撫育間伐對秦嶺南坡銳齒櫟天然次生林生長的影響

李杰茹，黨坤良*，王先初，強浪浪

(1.西北農林科技大學 林學院，陜西 楊陵 712100；2.陜西省石泉縣林業局，陜西 石泉 725200)

秦嶺是我國中部重要的生態屏障及南水北調工程的水源地，在保障我國中部地區生態安全和社會經濟持續發展方面具有重要作用。秦嶺林區地理位置特殊，地形復雜，森林群落類型多樣，垂直帶譜明顯。銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)林作為秦嶺山地森林群落主要構譜成分之一，其分布面積不僅較大，而且空間范圍較廣，在秦嶺林區森林生態系和森林植被資源中具有重要位置。20世紀50年代，由于秦嶺林區不合理的采伐作業方式，使得現有銳齒櫟中幼齡次生林多數存在生產力低下和穩定性較差等問題[1,2]，因此，探尋秦嶺林區銳齒櫟天然次生林科學有效的經營措施具有重要意義。

撫育間伐是對森林生態系統進行科學經營的重要措施，是優化森林結構、提高森林生產力及質量的主要途徑[3]。關于撫育間伐對森林組分和生態功能等各方面的影響研究成果較多[4-6]，其中M.Newtonetal[7]通過研究間伐對北美云杉(Piceasitchensis)和異葉鐵杉(Tsugaheterophylla)生長的影響，認為撫育間伐有利于促進樹木胸徑和斷面積的增長；徐金良等[8]研究了間伐對杉木(Cunninghamialanceolata)人工林生長的影響，認為間伐可以顯著提高林木平均胸徑和單株材積的增加；尤文忠等[9]通過研究間伐對蒙古櫟(Q.mongolica)次生林的影響，認為間伐能顯著提高林分蓄積定期生長量累計以及定期生長量。關于秦嶺林區銳齒櫟林的研究頗多，主要集中在撫育間伐對銳齒櫟林光合特性的影響[10]、銳齒櫟種群空間分布格局[11]、林木個體生長[12]、生態位特征[13]和碳密度[14]等方面，關于撫育間伐對銳齒櫟林分生長方面的研究甚少。本研究以秦嶺南坡銳齒櫟林為對象，探討撫育間伐對其林分胸徑和蓄積的影響以及動態變化規律，為秦嶺林區銳齒櫟林的進行科學經營提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗樣地設置在秦嶺南坡銳齒櫟林分布較廣的陜西省寧東林業局沙溝林場，地理位置為33°43′-34°47′N ，108°33′-108°48′E。本區為山地溫帶氣候類型，年平均氣溫6℃～10℃，年降水量920～1 230 mm，生長期6個月；土壤類型為山地棕色森林土，平均厚度約50 cm，成土母巖主要為花崗巖、片麻巖和變質砂巖；該區森林均為20世紀80年代人為采伐后通過天然更新形成的次生林；森林類型主要有銳齒櫟林、油松林、華山松林、松櫟混交林和松樺混交林等。主要成林樹種有銳齒櫟、油松(Pinustabuliformis)、華山松(P.armandii)、紅樺(Betulaalbosinensis)等，伴生樹種有山楊(Populusdavidiana)、漆樹(Toxicodendronvernicifluum)、青榨槭(Acerdavidii)等。研究區概況見表1。

表1 樣地基本概況Table 1 A survey of natural secondary forest sample plots of Quercus aliena var.acuteserrata in the Shagou Forest Farm

1.2 樣地設置

2012年3-4月在陜西省寧東林業局沙溝林場選取立地條件和林分特點基本相同的地段，設置12塊銳齒櫟林研究固定樣地，樣地面積為20 m×30 m；在對樣地立地和林分因子調查的基礎上，按照蓄積強度0%(CK)、5%、10%、15%、20%和25%分別進行間伐處理，每個處理及對照(CK)樣地重復2次，并設置界樁和標志牌，以便長期觀測研究。

1.3 樣品采集

2018年10月對各研究樣地林木進行每木檢尺，起測徑階為4 cm徑階，并以2 cm進行林木徑階劃分；按照研究樣地內林木各徑階的分布和數量，分別選取3～5株標準木，利用生長錐在標準木胸高處東西和南北2個方位分別獲取木芯，在測量木芯長度后，將其放置于自制的紙筒內，并進行標記和編號，帶回實驗室，以便室內分析。

