抚育间伐强度对落叶松天然次生林林分结构及健康的影响1)

王智勇 董希斌 张甜 曲杭峰 管惠文 张期奇 陈蕾

(森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室(东北林业大学)，哈尔滨，150040)

抚育间伐是林分结构改造的主要方法之一[1-3]，是提高林分质量和改善林分健康水平的必要手段，天然林在自然生长过程中很难实现自身结构的优化，林木个体多以自然死亡的方式来降低林分密度，一些结构问题不仅限制了林木的材积生长甚至容易引起火灾、病虫害等森林隐患[4-5]，对天然林进行适当的抚育间伐可以有效释放单株林木空间，为优良树种创造适宜的生长条件，有利于形成良好的林分结构[6-7]。研究不同抚育强度对森林生态系统的影响，对于提高林地利用率、林木出材率和实现森林可持续经营的理念都有着积极意义。李祥[8]研究表明，当抚育强度为20.86%～40.10%时，落叶松冠层指标和光合作用参数达到最优，林木生长率显著增加；陈百灵等[9]研究得出，当抚育强度为27.90%和40.01%时，林地内枯落物有效拦蓄水量和枯落物蓄积量分别达到最大值；朱玉杰等[10]研究得出，不同抚育强度样地内群落Shannon-Wiener指数和Pielou指数存在显著性差异。

森林健康[11-13]是20世纪90年代由美国学者提出的一种全新的森林经营效果评价理论，近年来已成为林学领域的研究热点之一。森林健康这一综合概念涵盖了森林生态系统的方方面面，因此，国内外学者多采用综合评价方法判断森林健康状况[14]，如主成分分析法、聚类分析法、复合结构功能法，常用模型有VOR模型、健康指数公式、健康距离公式等。目前对森林健康的研究多集中在不同类型的林分上，李梅[15]研究表明，不同经营模式下的林分健康状况存在显著差异，健康程度排序由高到低依次为人工促进更新、群团状择伐改造、带状皆伐、未封禁；曹红雨等[16]研究得出，华北土石山林区土壤健康水平由高到低排序为天然次生林、落白混交林、落叶松林、油松林、落油混交林，而针对不同抚育强度的同类型林分健康评价的研究仍较少。

文中选取新林林区落叶松天然次生林为研究对象，通过分析不同抚育强度对林分结构因子的影响，得出反映森林健康的关键指标，并利用主成分分析法评估各样地综合健康水平，初步判断该地区次生林间伐改造的最佳模式，以期为落叶松天然次生林的健康状况改善和经营措施优化提供理论基础和参考依据。

1 试验区自然概况

试验区设置在黑龙江省大兴安岭地区新林林业局下属的新林林场,该林场地处黑龙江省的正北部，施业区面积143 926 hm2。地理坐标为北纬51°20′～52°10′，东经123°41′～125°25′，属于寒温带大陆性气候，季节温差大，年累计积温不足1 600 ℃，年降水量514 mm，主要集中在6、7、8三个月份。该林区地势较平缓，坡度多小于5°，林区土壤类型为暗棕色及黑色森林土，平均厚度15 cm；该地海拔在1 km以下，风力较大，具有明显的山地气候特征；全年冻结期在7个月左右，开始结冰期多为9月下旬，终冻期在4月中下旬。平均日照百分率为53%，全年日照时间约2 300 h。新林林区年平均风速在2～3 m·s-1，多为西南方向的山谷风，该林区是大兴安岭山区较典型的次生林林区，林内有代表性的次生林包括落叶松(Larixgmelinii)、白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(PopulusL.)、色木(AcermonoMaxim)等；此外，还有少量的人工林，如樟子松(Pinussylvestris)，林下植被主要有红花鹿蹄草(Pyrolaincarnata)、杜香(Ledumpalustre)、越橘(Vacciniumvitis-idaea)、杜鹃(Rhododendrondauricum)、小叶樟(Deyeuxiaangustifolia)。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

试验地点位于大兴安岭新林林业局下属的新林林场，2008年冬季在该林场的106、107、108和109林班内依据采伐材积量设置了14块规格为20 m×30 m的试验样地，依次编号为1～14。其中，1号样地作为对照组未经采伐；2～7号样地间伐强度依次为3.42%、6.23%、12.52%、13.74%、16.75%、19.00%，属于弱度间伐；8～10号样地间伐强度依次为20.86%、27.85%、34.38%，属于中度间伐；11～14号样地间伐强度依次为40.01%、47.87%、51.48%、59.92%，属于强度间伐。于2017年8月份进行林地外业调查，通过对比9a后各样地林分指标变化，分析不同抚育强度对林分结构的影响并作出健康评价。各样地概况见表1。

