基于森林健康的刺槐人工林抚育间伐效果研究

高 建，杨 维，王迪海

(1.咸阳市林业科学研究所，陕西 咸阳 712000；2.大荔县林业技术推广站，陕西 大荔 715100；3.西北农林科技大学林学院，陕西 杨凌 712100)

森林健康是指森林具有很好的自我调节并且能保持其生态系统稳定的能力, 能够最充分地可持续发挥其生态、社会和经济效益[1-5]。随着经济和社会的发展, 全球性、地域性的环境问题在逐渐加剧, 森林的生态系统遭受多方面不同程度的破坏和威胁, 如过度砍伐、森林火灾、森林病虫害、气象灾害等, 这些干扰和破坏对森林生态系统的健康造成很大的威胁。当下如何客观的评价森林资源的健康性, 如何有效地进行森林经营, 使森林资源能够持续、稳定地为人类提供服务保障功能, 已经成为森林健康研究和森林可持续经营的首要任务之一。

抚育间伐在森林的经营管理中起到十分重要的作用。能否合理的抚育间伐对改善森林林冠层的营养空间以及地下水肥的供应条件, 保证林木个体和群体生长, 提高森林生产力具有重要的理论和实践意义。研究抚育间伐对森林生长的影响, 是优化抚育间伐作业体系及实现森林生长有效调控的需要。傅校平等[6]在研究不同间伐强度对杉木人工林生物量的影响时, 认为在不同地位级的杉木林间伐过程中, 强度间伐可以提高林分平均单株生物量,与未间伐对照林分相比,其差异达到显著水平, 说明间伐可以促进个体林木生长。Baldwin研究间伐对火炬松林分的影响认为，所有的间伐都增加了树干、树叶、树枝和树冠生物量, 间伐强度越大增加量越多。目前关于抚育间伐对林分或树木个体生长的影响研究较多，但是，有关抚育间伐对人工林健康的影响研究还较少。为此，本文通过对陕西省永寿县槐坪林场森林健康评价研究, 试图揭示抚育间伐对不同年龄刺槐人工林健康的影响,为该地区人工林经营提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于陕西省永寿县，属黄土高原南部残塬沟壑区，土壤类型为黄壤土。该区属暖温带大陆性季风气候，年均气温10.8 ℃，年均降水量610.6 mm，年均无霜期210 d。该区植被属暖温带落叶阔叶林带，现有的森林植被多为20世纪五十年代以后栽植的人工林，以刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabuliformis)和侧柏(Platycladusorientalis)为主，其中刺槐人工林约4 000 hm2，占全县刺槐人工林面积的19%；经济林有苹果(Maluspumila)、酸枣(Ziziphusjujubavar.spinosa)、核桃(Juglansregia)等；主要灌木有胡枝子(Lespedezabicolor)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)、黄蔷薇(Rosahugonis)、忍冬(Lonicerajaponica)、杠柳(Periplocasepiun)等；草本以禾本科、菊科、蔷薇科、蝶形花科、唇形花科、十字花科、伞形花科、茄科、蓼科、旋花科等植物为主。

2 研究方法

2.1 样地调查

2011年7月初刺槐生长季节，在陕西省永寿县林相整齐、生长良好的幼龄(11 a)、中龄(18 a)、近熟(25 a)刺槐人工林中分别设置12个20 m×20 m的样地(表1)，在3种林龄样地中，按4种间伐强度(25%、15%、5%、0%)分别设置3个重复样地，合计设置36块样地，间伐后经过4 a自然生长，于2015年7月进行样地调查。对乔木每木检尺，调查记录树高、胸径、冠幅、林分密度等，同时记载样地海拔、坡向、坡度等环境因子。在研究分析林分结构特征基础上，分别以树高和胸径为基础，定量比较分析间伐方法。根据永寿县森林经营实际情况，选择胸径与冠幅相关性的计算方法，计算出理论间伐强度28%[7]，间伐时优先伐去枯立木，病虫害严重或者单株材积过小的立木。但是由于永寿县林场属于水土保持林，间伐强度不宜过大，最终确定了本研究的四个梯度间伐强度(0%、5%、15%、25%)进行对比试验。

2.2 健康评价指标体系的构建

根据生态学基本原理以及国内外有关森林研究和实践的结果[8-11], 一般而言, 混交林的稳定性高于纯林;异龄林的稳定性高于同龄林;森林群落的垂直层次结构越复杂, 物种多样性越高, 食物网就越复杂, 生物调节能力就越强, 群落的稳定性就越高, 森林就越健康。在林分尺度上森林的理想结构可简单表述为复层、异龄、混交林结构, 具有比较发达的灌木层和草本层, 并且具有较高的生物多样性和生物生产力。这样的结构具有较高的稳定性、抗干扰性和活力, 是健康森林群落的理想结构。此外, 不同结构的森林生态系统, 其健康水平和功能大小是不同的[4]。