1.4 內業處理

將獲取的木芯置于實驗室，經常溫風干2周后，對木芯進行處理并測量，計算樣芯干濕長度比為0.969，誤差較小。將木芯固定在特制木槽內，待晾干后用200目和1 000目的砂紙進行打磨；利用WinDENDRO年輪分析儀測定年輪寬度。

1.5 數據處理

1.5.1 林分平均胸徑(Dg)

(1)

式中，G為林分總斷面積/cm2，N為林分林木總株數。

1.5.2 試驗期林分總生長量(胸高總斷面積和蓄積)(Z) 為林分在試驗期7 a間的總生長量，

Z=d2018-d2012伐后

(2)

式中，d2018為2018年時的測定量，d2012伐后為2012年間伐后的測定量。

1.5.3 試驗期平均生長量θ

(3)

式中，Zt為試驗期第t年時的林分生長量，nt為試驗期第t年距2012年所間隔的年數。

1.5.4 試驗期連年生長量 樹木一年間的生長量。

Z=dt-dt-1

(4)

式中，dt為試驗期第t年時的測定量,dt-1為試驗期第t-1年時的測定量。

1.5.5 試驗期總增長率

(5)

1.5.6 試驗期平均年增長率

(6)

式中，pi為在試驗期第i年的增長率，i=1,2,3,…,7。

1.5.7 蓄積量 通過一元材積表獲得各徑階林木的單株材積，各徑階蓄積之和即為樣地蓄積。

(7)

式中，k為徑階數，Vi為第i徑階單株材積(m3)，ni為相應徑階的林木株數。

試驗數據采用Excel 2016進行處理分析，運用SPSS20.0軟件對林木生長指標進行單因素方差分析和Duncan多重比較，使用Origin9繪圖。

2 結果與分析

2.1 不同強度間伐對林分生長的影響

2.1.1 間伐對林分胸高斷面積生長的影響 撫育間伐對銳齒櫟林分的胸高斷面積生長有明顯促進作用(表2)，間伐7 a后，5%林分胸高斷面積最高，為24.78 m2·hm-2，CK次之，其余各組從大到小依次是10%、15%、20%和25%。方差分析表明，5%樣地林分胸高斷面積>CK，除10%樣地林分胸高斷面積與CK差異不顯著(P>0.05)，其余各組均呈顯著差異(P<0.05)。林分胸高斷面積總增長量和年均增長量最大值均為5%樣地，分別為9.14 m2·hm-2和1.31 m2·hm-2，方差分析表明，5%～20%樣地林分胸高斷面積年均增長量和總增長量均>CK，除25%樣地林分胸高斷面積年均增長量和總增長量與CK差異均不顯著(P>0.05)，其余各組間均呈顯著差異(P<0.05)。間伐后5%～25%各組樣地的林分胸高斷面積年均增長率和總增長率均>CK，且與CK均呈顯著差異(P<0.05)。與未間伐樣地相比，間伐后林分胸高斷面積年均增長率提高了24.32%～41.37%，林分胸高斷面積總增長率提高了28.86%～49.94%。

表2 不同間伐強度下銳齒櫟林胸高斷面積生長情況Table 2 Growth information of basal area at breast height of Quercus aliena var.acuteserrata forest under different thinning intensities

2.1.2 間伐對林分蓄積量生長的影響 撫育間伐對銳齒櫟林分蓄積量生長有明顯促進作用(表3)，間伐7 a后，5%樣地的林分蓄積量最大，為150.07 m3·hm-2，其余樣地林分蓄積量從大到小依次為10%、CK、15%、20%和25%。方差分析表明，在間伐7 a后，各組林分蓄積量相互間均呈顯著差異(P<0.05)。林分蓄積量的總增長量和年均增長量最高也均為5%樣地林分，其中5%～20%樣地林分蓄積量的年均增長量和總增長量均>CK，25%樣地林分蓄積量的年均增長量和總增長量均CK，且與CK均呈顯著差異(P<0.05)，林分蓄積量的年均增長率提高了23.12%～38.18%，林分蓄積總增長率提高了28.06%～47.58%。

