川中丘陵区人工柏木林不同间伐强度效果评价

陈俊华, 张鑫, 谢天资, 龚固堂, 王琛, 慕长龙*

1.四川省林业科学研究院 森林与湿地生态恢复与保育四川重点实验室, 四川 成都 610081；

2.夹江县自然资源局, 四川 夹江 614199；

3.广元市林业局,四川广元628000

川中丘陵区的人工柏木（Cupressus funebris）林主要是上世纪80年代长江防护林工程中营造的[1]。限于历史原因，营造的林分普遍树种单一、密度过大，导致现今林下灌草盖度较低、更新差、生产力低下，不能充分发挥森林的多种效益[2]，急需进行林分改造。低效林改造是为改善林分结构，开发林地生产潜力，提高林分质量，让其充分发挥生态和经济等多种效益的技术手段。低效林改造的方法主要有补植补播、调整改造、封育改造、更替改造、抚育改造等[3]。抚育间伐是国内外森林经营的重要手段[4-5]。针对间伐前后林分结构和功能的变化，国内专家主要从林分生长状况、林下灌草盖度及多样性、林下幼树幼苗天然更新、冠层结构、林内光环境、土壤层和枯落物层的水文效应、生态系统各组分碳储量和细根生物量和形态特征等进行了对比分析[2,7-10]。有的专家还进行了改造效应评价，如高云昌等[6]选择人工林幼苗更新、林分生长、物种多样性、土壤物理性质、土壤营养元素等指标对黄龙山油松（Pinus tabuliformis）人工林间伐效果进行了综合评价；朱玉杰等[4]选取生物多样性、林分空间结构、冠层结构、光合作用和林木生长等 35 项指标对大兴安岭地区落叶松（Larix gmelinii）用材林不同抚育间伐强度经营效果进行了评价。对川中丘陵区人工柏木林的改造，国内专家进行了大量的研究，采取的技术方法也是多种多样，也取得了较为理想的成效[11-15]。如牛牧等[12]采用疏伐形成林窗，在林窗内补植香樟（Cinnamomum camphora）、台湾桤木（Alnus formosana）、栓皮栎（Quercus variabilis）、窄冠刺槐（Robinia pseudoacaciacl.Zhaiguan）等阔叶树；陈俊华等[13]通过设置4 m、6 m、8 m、10 m的采伐带（保留带与采伐带同宽），对采伐带内的林木进行皆伐后补植桤木（Alnus cremastogyne）、台湾桤木、香樟、喜树（Camptotheca acuminata）等乡土阔叶树，通过对比分析，认为采伐带为6～8 m为宜。针对川中丘陵区人工柏木林的改造效果，至今未见综合评价报道。本文选取3种强度（10%～15%、16%～25%，26%～35%。）间伐12年后的样地内保留乔木生长、林下灌草生物多样、天然更新幼苗、枯落物蓄积量及持水性能以及土壤理化性质共计30个指标与对照对比分析，最后用主成份分析法进行综合评价，以期为该区域人工柏木防护林质量精准提升和可持续经营提供科学依据。

1 研究区概况

研究区位于四川省盐亭县云溪镇高山村，地理位置E105°22'51"—105° 22'59"，N 31°13'29"—31°13'50"，海拔350～650 m，丘陵地貌，属中亚热带湿润季风气候区，年均气温17.3℃，年均降水量826 mm。该区广泛露出紫色泥页岩和砂石岩地层，易风化崩解破碎，成土过程快，土壤抗蚀力弱，土壤类型主要为紫色土。现有森林类型为柏木人工纯林，林下灌草种类简单，植被盖度低[2]。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

2.1.1 样地设置

于2007年在该区域选择立地条件基本一致，林龄35～40年，郁闭度≥0.8，林下灌木盖度≤20%，草本盖度≤30%的人工柏木纯林样地20个，每个样地大小20m×20m。设置4种间伐强度，即10%～15%、16%～25%、26%～35%、对 照（不 采伐）。每种强度5个样地。间伐方法为生态疏伐，即伐掉影响目标树的竞争木和过密林木。为保证林分因子的一致性，间伐前，对各样地内的乔木进行每木检尺，计算林分的平均树高、平均胸径、林分密度和蓄积量，经F检验表明上述各因子均无显著差异。对每个样地进行间伐木选择、作标记、测量、采伐[2]。间伐后的样地基本情况见表1。

