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不同抚育间伐方式对蒙古栎次生林空间结构的影响

胡雪凡 张会儒 周超凡 张晓红

胡雪凡, 张会儒, 周超凡, 张晓红. 不同抚育间伐方式对蒙古栎次生林空间结构的影响[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(5): 137-147. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190037
引用本文: 胡雪凡, 张会儒, 周超凡, 张晓红. 不同抚育间伐方式对蒙古栎次生林空间结构的影响[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(5): 137-147. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190037
Hu Xuefan, Zhang Huiru, Zhou Chaofan, Zhang Xiaohong. Effects of different thinning patterns on the spatial structure of Quercus mongolica secondary forests[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(5): 137-147. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190037
Citation: Hu Xuefan, Zhang Huiru, Zhou Chaofan, Zhang Xiaohong. Effects of different thinning patterns on the spatial structure of Quercus mongolica secondary forests[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(5): 137-147. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190037

不同抚育间伐方式对蒙古栎次生林空间结构的影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20190037
基金项目: “十三五”国家重点研发计划课题“长白山次生林抚育更新技术研究与示范”(2017YFC0504101)
详细信息
    作者简介:

    胡雪凡,博士生。主要研究方向:森林可持续经营。Email:hufanzi@163.com 地址:100091北京市海淀区香山路中国林业科学研究院资源信息研究所

    通讯作者:

    张会儒,博士,博士生导师。主要研究方向:森林可持续经营。Email:huiru@ifrit.ac.cn 地址:同上

  • 中图分类号: S753.7

Effects of different thinning patterns on the spatial structure of Quercus mongolica secondary forests

  • 摘要: 目的以长白山林区蒙古栎次生林为研究对象,分析基于目标树经营与传统经营的抚育间伐前后蒙古栎次生林空间结构主要指标及空间结构综合指数变化,评价不同抚育间伐方式对森林空间结构的影响。方法在吉林汪清设置9块面积均为1 hm2的蒙古栎次生林样地,随机区组进行3种处理,分别为传统经营(T1)、目标树经营密度1(T2)和目标树经营密度2(T3)。利用混交度、角尺度、大小比数和密集度4个林分空间结构指标,分析间伐前后目标树及林分的空间结构变化,并利用4个指标构建空间结构综合指数(CSSI)来综合评价蒙古栎次生林的空间结构对不同抚育间伐的响应。结果结果表明,从干扰树间伐对目标树的影响来看,目标树的混交度、大小比数和密集度3个指标的改善明显,角尺度改善不明显;从不同抚育间伐方式对林分空间结构的影响来看,3种处理均提高了林分内种间隔离程度、降低了密集程度,使林分空间分布格局趋向于随机分布,对林木大小分化度的影响不明显;根据CSSI综合评价得知:3种处理均提高了林分的空间结构综合指数,提高幅度为T3 > T2 > T1。结论干扰树间伐优化了目标树的空间结构,3种处理的抚育间伐均优化了林分的空间结构。基于目标树经营的抚育间伐对空间结构的改善程度优于传统的抚育间伐,T3处理,也即目标树选择密度为100株/hm2时采取的抚育间伐最有利于目标树和林分的空间结构优化。
  • 图  1  采伐前林木分布示意图

    Figure  1.  Distribution sketch map of trees before thinning

    图  2  林分空间结构综合指数(CSSI)变化情况

    Figure  2.  Changes of comprehensive index of spatial structure (CSSI)

    表  1  样地基本概况

    Table  1.   General description of sample plot

    样地号
    Sample plot No.
    海拔
    Altitude/m
    坡位
    Slope position
    坡度
    Slope gradient/(°)
    郁闭度
    Canopy density
    密度/(株·hm− 2
    Stand density/(tree·ha− 1)
    树种组成
    Species composition
    处理
    Treatment
    1705中 Middle80.707666蒙1桦1杨1红1其他T1
    2738中 Middle80.718964蒙2杨1桦1色1椴1红T2
    3721中 Middle70.721 038 5蒙2桦1色1杨1椴T3
    4741中 Middle80.839924蒙2桦1色1椴1红1其他T2
    5637中 Middle80.859985蒙2桦1红1黑1其他T1
    6635中 Middle80.881 047 5蒙3桦1黑1红T3
    7677中 Middle70.908006蒙1黑1胡1水1其他T1
    8685中 Middle70.779296蒙2桦1黑1其他T3
    9703中 Middle60.879954蒙3桦1杨2其他T2
    注:蒙代表蒙古栎,桦代表白桦,杨代表大青杨,红代表红松,色代表色木槭,椴代表紫椴,落代表长白落叶松,黑代表黑桦,胡代表胡桃楸,水代表水曲柳,其他代表其他树种。Notes: 蒙 stands for Quercus mongolica, 桦 stands for Betula platyphylla, 杨 stands for Populus ussuriensis, 红 stands for Pinus koraiensis, 色 stands for Acer mono, 椴 stands for Tilia tuan, 落 stands for Larix olgensis, 黑 stands for Betula dahurica, 胡 stands for Juglans mandshurica, 水 stands for Fraxinus mandschurica, 其他 stands for other tree species.
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    表  2  蒙古栎次生林林分基本信息

