华北落叶松人工林目标树经营效果研究

李艳茹，周庆营，肖永青，李利新，谷建才，陆贵巧

(1河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；2河北省木兰围场国有林场，河北 承德 068450；3河北省林业和草原局，河北 石家庄 050000；4常德市园林局，湖南 常德 415000)

目标树是长期保留、完成天然下种更新并达到目标直径后才采伐利用的林木，目标树经营是通过伐除对目标树有影响的干扰树，降低林木冠层竞争，给目标树充分的生长和营养空间，从而提高林木单株质量的经营技术，是一种特殊的抚育间伐方式[1-2]。林木间伐后会对林分结构、林下植物生长产生影响[3,4]。林分结构和植物多样性是衡量森林群落功能复杂性和稳定性的重要指标，是研究森林经营学的重要基础[5]。针对目标树经营对林木生长及林下植物多样性进行了一些研究，刘泰瑞等研究了华北落叶松天然林目标树间伐释压与胸径生长关系，吕倩等研究了目标树经营初期柏木和马尾松人工林对植物多样性的影响[6-8]。

华北落叶松(Larixprincipis-rupprechtii)是我国华北地区重要用材林、公益林树种之一，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[9]。该地区森林生态功能稳定性较差、林下植物多样性较低，林分生产力水平较低[10]。基于此，以河北省木兰围场国有林场山湾子分场华北落叶松人工林为研究对象，采用5株、8株目标树经营方式和对照组进行对比分析，研究目标树经营5年后，不同株数目标树经营对林分生长及林下植物多样性的影响，以期为更加合理的开展森林经营活动，提高森林系统稳定性，同时也能为华北落叶松人工林目标树经营措施的选择与研究提供理论指导。

1 研究区概况

研究区位于河北省木兰围场国有林场山湾子分场，东接内蒙古赤峰市松山区，西与塞罕坝机械林场毗邻，南与八英庄分场接壤，北与内蒙古克什克腾旗相连，地势西北高，东南低，海拔在 950～1 940 m，年平均气温2.9 ℃，无霜期67～128 d，年降水量380～560 mm，属内蒙古高原与冀北山地的过渡带，系内蒙古高原与大兴安岭余脉的交接处，境内风力、矿热资源蕴含丰富，是辽河主要发源地之一。山湾子分场总面积 6 466.67 hm2，有林地面积5 266.67 hm2，森林覆盖率83.5%，林木总蓄积31.7万m3，乔木主要以华北落叶松、油松、樟子松、山杨、白桦、蒙古栎等为主。

2 研究方法

2.1 样地设置与调查

2016年在山湾子分场大素汰选择立地条件和生长状况基本一致的华北落叶松人工林，分别设立2 个不同株数(5株、8株)目标树经营的样地和1个对照样地。目标树经营样地：以近自然经营为理论指导，选择处在主林层、质量最好、树干通直、树冠饱满、没有病虫害的优势木作为目标树，分别选取5株、8株，对选取的目标树主干进行红色自喷漆标记，然后对其进行修枝管理，对影响目标树生长的干扰树进行采伐，给目标树充分的生长空间，以培育优质的大径阶材，对其他树按伐密留稀、伐小留大、伐次留好、伐先锋留基本、伐萌留实的原则进行间伐。对照样地不进行任何抚育措施，对其进行封育和管护，防止人为干扰，运用自然力生长。将各样地标记为T5、T8、CK。在目标树经营样地和对照样地设置大小为20 m×30 m的标准地，对胸径在5 cm及以上的林木进行编号和测量，测量每株树的胸径、树高、冠幅、枝下高等，记录样地海拔、坡度、坡位、坡向。在样地内的4个角和中心位置分别设置1 m×1 m的草本样方，调查草本的种类、株数、平均高度、盖度等有关数据(样地内无灌木，故不对灌木进行调查分析)。目标树经营前后标准地基本信息见表1。

