結構化經營對櫟松混交林林分空間結構及穩定性的影響*

萬 盼 劉文楨 劉瑞紅 王 鵬 王宏翔 惠剛盈

(1.中國林業科學研究院林業研究所 國家林業和草原局林木培育重點實驗室 北京 100091；2.甘肅省小隴山林業實驗局林業科學研究所 天水 741022)

長期的過度采伐與不合理經營，導致天然林資源大幅度銳減、森林生態功能退化，亟需采取有效的經營措施提高天然林恢復速度和質量，維持其生態系統多樣性和穩定性，以實現森林可持續發展(劉世榮等，2015)。目前，恒續林經營(Gayer，1882；M?ller，1992)、目標樹經營(Abetz，1974)、檢查法擇伐經營(Gurnaud，1886；Biolley，1890)、“栽針保闊”動態經營體系、“次生林綜合培育”技術體系等(陳大珂等，1994；袁士云，2010)在國內外普遍實施，不同的經營措施通過對森林進行改造、轉化、重建和利用，能夠影響林分樹種組成、林分密度、林木大小分布等，進而引起森林結構變化(Zhangetal.，2014；惠剛盈等，2009；趙中華，2009)。森林結構包括空間結構和非空間結構，其中空間結構更具重要意義，它決定了林分的發展方向(Pommereming，2006；Lietal.，2012)。角尺度、混交度、大小比數是量化和描述森林空間結構的參數，以其來指導森林結構的調節和優化具有一定可行性，因此，結構化森林經營被提出(惠剛盈等，2007)，它是以未經人為干擾或經過輕微干擾但已得到恢復的天然林的空間結構為模式，堅持以樹為本的經營理念，師法自然，以優化林分空間結構為手段，注重改善林分空間結構狀況，按照森林的自然生長和演替過程安排經營措施的森林經營技術。

空間結構參數也可作為評價經營措施效果的有效指標(白超，2016)。空間結構決定了林木之間的競爭態勢和空間生態位，反映了林分健康狀況、生長潛力和穩定性(Pretzsch，1991)，優越的空間結構能夠驅使林分向更理想的狀態發展。通過分析空間結構參數的一元分布，可以了解林分整體的空間信息狀況(Huietal.，2014)；空間結構參數的二元分布表示3個結構參數兩兩之間的聯合頻率分布，揭示3個參數的內在結構關系，能夠提供林分更加豐富和具體的微觀空間結構信息(李遠發，2013)。

穩定性表示森林生態系統抵抗外界環境干擾及干擾后恢復初始狀態的綜合能力(馬姜明等，2004)，是保證森林群落能夠長期存在并發揮重要作用的必要條件(Foxetal.，2017)。由于森林穩定性是生態系統結構和功能的一個綜合特征，對其進行評價應是多指標的綜合評價(王國宏，2002)，再加上評價的森林類型和功能不同，所以出現了不同的穩定性綜合評價方法，如M.Godron 穩定性測定法(Godron，1972)、演替與比較相結合法(張明霞等，2015)、主成分分析法(閆東鋒等，2006)、回歸分析法(曾誠等，2016)和隸屬函數值法(Yuetal.，2015)等，并沒有統一的評價標準。林分狀態包括森林結構和活力，用于表征林分的自然屬性，林分狀態優劣在一定程度上可反映林分健康質量。天然混交林最優林分狀態的π值法則，即單位圓分析法是一種全新的林分狀態合理性評價方法，其依據多指標綜合評價原則，對森林結構和活力的多個指標進行綜合評價，評價結果能夠真實反映林分狀態的實際情況(惠剛盈等，2016)。可見，若通過最優林分狀態的π值法則分析林分狀態來判別林分穩定性，將是一種新的有效評價途徑。

櫟類混交林是我國重要的森林類型之一，具有涵養水源、保持水土、改善土壤肥力、抗逆性和防火等生態功能(劉文楨，2015)。本研究以甘肅小隴山自然保護區百花林場大干子溝天然櫟松混交林為研究對象，采用空間結構參數對比分析結構化經營樣地和未經營樣地林分空間結構特征變化，探討結構化經營對櫟松混交林林分空間結構的影響，并通過最優林分狀態的π值法則評價二者林分狀態的合理性，作為林分穩定性的評判標準，以期為結構化經營技術在櫟類混交林經營中的實施和評價提供科學依據。