    Table  2.   General information of oak secondary forest

    样地号
    Sample plot No.
    胸径 DBH/cm树高 Tree height/m优势平均高
    Mean dominant height/m
    蓄积
    Volume/m3
    最小 Min.平均 Average最大 Max.最小 Min.平均 Average最大 Max.
    15.014.666.02.011.029.622.2150.72
    25.013.759.10.511.224.121.5162.31
    35.013.055.71.3 10.2528.521.6172.00
    45.013.650.21.510.925.821.2176.10
    55.013.150.91.5 8.922.421.5162.30
    65.012.858.53.211.531.122.2173.91
    75.014.352.21.4 9.824.921.8154.45
    85.014.370.13.112.624.222.9179.20
    95.014.158.22.211.026.522.7186.90
    注:采用汪清林业局一元立木材积表[28]计算单木材积和林分蓄积,选取样地最高的5株林木计算优势高平均值。Notes: volume of wood was calculated by the tree volume table of Wangqing Forestry Bureau, and the mean dominant height was calculated by choosing five highest trees in each sample plot.
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    表  3  采伐前后目标树结构单元的各个空间结构指标

    Table  3.   Spatial structure indexes of target trees before and after thinning

    抚育间伐方式
    Thinning treatment
    类型
    Type
    M平均值
    Mean uniform angle index
    W平均值
    Mean neighborhood pattern
    U平均值
    Mean uniform angel index
    C平均值
    Mean crowding degree
    T2伐前 Before thinning0.615 50.529 20.184 00.415 1
    伐后 After thinning0.638 30.524 10.177 70.409 4
    T3伐前 Before thinning0.509 90.533 20.226 70.407 4
    伐后 After thinning0.529 70.536 00.216 70.395 3
    注:M代表混交度;W代表角尺度;U代表大小比数;C代表密集度;T2代表目标树经营密度1;T3代表目标树经营密度2。下同。Notes: M represents for mingling degree, W represents for uniform angel index, U represents for neighborhood comparison, C represents for crowding degree, T2 represents for target tree management with density 1, T3 represents for target tree management with desity 2. Same as below.
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    表  4  不同抚育间伐方式林分采伐前后${ M} $频率分布及林分平均混交度(${\overline M} $

    Table  4.   M frequency distribution and mean mingling degree of different thinning treatments before and after thinning

    抚育间伐方式
    Thinning treatment
    伐前 Before thinning伐后 After thinning
    频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline M} $ 频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline M} $
    0.000.250.500.751.000.000.250.500.751.00
    T10.159 20.190 10.242 10.248 00.160 50.515 10.150 30.192 00.252 70.243 30.161 70.518 5
    T20.071 00.173 10.250 00.277 90.228 00.604 70.062 30.165 30.253 90.289 50.229 00.614 4
    T30.107 90.193 90.258 50.255 10.184 60.553 70.092 20.194 50.267 30.259 20.186 90.563 5
    注:T1代表传统经营措施。Note: T1 represents for traditional management.
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    表  5  不同抚育间伐方式林分采伐前后${W} $频率分布及林分平均角尺度(${\overline W} $

    Table  5.   W frequency distribution and mean value of stand uniform angel index of different thinning treatments before and after thinning

    抚育间伐方式
    Tninning treatment
    伐前 Before thinning伐后 After thinning
    频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline W} $ 频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline W} $
    0.000.250.500.751.000.000.250.500.751.00
    T10.005 90.167 80.553 30.196 10.077 00.542 60.006 70.165 10.558 60.196 80.072 80.540 9
    T20.003 60.179 90.580 90.163 70.071 90.530 10.004 20.185 00.583 60.165 30.061 80.523 9
    T30.004 90.164 20.578 20.191 40.061 20.535 00.006 10.168 00.584 50.184 30.057 00.529 5
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    表  6  不同抚育间伐方式林分采伐前后${U} $频率分布及林分平均大小比数(${\overline U} $

    Table  6.   U frequency distribution and mean value of neighborhood comparison of different thinning treatments before and after thinning

    抚育间伐方式
    Thinning treatment
    伐前 Before thinning伐后 After thinning
    频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline U}$ 频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline U}$
    0.000.250.500.751.000.000.250.500.751.00
    T10.207 20.196 10.205 90.194 70.196 10.494 10.212 30.196 80.202 20.195 40.193 40.490 2
    T20.207 70.204 60.194 20.192 00.201 40.493 70.209 80.197 20.201 40.190 60.200 90.493 9
    T30.204 60.206 50.191 90.201 20.195 80.494 30.209 80.201 60.193 00.198 60.197 00.492 9
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    表  7  不同抚育间伐方式林分采伐前后$ { C} $频率分布及林分平均密集度($ {\overline C} $

    Table  7.   C frequency distribution and mean value of crowding degree of different thinning treatments before and after thinning