2.2 数据分析方法

2.2.1 林木生长的计算 采用河北省一元材积表进行林分平均单株材积、蓄积量的计算。

胸径、平均单株材积以及蓄积林分年均生长量计算公式：

Y(t)=(yt-yt-n)/n

(1)

胸径、平均单株材积以及蓄积量年均生长率计算公式：

Z(t)=(yt-yt-n)/(yt+yt-n)×(200/n)

(2)

其中yt为调查指标末期值，yt-n为调查指标初期值，n为调查间隔年数。

2.2.2 草本植物多样性计算 选取Margalef指数(M)、Simpson指数(D)、Shannon-Wiener 指数(H)和Pielou指数(J)作为衡量植物多样性的指标。

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：S为物种数目；N为所有物种个体数之和；Pi为第i个种个体数占所有种个体数比重。

采用Excel2019软件对数据进行统计分析，利用单因素方差分析(ANOVA)和最小显著法(LSD)分析目标树经营对林分生长和植物多样性的差异，用Forstat林业专用软件对径阶分布进行拟合，最后用Excel2019软件作图。

3 结果与分析

3.1 目标树经营对华北落叶松人工林生长的影响

3.1.1 目标树经营对胸径生长的影响 不同株数目标树经营对林分胸径生长的影响见表2。

表 2 目标树经营下华北落叶松人工林胸径生长Table 2 DBH growth of Larix principis-rupprechtii plantation under target tree management

由表2知，目标树经营伐去干扰树并对其他木间伐5年后，T5、T8胸径年均生长量分别是CK的1.5倍、1.7倍，T8胸径年均生长量是T5的1.2倍，胸径年均生长率与年均生长量有相同的规律，即T8(1.98%)>T5(1.72%)>CK(1.25%)，T5、T8在胸径年均生长量、年均生长率与CK之间均存在显著性差异(P<0.05)。由此可知，目标树经营可显著促进林木胸径的生长，T8促进效果更明显。

3.1.2 目标树经营对平均单株材积的影响 不同株数目标树经营对平均单株材积的影响见表3。

表3 目标树经营下华北落叶松人工林平均单株材积生长Table 3 Average volume growth per plant of Larix principis-rupprechtii plantation under target tree management

由表3可知，间伐5年后，林木平均单株材积表现为T8(0.053 4 m3)>T5(0.051 2 m3)>CK(0.048 0 m3)。平均单株材积年均生长量大小规律与间伐5 a后的平均单株材积一致，T8平均单株材积年均生长量显著大于CK(P<0.05)，是CK的1.5倍，T8平均单株材积年均生长量是T5的1.3倍，T5平均单株材积年均生长量是CK的1.2倍，无显著性差异(P>0.05)。由此可知，T8更有利于促进平均单株材积生长。

3.1.3 目标树经营对蓄积量的影响 不同株数目标树经营对蓄积量生长的影响见表4。

表4 目标树经营下华北落叶松人工林蓄积量生长Table 4 Stock growth of Larix principis-rupprechtii plantation under target tree management

由表4可知，间伐后林分蓄积量表现为CK>T5>T8，而间伐5年后林分蓄积量表现为CK>T8>T5。间伐5年后T5蓄积量由119H35 m3/hm2增加到145H74 m3/hm2，年均生长量为5.28 m3/(hm2·a)，年均生长率为3.99%。间伐5年后T8蓄积量由116.18 m3/hm2增加到147.20 m3/hm2，年均生长量为6.21 m3/(hm2·a)，年均生长率为4.70%。间伐5年后CK蓄积量由132.58 m3/hm2增加到157.24 m3/hm2，年均生长量为4.93 m3/(hm2·a)，年均生长率为3.42%。间伐5年后虽然目标树经营T5、T8蓄积量均小于CK，但T5、T8蓄积年均生长量高于CK，分别是CK的1.1倍、1.3倍，且T8与CK间存在显著性差异(P<0.05)。

3.2 目标树经营对华北落叶松人工林径阶分布的影响

不同株数目标树经营对林木径阶分布的影响见图1和表5。

图1 目标树经营径阶分布Figure 1 Distribution of target tree management diameter steps

表5 目标树经营径阶分布曲线特征值Table 5 Characteristic values of the distribution curve of target tree management diameter

