不同經營模式對油松人工林林分生長短期影響

程冀文，王樹森*，羅于洋，肖 軍，金玉棟，叢云鶴，劉 靜，王事成

(1.內蒙古農業大學 沙漠治理學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.亞太森林恢復與可持續管理組織，北京 100102；3.內蒙古赤峰市旺業甸實驗林場，內蒙古 赤峰 024423)

油松(Pinustabuliformis)廣泛分布于中國華北、中原和西部地區，具有較高的經濟與生態價值[1]。對油松林進行合理的森林經營措施可改變油松林的林分密度、調節林木之間的關系、改善油松林的生長條件，最終促進油松人工林的生長[2]。目前森林經營不再單純的要求經濟效益，而是要經濟效益、生態效益和社會效益同時兼顧以達到林業可持續發展[3-5]。不同的森林經營模式通常會影響不同的森林結構變化，合理的森林經營撫育間伐是促進林木生長的關鍵措施之一[6-8]。近自然經營[9-10]目前被廣泛認為是能夠滿足森林可持續經營標準的最有前景的營林方法，其基本思想是利用森林自然演替進程平衡森林生態、社會和經濟功能。自2000年提出了近自然林業的理論與技術框架[9,11]以來，人工林近自然改造包括森林演替發展階段劃分、森林發展類型設計和目標樹林分作業體系設計。近自然經營模式同時兼顧森林生態和經濟效益，能夠在保持森林可持續發展的前提下，實現林木最大生產力[9]。

人工林是全世界森林資源的重要組成部分，且在生態建設中占據著重要的地位。我國人工林面積達到6 933萬hm2[12]，面積居世界首位。森林經營在適應我國林業現狀上面臨挑戰，因此，改變人工林傳統經營模式是平衡人工林經濟效益和生態效益的唯一途徑[1,13]。林同龍[14]分析近自然經營后的林分樹種組成、植被多樣性和土壤肥力及林分生產力。李婷婷等[15]比較分析杉木人工林近自然作業4 a后林分生長狀況、林分水平結構、林分垂直結構、樹種多樣性、樹種重要值的動態變化。明安剛等[16]對馬尾松杉木人工林近自然化改造研究得出通過調整林分結構顯著提升馬尾松和杉木人工林生物量和生產力。曾冀[17]揭示馬尾松、杉木人工林人工林自然改造后林木生長、林下植被多樣性以及林地土壤化學性質的動態變化。寧金魁等[13]比較分析了北京西山油松人工林不同經營方式之間的生物多樣性和林分生長指標之間差異。如上所述，目前關于近自然經營或改造對林分生長和結構影響的文章基本都在位于廣西熱帶林業實驗中心，而于華北地區近自然經營后林分動態生長報道較少。由此，本研究以內蒙古自治區赤峰市喀喇沁旗旺業甸林場油松人工林為研究對象，對比分析6 a間近自然經營、常規經營、未經營樣地林分蓄積量，胸徑、胸高斷面面積，單木材積量，單木生長量和林分結構變化，探究不同經營方式下林分生長動態，為華北地區油松人工林近自然改造和經營提供參考與支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況和試驗設計

試驗地設在內蒙古赤峰市喀喇沁旗旺業甸林場(118°09′-118°30′E，41°21′-41°39′N)；地處燕山北部山地的七老圖山支脈。山地平均高度為1 300 m。屬中溫帶大陸性季風氣候。年均溫3.5℃～7℃，無霜期為110～150 d，年均降水量為400 mm。植物種類極其豐富，共有髙等植物627種，分屬88科326屬。該地主要樹種以人工林和通過封山育林形成的次生林為主。林分類型有油松(Pinustabuliformis)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、白樺(Betulaplatyphylla)、黑樺(Betuladahurica)等。

2013年在項目區油松人工林選取中齡林和近熟林，設置未經營區、常規經營區和近自然經營區，共6塊經營區，并在每塊經營區取3個樣圓作為重復，共計18塊樣圓，樣圓半徑為13.82 m，面積為600 m2。

