择伐经营对不同坡向云冷杉天然林伐后空间结构的影响

周梦丽，张 青，亢新刚，杨英军，王全军

(1.北京林业大学，北京100083;2.吉林省汪清林业局，吉林延吉133200)

森林空间结构驱动着森林的生长与发展，对森林未来起着不可替代的作用［1］。所有试图推动森林生长及发展的人为干扰譬如择伐，主要作用为调整森林空间结构［2－3］。森林的结构决定森林的功能，其包括非空间结构(如树种组成、直径结构、年龄结构等)和空间结构(水平空间分布格局、林木种间关系、垂直空间分布状况等)。其中，森林空间结构包括树种混交、树木竞争(或树木大小空间排列)和林木空间分布情况［4－7］，其决定了树木之间的竞争优势以及它们在整个林分环境中所处的空间位置，并且在很大程度上决定了森林整体的稳定性及其发展潜力［8－10］。因此，对森林空间结构的研究，不仅是探究森林生长发育阶段的关键所在［11］，而且可为森林资源的经营管理提供科学的理论依据。择伐是实现森林资源有效利用的一种手段。然而，林分结构的调整及林分健康生长及发展的关键是合理择伐强度的确定。目前，大多数试验研究表明，适度择伐可提高林分生长速度，促进林分质量改善［12－15］。在对北美白松(Pinus strobus)混交林择伐后30 a的恢复状况研究中，DARWIN等［16］发现，择伐使北美白松胸高断面积显著增加，林分生长加快。林木组成和林分结构得到调整和改善［17］，并且林分整体维持混交林的复层异龄林结构［12］，而且择伐后的林分能较快地恢复到合理的高度级和径级结构［18］。不同类型的林分，其最适择伐强度亦不相同。在对小兴安岭的森林进行考察后，刘慎谔［19］认为，以红松、云杉和冷杉为主的针阔混交林最好采取弱度择伐，保留幼壮树木，缩短采伐周期，并使其迅速循环，以满足国家对木材需要。云冷杉天然林，为针阔混交林，是长白山地区典型森林类型之一，有较高的生产力。虽然长白山林区是中国森林资源最丰富的林区之一，但由于开发利用较早，其面临着一定资源环境问题。因此，要实现森林资源的永续利用和森林可持续发展，确定合理择伐强度，不仅是云冷杉天然林营林工作中亟待解决的问题，也是有效指导云冷杉天然林经营的重要技术关键。本研究通过利用表征林分空间结构的4个空间结构指标即混交度、大小比数［16－19］、角尺度和林层指数［20］，分析比较不同择伐强度干扰下不同坡向的云冷杉天然林伐后林分空间结构的差异性，确定云冷杉天然林较合理的择伐强度，为天然林经营提供理论依据。

1 研究区概况

本试验研究区位于吉林省汪清林业局金沟岭林场(130°10'E，43°22'N)，地貌为低山丘陵，海拔为300 ～1 200 m，坡度为5 ～25°，属长白山系老爷岭山脉雪岭支脉。该区属季风型气候，年均气温为3.9℃，≥10℃的有效年积温为2 144℃，7月份气温最高，年降水量为600～700 mm，生长期为120 d。本区土壤为低山灰化土灰棕壤，粒状结构，湿松，根系多，平均厚度为40 cm。该研究区的主要乔木树种有:臭冷杉(Abies nephrolepic)、鱼鳞云杉(Picea jezoensis)、红皮云杉(Picea koraiensis)、红松(Pinus koraiensis)、白桦(Betula platyphylla)、色木槭(Acer mona Maxim)、椴树(Tilia amurensis)、枫桦(Ribbed Birch)等。

2 研究方法

2.1 样地布设与调查

研究对象为8块云冷杉天然针阔混交林固定样地，于1986年设置，其立地条件基本一致，分别设立对照(编号为4号、5号)及20%(编号为2号、6 号)、30%(编号为3 号、8 号)、40%(编号为1号、7号)强度择伐样地，总面积为1.44 hm2，其中样地1～4号面积为40 m×50 m，坡向为东北坡;5～8号面积为40 m×40 m，坡向为西南坡。采伐后对各样地每2 a进行一次复测。对样地内胸径(DBH)≥5 cm的所有乔木进行每木调查，记录其树种名、胸径、树高、冠幅、枝下高等。在测定各林木空间分布时，先将各样地分割成10 m×10 m小样方，再以各小样方的西南角为坐标原点，用皮尺测量各林木在小样方中的位置，最后转换成相对坐标。表1为不同择伐强度样地伐后23 a的林分特征。