表1 样地基本概况

水平结构调查：采用相邻网格法,用盘尺将每块样地划分为4个5 m×30 m的小样方，随后再以每个小样方为调查单元,按照S形的路线方式依次对各单元内胸径≥5 cm的乔木进行每木检尺,并记录每个被检测个体的位置。

垂直结构调查：对每个落叶松次生林样地的乔木层、灌木层、草本层进行调查，乔木层记录树种，用测高仪测量树高，用卷尺分别测量东、南、西、北四个方向的冠幅(m)并估测样地的郁闭度；在20 m×30 m的落叶松样地内设置2个5 m×5 m的灌木层调查样方，记录灌木的种类、数量并计算盖度；在每个样地内设置2个1 m×1 m的草本层调查样方，调查草本植物的种类、数量并计算盖度。

空间结构调查：以样地一角为原点建立平面直角坐标系，用卷尺测量每个乔木个体的坐标(x,y)，坐标值单位均为距离(m)，通过分析样地内乔木个体的空间位置确定角尺度、大小比、混交度等空间结构指标[17-18]。

2.2 评价指标

2.2.1 物种多样性

物种丰富度指数(Gleason)

D=S/lnA。

(1)

式中：S为观察到的物种种类；A为样地面积。

本研究选用Shannon-Wiener指数描述林分内灌木层物种多样性和草本层物种多样性：

(2)

式中：H为Shannon-Wiener多样性指数；Pi为物种i的个体数占全部物种个体总数的比率；S为样方内的物种总数。

2.2.2 生长指标

本研究选用一元材积表法求取标准木单株材积，林分蓄积量计算公式为：

(3)

式中：Vs为林分总蓄积量；Vj为j径级单株材积；Zj为j径级总株数。

单株平均材积计算公式为：

(4)

式中：n为林分内总株数。

2.2.3 空间结构指标

利用林分空间结构分析软件Winkelmass1.0进行数据处理和分析,分析结果包括落叶松天然次生林的混交度、大小比数和角尺度等空间参数。

混交度(Mi)计算公式为：

(5)

式中:vij是一个离散型变量，当参照树i与第j株相邻木属于非同种时，vij=1；反之，vij=0。

大小比数(Ui)计算公式为：

(6)

式中:kij为离散型变量，当参照树的胸径比第j株相邻木小时，kij=1;反之，kij=0。

角尺度(Wi)计算公式为：

(7)

式中:zij为离散型变量，定义为当第j个α角的值小于标准角α0时，zij=1；反之zij=0。

2.2.4 损伤干扰指标

本研究采用定性评分中的等级评分法将林分损伤干扰程度分级[19]，根据林地调查中发现的林木自然损伤(风折、雷击)、人为损伤及病虫害损伤(枯立、虫洞)数量，将损伤干扰分为4级，即无损伤、轻损伤、中度损伤和重损伤，并分别赋值1、2、3、4。

表2 损伤干扰等级

2.3 评价方法

采用主成分分析法对大兴安岭落叶松天然次生林进行林分结构健康评价，评价指标包括水平层次结构、垂直层次结构、灌木层盖度、草本层盖度、物种丰富度指数、物种多样性指数、胸径连年生长量、树高连年生长量、单株平均蓄积量、林分密度、平均冠幅、郁闭度、混交度、损伤干扰等级14个健康因子。其中水平层次结构依据我国森林资源划分方法,胸径(d)5 cm≤d<13 cm为小径木,13 cm≤d<27 cm为中径木,27 cm≤d<37 cm为大径木,37 cm以上为特大径木，具体量化为包含4个等级的林分层次指数为4，每减少一个等级赋值减1。垂直层次结构共包含乔木层、灌木层、更新层、草本层4个层级，具体量化方法与水平层次结构一致。将14个抚育强度的样地和14个评价指标构成原始矩阵X。

标准化原始矩阵：正向指标用公式(8)进行标准化，逆向指标用公式(9)进行标准化。

(8)

(9)

主成分得分：用SPSS17.0软件分析标准化的数据，选取方差分析累计贡献率≥85%的前m个主成分，并计算主成分得分。

(10)

确定主成分权重：用第m个主成分的贡献率和各主成分的总贡献率的比值表示各个主成分的权重。

(11)

式中：Wm是第m个主成分的权重；Cm是第m个主成分的贡献率。

计算健康评价指数：

(12)

