结构化经营对栎松混交林林分空间结构及稳定性的影响*

万 盼 刘文桢 刘瑞红 王 鹏 王宏翔 惠刚盈

(1.中国林业科学研究院林业研究所 国家林业和草原局林木培育重点实验室 北京 100091；2.甘肃省小陇山林业实验局林业科学研究所 天水 741022)

长期的过度采伐与不合理经营，导致天然林资源大幅度锐减、森林生态功能退化，亟需采取有效的经营措施提高天然林恢复速度和质量，维持其生态系统多样性和稳定性，以实现森林可持续发展(刘世荣等，2015)。目前，恒续林经营(Gayer，1882；Möller，1992)、目标树经营(Abetz，1974)、检查法择伐经营(Gurnaud，1886；Biolley，1890)、“栽针保阔”动态经营体系、“次生林综合培育”技术体系等(陈大珂等，1994；袁士云，2010)在国内外普遍实施，不同的经营措施通过对森林进行改造、转化、重建和利用，能够影响林分树种组成、林分密度、林木大小分布等，进而引起森林结构变化(Zhangetal.，2014；惠刚盈等，2009；赵中华，2009)。森林结构包括空间结构和非空间结构，其中空间结构更具重要意义，它决定了林分的发展方向(Pommereming，2006；Lietal.，2012)。角尺度、混交度、大小比数是量化和描述森林空间结构的参数，以其来指导森林结构的调节和优化具有一定可行性，因此，结构化森林经营被提出(惠刚盈等，2007)，它是以未经人为干扰或经过轻微干扰但已得到恢复的天然林的空间结构为模式，坚持以树为本的经营理念，师法自然，以优化林分空间结构为手段，注重改善林分空间结构状况，按照森林的自然生长和演替过程安排经营措施的森林经营技术。

空间结构参数也可作为评价经营措施效果的有效指标(白超，2016)。空间结构决定了林木之间的竞争态势和空间生态位，反映了林分健康状况、生长潜力和稳定性(Pretzsch，1991)，优越的空间结构能够驱使林分向更理想的状态发展。通过分析空间结构参数的一元分布，可以了解林分整体的空间信息状况(Huietal.，2014)；空间结构参数的二元分布表示3个结构参数两两之间的联合频率分布，揭示3个参数的内在结构关系，能够提供林分更加丰富和具体的微观空间结构信息(李远发，2013)。

稳定性表示森林生态系统抵抗外界环境干扰及干扰后恢复初始状态的综合能力(马姜明等，2004)，是保证森林群落能够长期存在并发挥重要作用的必要条件(Foxetal.，2017)。由于森林稳定性是生态系统结构和功能的一个综合特征，对其进行评价应是多指标的综合评价(王国宏，2002)，再加上评价的森林类型和功能不同，所以出现了不同的稳定性综合评价方法，如M.Godron 稳定性测定法(Godron，1972)、演替与比较相结合法(张明霞等，2015)、主成分分析法(闫东锋等，2006)、回归分析法(曾诚等，2016)和隶属函数值法(Yuetal.，2015)等，并没有统一的评价标准。林分状态包括森林结构和活力，用于表征林分的自然属性，林分状态优劣在一定程度上可反映林分健康质量。天然混交林最优林分状态的π值法则，即单位圆分析法是一种全新的林分状态合理性评价方法，其依据多指标综合评价原则，对森林结构和活力的多个指标进行综合评价，评价结果能够真实反映林分状态的实际情况(惠刚盈等，2016)。可见，若通过最优林分状态的π值法则分析林分状态来判别林分稳定性，将是一种新的有效评价途径。

栎类混交林是我国重要的森林类型之一，具有涵养水源、保持水土、改善土壤肥力、抗逆性和防火等生态功能(刘文桢，2015)。本研究以甘肃小陇山自然保护区百花林场大干子沟天然栎松混交林为研究对象，采用空间结构参数对比分析结构化经营样地和未经营样地林分空间结构特征变化，探讨结构化经营对栎松混交林林分空间结构的影响，并通过最优林分状态的π值法则评价二者林分状态的合理性，作为林分稳定性的评判标准，以期为结构化经营技术在栎类混交林经营中的实施和评价提供科学依据。