表3 不同間伐強度下銳齒櫟林蓄積量生長情況Table 3 Growth information of the accumulation of Q.aliena var.acuteserrata forest under different thinning intensities

2.2 不同強度間伐林分蓄積量的動態變化

各間伐樣地林木蓄積量與CK的動態差異表明，隨著時間的推移，各間伐樣地林分的蓄積量與CK差距均逐漸減小，并且最終會超越CK(表4)。在間伐7 a后5%和10%樣地的林分蓄積量>CK。5%樣地林分蓄積量在間伐4 a后與CK持平，10%樣地林分蓄積量在間伐7 a后與CK持平，并且5%～10%樣地林分蓄積量有明顯提高。由此得出，間伐強度對林分蓄積量增長和累積速度有明顯影響，5%～10%間伐強度林分的蓄積量在相對較短的時間(4～7 a)可以達到并超越未間伐樣地林分蓄積水平，15%～25%間伐強度林分蓄積量仍需較長時間才能確定是否趕上未間伐樣地林分蓄積量水平。

表4 不同間伐強度下2012-2018年銳齒櫟林分蓄積量的變化Table 4 Changes of forest accumulation of Q.aliena var.acuteserrata under different thinning intensities from 2012 to 2018

2.3 間伐對銳齒櫟林分生長過程的影響

2.3.1 間伐對林分胸高斷面積生長過程的影響 間伐有利于促進銳齒櫟林林分胸高斷面積連年生長量和平均生長量的增長，間伐后5%～15%樣地林分的胸高斷面積連年生長量和平均生長量顯著提高，其中5%樣地林分胸高斷面積連年生長量和平均生長量增長趨勢最顯著。由圖1A1、A2可知，各個樣地林分的連年生長量曲線和平均生長量曲線呈現出不同幅度的增長變化，表明銳齒櫟林分胸高斷面積還處在生長旺盛期。與CK相比，5%～15%樣地林分胸高斷面積的連年生長量和平均生長量呈現出明顯的快速遞增趨勢，低密度林分20%～25%樣地林分胸高斷面積的平均生長量變化與CK基本相似。表明中低強度間伐(5%～15%)可以在短時間內快速增加林分胸高斷面積連年生長量，而高強度間伐(20%～25%)下的林分則受制于林木株數的減少，林分胸高斷面積連年生長量增加不明顯。

2.3.2 間伐對林分蓄積量生長過程的影響 間伐對銳齒櫟林分蓄積連年生長量和平均生長量有明顯的促進作用，5%～25%樣地林分的蓄積連年生長量和平均生長量均表現為顯著遞增趨勢。由圖1A3、A4可知，5%～15%間伐樣地林分蓄積連年生長量和平均生長量明顯>CK。在2013年后，間伐后林分蓄積連年生長量基本表現為5%>10%>15%>20%>25%，其中25%樣地林分蓄積連年生長量曲線變化趨勢與CK接近重合。表明間伐后對銳齒櫟林分蓄積連年生長量增長有積極地促進作用，中低強度(5%～15%)間伐強度下的林分蓄積連年生長量可以在短時間內高速增長，而高強度(20%～25%)間伐強度下的林分蓄積連年生長量持續平穩增長。

注：A1:不同間伐強度下林分胸高斷面積連年生長量；A2.不同間伐強度下林分胸高斷面積平均生長量；A3.不同間伐強度下林分蓄積連年生長量；A4.不同間伐強度下林分蓄積平均生長量。圖1 不同間伐強度下銳齒櫟林分的胸高斷面積和蓄積連年生長量和平均生長量變化Fig.1 Current annual increment and mean annual growth increment of the area at breast height and stand volume of Q.aliena var.acuteserrata forest under different thinning intensities

3 結論與討論

3.1 結論

撫育間伐可以提高銳齒櫟林分胸高斷面積和蓄積量的增長，間伐7 a后各間伐林分的胸高斷面積和蓄積量的增長率相比CK均顯著提高，其中間伐強度5%樣地林分胸高斷面積和蓄積量及其增長量和增長率均為最高。