表2為不同經營方式處理作業前后的林分變化，中齡林和近熟人工林未經營(MM3、NM3)為無人為經營活動，采取封山育林和自然恢復的策略，使其幼苗幼樹自然更新。所以伐前后林分特征并無變化。傳統的森林撫育的重點是確定和標記“不要的林木”，近自然經營方式(MM1、NM1)兼顧生態價值和經濟價值，以培養“需要的林木-目標樹”為重點，培育的目標是“高質(值)”。并將目標樹進行分類標記和記錄，目標樹選擇的主要特征是干形通直;樹冠大,枝葉茂盛;主桿沒有側枝;樹皮沒有裂痕。本試驗近自然經營方式的撫育強度為15%，間伐強度為14%。常規經營(MM2、NM2)以撫育疏伐為主，伐除直徑長勢一般的林木，保留優勢木和亞優勢木，采伐強度較大，本研究樣地撫育強度為20%、采伐強度為29%。

樣地基本情況包括樣地號、樣地面積、優勢樹種、立地類型等見表1。

表1 不同經營方式作業樣地概況Table 1 Plots location and respective operations

表2 不同經營方式處理作業前后資源狀況變化Table 2 Forest changes of three different managements

1.2 樣地調查

2013年對選取的18塊樣圓進行野外調查，在經營作業前進行首次調查，經過經營作業調整后獲得伐后數據。對所有胸徑5 cm以上樹木，在1.3 m處用紅色油漆沿胸徑劃線進行標記(目標樹采用藍色油漆)，并將樹號寫在胸高以上20 cm處，同時在胸徑以下20 cm處掛牌。并用手持羅盤儀，讀取該樣木方位角，用皮尺測量該樣木到樣地中心的距離，并且記錄喬木的樹種，林分因子調查包括樣木位置及樹木編號、每木檢尺(胸徑在5 cm以上的樹木樹種、胸徑、樹高、冠長、冠幅、優勢度、起源、損傷、干材質量、林木類型、Z目標樹、B干擾樹、S特別目標樹及非木材用途樹、N一般林木)、郁閉度、天然更新調查。2016年和2019年對上述所有的調查因子進行復測。

1.3 研究方法

1.3.1 林分蓄積生長量 林分蓄積定期平均生長量PAI(periodic annual increment)計算公式如下：

PAI=(V2-V1)/a

(1)

式中，V2為期末林木的材積之和(m3·hm-2)；V1為期初所有林木的材積之和(m3·hm-2)；a為間隔的年數。

立木材積計算根據已經測得的樹種胸徑和樹高，查當地一元材積表，計算材積量和蓄積量。

1.3.2 單木生長量 單木生長采用年平均胸徑生長量和材積生長量、單株林木的胸徑和材積年平均生長量:

(2)

式中，y2為期末所有樹木的胸徑(或材積)之和；y1為期初所有樹木的胸徑(或材積)之和；n為林木株數；a為間隔期的年數。

1.3.3 數據處理 采用Excel2007、SPSS 19.0和Origin 2018軟件對所有數據進行統計分析并作圖。

2 結果與分析

2.1 不同時間間隔林分蓄積動態變化

表3為不同調查間隔期間林分蓄積生長量動態變化。由表3可以看出，對于中齡林來說，近自然經營和常規經營PAI(年蓄積生長量)大于未經營，2013-2019年6 a間近自然經營和常規經營方式下的PAI較未經營分別增加了43.96%、44.86%；在6 a間常規經營方式下林木枯死物蓄積最大，為4.48 m3·hm-2，大于未經營(2.21 m3·hm-2)和近自然經營(0 m3·hm-2)。從近熟林來看，PAI都表現為近自然經營>未經營>常規經營，其中6 a間近自然經營方式下PAI為12.31 m3·hm-2·a-1。6 a間未經營林木枯死物蓄積最大為5.85 m3·hm-2，大于常規經營(2.21 m3·hm-2)和近自然經營(0 m3·hm-2)。

表3 不同時間間隔林分蓄積動態Table 3 Volume dynamics

2.2 單木生長量

2.2.1 胸徑生長量 由圖1可見，中齡林各年份間胸徑生長量總體呈現出近自然經營(0.54、0.62、0.58 cm·a-1)>常規經營(0.44、0.52、0.48 cm·a-1)>未經營(0.28、0.34、0.31 cm·a-1)，其中2013-2016、2016-2019、2013-2019年3種經營方式間胸徑生長量均存在顯著性差異(P<0.05)。6 a間年均增長率表現為近自然經營(16.51%)>常規經營(14.75%)>未經營(10.67%)。

