塞罕壩華北落葉松人工林不同經(jīng)營模式效果評價

葛兆軒，苑美艷，單博文，黃選瑞，張志東

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，河北 保定 071000)

森林經(jīng)營模式是培育森林或利用森林的一系列經(jīng)營措施的組合[1]。不同經(jīng)營模式，如近自然森林經(jīng)營[2-3]、生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營[4]、檢查法擇伐經(jīng)營[5]、目標(biāo)樹經(jīng)營[6-7]、結(jié)構(gòu)化森林經(jīng)營[8]等，對森林結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生了顯著的影響。近年來，隨著林業(yè)發(fā)展目標(biāo)由以木材生產(chǎn)為主轉(zhuǎn)向以生態(tài)建設(shè)為主，人工林在生態(tài)保護方面起著重要作用[9]。為了培育健康穩(wěn)定的森林，提高人工林質(zhì)量和林地生產(chǎn)力，相繼開展了經(jīng)營模式設(shè)計[10]、經(jīng)營方式對林分的影響[11-13]、經(jīng)營效果評價及方法[14-16]、經(jīng)營效果評價指標(biāo)的選取和量化[3]等一系列研究。研究主要集中于一種經(jīng)營模式對林分質(zhì)量影響的量化評價，而針對不同經(jīng)營模式效果綜合評價的研究還較少。

華北落葉松(Larix principis-rupprechtii Mayr)為冀北地區(qū)主要造林與用材樹種[17]，華北落葉松人工林在木材供給、生物多樣性保護和生態(tài)效益等方面具有重要作用。但長期的粗放經(jīng)營造成冀北地區(qū)華北落葉松人工林林下物種多樣性減少，穩(wěn)定性差，林分生產(chǎn)力普遍較低。因此，探尋適宜的經(jīng)營模式是當(dāng)前華北落葉松人工林可持續(xù)經(jīng)營的迫切任務(wù)。本研究以河北省塞罕壩機械林場華北落葉松人工林為研究對象，從林分生長、林分結(jié)構(gòu)、天然更新、物種多樣性和土壤化學(xué)性質(zhì)5 個方面建立綜合評價指標(biāo)體系，并運用主成分分析法對結(jié)構(gòu)化森林經(jīng)營、近自然森林經(jīng)營和傳統(tǒng)森林經(jīng)營的經(jīng)營效果進行綜合評價，以期為塞罕壩華北落葉松人工林的培育和經(jīng)營提供參考依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省承德市塞罕壩機械林場，屬內(nèi)蒙古地區(qū)渾善達克沙地南緣，于陰山與大興安嶺山脈交接處(116°52′～117°39′ E，42°04′～42°36′ N)。地勢南低北高，分為壩上和壩下兩個部分。屬于寒溫性大陸季風(fēng)氣候。年平均氣溫－1.4 ℃，其中最高溫度可達30.9 ℃，最低溫度達－43.2 ℃；降水量較少，年均為450 mm，蒸發(fā)量大于降水量[18]。土壤種類十分豐富，以風(fēng)沙土、草甸土、棕壤、灰色森林土為主。植被類型多樣，包括草原與草甸、針葉林、闊葉林、灌叢和水生群落等[19]。其中按起源又可將喬木林分為天然次生林和人工林，天然次生林中主要的喬木樹種有白樺(Betula platyphylla Suk)、山楊(Populus davidiana Dode) 等；人工林中主要的喬木樹種有華北落葉松、樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica Litv) 等；草本主要有早熟禾（Poa annua L.）、地榆(Sanguisorba officinalis L.)、鐵絲草(Ophiopogon chingii Wang et Tang) 等。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置和調(diào)查

