撫育間伐后蒙古櫟闊葉混交林徑級(jí)結(jié)構(gòu)及生長動(dòng)態(tài)研究

董莉莉 趙濟(jì)川 汪成成 劉紅民 高英旭 楊 鶴

( 遼寧省林業(yè)科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110032)

蒙古櫟（Quercus mongolica）闊葉混交林是我國東北地區(qū)主要的天然次生林[1]，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定、生物多樣性的保護(hù)和森林的可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。由于該林分類型多以萌生為主，密度較大[2]，加之沒有得到合理的經(jīng)營，導(dǎo)致林分質(zhì)量低下、結(jié)構(gòu)不合理、天然更新困難，生態(tài)效益難以充分發(fā)揮等。如何通過合理的森林經(jīng)營管理，改善林分結(jié)構(gòu)，提高林分生產(chǎn)力，完善生態(tài)功能已經(jīng)成為亟待解決的問題。

合理的撫育間伐強(qiáng)度和采伐周期，能夠改善林分質(zhì)量、增強(qiáng)林分穩(wěn)定性，提高林分生產(chǎn)力，充分發(fā)揮森林的生態(tài)效益。因此研究撫育間伐的強(qiáng)度、間伐方式、間伐周期，對(duì)于實(shí)現(xiàn)森林的可持續(xù)經(jīng)營具有重要的理論和實(shí)踐意義。目前，多數(shù)研究集中在撫育間伐對(duì)林分生長[1-7]、林分結(jié)構(gòu)[8-12]、生產(chǎn)力[13-14]、土壤性質(zhì)[15-16]、生態(tài)功能（生物多樣性[7-8,17]、水源涵養(yǎng)[18-21]、碳儲(chǔ)量[22-23]）、木材材質(zhì)[24]、林木性質(zhì)[25-26]等短期效應(yīng)的研究，缺少長期觀測(cè)數(shù)據(jù)。另外，間伐對(duì)林分生長及林分生態(tài)功能發(fā)揮的時(shí)間效應(yīng)也不是十分明確。因此，本研究以不同間伐強(qiáng)度蒙古櫟闊葉混交林為研究對(duì)象，通過伐后23 a的復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)，分析不同強(qiáng)度間伐后不同恢復(fù)時(shí)間林分生長和徑級(jí)結(jié)構(gòu)變化，探討林分經(jīng)營合理撫育強(qiáng)度和周期，為闊葉混交林的采伐作業(yè)和科學(xué)經(jīng)營提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧東部山區(qū)本溪縣草河口鎮(zhèn)正溝村（123°51′～123°52′E，40°53′～40°54′N），海拔280 m，屬溫帶季風(fēng)氣候，年均氣溫6.1 ℃，年降水量926 mm，年蒸發(fā)量1 072 mm，無霜期124～144 d。地形以低山丘陵為主，土壤類型為山地棕色森林土。植被屬長白山植物區(qū)系，主要喬木樹種有紅松（Pinus koraiensis）、落葉松（Larixspp.）、蒙古櫟、色木槭（Acer mono）、胡桃楸（Juglans mandshurica）、紫椴（Tilia amurensis）、山楊（Populus davidiana）等，林下灌木主要有胡枝子（Lespedeza bicolor）、衛(wèi)矛（Euonymus alatus）、迎紅杜鵑（Rhododendron mucronulatum），草本主要有寬葉苔草（Carex siderosticta）、關(guān)蒼術(shù)（Atractylodes japonica）、玉竹（Polygonatum odoratum）等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

本研究試驗(yàn)樣地為1995年設(shè)置的4塊蒙古櫟闊葉混交林固定樣地（123°47′E，40°51′N），坡度 19°～24°，面積為 822～851 hm2。撫育間伐方式為下層撫育法，伐除徑級(jí)較小的受壓木、瀕死木和枯立木，以及干形不良的林木，間伐強(qiáng)度以株數(shù)計(jì)算，設(shè)置強(qiáng)度間伐（41%）、中度間伐（30%）、弱度間伐（12%）和未間伐對(duì)照樣地（0%）。樣地自建立起每2～3 a進(jìn)行復(fù)測(cè)調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容主要為胸徑大于5 cm喬木的種類、胸徑、樹高及存活狀態(tài)。各樣地基本林分因子見表1。

