采伐对蒙古栎次生林林分生长和林分结构的影响

董莉莉,刘红民,汪成成,殷方升,高英旭,丁 磊,陆爱君

(1.辽宁省林业科学研究院,沈阳 110032；2.辽宁省公共资源交易中心,沈阳 110001；3.辽宁省森林经营研究所,辽东 丹东 118002)

林分结构是研究森林结构的基本单元,既是森林经营和分析中的重要因子,也是实施森林经营活动的具体对象。提高林分结构的多样性和复杂性,被认为是实现森林生态系统生物多样性维持和增加的基础,是实现精准提升森林质量的有效途径,一直是森林经营研究的重要问题[1]。目前,关于林分结构的研究主要集中在不同森林类型树种组成[2-3]、年龄结构、径级结构[4]和空间结构特征[5-7]的简单描述,以及林分结构对林下植被多样性[8]、生产力[9-10]和土壤养分[11]的影响等方面,关于森林经营措施对林分结构尤其是林分空间结构影响的报道尚不多见,而探究森林经营活动对林分结构的影响对实现森林可持续发展具有重要意义。

蒙古栎(Querusmongolica)为壳斗科(Fagaceae)栎属(Quercus)落叶高大乔木,是我国东北、华北山地森林的主要建群树种[12]。由于长期不合理的森林经营,导致辽东山区蒙古栎林群落结构和生态功能不断退化,以中、幼龄林居多[13],存在结构单一、稳定性差、生产力和生态功能低等问题。如何通过科学、合理的经营措施,改善林分结构,提高林分质量,充分发挥其生态和经济效益是丞待解决的问题。本研究以辽东山区蒙古栎天然次生林为研究对象,分析择伐强度对蒙古栎天然次生林生长和林分结构的影响,探讨林分经营的合理择伐强度和择伐方式,以期为实现蒙古栎次生林高效、稳定、可持续经营提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于辽宁省本溪县碱厂林场,地理位置为41°7′～41°17′N,124°27′～124°38′ E,属于中温带季风性湿润气候区。年均温5℃；年均降水量1 082mm,降水量分布不均匀,7—8月降水量占全年的55%；无霜期125d。属于长白山山脉的余脉,土壤为典型的棕色森林土和暗棕色森林土。乔木层主要树种有蒙古栎、花曲柳(Fraxinusrhynchophylla)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、紫椴(Tiliaamurensis)、红松(Pinuskoraiensis)、色木槭(Acerpictum)、春榆(Ulmusdavidianavar.japonica)等；林下灌木主要有卫矛(Euonymusalatus)、龙牙楤木(Araliaelata)、胡枝子(Lespedezabicolor)、东北山梅花(Philadelphusschrenkii)等；常见的草本植物有五味子(Schisandrachinensis)、尾叶香茶菜(Rabdosiaexcisa)、水金凤(Impatiensnoli-tangere)、荨麻叶龙头草(Meehaniaurticifolia)等。

2 研究方法

2.1 样地设置和调查

2012年在全面踏查的基础上,选择立地条件和生长状况基本一致的52a生蒙古栎天然次生林,按蓄积量计算,设置3种采伐强度的作业区(强度采伐(40%),中度采伐(29%)和对照(0%)),不同作业区间设置50m隔离带。依据间密留疏,留优去劣的原则,去除被压木、濒死木和枯立木及干形不良的干扰树。采伐后样地情况如表1所示。在每块作业区内设置25m×40m的标准地,对标准地内胸径≥5cm的林木进行每木检尺,记录树种名称、位置、胸径、树高、冠幅、枝下高及生长情况,每隔2～3年复测1次。同时,在各标准地的四角和中心分别设置面积为2m×2m的灌木样方和1m×1m的草本样方(共设置了15个灌木和15个草本样方),并对样方内灌木、草本及更新情况进行调查,同样也是每隔2～3年复测1次。

表1 伐后样地基本情况Tab.1 Basic situations of sample plots after cutting

2.2 指标计算

2.2.1材积与蓄积量

采用辽宁东部林区柞树、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[14]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,计算采伐后不同时间林分的蓄积年生长率。