1 研究区概况

研究区设在甘肃天水小陇山自然保护区百花林场大干子沟。小陇山自然保护区位于甘肃省东南部，秦岭西段，地处我国华中、华北、喜马拉雅、蒙新四大自然植被区系的交汇处，地理坐标为33°31′—34°41′N、104°23′—106°43′E，海拔700～2 500 m。该区处在暖温带向北亚热带过渡地带，兼有我国南北气候特点，大多数地域属暖温湿润-中温半湿润大陆性季风气候，年平均气温7～12 ℃，极端最高气温39.2 ℃，极端最低气温-23.2 ℃，年降水量600～900 mm，主要集中于7、8、9月，年蒸发量989～1 658 mm，相对湿度68%～78%，年日照时长1 520～2 313 h，无霜期130～220天。区内秦岭以北的地带性土壤为灰褐土，以南为黄褐土，垂直分布比较明显(侯浩等，2016)。植被主要是以锐齿栎(Quercusalienavar.acuteserrata)为主的高度自然化栎松混交林，有辽东栎(Quercusliaotungensis)、华山松(Pinusarmandii)和山核桃(Caryacathayensis)等30多个树种。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

2012年，在小陇山自然保护区百花林场大干子沟设置1块50 m×50 m、2块30 m×30 m固定样地，实施结构化经营，分别记为样地1、3和5；同时设置3块20 m×20 m固定样地，不实施经营措施，作为对照，分别记为样地2、4和6。利用全站仪(TOPCON-GIS-602AF)对每块样地内胸径大于5 cm的每株林木进行定位，调查树种名称、胸径、冠幅、树高和坐标信息，并挂牌标记。样地基本概况见表1。

表1 样地基本概况

2012年，对样地1、3和5中的林分实施结构化经营，具体设计为：1)保留林分中的珍贵树种、稀有种和濒危树种，对顶极树种华山松和油松(Pinustabulaeformis)的所有个体(包括DBH≥5 cm的更新幼树)，锐齿栎中、大径木以及珍贵、濒危树种进行竞争调节；2)优先采伐干形不良、病虫危害、树干(根颈)腐朽、丛生的林木，以保持林分健康；优先伐除对保留木不利的竞争树，至少使保留木两侧不受遮盖或挤压，并促进林分异龄化；优先采伐分布在保留木一侧且与保留木树种相同的林木，以减少聚集性，增加混交；优先伐除达到目标直径(DBH≥45 cm)的栎类林木个体，但2倍树高范围内不允许连续采伐，以增加林分木材生产、促进林分价值生长，并为天然更新创造条件；采伐蓄积强度不允许超过20%。对样地2、4和6中的林分不实施任何经营措施。

2017年对所有样地进行复测，调查所有保留木的胸径、树高、冠幅等因子5年后的变化，利用这些特征值计算空间结构参数，分析结构化经营对栎松混交林林分空间结构的影响，并通过最优林分状态的π值法则对其林分状态合理性进行分析，用以表示林分稳定性。

2.2 林分空间结构指标分析

采用角尺度(W)、混交度(M)和大小比数(U)描述林分空间结构，参数定义和表达方式见惠刚盈等(2003)。统计每个指标上林木株树的相对频率，得出其分布频率，即空间结构参数的一元分布。将3个结构参数两两联合后形成混交度(M)-大小比数(U)、混交度(M)-角尺度(W)和大小比数(U)-角尺度(W)3种组合，以组合的林木株数相对频率为纵坐标、以不同取值组合为横坐标，即得到空间结构参数的二元分布(李远发，2013)。

2.3 林分稳定性评价方法

以林分状态优劣作为林分稳定性的评判标准，选择栎松混交林林分的9个状态指标(林分垂直结构、林分水平结构、年龄结构、树种多样性、树种组成、林分密度、林分长势、顶级种竞争、林木健康)作为构建稳定性评价的参数，通过最优林分状态的π值法则对林分状态合理性进行分析(惠刚盈等，2016)。计算各个指标，并对其进行赋值、标准化和正向处理，使其变成[0，1]之间无量纲数值。各个指标的计算方法和赋值标准见惠刚盈等(2016)。

利用单位圆分析法综合评价林分状态，具体如下(惠刚盈等，2016)：1)画一个半径为1的圆，将圆的360°分为9个扇形区，分别代表9个林分状态指标；2)从9个扇形区的圆心开始以放射线形式分别画出相应的指标线，并标明指标名称；3)将现实林分的相应指标值用点标记在放射线上，依次连接相邻点，构成闭合曲线，即代表现实林分状态。当所有指标都为1时，构成面积最大为π，可认为是最优林分状态。采用现实林分状态值与最优林分状态值的比值来衡量现实林分状态合理程度，其公式为：

