间伐对黄山松人工林林分空间结构及稳定性的影响

常陈豪，吕康婷，周梦丽，陈晓蔚，郑天才，闫东锋*

(1.河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002；2.河南省林业产业发展中心，河南 郑州 450003；3.河南省国有商城黄柏山林场，河南 商城 465350)

间伐作为一种重要的营林措施，通过调控林分结构，释放林分内的营养空间，调整林木间的竞争关系，改善林分环境，进而促进林木的生长与林分的更新[1-2]。抚育间伐方式、强度等的不同，使林分内的环境及结构产生差异，进而影响林分内林木生长以及林下植物的更新和林分空间结构[3-4]。林分空间结构是否合理决定了森林功能能否有效发挥，而林分空间结构的合理性一般可以通过选取科学的林分结构参数进行分析评价[5-6]。此外，关于间伐对林分空间结构的影响，前人也做了大量研究，如马映栋等[7]比较了不同采伐强度下小陇山辽东栎天然林林分空间结构的变化，姜廷山等[8]模拟了不同采伐强度对兴安落叶松林空间结构的影响，这些研究的结论均为间伐有助于改善林分空间结构。林分稳定性是表示林分在一个世代跨度内能够顺利完成一个生命周期并提供生产力的能力[9]，其强调林分的抗性、弹性以及持续产出能力，是林分结构和功能的综合体现[10]。传统的林分稳定性研究都是基于物种多样性进行的，较少将林分空间结构指标纳入林分稳定性评价中，本研究利用单位圆分析法，依据多指标综合评价原则对林分稳定性进行评价，这可为林分稳定性的评价提供一个参考的途径[11]。

黄山松(Pinustaiwanensis)是我国特有树种和酸性土荒山的重要造林树种，因其树干通直、材质较佳等优点而成为重要的用材树种[12]，但是，由于不合理的采伐方式以及对乡土阔叶树种的重视不够等原因，造成林分质量较差、林地生产力不高等问题。近年来，关于黄山松林分的研究主要集中在群落与环境的关系[13]、土壤的理化性质[14]等方面，而对黄山松人工林林分空间结构的研究却鲜有报道。本研究以河南省商城县黄柏山林场黄山松人工林为研究对象，采取基于相邻木关系的林分空间结构参数对比分析间伐前后样地的林分空间结构特征的变化，同时以综合评价的方法评价研究区的林分稳定性，探讨间伐对黄山松人工林空间结构和稳定性的影响，以期为黄山松人工林的经营管理提供依据。

1 研究区概况

研究区位于河南省商城县黄柏山林场九峰尖林区，处于豫、鄂、皖3省交界处，地理坐标31°23′-31°35′N，115°13′-115°20′E，属北亚热带向南暖温带过渡地带，四季分明，气候宜人，年平均气温14.8 ℃。研究区内乔木树种主要有黄山松、杉木(Cunninghamialanceolata)、柳杉(Cryptomeriafortunei)、君迁子(Diospyroslotus)、化香树(Platycaryastrobilacea)、朴树(Celtissinensis)、麻栎(Quercusacutissima)等。黄柏山林场的黄山松人工林主要分布在700～1 000 m的大牛山林区、九峰尖林区，纯林较多，部分黄山松与杉木、柳杉成混交林。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

2018年10月，在黄柏山林场九峰尖林区选取林分条件基本一致、总面积为26.5 hm2的40年生黄山松人工林地块并将其划分为3个相邻的区域，面积分别为7.5、10.8、8.1 hm2，在每个区域内各设置4块20 m×30 m的试验样地，共12块，各样地间的间隔距离至少50 m。记录样地的海拔、坡度、坡位、坡向以及西南角的经纬度等信息，其中林地土壤类型主要为黄棕壤，海拔750～900 m,坡度20°～30°，坡位均为下坡。对样地内胸径≥5 cm的乔木进行每木调查并编号，测量其胸径、树高、枝下高和冠幅等因子，用POSTEX林地定位仪测量每木的相对坐标。在每块样地的西北角和东南角10 m×10 m的网格中心各设置1个5 m×5 m的小样方，并调查小样方中幼树和幼苗的株数、高度和地径等指标。

2018年11月，对3个区域分别按照弱度采伐、中度采伐和重度采伐3种间伐强度进行间伐作业，其间伐蓄积强度分别为16.5%、30.4%和48.8%。间伐对象根据相邻树木之间的距离、树种以及林木的生长状况来确定，优先去除有病虫害、生长力弱、没有培育前途的林木，尽量去除与相邻木相距过近和个体数量较多的树种。2020年11月，对试验样地进行复测，样地调查内容与间伐前完全一致，其基本情况见表1。