1 研究區概況

研究區設在甘肅天水小隴山自然保護區百花林場大干子溝。小隴山自然保護區位于甘肅省東南部，秦嶺西段，地處我國華中、華北、喜馬拉雅、蒙新四大自然植被區系的交匯處，地理坐標為33°31′—34°41′N、104°23′—106°43′E，海拔700～2 500 m。該區處在暖溫帶向北亞熱帶過渡地帶，兼有我國南北氣候特點，大多數地域屬暖溫濕潤-中溫半濕潤大陸性季風氣候，年平均氣溫7～12 ℃，極端最高氣溫39.2 ℃，極端最低氣溫-23.2 ℃，年降水量600～900 mm，主要集中于7、8、9月，年蒸發量989～1 658 mm，相對濕度68%～78%，年日照時長1 520～2 313 h，無霜期130～220天。區內秦嶺以北的地帶性土壤為灰褐土，以南為黃褐土，垂直分布比較明顯(侯浩等，2016)。植被主要是以銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)為主的高度自然化櫟松混交林，有遼東櫟(Quercusliaotungensis)、華山松(Pinusarmandii)和山核桃(Caryacathayensis)等30多個樹種。

2 研究方法

2.1 樣地設置與調查

2012年，在小隴山自然保護區百花林場大干子溝設置1塊50 m×50 m、2塊30 m×30 m固定樣地，實施結構化經營，分別記為樣地1、3和5；同時設置3塊20 m×20 m固定樣地，不實施經營措施，作為對照，分別記為樣地2、4和6。利用全站儀(TOPCON-GIS-602AF)對每塊樣地內胸徑大于5 cm的每株林木進行定位，調查樹種名稱、胸徑、冠幅、樹高和坐標信息，并掛牌標記。樣地基本概況見表1。

表1 樣地基本概況

2012年，對樣地1、3和5中的林分實施結構化經營，具體設計為：1)保留林分中的珍貴樹種、稀有種和瀕危樹種，對頂極樹種華山松和油松(Pinustabulaeformis)的所有個體(包括DBH≥5 cm的更新幼樹)，銳齒櫟中、大徑木以及珍貴、瀕危樹種進行競爭調節；2)優先采伐干形不良、病蟲危害、樹干(根頸)腐朽、叢生的林木，以保持林分健康；優先伐除對保留木不利的競爭樹，至少使保留木兩側不受遮蓋或擠壓，并促進林分異齡化；優先采伐分布在保留木一側且與保留木樹種相同的林木，以減少聚集性，增加混交；優先伐除達到目標直徑(DBH≥45 cm)的櫟類林木個體，但2倍樹高范圍內不允許連續采伐，以增加林分木材生產、促進林分價值生長，并為天然更新創造條件；采伐蓄積強度不允許超過20%。對樣地2、4和6中的林分不實施任何經營措施。

2017年對所有樣地進行復測，調查所有保留木的胸徑、樹高、冠幅等因子5年后的變化，利用這些特征值計算空間結構參數，分析結構化經營對櫟松混交林林分空間結構的影響，并通過最優林分狀態的π值法則對其林分狀態合理性進行分析，用以表示林分穩定性。

2.2 林分空間結構指標分析

采用角尺度(W)、混交度(M)和大小比數(U)描述林分空間結構，參數定義和表達方式見惠剛盈等(2003)。統計每個指標上林木株樹的相對頻率，得出其分布頻率，即空間結構參數的一元分布。將3個結構參數兩兩聯合后形成混交度(M)-大小比數(U)、混交度(M)-角尺度(W)和大小比數(U)-角尺度(W)3種組合，以組合的林木株數相對頻率為縱坐標、以不同取值組合為橫坐標，即得到空間結構參數的二元分布(李遠發，2013)。

2.3 林分穩定性評價方法

以林分狀態優劣作為林分穩定性的評判標準，選擇櫟松混交林林分的9個狀態指標(林分垂直結構、林分水平結構、年齡結構、樹種多樣性、樹種組成、林分密度、林分長勢、頂級種競爭、林木健康)作為構建穩定性評價的參數，通過最優林分狀態的π值法則對林分狀態合理性進行分析(惠剛盈等，2016)。計算各個指標，并對其進行賦值、標準化和正向處理，使其變成[0，1]之間無量綱數值。各個指標的計算方法和賦值標準見惠剛盈等(2016)。

利用單位圓分析法綜合評價林分狀態，具體如下(惠剛盈等，2016)：1)畫一個半徑為1的圓，將圓的360°分為9個扇形區，分別代表9個林分狀態指標；2)從9個扇形區的圓心開始以放射線形式分別畫出相應的指標線，并標明指標名稱；3)將現實林分的相應指標值用點標記在放射線上，依次連接相鄰點，構成閉合曲線，即代表現實林分狀態。當所有指標都為1時，構成面積最大為π，可認為是最優林分狀態。采用現實林分狀態值與最優林分狀態值的比值來衡量現實林分狀態合理程度，其公式為：

