抚育间伐对黄龙山辽东栎林分质量的影响

于世川，张建国，叶权平，张文辉*

(1.西北农林科技大学 陕西省林业综合实验室，陕西 杨陵 712100；2.陕西省延安市黄龙山林业局，陕西 黄龙 715700)

辽东栎(Quercuswutaishanica)为壳斗科(Fagaceae)栎属(Quercus)植物，作为暖温带落叶阔叶林地带性植被类型的主要树种，对暖温带落叶阔叶林的外貌、结构和动态,甚至种类组成都有重要作用。关于辽东栎抚育间伐主要集中在群落稳定性、林木更新、种群结构等某一方面的研究，但是缺乏对林分质量进行综合评价。在黄龙山林区，辽东栎是主要的建群种之一，形成辽东栎纯林和以辽东栎为优势种的落叶阔叶混交林，在涵养水源、水土保持、改善生态环境、天然林持续发育及维持生物多样性发挥着重要的作用[1]。同时，辽东栎也为当地提供木材，作为培养食用菌的主要原料，种子中淀粉可以酿酒 ，叶子可以养蚕，具有重要经济价值[2]。

抚育间伐作为森林经营重要措施，对于改善林分卫生状况，促进林木生长，建立适宜的林分结构，提升林分质量有重要意义。林分质量是林分发挥生态效益、经济效益和社会效益的综合体现。经营多功能森林是现代林业发展的需求，对林分质量综合评价可以有效反映多功能森林经营的成果。国内外对林分质量的评价选取的指标因林分功能发生相应变化[3-5]，但可以概括为林分稳定性[6-8]、林分结构[9-11]、林分生产力[11-12]、优势树种价值[13-14]、立地质量[15-16]、更新演替潜力[17-20]等，但是研究间伐对辽东栎林分质量的影响尚未见报道。本研究是在黄龙山林区间伐10 a后，综合考虑林分持续发育和生态防护功能的基础上，提升林产品数量与质量，选择发育潜力、生长量和持水能力3方面来研究不同间伐强度即轻度(保留郁闭度0.8)、中度(保留郁闭度0.7)、重度(保留郁闭度0.6)与对照(郁闭度0.9)下对辽东栎林分质量的影响并进行综合评价，探讨辽东栎林分质量在不同间伐强度下的差异，为黄土高原地区森林经营提供依据，为林分质量评价体系的构建提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区域选择在延安市黄龙山林业局蔡家川林场，地理位置109°38′49″-110°12′47″E，35°28′46″-36°02′01″N，海拔 962.6～1 783.5 m，属暖温带半湿润与半干旱气候的过渡地带，年均气温8.6℃ ，最高气温36.7℃ ，最低气温-22.5℃，无霜期 126～186 d，年均降水量611.8 mm。该林区属暖温带落叶阔叶林，以辽东栎(Q.wutaishanica)、油 松 (Pinustabulaeformis) 、白桦 (Betulaplatyphylla)为建群种形成的纯林或者混交林呈镶嵌性分布，并伴有茶条槭 (Acerginnala)、山杨 (Populusdavidiana)、漆(Toxicodendronvernicifluum)、鹅耳枥(Carpinusturczaninowii)、红麸杨(Rhuspunjabensis)等伴生树种，灌木主要有金银忍冬(Loniceramaackii)、土庄绣线菊 (Spiraeapubescens)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、胡枝子(Lespedezabicolor)、陕西荚蒾(Viburnumschensianum)、南蛇藤(Celastrusorbiculatus)、灰栒子(Cotoneasteracutifolius)、刚毛忍冬(Lonicerahispida)、黄刺玫(Rosahugonis)、胡颓子(Elaeagnuspungens)、杠柳(Periplocasepium)、卫矛(Euonymusalatus)等；草本层主要有大披针薹草(Carexlanceolata)、白茅(Imperatacylindrica)、茜草(Rubiacordifolia)、披碱草(Elymusdahuricus)、黄精(Polygonatumsibiricum)、败酱(Patriniascabiosifolia)、山罗花(Melampyrumroseum)等[1，21-22]。