    抚育间伐方式
    Thinning treatment
    伐前 Before thinning伐后 After thinning
    频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline C} $ 频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline C} $
    0.000.250.500.751.000.000.250.500.751.00
    T10.059 90.138 80.166 40.221 70.413 20.338 30.063 30.140 80.175 20.217 00.403 60.336 3
    T20.021 60.072 40.141 20.216 30.548 60.391 80.023 90.078 20.158 30.221 50.518 00.389 3
    T30.018 50.074 80.163 80.221 10.521 90.384 10.021 90.080 40.183 30.235 70.478 60.378 1
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-15
  • 修回日期:  2019-03-02
  • 网络出版日期:  2019-04-30
  • 刊出日期:  2019-05-01

不同抚育间伐方式对蒙古栎次生林空间结构的影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20190037
    基金项目:  “十三五”国家重点研发计划课题“长白山次生林抚育更新技术研究与示范”(2017YFC0504101)
    作者简介:

    胡雪凡,博士生。主要研究方向:森林可持续经营。Email:hufanzi@163.com 地址:100091北京市海淀区香山路中国林业科学研究院资源信息研究所

    通讯作者: 张会儒,博士,博士生导师。主要研究方向:森林可持续经营。Email:huiru@ifrit.ac.cn 地址:同上
  • 中图分类号: S753.7

摘要: 目的以长白山林区蒙古栎次生林为研究对象,分析基于目标树经营与传统经营的抚育间伐前后蒙古栎次生林空间结构主要指标及空间结构综合指数变化,评价不同抚育间伐方式对森林空间结构的影响。方法在吉林汪清设置9块面积均为1 hm2的蒙古栎次生林样地,随机区组进行3种处理,分别为传统经营(T1)、目标树经营密度1(T2)和目标树经营密度2(T3)。利用混交度、角尺度、大小比数和密集度4个林分空间结构指标,分析间伐前后目标树及林分的空间结构变化,并利用4个指标构建空间结构综合指数(CSSI)来综合评价蒙古栎次生林的空间结构对不同抚育间伐的响应。结果结果表明,从干扰树间伐对目标树的影响来看,目标树的混交度、大小比数和密集度3个指标的改善明显,角尺度改善不明显;从不同抚育间伐方式对林分空间结构的影响来看,3种处理均提高了林分内种间隔离程度、降低了密集程度,使林分空间分布格局趋向于随机分布,对林木大小分化度的影响不明显;根据CSSI综合评价得知:3种处理均提高了林分的空间结构综合指数,提高幅度为T3 > T2 > T1。结论干扰树间伐优化了目标树的空间结构,3种处理的抚育间伐均优化了林分的空间结构。基于目标树经营的抚育间伐对空间结构的改善程度优于传统的抚育间伐,T3处理,也即目标树选择密度为100株/hm2时采取的抚育间伐最有利于目标树和林分的空间结构优化。

English Abstract

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引用本文: 胡雪凡, 张会儒, 周超凡, 张晓红. 不同抚育间伐方式对蒙古栎次生林空间结构的影响[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(5): 137-147. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190037
Hu Xuefan, Zhang Huiru, Zhou Chaofan, Zhang Xiaohong. Effects of different thinning patterns on the spatial structure of Quercus mongolica secondary forests[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(5): 137-147. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190037
Citation: Hu Xuefan, Zhang Huiru, Zhou Chaofan, Zhang Xiaohong. Effects of different thinning patterns on the spatial structure of Quercus mongolica secondary forests[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(5): 137-147. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190037
  • 近自然森林经营理论是经过了法正林−恒续林−近自然森林经营一百多年的不断发展而形成的[1],是实现森林可持续经营的有效途径。目标树经营是近自然经营的主要技术体系,把所有林木分类为目标树、特殊目标树、干扰树和其他树木等4种类型[2]。目标树经营的核心技术体系是以选择的目标树为培育对象,通过采伐干扰树来实现林地的综合效益。国外已经开展了很多关于目标树经营的实践和研究[3],国内由于开展时间较晚,干扰树采伐对林分的影响研究较少,目前针对传统采伐对林分的影响研究较多[46]

    森林生长的周期很长,一些传统特征指标,如蓄积、生长量等对森林经营措施的响应较慢,而空间结构是森林经营过程可以调控的因子[7],通过对空间结构的影响研究可以及时反映出经营效果,为森林精准经营提供基础。森林空间结构在很大程度上决定了森林发展的状态、林分稳定性和经营空间的大小[8],目前国际上模拟森林经营的主要研究内容之一便是空间结构的分析和比较。国内外针对目标树经营效果的研究主要集中在一些传统指标上[914],对空间结构的研究尚不多见。

    森林空间结构指标的研究较多,许多学者选取不同的指标研究了林分空间结构对环境因素以及人类经营活动的响应[1516]。然而选择的指标不同,关注的角度就不同,在评判空间结构的优劣时得出的结论可能不一致[1718]。因此选取合适的指标,并实现各个空间结构要素之间的联立,构建一个定量化综合指标来对林分空间结构进行综合分析,才能对森林空间结构进行更为客观全面的描述,从而为经营决策提供准确依据。