2.2 分析方法

构成林分结构的基本单位是空间结构单元，它是由林分内任意一株树与距离其最近的n株相邻树构成。该任意树称为参照木，而与其最近的n株相邻树则称为相邻木［20］。相邻木的株数决定了空间结构单元的大小。郝月兰等［21］研究发现，用传统的取4株相邻木的方法与其他方法相比，计算得出结果具有较高的相关性和一致性。故本试验取n=4，即参照木与其距离最近的4株相邻木构成结构单元，分析不同择伐强度下不同坡向云冷杉天然林伐后空间结构的差异。

表1 不同择伐类型样地伐后23 a的林分特征Table 1 Status of each tree measuring factor of different selective cutting samples 23 years after cutting

2.2.1 混交度 林分中树种的空间隔离程度用混交度(Mi)来表达，其定义为参照树i的4株最近相邻木中与参照树不属于同种的个体所占的比例，其公式为［22－23］:

式中:Vij为参照树与相邻木是否为同一树种，当第j株相邻木与参照树i非同一树种时，Vij=1;否则，Vij=0。因此，Mi可取0，0.25，0.5，0.75，1.0，所对应的该结构单元中树种的隔离程度为零度、弱度、中度、强度、极强度混交。

由式(1)计算的混交度称为点混交度，林分混交度为点混交度的平均值为:

式中:N为样地内参照木的株数(下同)。

2.2.2 大小比数 大小比数(Ui)是反映林木大小差异程度的指标，其定义为大于参照树的相邻木数占所考察的4株最近相邻木的比例，其公式表示为［24］:

式中:Kij为相邻木是否大于参照树i，当第j株相邻木大于参照树i时，Kij=1;反之，Kij=0。因此，Ui可取 0，0.25，0.5，0.75，1.0，所对应的参照树状态为优势、亚优势、中庸、劣势、绝对劣势。

大小比数量化了参照树与其相邻木的大小相对关系，Ui值越低，说明参照树所处的状态越为优势，依树种计算的大小比数的均值在很大程度上反映了树种在林分所测指标上的优势程度，其计算公式为:

式中:l为所观察的树种(sp)的参照树的数量。

2.2.3 角尺度 从参照树出发，任意2株最近相邻树夹角有2个，令小角为 α，大角为 β，α+β=360°。角尺度(Wi)被定义为α角小于标准角(α0=72°)的个数占所考察的4个α角的比例，其公式为:

式中:Zij为参照树与相邻木所夹角α是否小于α0，当第 j个 α 角小于 α0时，Zij=1;否则，Zij=0。因此，Wi可取0，0.25，0.5，0.75，1.0，分别表示为绝对均匀、均匀、随机、不均匀、团状分布。

2.2.4 林层划分及林层指数

2.2.4.1 林层垂直分层 根据国际林联(IUFRO)的林分垂直分层标准，以林分的优势高为依据，把森林划分为3个(或4个)垂直层，上层林木为树高≥2/3优势高，中层为1/3～2/3优势高的林木，下层为≤1/3优势高的林木［18］。本次调查的各样地的林分优势高的平均值为27.1 m。故将调查地的森林分为3个垂直层，即上层林:树高 ≥18.1 m，中层林:9.0 m ＜ 树高 ＜18.1 m，下层林:树高 ≤9.0 m。

2.2.4.2 林层比 林层比(Si)反映了林分中林层结构的复杂程度，其定义为参照树i的4株最近相邻木中，与参照树不属同一林层的林木所占的比例，其计算公式为［26］:

式中:Sij为参照树与相邻木是否属于同一林层(下同)。当第j株相邻木与参照树i不属于同一林层时，Sij=1;反之，Sij=0。

2.2.4.3 改进林层比——林层指数 由参照树i的4株最近相邻木处于同一林层但与参照树i本身不属于同一林层这一情况和参照树i的4株最近相邻木不属于同一林层且与参照树i本身也不属于同一林层这一情况计算出来的林层比都为1，说明林层比不能很好地反映出空间结构单元中在垂直方向上的多样性，故为了更好地反映林层结构的复杂程度，将能够表达林层多样性的指标与林层比的乘积定义为林层指数(Li)，其计算公式为［26］:

式中:zi为参照树i空间结构单元中林层的种数。因此，Li的取值有 0，0.17，0.33，0.50，0.67，0.75，1.0。Li值越大，其林分垂直空间结构越复杂。式(8)不仅展现了结构单元中的林层种数，而且描述了参照树的林层空间关系。

林分整体的林层指数为所观察林木林层指数的平均值，其计算公式为:

通过分析不同样地平均混交度及其均值、平均大小比数、平均角尺度、平均林层指数及其均值，研究不同择伐强度下处于不同坡向样地的树种混交程度、优势状态、水平及垂直方向上的分布状况的差异性。

3 结果与分析

3.1 不同择伐强度干扰下不同坡向伐后林分种间隔离状况

各样地的平均混交度对不同择伐强度的响应情况，可从不同择伐样地平均混交度均值及其频率分布(图1)看出，不同择伐强度样地之间混交度差异显著。经多重比较后，各择伐样地与对照样地间的差异性显著，其值均大于对照样地，且样地平均混交度值与择伐强度呈负相关。其中，20% 的择伐样地的平均混交度均值(0.74)最大，其零度混交所占的比例最小，仅为0.38%，说明20% 的择伐样地中基本无单种聚集现象，大多处于不同种混交状态，林分整体稳定性相对较强。

在择伐强度相同时，不同坡向对其平均混交度的影响，可从不同坡向各样地的林木平均混交度及其频率分布(图2)看出，东北坡样地的平均混交度值大于西南坡，且强度混交和极强度混交所占比例之和大于西南坡，零度混交所占比例小于西南坡。由此得出，东北坡样地中单种聚集现象比西南坡弱，甚至基本无此现象，大多处于强度或极强度混交状态。从总体上看，择伐强度为20% 且处于东北坡的样地的平均混交度最大，且其强度和极强度混交所占的比例也最大，说明该样地的混交状态最佳，稳定性最强。

图1 不同择伐样地平均混交度均值及其频分布Fig.1 The average of mean mingling degree and its frequency distribution of different selective cutting

图2 不同坡向各样地平均混交度及其频率分布Fig.2 Mean mingling degree and its frequency distribution of different slope direction

3.2 不同择伐强度干扰下不同坡向伐后林分内林木大小分化情况

不同择伐强度对各样地林木大小比数的影响，可从不同择伐样地平均大小比数均值及其频率分布(图3)得出，各样地间大小比数值差异不大，且其平均大小比数值均为0.49。30%的择伐样地优势和亚优势所占比例最大，其值为0.42;而20%的择伐样地最小，其值为0.36。但从总体上看，不同择伐强度样地的平均大小比数之间差异不大，故择伐强度对林木大小分化没有产生明显的影响。

但不同坡向对伐后样地的林木大小比数的影响，可从不同坡向各样地林木平均大小比数及其频率分布(图4)得出，各样地的平均大小比数分布为0.48 ～0.51，且其优势和亚优势所占比例为0.36 ～0.43。因此，不同坡向样地的大小比数之间差别不大，坡向对伐后样地的林木大小比数的影响不大，各样地之间基本处于同一竞争地位。

图3 不同择伐样地平均大小比数均值及其频率分布Fig.3 The average of mean neighborhood comparison and its frequency distribution of different selective cutting

图4 不同坡向各样地平均大小比数及其频率分布Fig.4 Mean neighborhood comparison and its frequency distribution of different slope direction

3.3 不同择伐强度干扰下不同坡向伐后林分水平分布状态

由于天然林计算角尺度的最优标准角为72°，故随机分布的角尺度取值为0.475～0.517，平均角尺度小于0.475的分布为均匀分布，大于0.517的分布为聚集分布。

各样地的平均角尺度对择伐强度的响应情况，可从不同择伐强度样地平均角尺度均值及其频率分布(图5)得出，各样地角尺度值之间存在一定差异，但总体差异不太明显。20%的择伐样地平均角尺度均值为0.47，为均匀分布，其余择伐强度样地的平均角尺度均值为0.49～0.51，故为随机分布。从平均角尺度均值频率分布看，20%的择伐样地绝对均匀和均匀分布所占比例最大，为0.27，30%的择伐样地次之，未择伐样地最小，为0.18。