表1 间伐后样地基本情况Tab.1 General information of sample plots after thinning

2.1.2 样地调查

2019年（即间伐后12年），对样地进行调查。调查和测定因子包括林木生长状况、土壤理化性质、林下灌草生物量及多样性、林下天然更新幼苗数量、枯落物蓄积量、枯落物持水性能、凋落物养分等。

（1）林木生长状况

对样地内的林木进行每木检尺。测定并记录树种名、树高、胸径、枝下高、冠幅。计算林分平均胸径、平均树高、密度、单株材积、林分蓄积量、年平均生长率等[2]。

（2）土壤理化性质

在每个样地内，沿顺坡方向“S”形设置取样点。在取样点内，挖土壤剖面，用环刀分三层（0～10 cm、10～20 cm、20～40 cm）取土样，同时每层土分别取500 g左右的土用自封袋装好，带回实验室分析土壤物理、化学性质。采用烘干法测定土壤的容重、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、饱和持水量、最小持水量等。土壤化学性质测定pH值、有机质、全N、全C、全P、全K。测定方法参见张璐等[16]。

（3）林下灌草生物量及生物多样性

在每个样地的中心和四角分别设置1个5 m×5 m的灌木样方,在灌木样地内设置1个1 m×1 m的草本小样方。主要记录灌木、草本的种类、盖度、高度、株（丛）数等，对样方内的灌木、草本进行全部割除，将根全部挖出，对地上部分和地下部分进行称重，然后带回实验室烘干，计算灌草样方地上和地下干物质量。

林下更新幼苗按高度划分为4个等级：＜10 cm，10～30 cm，30～50 cm，50～150 cm(150 cm以上的记为幼树，结合每木检尺进行计数)，在1m×1m的草本小样内进行调查。

（4）枯落物蓄积量、持水性能及养分测定

枯落物蓄积量采用“全体收获法”，测定凋落物层厚度，称重，取样，带回实验室将枝条、叶、果实分开拣出，分别取样称重，烘干（65℃）至恒重后再称重，以干物质重推算1hm2凋落物蓄积量。采用浸泡法测定枯落物持水性能。计算自然含水率、最大持水率、有效拦蓄量、最大拦蓄量[17]。将烘干的枯落物取少量粉碎，测定全C、全N、全K含量。全C采用重铬酸钾（K2Cr2O7-H2SO4）氧化法测定，全N测定采用H2SO4-H2O2消煮，用凯氏定氮法测定N含量，全K用火焰燃烧法测定。

2.2 数据统计与分析

运用Microsoft Excel 2007进行数据录入、基本计算和作图；在SPSS 20.0里面进行单因素方差分析（One-way ANOVA）和多重比较（显著水平P＜0.05）、Pearson相关性分析和因子分析。评价方法采用主成分分析法。综合评价模型为[18]：

式中：F为不同间伐强度的综合评价得分，得分越高，表明效果越好。Wk为第k个主成分的权重，Yk为第k个主成分（k=1, 2, 3, ··· m），uk1为第k个主成分的因子荷载，*指某个变量的标准化值。

权重Wk的计算公式如下

式中，Wk为第k个主成分的权重， λk为第k个主成分的贡献率。

3 结果与分析

3.1 不同间伐强度下乔木生长状况

不同间伐强度保留柏木树高连年生长量分别为10%～15%：0.14±0.02 m，16%～25%：0.16±0.02 m，26%～35%：0.21±0.03 m，对照：0.13±0.02 m。由此可见，不同间伐强度原有柏木的连年生长量均高于对照。方差分析和多重比较表明，除26%～25%跟其他间伐强度之间有显著差异外（P＜0.05），其余处理之间均无显著差异（P＞0.05）。见图1- P1。

从胸径连年生长量为看（见图1- P2），按大小排列为26%～35%（0.32±0.02 cm）＞16%～25%（0.24±0.01 cm）＞10%～15%（0.16±0.01 cm）＞对照（0.11±0.01 cm）。方差分析和多重比较表明，各处理间均差异显著（P＜0.05）。

蓄积量连年生长量按大小排列跟胸径的规律一致，即26%～35%＞16%～25%＞10%～15%＞对照。其中，与对照相比，10%～15%、16%～25%、26%～35%分别增加了18.21%、53.30%、95.24%（见图1- P3）。方差分析和多重比较表明，除10%～15%与对照不显著外（P＞0.05），其余处理间均差异显著（P＜0.05）。从以上可以看知，间伐后，可使原有柏木的树高、胸径增加，从而使单株蓄积增加。