注:字母表示差異顯著性(P<0.05)。下同。

在近熟林下林木胸徑生長量表現為近自然經營(0.59、0.78、0.69 cm·a-1)>未經營(0.47、0.52、0.49 cm·a-1)>常規經營(0.43、0.49、0.46 cm·a-1)，各年份近自然經營與其他2種經營方式的胸徑生長量間呈現顯著差異(P<0.05)，常規經營與未經營間沒有表現出顯著性差異；從6 a間總生長率來看近自然經營胸徑增長率(17.23%)高于其他2種經營方式，常規經營(12.71%)與未經營(12.49%)增長率相差0.22%。

2.2.2 胸高斷面面積生長量 從中齡林來看，各年份間胸高斷面面積生長量均呈現出近自然經營(16.23、19.75、17.99 cm2·a-1)>常規經營(10.44、12.92、11.68 cm2·a-1)>未經營(8.25、10.72、9.48 cm2·a-1)，近自然經營與其他2種經營方式胸高斷面面積總生長量間均差異顯著(P<0.05)，但常規經營與未經營之間無顯著性差異(P>0.05)。6 a間總增長率表現為近自然經營(33.14%)>常規經營(31.27%)>未經營(22.30%)。

近熟林林木胸高斷面面積生長量均表現為近自然經營(23.83、33.61、28.72 cm2·a-1)>未經營(19.63、22.54、21.08 cm2·a-1)>常規經營(16.24、19.64、17.94 cm2·a-1)，其中2013-2016、2016-2019年近自然經營與其他2種經營方式胸高斷面面積生長量均差異顯著(P<0.05)，其中2013-2019年3種經營方式間胸高斷面面積生長量均差異顯著(P<0.05)，除2013-2019年，2013-2016、2016-2019年常規經營與未經營之間無顯著性差異(P>0.05)，2013-2016、2016-2019年常規經營與未經營間胸高斷面面積生長量均差異顯著(P<0.05)；從6 a總生長率來看，常規經營及未經營方式的胸高斷面面積生長率相差不大(常規經營24.77%、未經營26.39%)，近自然經營胸高斷面面積6 a總增長率為35.88%，大于其他2種經營方式。

圖2 油松人工林單株胸高斷面面積年均生長量Fig.2 Meanbasal area at breast height growth of P.tabuliformis plantation

2.2.3 單株立木材積生長量 由圖3可知，中齡林各年份間單株立木材積生長量表現為近自然經營(0.013 2、0.019 5、0.016 3 m3·a-1)>常規經營(0.010 9、0.013 0、0.012 0 m3·a-1)>未經營(0.005 1、0.008 1、0.006 6 m3·a-1)，其中2013-2019年未經營與其他2種經營方式間表現出顯著性差異(P<0.05)；6 a總增長率表現為近自然經營(40.41%)>常規經營(39.55%)>未經營(26.82%)。

近熟林各年份間單株立木材積生長量表現為：近自然經營(0.019 6、0.023 7、0.021 7 m3·a-1)>未經營(0.016 1、0.017 3、0.016 7 m3·a-1)>常規經營(0.014 4、0.014 5、0.014 5 m3·a-1)。其中除2013-2016年未經營與近自然經營方式間沒有表現出顯著性差異(P>0.05)，其余各年份近自然經營方式與其他2種經營方式間均表現出顯著性差異(P<0.05)；6 a總增長率表現為近自然經營(41.25%)>未經營(31.49%)>常規經營(30.11%)。

圖3 油松人工林單株材積年均生長量Fig.3 Single tree volume growth of P.tabuliformis plantation

2.3 不同經營方式下林分胸徑分布

由圖4可知，近自然經營中齡林林木多分布于18～32 cm徑階，2019年>30 cm林木數量相較于2013年增加了17株；常規經營方式下中齡林林中，處于16～26 cm徑階林木較多，2019年>26 cm林木數量相較于2013年增加了14株；對于未經營的中齡林來說，林木徑階多分布于12～24 cm，小徑階林木數量逐年減少，徑階處于22～28 cm的林木數量逐年增加，而徑階分布在16～22 cm的林木數量無明顯變化。

