抚育间伐对栓皮栎人工林直径和树高分布的影响

（河南农业大学 林学院，河南 郑州 450002）

林分结构可划分为空间结构和非空间结构。林木直径分布和树高分布是林分非空间结构中最直接有效反映林分经营状况的因子[1]。林木的直径和树高是森林计测中容易测定的因子，其测值准确可靠，为森林测树制表和森林经营技术研究等方面提供了坚实的数据支撑[2]。林分直径分布是林木直径按照大小径阶的分布状态，能较直接反映乔木林层种群的分布规律，揭示林分的经营状况，综合反映林分结构、林木竞争和自然稀疏等林分动态特征[3-6]。量化林木直径分布和树高分布能够为森林可持续经营提供最直接有效的技术依据。

抚育间伐是实现森林可持续经营的重要措施，科学合理的抚育间伐技术措施能有效促进森林生态和经济效益最大化。国内外关于抚育间伐对林木直径生长和树高生长[7-8]、冠幅[9]、森林更新[10]、森林生境[11-12]、目标树经营[13]等方面已经开展了大量的研究工作。有研究表明，中弱度抚育间伐能促进林木胸径和蓄积量的生长[14]。采用目标树作业技术及时采伐干扰树，可以减小目标树的竞争压力，促进目标树快速生长[15]。有关抚育间伐对针叶树林分直径结构和空间结构的研究表明，抚育间伐能通过促进径阶分布偏度由正偏向负偏转移，提高大径级林木的比例[16]，调整林分直径结构；在空间结构上增大林分的林层指数，提高林分混交度[17-18]，增大保留木空间隔离程度[19]，减小保留木的竞争压力，促进林分空间结构趋于随机分布，从而优化林分的空间结构，改善人工林林分营养空间。但是，上述研究大都基于面积较小（400～600 m2）的样地调查数据，且集中在针叶人工林中，基于大样地数据研究抚育间伐对林分直径和树高分布影响的研究相对缺乏。

栓皮栎Quercus variabilis是我国华北和西南地区常见的造林树种，栓皮栎人工林是河南山区典型的落叶阔叶林[20]，具有抗寒、耐旱和耐贫瘠的特性，在保障区域生态安全、大径级木材培育等方面发挥着重要的作用。本研究以抚育间伐2 a 后（蓄积强度3.23%）的42年生栓皮栎人工林为研究对象，以未间伐林分为对照，分别设置1 个100 m×100 m 的大样地，使用Weibull 分布、Normal 分布、Lognormal 分布、Logistic 分布、Gamma 分布5 种分布函数对栓皮栎人工林林木直径及树高分布进行拟合和拟合优度的KS 检验，分析抚育间伐对栓皮栎人工林林分直径和树高结构的影响，旨在探究在生产性抚育间伐的森林经营措施下，栓皮栎人工林林分直径和树高结构变化的内在机制，为栓皮栎人工林精准化经营提供方法和理论支撑。

1 研究区概况

研究区位于河南省国有登封林场内，地理坐标 为112°44′～113°50′E，34°26′～34°33′N。研究区属暖温带大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷干燥，季风性显著。全年平均温度是14.2℃，无霜期为238 d 左右。全年平均降水量为614 mm，降水量主要分布在夏季（6—8月份），占全年降水总量的33.8%左右。林场境内的土壤主要以褐土与棕壤为主，土壤肥力状况表现为富钾，少氮，极缺磷，且有机质的含量也较低。

林场境内典型乔木有侧柏Platycladus orientalis、油松Pinus tabuliformis、刺槐Robinia pseudoacacia、栓皮栎、麻栎Quercus acutissima、槲栎Quercus aliena、黄栌Cotinus coggygria、化香Platycarya strobilacea、椿树Ailanthus altissima、榆树Ulmus pumila等树种，其中针叶树以油松、侧柏为主，阔叶树以栎类、刺槐、阔杂为主。