华北落叶松不同株数目标树林分径阶分布如图1所示，T5林分径阶分布范围在6～16 cm，峰值出现在10 cm径阶处，为58株，12 cm及以上径阶林木占53.72%，8 cm及以下径阶林木占15.43%。用Forstat拟合径阶分布结果表明，T5林分Gamma分布拟合效果最好，P值为0.368 163 大于0.05，偏度为正值(0.095 528)，说明T5林分径阶分布呈现左偏，而峭度为负值(-0.611 596)，说明T5林分径阶分布比较分散(表5)。

T8林分径阶分布范围在6～16 cm，峰值在12 cm处，为66株，相对于T5林分峰值偏右，12 cm及以上径阶林木占64.87%，比T5高11.15%，8 cm及以下径阶林木仅占12.09%。拟合结果表明，T8林分正态分布拟合效果最好，P值为0.785 767大于0.05，偏度为负值(-0.193 910)，说明径阶分布呈现右偏，较大径阶株数所占比例较大，峭度为负值(-0.274 647)，说明T8林分径阶分布比较分散。

对照林分径阶分布范围为6～16 cm，峰值在10 cm径阶处，为65株，12 cm及以上径阶林木占林分总株数的44V70%，比T5、T8分别低9.02%、20.17%，8 cm及以下径阶林木占25.35%，高于T5、T8林木所占比例。拟合结果表明，对照林分正态分布拟合效果最好，P值为0.412 432大于0.05，偏度为正值(0.005 789)，说明径阶分布呈现左偏，峭度为负值(-0.653 698)，说明对照林分径阶分布较分散。

3.3 目标树经营对华北落叶松人工林草本植物多样性影响

3.3.1 目标树经营对华北落叶松人工林草本物种组成和重要值的影响 目标树经营主要草本的重要值见表6。

表6 目标树经营主要草本的重要值Table 6 The important values of the main herbs in the target tree management

由表6可以看出，目标树经营对草本物种组成和重要值有影响。在CK样地中，砧草、缬草、细叶藁本、大瓣铁线莲、拳参、歪头菜、毛茛、水杨梅、蒲公英、草问荆重要值居前10，占重要值总数的79.94%，为群落的优势草本。在T5中，优势草本组成变化较大，10个优势种变为草问荆、砧草、野山芹、水杨梅、歪头菜、林地早熟禾、缬草、兴安老鹳草、小黎、蒲公英，占重要值总数的77.18%。T8物种组成与CK相差较大，与T5相差不大，10个优势种为草问荆、砧草、垂果南芥、水杨梅、兴安老鹳草、林地早熟禾、蒲公英、歪头菜、毛茛、缬草，占总重要值的82.01%。T5、T8较CK，草问荆、水杨梅、林地早熟禾等的重要值增加，砧草重要值减小。由此可见，目标树经营改变了草本层群落的物种组成。

3.3.2 目标树经营对华北落叶松人工林草本植物多样性指数影响 不同株数目标树经营对草本植物多样性的影响见图2。

图2 目标树经营草本植物多样性指数Figure 2 The target tree management herb plant diversity index

由图2可知，不同措施草本植物多样性指数存在差异。Simpson指数表现为T8(0.75)>T5(0.71)>CK(0.68)，T8优势度较好，T8、T5分别比CK高10.29%、4.41%；Shannon-Wiener 指数表现为T8(1.70)>T5(1.54)>CK(1.53)，T8、T5分别比CK高11.11%、0.65%；Pielou均匀度指数也表现为T8(0.78)>T5(0.77)>CK(0.73)，T8分布相对均匀，T8、T5分别比CK高6.85%、5.48%；而Margalef指数表现为T8(2.26)>CK(2.10)>T5(1.91)，T8比CK高7.62%，均无显著性差异(P>0.05)。总体来看，T8的草本植物多样性较好。