蓄积年生长率采用普雷斯特公式[15]计算,即:

(1)

式中:Pn为n年间的蓄积量年均生长率；ya和ya-n分别为a和a-n年的蓄积量。

2.2.2林分空间结构指数

选取混交度、角尺度、Hegyi竞争指数作为表达林分空间结构的参数。同时为消除边缘效应对林分空间结构的影响,设置2m缓冲区。本研究空间结构单元数n取4。

1)混交度定义为与中心木不属同种的相邻木占所考察相邻木的比例[16],其公式为:

(2)

式中:Mi为第i株目标树的混交度；n为相邻木数量；vij取值为

2)角尺度定义为夹角小于标准角(取值为72°)的个数占所考察相邻木的比例[17],其公式为:

(3)

式中:Wi为第i株中心木的角尺度；n为相邻木数量；zij取值为

3)竞争指数。采用Hegyi简单竞争指数[18]计算林木所承受的竞争压力,用四邻木法确定竞争木,计算公式为:

(4)

式中:CIi为对象树i的简单竞争指数；Di为对象树i的胸径；Dj为对象树周围第j竞争树的胸径(j=1,2,3,4)；DISTij为对象树i与竞争树j之间的距离。

2.3 数据统计与分析

利用SPSS 20.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)、差异显著性检验和Duncan多重比较；利用Excel 2013进行作图；采用ArcGIS对林分的空间结构进行分析。

3 结果与分析

3.1 采伐对林分生长的影响

3.1.1林分平均胸径生长变化

分析林分胸径生长动态可知,强度、中度采伐,其林分平均胸径在采伐后的各个生长阶段均高于对照,且随着采伐强度的增加而增大。在伐后7年,强度、中度采伐林分平均胸径分别比对照增长6.9cm和5.2cm(图1)。在林分胸径定期生长量方面(图2),强度、中度采伐在伐后前5年均明显高于对照,而在伐后5—7年间均低于对照,主要是由于在这期间大量小径木枯死,导致林分平均胸径和胸径生长量大幅增加所致。7年间胸径增加量表现为:强度采伐最大,为3 cm；其次中度采伐,为2.7cm；对照最少,为2.6 cm。由此可知,采伐促进了林分胸径的生长,且表现为采伐强度越强,胸径生长量越大。

图1 不同采伐强度蒙古栎林胸径生长过程Fig.1 DBH growth process in Q.mongolica forests with different cutting intensity

图2 不同采伐强度蒙古栎林胸径定期生长量Fig.2 Periodical increment of DBH in Q.mongolica forests with different cutting intensity

3.1.2林分单株材积生长

方差分析结果表明,强度、中度采伐活立木单株材积在伐后不同生长阶段均显著高于对照(P<0.05),在伐后7年,分别为对照的1.8倍、1.5倍；在单株材积生长量方面,强度、中度处理显著高于对照(P<0.05),分别比对照增加41.5%,15.4%,且强度、中度采伐之间差异也显著(P<0.05)(表2):

表2 不同采伐强度单株材积比较Tab.2 Multiple comparison of volume per plant at different cutting intensities m3

可见,采伐促进单株活立木材积的增加,且采伐强度越大,单株材积生长量越大。

3.1.3林分蓄积生长变化

由表3可知:采伐样地林分蓄积量较对照均有不同程度的减小,采伐当年,强度、中度采伐林分蓄积量分别低于对照22.68%和17.42%；但采伐促进了林分蓄积生长加快,伐后7年,强度、中度采伐蓄积分别增加了38.36m3/hm2和43.47 m3/hm2,高于对照(21.61 m3/hm2)77.51%和101.06%。进一步分析林分蓄积生长率可知:除强度采伐在伐后初期(2年),由于采伐时砸伤的部分林木枯死,导致林分蓄积生长率低于对照外,其它生长阶段,采伐样地林分蓄积生长率均高于对照；伐后7年,林分平均蓄积生长率表现中度采伐>强度采伐>对照。综上,说明了采伐虽然降低了林分的蓄积量,但能够提高林分蓄积生长速度。同时研究还发现,强度采伐在采伐初期(伐后2年),林分蓄积生长率较低。