    蒙古栎(Quercus mongolica)属壳斗科(Fagaceae)栎属(Quercus)植物,又称柞木、柞树,在我国主要分布于东北和华北地区,是我国温带地区落叶阔叶林及针阔混交林的主要树种[1922]。相关研究发现,栎属树种平均生长季的日用水量明显低于其他树种[23],许多栎属树种能适应较温暖和更加极端的气候,在森林经营中,栎类的生态学和经济学地位很可能会因此得以提升[2426]。殷晓洁等[27]研究发现未来气候变化将使蒙古栎的地理分布范围扩大,成为我国大兴安岭和小兴安岭最主要的树种。但由于人们对蒙古栎的生长特性认识不足,而且大部分蒙古栎林的现实林分生长不良,没有充分发挥其多种效益。蒙古栎次生林在我国分布面积很大,如何通过经营来改善其林分状况,实现其经济价值和生态效益具有重要意义。

    基于以上因素,本研究采取基于相邻木关系的混交度(M)、大小比数(U)、角尺度(W)和密集度(C)等4个常用的林分空间结构指标,构建空间结构综合指数(comprehensive spatial structure index,CSSI)。以吉林省汪清林业局塔子沟林场蒙古栎次生林传统经营和目标树经营样地为研究对象,分别采用4个空间结构指标以及CSSI从目标树水平和林分水平分析了基于目标树经营的抚育间伐与传统抚育间伐对蒙古栎次生林空间结构的影响,以期为蒙古栎次生林的空间结构优化和确定合理目标树选择密度提供借鉴。

    • 研究区位于吉林省延边朝鲜族自治州汪清林业局塔子沟林场,地形以低山丘陵为主,地理坐标为129°56′ ~ 131°04′E,43°05′ ~ 43°40′N。该区属于温带大陆性季风气候,年均气温3.9 ℃,年平均降水量500 ~ 600 mm,且主要集中在夏季。研究区森林覆盖率达到90%以上,主要乔木树种有蒙古栎、红松(Pinus koraiensis)、白桦(Betula platyphylla)、黑桦(Betula dahurica)、大青杨(Populus ussuriensis)、色木槭(Acer mono)、长白落叶松(Larix olgensis)、紫椴(Tilia tuan)、臭冷杉(Abies nephrolepis)、春榆(Ulmus japonica)、水曲柳(Fraxinus mandschurica)等。主要灌木树种有:山葡萄(Vitis amurensis)、毛榛(Corylus mandshurica)、暴马丁香(Syringa reticulata var. amurensis)、五味子(Schisandra chinensis)、忍冬(Lonicera japonica)、刺五加(Acanthopanax senticosus)等。

    • 在吉林省汪清林业局塔子沟林场选取林分条件相对一致的蒙古栎次生林,设置9块面积为1 hm2(100 m × 100 m)的试验样地,并用森林罗盘仪将每块样地划分100个10 m × 10 m的网格单元。在每个网格单元内,对胸径5 cm以上的树木进行了每木调查,记录树种,测量胸径、树高、枝下高、东西南北冠幅、林木健康状况等因子,并利用徕卡激光测距仪测定每木的坐标(XY)。选取的样地林分均处于中龄林阶段,主林层蒙古栎的林龄介于40 ~ 70年之间。样地基本概况和林分基本信息见表1表2

      表 1  样地基本概况

      Table 1.  General description of sample plot

      样地号
      Sample plot No.
      海拔
      Altitude/m
      坡位
      Slope position
      坡度
      Slope gradient/(°)
      郁闭度
      Canopy density
      密度/(株·hm− 2
      Stand density/(tree·ha− 1)
      树种组成
      Species composition
      处理
      Treatment
      1705中 Middle80.707666蒙1桦1杨1红1其他T1
      2738中 Middle80.718964蒙2杨1桦1色1椴1红T2
      3721中 Middle70.721 038 5蒙2桦1色1杨1椴T3
      4741中 Middle80.839924蒙2桦1色1椴1红1其他T2
      5637中 Middle80.859985蒙2桦1红1黑1其他T1
      6635中 Middle80.881 047 5蒙3桦1黑1红T3
      7677中 Middle70.908006蒙1黑1胡1水1其他T1
      8685中 Middle70.779296蒙2桦1黑1其他T3
      9703中 Middle60.879954蒙3桦1杨2其他T2
      注:蒙代表蒙古栎,桦代表白桦,杨代表大青杨,红代表红松,色代表色木槭,椴代表紫椴,落代表长白落叶松,黑代表黑桦,胡代表胡桃楸,水代表水曲柳,其他代表其他树种。Notes: 蒙 stands for Quercus mongolica, 桦 stands for Betula platyphylla, 杨 stands for Populus ussuriensis, 红 stands for Pinus koraiensis, 色 stands for Acer mono, 椴 stands for Tilia tuan, 落 stands for Larix olgensis, 黑 stands for Betula dahurica, 胡 stands for Juglans mandshurica, 水 stands for Fraxinus mandschurica, 其他 stands for other tree species.