(1)

(2)

式中：s2i=L1L2sinθ/2；ω为现实林分状态值；s1为闭合图形中扇形面积和；s2为闭合图形中三角形面积和；n为指标个数(n≥2)；m为指标等于1的个数；L1、L2分别为三角形部分的相邻指标值；θ为相邻指标构成的夹角。

ω在[0，1]之间，当ω≥0.70，表示状态极佳；当ω在[0.55,0.70)之间，表示状态良好；当ω在[0.40，0.55)之间，表示状态一般；当ω在[0.25，0.40)之间，表示状态较差；当ω≤0.25，表示状态极差。

2.4 数据统计与分析

采用Winkelmass软件处理数据，为避免边缘效应，设置5 m缓冲区，计算每块样地林分结构参数。将3块经营样地和3块未经营样地的结构参数数据分别合并在一起，通过Excel 2013软件作图，分析经营和未经营栎松混交林林分空间结构的一元和二元分布；再利用林分状态单位圆分析法计算得出样地林分状态值，并通过Cowldraw软件作图。

3 结果与分析

3.1 空间结构参数一元分布

图1 经营样地和未经营样地林分的角尺度(W)和混交度(M)

经营样地林分经营前平均角尺度为0.514，在[0.475，0.517]之间，处于随机分布到团状分布过渡段；未经营样地林分平均角尺度为0.539，属于团状分布(图1)。可见，2种林分均不属于合理的林分分布状态。实施结构化经营5年后林分平均角尺度为0.480，在[0.475，0.517]之间，属于随机分布；未经营样地林分自然生长5年后平均角尺度为0.532，仍属于团状分布(图1)。

经营和未经营样地林分经营前平均混交度分别为0.699和0.629，处于中度混交到强度混交之间(图1)。林分经营5年后平均混交度为0.772，处于强度混交到极度混交之间，混交度较经营前增加10.4%；而未经营样地林分自然生长5年后平均混交度为0.664，仍处于中度混交到强度混交之间，较之前仅增加5.5%(图1)。

3.2 空间结构参数二元分布

3.2.1 大小比数(U)-角尺度(W) 从大小比数和角尺度的二元分布(图2A、B)可以看出，在经营样地中，经营前与经营5年后的林分具有相似规律，随着角尺度等级增加(W=0～1.00)，每行大小比数对应的频率均先增加，达到最大值后再依次减小，即处于随机分布(W=0.5)轴上的频率占绝对多数，所占比例分别为57.11%和55.81%；同时，中庸到优势(U=0～0.5)且处于随机分布(W=0.5)的林木比例分别为34.18%和32.01%。可见，结构化经营5年后的林分中处于随机分布轴上的频率较经营前降低2.32%、中庸到优势且处于随机分布的林木比例较经营前降低6.79%。

如图2C、D所示，在未经营样地中，随着角尺度等级增加(W=0～1.00)，每行大小比数对应的频率均先增加，达到最大值后再依次减小，即处于随机分布(W=0.5)轴上的频率占绝对多数，所占比例为54.65%；同时，中庸到优势(U=0～0.5)且处于随机分布(W=0.5)的林木比例为38.28%。自然生长5年后的林分，与5年前表现出相似的变化规律，即处于随机分布(W=0.5)轴上的频率占绝对多数，所占比例为52.94%；同时中庸到优势(U=0～0.5)且处于随机分布(W=0.5)的林木比例为35.41%。可见，未经营林分5年后处于随机分布轴上的频率较经营前降低3.23%、中庸到优势且处于随机分布的林木比例较5年前降低8.10%。

3.2.2 混交度(M)-角尺度(W) 如图3A、B所示，在经营样地中，经营前与经营5年后林分的混交度(M)-角尺度(W)二元分布相似，最高频率出现在组合(M=1.00，W=0.50)，每列角尺度上的频率均随混交度等级降低(M=1.00～0)而减少；随着角尺度等级增加(W=0～1.00)，每行混交度对应的频率先增大后减小，并在随机分布轴时最大；同时，处于高度混交(M=1.00)且为随机分布(W=0.50)的林木比例在经营前和经营5年后的林分中分别为21.82%和26.54%，相比增加21.63%。