在塞罕壩北曼甸和千層板林場林區(qū)內(nèi)選擇立地條件相對一致的林齡為29 年生華北落葉松林分共3 塊，每個林分內(nèi)隨機布設(shè)3 塊50 m×50 m 的樣地，樣地之間間隔至少為50 m。記錄樣地所在位置的經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向、坡位、土壤類型、土壤厚度等。2014 年5 月，采用十字線法將每塊樣地劃分為4 個經(jīng)營單元進行經(jīng)營（每個經(jīng)營單元邊緣設(shè)置2.5 m 的緩沖區(qū)），采用隨機排列的方式布設(shè)4 組經(jīng)營模式， 即近自然森林經(jīng)營（N）、傳統(tǒng)森林經(jīng)營（T）、結(jié)構(gòu)化森林經(jīng)營（S）和對照（CK），每個經(jīng)營模式3 次重復(fù)。各經(jīng)營模式設(shè)計如下：

（1）近自然森林經(jīng)營：以選定的目標(biāo)樹作為經(jīng)營主體對象。首先將林分中的所有林木按照林木經(jīng)營目標(biāo)進行分級，確定目標(biāo)樹、干擾樹、特殊目標(biāo)樹和一般林木。其次，確定每公頃所選目標(biāo)樹數(shù)量（成熟林的每公頃胸高斷面積/單株樹的胸高斷面積）以及目標(biāo)樹之間的平均距離（目標(biāo)胸徑的20 倍），按三角形均勻配置。最后，伐除影響目標(biāo)樹和特殊目標(biāo)樹生長的干擾樹（與目標(biāo)樹樹干距離小于被干擾半徑（目標(biāo)樹當(dāng)前胸徑加上4 cm 再乘以20）的林木），在特殊目標(biāo)樹與目標(biāo)樹發(fā)生沖突時，優(yōu)先保留特殊目標(biāo)樹[3,7]。

（2）結(jié)構(gòu)化森林經(jīng)營：主要是對林分結(jié)構(gòu)進行調(diào)整?；诮Y(jié)構(gòu)化指標(biāo)（大小比數(shù)、角尺度、混交度等）確定保留木和采伐木（研究區(qū)華北落葉松的目標(biāo)胸徑達到50 cm 以上，可采伐利用；保留的中大徑木的競爭大小比數(shù)不大于0.25；保留木最近4 株相鄰木的角尺度不大于0.5），林木分布格局的調(diào)整（調(diào)整林分中角尺度為1 或0.75 的單木），樹種組成的調(diào)整（將林分中主要樹種的取值為0、0.25 的單木作為潛在的調(diào)整對象），競爭關(guān)系的調(diào)整（做到使經(jīng)營對象的競爭大小比數(shù)不大于0.25）[8,10,20]。

（3）傳統(tǒng)森林經(jīng)營：采用下層疏伐法，采伐林冠下層不健康的和其他樹種林木。

（4）對照：對林分內(nèi)的樹木不做任何采伐作業(yè)。

同年7—9 月在每個經(jīng)營單元內(nèi)對DBH≥5 cm的林木進行每木檢尺，記錄林木所在位置、胸徑、樹高、枝下高、冠幅，并記錄樹種、健康狀況以及林分的郁閉度等。將高度低于120 cm 的華北落葉松幼苗定為更新幼苗，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)以每個10 m×10 m 的樣方為單位進行調(diào)查，將更新苗統(tǒng)一編號掛牌，記錄其高度、基徑及其在樣方內(nèi)的相對坐標(biāo)，并通過查輪生枝法確定其年齡。在標(biāo)準(zhǔn)地的四角及中心位置各設(shè)置1 個1 m×1 m 的小樣方，調(diào)查草本物種、株數(shù)、高度和蓋度。在每個1 m×1 m 的小樣方內(nèi)，按照0～10 cm 和10～20 cm 兩個土層，利用土鉆取樣，然后將各樣方內(nèi)同一層次的土壤分別進行混合，形成一個混合樣，帶回實驗室陰干后進行土壤化學(xué)性質(zhì)的測定。根據(jù)野外實際勘察情況和調(diào)查分析后的結(jié)果（林分郁閉度和林木生長狀況），將不同經(jīng)營單元的采伐強度控制在15% 以下，明確采伐對象，然后做上標(biāo)記進行林木的采伐作業(yè)。