      表 2  蒙古栎次生林林分基本信息

      Table 2.  General information of oak secondary forest

      样地号
      Sample plot No.
      胸径 DBH/cm树高 Tree height/m优势平均高
      Mean dominant height/m
      蓄积
      Volume/m3
      最小 Min.平均 Average最大 Max.最小 Min.平均 Average最大 Max.
      15.014.666.02.011.029.622.2150.72
      25.013.759.10.511.224.121.5162.31
      35.013.055.71.3 10.2528.521.6172.00
      45.013.650.21.510.925.821.2176.10
      55.013.150.91.5 8.922.421.5162.30
      65.012.858.53.211.531.122.2173.91
      75.014.352.21.4 9.824.921.8154.45
      85.014.370.13.112.624.222.9179.20
      95.014.158.22.211.026.522.7186.90
      注:采用汪清林业局一元立木材积表[28]计算单木材积和林分蓄积,选取样地最高的5株林木计算优势高平均值。Notes: volume of wood was calculated by the tree volume table of Wangqing Forestry Bureau, and the mean dominant height was calculated by choosing five highest trees in each sample plot.

      在完成上述因子调查后采取完全随机区组设计,确保随机区组后各组林分的基本特征没有显著差异。试验设置3种处理,3次重复,共9块固定监测样地。3种处理包括:(1)传统经营,即T1处理(1、5、7号样地),遵循《森林抚育规程》(GB/T15781-2009)的规定进行抚育间伐设计,采伐强度控制在25%以下,采伐对象主要是生长不良的林木,伐后郁闭度在0.6以上;(2)目标树经营密度1,即T2处理(2、4、9号样地),按照目标树单株木集约经营理念制定采伐设计,用材目标树选取密度约为70株/hm2,将影响目标树生长的林木确定为干扰木并进行采伐;(3)目标树经营密度2,即T3处理(3、6、8号样地),用材目标树选取密度为100株/hm2,其余措施与T2一致。采伐前林木分布如图1所示。干扰树采伐与传统采伐的根本区别在于采伐对象不同,常规采伐主要是针对没有培育前途的林木,多是林分中密度过大,质量低劣的林木,而干扰树采伐的对象是影响用材目标树生长的林木,可能是林层中的优势木和亚优势木,对不影响目标树生长的其他林木不采取任何措施。

      图  1  采伐前林木分布示意图

      Figure 1.  Distribution sketch map of trees before thinning

      考虑到样地边缘林木的相邻木可能处于边界以外,空间结构单元并不完整[29],为消除边缘效应,将样地距离边界线5 m以内的林木作为缓冲区林木,只作为相邻木来参与计算。其他区域视为核心区(90 m × 90 m),计算核心区内每株林木的空间结构参数。本研究以任一中心木和其周围的4株最近的相邻木组成空间结构单元,以此来计算空间结构指标[30]

    • 森林空间结构的研究主要集中在3个方面[31]:(1)树种空间隔离程度,即不同树种的混交程度;(2)林木间的竞争状况,也即立木的大小差异程度和密集程度;(3)林木的空间分布格局,也即林木在地面上的空间分布形式,这3个方面构成了森林结构的三要素。目前评价林分空间结构的指标很多,但许多指标之间存在重复,综合计算时难以科学界定权重。一些学者提出了基于相邻木关系的混交度(M)、大小比数(U)和角尺度(W)3个指标,这3个指标便于计算,可以较完整的表达出单木和林分的空间结构,在国内外应用广泛,效果较好[3236]。但这3个指标都与距离无关,假如2株参照木周围分布的相邻木在树种混交、大小差异程度以及空间分布形式上均一致,但相邻木与参照木的距离不同,这时如果只采用这3个指标就会对空间结构造成误判,误认为2株参照木的空间结构一致。为解决这一问题,胡艳波等[37]在基于空间结构单元的基础上,提出了密集度(C)的概念。密集度直观表达了林分的疏密程度,也反映了林木间的竞争情况。

      本文采用以上4个指标,在董灵波等[38]提出的天然林空间结构指数的基础上进行了修改。以WUMC为“投入”,将林分的空间结构作为“产出”构建了空间结构综合指数(CSSI)。结合4个空间结构指标的定义,可以认为林分的M越大,UC越小,角尺度中等的条件下林分的空间结构最佳(CSSI = 100),鉴于UC均是体现林木竞争关系的指标,因此两者权重各取50%来作为“投入”。函数表达式如下:

      $${\rm{CSSI}} = \sqrt[3]{{{\overline M} \left( {100 - 2 \times \left| {{\overline W} - 50} \right|} \right) \times \sqrt {(100 - {\overline U} )(100 - {\overline C} )} }}$$ (1)

      式中:${\rm{CSSI}}$为空间结构综合指数,${\overline M} $${\overline W} $${\overline U} $${\overline C} $分别为林分平均混交度、平均角尺度、平均大小比数和平均密集度。本研究中0 ≤ CSSI ≤ 100,0 ≤ ${\overline M}$ ≤ 100,0 ≤ ${\overline U}$ ≤ 100,0 ≤ ${\overline W}$ ≤ 100,0 ≤ ${\overline C}$ ≤ 100。

