间伐对华北落叶松林林分结构稳定性的影响

王 芸，赵鹏祥，杨永辉，李治国

(1.河北开放大学 教务处，河北 石家庄 050080；2.西北农林科技大学 林学院，陕西 杨陵 712100；3.河南省农业科学院 植物营养与资源环境研究所，河南 郑州 450002；4.河北博嘉农业有限公司，河北 石家庄 050080)

森林具有丰富的物种组成和复杂的结构，对维持大气平衡、保护水土资源等具有重要的作用。森林与所在空间的非生物环境有机地结合在一起，构成完整的生态系统[1-3]。森林是地球上最大的陆地生态系统，是全球生物圈中重要的一环，是地球上的基因库、碳贮库、蓄水库和能源库，对维系整个地球的生态平衡起着至关重要的作用，是人类赖以生存和发展的资源和环境[4-5]，因此人类必须要保护森林。森林抚育间伐对于生态环境的改善、经济效益的提高有着无比重要的意义。间伐强度会影响林分质量和林木蓄积，从而导致林分不同的生态质量与经济活动。森林的抚育间伐对我国的生态以及经济效益具有较大的影响，与目前提倡可持续经营理念相吻合[6-8]。森林资源在正确引导下将出现持续递增，通过抚育间伐缩短森林树木的成材期，提前达到主伐的条件，有利于提升林木的质量和出材率。因此，确定适宜的抚育间伐强度对于全面提升森林的经济效益与生态效益具有积极意义。

目前，国内外众多专家学者对于间伐对于森林环境各方面的影响都有一定程度的研究，主要体现在间伐对土壤中微量元素含量的影响[9-11]、间伐对于土壤质量的影响[12-14]、间伐对于林分内光辐射强度的影响[15-16]、间伐对于地表径流量和水质的影响[17-19]、间伐对于林分内灌木层和草本层物种丰富度的影响[20-21]等。同时，对于间伐对林分结构的影响的研究，也不断在发展优化中。李克检等[22]研究了抚育间伐对侧柏人工林的效果，得出不同的间伐强度对侧柏林分的生长产生了不同影响的结论。姚克平[23]的研究结果表明，在一定范围内,马尾松的胸径生长随间伐强度增大而增大。由此得出可以通过强度较大的抚育间伐去增加胸径的生长量，使得目标木达到标准，从而可以提高林木的出材率，达到工艺的成熟。曹云等[24]的结论是油松林经过抚育措施后的平均胸径、树高、冠幅均有极显著的变化，由此说明抚育间伐会对这些指标有一定的影响。王智勇等[25]通过试验分析发现间伐会改变林分的结构且影响到森林的健康发展。森林健康体现在森林生态系统的各层次中，目前许多专家学者采用综合评价模型评价森林健康状况，如复合结构功能法、聚类分析法、主成分分析法，通过综合评价的方法对不同类型、不同立地条件、不同抚育措施的林分健康质量评判。

林分结构对于森林的整体状态具有非常重要的影响，其中空间结构是研究抚育间伐对森林结构影响的重要方向[26]。空间结构调整会使森林的林木的林龄更优，调节树种组成，使得林木的生长得到有利条件。空间结构代表着物种的空间关系，显示了林木在空间的分布，是森林的一种驱动力[27-28]。而林分物种结构能够反映森林生态系统的稳定性[29]。鉴于此，本研究以华北落叶松(Larixprincipisrupprechtii)为研究对象，分析不同抚育强度对林分各结构因子的影响，确定反映林分稳定状态的关键指标，并利用主成分分析法评估各样地综合林分水平，初步判断试验区抚育间伐的最佳模式，以期为华北落叶松的林分稳定结构调整改善提供理论基础和参考依据。

1 试验区概况

本研究区地处山西省西部，位于吕梁山脉中段的关帝山林区。地理坐标为37°20′-38°20′N，110°18′-111°18′E。气候属于温带大陆性气候，平均坡度18°，年平均气温4.3 ℃，年均相对湿度72%，年平均降水量在820 mm。林内混交有少数辽东栎(Quercusliaotungensis)、白桦(Betulaplatyphlla)，林下灌木树种主要有黄刺玫(Rosaxanthina)、绣线菊(Spiraeasalicifolia)等，草本植物主要有茅草(Imperatacylindrica)、苔草(Carexspp.)、小红菊(Dendranthemachanetii)、早熟禾(Poaannua)等。于2010年5月设置10块规格为30 m×30 m的固定试验样地，依次编号为1～10号，其中1号样地为照样地，其抚育间伐强度为0，即不进行抚育间伐，其余各样地基于蓄积量进行抚育。抚育间伐强度依次为3.51%、6.39%、13.12%、16.91%、19.42%、28%、34.29%、46.87%、52.10%。于2019年4月进行林地外业调查，具体基本概括见表1，分析不同抚育强度对林分空间结构的影响并做出评价。

