抚育间伐对冀北山地蒙古栎林分结构的影响

王春风，贾磊，许中旗，房子怡，李校

(1河北省塞罕坝机械林场总场，河北 围场 068450；2河北农业大学 林学院，河北 保定 071000；3河北省木兰围场林管局，河北 围场 068450)

林分结构对林分生长、天然更新等生态过程具有重要影响[1-3]。林分结构包括空间结构和非空间结构。林分的空间结构指林木在水平方向上的分布格局和属性在空间上的排列。它是指与树木所在的空间位置有关的林分结构特征指标[4]，决定着林下光照、水分以及土壤养分含量，在不同程度上影响着林木的生长[5-6]。林分的非空间结构主要包括林分的直径分布与树高分布，它们能最直接有效地反映林分经营状况[7]。抚育间伐是实现森林可持续经营的重要措施，科学合理的间伐能够促进林木生长，提高林分质量，对森林的发展具有重要意义。目前，关于抚育间伐对林分结构的影响已有较多研究。合理的间伐措施，能够减小保留木的竞争压力，促进保留木的快速生长[4-5]。有关抚育间伐对林分的空间结构研究表明，抚育间伐有利于林分的空间结构趋于随机分布，从而改善林分的空间结构[6-7]。但是，现在多数研究基于较小的样地面积(400～600 m2)进行数据调查，而基于大样地数据研究抚育间伐对林分结构的影响相对缺乏。蒙古栎(Quercusmongolica)是中国二级珍贵树种，主要分布在大兴安岭和河北北部地区[8]。蒙古栎是在逆行演替过程中保留下来的优势树种 ，多分布于干旱阳坡，绝大部分蒙古栎是在森林屡遭破坏、环境条件极差的生境上形成的群落类型[9]。本研究采用抚育间伐经营方式对蒙古栎林进行改造，对其林分结构进行研究，旨在探究抚育间伐的背景下，了解蒙古栎林的林分结构变化情况，以期为该地区蒙古栎林的经营提供科学依据。

1 研究地概况

塞罕坝机械林场大唤起林场位于塞罕坝机械林场南部，河北省北部，属于燕山山系北部，海拔1 010～1 939.9 m，共设有7个营林区。2018年全场总经营面积1.88万hm2左右，其中公益林约8 933.3 hm2，商品林约8 733.3 hm2，森林覆盖率87%左右。此次调查样地是蒙古栎纯林样地。林区属于寒温性大陆季风气候，海拔较高，其气候特点是冬季比较漫长、寒冷干燥，春季较短且多风，夏季不明显、光照相对较强；昼夜温差大，降水少，年均降雨量在450 mm左右、蒸发量大，易春旱；该地区灾害性天气较为频繁。主要土质为棕壤，蒙古栎能够在此环境生长。本研究的试验地位于塞罕坝机械林场的大唤起林场80号作业区。林分为蒙古栎天然次生林，林龄20年，林分密度为855株/hm2，坡度20°，阳坡，郁闭度为0.4，壤质土。

2 研究方法

2.1 野外调查

2019年4月份，在塞罕坝机械林场的大唤起林场的80号作业区，选择有代表性的蒙古栎林，设置25 m×30 m的调查样地12块。在样地内对每株林木进行编号，并调查其胸径、树高和坐标。同年5月，林场对各样地进行了抚育间伐。间伐后对林分的保留木及间伐木进行统计，对其径级结构及空间分布格局进行分析。

2.2 研究方法

2.2.1 林分直径和树高分布分析 以2 cm为起始径阶，统计各径阶株数，使用SPSS检验标准地蒙古栎胸径分布服从的分布类型。以2.5 m为起始树高，统计调查样地内各径阶株数，以树高为横坐标，林木株数占样地总株树的百分比为纵坐标，作树高分布图，并运用统计分析软件检验标准地蒙古栎树高分布服从的分布类型。

2.2.2 种群空间分布格局分析 对12块样地进行组合，形成1个90 m×100 m的大样地。然后在4个尺度上通过扩散指数(C)、Morisita指数和聚块指数对蒙古栎林抚育间伐前后的空间格局进行分析[10-11]。4个尺度分别为5 m×5 m、5 m×10 m、10 m×10 m和10 m×15 m，取样数量分别为360块、180块、90块和60块。

3 结果与分析

3.1 抚育间伐对蒙古林胸径分布的影响

利用Normal分布、Weibull分布、Logistic分布函数对间伐前和间伐后蒙古栎人工林林木直径分布进行拟合，并采用KS检验对3个分布函数的拟合效果进行分析，拟合优度检验结果见表1。