    • 本研究采用混交度(M)表示树种空间隔离程度,其概念是由Gadow[39]和Füldner[40]提出的,定义为参照树i周围4株相邻木j中与其不是同一树种的个体所占的比例。认为林分的稳定性与M呈正相关关系。计算公式如下[8]

      $${M_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {{v_{ij}}} $$ (2)

      式中:${M_i}$为第i株个体的混交度,${v_{ij}}$表示参照木与相邻木的树种是否相同,如相同,则${v_{ij}}$ = 0;反之则为1。

      林分的平均混交度${\overline M} $计算公式如下:

      $${\overline M} = \frac{1}{N}\sum\limits_{i = 1}^N {{M_i}} $$ (3)

      式中:$N$为林分中消除边缘效应后的有效个体数量。

    • 本研究选用角尺度($W$)来对林木空间分布格局进行计算,角尺度表示参照树$i$周围的相邻木的均匀性,其定义是任意两株相邻木与参照木构成的夹角α小于标准角α0α0 = 72°)的个数占相邻木($n$)的比例,公式如下[4143]

      $${W_i} = \frac{1}{n}\sum\limits_{j = 1}^n {{Z_{ij}}} $$ (4)

      式中:${Z_{ij}}$表示夹角α是否小于标准角α0,当第$j$α角小于标准角α0时,${Z_{ij}}$ = 1,反之为0。

      ${\overline W} $表示林分整体的平均角尺度,当${\overline W} $ < 0.475时林分为均匀分布,${\overline W} $∈[0.475,0.517]时为随机分布,当${\overline W} $ > 0.517时为聚集分布。

    • 本文采用大小比数($U$)来表示林木间的大小差异程度及空间优势程度,选用胸径作为比较指标。计算公式如下[44]

      $${U_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^n {{k_{ij}}} $$ (5)

      式中:${U_i}$表示比参照木大的相邻木数量所占4株最近相邻木的比例,${k_{ij}}$表示参照木与相邻木的大小,如果参照木$i$比相邻木$j$大,那么${k_{ij}} = 0$;反之则为1。由定义可知,${U_i}$值越小,参照木的优势越明显,林分的平均大小比数用${\overline U} $来表示。

    • 本研究采用密集度($C$)来表示林木的密集程度,其定义为所考察的相邻木与参照木树冠相接的株数的比例,计算公式为[37]

      $${C_i} = \frac{1}{4}\sum\limits_{j = 1}^4 {{y_{ij}}} $$ (6)

      式中:${y_{ij}}$表示参照树i与相邻木j的树冠投影是否重叠,重叠时${y_{ij}}$取值为1,反之为0。

      密集程度的高低反映了林木间的竞争程度,当计算林分密集度时将格局因子考虑进去,计算公式为:

      $${\overline C} = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {{{{C}}_i}} \lambda_{W_i}$$ (7)

      式中:$\lambda_{W_i}$为格局权重因子,其赋值由林木的角尺度取值所决定。${\overline C} $值与林分的密集程度呈正相关关系。

    • T2、T3样地干扰树采伐前后目标树结构单元的混交度(M)、角尺度(W)、大小比数(U)和密集度(C)均值如表3所示。采伐干扰树后,目标树的M平均值提高,空间隔离程度增大,T3的提升幅度略高于T2。T2、T3目标树结构单元的W平均值都大于0.5,干扰树间伐对目标树的W均值影响不大:T3目标树W平均值略有上升,更趋向聚集分布;T2则有所下降,趋近随机分布。表明林木空间分布格局对干扰树采伐的响应具有不确定性。

      表 3  采伐前后目标树结构单元的各个空间结构指标

      Table 3.  Spatial structure indexes of target trees before and after thinning

      抚育间伐方式
      Thinning treatment
      类型
      Type
      M平均值
      Mean uniform angle index
      W平均值
      Mean neighborhood pattern
      U平均值
      Mean uniform angel index
      C平均值
      Mean crowding degree
      T2伐前 Before thinning0.615 50.529 20.184 00.415 1
      伐后 After thinning0.638 30.524 10.177 70.409 4
      T3伐前 Before thinning0.509 90.533 20.226 70.407 4
      伐后 After thinning0.529 70.536 00.216 70.395 3
      注:M代表混交度;W代表角尺度;U代表大小比数;C代表密集度;T2代表目标树经营密度1;T3代表目标树经营密度2。下同。Notes: M represents for mingling degree, W represents for uniform angel index, U represents for neighborhood comparison, C represents for crowding degree, T2 represents for target tree management with density 1, T3 represents for target tree management with desity 2. Same as below.

