华北落叶松天然林目标树间伐释压与胸径生长关系研究

刘泰瑞 ，任 达 ，董 威 ，覃志杰 ，张芸香 ，郭晋平

（山西农业大学 a.林学院；b.研究生院，山西 太谷 030801）

竞争普遍存在于森林生态系统中，其原因是在同一尺度区域及有限环境资源内物种间生态位重叠所致，结果往往会对参与竞争的有机体的生长发育造成很大影响[5-7]。现有的研究多集中在混交林树种间竞争关系特征及其竞争强度强弱比较方面[7-10]，竞争指标的构建、更新和选择方面[11-13]以及单木竞争生长模型等方面[14-16]。随着目标树近自然经营[1]及以目标树为核心的结构化经营研究的深入[30-31]，传统林业调查方法在华北落叶松天然林分布的深山区[17]进行作业耗费人力时间成本过高，且传统样方法在开展以目标树为研究核心的研究单位构建时难以精准针对经营的目标树种，在研究目标树种竞争压力时难以专化，表征作用较弱。

华北落叶松Larix principis-rupprechtii，松科落叶松属落叶乔木，我国华北地区重要用材林、公益林树种之一，天然林主要分布于山地及河流发源地区域，具有材质优良、生长旺盛、良好的涵养水源的特性，在华北地区对木材生产、构建区域尺度的景观多样性、保持水土和维持森林生态系统的稳定性等方面发挥着重要作用[2-4]。

为获取大量有效数据，本研究以1998年进行抚育间伐的落叶松天然林为研究对象，使用目标树为研究核心的中心样圆法设置样圆[21]，以其间伐后形成的样圆多元化的竞争状态和目标树的径向生长量建立联系，尝试揭示竞争压力与华北落叶松胸径生长的关系，旨在为华北落叶松成熟林林木抚育和经营实践提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于山西省吕梁市交城县吕梁山脉中部关帝山林区，样地位于庞泉沟国家自然保护区外围实验区以及孝文山林场。地理坐标为37°45′～ 37°55′N、111°22′～ 111°33′E。 区 内气候具有明显的大陆性山地季风气候特点，海拔（1 600～2 850 m），对气候影响较大，形成典型山地气候带状分布梯度。年均气温为 4.2 ℃，生长季均温为16.5 ℃，1月均温为10.2 ℃，7月均温为 21～35 ℃，年均降水量为822.6 mm，日照时数为1 900～2 200 h，年蒸发量为1 000～1 500 mm，无霜期为180 d。土壤类型主要有山地褐土、淋溶褐土、山地棕壤。区内森林以天然次生林为主[18-20]，面积达8 354.8 hm2，森林植被以华北落叶松纯林和华北落叶松云杉混交林为主，其中纯林占80%以上，林龄为30～130 a；林下灌木有忍冬Lonicera japonica、三裂绣线菊Spiraea trilobata、水栒子Cotoneaster multiflorus、直穗小檗Berberis dasystachya等，草本有披针苔草Carex lanceolata、瓣蕊唐松草Thalictrum petaloideum、山尖子Parasenecio hastatus、升麻Cimicifuga foetida等。

2 研究方法

2.1 样地设置和调查取样

2.1.1 样地设置

在关帝林局孝文山林场华北落叶松天然次生林分布区，选择林龄60～70 a、1998年进行过间伐作业、立地条件一致的地段[21]，采用目标树样圆法进行样地设置，按照克拉夫特分级法[22]选择优势木及亚优势木作为目标树。Hegyi（1974）在与位置相关的单木模型中，使用的样圆半径为3.408 m；姚贻强等[23]将竞争半径设置为3 m；邹春静等[24]在研究阔叶红松林树种间竞争关系时设置为8 m；方坚等[25]在研究陕西马栏林区辽东栎林内竞争关系时采用了6 m的竞争半径。参考前人对竞争半径、林隙半径、树高、冠幅等指标的研究成果[11]，最终确定样圆半径为5.65 m，样圆面积为100 m2，并将样圆内除目标树外的活立木作为竞争木。

2.1.2 样地调查

对样圆内目标树与竞争树进行每木检尺，对树高≥1.3 m的立木用测径围尺测量胸径、树高及冠幅等数据，并测量竞争木距目标树的水平距离。以样圆中心目标树作为标准木，共144株。沿顺坡与横坡两个方向在胸高部位用生长锥钻取木芯2个，带回实验室。按断面积加权法计算林分平均胸径、优势木平均高，分别为28～35 cm、22.5～24.7 m。