4 讨论与结论

本研究中目标树经营是通过采伐影响目标树生长的干扰木并对其它木进行间伐、修枝的经营方式。间伐后改变了林内空间结构，林内生长小环境发生变化，林木之间的竞争减小，有效改善了林内状况，增加营养空间和透光度，促进林木光合作用，进而促进林木胸径、平均单株材积的生长，林分蓄积量也随之改变[11-12]。研究结果表明，河北省木兰围场国有林场山湾子分场华北落叶松目标树经营后林木胸径年均生长量、平均单株材积年均生长量、蓄积年均生长量均高于CK，这与吴建强等的研究结果相似[13]，T8、T5胸径年均生长量分别是CK的1.7 倍、1.5倍，T8、T5平均单株材积年均生长量分别是CK的1.5倍、1.2倍，T8、T5蓄积年均生长量分别是CK的1.3倍、1.1倍，T8较T5在促进林木生长上更明显，由于目标树经营抚育间伐后林冠层更稀疏，有利于上下林分光照透入，对林木生长有较好的促进作用，且设立目标树株数越多，也就是对林木间伐强度越高，林分郁闭度降低，林木之间的竞争减小，有利于林木水平方向生长[14]。林木间伐后，由于采伐了部分林木，林木胸径生长速度变化导致径阶结构在短期内发生变化，用Forstat拟合径阶分布结果表明，T8、T5、CK径阶分布最优拟合曲线不同，目标树经营对T8径阶分布为正态分布拟合效果最好，呈现右偏，较大径阶林木株数所占比例偏多，T5径阶分布为Gamma分布拟合效果最好，呈现左偏，CK径阶分布为正态分布拟合效果最好，呈现左偏。吴建强等研究认为干扰树间伐有利于生产较大径阶林木[13]，王懿祥等认为干扰树间伐后较大径阶的林木株数显著增加，较小径阶的林木株数显著减小[15]。本研究结果表明，T5、T8林分12 cm及以上径阶林木株数百分比分别比对照高9.02%、20.17%，T8比T5高1.15%，说明T8对促进较大径阶生长更明显，与刘红梅等对杉木和马尾松的研究结果相似[16]。

生物多样性能够反映森林生态系统的稳定性，是均匀度和丰富度的综合表现[17-18]。吕倩等研究发现随着目标树密度增大，草本植物重要值有减小的趋势[7]，刘红炎等研究发现间伐显著改变了华北落叶松人工林林下植被种类组成，且物种数均高于对照[19]。本研究结果表明，T5、T8草本层群落物种组成较CK有较大改变，草问荆、水杨梅、林地早熟禾等的重要值增加，砧草重要值减小。龚固堂等研究认为目标树经营后增加了林下环境异质性，改善了空间和光照条件，促进林下灌草种类及盖度增加，许多学者有相同的研究结果[18,20-21]，宋鑫彧等认为林隙分数与草本层植物多样性指数呈正相关关系，草本层的多样性指数、均匀度指数、优势度指数、丰富度指数随着间伐强度的增加先减小再增大，间伐强度为10%时最好，范冬冬等研究认为华北落叶松近自然经营更有利于维持草本植物多样性[22-23]。本研究结果表明，草本层Simpson指数、Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数均表现为T8>T5>CK，而Margalef指数为T8>CK>T5，T8在优势度、均匀度、丰富度上均较高，目标树经营间伐后，林隙增大，林内光照增加，促进了林下植物多样性的提高，T8比T5影响较明显，主要是由于T8间伐强度相对较大，给林下草本的生长空间更大、光合作用较好，对林下草本生长促进作用更好。

通过研究不同株数目标树经营对华北落叶松人工林的影响，结果表明T8在促进林木生长和提高草本植物多样性上有较大优势。本研究仅限于目标树经营对林分生长和植物多样性的影响，目标树经营后林分结构改变，影响林内光照和空间大小，应该也会对林下枯落物和土壤产生影响。所以建议在今后的研究中还要从枯落物和土壤在目标树经营的响应方面进行研究，为华北落叶松人工林目标树经营提供更准确的营林措施。