图1 间伐后柏木生长状况Fig.1 Growth status of cypress stand after thinning

3.2 不同间伐强度林下灌草生物多样性

间伐后，改善了林下生长空间，能促进林下灌草的生长。从表2可以看出，不同间伐强度林下灌木、草本的丰富度、Simpson指数、Shannon-Wiener指数均高于对照。特别是26～35%，林下灌木、草本的丰富度，Simpson指数，Shannon-Wiener指数分别比对照增加了68.00%、108.00%，131.23%、78.74%，134.98%、179.73%。

表2 不同间伐强度林下灌草生物多样性Tab.2 Biodiversity of shrubs and grasses under the plantations with different thinning intensities

3.3 不同间伐强度林下幼苗更新情况

间伐后，增大了林窗，改善了林内光照条件，对林下地被物盖度的增加十分有利，也能促进林木的天然更新。不同间伐强度林下幼苗更新情况见图2。可以看出，不同间伐强度各级幼苗的数量均大于对照。以26%～35%为例，＜10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～150 cm天然更新幼苗数量分别为13 600±2 074株.hm-2、9 000±707株·hm-2、4 400±1 140株·hm-2、1 480±844株·hm-2。

图2 不同间伐强度天然更新幼苗数量Fig.2 Number of natural regeneration seedlings with different thinning intensities

方差分析和多重比较（LSD）表明，＜10 cm的幼苗中，除26%～35%与其他处理间差异显著外（P＜0.05），其余处理均差异不显著（P＞0.05）；10～30 cm幼苗中，只有10%～15%与对照间差异不显著（P＞0.05），其余处理间均差异显著（P＜0.05）；30～50 cm幼苗中，只有26%～35%与对照间差异显著（P＜0.05），其余处理间均差异不显著（P＞0.05）；50～150 cm幼苗中，所有处理间均差异不显著（P＞0.05）。

3.4 不同间伐强度对枯落物的影响

间伐后，增大了林木间的空隙，改善了光照，使得林下灌木、草本的盖度增加，相应地枯落物也增加。从枯落物蓄积量来看（见图3），不同处理各器官的蓄积量均以叶的最大。10%～15%、16%～25%、26%～35%的枯枝蓄积量和枯叶蓄积量分别比对照多48.36%、117.84%、308.92%和10.19%、108.29%、117.06%。枯果蓄积量规律性不强，以10%～15%最大，最小的是16%～25%。总枯落物蓄积量按大小顺序为26%～35%（3.86±0.10T·hm-2）＞16%～25%（2.93±0.07T·hm-2）＞10%～15%（2.06±0.13T·hm-2）＞对 照（1.40±0.06T·hm-2）。方差分析和多重比较（LSD）表明，总蓄积量和枝蓄积量各处理间均表现为差异显著（P＜0.05）；叶蓄积量除10%～15%与对照、16%～25%与26%～35%差异不显著外（P＞0.05），其余处理间均差异显著（P＜0.05）；果蓄积量仅16%～25%与26%～35%差异不显著（P＞0.05）。

图3 不同间伐强度枯落物蓄积Fig.3 Litter volume under different thinning intensities

枯落物的持水性能是森林涵养水源的重要组成部分，而最大持水量、有效拦蓄量、最大拦蓄量是枯落物持水性能的重要指标[17]。不同间伐强度枯落物持水能力见表3。可以看出，不同处理的最大持水率范围为115.55%～124.51%，有效拦蓄量范围为4.16～11.49T·hm-2，最大拦蓄量范围为4.96～13.63T·hm-2。

表3 不同间伐强度枯落物持水能力Tab.3 Water holding-capacity of litters with different thinning intensities

不同间伐强度枯落物的最大持水率、最大拦蓄积量和有效拦蓄量均高于对照。各指标按大小顺序均表现一致规律，即26%～35%＞16%～25%＞10%～15%＞对照。以26%～35%为例，其最大持水率、最大拦蓄积量和有效拦蓄量分别是对照的1.54倍、2.75倍和2.76倍。

方差分析和多重比较（LSD）表明，不同间伐强度枯落物的持水能力指标中，除10%～15%的最大持水率、有效拦蓄量与对照差异不显著外（P＞0.05），其余均差异显著（P＜0.05）。

