择伐强度对杉阔混交人工林生长及林下植被物种多样性的影响

周成军，巫志龙，周新年*，曾浩，曾灵秀

(1.福建农林大学 交通与土木工程学院，福州 350002；2.国家林业和草原局杉木工程技术研究中心，福州 350002)

0 引言

杉木(Cunninghamialanceolata)是亚热带地区特有的优质速生针叶树种，广泛分布于我国南方17个省区，具有生长快、产量高、材质好和用途广等优点，在我国森林资源和亚热带森林生态系统中具有十分重要的地位。闽北是全国15个杉木商品材基地之一，在生态建设、林业生产乃至经济建设中发挥重要作用，然而该区域杉阔混交人工林经营普遍存在初值密度过大，后期抚育不及时的现象，导致其生产功能和生态功能未得到充分发挥[1]，同时也给亚热带原生的阔叶树种及林下植被带来了较大的破坏和生存空间的挤压[2]。因此，如何通过科学经营使该区域杉木达到提质增效、实现可持续经营显得尤为重要。

森林择伐是森林可持续经营的一项重要措施，有助于调节森林结构、促进森林生长和健康发展[3]。择伐对天然林可持续经营有重要意义，有关择伐对天然林生态系统(包括植被、凋落物、土壤等)的影响已有较多研究[4]，择伐对物种空间格局和种群生物特性等方面的影响也有相关分析研究，但有关择伐对人工林生态系统影响的长期追踪研究却相对缺乏[5]。虽然大多数研究已表明短期内适度择伐可促进林分生长[2]和林下植被发育[6]，但是不同区域、不同树种、不同类型、不同择伐强度和伐后恢复时间对人工林林下植被的影响仍存在不确定性[5,7-8]，需进行长期定位试验研究和积累基础数据[5,9]。因此，本研究选择闽北杉阔混交人工林，建立长期固定样地，定期观测不同择伐强度对林分生长及林下植被物种多样性的动态影响，以期为该区域杉阔混交人工林科学经营技术体系和可持续发展提供理论依据。

1 研究区概况

杉阔混交人工林择伐与更新长期跟踪试验基地位于福建省建瓯市(117°58′～118°57′ E，26°38′～27°20′ N)，处于中亚热带海洋性季风气候区，地形地貌属山地丘陵，年均气温18.7 ℃，年均降水量1 733 mm，年蒸发量1 450 mm，年均相对湿度80%，年日照时数1 612 h，年均无霜期286 d。试验林位于福建省建瓯市墩阳林业采育场的47林班8大班40小班，小班面积为8.4 hm2，造林密度为3 300株/hm2，造林树种为杉木和木荷(Schimasuperba)，株数比例为1∶1.53；2011年为18 a生杉阔混交人工林(从未间伐)，按胸高断面积计算树种组成为51.88%阔叶树，46.78%杉木，1.34%马尾松(Pinusmassoniana)；林下植被稀少，主要有檵木(Loropetalumchinense)、黄瑞木(Adinandramillettii)、细齿叶柃(EuryanitidaKorthals)和五节芒(MiscanthusfIoridulus)等，采伐前林分特征见表1；林地平均坡度30.9°，土壤为花岗片麻岩发育而成的山地黄红壤(pH为6.5～7.0)。

表1 采伐前林分特征Tab.1 Stand characteristics before harvesting

2 研究方法

2.1 试验概况

试验基地于2011年7月建立，同年8月对试验林实施3种不同强度择伐：中度、强度和极强度择伐，并设未采伐为对照。4种强度实际采伐蓄积量分别占总蓄积量的34.6%、48.6%和67.6%，择伐后均采用自然恢复。因为试验林分密度过大，为在择伐后释放充足的林分生长空间，因此未设弱度择伐。该试验林为杉阔混交人工林，其树种组成简单，林木分布均匀，林分和立地条件基本一致，设置各样地面积为800 m2(上、下坡位各设1块20 m×20 m标准样地，四角均用水泥桩长期固定)。试验林采伐当年采伐前、后的林分密度，采伐木平均胸径、各径级(小径木6～12 cm、中径木14～24 cm、大径木26～36 cm)株数比例和各树种蓄积量比例，见表2。

