抚育间伐后蒙古栎阔叶混交林径级结构及生长动态研究

董莉莉 赵济川 汪成成 刘红民 高英旭 杨 鹤

( 辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032)

蒙古栎（Quercus mongolica）阔叶混交林是我国东北地区主要的天然次生林[1]，对生态系统的稳定、生物多样性的保护和森林的可持续发展具有重要作用。由于该林分类型多以萌生为主，密度较大[2]，加之没有得到合理的经营，导致林分质量低下、结构不合理、天然更新困难，生态效益难以充分发挥等。如何通过合理的森林经营管理，改善林分结构，提高林分生产力，完善生态功能已经成为亟待解决的问题。

合理的抚育间伐强度和采伐周期，能够改善林分质量、增强林分稳定性，提高林分生产力，充分发挥森林的生态效益。因此研究抚育间伐的强度、间伐方式、间伐周期，对于实现森林的可持续经营具有重要的理论和实践意义。目前，多数研究集中在抚育间伐对林分生长[1-7]、林分结构[8-12]、生产力[13-14]、土壤性质[15-16]、生态功能（生物多样性[7-8,17]、水源涵养[18-21]、碳储量[22-23]）、木材材质[24]、林木性质[25-26]等短期效应的研究，缺少长期观测数据。另外，间伐对林分生长及林分生态功能发挥的时间效应也不是十分明确。因此，本研究以不同间伐强度蒙古栎阔叶混交林为研究对象，通过伐后23 a的复测数据，分析不同强度间伐后不同恢复时间林分生长和径级结构变化，探讨林分经营合理抚育强度和周期，为阔叶混交林的采伐作业和科学经营提供参考。

1 研究区概况

研究区位于辽宁东部山区本溪县草河口镇正沟村（123°51′～123°52′E，40°53′～40°54′N），海拔280 m，属温带季风气候，年均气温6.1 ℃，年降水量926 mm，年蒸发量1 072 mm，无霜期124～144 d。地形以低山丘陵为主，土壤类型为山地棕色森林土。植被属长白山植物区系，主要乔木树种有红松（Pinus koraiensis）、落叶松（Larixspp.）、蒙古栎、色木槭（Acer mono）、胡桃楸（Juglans mandshurica）、紫椴（Tilia amurensis）、山杨（Populus davidiana）等，林下灌木主要有胡枝子（Lespedeza bicolor）、卫矛（Euonymus alatus）、迎红杜鹃（Rhododendron mucronulatum），草本主要有宽叶苔草（Carex siderosticta）、关苍术（Atractylodes japonica）、玉竹（Polygonatum odoratum）等。

2 研究方法

2.1 样地设置

本研究试验样地为1995年设置的4块蒙古栎阔叶混交林固定样地（123°47′E，40°51′N），坡度 19°～24°，面积为 822～851 hm2。抚育间伐方式为下层抚育法，伐除径级较小的受压木、濒死木和枯立木，以及干形不良的林木，间伐强度以株数计算，设置强度间伐（41%）、中度间伐（30%）、弱度间伐（12%）和未间伐对照样地（0%）。样地自建立起每2～3 a进行复测调查，调查内容主要为胸径大于5 cm乔木的种类、胸径、树高及存活状态。各样地基本林分因子见表1。

表1 样地基本情况Table 1 Basic condition of sample plots

2.2 蓄积量及其生长率计算方法

本研究采用辽宁东部林区蒙古栎、软阔和硬阔一元立木材积表计算各树种材积，样地内所有树种单株材积之和为全林分蓄积，然后换算成每公顷蓄积量。

采用Huang[27]和胡云云等[28]提出的北方森林的生长季算法，即将1—4月、5月、6月、7月和8—12月分别定义为0、0.2、0.5、0.9和1个生长季，用于计算伐后不同时间林分的蓄积年生长率。蓄积生长率计算使用普雷斯特公式[27]：