5%～10%低間伐強度林分蓄積量可以在相對較短時間內趕超未間伐林分蓄積量，間伐強度越大的林分，則需要更長的時間才能確定是否可以趕超未間伐樣地林分蓄積量。

5%～15%中低強度間伐下林分胸高斷面積和蓄積連年生長量可以在較短年限內高速增長，而20%～25%高間伐強度下林分胸高斷面積和蓄積連年生長量則維持平穩增長，與未間伐樣地變化趨勢相近。

本研究中的5種間伐強度，秦嶺南坡銳齒櫟天然次生林森林撫育作業應以5%間伐強度為宜。

3.2 討論

撫育間伐可以改善林內環境，使林分可利用的資源優化且相對充足，例如生存空間擴大，減少樹木間競爭，光照與水分更加充足[15]。T.P.Sullivanetal[16]研究了不同間伐強度對美國黑松(P.contorta)的影響，得出低間伐強度林分蓄積量及增長量最大，未間伐樣地次之，中度和重度間伐則小于未間伐樣地；明安剛等[17]研究了不同間伐強度對馬尾松(P.massoniana)人工林生物量的影響，認為間伐有利于提高喬木層生物量，輕度間伐效果最佳；M.Zasadaetal[18]在古賓林區進行了為期10 a的分析試驗，認為低間伐強度和采伐年限長的方式最有利于生物量的積累，結論與本研究結果相似。K.Glencrossetal[19]和孫洪剛等[20]分別通過研究間伐對鄧恩桉(Eucalyptusdunnii)和杉木的影響，認為間伐對林分總斷面積沒有影響，最終林分斷面積會趨于一致，這與本研究結果存在出入，這種差異可能跟林分類型和立地條件的不同有關。龔固堂等[21]通過研究柏木(Cupressusfunebris)人工林，認為蓄積量增長率會隨間伐強度的增大而增大；賈忠奎等[22]通過研究間伐對華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)的影響也得出類似結論。在本研究中，沙溝林場的銳齒櫟林分胸高斷面積和蓄積量增長率均為5%間伐強度樣地最高，可能的原因是雖然高強度間伐樣地的單株材積增長率迅速增大，但是高強度間伐使得林分密度迅速下降，而單株材積增長的優勢在間伐一定年限后基本消失[23]，因此高強度間伐樣地整體林分單位面積蓄積量生長速率較低。

間伐強度通過對林木生長環境的影響，進而影響林分蓄積量的積累。在本研究中，低間伐強度(5%～10%)林分能在生長短時間內利用較高的蓄積量生長速率來彌補間伐移除的蓄積量，銳齒櫟林在間伐7 a后，低間伐強度(5%～10%)樣地的林分蓄積量均趕超CK，而自間伐年起，隨時間的推移中高間伐強度(15%～25%)樣地的林分蓄積量與CK的差值逐步減小。很多學者針對間伐是否能提高林分總蓄積量做了研究，得出的結果不盡相同，潘輝等[24]研究了不同間伐對巨尾桉(E.grandis×E.urophylla)林生長的影響，得出1/3間伐強度林分的蓄積量優于未間伐和其他間伐強度林分，但經方差分析，差異并不顯著；B.R.Knoeboletal[25]通過不同間伐強度對美國鵝掌楸(Liriodendrontulipifera)的研究認為間伐會降低林分蓄積量。針對間伐對林分蓄積量的影響結果的不同，大部分學者認為到主伐時才可做結論[26]。從本研究中可以看出間伐后為林分蓄積生長提供了較為優越的生活環境，還為林分蓄積量繼續的生長和積累提供了更大的空間。

通過對銳齒櫟林生長過程的研究，得出間伐對銳齒櫟林分胸高斷面積和蓄積連年生長量和平均生長量的增長有促進作用。原因是未間伐樣地在自然狀態下，林分生長的平均生長量均呈現穩定且緩慢的增長趨勢，而林分在間伐后林木迅速生長即生長旺盛期，間伐后各樣地的平均生長量均表現為遞增趨勢[27]。目前沙溝林場銳齒櫟林仍處在生長旺盛期階段，中低強度(5%～15%)間伐林分連年生長量在短期內已經達到高速生長，高強度(20%～25%)間伐連年生長量與CK則保持平穩增長。由于銳齒櫟林分的蓄積平均生長量曲線呈增長趨勢，并未達到峰值，且蓄積連年生長量曲線仍有增長趨勢，因此該林分第1次采伐距第2次采伐的合理年限在7 a以上。