3.5 不同间伐强度对土壤理化性质的影响

间伐后，降低了林分郁闭度，改变了林内的生境，土壤微生物数量增加，同时加速营养元素分解，对改善土壤的理化性质起到重要作用[8,18]。不同间伐强度土壤表层（0～10cm）物理性质、化学性质分别见表4、表5（10～20cm、20～40cm层的数据由于取样回来标签被毁坏，因此本论文没有进行分析）。从土壤物理性质可以看出，不同处理的土壤容重按由小到大的顺序排列为26%～35%＜16%～25%＜10%～15%＜对照。方差分析和多重比较（LSD）表明，除16%～25%和26%～35%外，各处理间均表现为差异显著（P＜0.05）。土壤毛管孔隙度最大的是26%～35%，按大小排列为26%～35%＞16%～25%＞10%～15%＞对照。方差分析和多重比较（LSD）表明，10%～15%与16%～25%、对照间差异不显著（P＞0.05），与26%～35%差异显著（P＜0.05）；16%～25%仅与对照间差异显著（P＜0.05）；26～35%仅与16%～25%差异不显著（P＞0.05）。土壤饱和持水量，各处理按大小排列为16%～25%＞26%～35%＞10%～15%＞对照。方差分析和多重比较（LSD）表明，除10%～15%与26%～35%、对照间差异不显著外（P＞0.05），其余处理间均差异显著（P＜0.05）。

表4 不同间伐强度0～10cm土壤物理性质Tab.4 Physical properties of 0～10 cm soil with different thinning intensities

表5 不同间伐强度0～10cm土壤化学性质Tab.5 Chemical properties of 0～10 cm soil with different thinning intensities

土壤化学性质中，全C、全P、全K含量各处理的规律一致，即按大小顺序排列为16%～25%＞26%～35%＞10%～15%＞对照。不同间伐强度全N、有机质的含量按大小排列为26%～35%＞16%～25%＞10%～15%＞对照。方差分析和多重比较（LSD）表明，土壤表层全C含量，16%～25%与26%～35%间差异不显著（P＞0.05），10%～15%与对照间差异不显著（P＞0.05）；全K含量，除10%～15%与对照差异不显著外（P＞0.05），其余差异显著（P＜0.05）；全P含量与全C含量规律一致；全K含量，除10%～15%与26%～35%差异不显著外（P＞0.05），其余差异显著（P＜0.05）；有机质含量，除26%～35%与16%～25%差异不显著外（P＞0.05），其余差异显著（P＜0.05）。

3.6 基于主成分分析的不同间伐强度改造效果评价

由20个样地的3个乔木生长因子，6个林下灌草生物多样性因子，4个更新幼苗因子，8个枯落物蓄积量及持水性能因子，9个土壤理化性质因子，共计30个因子组成20×30的矩阵，首先对数据进行标准化处理，然后将标准化的数据在SPSS 20.0里面进行因子分析。总方差分析结果见表6。可以看出，前5个主成分的累积贡献率已达到89.276，根据统计学意义，选取前 5个主成分就足以反映所需要的评价信息。根据公式2计算5个主成分的权重为ω（0.530 4，0.221 6，0.139 4，0.054 8，0.053 8）。根据公式（1）计算得各样地的综合评价值，见表7。由表7可知，各间伐强度总体评价得分按大小排列为26%～35%＞16%～25%＞10%～15%＞对照。从5个26%～35%样地来看，评价得分最高的是间伐强度为28.30%的，其次是34.23%，间伐强度最高的（34.55%）排名第四，并不是最高的。由此可见，在26%～35%下，并不是间伐强度越大越好。综合分析，川中丘陵区人工柏木林适宜间强度为20%～35%，即保留株数在1 700株·hm-2～2 100株·hm-2为宜。

表6 总方差分析Tab.6 Results of the total variance analysis

表7 样地综合评价得分Tab.7 Comprehensive evaluation score of the sample plots

4 结论与讨论

（1）抚育间伐是国内外森林经营的重要手段。如何合理筛选出最适宜本地森林的间伐强度是一个难点。针对川中丘陵区中龄阶段的人工柏木林，龚固堂等[2]认为，适宜间伐强度为20%～25%，杨育林等[14]认为间伐强度48%～50%林下生物多样性更好，季荣飞等[15]认为从短期的影响效果看，强度(35%)和极强度(50%)间伐有利于柏木低效人工林灌草多样性的提高。本研究所选区域的林分立地条件差，林下植被稀疏，如果间伐强度过大，势必在间伐初期导致水土流失的增大。因此，合理间伐强度和间伐时间的选取就很有必要。从本研究结果来看，间伐强度在20%～35%时效果较好（即林分保留密度为1 700株·hm-2～2 100株·hm-2），间伐时间应选在降雨量较小的冬季或春季，以防止间伐初期由于林下植被稀少造成水土流失。