2.2.1 评价指标的遴选原则

(1)科学性

评价指标应能反映森林生态环境的本质特征及其发生发展规律, 指标的物理及生物意义必须明确, 测算方法标准, 统计方法规范。

(2)可操作性

评价指标数据易获取, 其计算和测量方法简便, 可操作性强, 实现理论科学性和现实可行性的合理统一。

(3)系统性

评价指标要求全面、系统地反映森林生态环境的各个方面, 指标间应相互补充,充分体现森林生态环境的一体性和协调性。

2.2.2 评价指标的选取 依据Costanza等[12]提出的森林健康评价模型(该模型涉及森林的结构、活力和稳定性等因子)，在系统分析和整合国内外现有研究成果的基础上[13-20]，结合陕西省永寿县槐坪林场的实际状况[21]，本着科学性、代表性、可操作性和系统性的原则, 构建陕西省永寿县槐坪林场森林健康评价指标体系。

本试验从林分结构、林分活力和林分稳定性3类因子中，选择能反映林分自身健康特性且易于测定的9个指标构建评价指标体系[22-28]，包括结构性指标、功能性指标和适应性指标3 个方面。结构性指标包括郁闭度、林分密度、平均胸径、平均树高;功能性指标包括立地质量、枯梢比和林下更新状况;适应性指标包括森林病虫害程度、森林火险等级(表1)。

2.2.3 评价体系模型的构建 依据层次分析法原理，将刺槐人工林健康评价指标体系分为3层(目标层、准则层和指标层)，按两级综合评价的思路构建评价模型。

(1)数据的标准化

对野外调查数据进行归纳处理，对指标数据进行标准化处理[20]。标准化公式为：

式中，Yi为标准化后值，Xi为指标的实测值，Xmax为该指标的最大值。

本研究中，由于双向指标在本试验中影响不大，故仍然使用公式(1)的处理方式进行处理。负相关指标使用公式X′=1-X进行转换[28-29]。

(2)权重及变异系数的计算

常见的权重计算方法有方差法、Delphi-AHP法和层次分析法。方差法确定的权重是自然状态的客观体现，不含有任何的人为因素。Delphi-AHP法和层次分析法是对自然状态的人为判断，带有一定的主观性。本研究采用这3种方法相结合的方式计算权重，即取三种方法计算所得权重的加权平均值。通过计算不同龄级指标权重的变异系数，对指标进行再次筛选，变异系数计算公式为：

式中：CV为变异系数，σ为标准差，μ为平均值。

(3)健康度指标的计算

根据Costanza等[11]提出的健康度指标(HI)构建评价模型：

式中：HI为生态系统健康指数，WBi为准则层各层权重，WCi为指标层各层权重，YCi为指标层各指标标准化值。

指标层单个指标健康指数的计算公式为：

Hi=Wi×Xi

式中：Hi为单个指标健康指数，Wi为指标权重，Xi为指标标准化值。

数据统计分析使用SPSS 20.0、OriginLab OriginPro 8.5和Excel 2007等软件进行。

2.3 健康状况等级划分

采用聚类分析的方法，对刺槐林分的健康度得分进行聚类，并根据最终聚类中心划分不健康和健康的临界值。根据聚类结果，对渭北黄土高原刺槐人工林分进行分类，分类标准见表1。健康(Ⅲ)表示林分处于健康状态，具有良好的持续发展潜力；亚健康(Ⅱ)表示林分处于亚健康状态，其持续发展存在障碍因子，应通过及时抚育解除这些因子，使林分恢复健康状态；不健康(Ⅰ)表示林分处于不健康状态，存在多项障碍因子，即使进行抚育使之达到健康水平也比较难。

表1 黄土高原人工刺槐林不同健康等级HI值

3 结果与分析

3.1 不同林龄人工刺槐林健康评价体系指标及其权重

经计算，按“陕西省森林资源二类调查实施办法”划分的渭北黄土高原人工刺槐幼龄林(11 a)、中龄林(18 a)、近熟林(25 a)健康评价体系指标及其权重如表2所示，从中可看出，不同林龄的准则层、指标层各指标权重均有差别，反映了不同林龄林地面临的健康问题或指征存在差异。

表2 渭北黄土高原刺槐人工林健康评价体系及其权重

3.2 不同年龄抚育间伐刺槐人工林健康的综合评价

渭北黄土高原永寿县槐坪林场36块刺槐人工林调查样地的健康评价结果(表3)表明，25%的样地处于健康状态，55.6%的样地处于亚健康状态，19.4%的样地处于不健康状态，总体来说，永寿县刺槐人工林健康状态不容乐观，需要继续抚育经营。