式中：Pn为n年间的平均生长率；ya和分别为a和a-n年的蓄积量。

2.3 径级结构拟合

Weibull分布函数是由瑞典物理学家Weibull于1939年提出，因其3参数与林分特征因子有关，可以拟合不同偏度、峭度和不同林型的径级结构，在林业应用中取得良好的效果[29]。本研究采用Weibull分布概率密度函数对4块样地全林分径级结构进行拟合，Weibull分布概率密度函数见式（2）。利用Origin 9.0软件对林分径级结构进行参数拟合，采用卡方检验法对拟合效果进行检验。

式中：a为位置参数；b为尺度参数；c为形状参数；x为林木胸径。

3 结果与分析

3.1 抚育间伐对胸径生长的影响

不同间伐强度胸径生长动态见图1。由图1可知，伐后的0～23 a，各间伐样地的平均胸径在生长过程中均大于对照，伐后当年强度间伐样地的平均胸径最大（12.8 cm）；其次是中度间伐（12.1 cm）；最后为弱度间伐（12.0 cm）。随着时间的增加，弱度、中度间伐样地的平均胸径生长较快，分别在伐后第9年和第14年超过强度间伐，截止到伐后第23年，强度、中度、弱度间伐样地平均胸径分别比对照增加了0.5、1.0 cm和1.7 cm。不同间伐强度胸径定期生长量累计见图2。由图2可知，弱度间伐在整个生长过程中均高于对照，中度间伐与对照没有明显差异，强度间伐一直低于对照。

图1 不同间伐强度胸径生长动态Fig. 1 Growth dynamics of DBH in different thinning intensities

图1 不同间伐强度胸径定期生长量累计Fig. 2 Total increment of DBH in different thinning intensities

3.2 抚育间伐对林分蓄积量生长的影响

不同间伐强度蓄积量生长动态见图3。由图3可知，间伐当年除弱度间伐样地蓄积量略高于对照外，中、强度间伐样地的蓄积量均有相应程度的减小，分别比对照减少了9.20%和11.87%。但抚育间伐后，中度、强度间伐样地的蓄积生长显著加快，在伐后的第6年，蓄积量与对照接近，从伐后第9年开始超过对照，此后一直高于对照。伐后第23年，强度、中度、弱度间伐样地蓄积量分别比对照增加了3.0%、8.5%、16.9%。不同间伐强度样地蓄积年生长率见图4。由图4可知，各样地蓄积增长率随时间的增加总体呈降低趋势，在间伐后的0～9 a，3个间伐样地的蓄积生长率均明显大于对照。在伐后的9～11 a，仅强度间伐样地的蓄积生长率显著高于对照，中、弱度间伐与对照无明显差异。而伐后11～20 a，各间伐样地蓄积生长率表现为略低于对照。

图3 不同间伐强度蓄积量生长动态Fig. 3 Growth dynamics of volume in different thinning intensities

图4 不同间伐强度样地蓄积年生长率Fig. 4 The annual growth percentage of volume in different thinning intensities

3.3 抚育间伐对林分径级结构的影响

3.3.1 抚育间伐对Weibull分布曲线的影响

伐后各年林分径级结构分布见图5。由图5可知，随着伐后时间的延长，各样地Weibull分布曲线峰值位置逐渐右移，峰值逐渐变小。其中，弱度间伐样地的峰值位置向右移动距离最大，从伐后当年到伐后第23年，峰值位置从11 cm处移动到22 cm处，峰值则从0.165降低到0.103；中度和对照样地的峰值位置分别从12、10 cm处移动到20、19 cm处，峰值分别从0.177、0.279降到0.096、0.138；强度间伐峰值位置向右移动的距离最小，从12 cm处移动到17 cm处，仅移动了5 cm，峰值由0.175降到0.132。

图5 伐后各年林分径级结构分布变化Fig. 5 Weibull distribution curves of stand diameter structure after thinning