表1 黄山松人工林林分基本信息

2.2 林分空间结构分析

林分空间结构单元是由林分内任意一株单木与其周围相距最近的n株相邻木组成，是构成林分结构的基本单位。本文采取参照木及其周围4株相邻木构成的空间结构单元进行林分空间结构参数的计算，选取混交度(M)[15]、角尺度(W)[16]、大小比数(U)[17]3个参数作为描述林分空间结构的指标。

2.3 林分稳定性

选择黄山松人工林林分的林分垂直结构、林分水平结构、年龄结构、树种多样性、树种组成、林分更新、林分长势和顶级种竞争8个状态指标作为评价林分稳定性的参数[18]，其中林分更新通过林下幼树和幼苗的更新多样性进行描述，用Simpson指数[19]表达。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]无量纲数值，各个指标的计算方法和赋值标准见惠刚盈等[18]，计算公式为

(1)

(2)

式中: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；s2i=L1L2sinθ/2；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]，当ω≥0.70时，说明林分状态极佳；当ω在[0.55,0.70)时，说明林分状态良好；ω在[0.40,0.55)时，说明林分状态一般；ω在[0.25,0.40)时，说明林分状态较差；当ω≤0.25时，说明林分状态极差[11]。

2.4 数据处理

通过林分空间结构分析软件Winkelmass1.0计算混交度、角尺度和大小比数，为避免边缘效应，每块样地设置2 m的缓冲区；运用Excel 2016处理空间结构参数、计算林分状态指标；利用CorelDRAW 2020和Adobe Photoshop CC 2019绘制林分状态单位圆图。

3 结果与分析

3.1 间伐对黄山松人工林林分空间结构的影响

3.1.1 间伐对林分混交度的影响 统计并计算黄山松人工林不同间伐强度前后混交度频率分布(表2)可知，弱度间伐前后林分平均混交度分别为0.702和0.709，且分布在强度、极强度混交等级上的频率之和分别为0.638和0.643，其中极强度混交的频率从0.264增加到0.317，较采伐前林木比例提升5.3%；中度间伐处理后林分平均混交度由0.733提升到0.754，处于强度、极强度混交等级上的林木比例之和由0.695提升到0.709，其中处于极强度混交等级的林木比例提升4.5%；重度间伐后林分平均混交度由0.709提升到0.750，强度和极强度混交的林木比例之和由0.621增加到0.705，且极强度混交的林木比例提升尤其明显，从0.324到0.410，增加了8.6%。3种间伐强度处理均提高了林分的平均混交度，提升幅度由大到小依次为重度间伐、中度间伐、弱度间伐，说明间伐有利于改善林分的树种空间隔离程度，而相对于弱度间伐，强度间伐对林分的混交程度的提升较大。

表2 不同间伐强度前后的林分混交度频率分布

表3 不同间伐强度前后的林分角尺度频率分布

3.1.3 间伐对林分大小比数的影响 由表4可知，3种间伐强度处理前后各林分大小比数等级上的林木比例相差不大，都在20%左右。弱度间伐前后林分中处于优势生长状态(包括优势和亚优势)的林木比例分别为0.394和0.376，处于被压生长状态(包括劣势和绝对劣势)的林木比例分别为0.382和0.408；中度间伐后优势状态的林木比例没有变化，仍为0.410，被压林木的比例有所增加，由0.355增加到0.395；重度间伐后，林分中的优势林木和被压林木的比例均无明显变化，优势林木比例分别为0.412和0.410，被压林木比例分别为0.419和0.426。林分中弱度间伐、重度间伐前平均大小比数均为0.497，间伐后平均大小比数分别为0.503、0.500，数值变化不大；中度间伐后林分大小比数均值由0.466增加到0.487，但林分仍处于中庸水平。整体来说，3种间伐强度均对林分林木大小分化程度影响不明显。

表4 不同间伐强度前后的林分大小比数频率分布

3.2 间伐对黄山松人工林林分稳定性的影响

选取能够合理反映林分稳定性的林分结构状态指标，并对各指标进行计算并采取赋值、标准化和正向处理，其结果见表5。由表5可知，不同采伐强度前后各样地在垂直结构、水平结构及年龄结构上无明显变化：林分水平分布均处于随机分布，直径分布呈“多峰”型；林分的树种多样性在经过弱度间伐处理后有所提高，由0.730增加到0.777；中度间伐对林分的物种多样性影响不大，间伐前后分别为0.790和0.792，重度间伐后林分的物种多样性变化明显，由0.730提升到0.835；弱度、重度间伐前后林分的树种组成系数均为2，中度间伐后林分的树种组成系数由1变为2；林下更新多样性经过间伐作业后均有所提高，弱度、中度、重度间伐分别提高了0.012、0.021和0.025；弱度间伐后林分长势有所提升，中度间伐后林分长势则稍有下降，重度间伐后林分长势无明显变化。总体来说，3种间伐强度下林分优势度均>0.5，林分长势均较好；弱度、重度间伐均提高了树种优势度，分别由0.823、0.756提升到0.840、0.793，中度间伐后的树种优势度变化不大，分别为0.854、0.848。因此，3种间伐强度分别从相同或不同林分指标对林分的稳定性产生不同程度的正面影响。