3.2.1 抚育间伐后幼龄人工刺槐林健康状况 由表3可以看出，经过不同强度(0%、5%、15%和25%)间伐的渭北黄土高原12块幼龄人工刺槐林健康状况区别较大，25%间伐强度的人工刺槐林都是健康的，经0%、5%、15%间伐强度的人工刺槐林都处于亚健康及非健康状态。

表3 渭北黄土高原不同林龄人工刺槐林健康健康状况

幼龄林处于林分发育的初级阶段，在幼龄林中内部环境，如光照、水分养分等条件比较好，种间竞争程度弱，因此幼龄林整体处于健康和亚健康状态。随着林分的发育，林地内空间压缩、竞争激烈，个体在胸径、树高等出现差异，林分郁闭度增加、个体抗逆能力逐步提高，林分趋近成熟时，个体间竞争压力提高到一定程度后趋于平和，对光照、土壤条件的要求进一步提高，林分密度减小、林分自然稀疏，郁闭度减小，单株立木材积增大，林分整体处于较为稳定的状态。

3.2.2 抚育间伐后中龄林人工刺槐林健康状况 由表3可以看出，经过不同强度(0%、5%、15%和25%)间伐的渭北黄土高原12块中龄人工刺槐林健康状况分化较大，其中经25%间伐强度的中龄人工刺槐林都健康，经5%、15%间伐强度的中龄人工刺槐林大多处于亚健康状态，只有一块样地处于不健康状态，而没有进行间伐的样地都处于非健康状况。

3.2.3 抚育间伐后近熟人工刺槐林健康状况 表3显示，进行过25%间伐强度的刺槐人工林样地都是健康的，进行过5%、15%间伐强度的刺槐人工林样地都是处于亚健康状态，没有进行间伐处理的样地都处于非健康状态。

3.3 不同林龄和不同间伐强度刺槐人工林的健康评价

3.3.1 不同林龄人工刺槐林健康评价 对不同年龄的刺槐人工林进行健康评价发现(图1)，人工刺槐林在发育过程中森林健康程度在不断下降，尤其是亚健康林分的比例。健康林分的比例在发育过程中变化不大，从中龄林到近熟林，森林通过自然稀疏和自我调节，非健康林分的比例有所减少，林分健康状况有所改善。

图1 渭北黄土高原不同林龄、不同健康状况人工刺槐林占比

3.3.2 不同间伐强度人工刺槐林的健康评价 根据对不同间伐强度的刺槐人工林进行健康评价可以看出(图2)，刺槐人工林在进行了间伐后森林整体健康度有了很大的提高，进行了25%间伐强度的刺槐人工林最健康，未进行过间伐的样地健康度则比较差。未进行过间伐的林地从整体来说都偏差，随着间伐强度的提高，森林健康程度有了很大提高，在25%间伐强度时，健康的样地占100%。因此，当地林业部门应及时对刺槐林分进行抚育间伐，以保证森林的可持续健康生长。

图2 渭北黄土高原不同间伐强度、不同健康状况人工刺槐林占比

4 结论与讨论

本研究在渭北黄土高原永寿县槐坪林场选取了36块经过间伐的刺槐人工林作为研究对象，进行实地调查，基于科学性、系统性和可操作性的原则，从林分可持续经营和林木自身生长发育入手，选出9个评价指标，通过活力、结构和抗逆性3个方面对样地进行健康评价。结果表明，在永寿县槐坪林场的刺槐人工林总体处于亚健康状态，健康林分占其中的25%，亚健康林分占55.6%，不健康林分占19.4%。在不同间伐强度的林分中，25%间伐强度的刺槐人工林整体的状态较好，都是健康的林分，而未进行间伐抚育的林分则比较差，66.7%的样地处在不健康的状态，剩余的33.3%也是亚健康状态。整体来看幼龄林要比中龄林和近熟林的健康状况要好，幼龄林的12块样地状态都是亚健康以上，中龄林和近熟林的样地状况是一样的，健康样地占25%，亚健康样地占50%，不健康林地占25%。据此，对幼龄林和中龄林应进行疏伐、间伐和卫生伐，伐去林分内的病弱植株，调整林分密度，提高林分的空间利用率；对近熟林应进行择伐或主伐，调整林分结构，促进林分的自然更新。

通过对亚健康和不健康刺槐林的研究发现，林地内植株个体间差异很大，病虫害和枯梢化严重，应及时进行经营。对个体间差异大的林分进行主伐，调整林分结构，提高对光照、水分和养分的利用率；对于病弱植株和枯梢化严重的植株进行卫生伐；对病虫害发生程度严重的地段，使用化学药剂或生物方法进行防治。

本次间伐强度试验结果表明，25%间伐强度的林分是最健康的。但是，依据研究的科学性，应当设置更大间伐强度的对比实验来验证。因此，对于更大强度的间伐效果还有待进一步研究。