表2 采伐概况

2.2 植被调查

乔木层植被调查，将每块标准样地分割为16个5 m×5 m的样方，对样地内胸径大于等于5 cm的林木进行每木检尺，记录种名、胸径和树高；灌木层植被调查，在每块标准样地的四角及中央共选取5个5 m×5 m的灌木样方，记录种名、株数和高度；草本层植被调查，在每个灌木样方中央设置1个1 m×1 m的草本样方，记录种名、高度和盖度。调查时间分别为2011年7月(择伐前)、2011年11月(择伐后当年)、2014年7月(择伐后第3年)和2016年7月(择伐后第5年)、2021年7月(择伐后第10年)。

2.3 数据处理

乔木、灌木和草本植物的物种多样性指数测度以重要值作为计算依据，选择常用的Patrick物种丰富度指数、Shannon-Wiener物种多样性指数、Pielou物种均匀度指数[10-11]。不同择伐强度后当年及3、5、10 a的林分生长因子、灌木层和草本层物种多样性指数，采用SPSS进行LSD(Least-significant difference)多重比较。

3 结果与分析

3.1 择伐强度对林分生长的影响

3.1.1 对林分胸径和树高生长的影响

由表3可知，择伐后10 a间，林分平均胸径由高到低表现为MI、HI、NC、EHI，择伐后当年保留木平均胸径由高到低表现为MI、HI、EHI、NC，MI处理后林分平均胸径和保留木平均胸径都显著高于NC(P<0.05)，分别比NC提高了17.2%和15.9%，HI、EHI与NC间无显著差异(P>0.05)；MI、HI和EHI处理后林分平均胸径和保留木平均胸径的年增长量都高于NC，不同处理间林分平均胸径的年增长量差异不显著(P>0.05)，EHI处理后保留木平均胸径的年增长量显著高于NC(P<0.05)，提高了85.0%，MI、HI与NC间无显著差异(P>0.05)；NC处理3 a和10 a后，以及HI和EHI处理10 a后都出现了少量进界木，这使得林分平均胸径的年增长量有所降低，其中EHI处理10 a后林分平均胸径略低于5 a后，林分胸径的年增长量为-0.03 cm，但保留木平均胸径的年增长量为0.32 cm。

表3 不同强度择伐后10 a间林分和保留木胸径增长Tab.3 Growth of DBH of stand and reserved tree during 10 years after different selective cutting intensities

由表4可知，择伐后10年间，MI和HI处理后林分平均树高和保留木平均树高都高于NC，EHI处理后都低于NC；MI、HI和EHI处理后林分平均树高和保留木平均树高的年增长量都低于NC，但不同处理间林分和保留木的平均树高及其年增长量无显著差异(P>0.05)。

3.1.2 对林分胸高断面积生长的影响

由表5可知，MI、HI和EHI3种强度择伐处理后10年间林分总胸高断面积分别为28.755、25.567、17.899 m2/hm2，均显著低于NC(49.926 m2/hm2)(P<0.05)，分别降低了33.1%、40.5%和58.4%，MI显著高于EHI(P<0.05)，HI与EHI无显著差异(P>0.05)；林分总断面积的年增长量由大到小表现为NC、MI、HI、EHI，不同处理间差异不显著(P>0.05)；单株胸高断面积的年增长量由小到大表现为NC、HI、EHI、MI，MI、HI和EHI间无显著差异(P>0.05)，但三者都显著高于NC(P<0.05)，分别提高了84.8%、64.1%和72.6%。

表4 不同强度择伐后10年间林分和伐后保留木树高增长

表5 不同强度择伐后10 a间林分胸高断面积增长

3.1.3 对林分蓄积量生长的影响

由表6可知，10 a间林分平均总蓄积量由大到小表现为NC(232.421 m3/hm2)、MI(163.352 m3/hm2)、HI(144.670 m3/hm2)、EHI(96.179 m3/hm2)，MI、HI和EHI显著低于NC(P<0.05)，分别下降了29.7%，37.8%和58.6%，MI显著高于EHI(P<0.05)，HI与EHI无显著差异(P>0.05)；林分总蓄积量的年增长量由大到小表现为NC、MI、HI、EHI，不同处理间无显著差异(P>0.05)；单株蓄积量的年增长量由大到小表现为MI、EHI、HI、NC，MI、HI和EHI处理间无显著差异(P>0.05)，但三者都显著高于NC(P<0.05)，分别提高了82.6%、57.4%和59.2%。