2 研究方法

2.1 样地设置与野外调查

2.1.1 样地设置

结合研究区森林抚育工作，2016年在林场内选择有代表性的栓皮栎人工林，对林木进行生产性抚育间伐作业，通过修枝、割灌、清理枯立木、伐除病腐木及没有培育前途的林木来优化林分结构。同时选取立地条件、林分结构、生长阶段以及森林经营历史基本一致的未抚育间伐林分作为对照林分。两样地林龄均为40 a，郁闭度约0.9，乔木层主要树种有栓皮栎、槲栎。间伐前两样地的林分株数密度、平均胸径、平均树高相对一致。根据间伐前后的林分密度计算出间伐株数强度为31.55%，蓄积强度为3.23%。栓皮栎人工林间伐前后及未间伐林分基本情况见表1。

分别在间伐和对照林分内各设置1 块固定方形样地，规格为100 m×100 m（总面积1 hm2），其中对照样地位于间伐样地东北方向258 m，研究区及样地位置见图1。每块样地以西南角为起点，用罗盘仪进行布设和坡度矫正，要求闭合差小于1/500。为排除样地布设时人为因素的干扰，在样地四周设置5 m 的缓冲区以消除边缘效应，缓冲区内的林木个体不参与直径分布、树高分布的计算。

表1 间伐与对照样地的林分概况Table 1 Basic situation of thinned stand and control stand

图1 研究区及样地位置Fig.1 Location of the study area and plots

2.1.2 样地调查

于2018年6月，利用全站仪（南方测绘，NTS-332R）对样地（间伐和未间伐两块固定样地）内胸径≥2.0 cm 的林木进行每木定位和检尺，应用Haglof 测高仪测定检尺林木的树高（m），同时记录每株林木的编号、树种、冠幅、枝下高。采用二元材积表法计算林分的蓄积量。样地基本情况见表2。

2.2 数据分析

对间伐样地和对照样地检尺校正后的林木株数按2 cm 径阶距整化径阶，根据径阶和树高级与每公顷株数之间的关系，应用Origin 9.0 软件绘制柱状图。为更直观地分析间伐前后林木直径分布和树高分布的差异性，分别采用六阶多项式绘制直径分布趋势线，二阶多项式绘制树高分布趋势线，并应用SPSS 25.0 软件计算林木直径和树高分布的偏度和峰度系数。应用Easyfit 5.6 软件对林木直径分布、树高分布采用Normal 分布、Gamma分布、Lognormal 分布、Weibull 分布、Logistic 分布5 种分布函数进行拟合，并利用Kolmogorov-Smirnov（KS）检验[21]，选择对间伐样地和对照样地林分直径结构和树高结构拟合效果最好的分布模型[22-23]。

表2 调查样地的基本情况Table 2 Basic situation of plots

3 结果与分析

3.1 抚育间伐对不同生长阶段林木株数分布的影响

分别对间伐样地和对照样地林木直径采用径阶结构代替年龄结构方法[24]，将栓皮栎人工林所有定位林木个体按照直径大小划分为幼树（2 cm ≤DBH＜5 cm）、小树（5 cm ≤DBH＜13 cm）和大树（DBH ≥13 cm）3 个生长阶段。

由栓皮栎人工林不同生长阶段株数及比例统计结果（表3）可知，间伐样地幼树株数及所占校正样地总株数比例远小于对照样地；小树株数远小于对照样地，但所占校正样地总株数比例与对照样地相差不大；大树株数与对照样地相差不大，但所占校正样地株数比例明显高于对照样地。综合来看，间伐样地和对照样地栓皮栎林木幼树、小树和大树比例分别为9∶642∶582 和229∶978∶585。这表明生产性抚育间伐这一人为干扰措施直接导致幼树数量及比例下降，且抚育间伐提高了小树和大树占校正样地总株数的比例，调整了林分不同生长阶段林木的株数分布，为大树林木提供了更充足的生长及营养空间。

表3 间伐样地和对照样地不同生长阶段林木数量分布Table 3 The quantitative distribution of trees with different growth stages in tinned plot and controlled plot