表5 不同间伐强度前后林分的状态特征

采用单位圆分析法计算并运用CorelDRAW 2020作图得到不同间伐强度前后林分ω及林分状态单位圆图(图1)。从图1可以得出，弱度间伐后林分的ω为0.460，相比间伐前的0.476提高了3.48%，弱度间伐前后的ω均处于[0.40,0.55)等级上，林分状态为一般；中度间伐前林分ω0.394，处于[0.25,0.40)，林分状态较差，而间伐后ω提高21.32%，增加到0.478，林分状态提升为一般；经过重度间伐的林分ω由0.436增加到0.465，提高6.65%，林分状态仍为一般。这说明不同强度的间伐均能提高林分稳定性，其中，中度间伐对林分状态的影响最明显，有效地增强了林分的稳定性。

注：A.弱度间伐前；B.弱度间伐后；C.中度间伐前；D.中度间伐后；E.重度间伐前；F.重度间伐后。

4 结论与讨论

4.1 结论

间伐能有效优化黄山松人工林结构，其中，中度间伐对林分状态的影响最明显，弱度、重度间伐虽也增强了林分的稳定性，但对林分状态的优化提升并不明显。间伐能够优化林分空间结构并提高林分的稳定性，其中，中度间伐能够改善林分空间结构并使林分变得更加健康稳定，而弱度、重度间伐相对于中度间伐对林分空间结构和林分稳定性的优化并不明显，因此中度间伐对林分整体的影响最有利。

4.2 讨论

4.2.1 不同间伐强度对黄山松林分空间结构的影响 理想状态下的林分空间结构表现为林分的混交度高、角尺度为随机分布状态并且大小比数较小[20]，而现实林分的林分空间隔离程度、水平空间分布格局和大小分化程度极少同时处于极佳的状态，这就需要采取一定的措施及方案使林分整体达到这样一个理想的状态[21]。适度的间伐能够使林分的空间结构得到明显的优化，从而达到森林经营管理的理想目标。本研究分析了不同强度间伐前后林分空间结构的变化，结果表明，间伐增加了林分的空间隔离程度，其中重度间伐对混交度提升最明显，中度间伐次之，这与马映栋等[7]的研究结果相反，原因可能是黄山松人工林中的优势树种黄山松大多为大径阶林木，其他树种多为天然萌发的中小径阶林木，间伐作业中采伐的林木以黄山松为主要目标，随着间伐强度的增加，伐除的黄山松占比也相对增加，而单木周围为同种林木的比例则相应地有所下降。弱度和中度间伐对林分整体的角尺度影响较小，林分的角尺度在经过弱度和中度间伐后仍为随机分布，而重度间伐使林分的空间分布格局由随机分布向均匀分布过渡，这与朱玉杰等[21]的研究结论相似，即当采伐强度过大时，林分的水平分布格局趋向于均匀分布。间伐对林分的大小分化程度影响较小，与马映栋等[7]、周蔚等[22]的研究结果相一致，这可能是由于大小比数更多反映的是林分空间结构单元内林木之间的竞争情况，而对林分整体的竞争情况的描述并不理想[8]。

4.2.2 不同间伐强度对黄山松林分稳定性的影响 林分的稳定性不是某一单个因子体现，是群落内各因子共同作用的综合特征[23]。本研究选取了林分垂直结构、林分水平结构、年龄结构、树种多样性、树种组成、林分更新、林分长势和顶级种竞争8个林分空间和非空间因子对林分稳定性进行综合评价。弱度间伐后林分的各状态指标值变化较小，其中树种多样性、林下更新多样性、林分优势度和树种优势度有小幅度增长，林分经过中度间伐处理后，其林分组成、林分更新得到改善，林分优势度有所下降，其中林分组成优化明显，经过重度间伐处理的林分的树种多样性、林下更新多样性和树种优势度的参数值均有所上升，水平结构处于随机分布与均匀分布之间。说明3种间伐强度分别从相同或不同林分指标对林分的稳定性产生不同程度的正面影响。运用单位圆分析法对间伐前后的林分状态值进行计算分析得出，弱度、重度间伐后的林分状态均有所提升，但林分状态均仍为一般，林分在经过中度间伐后林分状态由较差提升为一般。研究中的结果为林分间伐后两年得到的效果，而林分的更新与生长是一个长期观测的结果，随着林分的生长，林分内的各状态指标是否会有较大的变化，不同间伐强度林分的林分稳定性的是否会得到提升，采伐强度是否仍以中度间伐为宜等，这些均需以后对研究区内样地的进一步工作来进行验证。