这与高明等[24]、田军等[39]的研究结果相似。

以往的森林经营活动以木材生产为主要目的，强调对林木个体生长及木材质量的提高。近年来人们越来越关注森林生态系统多种效应的发挥。森林的经营管理活动对森林生态系统水源涵养、生物多样性保护以及碳汇功能的影响成为专家学者研究的热点问题[7,9]。本研究结果显示，从促进森林生态系统某一方面功能的发挥来看，应选择的最佳抚育强度不尽相同，在以往的研究中也曾发现类似现象，如段劼等[8]对北京侧柏人工林的研究表明，随着抚育间伐强度的增加，林下灌草生物量增加，然而林下植被的种类在强度抚育下反而减小。为探讨如何充分发挥秦岭南坡油松林多重效益，探索既能优化林分结构、提高林分生产力和水源涵养功能，又能增加生物多样性的合理抚育强度，本研究运用灰色局势决策理论对不同抚育强度进行多目标决策，结果显示，秦岭林区油松次生林采取中度抚育(15%)措施，既能优化林分结构，减小林木个体竞争，又能提高林分生产力和稳定性，促进林分水源涵养能力和林内生物多样性的稳步提高，其效果优于强度抚育(25%)、弱度抚育(5%)和未抚育处理，这与孙飞翔等[4]从抚育间伐对单一因素的影响而得出的合理强度一致。说明秦岭南坡油松次生林生态经营的抚育强度设置在15%为宜。

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Comprehensive evaluation and decision making of thinning intensity forPinustabulaeformissecondary forest on south slope of Qinling Mountains

CHANG Wei,DANG Kun-liang,WU Peng-hui,LI Ming-yu

(CollegeofForestry,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

【Objective】 This study determined proper thinning intensity ofPinustabulaeformissecondary forest on south slope of Qinling Mountains to providing theoretical basis for ecological management.【Method】 A total of 36P.tabulaeformisplantation stands in Xunyangba,Huoditang and Xinkuang were selected and different thinning intensities including light,medium,heavy and control with the cutting ratios of 5%,15%,25% and 0% were conducted.Based on overall analyses of effects of thinning intensity on population structure,productivity,water conservation and species diversity of vegetation,single-target and multi-target decisions of different thinning intensities were conducted with grey situation decision theory 4 years after cutting.【Result】 Single-target decision indicated that medium thinning intensity had the most significant effect on optimizing the population structure and increasing the productivity,while heavy thinning intensity had the most significant effect on improving the water conservation and species diversity of vegetation.However,light thinning did not show positive effects compared with control group.Multi-target decision showed that medium thinning was the best forP.tabulaeformissecondary forest on south slope of Qinling Mountains.Thinning forest with medium intensity could optimize the population structure to decrease competition while increase the productivity,the stability of forest,the water conservation and species diversity of vegetation.【Conclusion】 15% thinning intensity was suggested forP.tabulaeformissecondary forest on south slope of Qinling Mountains.

Pinustabulaeformis;thinning intensity;grey situation decision theory;comprehensive evaluation

2014-12-04

林业公益性行业专项项目“秦岭天然次生公益林抚育经营关键技术研究”(201204502)

常 伟(1989-),男,辽宁葫芦岛人,在读硕士,主要从事生态学和森林抚育经营技术研究。 E-mail：472954597@qq.com

党坤良(1960-),男,陕西蒲城人,副教授,硕士生导师,主要从事森林生态学和森林抚育经营技术研究。 E-mail:Dangkl@126.com

时间:2015-05-11 15:03

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.06.008

S791.254；S753.7+1

A

1671-9387(2015)06-0105-08

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150511.1503.008.html