表1 样地基本概况

2 研究方法

2.1 生长发育个体的相关指标测定

2.1.1 胸径调查方式 用标准测量工具，使用皮尺测定树木胸径，而且当胸径<5 cm时属于森林的分类中的小径木，因此5 cm以下的树木不需要测量。当树木是生长在坡面上的时候，需要让坡上位为测量的起点，终点为胸高，在终点记录胸径的大小。必须准确记录测量胸径时的高度。以便正确地数据分析。平均胸径的计算方式如下所示

(1)

式中：D为胸径的大小；n为林木的编号。

2.1.2 树高调查方法 根据树木的胸径来选择标准木测定树高，使用皮尺去记录树木的高度，树高的测定误差不超过5%或0.5 m，进而用方格纸绘制树高曲线。根据树高测定值绘制树高曲线，根据平均胸径从树高曲线中查出平均树高[30]。

2.2 物种丰富度测定

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大于等于5 cm的乔木进行每木检尺，并记录每个被检测个体的位置、树种，用卷尺分别测量东、南、西、北4个方向的冠幅(m)；样地内设置2个5 m×5 m的灌木层调查样方，记录灌木的树种、数量并计算盖度；同时设置2个1 m×1 m的样方对草本层展开调查，调查样方内草本植物的数量、种类并计算其盖度。其中物种丰富度指数计算方式如下所示：

D=S/lnA

(2)

式中：S为观察到的物种种类；A为样地面积。

描述林分内灌木层物种多样性和草本层物种多样性计算方式如下：

(3)

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。

2.3 空间指标测定

角尺度的定义是从参照树开始出发，到达最近的2棵相邻的树木夹角有2个，使其中的小角为α角，其中的大角为β角，参照树和其中最近的4株相邻木所构成的夹角都是用α角表示α13，α14，α23，α24，角尺度Wi为α角小于标准角的个数所占4个角的比例，所以角尺度的计算公式为：

(4)

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。

在角尺度相关研究中确定若角尺度值Wi在0.475≤Wi≤0.517中，这属于标准的随机分布；在Wi<0.475中，这属于团状分布；在Wi>0.517中，这属于聚集分布。

混交度(Mi)是用以反映混交林中不同树种混交程度的一个空间结构参数,它的定义为：在参照树i的4株相邻木中，与每个参照树i不同种类的个体占据的比例[31],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。Mi有5种取值，分别为0(零度混交)、0.25(弱度混交)、0.50(中度混交)、0.75(强度混交)和 1(极强度混交)。

大小比计算就是大于参照树的相邻木占最近的所有的相邻木的比值，计算公式为：

(6)

式中：如果相邻木j比参照树i小，则kij=0，否则为1。

2.4 数据分析和评价方法

采用Excel 2007软件进行数据整理，Winkelmass 1.0进行数据处理和分析,采用Origin 2018进行图形绘制。综合评价方法采用主成分分析法[25]，利用Spss20.0完成。

3 结果与分析

3.1 间伐对林分物种结构的影响

根据各间伐样地乔木层、灌木层和草本层各自的结构组成，对其水平结构和垂直结构指标赋值。如表2所示，间伐样地和对照样地的赋值结果均为2～4，其中5、6、10号样地垂直层次更加全面，1、5、6、8号样地水平层次更为全面，因此5、6号样地林分结构层次较好；3号样地的灌木层盖度明显提升，在抚育强度为28%的6号样地达到最大值，为0.101，再逐渐呈下降趋势；草本层的盖度分布呈现波动性，整体差异性不大；对照样地的冠幅最大，其次为4号样地，冠幅值为1.629。计算灌木层和草本层的物种多样性指数和丰富度指数，间伐强度为6.39%的3号样地灌木层多样性指数(H′)最低，对照样地的灌木层多样性指数(H1)最高，整体介于0.637～0.914；间伐强度为34.29%的8号样地的灌木层均匀度指数(J1)最低，10样地的灌木层均匀度指数(J1)最高，整体介于0.527～1.398。间伐强度为3.51%的2号样地的草本层多样性指数(H2)最低，4号样地的草本层多样性指数(H2)最高，整体介于1.043～1.411。间伐强度为34.29%的8号样地的草本层均匀度指数(J2)最低，4号样地的草本层均匀度指数(J2)最高，整体介于0.559～1.021。