3.2 抚育间伐对林分直径大小分布的影响

3.2.1 抚育间伐对林木直径大小分布特征的影响

应用Origin9.0 软件，根据径阶与每公顷株数之间的关系绘制间伐林分和对照林分林木直径分布柱状图，并依据柱状图绘制相应的趋势线。由两样地林木直径分布趋势线（图2）可知，间伐样地林木的直径分布为近似正态的单峰分布，峰值对应径阶在14 cm，偏度系数为0.15，峰度系数为-0.36。对照样地林木直径分布为双峰分布，峰值对应的径阶分别为6 cm 和12 cm，偏度系数为0.29，峰度系数为-0.72。两样地林木直径分布与标准正态分布相比表现为右偏。间伐样地林木直径分布偏度系数小于对照样地，这说明相比对照样地，抚育间伐林分直径分布向较高径阶偏移。两样地林木直径分布的峰度系数均为负值，说明栓皮栎林木直径分布相对标准正态分布分散。但间伐样地林木直径分布峰度绝对值趋近于零，这说明间伐调整了林分的结构，使得间伐林分林木直径大小分布较对照样地趋于标准正态分布。

图2 抚育间伐对林分径阶分布的影响Fig.2 Influence of thinning on the diameter distribution of stand

由两样地林木直径大小分布柱状图（图2）可知，间伐样地林木直径分布峰值对应株数（249 株）与对照样地峰值（277 株，263 株）相差不大，但径阶株数峰值占间伐样地总株数比例（20.17%）高于对照样地（15.43%，14.68%）。在小径阶（4～8 cm）范围，对照样地林木所对应的株数远远大于间伐样地。随着径级的增大，间伐样地林木株数及比例不断增大，其中在10、12 和16 cm 径阶时，间伐样地林木株数稍小于对照样地，但间伐样地林木径级株数所占比例（17.03%，20.11%，13.39%）大于对照样地（11.27%，14.68%，13.28%）；在14、18、20 cm 径阶时，间伐样地株数及比例均高于对照样地。综合来看，间伐样地林木直径分布范围主要集中在8～18 cm，高于对照样地的4～16 cm。可见抚育间伐调整栓皮栎人工林林分的直径结构，使林分直径结构更接近于中等径级株数占多数、小径级和大径级占少数的对称分布，林分直径结构更趋于合理。

3.2.2 林分直径分布的拟合

应用EasyFit 5.6 软件中的统计分布假设检验功能，分别利用Normal 分布、Gamma 分布、Lognormal 分布、Weibull 分布、Logistic 分布函数对间伐样地和对照样地栓皮栎人工林林木直径分布进行拟合，采用KS 检验对5 个分布函数的拟合效果进行分析，拟合优度检验结果见表4。

表4 间伐样地和对照样地林分直径分布KS 检验†Table 4 The KS test of stand diameter distribution in thinning plot and control plot

由表4可知，间伐样地林分直径结构拟合效果排序为Weibull 分布＞Normal 分布＞Logistic 分布＞Gamma 分布＞Lognormal 分布；对照样地林分直径结构拟合优度排序为Weibull 分布＞Normal 分布＞Gamma 分布＞Logistic 分布＞Lognormal 分布。这5 种分布函数对间伐样地和对照样地林木直径分布的曲线拟合结果均无显著性差异，检验通过率为89.6%～99.7%。结果表明，Weibull 分布函数对间伐样地和对照样地的林木直径分布的拟合效果最好（P值分别为99.65%和98.57%），Normal、Logistic 和Gamma 分布次之。

3.3 抚育间伐对树高分布的影响

3.3.1 抚育间伐对树高分布特征的影响

应用Origin9.0 软件，根据树高级与每公顷株数之间的关系绘制间伐样地和对照样地树高分布柱状图，并依据柱状图绘制相应趋势线。由两样地林木树高分布趋势线（图3）可知，间伐样地和对照样地林木树高分布曲线均表现为单峰分布。间伐样地与对照样地林木树高分布偏度系数分别为-0.41 和-0.31，峰度系数分别为-0.11 和-0.98。两样地林木树高分布与标准正态分布相比表现为左偏；其中，间伐样地林木直径分布偏度系数小于对照样地，表明抚育间伐促进林木树高分布向较高树高级偏移。两样地林木直径分布的峰度系数均为负值，说明栓皮栎林木树高分布相对标准正态分布分散；但相比对照样地，间伐样地峰度系数绝对值更接近于零，林分树高分布状态与标准正态分布的差异最小，说明间伐调整了林分的树高结构，使得间伐林分树高结构较对照样地趋于标准正态分布。