各间伐强度径级结构分布变化见图6。由图6可知，抚育间伐对各样地Weibull分布曲线有显著的影响。间伐当年，3个间伐样地的Weibull分布曲线由高峰狭窄变为低峰宽广，峰值位置向右移动，移动幅度随间伐强度增加而增大，峰值变小，大小依次为对照、中度、强度、弱度。经过23 a的生长，中度、弱度间伐样地的峰值位置较对照依然向右偏移，分别比对照右移0.6、3.5 cm，峰值比对照低0.02、0.01，而强度间伐样地的峰值位置较对照左移动1.1 cm，峰值较对照低0.005。

图6 伐后当年和伐后23年各间伐强度径级结构分布变化Fig. 6 Weibull distribution curves in the year after thinning and 23 years after thinning

3.3.2 抚育间伐对Weibull分布函数三参数的影响

间伐后林分径级结构Weibull分布函数参数变化见表2。由表2可知，Weibull分布概率密度函数位置参数a值的范围为4.57～17.99，各样地a值随伐后年限的增加呈增大趋势，且a值受抚育间伐强度的影响较大，抚育间伐当年，间伐样地的a值均大于对照，表现为间伐强度越大，a值越大。尺度参数b值的范围为1.75～4.31，间伐当年，除弱度间伐外，中、强度间伐b值均高于对照，b值随时间增加未表现出明显的变化规律。形状参数c值的范围为3.60～8.00，说明各分布曲线均为“山”形负偏曲线。在间伐当年，各间伐样地c值均小于对照，3个间伐样地间差异不明显，随着时间的增加，对照样地除伐后第14年c值较大外，其余年间c值均保持稳定，3个间伐样地c值表现为随时间的增加先增加后趋于平稳的趋势。

3.4 抚育间伐对林分枯死率的影响

不同间伐强度林分枯死率见表3。由表3可知，在伐后0～11 a，间伐样地的枯死率显著低于对照，强度间伐样地平均枯死率最低，仅为对照的19.83%，中度、弱度间伐样地的平均枯死率分别为对照的23.93%、67.87%。在伐后的11～23 a，间伐样地的平均枯死率略高于对照，表现为弱度（6.68%）＞强度（6.38%）＞中度（5.47%）＞对照（4.81%）。总体来说，强度、中度间伐样地伐后0～11 a，林分平均枯死率低于伐后11～23 a，弱度间伐前后10 a相差不大、对照样地伐后0～11 a间林分平均枯死率高于伐后11～23 a。

表3 不同间伐强度林分枯死率比较Table 3 Comparison of forest mortality among different thinning intensities %

4 结论与讨论

本研究分析了不同间伐强度蒙古栎阔叶混交林的生长动态。研究发现，间伐在一定程度上能够促进林分胸径和蓄积量的生长，降低林分的枯死率。这与前人[30-32]的研究结论相一致。间伐在一定程度上减少了林木间的竞争，增加林内光照，改善了林分卫生条件，为保留木创造了更多的养分和生长空间，从而促进了林分的生长，然而这种作用并不是一直持续的，间伐样地经过10 a左右的生长，再一次郁闭，林木之间竞争加剧，枯死率增加，蓄积生长率减少。因此，建议蒙古栎阔叶混交林在初次间伐后10 a左右林分再次郁闭时，可进行再次抚育间伐，从而提高林分生产力。

本研究采用单峰Weibull分布概率密度函数对不同间伐强度蒙古栎阔叶混交林的径级结构进行拟合，R2在0.63～0.90，卡方检验显著，说明Weibull分布函数能够较好的描述阔叶混交林的径级结构，可以用来预估阔叶混交林的直径分布、林分产量出材量及评价经营效果。同时研究发现，抚育间伐能使直径分布曲线向右移动，且右移幅度随间伐强度增加而增大，峰值变低，这表明间伐不仅能提高林分平均胸径而且间伐后林木直径分布分散，能够比较合理的利用林分的营养空间[32]。同时本研究发现，Weibull函数中参数a受间伐和林龄影响较大，这与王蒙等[33]利用Weibull分布函数对落叶松人工林直径拟合时得到的结论一致，因此，在采用Weibull参数对林分直径进行拟合时，将a设成定值是不准确的。