当择伐强度相同时，各样地的平均角尺度对不同坡向的响应情况，可通过不同坡向各样地平均角尺度及其频率分布(图6)得出，各不同坡向样地的平均角尺度为0.47～0.51，基本都属于随机分布，20%的择伐强度且处于东北坡样地的绝对均匀和均匀分布所占的比例最大，为0.29。从总体上看，择伐强度为20%且处于东北坡向的样地的水平分布状况较佳，为均匀分布。

图5 不同择伐强度样地平均角尺度均值及其频率分布Fig.5 The average of mean uniform angle index and its frequency distribution of different selective cutting

图6 不同坡向各样地平均角尺度及其频率分布Fig.6 Mean uniform angle index and its frequency distribution of different slope direction

3.4 不同择伐强度干扰下不同坡向伐后林分垂直分布状态

通过不同择伐样地林木平均林层指数均值及其频率分布(图7)可以看出，各样地间林层指数值差异明显。其中，林层指数值为1.0的值很少。20%的择伐样地的平均林层指数均值最大，为0.34，随着择伐强度的增加，其值不断减小。在各样地中，林层指数值不小于0.17所占的比例之和最大的是 20%的择伐样地，为 89.54%。说明20%的择伐样地林层垂直结构最为复杂。

当择伐强度相同时，不同坡向对样地林层指数的影响程度，可从不同坡向各样地林木平均林层指数及其频率分布(图8)看出，东北坡与西南坡平均林层指数之间规律性均不强，但从总体上看，处于东北坡的20%的择伐样地的平均林层指数值最大，为0.37，而且其林层指数值不小于0.17所占的比例之和为0.97，说明其林层垂直结构复杂。

图7 不同择伐样地林木平均林层指数均值及其频率分布Fig.7 The average of mean storey index and its frequency distribution of different selective cutting

图8 不同坡向各样地林木平均林层指数及其频率分布Fig.8 Mean storey index and its frequency distribution of different slope direction

4 结论与讨论

云冷杉天然林是中国东北地区森林中的主要林型，其经济效益、社会效益以及生态效益为中国的社会建设做出了突出贡献。合理经营云冷杉天然林是长白山林区森林经营管理中的重中之重。本研究通过对8块云冷杉天然林固定样地进行定位调查，利用4个空间结构指标(混交度、大小比数、角尺度、林层指数)分析研究不同择伐强度对不同坡向云冷杉天然林伐后空间结构的影响，旨在为云冷杉天然林择伐经营提供一定的参考价值和理论依据。研究结果表明，在东北坡进行强度为20%的择伐作业较利于云冷杉天然林经营。究其原因可能为择伐强度过大，会大大降低林分的郁闭程度，使林内光照骤增，不利于林内树木更新生长，同时还会破坏林分空间结构。此外，云冷杉为耐阴树种，幼苗幼树的更新生长需要荫蔽的环境。再者，由于林分所处的坡向、坡度、海拔等地形因子的不同也会对林分内的林木生长及林分的空间结构的配置产生不同程度的影响。

周蔚等［27］研究得出“在长白山区天然云冷杉针阔混交林的择伐作业中，择伐强度保持在20%为宜”这一结论，与本研究的结论是一致的。然而，他们仅从林木种间关系、水平空间分布状态研究择伐强度对林分伐后空间结构的影响，并未从林分垂直结构方面研究其影响。此外，也并未考虑地形因子对林分伐后空间结构的影响。因此，本研究主要通过对以下2个方面的改进，来进一步提高分析判断择伐经营对林分生长及发展的影响的能力，以期更好地经营云冷杉天然林。这2个方面为:(1)采用林层指数这一指标分析比较择伐强度对云冷杉天然林的伐后空间结构在垂直方向上的分布状态;(2)研究了地形因子中的坡向这一要素对林分伐后空间结构的影响。然而，本研究还存在一定的不足之处，如试验设计还不够完善，如东北坡和西南坡的比较只选择了一组样地;数据处理方法还有待改善。因此，只是得出一些具有一定参考价值的研究结果，仍需后继工作，如通过构建泰森多边形以及Delaunay三角网，进而更准确地找出参照树周围最近的相邻木，提高空间结构指标的精确度。通过建立数学模型，将角尺度、混交度、大小比数整合一起并构造一个新的指标来分析择伐强度对林分伐后空间结构的影响。此外，研究择伐强度对不同坡向林分生长量、物种多样性等的影响，对试验结论加以验证。

［1］ PRETZSCH H.Analysis and modeling of spatial stand structures.Methodologicalconsiderations based on mixed beech-larch stands in Lower Saxony［J］.Forest Ecology and Management，1997，97(3):237 －253.