圖4 油松人工林徑階分布Fig.4 Diameter rank distribution of P.tabuliformis plantation

從近熟林來看，近自然經營方式下，近熟林林木徑階多分布于22～34 cm，2019年徑階>30 cm林木數量相比2013年徑階>30 cm林木數量增加了13株；常規經營模式下的近熟林林木徑階分布表現為：2013年林木徑階主要分布于8～12 cm和22～30 cm，2016年林木徑階多集中于8～10 cm和22～30 cm，2013-2016年呈現多峰分布趨勢；2019年林木徑階集中分布于26～30 cm，具有明顯的峰值；對于未采取經營措施的近熟林來說，2013年的林木徑階主要分布在18～30 cm；2016年多集中于22～32 cm；2019年林木集中分布于24～32 cm。徑階超過26 cm的林木，在2013、2016、2019年中分別為47、60、67株；>30 cm徑階的林木，在2019年中有38株，相比2013年增加了15株。

由圖5可知，對于油松中齡林來說，近自然經營方式下大徑階(≥30 cm)樹木株數比例2013、2016、2019年分別為7.45%、17.02%、25.53%，其中2013、2016、2019年株數分別集中在22～26、24～28、26～30 cm，分別占整體株數的39.36%、38.30%、38.30%。常規經營方式下大徑階(≥30 cm)樹木株數比例2013、2016、2019年分別為0.82%、0.82%、4.10%，其中2013、2016、2019年株數分別集中在18～22、20～24、22～26 cm，分別占整體株數的50.82%、48.36%、46.72%。未經營方式下大徑階(≥30 cm)樹木株數比例2013、2016、2019年分別為0.00%、0.56%、1.13%，其中2013、2016、2019年株數分別集中在24～28、24～28、26～30 cm，分別占整體株數的50.85%、49.15%、48.59%；且近自然經營、常規經營和未經營2019年大徑階樹木比例相對于2013年分別增加了18.09%、3.28%、1.13%。

圖5 油松人工林徑階比例分布Fig.5 Diameter rank distribution of P.tabuliformis plantation

對于油松近熟林來說，近自然經營方式下大徑階(≥34 cm)樹木株數比例2013、2016、2019年分別為7.29%、14.58%、22.92%，其中2013、2016、2019年株數分別集中在24～28、24～28、26～30 cm，分別占整體株數的38.54%、38.54%、38.54%。常規經營方式下大徑階(≥34 cm)樹木株數比例2013、2016、2019年分別為11.58%、12.63%、15.22%，其中2013年株數主要集中在24～28 cm，2016、2019年主要集中在26～30 cm；分別占整體株數的31.58%、32.63%、33.70%。未經營方式下大徑階(≥34 cm)樹木株數比例2013、2016、2019年分別為10.48%、14.29%、19.05%，其中2013、2016、2019年株數分別集中在24～28、26～30、28～32 cm，分別占整體株數的40.00%、33.33%、34.29%。3種方式下，林木徑階的主要分布區間都有向大徑階方向移動，大徑階林木比例一定程度的增高，近自然經營方式下2013-2019年大徑階樹木樹木比例增長幅度最大(15.63%)，常規經營和未經營方式下2019年大徑階樹木比例相對于2013年樹木比例分別增加了3.64%、8.57%。

3 結論與討論

3.1 結論

中齡林和近熟林近自然經營方式下PAI(年蓄積生長量)最大。

中齡林各年份間胸徑、胸高斷面面積、單株立木材積生長量均呈現出近自然經營>常規經營>未經營，6 a間年均胸徑、胸高斷面面積、單株立木材積增長率近自然經營最高；在近熟林胸徑、胸高斷面面積、單株立木材積生長量表現為近自然經營>未經營>常規經營，6 a間胸徑、胸高斷面面積、單株立木材積生長率近自然經營胸徑增長率最高。

近自然經營方式下中齡林和近熟林2019年大徑階(>30 cm)林木數量相較于2013年增加最多，常規經營其次，為經營方式下最少。在不同林齡不同經營方式下大徑階林木數量均為近自然經營>常規經營>未經營。隨年份增長大徑階樹木也隨之增長。