表1 樣地基本情況Table 1 Basic condition of sample plots

2.2 蓄積量及其生長率計(jì)算方法

本研究采用遼寧東部林區(qū)蒙古櫟、軟闊和硬闊一元立木材積表計(jì)算各樹種材積，樣地內(nèi)所有樹種單株材積之和為全林分蓄積，然后換算成每公頃蓄積量。

采用Huang[27]和胡云云等[28]提出的北方森林的生長季算法，即將1—4月、5月、6月、7月和8—12月分別定義為0、0.2、0.5、0.9和1個(gè)生長季，用于計(jì)算伐后不同時(shí)間林分的蓄積年生長率。蓄積生長率計(jì)算使用普雷斯特公式[27]：

式中：Pn為n年間的平均生長率；ya和分別為a和a-n年的蓄積量。

2.3 徑級(jí)結(jié)構(gòu)擬合

Weibull分布函數(shù)是由瑞典物理學(xué)家Weibull于1939年提出，因其3參數(shù)與林分特征因子有關(guān)，可以擬合不同偏度、峭度和不同林型的徑級(jí)結(jié)構(gòu)，在林業(yè)應(yīng)用中取得良好的效果[29]。本研究采用Weibull分布概率密度函數(shù)對(duì)4塊樣地全林分徑級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合，Weibull分布概率密度函數(shù)見式（2）。利用Origin 9.0軟件對(duì)林分徑級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)擬合，采用卡方檢驗(yàn)法對(duì)擬合效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

式中：a為位置參數(shù)；b為尺度參數(shù)；c為形狀參數(shù)；x為林木胸徑。

3 結(jié)果與分析

3.1 撫育間伐對(duì)胸徑生長的影響

不同間伐強(qiáng)度胸徑生長動(dòng)態(tài)見圖1。由圖1可知，伐后的0～23 a，各間伐樣地的平均胸徑在生長過程中均大于對(duì)照，伐后當(dāng)年強(qiáng)度間伐樣地的平均胸徑最大（12.8 cm）；其次是中度間伐（12.1 cm）；最后為弱度間伐（12.0 cm）。隨著時(shí)間的增加，弱度、中度間伐樣地的平均胸徑生長較快，分別在伐后第9年和第14年超過強(qiáng)度間伐，截止到伐后第23年，強(qiáng)度、中度、弱度間伐樣地平均胸徑分別比對(duì)照增加了0.5、1.0 cm和1.7 cm。不同間伐強(qiáng)度胸徑定期生長量累計(jì)見圖2。由圖2可知，弱度間伐在整個(gè)生長過程中均高于對(duì)照，中度間伐與對(duì)照沒有明顯差異，強(qiáng)度間伐一直低于對(duì)照。

圖1 不同間伐強(qiáng)度胸徑生長動(dòng)態(tài)Fig. 1 Growth dynamics of DBH in different thinning intensities

圖1 不同間伐強(qiáng)度胸徑定期生長量累計(jì)Fig. 2 Total increment of DBH in different thinning intensities