(1)

(2)

式中：s2i=L1L2sinθ/2；ω為現實林分狀態值；s1為閉合圖形中扇形面積和；s2為閉合圖形中三角形面積和；n為指標個數(n≥2)；m為指標等于1的個數；L1、L2分別為三角形部分的相鄰指標值；θ為相鄰指標構成的夾角。

ω在[0，1]之間，當ω≥0.70，表示狀態極佳；當ω在[0.55,0.70)之間，表示狀態良好；當ω在[0.40，0.55)之間，表示狀態一般；當ω在[0.25，0.40)之間，表示狀態較差；當ω≤0.25，表示狀態極差。

2.4 數據統計與分析

采用Winkelmass軟件處理數據，為避免邊緣效應，設置5 m緩沖區，計算每塊樣地林分結構參數。將3塊經營樣地和3塊未經營樣地的結構參數數據分別合并在一起，通過Excel 2013軟件作圖，分析經營和未經營櫟松混交林林分空間結構的一元和二元分布；再利用林分狀態單位圓分析法計算得出樣地林分狀態值，并通過Cowldraw軟件作圖。

3 結果與分析

3.1 空間結構參數一元分布

圖1 經營樣地和未經營樣地林分的角尺度(W)和混交度(M)

經營樣地林分經營前平均角尺度為0.514，在[0.475，0.517]之間，處于隨機分布到團狀分布過渡段；未經營樣地林分平均角尺度為0.539，屬于團狀分布(圖1)。可見，2種林分均不屬于合理的林分分布狀態。實施結構化經營5年后林分平均角尺度為0.480，在[0.475，0.517]之間，屬于隨機分布；未經營樣地林分自然生長5年后平均角尺度為0.532，仍屬于團狀分布(圖1)。

經營和未經營樣地林分經營前平均混交度分別為0.699和0.629，處于中度混交到強度混交之間(圖1)。林分經營5年后平均混交度為0.772，處于強度混交到極度混交之間，混交度較經營前增加10.4%；而未經營樣地林分自然生長5年后平均混交度為0.664，仍處于中度混交到強度混交之間，較之前僅增加5.5%(圖1)。

3.2 空間結構參數二元分布

3.2.1 大小比數(U)-角尺度(W) 從大小比數和角尺度的二元分布(圖2A、B)可以看出，在經營樣地中，經營前與經營5年后的林分具有相似規律，隨著角尺度等級增加(W=0～1.00)，每行大小比數對應的頻率均先增加，達到最大值后再依次減小，即處于隨機分布(W=0.5)軸上的頻率占絕對多數，所占比例分別為57.11%和55.81%；同時，中庸到優勢(U=0～0.5)且處于隨機分布(W=0.5)的林木比例分別為34.18%和32.01%。可見，結構化經營5年后的林分中處于隨機分布軸上的頻率較經營前降低2.32%、中庸到優勢且處于隨機分布的林木比例較經營前降低6.79%。

如圖2C、D所示，在未經營樣地中，隨著角尺度等級增加(W=0～1.00)，每行大小比數對應的頻率均先增加，達到最大值后再依次減小，即處于隨機分布(W=0.5)軸上的頻率占絕對多數，所占比例為54.65%；同時，中庸到優勢(U=0～0.5)且處于隨機分布(W=0.5)的林木比例為38.28%。自然生長5年后的林分，與5年前表現出相似的變化規律，即處于隨機分布(W=0.5)軸上的頻率占絕對多數，所占比例為52.94%；同時中庸到優勢(U=0～0.5)且處于隨機分布(W=0.5)的林木比例為35.41%。可見，未經營林分5年后處于隨機分布軸上的頻率較經營前降低3.23%、中庸到優勢且處于隨機分布的林木比例較5年前降低8.10%。

3.2.2 混交度(M)-角尺度(W) 如圖3A、B所示，在經營樣地中，經營前與經營5年后林分的混交度(M)-角尺度(W)二元分布相似，最高頻率出現在組合(M=1.00，W=0.50)，每列角尺度上的頻率均隨混交度等級降低(M=1.00～0)而減少；隨著角尺度等級增加(W=0～1.00)，每行混交度對應的頻率先增大后減小，并在隨機分布軸時最大；同時，處于高度混交(M=1.00)且為隨機分布(W=0.50)的林木比例在經營前和經營5年后的林分中分別為21.82%和26.54%，相比增加21.63%。