2016 年7—8 月，對經(jīng)營樣地進行調(diào)查，調(diào)查的內(nèi)容與采伐前相同，并記錄好相關(guān)數(shù)據(jù)以備使用。樣地林分基本情況見表1。

表1 樣地概況 Table 1 Survey of sample plots

2.2 評價指標(biāo)與因子

2.2.1 林分生長 采用林木單株材積年均生長量、林分蓄積定期平均生長量指標(biāo)衡量林分生長。

2.2.2 林分結(jié)構(gòu) 林分結(jié)構(gòu)從林木樹高、胸徑、林木分布格局和林木大小分化程度等方面進行描述，林木分布格局用角尺度來表示，林木大小分化程度通過胸徑變異系數(shù)來表達。利用空間結(jié)構(gòu)分析軟件Winkelmass 進行林分空間結(jié)構(gòu)分析。

2.2.3 天然更新 依據(jù)更新苗的高度將4 種經(jīng)營模式林分下的更新苗劃分為5 個等級，即：第I 級（H1）：H1≤3 cm；第II 級（H2）：3 cm＜H2≤8 cm；第III 級（H3）：8 cm＜H3≤25 cm；第IV 級（H4）：25 cm＜H4≤70 cm；第V 級（H5）：70 cm＜H5≤120 cm。

2.2.4 物種多樣性 計算草本植物的物種豐富度（S）、Pielou 均勻度指數(shù)（J）、Shannon-Wiener指數(shù)（H’）和Simpson 指數(shù)（P）來衡量物種多樣性。

2.2.5 土壤化學(xué)性質(zhì) 土壤化學(xué)性質(zhì)的測試內(nèi)容包括土壤有機質(zhì)、全氮、全鉀、全磷、堿解氮、速效鉀、有效磷含量以及土壤的酸堿度（pH）指標(biāo)。

2.3 評價方法

利用SPSS 20.0 對所選評價指標(biāo)進行描述性統(tǒng)計，得到各項指標(biāo)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并進行方差檢驗，方差齊性時采用Tukey 多重比較，采用主成分分析法對華北落葉松人工林不同經(jīng)營模式的效果進行綜合評價。

（1）為了消除量綱及數(shù)量級的影響，將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，公式如下：

（2）篩選主成分，將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)利用SPSS 軟件進行分析，從方差分析結(jié)果中選取累積貢獻率≥85% 的前m 個主成分，建立標(biāo)準(zhǔn)化變量與m 個主成分之間的關(guān)系，公式如下：

式中，Yk代表第k 個主成分（k=1, 2, ···, m）；為第k 個主成分的因子載荷；為第p 個指標(biāo)變量；為第k 個主成分的第p 個指標(biāo)變量的因子載荷。

（3）確定各個主成分的權(quán)重，用以下公式計算：

式中， wk代表第k 個主成分的權(quán)重； λk表示第k 個主成分的貢獻率。

（4）根據(jù)公式（2）篩選出的m 個主成分和公式（3）得到的權(quán)重建立綜合評價函數(shù)：

其中，F(xiàn) 為各經(jīng)營模式的綜合得分，得分越高，說明該種經(jīng)營模式效果越好[21-23]。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分生長特征

圖1 不同經(jīng)營模式單株材積年均生長量和林分蓄積定期平均生長量Fig. 1 Tree volume annual mean increment and periodical mean increment of stand stock volume in stands with different management modes

由圖1 可知，T、N、S 3 種經(jīng)營模式的單株材積年均生長量顯著大于CK（P＜0.05），其中S 模式的值最高，N 模式次之，且S 模式顯著高于T 和N 模式（P＜0.05）；而對于林分蓄積定期平均生長量而言，S、N、CK 3 種經(jīng)營模式顯著高于T 模式（P＜0.05）， 但3 種模式間無顯著差異（P＞0.05），總的來說，S 和N 模式的林分蓄積定期平均生長量最大。

3.2 林分結(jié)構(gòu)特征

3.2.1 林分樹高 4 種經(jīng)營模式管理后的華北落葉松人工林林分的平均樹高間無顯著差異（P＞0.05），且不同經(jīng)營模式間林分的平均樹高均呈現(xiàn)出T＞CK＞S＞N（圖2）。