3.2 撫育間伐對(duì)林分蓄積量生長的影響

不同間伐強(qiáng)度蓄積量生長動(dòng)態(tài)見圖3。由圖3可知，間伐當(dāng)年除弱度間伐樣地蓄積量略高于對(duì)照外，中、強(qiáng)度間伐樣地的蓄積量均有相應(yīng)程度的減小，分別比對(duì)照減少了9.20%和11.87%。但撫育間伐后，中度、強(qiáng)度間伐樣地的蓄積生長顯著加快，在伐后的第6年，蓄積量與對(duì)照接近，從伐后第9年開始超過對(duì)照，此后一直高于對(duì)照。伐后第23年，強(qiáng)度、中度、弱度間伐樣地蓄積量分別比對(duì)照增加了3.0%、8.5%、16.9%。不同間伐強(qiáng)度樣地蓄積年生長率見圖4。由圖4可知，各樣地蓄積增長率隨時(shí)間的增加總體呈降低趨勢(shì)，在間伐后的0～9 a，3個(gè)間伐樣地的蓄積生長率均明顯大于對(duì)照。在伐后的9～11 a，僅強(qiáng)度間伐樣地的蓄積生長率顯著高于對(duì)照，中、弱度間伐與對(duì)照無明顯差異。而伐后11～20 a，各間伐樣地蓄積生長率表現(xiàn)為略低于對(duì)照。

圖3 不同間伐強(qiáng)度蓄積量生長動(dòng)態(tài)Fig. 3 Growth dynamics of volume in different thinning intensities

圖4 不同間伐強(qiáng)度樣地蓄積年生長率Fig. 4 The annual growth percentage of volume in different thinning intensities

3.3 撫育間伐對(duì)林分徑級(jí)結(jié)構(gòu)的影響

3.3.1 撫育間伐對(duì)Weibull分布曲線的影響

伐后各年林分徑級(jí)結(jié)構(gòu)分布見圖5。由圖5可知，隨著伐后時(shí)間的延長，各樣地Weibull分布曲線峰值位置逐漸右移，峰值逐漸變小。其中，弱度間伐樣地的峰值位置向右移動(dòng)距離最大，從伐后當(dāng)年到伐后第23年，峰值位置從11 cm處移動(dòng)到22 cm處，峰值則從0.165降低到0.103；中度和對(duì)照樣地的峰值位置分別從12、10 cm處移動(dòng)到20、19 cm處，峰值分別從0.177、0.279降到0.096、0.138；強(qiáng)度間伐峰值位置向右移動(dòng)的距離最小，從12 cm處移動(dòng)到17 cm處，僅移動(dòng)了5 cm，峰值由0.175降到0.132。

圖5 伐后各年林分徑級(jí)結(jié)構(gòu)分布變化Fig. 5 Weibull distribution curves of stand diameter structure after thinning

各間伐強(qiáng)度徑級(jí)結(jié)構(gòu)分布變化見圖6。由圖6可知，撫育間伐對(duì)各樣地Weibull分布曲線有顯著的影響。間伐當(dāng)年，3個(gè)間伐樣地的Weibull分布曲線由高峰狹窄變?yōu)榈头鍖拸V，峰值位置向右移動(dòng)，移動(dòng)幅度隨間伐強(qiáng)度增加而增大，峰值變小，大小依次為對(duì)照、中度、強(qiáng)度、弱度。經(jīng)過23 a的生長，中度、弱度間伐樣地的峰值位置較對(duì)照依然向右偏移，分別比對(duì)照右移0.6、3.5 cm，峰值比對(duì)照低0.02、0.01，而強(qiáng)度間伐樣地的峰值位置較對(duì)照左移動(dòng)1.1 cm，峰值較對(duì)照低0.005。

圖6 伐后當(dāng)年和伐后23年各間伐強(qiáng)度徑級(jí)結(jié)構(gòu)分布變化Fig. 6 Weibull distribution curves in the year after thinning and 23 years after thinning

