競爭強(qiáng)度變化對針闊混交林紅松和水曲柳徑向生長的影響

宣海憧,郭夢昭,高露雙,范春雨

北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院,北京林業(yè)大學(xué)森林資源和環(huán)境管理國家林業(yè)和草原局重點(diǎn)開放性實(shí)驗室,國家林業(yè)和草原局森林經(jīng)營工程技術(shù)研究中心,北京 100083

采伐活動作為主要的人為干擾因素,是調(diào)整森林結(jié)構(gòu)和功能的重要手段[1- 3]一直受到國內(nèi)外眾多研究學(xué)者的關(guān)注[4- 5]。大量研究表明,保留木的生長量隨著采伐強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)上升趨勢[6- 8],Deal和Tappeiner[9]對阿拉斯加西南部的北美鐵杉林和Man等[10]對北方針葉林的研究結(jié)果進(jìn)一步證明了采伐對不同徑級保留木生長量均具有促進(jìn)作用。但也有研究指出,采伐后的1—2年內(nèi)保留木生長量并沒有出現(xiàn)明顯的增加趨勢,甚至隨著采伐強(qiáng)度增加,部分保留木生長量出現(xiàn)降低的現(xiàn)象[11-12]。保留木生長受到物種特性,采伐強(qiáng)度[13]等多種因素的作用。保留木生長與采伐后林內(nèi)其所處競爭環(huán)境的改變程度密切相關(guān),而不同樹種對競爭環(huán)境的響應(yīng)滯后性也將改變保留木生長特征[14],這就導(dǎo)致采伐活動對保留木生長的影響具有一定的復(fù)雜性[15]。

因此,有必要基于物種特性和間伐強(qiáng)度檢驗時間尺度上競爭強(qiáng)度變化對保留木生長的影響,該結(jié)果對于當(dāng)前森林經(jīng)營與管理有著重要意義[16- 17]。本研究基于吉林蛟河針闊混交林內(nèi)2012年進(jìn)行不同間伐強(qiáng)度處理的3塊固定樣地,以頂級樹種紅松和水曲柳為研究對象,試圖回答以下問題：(1) 不同間伐強(qiáng)度下紅松和水曲柳保留木競爭強(qiáng)度變化特征(2) 不同競爭強(qiáng)度變化下保留木生長是否存在差異。

1 研究區(qū)概況和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

2011年7月,在蛟河實(shí)驗區(qū)管理局大坡林場,按照CTFS(Center for Tropical Forest Science,CTFS)標(biāo)準(zhǔn)在地形和林分狀況大體一致的近熟林內(nèi)設(shè)置3塊面積為1 hm2(100 m×100 m)的固定樣地,分別為2號樣地(43°57.9625′N,127°43.5727′E,海拔443 m)、3號樣地(43°57.9087′N, 27°43.4510′E,海拔430 m)和4號樣地(43°57.8784′N，127°43.5560′E海拔447 m),并對樣地內(nèi)DBH≥10 cm全部個體進(jìn)行調(diào)查,調(diào)查項目包括：號牌編碼、物種名稱、胸徑、樹高、枝下高、冠幅(東西長、南北長),并記錄生長狀況(枯立、枯倒、斷頭等)等信息。2012 年12 月以胸高斷面積為指標(biāo)確定間伐強(qiáng)度,按照間密留勻,留優(yōu)去劣的原則,對3塊樣地實(shí)施不同強(qiáng)度的撫育措施,以達(dá)到調(diào)整林分結(jié)構(gòu)和促進(jìn)保留木生長的目的。間伐強(qiáng)度分別為： 2號樣地15%(輕度間伐)、3號樣地30%(中度間伐)和4號樣地50%(重度間伐)。該區(qū)域氣候為溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年均溫在3.7 ℃以下,7月最熱平均氣溫為 21.7 ℃,1月最冷平均氣溫為-18.6 ℃,年均降水量在700 mm左右,地帶性土壤為暗棕色土壤,森林群落類型為典型的針闊混交林,主要喬木樹種包括紅松(Pinuskoraiensis)、千金榆(Carpinuscordata)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、紫椴(Tiliaamurensis)、色木槭(A.mono)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、春榆(Ulmusjaponica)等,主要灌木包括暴馬丁香(Syringareticulata)、瘤枝衛(wèi)矛(Euonymuspauciflorus)和東北鼠李(Rhmamnusdavurica)等。紅松和水曲柳是針闊混交林的頂級樹種。 紅松屬于淺根性樹種,對土壤水分要求較嚴(yán),對土壤的排水和通氣狀況反應(yīng)敏感,不耐濕,不耐干旱,不耐鹽堿。水曲柳喜光、耐寒,喜肥沃濕潤土壤。鑒于兩樹種對生長環(huán)境的敏感度不同,因此,本研究選取典型針葉樹種紅松和闊葉樹種水曲柳為研究對象。