式中：Li是第i块样地的健康评价指数；Wm是第m个主成分的权重；Fmi是第i块样地内第m个主成分得分。

3 结果与分析

3.1 生长结构

由表3可以看出，不同抚育强度的落叶松天然次生林样地的生长指标存在明显的差异性，14块样地的单株平均蓄积量变动范围为0.021～0.043 m3·株-1，1号样地未经抚育采伐蓄积量保持不变，在各抚育强度中4、5、6、7号样地的单株蓄积水平较高，峰值为5号样地的蓄积量为0.043 m3·株-1，该样地抚育强度为13.74%。比较年均生长量数据可以看出，各抚育强度样地的胸径年均生长量均大于1号对照组的0.339 cm，其中7、8两组样地胸径年均生长量较高，分别为0.689、0.686 cm；随着抚育强度的增加，各样地树高年均生长量的变化基本呈现出先降低后增加又逐渐降低的趋势，并在7号样地达到最大值0.599 cm，该样地抚育强度为19%。

表3 生长指标

根据样地调查，落叶松次生林各样地径级结构分布如表4所示，各样地中中小径级林木占比均超过75%，有利于落叶松林的天然更新及群落演替的稳定性。根据国家森林资源水平层次划分，胸径(d)5 cm≤d<13 cm为小径木,13 cm≤d<27 cm为中径木,27 cm≤d<37 cm为大径木,37 cm以上为特大径木。14块样地中，小径级林木平均比例为64.74%，占据着群落的上层空间；中径木平均比例为26.52%，群落地位仅次于小径木；大径木和特大径木占比分别为7.81%、1.96%，个体数量偏低，这主要与林龄分布的集中性有关。14块样地水平结构层次指数量化依次为3、2、2、2、3、3、3、3、2、2、3、2、2、2，差异性不显著。

3.2 物种结构

由表5可知各样地物种结构，根据各样地乔木层、灌木层、草本层、更新层的结构组成，对其垂直层次结构指标赋值，14块样地赋值结果均为2～4，6、7、8、13、14号样地垂直层次更加全面，有利于林分结构的稳定性；物种丰富度指数先升后降，在7、8号样地达到最大值(1.563)，随后在12、13号样地有所回升；Shannon-Wiener综合指数普遍偏低，不同抚育强度样地之间差异并不明显；灌木层盖度在6、7、8号样地有明显的提升，抚育强度为20.86%时达到最大值(0.108 8)；草本层盖度分布较为均匀，这主要与林分立地条件有关。

表4 径级结构分布

表5 物种结构指标

3.3 林分空间结构

14块样地的空间结构参数见表6，角尺度反映了林木个体分布格局，14块样地平均角尺度0.504 0，表明落叶松次生林整体为随机分布格局，其中3、4、5、14号样地林木分布类型属于标准的随机分布(0.475 0≤Wi≤0.517 0)，6、8、12号样地为平均分布(Wi<0.475 0)，1、2、7、9、10、11、13号样地为聚集分布(Wi>0.517 0)，但聚集程度较低，林分整体上符合次生林的格局特点，各样地之间无明显差异。混交度反映树种的空间隔离程度，14块样地平均混交度为0.174 0，树种隔离程度偏弱，零度混交(Mi=0)和弱度混交(0

表6 空间结构指标

3.4 健康评价

3.4.1 主成分选取

将14块样地的水平层次结构、垂直层次结构、灌木层盖度、草本层盖度、物种丰富度指数、物种多样性指数、胸径连年生长量、树高连年生长量、单株平均蓄积量、林分密度、平均冠幅、郁闭度、混交度、损伤干扰等级14个结构指标构成一个14×14的矩阵。将数据标准化后使用SPSS17.0统计软件进行主成分分析。由表7可知，前5个主成分的累计贡献率达到了85.844%，且特征值均大于1，满足主成分要求，因此，选取前5个主成分表现各样地林分结构健康情况。

表7 总方差解释

3.4.2 主成分得分

由表8各主成分的因子载荷可知，第一主成分在水平层次结构、物种多样性指数、树高连年生长量、单株平均蓄积量、林分密度、损伤干扰等级上有较大载荷；第二主成分在垂直层次结构、灌木层盖度、物种丰富度指数、胸径连年生长量、林分密度上有较大载荷；第三主成分在混交度、损伤干扰等级上有较大载荷；第四主成分在平均冠幅上有较大载荷；第五主成分在草本层盖度上有较大载荷。