油松中齡林2019年大徑階樹木比例相對于2013年近自然經營方式下林木大徑階樹木比例增長幅度最大；油松近熟林來說，近自然經營方式、常規經營方式和未經營方式下，林木徑階的主要分布區間都有向大徑階方向移動，其中大徑階林木比例都有一定程度的增高，近自然經營方式下2019年大徑階樹木比例相對于2013年樹木比例增長幅度最大。

總體來說，近自然經營相對于其他2種經營方式更有利于林木胸徑、林木單株胸高斷面面積和單株立木材積量的生長，同時還會提高林分大徑級林木株數比例，更有助于提高人工林木質量。

3.2 討論

研究表明，近自然經營有利于提高油松林分內大徑級林木的株數比例，相較于常規經營方式和未經營狀態更能促進油松林平均胸徑、平均胸高斷面面積和單株材積的生長。不同經營方式下油松人工林平均胸徑均呈現出近自然經營>未經營>常規經營，導致原因為常規經營模式是通過采伐木材來充分發揮森林經濟功能，林分中的大型林木以砍伐為主，所以小型林木所占比例較大；而近自然經營模式主要是以目標樹的最大生長量為重點，由于目標樹木經過多次間伐，大徑階樹木被保留，小徑階樹木被移除，平均胸徑則隨著干擾樹木的清除而增加，所以說近自然經營方式有利于林木胸徑增長，本文研究結果與修勤緒等[18]研究近自然經營有利于人工油松林的平均胸徑增加的結果一致。游偉斌等[19]通過對北京油松林不同林分密度的碳儲量研究得出林分密度與林分的平均直徑呈負相關的數量關系，即密度越大的林分其林分平均直徑越小，直徑生長量也越低。本研究結果表現為未經營平均胸徑生長量最小。王玉濤等[20]研究了油松胸徑生長量相關問題，得出北京地區油松人工林5 a平均胸徑生長量為2.27 cm(年均0.45 cm)，本研究結果不同林齡不同經營方式下平均胸徑增長量在0.32～0.51 cm。單位面積蓄積量未經營>近自然經營>常規經營，這與游偉斌等[19]在間伐對北京油松林碳儲量影響研究結果一致，由于近自然經營中林分密度低，擴大了保留木的營養空間，改善了林內小氣候條件，有利于提高林分的質量和生產力。同時，單株材積的增長也可以提高木材的產量，從而提高森林經濟價值，因此，近自然經營能有效地促進油松單株材積增長。由于近自然經營的林分單位面積內的林木株數減少，導致近自然經營單位面積平均蓄積量2013-2019年小于其他經營方式。由于林分密度的降低，促進了林分胸徑和單株材積的快速增長，所以近自然經營方式下單株材積增長量增大[21]，近自然經營模式的采伐強度為6.5%～17.7%，而常規經營為21.2%～29.9%[22]。王玉濤等[20]研究表明，單位面積蓄積量與間伐強度呈反比關系，即間伐強度越大，單位面積蓄積量越小。單位面積蓄積量與保留株數和單株材積相關，但是因為單株材積增長較慢，因此單位面積蓄積量的大小取決于保留株數的多少，即伐除株數越多，蓄積量越小。中齡林和近熟林近自然經營改造后的前3 a與后3 a，蓄積年生長量大于常規經營和未經營，這是因為近自然經營樣地內伐除了干擾樹，保留了生長勢頭較好的林木，減少了林木競爭，改善了林內光、水、熱條件，使保留木得到更多的生長資源。這與前人得出的采伐作業能夠增加林分蓄積生長量的結論一致[23-24]。未經營由于株數密度大，其枯死率與枯死木蓄積均大于近自然經營與常規經營樣地，這與前人研究得出高密度林地具有較高枯死率的結論相同;且常規經營枯死量大于近自然經營樣地，且枯死木都集中在徑階較小的林木[22,25-26]。

對于林分垂直分層林木生長差異中油松中齡、近熟人工林的近自然經營方式和常規經營方式來說，林分上層主要集中了大徑階林木，并且主要的胸高斷面面積和蓄積年生長量由林分上層貢獻，且經過近自然經營林分各層的生長量皆好于常規經營。而未經營并無人為干擾，對于油松中齡林來說，林木尚未停止高生長。林分上層和中層的胸高斷面年生長量和蓄積年生長量貢獻兩并無很大差異；油松近熟林由于林齡較大，林分上層的貢獻了主要的胸高斷面和蓄積年生長量。