3.2.2 林木胸徑分布 不同經(jīng)營模式林分內(nèi)胸徑分布總體上均似正態(tài)分布。各經(jīng)營模式林分林木胸徑主要集中分布在16～20 cm 徑階范圍內(nèi)，徑級為18 cm時林木株數(shù)達到最大值。S 模式中，6～12 cm 徑階的林木數(shù)量明顯減少，CK 模式中，20～28 cm 徑階的林木嚴(yán)重不足，小徑階林木株數(shù)分配較均勻，而T 模式林分中小徑階林木嚴(yán)重缺少。S、N、T 3 種經(jīng)營模式24～28 cm 徑階的林木株數(shù)均有增加，但S 模式株數(shù)增加的最多，并且在S 模式和N 模式林分中新增了30～32 cm 大徑階林木（圖3）。

3.2.3 林木空間分布格局 由圖4A 可知，T、N、S、CK 模式林分角尺度均值分別為0.476、0.493、0.501 和0.483，說明林木整體分布均屬于隨機分布狀態(tài)。但S 模式更加隨機，說明更接近自然狀態(tài)。角尺度為0.5 時4 種經(jīng)營模式分布概率達到最大，且隨機分布的比例分別為54.3%、54.1%、53.2%和53.5%，非常相似。通過One-way 方差檢驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)角尺度分別為0、0.25、0.5、0.75、1 時，4 種經(jīng)營模式的角尺度分布頻率整體上無顯著差異（P＞0.05）（圖4B）。

圖2 不同經(jīng)營模式林分平均樹高Fig. 2 The average tree height of stands with different Management modes

圖3 不同經(jīng)營模式林分胸徑分布Fig. 3 The DBH distribution of stands with different management modes

圖4 不同經(jīng)營模式林分角尺度分布圖Fig. 4 Uniform angle index distribution of stands with different management modes

3.2.4 林木大小分化程度 4 種經(jīng)營模式的胸徑變異系數(shù)無顯著差異（P＞0.05），經(jīng)營前林分林木胸徑變異系數(shù)是0.256，T、N、S 3 種模式經(jīng)營后林木胸徑變異系數(shù)分別是0.202、 0.248 和0.215。S 和T 兩種模式的胸徑變異系數(shù)小于N 和CK 模式，說明S 和T 經(jīng)營模式下的林分林木胸徑離散程度較小（圖5）。

3.3 天然更新

華北落葉松人工林4 種經(jīng)營模式下林分林下更新苗數(shù)量具有相同的變化趨勢，隨著更新苗高度的增加呈明顯的下降趨勢。從各個高度級更新苗的株數(shù)來看，各經(jīng)營模式林分都存在極高的繁殖量，極低的成活率現(xiàn)象。4 種經(jīng)營模式林分中林下更新苗株高處于第1 等級（0＜H1≤3 cm）的株數(shù)占絕大部分，分別達到6 355、6 584、7 895 和9 404 株，CK 和T 模式林分內(nèi)的更新苗株數(shù)高于N 和S 模式，但隨著更新苗高度的增加，更新苗數(shù)量呈降低趨勢（圖6）。

3.4 草本物種多樣性

不同經(jīng)營模式林分的草本物種豐富度（S）和Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)（H’）均表現(xiàn)為N＞S＞T＞CK，且N 模式顯著高于CK 模式（P＜0.05）；Pielou 均勻度指數(shù)（J）和Simpson 多樣性指數(shù)（P）在不同經(jīng)營模式間均無顯著差異（P＞0.05），總體來看表現(xiàn)為N＞S＞T=CK（圖7）。

3.5 土壤化學(xué)性質(zhì)變化

圖5 不同經(jīng)營模式林分胸徑變異系數(shù)Fig. 5 The coefficient of DBH variation in stands with different management modes

圖6 不同經(jīng)營模式林分各等級更新苗數(shù)量Fig. 6 The number of seedlings belonging to different height level in stands with different management modes