图3 抚育间伐对林分树高分布的影响Fig.3 Influence of thinning on the height distribution of stand

由两样地林木树高分布柱状图（图3）可知，林木树高级株数峰值均出现在12 m 树高级，间伐样地株数小于对照样地株数，但该树高级株数所占校正样地总株数比例（34.70%）高于对照样地（27.50%）。整体来看，间伐样地林木株数在较低树高级（2～10 m）对应株数及比例（0.00%，0.40%，4.10%，11.16%，17.15%）均小于对照样地（2.84%，13.2%，14.1%，13.01%，18.03%）。随着树高级的升高，间伐样地林木株数与对照样地株数及比例的差距逐渐减小，其中，在12 m 树高级时林木株数小于对照样地，但占校正样地总株数比例高于对照样地；在14、16 和18 m 树高级时，间伐样地林木株数及占校正样地总株数比例（24.82%，7.06%，0.61%）均大于对照样地（10.27%，1.04%，0.00%）。综合来看，间伐样地和对照样地林木树高级株数主要分布范围分别为8～16 m 和4～12 m，相比对照样地，间伐样地树高分布范围主要集中在较大树高级，但两样地树高分布总体差异不明显。

3.3.2 林分高度分布的拟合

应用EasyFit 5.6软件中的统计分布假设检验功能，选取Normal 分布、Gamma 分布、Lognormal分布、Weibull 分布、Logistic 分布函数对栓皮栎人工林的树高分布进行了拟合，采用KS 检验对上述5 个分布函数的拟合效果进行分析。结果表明，5 种分布函数对间伐样地和对照样地林分高度分布的拟合结果均无显著性差异，5 种分布均可用于栓皮栎人工林树高分布的拟合，但检验通过率为54.3%～89.5%，表明拟合效果不佳。

拟合结果（表5）表明，间伐样地与对照样地林分树高分布均为近似正态的截尾分布。间伐样地林分树高的5 种分布模型应用KS 检验林分树高分布曲线的拟合度表明，拟合优度排序均为：Weibull分布＞Normal 分布＞Logistic 分布＞Gamma 分布＞Lognormal 分布。这表明生产性间伐对中龄栓皮栎人工林林分树高分布的影响不显著。

表5 间伐样地和对照样地林分树高分布KS 检验Table 5 The KS test of stand height distribution in thinning plot and control plot

4 结论与讨论

4.1 讨 论

树高和直径分布是林分内每株林木个体树高和直径按照一定树高级和径阶的分布状态，在一定程度上能反映林分的数量和质量[25]，是研究林分非空间结构及其他变化的关键因子。抚育间伐是对森林生态系统采取一系列人为干扰的森林经营措施。间伐方式一般包括下层疏伐、上层疏伐、机械疏伐和干扰树间伐4 种间伐方式[15]。以往研究表明，抚育间伐直接或间接促进林分平均直径和蓄积量的增加[26-27]。合理的抚育间伐强度及频率能够调整林分密度，改善林分结构[28]，促进森林健康稳定发展。本研究对栓皮栎人工林中龄林阶段采取的生产性间伐，区别于森林技术规程要求的生长伐、疏伐等间伐方式，是以修枝、割灌、清除林分内长势不佳（栓皮栎、刺槐枯立木、濒死木或劣质木）没有培育前途径级较小的林木个体（胸径均小于5 cm），伐除林分内等出材量极少，基本不减少林分内活立木蓄积的间伐方式，探讨生产性间伐方式对林分直径结构和树高结构的影响。

在以往研究中，杨剑辉等[29]研究不同抚育间伐强度对云南松林分结构的影响，表明抚育间伐增加林分直径结构分布的尖削度，偏度系数降低，而对林分树高结构的影响不显著。本研究基于1 hm2样地每木检尺数据，计算林木直径和树高分布的偏度和峰度系数，结果表明，抚育间伐后，林木直径分布相比对照样地向左偏移，峰值升高，对称性上升。树高分布较对照林分向左偏移，但林分峰值下降，对称性变化不大。这可能是由于栓皮栎人工林间伐后处于中龄林的保留木有较强的生命力，且由于相对空间的增加，促进大径阶林木能够获得更加充足的阳光、林地养分、水分等，使有限的空间和养分得到集约利用。