表2 林分物种结构指标

鉴于林分物种结构指标的多样性，采用主成分分析结合多指标的影响，判断间伐强度对于林分物种结构的影响，结果如表3、表4所示。前4个主成分的累计贡献率为79.93%，接近80%，所以确定前4个主成分基本可以反映原始数据信息，描述间伐强度对于华北落叶松林分物种结构的影响。由表4可知，第1主成分在垂直层次结构、水平层次结构、灌木层丰富度指数上有较大载荷；第2主成分在灌木层盖度、草本层多样性指数、灌木层丰富度指数上有较大载荷；第3主成分在草本层多样性指数、草本层丰富度指数、冠幅上有较大载荷；第4主成分在灌木层盖度、草本层多样性指数、草本层盖度有较大载荷。计算得出各主成分权重依次为0.409、0.234、0.198和0.160，各样地综合得分排名由大到小依次为：6号样地(0.846)、10号样地(0.729)、5号样地(0.722)、7号样地(0.703)、8号样地(0.670)、4号样地(0.669)、对照样地(0.646)、9号样地(0.622)、2号样地(0.561)、3号样地(0.504)。6号样地的综合排名最高，多数样地的得分优于对照样地，说明间伐会改善林分整体物种结构且17%以上的间伐强度更加适宜。

表3 各指标的总方差分析

表4 各因子指标载荷

3.2 间伐对林分空间结构的影响

由图1可知，未间伐样地的角尺度值偏高，间伐样地的角尺度均低于对照样地。随着间伐强度的增加，林分角尺度呈先下降后上升再下降的趋势，其中5号样地内林分角尺度最低。10个样地的角尺度平均值为0.506，说明整体而言该试验区的华北落叶松呈现随机分布格局。其中1、2、6、7、8号样地属于聚集分布但是聚集程度较低，5、9、10号样地属于团状分布，说明林木分布较为密集集中，不利于林木的生长，竞争加剧。3、4号样地属于随机分布，林分密度适宜，适合林木生长。未间伐样地的混交度值偏低，随着间伐强度的增加，林分混交度呈先上升趋于稳定后下降的趋势，在间伐强度大于34.29%时，林分的混交度呈显著下降。混交度反映的是树种的空间隔离程度，10块样地平均混交度为0.256，这表明在华北落叶松试验区，样地中的每一个空间结构单元内混交程度都不高，而且树种隔离程度偏弱。大小比反映林分个体大小分化程度，就是描述不同大小树木的竞争态势，反映单元内参照木和相邻木之间的竞争关系。未间伐样地的大小比值偏低，随着间伐强度的增加，林分的大小比增加并趋于稳定，说明间伐对于改善林木之间的竞争具有明显的作用。对照样地的大小比均值为0.392，而未间伐样地组的大小比均值为 0.503，间伐后林分大小比明显增加。