表1 间伐前和间伐后林分直径分布KS检验Table 1 The KS test for stand diameter distribution before and after thinning

由表1可知，伐前林分直径结构3种分布函数拟合效果P值的排序为Weibull分布> Logistic分布>Normal分布，伐后林分直径结构3种分布函数拟合效果P值的排序为Weibull分布> Logistic分布Normal分布。这说明，Weibull分布函数对间伐前和间伐后林木直径分布的拟合效果最好，Normal分布与Logistic分布次之。

抚育间伐对林分径阶分布的影响，见图1。

图1 抚育间伐对林分径阶分布的影响Figure 1 Influence of thinning on the diameter distribution of stand

由图1可知，伐前和伐后径阶结构均表现为单峰分布。伐前偏度系数为1.157，峰度系数为2.148；伐后偏度系数为1.009，峰度系数为1.619。伐前与伐后林分的径阶结构与标准正态分布相比表现为右偏，但是伐后的偏度系数小于伐前，说明伐后使林分的径阶结构向着高径级偏移。伐前与伐后的峰度系数均大于零，但伐后的峰度系数更加趋近于零，说明间伐调整了林分结构，使得间伐后林木直径大小分布较间伐前趋于正态分布。

由图1可知，抚育间伐前蒙古栎的径级分布范围为4～16 cm，平均胸径为7.86 cm。抚育间伐后，径级分布范围为4～16 cm，平均胸径为8.79 cm。间伐前，小径级林木(4～6 cm)所占比例为38.3%，远高于间伐后的18.2%。综合来看，间伐后林木直径分布主要集中在8～10 cm，伐前集中于6～8 cm。说明，抚育间伐使中、高径级林木的比例明显增加，而小径阶林木比例明显减小，林分直径结构更加趋于合理。

3.2 抚育间伐对树高分布特征的影响

利用Normal分布、Weibull分布、Logistic分布函数对间伐前和间伐后蒙古栎人工林林木树高分布进行拟合，并采用KS检验对3个分布函数的拟合效果进行分析，拟合优度检验结果见表2。

表2 间伐前和间伐后林分树高分布KS检验Table 2 The KS test for stand heigt distribution before and after thinning

由表2可知，伐前林分树高结构3种分布函数拟合效果P值的顺序为Weibull分布> Logistic分布>Normal分布；伐后林分树高结构3种分布函数拟合效果P值的顺序为Weibull分布> Logistic分布> Normal分布。这说明，Weibull分布函数对间伐前和间伐后林木树高分布的拟合效果最好，Normal分布与Logistic分布次之。

间伐前后，蒙古栎林的树高结构如图2所示。伐前和伐后其树高结构均表现为单峰分布。伐前偏度系数为0.562，峰度系数为0.901；伐后偏度系数为0.761，峰度系数为0.873。伐前与伐后林分的树高结构与标准正态分布相比表现为右偏，但伐后的偏度系数大于伐前，表明抚育间伐后林木树高分布向较高树高级偏移。伐后峰度系数要小于伐前，但伐后峰度值更接近与零，树高分布状态与标准正态分布差距最小，说明抚育间伐调整了林分的树高结构，使林分树高结构趋于标准正态分布。

图2 抚育间伐对树高分布的影响Figure 2 Influence of thinning on the height distribution of stand

由图2可知，抚育间伐前蒙古栎的树高分布范围为2.5～10.5 m，平均树高为5.27 m。抚育间伐后蒙古栎的树高分布范围为3.5～10.5 m，平均树高为5.50 m。间伐后林木树高分布峰值占间伐后林木总株数比例(33.8%)低于间伐前(35.5%)。间伐前较低树高林木(2.5～3.5m)所占比例为10.6%，明显高于间伐后的6.1%。相比于间伐前，间伐后在大径阶范围的林木株树比例有所升高，但是间伐前后树高分布总体差异不明显。

3.3 抚育间伐对林分空间格局的影响

蒙古栎伐前伐后空间分布散点图见图3；空间分布格局判定见表3。

图3 蒙古栎伐前(a)和伐后(b)空间分布散点图Figure 3 Scatterplot of the spatial distribution of Quercus mongolica before (a) and after (b) thinning