表8 主成分载荷矩阵

根据公式(11)计算得出各主成分权重依次为0.345、0.291、0.146、0.120、0.098，再由公式(12)计算各主成分得分，结果如表9所示。

表9 主成分得分结果

3.4.3 确定健康等级

表10 健康等级划分

根据14块样地的综合得分结果及健康等级表可知，新林林场落叶松次生林样地中3、5、9、10、11、13、14号样地属于一般健康样地，12、1、2、4、6、8号属于亚健康样地，7号样地属于健康样地，无不健康样地。

4 结论与讨论

在新林地区落叶松天然次生林的水平结构中，树种结构组成简单，乔木层树种只包含落叶松、白桦和山杨三类，经过不同间伐强度的抚育后，各样地兴安落叶松数量占比83.26%，占据群落的上层结构，其中小径木、中径木、大径木、特大径木的平均比例依次为64.74%、26.52%、7.81%、1.96%，径级结构趋于合理，这表明抚育间伐对次生林的优化改造有积极作用[21]。各抚育强度样地的胸径年均生长量均大于对照组，强度为19%的7号样地生长量最大，为0.689 cm。在垂直结构中，灌木层盖度在抚育强度为20.86%的8号样地达到最大值(0.108 8)，草本层盖度比较平均，在抚育强度为16.75%的6号样地达到最大值(0.125)，各样地物种丰富度指数在抚育强度16.75%～27.85%时较高，符合众多研究结果中物种多样性和抚育间伐效果存在的正相关关系[22]。各样地树高年均生长量随抚育强度的变化基本呈现出先增加后降低的趋势，最大值为7号样地的0.599 cm。空间结构中，落叶松次生林的树种隔离程度较低，整体呈现随机分布状态，在抚育强度为14.52%～34.38%的中度间伐时，树种混交情况及林木大小分化情况更加合理，林分空间结构较好。

通过主成分分析对不同抚育强度的落叶松次生林样地进行结构健康评价，结果由大到小的顺序表现为7号样地(19.00%)、8号样地(20.86%)、6号样地(16.75%)、1号样地(对照)、4号样地(12.52%)、2号样地(3.42%)、12号样地(47.87%)、10号样地(34.38%)、11号样地(40.01%)、14号样地(47.87%)、9号样地(27.85%)、13号样地(51.48%)、5号样地(13.74%)、3号样地(6.23%)。根据健康等级划分标准，50%的样地为一般健康水平，42.86%的样地为亚健康水平，7.14%的样地为健康水平，可以看出新林地区落叶松次生林整体的结构健康水平不佳，还需要采取合理有效的改造措施。针对3、12、14号样地林分密度高且损伤干扰等级高的特点，应进一步择伐改造调整林分结构，通过生态疏伐将林地内病腐枯死木伐除为健康幼苗提供良好的生长条件；对于5、11号样地混交度低且物种丰富度偏低的特点，应适当补植白桦、山杨等伴生树种，通过适当加强种间竞争、丰富群落层次，从而促进乔木生长；对于灌木密度偏大的样地，如7、8号样地，可采用林下割灌的方法，释放林地内部空间以促进幼苗和草本的生长；对于平均冠幅偏大的林地，如1、2号样地，可通过修枝整形减少竞争枝并改善林木的透光通风条件，提高其经济和生态效益。

在森林的抚育经营中想让各项健康指标都达到最佳几乎无法实现，最佳的目标是使林分整体健康水平得到最大优化，对新林地区落叶松次生林的健康评价结论为19.00%的抚育强度对林分结构及健康水平有最佳的经营效果，这与朱玉杰等[10]用材林抚育间伐经营效果的研究结果相接近。当抚育强度低于10%时，原有的群落生态被改变，各项健康指标有升有降，林分整体健康水平提升并不明显；随着抚育强度的提升，在间伐强度10%～20%的弱度间伐时，林分冠层结构和空间结构不断变化，随着透光量的增加林地小气候得到改善，林内植物光合作用增强，各项生长指标明显提升；当抚育强度达到40%的强度间伐后，林分生态已经出现较大改变，乔木层的保护能力和冠层的截留能力下降，林下喜阴植被逐渐减少，地表径流逐渐增加，土壤肥力流失，林分整体健康水平会逐步降低，因此在间伐改造的实践中，10%～30%的强度范围较为合理[23]，不同类型林分据实际情况而定。

影响森林结构特征的因素十分复杂，评价森林健康水平的方法和标准也仍未统一，文中只选取了部分林分结构参数作为森林健康因子进行分析，初步判断了新林地区落叶松天然次生林的健康状况以及不同间伐强度对其结构的影响。在今后的试验中，可以增加冠层结构、光合作用以及土壤环境等方面的研究[24-25]，更全面的分析林地健康水平，为新林地区落叶松次生林的抚育经营提供指导和依据。