该地区辽东栎为天然次生林，抚育以前，林分表现为纯林多、密度大、生长不良，劣质木、病虫木比例增大，由于林木竞争作用、自然稀疏，使林分基本维持郁闭度0.9左右。2004 年实施采伐作业，以近自然森林经营理念为指导，将林内树木分为目标树、特别目标树、干扰树和一般林木，通过标记目标树，对目标树单株木抚育管理，择伐干扰树，保护特别目标树与目标树，使林木分布均匀，调整林分结构更为合理，提升林分质量。为了比较间伐强度对林分质量的影响，本研究在阴阳坡分别采取了3种间伐强度，包括重度(保留郁闭度0.6)、中度(保留郁闭度0.7)、轻度(保留郁闭度0.8)抚育间伐与对照(郁闭度0.9)。为了保留郁闭度不变，每隔3 a进行1次抚育间伐，共抚育间伐3次。本研究结果所利用的数据，是2004年16个固定样地间伐后的调查数据(与本研究相关数据未发表)和2014年对样地监测数据。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置与调查 2004年对辽东栎林充分踏查，在蔡家川林场143林班，通过典型取样，共设置20 m×20 m样地16个，每个郁闭度各设置4个样地(阴坡、阳坡各2个)。每块样地的4个角与中央设置5个5 m×5 m灌木(幼苗幼树)样方，在每个灌木(幼苗幼树)样方左下角设置1 m×1 m草本样方。辽东栎调查样地基本特征见表1。

表1 2004年辽东栎调查样地间伐前基本特征Table 1 Stand characteristics of Q.wutaishanica forest in 2004 before thinning

2014年对样地乔木进行每木检尺，记录乔木树高、胸径、冠幅、数量、频度，计算乔木蓄积量、建群种重要值；灌木、草本调查盖度、多度、频度、基径、平均高、平均冠幅等；幼苗幼树(胸径DBH<4 cm)，记录株数和高度，样地内的数值由小样方换算而来。

在灌木样方中，按灌木种类选取生长势处于平均水平的个体作为标准木，分别将不同种类的标准灌木连根挖出，将完整的植株分成根、主干、侧枝和叶4个部分，分别称取各部分的鲜质量。另外，在草本样方中，按草本种类将草本连根挖出，分地上、地下部分称鲜质量。在实验室 80 ℃ 条件下，将灌木和草本样品烘干至恒重，称干重[4,23]。在各样地右上、中间和左下选择3个具有代表性的1 m×1 m样方，测量枯落物厚度、腐殖质厚度。

1.2.2 建立林分质量评价体系 基于辽东栎在黄土高原地区发挥的作用，选取具有代表性12个指标反应林分质量，利用层次分析法的基本原理，将辽东栎林分质量评价体系分为有隶属关系的3层递阶层次结构，分别为：

最高层：表示解决问题的目的，即AHP所要达到的目标——林分质量最好[24]。

中间层：包括了为实现目标所涉及的中间环节,它可由若干个层次组成,本研究分为2个层次，准则层A为发育潜力、生长量、持水能力，准则层B为幼苗幼树密度、建群种幼苗幼树数量/建群种数量、物种丰富度、建群种重要值、树高平均生长量、胸径平均生长量、乔木蓄积量、灌草生物量、灌木盖度、草本盖度、枯落物厚度、腐殖质厚度。

最低层：表示为实现目标可供选择的各种措施、决策、方案等,因此又称为措施层或方案层，即重度间伐、中度间伐、轻度间伐、对照[24]。

1.2.3 构建判断矩阵 请专家根据辽东栎林功能特点与实践经验对各元素评价，将同一层次中两两元素间相对重要性给出一定尺度判断,按照2元素A与B同等重要、A比B稍重要、A比B重要、A比B明显重要和A比B极端重要分别以 1、3、5、7、9作为标度，并以2、4、6、8表示相邻判断的中间值，用这些值的倒数表示2个元素的反比较构建判断矩阵[4，23，25]。

1.2.4 一致性检验

BW=λmaxW

(1)

式中,λmax是矩阵B的最大特征根,W是相应的特征向量,W的分量即是相应元素单排序的权值[23]。

CI=(λmax-n)-(n-1)

(2)

式中，CI为一致性指标，n为矩阵阶数[23]。

CR=CI/RI

(3)

式中，CR为判断矩阵随机一致性比率，RI为平均随机一致性指标，RI值可查表(表2)[24]。

表2 平均随机一致性指标Table 2 Average consistency index

当CR<0.1时,认为判断矩阵具有满意的一致性，即计算得出的权重值可靠。否则,说明构建的判断矩阵不合理,必须重新调整判断矩阵,直至满足一致性[24]。

1.2.5 林木质量综合评价

(4)

式中，Ai为第i种间伐强度的林分质量综合评价得分，Xij为第i种间伐强度第j个指标所对应得分，Wj为第j个指标的权重[22]。

1.2.6 数据处理 按照林分质量调查的指标，将同一间伐强度(同一郁闭度)样地数据进行合并，取平均值，用Excel对数据进行初步整理和计算平均值，利用SPSS20.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，用最小显著法(LSD)结合Duncan检验比较参数间差异性(α=0.05)。采用origin 9.0软件进行图表绘制。