圖7 不同經(jīng)營模式林分物種多樣性指數(shù)Fig. 7 Species diversity indices in stands with different management modes

不同經(jīng)營模式的土壤全鉀含量、土壤pH 值隨土層深度的增加逐漸增加，土壤有機質(zhì)、全磷、全氮、土壤堿解氮、有效磷和速效鉀含量則呈現(xiàn)出隨土層深度的增加而減少的趨勢。其中土壤有機質(zhì)含量在10～20 cm 土層內(nèi)S 模式顯著高于CK 模式（P＜0.05）。土壤堿解氮含量在0～10 cm 土層內(nèi)S 和T 模式顯著高于CK 模式（P＜0.05），10～20 cm土層內(nèi)T 模式顯著高于CK 模式（P＜0.05）；有效磷含量在0～10 cm 土層內(nèi)S 模式顯著高于CK 和T 模式（P＜0.05），10～20 cm 土層內(nèi)S 模式顯著高于其它3 種經(jīng)營模式（P＜0.05），N 模式顯著高于CK 模式（P＜0.05）（表2）。

3.6 效果評價

利用SPSS 20.0 軟件對標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進行主成分分析，由表3 可知，前2 個主成分的累積貢獻率為70% 和85%，因此篩選出的前2 個主成分已能充分表達各經(jīng)營模式的總體經(jīng)營效果。

通過各因子載荷絕對值可知，第一主成分在林分生長蓄積生長率、林分結(jié)構(gòu)平均樹高、物種多樣性S、H'、J、P、土壤化學(xué)性質(zhì)有機質(zhì)、全氮含量、全磷含量、有效磷含量、速效鉀含量和pH 值指標(biāo)上具有較大載荷；第2 主成分在林分生長單株材積年均生長量、胸徑、全鉀含量、堿解氮含量指標(biāo)上載荷較大（表4）。

利用因子載荷值與標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)計算各主成分的得分，得出2 個主成分的權(quán)重為：0.814 和0.186。通過構(gòu)建綜合評價函數(shù)，計算不同經(jīng)營模式的綜合得分（表5）。4 種經(jīng)營模式綜合得分最高的均是S 模式，即華北落葉松在S 模式的經(jīng)營效果最好。

4 討論

不同的經(jīng)營模式可以通過調(diào)節(jié)林分密度改善保留木的生長空間和競爭力[11]，對林木生長具有重要影響。研究表明，撫育間伐可以促進林分林木胸徑生長，對林分單株材積生長量具有促進作用[11,24-25]。本研究中，不同經(jīng)營模式林分生長差異顯著，S 模式單株材積年均生長量和蓄積定期平均生長量最大（圖1）。這可能是由于S 模式是將整個林分內(nèi)的中大徑木和目標(biāo)樹分布都調(diào)整到了最佳位置。林分密度和郁閉度降低，可以改善林木的光環(huán)境，有利于林木生長[26-27]。N 模式是將目標(biāo)樹周圍的干擾木伐除，只將目標(biāo)樹的生長調(diào)到了最佳位置，其它無干擾的一般木生長空間幾乎沒有變化；T 模式雖然伐除了下層競爭力小的林木，但主林層林木的競爭還是比較激烈，保留木得不到足夠的空間和養(yǎng)分，所以單株材積平均生長量和蓄積定期平均生長量低于S 模式。這在其他學(xué)者的研究中[13,28]也得到了相似的結(jié)論。

表2 不同經(jīng)營模式林下土壤化學(xué)性質(zhì)的變化 Table 2 Soil chemical properties change among stands with different management modes in middle-aged plantation