基于角尺度、混交度和大小比数5个不同值的相对频率如图2所示。由图2可知，角尺度分布呈现出中间高两边低的现象。对照样地和各间伐样地中林分角尺度处于0.5处的相对频率值均最高，并且没有样地处于角尺度为0处。其中，5号样地在0.25处相对频率值最高，对照样地在0.25处相对频率值最低；2号样地在0.5处的相对频率值最高，9号样地在0.5处相对频率值最低；3号样地在0.75处相对频率值最高，7、8、9号样地在0.75处相对频率值最低；对照样地在1处相对频率值最高，3号样地在1处相对频率值最低。对照样地处于低分布值(0.25)的比例明显低于间伐样地，处于高分布值(1)的比例明显高于间伐样地，说明间伐对于改变林分内树木分布具有显著效果，3、4号样地经若干年的修复期林分分布呈现随机分布状态，因此在调查期末，13.12%、16.91%对于调整华北落叶松林分分布状态是最为合适的采伐强度。对照样地零度混交(Mi=0)的个体比例高达0.82，8号样地零度混交的比例最低；8号样地弱度混交(Mi=0.25)的比例最高，9号样地弱度混交的比例最低；8号样地中度混交(Mi=0.5)的比例最高，对照样地中度混交的比例最低；6号样地强度混交(Mi=0.75)的比例最高，对照样地强度混交的比例最低；3号样地极强度混交(Mi=1)的比例最高，6号样地极强度混交的比例最低。但总体而言，各样地中零度混交和弱度混交的个体所占的比例较大，这说明样地中树种结构较为简单，伴生树种生长状态不理想，然而间伐对于改善林分内树种组成结构具有积极促进作用，经过抚育间伐后，其他的劣势木得到发展，混交度都有了一定程度的提升，间伐强度过大时促进作用降低。各间伐样地林木大小分化程度十分接近，对照样地优势地位(Ui=0)的个体比例最高，4号样地优势地位的比例最低；2号样地处于亚优势地位(Ui=0.25)的个体比例最高，3号样地处于亚优势地位的个体比例最低；8号样地处于中庸地位(Ui=0.5)的个体比例最高，2号样地处于中庸地位的个体比例最低；2号样地处于劣势地位(Ui=0.75)的个体比例最高，4号样地处于劣势地位的比例最低；4号样地处于绝对劣势地位(Mi=1)的个体比例最高，对照样地处于绝对劣势对位的个体比例最低。未间伐前华北落叶松林分内树木竞争较为激烈，林木处于不同的径级结构，而间伐使得样地内的保留木基本处于相同径级内，竞争减弱，无明显竞争优势树木。

4 结论与讨论

不同间伐强度的各样地物种结构参数存在不同程度的改变，强度为19.42%、28%的样地林分结构层次分明；各参数随着间伐强度的增加，变化无明显变化规律，这与林分整体恢复年限有关[8]。其中，抚育强度为28%的样地灌木层盖度达到最大值，对照样地的灌木层多样性指数最高，抚育强度为52.10%的样地灌木层均匀度指数最高；抚育强度为19.42%的样地草本层盖度达到最大值，间伐强度为16.91%的地草本层多样性指数和均匀度指数最高。基于多参数建立综合评价机制，结果表明28%的间伐强度下林分的物种结构最为丰富，间伐强度16.91%以上对于改善林分物种结构有明显效果。

通过对空间结构的角尺度、混交度、大小比3个参数随间伐强度的变化规律展开分析，得到林分结构特征。以未间伐作业为参照，发现抚育间伐对于改变林分内树木分布具有显著效果，13%～17%的间伐强度使得华北落叶松林呈随机分布状态。而个体水平分布格局朝着随机分布的趋势发展有利于林木生长，实现林分的可持续经营，因此间伐对于改善林木分布具有积极促进作用，13%～17%是调查期内最适宜角尺度调整的间伐强度。整体而言，试验区的角尺度平均值小于0.517，说明林分分布较为密集，可能是由于间伐后伴生树种生长速度加快，造成林木趋向团状分布[25]，因此定期对间伐区采取一定的作业措施是十分必要的。

抚育间伐强度能够改变混交度，随着间伐强度的增加混交度增大，这表明抚育间伐对混交度有着积极的作用，林分空间的增加使得其他树种得以获得更多的光、水等资源从而迅速生长[14]。但当间伐强度过大，>34.29%时，混交度出现下降，可能是因为林分空隙过大，进入林分内的光照强度增加，造成林分中微气候变化，过高的光照和温度使得林木生长速率下降甚至劣势树种的死亡，由此造成混交度的下降[7]。因此，适当的间伐对混交度的提高有明显效果，树种组成得到优化，趋向复杂多样性，而混交度越高，更加有利于林分结构的稳定性。

随着间伐强度的增加，林分的大小比增加并趋于稳定，说明间伐对于改善林木之间的竞争具有明显的作用。这主要是因为间伐给劣势树种空间得以生长，各个树木之间的竞争减弱，而且随着间伐强度的持续增加林分的大小比趋于稳定，说明过高的间伐强度对于持续减弱林木间的竞争无积极作用，事实上还会造成其他不利的影响，如地表积温过高导致树木干枯等[32]。

结合间伐强度对物种结构和空间结构参数的影响，得出抚育强度在26%时林分物种结构最为丰富，17%以上的间伐强度多数对于整体林分物种结构有优化作用，而抚育强度为13%～17%时，林分空间结构更加合理，在该抚育强度内，林木分布趋于随机分布，有利于林木生长；混交度提升，树种组成得到优化；大小比增加，林木竞争减弱，因此结合二者，17%的间伐强度能够更好地实现华北落叶松整体林分结构的稳定性、合理性、平衡性发展。