由林木直径分布拟合优度的KS 检验结果分析，5 种分布函数中对间伐林分直径分布拟合效果最好的是Weibull 分布，Normal 和Logistic 分布次之；对照林木直径分布利用Weibull 分布拟合效果最好，Normal 和Gamma 分布次之，这表明栓皮栎人工林间伐样地和未间伐样地林木直径总体趋于对称分布。有研究表明，Logistic 分布适用于拟合对称性较好的分布，对于偏度较大的对照样地林分直径分布不适合，而Gamma 分布适合偏度大的林分直径分布[30]，这验证了抚育间伐减小栓皮栎人工林直径分布的偏度，使林分直径结构更趋于对称分布。刘菊卉[31]对东南石栎人工林林分直径的分布及空间研究认为2 cm 径阶距拟合效果最好的直径分布函数是Weibull 分布，这与本研究对阔叶树种栓皮栎人工林直径分布拟合结果一致。

林木树高分布拟合优度的KS 检验结果表明，间伐林分与对照林分树高分布的5 种拟合优度排序一致，且两块样地林木的分布均采用Weibull 分布的拟合效果最好，间伐林分和对照林分的拟合接受率分别为87.86%和89.49%，这说明抚育间伐在短期内对树高分布的影响不显著，可能与中龄林栓皮栎人工林处于粗生长阶段，在一定程度上限制了林分高生长有关。这与张鹏等[27]研究的间伐对杉木人工林生长短期影响结果相一致。

本研究基于大样地野外调查数据开展研究，这保证了对栓皮栎人工林林木直径分布和树高分布描述的精确性。其次森林抚育间伐是对林分大尺度的经营措施，这也要求必须基于大样地数据，能更准确地反映林分直径结构和树高结构对间伐这一经营措施的响应。本次间伐是基于河南省栓皮栎生长现状进行生产性间伐，具体措施是进行以修枝、割灌及清除劣质木（林分内栓皮栎、刺槐枯立木、没有培育前途且胸径小于5 cm的幼树），样地内共采伐劣质木694 株。经统计调查，间伐后调查统计间伐的株数强度为31.55%，蓄积强度仅为3.23%，因此，本研究的间伐为生产性间伐，大径级林木株数基本不变。

本研究对40年生栓皮栎人工林进行生产性间伐，基于间伐后2 a 的调查数据，仅说明生产性间伐短期内对栓皮栎人工林中龄林阶段直径结构和树高结构的影响。但森林经营具有长周期性、动态变化等特点，其次生产性间伐对栓皮栎人工林幼龄林阶段直径结构和树高结构的影响有待进一步研究。要全面掌握生产性间伐对林分直径和树高结构不同年龄阶段的动态变化规律的影响，需对固定样地全周期林木直径和树高分布进行长期、持续的动态检测，从而为栓皮栎人工林生产性间伐对林分直径结构和树高结构的影响提供更加科学合理的理论依据。

4.2 结 论

对栓皮栎人工林中龄林阶段进行生产性间伐，减少了幼树株数的比例，增加了小树和大树株数比例，调整林分的不同生长阶段林木的株数分布，为大径阶林木个体提供了更充足的生长及营养空间。

对栓皮栎人工林中龄林阶段进行生产性间伐，使林木直径分布较对照林分向较大径阶一侧偏移，峰值上升，对称性下降，林分直径结构得以优化。KS 拟合优度检验结果表明，间伐样地林木直径分布采用Weibull 分布拟合效果最好，Normal 和Logistic 分布次之；对照林分直径分布采用Weibull分布拟合效果最好，Normal 和Gamma 分布次之。

对栓皮栎人工林中龄林阶段进行生产性间伐，短期内对林分树高的分布影响不显著。抚育林分与对照林分的5 种分布函数的拟合优度排序一致，均为Weibull 分布＞Normal 分布＞Logistic 分布＞Gamma 分布＞Lognormal 分布。