2.1.3 胸径生长量的测算

将取回的144株树的木芯置于木槽内，细砂纸打磨后用WinDENDRO系统进行年轮宽度测定，因本实验于2014年6月进行取样，共获得140组截止2013年的有效年轮宽度序列数据。

2.2 数据处理

2.2.1 目标树前期胸径的计算

为了利用树芯年轮测定值准确推算目标树前期胸径，以140株目标树树芯带皮长度和胸径实测值为基础数据，建立用树芯长度计算相应年度胸径的回归模型，计算公式为：

式中：D0为目标树前期胸径计算值；Di为树芯长度实测值。

2.2.2 竞争木初始胸径的计算

为了推算竞争木的初始胸径，从140株目标树中随机抽取98株，以其现实胸径与1998年胸径的成对数据，采用最小二乘法建立线性模型（R2=0.809），结果见公式（2），拟合效果见图1。

式中：D98是竞争木1998年的胸径计算值（mm）；D14是竞争木2014年的胸径测量值（mm）。

2.2.3 竞争压力指数的计算

竞争压力指数采用张跃西（1993）改进型邻体竞争指数，计算公式为：

图1 竞争木1998年与2014年胸径的拟合效果Fig.1 The fitting effect of the competition tree's DBH in 1998 and 2014

式中：Ii是邻体竞争指数；Di是目标树胸径；Dj是目标树周围第j株竞争木的胸径（j=1，2，3，…，N）；dij是目标树i和竞争树j的距离；N是竞争木株数。

2.2.4 竞争压力分级

对计算的目标树初始（1998年）竞争指数进行分级，按竞争指数＞2、1～2、＜1分为3级，分别定为强度、中度和弱度。各竞争强度样圆概况见表1。

表1 不同竞争强度华北落叶松天然次生林样圆概况Table 1 An overview of natural secondary forest samples of larch in north China with different competitive intensity

3 结果与分析

3.1 不同竞争强度等级下目标树生长量的差异

不同竞争压力下目标树在间伐后15 a间的胸径生长量见图2，三者之间差异的多重比较结果见表2。

图2 不同竞争强度下目标树的总平均生长量Fig.2 The total average growth of different competitive strength samples

结果（见表2）表明，目标树胸径生长量在弱度竞争与中度、强度竞争之间差异极显著（P＜0.01），在中度竞争和强度竞争之间差异不显著。

中度竞争下目标树径向生长量比强度竞争高18.75%，弱度竞争下目标树径向生长量分别比中度竞争和强度竞争高19.19%及41.54%（见图2）。

表2 不同竞争强度下1998年后胸径生长量的多重比较Table 2 Multiple comparisons of DBH growth after in 1998 with different competitive intensity

3.2 间伐后不同竞争压力下目标树生长量的变化趋势

计算全部目标树1988ü1998年10 a间的逐年平均径向生长量和不同竞争强度下分组目标树1998ü2013年15 a间的逐年平均径向生长量，绘制逐年变化趋势图，结果见图3。

由图3可以看出，间伐释压前（1998年）目标树的胸径年平均生长量呈快速下降趋势，之后不同竞争压力下胸径生长量的变化都表现为先整体提高，但上升格局在不同压力等级之间出现明显分化，竞争压力越大，目标树胸径生长量的提高幅度越小，相应时间也越延后。其中，弱度竞争压力下目标树胸径生长量在次年即回升，而在中度及强度竞争压力下目标树第2年和第3年出现回升；弱度和中度竞争压力下目标树胸径生长量在间伐释压后于2003年达到峰值，随后有所回落，整体表现为逐年增长趋势，但强度竞争下的目标树胸径生长量在短期提高后不再明显提高，整体表现为弱度竞争＞中度竞争＞强度竞争。

图3 间伐前后不同竞争压力下的目标树胸径生长量年际变化趋势和差异Fig.3 The growth trend and differences of target tree DBH increment with different competitive intensity

3.3 间伐后不同竞争压力下目标树径向生长的变化趋势

对间伐后1998ü2013年间各竞争压力下目标树胸径年平均生长量以及年份无量纲化后进行线性拟合，结果（见表3）表明，拟合度排序为中度竞争＞弱度竞争＞强度竞争，中度及弱度竞争目标树年平均生长量拟合模型显著性均为极显著，强度竞争目标树年平均生长量拟合模型显著性为不显著。