（2）林分间伐后，减小了乔木层密度，一方面改善了林内光照条件，增强树冠活力和光合作用；另一方面保留木之间对林地内的土壤水分和养分及生存空间的竞争减弱。因此，乔木层保留树木可迅速生长[6]。密度对林分平均树高的影响，国内外专家的研究结论不一致。有的研究表明密度对树高有明显影响[2]；有的研究表明影响不大并且相当宽的一个中等密度范围内无显著影响[19]；有的研究表明显著影响[7]。本研究表明，26%～35%与其他处理间差异均显著（P＜0.05），而其他处理之间无显著差异（P＞0.05），与孙时轩等[19]的结论基本一致。密度对林分平均胸径和材积有显著影响，这是林学界普遍认同的观点。本研究表明，三种间伐强度林分平均胸径均显著高于对照（P＜0.05），林分蓄积除10%～15%与对照不显著外（P＞0.05），其余均差异显著（P＜0.05）。本结论与国内专家的基本一致[2,7,19]。

（3）林分疏伐后，林下光照增强，卫生环境改善[8]，能促进林下植被的生长和发育[14]，也能促进幼苗的天然更新[2,6]。本研究表明，3种间伐强度林下灌木和草本的丰富度、Simpson指数、Shannon-Wiener指数均高于对照，16～25%以上这几个指数显著高于对照（P＜0.05）。这与其它专家的研究结果也是一致的[2,11,14]。林下天然更新幼苗中，强度间伐＜10 cm、10～30 cm、30～50 cm、50～150 cm四个等级的柏木幼苗分别是对照的1.84倍、1.80倍、1.83倍、1.72倍，均显著高于对照（P＜0.05）。而16%～25%、10%～15%样地中，30～50 cm、50～150 cm等级的柏木幼苗跟对照差异不明显（P＞0.05）。而龚固堂[2]在本区域对间伐后人工柏木林天然更新幼苗表明，除间伐强度最大的（20%～25%）的5～30 cm的柏木幼苗明显高于对照外（P＜0.05），其余均差异不显著。本研究跟龚固堂的研究结论不大一致。

（4）枯落物层对截持降水、调节地表径流以及减少土壤流失、改善土壤理化性质具有明显的作用[17]。间伐后，林内光照增强，植物光合作用提高，使得更多的植物有机质得到积累[17]，同时林下灌草盖度的增加，导致枯落层增厚。本研究表明，3种间伐强度的总枯落物蓄积量均显著性地高于对照（P＜0.05），枯落物持水性能中，最大持水率和有效拦蓄积量除10%～15%外，其余均明显高于对照（P＜0.05），而3种间伐强度的最大拦蓄量均显著高于对照。且不同处理间差异显著（P＜0.05）。这与其他专家的研究结论基本一致[8]。

（5）林分间伐后，由于林下枯落物增多，分解后使土壤肥力提高，同时土壤中的动物也会相应增多，活动频繁，可增强土壤的透气和透水性能。本研究表明，间伐后，土壤第一层（0～10 cm）容重显著低于对照，而毛管孔隙度和总孔隙度却明显高于对照（P＜0.05）。随着间伐强度的增加，土壤容重越来越小，这与这与高云昌等[6]的研究结果是一致的；而毛管孔隙度与总孔隙度则表现为越来越大，这与管惠文等[8]的研究结果有些差异。管惠文的是先增大（到40.01%为最大），后减少。这可能是因为区域和林分的差异造成的。从土壤养分来看，间伐后能明显提高土壤的肥力（P＜0.05）。但不同养分表现不同，全C含量、全P含量、全K含量以16%～25%的最大，而全N含量和有机质含量则随着间伐强度的增大而增大。其中有机质含量变化规律与高云昌等[6]的研究结果是一致的。

（6）关于间伐效果的评价模型，国内专家采用了多种方法，取得了一定的成果。如采用层次分析法[2]，主成分分析法[4,18]，灰色关联法[8]，多功能指标价值法[20]等。本研究选用林分生长、林下生物多样性、天然更新幼苗能力、枯落物蓄积量及持水、土壤理化性质5个方面共计30个指标，采用主成分分析法进行综合评价。指标容易测定，数据较为全面且容易获取，评价结果与国内专家基本一致[4,18]。