图2 经营样地和未经营样地林分大小比数(U)-角尺度(W)二元分布

如图3C、D所示，在未经营样地中，最高频率同样出现在组合(M=1.00，W=0.50)。随着角尺度等级增加(W=0～1.00)，(M=0.50和0除外)每行混交度对应的频率先增大后减小，并在随机分布轴时最大；同时，处于高度混交(M=1.00)且为随机分布(W=0.50)的林木比例在5年前后的林分中分别为17.26%和17.91%，相比仅增加3.75%。

图3 经营样地和未经营样地林分混交度(M)-角尺度(W)二元分布

3.2.3 混交度(M)-大小比数(U) 从混交度(M)-大小比数(U)的二元分布(图4A、B)可以看出，在经营样地中，经营前与经营5年后的林分具有相似规律，即在同一大小比数等级上，频率随着混交度等级减小逐渐减少；在同一混交度等级上，频率随着大小比数变化无明显规律。处于高度混交(M=0.75和1.00)且为中庸到优势(U=0～0.25)的林木比例在经营前和经营5年后的林分中分别为41.38%和47.11%，相比增加13.84%。

如图4C、D所示，在未经营样地中，整体来看，同一大小比数等级上，混交度低的林木比例较小、混交度高的林木比例较高。处于高度混交(M=0.75和1.00)且为中庸木到优势(U=0～0.50)的林木比例在5年前后的林分中分别为40.20%和41.35%，相比仅增加3.35%。

3.3 林分稳定性评价

如表2所示，在经营样地中，林分拥挤度、树种多样性、林分优势度、树种优势度和林木健康比例经营5年后较经营前均增加，林分水平结构经营5年后较经营前更合理。综合分析(图5)表明，经营样地中，经营前林分ω1为0.399，处在[0.25，0.40)之间，表明林分状态较差，而经营5年后林分ω2为0.507，处在[0.40，0.55]之间，表明林分状态为中等。

在未经营样地中，林分拥挤度、林分优势度和树种优势度自然生长5年后均有所降低；林木健康比例自然生长5年后有所增加，但不属于理想比例；林分水平结构自然生长5年后仍属于不合理分布格局(表2)。综合分析(图5)表明，未经营样地中，5年前林分ω3为0.287，处在[0.25，0.40)之间，表明林分状态较差，而自然生长5年后林分ω4为0.325，处在[0.25，0.40]之间，表明林分状态仍较差。

图4 经营样地和未经营样地林分混交度(M)-大小比数(U)二元分布

表2 经营样地和未经营样地栎松混交林林分状态特征

图5 栎松混交林林分状态单位圆

4 讨论

结构化经营是解决天然林经营问题适用频率最高的集成技术，其经营理念是以原始林为模板，先通过结构参数分析原始林空间结构特征，再根据“模板特征”对待经营天然林向原始林方向进行调整(惠刚盈等，2007)。本研究对实施结构化经营和未实施任何经营措施的林分空间结构特征进行分析，对比2种处理下林分空间结构参数一元分布发现，实施结构化经营5年后林分水平分布格局由经营前的近团状分布转化为随机分布，而未经营样地林分5年后水平分布格局仍为团状分布。有研究表明，理想林分中林木呈随机分布最好(陈亚南等，2015)，可见结构化经营后的林木分布属于理想的天然林林木水平分布格局，而未经营林分林木则一直处于不合理的分布格局。同样，本研究发现，实施结构化经营5年后林分混交度较经营前增加10.4%，处于强度到极强度混交状态，而未经营样地5年后林分混交度较5年前也有所增加，但仅增加5.5%，仍处于中等混交到强度混交状态，说明实施结构化经营林分林木整体混交度要远远高于未经营林分林木，分析其原因可能是经营过程中减少了单木周围的同树种林木个数，也可能是经营后的林木周围更有利于异种树种的萌生和生长。林木混交度在一定程度上可表示林分中树种多样性的高低，混交度高则树种多样性高(汤孟平等，2012)；陈亚南等(2015)指出，林分中林木混交度越高越好，说明林分空间结构越优；王宏翔(2017)和Pommerening等(2017)研究表明，林分中林木混交度高，其优势木比例高，即大树的混交度高于小树。因此，实施结构化经营后混交度增加有利于林木生长。林木大小比数是量化参照树与其周围树的大小情况，可分为胸径大小比数和树高大小比数，由于结构化经营主要以水平分布格局和混交度为调节指标，而对大小比数只考虑以调节某优势树种的优势度为主，因此，本研究没有涉及林分大小比数一元分布研究。总之，从林分水平分布格局和混交度来看，实施结构化经营可使林分空间结构更合理，更有利于林木生长。