表3 不同竞争强度下伐后年平均生长量线性拟合结果Table 3 The linear fitting of average annual growth with different competitive intensity

由图4可知，间伐后目标树年平均胸径生长量呈现整体上升趋势，其中强度竞争目标树上升平缓（b1=0.006）且趋势不明显，中度竞争和弱度竞争目标树年平均径向生长量呈明显上升趋势，线性拟合度较高，弱度竞争目标树（b1=0.037）的增长速率高于中度竞争目标树（b1=0.026）。

3.4 目标树生长量与竞争压力指数的关系

图4 间伐后目标树在不同竞争压力下的胸径生长量变化趋势Fig.4 The growth trend model of the thinning target tree after four years

随机抽取100株目标树，分别用线性模型和幂函数模型拟合其1998年初始竞争指数与1998年至2013年的胸径生长量之间的关系，幂函数模型（R2=0.396）较线性模型（R2=0.364）拟合效果好，结果见图5。

图5 胸径生长量与竞争指数的关系拟合模型Fig.5 The relation fitting model of DBH growth and competitive index

结果（见图5）表明，随着竞争指数的升高，胸径生长量下降趋势明显，拐点出现在竞争指数1前后，竞争指数大于2后趋于平缓。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

1）林业生产实践中抚育间伐的作业强度一般用间伐株数或间伐断面积占林分初始株数和断面积的比例表示间伐强度[26-28]。随着目标树近自然经营法在国内的推行，继续使用林分尺度上的间伐强度指标，对构建以目标树为核心的竞争压力与目标树生长量之间的关系表征作用明显不足。竞争对植物体的生长发育影响显著，华北落叶松的径向生长量及其变化轨迹受竞争影响较大，关联性也较强，是否能由此建立起新的衡量抚育间伐作业强度的指标或是不同于原来侧重于株数及断面积的“间伐强度”，而是着眼于缓释目标树压力的“缓释伐”这样的方法体系来对林业作业实践进行科学指导。

2）在利用固定半径法确定竞争木时，通常是依据树种的不同来研究确定一个合适的竞争半径[11]。但随着林木的生长发育立地条件更迭，林龄增长，目标树及围绕目标树的邻居树所形成的固定“有效竞争区域”内的林分结构多元化以及人为采伐和干扰，竞争半径是否也存在着变化的规律性还有待进一步的调查研究。

3）华北落叶松的胸径生长会在树龄60 a左右开始显著下降并在较长时间保持相对稳定[29]。本实验，缓释压力后的华北落叶松的胸径生长量在树龄60 a后有显著上升，而且随着对目标树压力的减弱，胸径生长越为旺盛，年轮宽度和直径生长都有显著提高。是否能就此进行合理猜想，成熟林在受到较大竞争压力时，生长受到抑制但仍具有一定的生长潜力，在某一时间节点一定尺度范围内进行人工疏伐后生长潜力会在一段时间内进行释放，从而影响成熟林树木径向生长呈现增长趋势。

4）树木所受竞争压力指数是林木个体在林分中相对大小和生活力的量化表现，目标树和目标林分作为林业经营活动及作业核心[32]，揭示其生长规律成为了精准提升森林质量的关键科学问题。本研究以华北落叶松成熟林为研究对象，通过其胸径生长规律揭示了华北落叶松的阶段性生长规律及对间伐释压的响应，对华北落叶松成熟林林木抚育和经营实践具有提供理论依据和一定的生产指导作用。在林木生长发育和森林生态系统更迭演替的过程中，林木在不同林源、年龄阶段、立地等级对间伐缓释竞争压力是否也存在不同的响应机制，将作为下阶段研究的科学问题和主要方向。

4.2 结 论

1）间伐释压后，各竞争压力下的目标树胸径生长量差异显著，随着竞争压力的降低，目标树胸径生长量显著增大。

2）研究地区华北落叶松天然林胸径生长量在Ⅵ龄级和Ⅶ龄级后呈现显著下降趋势。

3）间伐释压对进入成熟期的华北落叶松天然林年平均胸径生长量具有显著提升作用。

4）伐后1998ü2013年间华北落叶松成熟林的胸径生长量变化趋势能进行较好拟合度的线性拟合，其中强度竞争目标树拟合度显著性较低，直线斜率随着竞争级别升高而减小，胸径生长量增长速率随着竞争级别升高而趋缓。

5）目标树胸径年生长量随着竞争压力指数的升高而明显下降，在竞争压力指数大于2后趋于平缓，并能被幂函数模型较好地拟合。