表3 不同生长阶段蒙古栎林蓄积和蓄积年生长率Tab.3 The volume and annual growth percentage of volume of Q.mongolica forests at different growth stages

3.1.4林分径级结构变化

不同采伐强度林分各生长阶段径级分布如图3所示。强度和中度采伐林木径级分布曲线呈单峰型曲线,对照为多峰曲线,且各样地均表现为随时间的推移,小径级林木逐渐减少,中大径级林木逐渐增加。采伐7年后,强度、中度采伐样地胸径≥26cm径级林木所占比例明显高于对照,表现为强度采伐>中度采伐>对照；而胸径≤14cm径级林木所占比例明显低于对照,仅为2.08%和0%(图4)；强度采伐在36cm和38cm径级均有一定比例的林木,中度采伐主要集中在24～30cm径级范围内。

图3 各样地不同生长阶段林分径级分布Fig.3 Distribution of stand diameter class at different growth stages in all plots

图4 采伐7年后林分径级结构分布Fig.4 Distribution of stand diameter class after cutting for 7 years

总体上来看,采伐促进了林木径级分布曲线逐渐向右偏移,且采伐强度越大,右偏幅度越大。表明采伐有助于提高中、大径级林木比例,且采伐强度越大,大径级林木比例越高。

3.2 采伐对林分枯死率的影响

比较不同生长阶段林分枯死率可知(表4),强度采伐在采伐初期(伐后2年),枯死率相对较高,为4%,此后,各间隔期枯死率均为0；中度采伐在伐后的5年内枯损率均为0,而后在5—7年间的枯损率为1.61%；对照在伐后0—2年内,枯损率相对较低,为1.59%,但随后的2—5年和5—7年枯死率均大于10%。伐后7年,林分总枯死率表现为对照>强度采伐>中度采伐,强度、中度采伐样地枯死率仅为对照的18.00%和7.20%。由此可知,采伐能够在很大程度上降低林分的枯死率,提高林分质量,但采伐强度过大,在采伐初期林分的枯死率较高。

表4 不同采伐强度各间隔期林分枯死率Tab.4 The rate of tree mortality in different interval with different cutting intensity %

3.3 采伐对林分空间结构的影响

3.3.1树种隔离程度

由表5可知,强度、中度、对照林分的平均混交度分别为0.04,0.00和0.43,强度、中度采伐属于零度混交,对照属于中度混交。结合混交度频率分布可知:强度和中度采伐样地中零度混交所占比例均大于90%,说明这两个样地中绝大多数林木处于单种聚集状态,近似于纯林；在对照样地中,零度混交所占比例为28%,处于强度和极强度混交林木比例之和为34%,说明在对照样地中,处于单种聚集状态的林木较少,大多数的林木处于与其它树种混交状态,树种隔离程度相对较高。

表5 不同采伐强度蒙古栎林混交度及其频率分布Tab.5 Mean value of mingling degree and its frequency distribution of Q.mongolica under different cutting

3.3.2林分空间分布格局

对林分角尺度及其频率分布进行分析可知(图5),中度采伐样地平均角尺度为0.483(0.475≤Wi≤0.517),属于随机分布；强度、对照样地的平均角尺度分别为0.519,0.570,Wi>0.517,属于聚集分布。与对照相比,中度采伐样地内处于随机分布林木比例有所增加,而处于聚集和绝对聚集分布林木比例降低,林分整体处于随机分布状态；而强度采伐降低了随机分布林木的比例,增加了均匀分布和聚集分布林木的比例。

图5 不同采伐强度蒙古栎林角尺度及其频率分布Fig.5 The mean uniform angle index and its frequency distribution of Q.mongolica under different cutting

3.3.3林分竞争压力

不同采伐强度林分Hegyi竞争指数如图6所示。强度、中度采伐林分Hegyi竞争指数分别为1.18和1.58,均小于对照林分的4.1,且表现为随采伐强度的增加而降低的趋势。表明采伐能够有效释放林木之间的竞争压力,且采伐强度越大,林木之间竞争压力越小。