3.3.2 撫育間伐對(duì)Weibull分布函數(shù)三參數(shù)的影響

間伐后林分徑級(jí)結(jié)構(gòu)Weibull分布函數(shù)參數(shù)變化見表2。由表2可知，Weibull分布概率密度函數(shù)位置參數(shù)a值的范圍為4.57～17.99，各樣地a值隨伐后年限的增加呈增大趨勢(shì)，且a值受撫育間伐強(qiáng)度的影響較大，撫育間伐當(dāng)年，間伐樣地的a值均大于對(duì)照，表現(xiàn)為間伐強(qiáng)度越大，a值越大。尺度參數(shù)b值的范圍為1.75～4.31，間伐當(dāng)年，除弱度間伐外，中、強(qiáng)度間伐b值均高于對(duì)照，b值隨時(shí)間增加未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。形狀參數(shù)c值的范圍為3.60～8.00，說明各分布曲線均為“山”形負(fù)偏曲線。在間伐當(dāng)年，各間伐樣地c值均小于對(duì)照，3個(gè)間伐樣地間差異不明顯，隨著時(shí)間的增加，對(duì)照樣地除伐后第14年c值較大外，其余年間c值均保持穩(wěn)定，3個(gè)間伐樣地c值表現(xiàn)為隨時(shí)間的增加先增加后趨于平穩(wěn)的趨勢(shì)。

3.4 撫育間伐對(duì)林分枯死率的影響

不同間伐強(qiáng)度林分枯死率見表3。由表3可知，在伐后0～11 a，間伐樣地的枯死率顯著低于對(duì)照，強(qiáng)度間伐樣地平均枯死率最低，僅為對(duì)照的19.83%，中度、弱度間伐樣地的平均枯死率分別為對(duì)照的23.93%、67.87%。在伐后的11～23 a，間伐樣地的平均枯死率略高于對(duì)照，表現(xiàn)為弱度（6.68%）＞強(qiáng)度（6.38%）＞中度（5.47%）＞對(duì)照（4.81%）。總體來說，強(qiáng)度、中度間伐樣地伐后0～11 a，林分平均枯死率低于伐后11～23 a，弱度間伐前后10 a相差不大、對(duì)照樣地伐后0～11 a間林分平均枯死率高于伐后11～23 a。

表3 不同間伐強(qiáng)度林分枯死率比較Table 3 Comparison of forest mortality among different thinning intensities %

4 結(jié)論與討論

本研究分析了不同間伐強(qiáng)度蒙古櫟闊葉混交林的生長動(dòng)態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，間伐在一定程度上能夠促進(jìn)林分胸徑和蓄積量的生長，降低林分的枯死率。這與前人[30-32]的研究結(jié)論相一致。間伐在一定程度上減少了林木間的競(jìng)爭(zhēng)，增加林內(nèi)光照，改善了林分衛(wèi)生條件，為保留木創(chuàng)造了更多的養(yǎng)分和生長空間，從而促進(jìn)了林分的生長，然而這種作用并不是一直持續(xù)的，間伐樣地經(jīng)過10 a左右的生長，再一次郁閉，林木之間競(jìng)爭(zhēng)加劇，枯死率增加，蓄積生長率減少。因此，建議蒙古櫟闊葉混交林在初次間伐后10 a左右林分再次郁閉時(shí)，可進(jìn)行再次撫育間伐，從而提高林分生產(chǎn)力。

本研究采用單峰Weibull分布概率密度函數(shù)對(duì)不同間伐強(qiáng)度蒙古櫟闊葉混交林的徑級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行擬合，R2在0.63～0.90，卡方檢驗(yàn)顯著，說明Weibull分布函數(shù)能夠較好的描述闊葉混交林的徑級(jí)結(jié)構(gòu)，可以用來預(yù)估闊葉混交林的直徑分布、林分產(chǎn)量出材量及評(píng)價(jià)經(jīng)營效果。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，撫育間伐能使直徑分布曲線向右移動(dòng)，且右移幅度隨間伐強(qiáng)度增加而增大，峰值變低，這表明間伐不僅能提高林分平均胸徑而且間伐后林木直徑分布分散，能夠比較合理的利用林分的營養(yǎng)空間[32]。同時(shí)本研究發(fā)現(xiàn)，Weibull函數(shù)中參數(shù)a受間伐和林齡影響較大，這與王蒙等[33]利用Weibull分布函數(shù)對(duì)落葉松人工林直徑擬合時(shí)得到的結(jié)論一致，因此，在采用Weibull參數(shù)對(duì)林分直徑進(jìn)行擬合時(shí)，將a設(shè)成定值是不準(zhǔn)確的。