表6 不同强度择伐后10 a间林分蓄积量增长

3.2 择伐强度对林下植被物种多样性的影响

3.2.1 对灌木层物种多样性的影响

择伐后3、5、10 a，灌木层植物物种多样性动态变化见表7。NC处理后，灌木层植物物种丰富度基本维持不变，物种多样性和均匀度都略有降低；MI、HI和EHI处理后，灌木层植物物种丰富度和多样性都呈增大趋势，物种均匀度变化不大，基本能维持在0.9以上；不同强度择伐后，灌木层物种丰富度、多样性和均匀度由大到小都表现为EHI、HI、MI、NC，其中EHI处理后灌木层物种丰富度显著高于NC(P<0.05)，MI和HI与NC无显著差异(P>0.05)，EHI和HI处理后灌木层物种多样性和均匀度都显著高于NC(P<0.05)，MI与NC都无显著差异(P>0.05)。

3.2.2 对草本层物种多样性的影响

择伐后3、5、10 a，草本层植物物种多样性动态变化见表8。草本层物种丰富度和多样性在不同处理后有所增加，NC和MI处理后草本层物种均匀度则有所提高，HI和EHI处理后草本层物种均匀度有所降低；草本层物种丰富度和多样性由大到小都表现为EHI、HI、MI、NC，其中HI和EHI处理后草本层物种丰富度显著高于NC(P<0.05)，MI、HI和EHI处理后草本层物种多样性都显著高于NC(P<0.05)；草本层物种均匀度规律性不明显，NC和MI处理后较高，HI和EHI处理后较低，不同处理间草本层物种均匀度无显著差异(P>0.05)。

表7 不同强度择伐后10 a间灌木层植物物种多样性动态变化Tab.7 Dynamic changes of species diversity in shrub layer during 10 years after different selective cutting intensities

表8 不同择伐强度后草本层植物物种多样性动态变化Tab.8 Dynamic changes of plant species diversity in herb layer after different selective cutting intensities

4 结论与讨论

4.1 择伐对林分生长的影响

森林择伐后保留木的生长空间扩大，竞争压力得到释放，光照、营养物质、水分等条件得到有效改善，从而促进林分更好地生长[4]。研究结果表明,闽北杉阔混交人工林不同择伐强度后自然恢复10 a间，择伐促进了林分胸径增长，但未能促进林分树高增长；择伐虽未促进林分胸高断面积和蓄积量增长，但能促进单株胸高断面积和单株蓄积量增长。杉阔混交人工林中度、强度和极强度择伐下，林分密度随着采伐强度的增大而降低(表1和表3)；中度择伐采伐了较多小径木，强度和极强度择伐对中径木和小径木均有采伐，极强度择伐还采伐了少量大径木(表2)，释放出的保留木生长空间随采伐强度增大而增大，林木间的竞争压力得到有效缓解。中度、强度和极强度择伐后，林分和保留木的平均胸径年增长量高于未采伐林分，单株胸高断面积年增长量和单株蓄积量年增长量都显著高于未采伐林分，说明各种强度的择伐有效促进了林分加快生长，这与相关研究结果一致[12-14]，其中中度择伐对促进林分生长最为有利。但是各种强度的择伐并没有促进林分树高生长，原因可能是林木枝叶器官向择伐后四周富余空间伸展，大量消耗根系吸收的养分，从而削弱树干往上生长的速度[15-16]，也可能受林龄、郁闭度、优势度、坡向和坡度等条件影响[17]。此外，各种强度择伐后林分的总胸高断面积和总蓄积量及其增长量都低于未采伐，这与择伐后林分密度明显降低和恢复时间较短有关[18-19]，短期内难以恢复，其动态变化过程还需进一步跟踪研究。

4.2 择伐对植物物种多样性的影响

森林择伐增加了林下环境的异质性，增大了林下空间，改善了林下光照条件，能够有效促进林下灌木和草本的生长和物种数量的增加[4,20]。结果表明，杉阔混交人工林各种强度的择伐能够促进林下灌木层植物物种丰富度、多样性和均匀度提高，同时能够促进林下草本层物种丰富度和多样性提高，其中极强度择伐对提高林下灌草物种多样性最有利。杉阔混交人工林各种强度的择伐促进了林下植被发育，增加林下灌木层和草本层植被物种丰富度和多样性，这与徐雪蕾等[21]的研究结果一致。但成向荣等[22]的研究表明，杉木人工林不同强度(弱度15%、中度35%和强度50%)采伐15 a后，林下植被多样性指数、均匀度指数在不同采伐处理间均没有显著差异，这可能是由于林分类型和伐后恢复时间等不同引起的[23]。由于该研究的采伐间隔时间仍较短，不同择伐强度下伐后不同恢复时期林下植被组成和多样性动态变化还有待长期定位跟踪研究。