图6 伐后7年不同择伐强度林分竞争指数Fig.6 The competition index of stand with different selective cutting intensity in 7 years after felling

4 结论与讨论

不同经营措施对林分的生长和林分结构产生不同的影响。采伐能够降低林分的密度,减少林木之间的竞争,为保留木创造更多的营养和生长空间,从而促进林分胸径[19-20]和单株材积[21-22]的生长。本研究也得出相同的结论,即:采伐7年后,强度、中度采伐林分平均胸径分别比对照增长6.9cm和5.2cm,单株材积分别为对照的1.8倍、1.5倍(P<0.05)。表明采伐对蒙古栎林生长具有明显的促进作用。同时,研究发现,采伐能够明显提高林分蓄积年生长率,且随着采伐强度的增加而增加,但短期内(采伐7年)采伐林分蓄积量仍低于对照。国内外一些学者研究也表明,采伐能够促进蓄积生长率的增加,但短期内仍不能弥补因保留木株数的减少而导致蓄积量的损失[20,23-27]。李春义等[28]对油松人工林研究得出，间伐6年后林分蓄积量高于对照的结论；汤景明等[29]对间伐4年后日本落叶松人工林的生长情况进行调查得出,林分蓄积量在较小间伐强度(<35%)增加,在较大间伐强度(>50%)下降的结论。可见,采伐对林分蓄积量的影响并没有统一的定论,与林分类型、发育阶段、采伐方式和强度以及伐后恢复期长短均有关。

林分径级分布是林分生长稳定性及其株间竞争的主要指标,了解和掌握林分的径级分布结构,能够为林分经营管理提供理论依据[30]。有研究表明采伐能够调整林分结构[31]。本研究中,采伐7年后,采伐林分径级分布曲线逐渐向中大径级方向偏移,且采伐强度越大,偏移幅度越大。对照样地小径材林木数量相对较多,中度采伐径级分布较为集中,强度采伐大径材数量居多,说明采伐有助于提高中大径级林木比例,改善林分结构,提高林分的质量,且大径材林木的比例随着采伐强度的增大而增大。

已有研究表明,林分郁闭后,林木之间营养和生长空间竞争激烈,从而引起一部分林木枯损死亡,采伐能够改善林地卫生条件,释放林木之间的竞争,从而降低林分的枯死率[13,32-33]。本研究也得出相同的结论。同时,研究发现,强度采伐样地枯死率在伐后初期(2年)相对较大,这一方面是因为采伐强度过大,在采伐过程中增加了压倒、损伤保留木的风险；另一方面是因为采伐强度过大,降低了林分抵御风害、雪压等自然灾害的能力,从而导致枯死率较高。因此,从可持续森林经营的角度来说,对林分结构进行调整时,采伐强度不宜过大。

采伐改变了林木的空间关系,竞争态势和分布格局[34],适度的采伐有利于优化林分空间结构,增强林分功能和稳定性[35-36]。本研究表明,中度采伐能够促进林木分布格局向随机分布方向发展,而强度采伐却降低了随机分布林木的比例,使林分整体向偏聚集分布方向发展。此研究结果与郑凤丽等[34]对中亚热带天然针阔混交林和吴蒙蒙等[37]对阔叶红松林的研究结果相一致,即适当强度的采伐能够降低林木分布的聚集度,但当采伐强度超过一定的阈值,反而增加了林分的平均角尺度。在林分混交度方面,有研究表明,适度的采伐能够提高林分的混交度,强度采伐反而降低了林分的混交度[38-39]。本研究中,采伐后林分的混交度大幅度降低,林分趋向于纯林,这可能与采伐过程中主要关注采伐强度和培育目标树种,对采伐对象选择过于粗放和随意,未重视林木的生物特性、空间位置和种间竞争关系[40]有关。

综上所述,在对林分结构进行调整时,采用中度采伐为宜,采伐强度过大,不利于林分结构的优化和稳定性的维持；在采伐木的选择上,应尽量考虑林木的生物学特性和林木空间位置,将角尺度较大,混交度较小的林木作为采伐木；同时,注意调节林木之间的竞争关系,从而优化林分的空间结构,实现森林的可持续经营。