圖2 經營樣地和未經營樣地林分大小比數(U)-角尺度(W)二元分布

如圖3C、D所示，在未經營樣地中，最高頻率同樣出現在組合(M=1.00，W=0.50)。隨著角尺度等級增加(W=0～1.00)，(M=0.50和0除外)每行混交度對應的頻率先增大后減小，并在隨機分布軸時最大；同時，處于高度混交(M=1.00)且為隨機分布(W=0.50)的林木比例在5年前后的林分中分別為17.26%和17.91%，相比僅增加3.75%。

圖3 經營樣地和未經營樣地林分混交度(M)-角尺度(W)二元分布

3.2.3 混交度(M)-大小比數(U) 從混交度(M)-大小比數(U)的二元分布(圖4A、B)可以看出，在經營樣地中，經營前與經營5年后的林分具有相似規律，即在同一大小比數等級上，頻率隨著混交度等級減小逐漸減少；在同一混交度等級上，頻率隨著大小比數變化無明顯規律。處于高度混交(M=0.75和1.00)且為中庸到優勢(U=0～0.25)的林木比例在經營前和經營5年后的林分中分別為41.38%和47.11%，相比增加13.84%。

如圖4C、D所示，在未經營樣地中，整體來看，同一大小比數等級上，混交度低的林木比例較小、混交度高的林木比例較高。處于高度混交(M=0.75和1.00)且為中庸木到優勢(U=0～0.50)的林木比例在5年前后的林分中分別為40.20%和41.35%，相比僅增加3.35%。

3.3 林分穩定性評價

如表2所示，在經營樣地中，林分擁擠度、樹種多樣性、林分優勢度、樹種優勢度和林木健康比例經營5年后較經營前均增加，林分水平結構經營5年后較經營前更合理。綜合分析(圖5)表明，經營樣地中，經營前林分ω1為0.399，處在[0.25，0.40)之間，表明林分狀態較差，而經營5年后林分ω2為0.507，處在[0.40，0.55]之間，表明林分狀態為中等。

在未經營樣地中，林分擁擠度、林分優勢度和樹種優勢度自然生長5年后均有所降低；林木健康比例自然生長5年后有所增加，但不屬于理想比例；林分水平結構自然生長5年后仍屬于不合理分布格局(表2)。綜合分析(圖5)表明，未經營樣地中，5年前林分ω3為0.287，處在[0.25，0.40)之間，表明林分狀態較差，而自然生長5年后林分ω4為0.325，處在[0.25，0.40]之間，表明林分狀態仍較差。

圖4 經營樣地和未經營樣地林分混交度(M)-大小比數(U)二元分布

表2 經營樣地和未經營樣地櫟松混交林林分狀態特征

圖5 櫟松混交林林分狀態單位圓

4 討論

結構化經營是解決天然林經營問題適用頻率最高的集成技術，其經營理念是以原始林為模板，先通過結構參數分析原始林空間結構特征，再根據“模板特征”對待經營天然林向原始林方向進行調整(惠剛盈等，2007)。本研究對實施結構化經營和未實施任何經營措施的林分空間結構特征進行分析，對比2種處理下林分空間結構參數一元分布發現，實施結構化經營5年后林分水平分布格局由經營前的近團狀分布轉化為隨機分布，而未經營樣地林分5年后水平分布格局仍為團狀分布。有研究表明，理想林分中林木呈隨機分布最好(陳亞南等，2015)，可見結構化經營后的林木分布屬于理想的天然林林木水平分布格局，而未經營林分林木則一直處于不合理的分布格局。同樣，本研究發現，實施結構化經營5年后林分混交度較經營前增加10.4%，處于強度到極強度混交狀態，而未經營樣地5年后林分混交度較5年前也有所增加，但僅增加5.5%，仍處于中等混交到強度混交狀態，說明實施結構化經營林分林木整體混交度要遠遠高于未經營林分林木，分析其原因可能是經營過程中減少了單木周圍的同樹種林木個數，也可能是經營后的林木周圍更有利于異種樹種的萌生和生長。林木混交度在一定程度上可表示林分中樹種多樣性的高低，混交度高則樹種多樣性高(湯孟平等，2012)；陳亞南等(2015)指出，林分中林木混交度越高越好，說明林分空間結構越優；王宏翔(2017)和Pommerening等(2017)研究表明，林分中林木混交度高，其優勢木比例高，即大樹的混交度高于小樹。因此，實施結構化經營后混交度增加有利于林木生長。林木大小比數是量化參照樹與其周圍樹的大小情況，可分為胸徑大小比數和樹高大小比數，由于結構化經營主要以水平分布格局和混交度為調節指標，而對大小比數只考慮以調節某優勢樹種的優勢度為主，因此，本研究沒有涉及林分大小比數一元分布研究。總之，從林分水平分布格局和混交度來看，實施結構化經營可使林分空間結構更合理，更有利于林木生長。