根据以往研究，林木处于随机分布为最佳格局；林分混交度越高，其结构越优越；林分中优势林木或亚优势林木比例越高越好。因此，二元分布联合有3种优越的微观结构，即随机分布的林木且处于高度混交状态、中庸到优势状态的林木且随机分布、中庸到优势状态的林木且处于高度混交状态。本研究发现，高度混交且为随机分布、高度混交且为中庸到优势的林木比例在经营样地增加比例明显高于未经营样地；然而，中庸到优势且为随机分布的林木比例在经营样地和未经营样地均降低，但未经营样地下降比例更大。整体来看，经营措施增加并保持林分中的优势微结构，符合结构化经营的理念和目的。

群落物种多样性可反映其稳定性(Moore，2005；Ivesetal.，2007)，林分空间结构的优越性可反映森林群落的稳定性(曹小玉等，2015)。稳定性是群落各种因子共同作用的结果，不能简单断定群落物种单一的因子与稳定性之间的因果关系(马洪婧等，2013)，对其稳定性的评价应是多指标的综合评价。本研究选取林分空间和非空间因子综合分析林分状态，全面表征林分自然属性，反映林分健康质量状况，以此评价林分稳定性，更具有科学性。选取的9个林分因子包括林分垂直结构、林分水平结构、年龄结构、树种多样性、树种组成、林分拥挤度、林分优势度、顶极树种优势度和健康林木比例。对比2种处理下样地林分状态的评价因子，未经营样地林分自然生长5年后林层数较5年前减少，且减少幅度大，而经营样地林分也较5年前有所减少，但其减少幅度较小，说明结构化经营能够减缓因自然生长导致的林分分层弱化，进而使林木具有更优的生长空间。天然林林木直径结构在经营样地和未经营样地均为倒“J”形，表明其直径结构合理，有利于林分的进一步发展，同时也说明结构化经营未对林分年龄结构产生负面影响。未经营样地林分自然生长5年后，其林分拥挤度较5年前下降，而经营样地林分则相反，说明结构化经营有助于降低林分密度，但林分密度仍处于不合理状态，需进一步对其进行调节。未经营样地林分自然生长5年后，其林分优势度和树种优势度较5年前也有所下降，而经营样地林分优势度和树种优势度增加。另外，结构化经营能够较大幅度增加林分中健康林木比例，是由于经营过程中间伐了不健康的林木，同时也促进了健康林木的生长和进界。遗憾的是，本研究缺乏林分更新这一指标，若有该指标，则林分的稳定性表达将更全面。结合9个林分因子，通过林分状态单位圆分析计算得出，经营样地经营前林分状态值为0.399，表明林分状态较差，而实施结构化经营5年后林分状态值为0.507，表明林分状态为中等。未经营样地5年前林分状态值为0.287，表明林分状态较差，而自然生长5年后林分状态值为0.325，表明林分状态仍较差。可见，结构化经营能够改善林分状态，通过林分状态优劣反映林分稳定性，说明结构化经营能够增强林分稳定性。另外，以往多数研究采用模糊数学的隶属函数值法对林分稳定性进行评价，本研究通过该方法对选取的林分因子进行综合评价，同样得出经营样地林分具有较高稳定性。因此，林分状态与林分稳定性之间关系一致，说明通过林分状态优劣程度表达其稳定性是可行的。

5 结论

结构化经营可使林分水平分布格局合理、混交度大幅度增加，能够驱使林分向更理想的状态发展；空间结构二元分布也展现出实施结构化经营能够使林分中优势微结构的林木比例增高。同时，利用最优林分状态的π值法则，得出结构化经营可使林分状态由较差水平转为良好状态，林分稳定性增强。本研究结论对甘肃小陇山自然保护区栎松混交林的经营具有科学指导意义，也可为结构化经营技术的进一步实施和评价提供科学依据。