2 结果与分析

2.1 构建指标的判断矩阵并进行一致性检验

林分质量评价判断矩阵、贡献率和CR值见表3，可以看出准则层A各指标权重为：发育潜力(0.691)>持水能力(0.218)>生长量(0.091)，发育潜力是林分能够持续生存的前提，对辽东栎林分质量影响最大；持水能力对辽东栎林分质量有一定影响，生长量对辽东栎林分质量影响较小，这符合林分在黄土高原地区是以发挥生态功能的基础上提高林产品的特性。发育潜力、生长量和持水能力的判断矩阵、贡献率和CR值见表4～表6，各判断矩阵随机一致性比率CR值分别为0.051 6、0.029 9、0.005 4、0.028 7，均<0.1，说明各判断矩阵具有满意的一致性，可以用于权重计算。

表3 林分质量评价判断矩阵Table 3 Determining matrix of forest stand quality evaluation

2.2 评价指标权重

用高斯迭代法求解各层次上评价指标判断矩阵的最大特征根及其对应的特征向量，得到林分质量评价指标权重见表7。可以看出准则层B各指标权重为：建群种幼苗幼树数量/乔木数量(0.389 6)>物种丰富度(0.182)>腐殖质厚度(0.111 7)>幼苗幼树密度(0.081 4)>枯落物厚度(0.072 3)>乔木蓄积量(0.044 2)>建群种重要值(0.038)>灌草生物量(0.024 8)>灌木盖度(0.023 3)>胸径平均生长量(0.014 3)>草本盖度(0.010 4)>树高平均生长量(0.008 1)，建群种幼苗幼树数量/乔木数量、物种丰富度、腐殖质厚度对林分质量影响较大，幼苗幼树密度、枯落物厚度、乔木蓄积量、建群种重要值、灌草生物量、灌木盖度、对林分质量影响一般，胸径平均生长量、草本盖度、树高平均生长量、对林分质量影响较小。

表4 发育潜力指标判断矩阵Table 4 Determining matrix of developmental competence

2.3 评价指标分级和林木形质等级

图1为对评价林分质量的12个指标进行单因素方差分析，可以看出无论阴坡还是阳坡，胸径平均生长量随着间伐强度增大而增大，但受间伐强度影响不显著；其余11个指标在阴阳坡中均表现为受间伐强度影响显著。在阳坡，灌木盖度、草本盖度在重度间伐时最大，分别为0.37±0.023 8、0.75±0.020 41；建群种幼苗幼树数量/建群种数量、建群种重要值、灌木盖度、草本盖度与对照相比随着间伐强度增大而增大；乔木蓄积量、枯落物厚度与对照相比随着间伐强度增大而减小；幼苗幼树密度、物种丰富度、树高平均生长量、灌草生物量、腐殖质厚度与对照相比随着间伐强度增大先增加后减小，中度间伐时最大，分别为5 198.25±36.851 9株·hm-2、17.5±0.288 68 cm、29.3±2.146 cm、1.62±0.031 89 t·hm-2、2.5±0.081 65 cm。在阴坡，幼苗幼树密度在中度间伐时最大，为1 839.25±18.309 26株·hm-2；重度间伐次之，为1 402.25±24.760 1株·hm-2；建群种幼苗幼树数量/建群种数量只有在中度间伐时增加；物种丰富度、树高平均生长量、灌木盖度、草本盖度与对照相比随着间伐强度增大而增大；乔木蓄积量与对照相比随着间伐强度增大而减小；枯落物厚度相比于对照均减少，中度间伐比轻度间伐、重度间伐大；建群种重要值、灌草生物量、腐殖质厚度与对照相比随着间伐强度增大先增加再减小，中度间伐时最大。

表5 生长量指标判断矩阵Table 5 Determining matrix of growth

表6 持水能力指标判断矩阵Table 6 Determining matrix of water-holding capacity

表7 评价指标权重Table 7 Relative weight of evaluating indicators

结合单因素方差分析结果与12个指标具体数值波动范围，将各指标划分5个区间，表示5个质量等级，分别按照各林分质量指标所表达的生物学意义，按百分制给质量等级赋值．质量等级依次用好、较好、中、较差、差表示，对应的得分值依次为100、80、60、40和20(表8)。