      目标树的$U$平均值在0.2左右,这是由于目标树选取的大都是优势木,竞争力较强。目标树结构单元的$U$平均值均有一定程度的下降,说明干扰树间伐提高了目标树的空间优势度以及大小分化程度,T3的下降幅度大于T2。目标树结构单元的$C$平均值都有所下降,T3下降幅度最大。$U$$C$的变化说明干扰树采伐降低了目标树结构单元的竞争压力。

    • 不同抚育间伐方式林分采伐前后M分布及林分平均混交度(${\overline M} $)的变化情况如表4所示。3种抚育间伐后样地中零度混交的林木比例下降,极强度混交的林木比例上升,${\overline M} $都有所提高。其中T3处理后${\overline M} $提升幅度略高于T2,T3和T2处理后${\overline M} $提升幅度均显著高于T1,说明相对于传统经营采取的抚育间伐,以培育目标树为导向的干扰树间伐更有利于提高林分混交度,改善林分树种间隔离程度。

      表 4  不同抚育间伐方式林分采伐前后${ M} $频率分布及林分平均混交度(${\overline M} $

      Table 4.  M frequency distribution and mean mingling degree of different thinning treatments before and after thinning

      抚育间伐方式
      Thinning treatment
      伐前 Before thinning伐后 After thinning
      频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline M} $ 频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline M} $
      0.000.250.500.751.000.000.250.500.751.00
      T10.159 20.190 10.242 10.248 00.160 50.515 10.150 30.192 00.252 70.243 30.161 70.518 5
      T20.071 00.173 10.250 00.277 90.228 00.604 70.062 30.165 30.253 90.289 50.229 00.614 4
      T30.107 90.193 90.258 50.255 10.184 60.553 70.092 20.194 50.267 30.259 20.186 90.563 5
      注:T1代表传统经营措施。Note: T1 represents for traditional management.
    • 不同抚育间伐方式林分采伐前后的$W$分布及林分平均角尺度(${\overline W} $)的变化情况如表5所示。3种处理下,采伐前后${\overline W} $均大于0.517,说明林分的空间分布格局呈聚集分布。$W$取值为0.5的林木比例高于50%,说明大多数林木呈随机分布,3种处理的抚育间伐均降低了林分中绝对聚集分布的林木比例。T1、T2、T3处理采伐后${\overline W} $更靠近随机分布的取值范围,林分空间分布格局趋向合理。3种处理对林分空间分布格局的改善情况为T2 > T3 > T1,其中T2和T3的改善程度显著优于T1。说明相对于传统经营采取的抚育间伐,以培育目标树为导向的干扰树间伐更有利于改善林分的空间分布格局。

      表 5  不同抚育间伐方式林分采伐前后${W} $频率分布及林分平均角尺度(${\overline W} $

      Table 5.  W frequency distribution and mean value of stand uniform angel index of different thinning treatments before and after thinning

      抚育间伐方式
      Tninning treatment
      伐前 Before thinning伐后 After thinning
      频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline W} $ 频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline W} $
      0.000.250.500.751.000.000.250.500.751.00
      T10.005 90.167 80.553 30.196 10.077 00.542 60.006 70.165 10.558 60.196 80.072 80.540 9
      T20.003 60.179 90.580 90.163 70.071 90.530 10.004 20.185 00.583 60.165 30.061 80.523 9
      T30.004 90.164 20.578 20.191 40.061 20.535 00.006 10.168 00.584 50.184 30.057 00.529 5
    • 不同抚育间伐方式林分采伐前后的$U$分布及林分平均大小比数(${\overline U} $)变化情况如表6所示。T1、T2、T3处理的${\overline U} $均接近0.5,说明整体大小分化程度和优势度都接近于中等水平。且$U$各个取值的林木分布频率相对一致,都在20%左右。采伐后$U$为0的林木比例增加,其他取值的频率分布变化无明显规律。总体上讲,3种抚育间伐对林分的大小分化度影响不大,T1、T3处理后${\overline U} $的大小比数平均值略有下降,T2基本无变化。

      表 6  不同抚育间伐方式林分采伐前后${U} $频率分布及林分平均大小比数(${\overline U} $

      Table 6.  U frequency distribution and mean value of neighborhood comparison of different thinning treatments before and after thinning

      抚育间伐方式
      Thinning treatment
      伐前 Before thinning伐后 After thinning
      频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline U}$ 频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline U}$
      0.000.250.500.751.000.000.250.500.751.00
      T10.207 20.196 10.205 90.194 70.196 10.494 10.212 30.196 80.202 20.195 40.193 40.490 2
      T20.207 70.204 60.194 20.192 00.201 40.493 70.209 80.197 20.201 40.190 60.200 90.493 9
      T30.204 60.206 50.191 90.201 20.195 80.494 30.209 80.201 60.193 00.198 60.197 00.492 9
    • 不同抚育间伐方式下林分采伐前后的$C$分布及林分平均密集度(${\overline C} $)均值变化情况如表7所示,T1、T2、T3处理样地中$C$取值为1.0的树木所占比例最大,说明林木很密集的结构单元较多。3种处理下${\overline C} $都有不同程度的下降,下降幅度从高到底依次是T3、T2、T1。所有样地中$C$取值为0、0.25、0.50的林木比例上升,$C$取值为1的林木比例下降,说明林分的密集程度得到了改善,由很密集逐渐向比较密集过渡。

      表 7  不同抚育间伐方式林分采伐前后$ { C} $频率分布及林分平均密集度($ {\overline C} $

      Table 7.  C frequency distribution and mean value of crowding degree of different thinning treatments before and after thinning