［2］ POMMERENING A.Evaluating structural indices by reversing forest structural analysis［J］.Forest Ecology and Management，2006，224(3):266 －277.

［3］ 余新晓，岳永杰，王小平，等.森林生态系统结构及空间格局［M］.北京:科学出版社，2010.

［4］ AGUIRRE O，HUI G Y，GADOW K V，et al.An analysis of spatial forest structural using neighbourhoodbased variables［J］.Forest Ecology and Management，2003，183(1):137 －145.

［5］ 惠刚盈，李 丽，赵中华，等.林木空间分布格局分析方法［J］.生态学报，2007，27(11):4717 －4728.

［6］ 夏富才，赵秀海，潘春芳，等.长白山阔叶红松林林分空间结构［J］.应用与环境生物学报，2010，16(4):529－534.

［7］ 阚彬彬，王庆成，吴文娟.择伐干扰对长白山阔叶林中水曲柳及其伴生树种分布格局及种间相关性的影响［J］.安徽农业科学，2014，42(35):12570 －12574.

［8］ 汤孟平.森林空间结构研究现状与发展趋势［J］.林业科学，2010，46(1):117 －122.

［9］ 周新年，胡喜生，陈辉荣，等.天然次生林不同择伐强度后林分生长动态仿真［J］.林业科学，2013，49(1):134－141.

［10］周建云，李 荣，张文辉，等.不同间伐强度下辽东栎种群结构特征与空间分布格局［J］.林业科学，2012，48(4):149－155.

［11］刘丽学，赵 杰.森林择伐的基本理论及其类型演变［J］.宁夏农林科技，2014，55(1):20 －21，32.

［12］ MAKINEN H，ISOMAKI A.Thinning intensity and long-term changes in increment and stem form of Scots pine trees［J］.Forest Ecology and Management，2004，203(1):21－34.

［13］ SCOTT T W，CHRIS C M.Conifer response to three silvicultural treatments in the Oregon Coast Range foothills［J］.Canadian Journal of Forest Research，2004，34(9):1967－1978.

［14］董希斌.森林择伐对林分的影响［J］.东北林业大学学报，2002，30(5):15 －18.

［15］戎建涛，黄清麟，张晓红.择伐经营对天然阔叶米槠林生长的影响［J］.中南林业科技大学学报，2014，34(3):43－48.

［16］DARWIN B，CRAIG R，SUZANNE W.Eastern white pine response to release 30 years after partial harvesting in pine mixed wood forests［J］.Forest Ecology and Management，2005，209(1):117 －129.

［17］郝清玉.阔叶混交林群落结构及择伐经营策略［M］.北京:中国林业出版社，2011.

［18］汤景明.鄂西南山地常绿落叶阔叶混交林恢复研究［D］.北京:北京林业大学，2007.

［19］刘慎谔.关于大小兴安岭的森林更新问题［J］.林业科学，1957(3):263－280.

［20］惠刚盈.结构化森林经营［M］.北京:中国林业出版社，2007.

［21］郝月兰，张会儒，唐守正.Voronoi图方法确定云冷杉林最近邻木的适用性研究［J］.林业资源管理，2011(6):59－64.

［22］侯红亚，王立海.小兴安岭红松针阔混交林林分空间结构分析［J.］森林工程，2012，28(1):1 －4.

［23］陈辉荣，周新年，蔡瑞添，等.天然林不同强度择伐后林分空间结构变化动态［J］.植物科学学报，2012，30(3):230－237.

［24］郑丽凤，周新年，江希钿，等.松阔混交林林分空间结构分析［J］.热带亚热带植物学报，2006，14(4):275 －280.

［25］吴蒙蒙，王立海，侯红亚，等.采伐强度对阔叶红松林空间结构的影响［J］.东北林业大学学报，2013，41(9):6－9.

［26］吕 勇，臧 颢，万献军，等.基于林层指数的青椆混交林林层结构研究［J］.林业资源管理，2012(3):81 －84.

［27］周 蔚，杨 华，亢新刚，等.择伐强度对长白山区天然云冷杉针阔混交林空间结构的影响［J］.西北林学院学报，2012，27(4):7 －12.