依据表8对辽东栎林分质量综合得分计算并划分等级(表9)，≥90分，林木形质好，记为Ⅰ级；80～90分，林分质量较好，记为Ⅱ级；70～80分，林分质量中等，记为Ⅲ级，60～70分，林分质量较差，记为Ⅳ级；<60分，林分质量差，记为Ⅴ级。在阳坡，中度间伐辽东栎林分质量较好，综合得分达83.502分，重度间伐辽东栎林分质量中等，轻度间伐和对照辽东栎林分质量差；在阴坡，中度间伐辽东栎林分质量好，综合得分达91.660分，重度间伐、轻度间伐辽东栎林分质量较差，对照的辽东栎林分质量差。无论阳坡还是阴坡，与对照相比，随着间伐强度增加，辽东栎林分质量先增加后减少，中度间伐是其最佳间伐强度。

3 结论与讨论

林分质量评价是对森林资源保护与可持续利用的基础，建立一套科学的林分质量评价体系可以为科学制定森林保护对策提供依据，对提高森林可持续经营水平和环境管理水平具有重要的指导作用[26]。林分质量是一个综合性指标，对其评价应该考虑综合性和代表性，目前对林分质量的评价指标的选择没有统一的标准，各指标占有的权重也没有统一规定，本研究结合辽东栎林分在黄土高原地区的功能特点，选取代表性指标12个，可以较全面地反映辽东栎林发育潜力、生长量、持水能力，对间伐10 a后黄龙山辽东栎林分质量进行综合评价，得出无论在阳坡还是阴坡，中度间伐(保留郁闭度0.7)下辽东栎林分质量评价得分最高，说明中度间伐(保留郁闭度0.7)可以有效提高辽东栎林分质量，可以为黄土高原地区森林经营提供借鉴。

图1 不同间伐强度与对照下辽东栎林分质量评价指标的情况Fig.1 Situation of Q.wutaishanica forest stand quality evaluation index with different thinning intensities and control plots

在阳坡，由于抚育间伐改善林内结构，提高林内生境条件[27-28]，在郁闭度0.7生境中，更适合幼苗幼树更新生长，利于乔木、灌木、草本的生长，适合植物迁移定居，利于枯落物分解和腐殖质积累，因此幼苗幼树密度、物种丰富度、树高平均生长量、灌草生物量、腐殖质在中度间伐(保留郁闭度0.7)下表现最好；随着间伐强度的增大，去劣留优，辽东栎胸径平均生长量增加，林内保留的建群种具有优质的遗传资源比例增加，建群种幼苗幼树存活量增加，同时，光照强度随着间伐强度增加而增大，林下喜光的灌木与草本会扩大分布范围，因此在郁闭度0.6时建群种幼苗幼树/建群种数量、建群种重要值、胸径平均生长量、灌木盖度、草本盖度在重度间伐(保留郁闭度0.6)下表现最好；由于间伐除去部分林木，导致乔木蓄积量和枯落物厚度相对于对照减少，因此乔木蓄积量、枯落物厚度在对照(郁闭度0.9)下表现最好。

表8 林分质量评价指标等级及评分标准Table 8 Criteria and indicator interval partition，quality class and scores for forest stand quality evaluation

续表8

准则层A准则层B区间划分阳坡阴坡质量状况得分枯落物厚度/cm[0,3.6)[0,3.7)差20[3.6,4.0)[3.7,4.2)较差40[4.0,4.4)[4.2,4.7)中60[4.4,4.8)[4.7,5.2)较好80[4.8,∞)[5.2,∞)好100腐殖质厚度/cm[0,1.2)[0,1.5)差20[1.2,1.8)[1.5,2)较差40[1.8,2.4)[2,2.5)中60[2.4,3)[2.5,3)较好80[3,∞)[3,∞)好100

表9 林分质量综合得分及林分质量等级Table 9 Forest stand quality synthetic value and quality grade

在阴坡，抚育间伐增加林内光照强度，在郁闭度0.7生境中，适宜的光照条件更利于幼苗幼树更新生长、灌木草本生长、枯落物分解和有机质积累，因此幼苗幼树密度、建群种幼苗幼树/建群种数量、建群种重要值、灌草生物量、腐殖质在中度间伐(保留郁闭度0.7)下表现最好[27-28]；阴坡林下植被主要是耐阴植物，随着间伐强度增加，林内光照增强，利于树高、胸径、灌草的生长，因此物种丰富度、树高平均生长量、胸径平均生长量、灌木盖度、草本盖度在重度间伐(保留郁闭度0.6)下表现最好；由于间伐除去部分林木，导致乔木蓄积量和枯落物厚度相对于对照减少，乔木蓄积量、枯落物厚度在对照(郁闭度0.9)下表现最好。

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