      抚育间伐方式
      Thinning treatment
      伐前 Before thinning伐后 After thinning
      频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline C} $ 频率分布 Frequency distribution$\scriptstyle {\overline C} $
      0.000.250.500.751.000.000.250.500.751.00
      T10.059 90.138 80.166 40.221 70.413 20.338 30.063 30.140 80.175 20.217 00.403 60.336 3
      T20.021 60.072 40.141 20.216 30.548 60.391 80.023 90.078 20.158 30.221 50.518 00.389 3
      T30.018 50.074 80.163 80.221 10.521 90.384 10.021 90.080 40.183 30.235 70.478 60.378 1
    • 以上4个森林空间结构指标从不同角度说明了常规经营和目标树经营的抚育间伐对单木及林分的影响,但所得出的最优抚育间伐方式的结论并不统一。因此用空间结构综合指数(CSSI)计算各个指标的综合值,为评判森林经营措施的优劣提供直接依据。图2展示了3种抚育间伐处理下CSSI的变化。

      图  2  林分空间结构综合指数(CSSI)变化情况

      Figure 2.  Changes of comprehensive index of spatial structure (CSSI)

      图2可以看出,3种抚育间伐措施后,CSSI都得以提高,林分空间结构均有不同程度的优化,说明抚育间伐没有破坏样地中林木的空间结构情况,而是促使其更加合理。T1、T2、T3措施下CSSI的增加量分别为0.51%、1.04%和1.19%,表明基于目标树经营的抚育间伐对林分空间结构的改善情况优于传统抚育间伐,T2处理对林分的优化程度略高于T3。

    • 相关研究表明目标树经营对促进林木生长、物种多样性并改善群落结构有积极的作用[4547]。本研究结果表明干扰树间伐对蒙古栎次生林目标树以及林分的空间结构都有改善作用,且影响效果优于传统的抚育间伐,说明目标树经营是合理且成功的措施,与陈科屹等[48]的研究结果一致。

      抚育间伐对目标树及林分林木分布格局的影响并不统一,这与吴建强等[49]的研究结果一致。认为林木分布格局具有一定的规律性,无论初始如何分布,最后都会有聚集分布转为随机分布,随机分布转为均匀分布的趋势[5051]。大小比数这一空间结构指标在分析目标树抚育间伐前后大小分化程度时变化趋势明显,而抚育间伐前后林分的大小分化程度变化具有一定的不确定性。这与李建等[17]、赵中华等[52]的研究结果一致:大小比数更适合用于研究种群间的大小分化程度,从而确定某个或是几个种群的优势度。

      本文中各个指标以及空间结构综合指数的变化幅度不大,且T2、T3差别较小。这可能是由于以下两个方面的原因:(1)研究结果体现的是蒙古栎次生林采伐初期的空间结构状况,部分林分空间结构对抚育间伐的响应需要较长时间;(2)本研究所选取的蒙古栎次生林处于中龄阶段,原则上已经晚于标准的选取目标树的时间,而此时的干扰树也较大,采伐后可能会对林分造成过大的扰动,为避免这种情况,本次抚育间伐的强度均控制在10%以内。对于之前未经过持续间伐的蒙古栎中龄林来说,为目标树生长释放足够的空间可能需要更高的采伐强度。

      影响森林空间结构的因素很复杂,指标也很多,目前尚未有大家公认的统一的评价方法。本研究中所构建的林分空间综合指数是基于林分空间结构研究的3个方面和常用的4个指标,且认为林木空间分布格局、林木竞争关系与林分中间隔离程度对空间结构的贡献是相同的,这与董灵波等[38]、李建军等[53]的研究结果相一致,与曾群英等[54]、胡艳波等[55]提出的结构参数的决策优先性不一致。曹小玉等[16]认为林分的垂直结构参数近年来也被广泛研究,但鉴于研究区所在地为温带地区,林层结构相对单一,抚育间伐后的变化微乎其微,因此本研究所采用的空间结构评价指标未考虑垂直结构参数。如何加入其他表征空间结构合理指标,以及这些指标间如何进行联立值得更深入的研究。

      本文侧重基于目标树经营和传统经营的抚育间伐对空间结构的初期效应,而这种初期效应可以持续多久,以及不同的抚育间伐方式和强度对森林空间结构和其他特征指标的长期影响,都值得进一步研究,为蒙古栎次生林的经营提供指导和依据。

    • 从目标树空间结构的变化来看,干扰树采伐后目标树的种间隔离程度、大小分化程度和密集程度3个方面明显改善,林木空间分布格局的变化不明显。从林分的空间结构变化来看,3种抚育间伐均提高了林分内种间隔离程度、降低了密集度,使林分空间分布格局趋向于随机分布。通过空间结构综合指数的分析来看,3种抚育间伐均对林分空间结构的改善起到了积极作用,其中基于目标树经营的抚育间伐对林分的综合空间结构改善效果要优于传统经营的抚育间伐。T3处理,即目标树选择密度约为100 株/hm2情况下采取的抚育间伐最有利于优化林分的空间结构,据此建议蒙古栎次生林可以选择目标树经营体系作业,目标树选择密度约为100 株/hm2

参考文献 (55)

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