表3 總方差分析Table 3 Total variance analysis

林分結(jié)構(gòu)是評價一種經(jīng)營效果的重要指標(biāo)[23]。樹高、胸徑、角尺度和大小比數(shù)能夠直接反映林木的生長。許多研究發(fā)現(xiàn)撫育間伐對林木樹高生長無顯著影響[26]。本研究結(jié)果表明不同經(jīng)營模式平均樹高間無顯著差異（P＞0.05）（圖2）。通過分析林分內(nèi)林木胸徑分布發(fā)現(xiàn)，S 模式中小徑階林木明顯減少，24～28 cm 徑階的林木株數(shù)增加的最多，在S 模式和N 模式林分中新增了大徑階林木（圖3）。此外，S 和T 經(jīng)營模式下林木胸徑變異系數(shù)小于N 和CK 模式（圖5），說明S 和T 經(jīng)營模式林分胸徑離散程度較小。這可能是由于在S 模式經(jīng)營過程中采伐了一些小徑階林木，改善了林分密度，有利于大徑階林木胸徑生長。N 模式以經(jīng)營目標(biāo)樹為主，只采伐了影響目標(biāo)樹生長的其他木，林分密度降低，促進了林分內(nèi)林木的生長。比較不同經(jīng)營模式林分角尺度發(fā)現(xiàn)，經(jīng)營前后林木整體分布均屬于隨機分布狀態(tài)，N 模式和S 模式林分角尺度均值較CK 模式均有小幅度的增加，林木有向隨機分布的趨向，其中S 模式更加隨機（圖4B）。已有研究表明，理想的林分中林木分布為隨機狀態(tài)更好[29]。可以說明N 模式和S 模式具有使林木分布改善為理想林分的效果，S 效果更明顯。

林木更新直接影響著林分的健康程度，綜合比較4 種經(jīng)營模式各等級更新苗數(shù)量，S 模式和N 模式較CK 和T 模式均有優(yōu)勢。分析認(rèn)為，S 模式和N 模式是將影響目標(biāo)樹生長或空間結(jié)構(gòu)單元內(nèi)不合理的林木伐除，大大的降低了林分的郁閉度。研究也表明，郁閉度與林下幼苗的生長為負(fù)相關(guān)關(guān)系[30]。

物種多樣性反映了群落物種組成，可以反映群落功能水平。眾多研究結(jié)果表明，干擾改變森林群落物種多樣性[31]，同樣對林分土壤質(zhì)量也會產(chǎn)生一定的影響[13]。本研究中，N 模式物種多樣性指數(shù)較其它經(jīng)營模式要高（圖7）。S 模式土壤有機質(zhì)含量高，CK 模式最低（表2）。這可能是由于S 模式更加注重林分結(jié)構(gòu)的合理化，經(jīng)過林分結(jié)構(gòu)調(diào)整，使林分內(nèi)的水熱狀況，透氣性能優(yōu)于其它模式，從而加速了凋落物的分解，致使有機物質(zhì)含量高于其它3 種模式。

表4 因子載荷 Table 4 Component matrix

表5 綜合評價結(jié)果Table 5 Comprehensive evaluation results

5 結(jié)論

結(jié)構(gòu)化經(jīng)營模式將林分內(nèi)的中大徑木和目標(biāo)樹調(diào)整到最佳位置，改善了林分密度和郁閉度，促進了林木生長。并且林分內(nèi)水熱狀況、透氣性能要優(yōu)于其它模式，土壤有機質(zhì)、有效磷等含量最高。

近自然經(jīng)營模式和結(jié)構(gòu)化經(jīng)營模式通過伐除影響目標(biāo)樹生長的不合理的林木，林分結(jié)構(gòu)要優(yōu)于傳統(tǒng)經(jīng)營模式和對照，更有利于林下更新，物種多樣性較高。

傳統(tǒng)經(jīng)營模式采用下層疏伐，主林層林木的競爭比較激烈，保留木得不到足夠的空間和養(yǎng)分，生長緩慢，林分更加趨向于均勻分布。

綜合評價結(jié)果表明，塞罕壩29 年林齡的華北落葉松人工林在S 模式的經(jīng)營效果最佳。對于華北落葉松人工林來說，林分生長是一個長期的過程，如何在長時間尺度上優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)，提高更新和土壤理化性質(zhì)，還需對樣地進行長期的連續(xù)觀測和經(jīng)營效果研究。