根據以往研究，林木處于隨機分布為最佳格局；林分混交度越高，其結構越優越；林分中優勢林木或亞優勢林木比例越高越好。因此，二元分布聯合有3種優越的微觀結構，即隨機分布的林木且處于高度混交狀態、中庸到優勢狀態的林木且隨機分布、中庸到優勢狀態的林木且處于高度混交狀態。本研究發現，高度混交且為隨機分布、高度混交且為中庸到優勢的林木比例在經營樣地增加比例明顯高于未經營樣地；然而，中庸到優勢且為隨機分布的林木比例在經營樣地和未經營樣地均降低，但未經營樣地下降比例更大。整體來看，經營措施增加并保持林分中的優勢微結構，符合結構化經營的理念和目的。

群落物種多樣性可反映其穩定性(Moore，2005；Ivesetal.，2007)，林分空間結構的優越性可反映森林群落的穩定性(曹小玉等，2015)。穩定性是群落各種因子共同作用的結果，不能簡單斷定群落物種單一的因子與穩定性之間的因果關系(馬洪婧等，2013)，對其穩定性的評價應是多指標的綜合評價。本研究選取林分空間和非空間因子綜合分析林分狀態，全面表征林分自然屬性，反映林分健康質量狀況，以此評價林分穩定性，更具有科學性。選取的9個林分因子包括林分垂直結構、林分水平結構、年齡結構、樹種多樣性、樹種組成、林分擁擠度、林分優勢度、頂極樹種優勢度和健康林木比例。對比2種處理下樣地林分狀態的評價因子，未經營樣地林分自然生長5年后林層數較5年前減少，且減少幅度大，而經營樣地林分也較5年前有所減少，但其減少幅度較小，說明結構化經營能夠減緩因自然生長導致的林分分層弱化，進而使林木具有更優的生長空間。天然林林木直徑結構在經營樣地和未經營樣地均為倒“J”形，表明其直徑結構合理，有利于林分的進一步發展，同時也說明結構化經營未對林分年齡結構產生負面影響。未經營樣地林分自然生長5年后，其林分擁擠度較5年前下降，而經營樣地林分則相反，說明結構化經營有助于降低林分密度，但林分密度仍處于不合理狀態，需進一步對其進行調節。未經營樣地林分自然生長5年后，其林分優勢度和樹種優勢度較5年前也有所下降，而經營樣地林分優勢度和樹種優勢度增加。另外，結構化經營能夠較大幅度增加林分中健康林木比例，是由于經營過程中間伐了不健康的林木，同時也促進了健康林木的生長和進界。遺憾的是，本研究缺乏林分更新這一指標，若有該指標，則林分的穩定性表達將更全面。結合9個林分因子，通過林分狀態單位圓分析計算得出，經營樣地經營前林分狀態值為0.399，表明林分狀態較差，而實施結構化經營5年后林分狀態值為0.507，表明林分狀態為中等。未經營樣地5年前林分狀態值為0.287，表明林分狀態較差，而自然生長5年后林分狀態值為0.325，表明林分狀態仍較差。可見，結構化經營能夠改善林分狀態，通過林分狀態優劣反映林分穩定性，說明結構化經營能夠增強林分穩定性。另外，以往多數研究采用模糊數學的隸屬函數值法對林分穩定性進行評價，本研究通過該方法對選取的林分因子進行綜合評價，同樣得出經營樣地林分具有較高穩定性。因此，林分狀態與林分穩定性之間關系一致，說明通過林分狀態優劣程度表達其穩定性是可行的。

5 結論

結構化經營可使林分水平分布格局合理、混交度大幅度增加，能夠驅使林分向更理想的狀態發展；空間結構二元分布也展現出實施結構化經營能夠使林分中優勢微結構的林木比例增高。同時，利用最優林分狀態的π值法則，得出結構化經營可使林分狀態由較差水平轉為良好狀態，林分穩定性增強。本研究結論對甘肅小隴山自然保護區櫟松混交林的經營具有科學指導意義，也可為結構化經營技術的進一步實施和評價提供科學依據。