表3 空间分布格局的判定Table 3 Determination of spatial distribution patterns

由表3、图3可知，蒙古栎林伐前在不同尺度的扩散指数分别为3.35(5 m×5 m)、3.75(5 m×10 m)、3.43(10 m×10 m)和4.15(10 m×15 m)，伐后的扩散指数分别为2.30(5 m×5 m)、2.37(5 m×10 m)、2.23(10 m×10 m)和2.49(10 m×15 m)，说明无论是间伐前，还是间伐后，蒙古栎林在不同尺度下，蒙古栎均呈集群分布。同时，尽管分布格局均为聚群分布，但是间伐后的蒙古栎林的聚集程度呈明显的下降趋势。说明，抚育间伐降低了林木之间的拥挤程度，这样有助于降低林木之间的竞争程度，对林木的生长更为有利。

尺度对蒙古栎的空间分布格局具有明显影响。对于扩散指数C来说，无论是伐前还是伐后，随着样方面积的增加，t与t0.05的差异逐渐减小，这说明随着尺度的增加，蒙古栎林的聚集强度逐渐下降，趋于随机分布。通过Morisita指数进行格局类型的判别，当取样面积为5 m×5 m、5 m×10 m、10 m×10 m时，蒙古栎林伐前与伐后均为聚群分布，取样面积为10 m×15 m时，伐前伐后均为随机分布。同时，伐前与伐后4个取样面积的聚块指数分别为1.69、1.4、1.18、1.15和1.95、1.62、1.35和1.32，随着取样面积的增加，聚块指数呈逐渐下降的趋势，说明，随尺度的增加其聚集程度逐渐下降。以上结果表明，各种分布格局判定方法都表明蒙古栎种群的分布格局对尺度具有依赖性。

4 讨论

本研究基于蒙古栎林每木检尺数据，计算出间伐前后林木直径与树高的偏度系数和峰度系数，结果表明，间伐后林木直径分布相比于间伐前向右偏移，峰度系数降低，对称性升高。树高分布相较于间伐前向左偏，峰度系数降低，对称性变化不大。杨剑辉等研究了抚育间伐对云南松林分结构的影响，结果表明抚育间伐后林分直径分布结构的偏度系数降低，但间伐对树高的影响并不明显[12]。马瑞婷等研究了抚育间伐对栓皮栎人工林直径和树高的影响，得出了相似的结果，结果表明抚育间伐后林分的直径分布向着较大径阶偏移，使林分的直径分布更趋向于正态分布；但是抚育间伐对树高的影响却不明显[13]。对林木直径和树高分布拟合优度的KS检验结果表明，蒙古栎林伐前与伐后均以Weibull分布拟合效果最好，其次是Logistic分布或Normal分布。刘菊卉等对东南石栎人工林的研究、郭丽虹对桤木人工林的研究都表明，林分的胸径分布与树高分布趋向于Weibull分布[14-15]。

抚育间伐可以有效的降低林分密度，使林木之间的竞争性减弱，因而对保留木的生长有促进作用，此过程对保留木的空间分布格局产生影响[16-17]。本研究发现，间伐后蒙古栎林主要为集群分布，但是其聚集程度有明显下降，其原因在于，该地区的蒙古栎林多为萌生，在一个伐桩周围会有多个萌生的个体，局部密度较大，因此呈明显的聚群分布。抚育间伐后，伐桩周围萌生个体的数量会有下降，但是其相对集中的格局并未明显改变，因此只是聚集程度有所下降，而格局的类型并未发生改变。伊力塔对辽东栎分布格局的研究也发现了类似的结果[18]。由此可知，通过抚育间伐，林分的聚集程度明显下降，使得林木之间的竞争减弱，使光照、水分等资源以及林木生长空间得到有效配置，有助于保留木个体的生长，从而提高林分的质量及其活力。同时，本研究还发现，蒙古栎的空间格局与样方大小，即调查的尺度密切相关，随着样方面积的增加，蒙古栎林的空间结构呈现出由集群分布向随机分布过渡的趋势。这是由于，随着样地面积的增加，因为萌生起源而导致的林木相对集中的效应会逐渐减弱，因此聚集程度逐渐下降，逐渐向随机分布转化[19-20]。

5 结论

(1)蒙古栎林在抚育间伐前后林木直径和树高分布均服从于Weibull分布，间伐后小径级林木所占比例明显减小，中大径级比例明显增加。

(2)蒙古栎林抚育间伐前后，多数尺度上都表现为集群分布，抚育间伐使其聚集程度明显下降。

(3)取样大小对蒙古栎的空间分布格局具有明显影响，随取样面积的增大，蒙古栎林的聚集程度逐渐下降，逐渐向随机分布转化。抚育间伐使蒙古栎林的林分状况得到了明显改善，结构趋于合理。