1.2 研究方法

1.2.1 樣芯采集與生長量數(shù)據(jù)獲取

2013 年,2015 年和2017 年分別對間伐樣地進(jìn)行復(fù)測,復(fù)測項目包括：號牌編碼、樹種名稱、胸徑和生長狀況,以確定實(shí)際采伐強(qiáng)度。經(jīng)復(fù)測后計算得出樣地實(shí)際采伐強(qiáng)度分別為17.24%、34.74%和51.87%(表1)。2017 年8 月在2號,3號和4號樣地內(nèi)采集DBH≥10 cm的紅松和水曲柳的保留木胸徑處寬度樣芯(內(nèi)徑 5.15 mm)。將樣芯帶回實(shí)驗室進(jìn)行處理后,利用LINTAB 5 年輪寬度測定儀器獲取紅松和水曲柳的連年徑向生長量(0.01 mm精度),通過COFECHA軟件對數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行驗證,交叉定年核定后,結(jié)合3次復(fù)測的胸徑數(shù)據(jù),重建各樣地內(nèi)紅松和水曲柳歷史胸徑數(shù)據(jù)。

表1 采伐前后樣地林分特征

1.2.2 競爭指標(biāo)選取與量化

根據(jù) Hegyi單木競爭指數(shù)模型公式計算出2012年(間伐當(dāng)年)和2013年(伐后次年)每個競爭木對對象木的競爭指數(shù),將2013年和2012年競爭指數(shù)相減即得該樹種的競爭強(qiáng)度變化程度。本研究設(shè)置了10 m的緩沖區(qū)域排除邊緣效應(yīng),10 m的緩沖區(qū)內(nèi)未選取對象木,僅選取競爭木,從而可以保證距離對象木最近的相鄰木均在樣地內(nèi)。具體計算公式為：

(1)

aba=Hegyi伐后-Hegyi伐前

(2)

式中,Dj代表相鄰樹胸徑(cm),Di代表目標(biāo)樹胸徑(cm),dij代表相鄰樹與目標(biāo)樹距離(m)。aba代表目標(biāo)樹間伐前后競爭指數(shù)的差值,Hegyi伐后為目標(biāo)樹伐后次年的競爭指數(shù),Hegyi伐前為目標(biāo)樹間伐當(dāng)年的競爭指數(shù)。

將樹木競爭指數(shù)變化aba在5%以內(nèi)的樹木定義為競爭強(qiáng)度未發(fā)生變化,競爭指數(shù)變化大于5%的樹木定義為競爭強(qiáng)度變大或變小,將aba為正數(shù)的目標(biāo)樹定義為競爭強(qiáng)度增強(qiáng)的樹木,aba為負(fù)數(shù)的目標(biāo)樹定義為競爭強(qiáng)度減弱的樹木。將競爭強(qiáng)度變化的保留木株數(shù)與各樣地內(nèi)該物種株樹總數(shù)的比值定義為不同物種競爭強(qiáng)度發(fā)生變化的比例。通過配對T檢驗在0.05水平檢驗不同競爭強(qiáng)度變化下保留木徑向生長是否存在差異,以上數(shù)據(jù)分析過程由R 3.6.1完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同間伐強(qiáng)度下紅松和水曲柳競爭強(qiáng)度變化特征

不同間伐強(qiáng)度下紅松和水曲柳競爭強(qiáng)度變化有所不同(表2)。各間伐樣地內(nèi)水曲柳保留木競爭強(qiáng)度發(fā)生變化的單木所占比例基本一致,均達(dá)到65%以上,且有50%的水曲柳保留木的競爭強(qiáng)度均出現(xiàn)減弱的趨勢。而紅松保留木競爭強(qiáng)度發(fā)生變化的單木比例隨著間伐強(qiáng)度增加而有所下降,但發(fā)生競爭減弱的保留木所占比例與間伐強(qiáng)度正相關(guān)。在輕度間伐樣地內(nèi)77%的紅松保留木競爭強(qiáng)度均發(fā)生了變化,其中47%紅松保留木競爭強(qiáng)度減弱,23%的紅松保留木甚至出現(xiàn)競爭強(qiáng)度增加,在中度間伐樣地內(nèi)有64%紅松保留木競爭強(qiáng)度發(fā)生變化,55%的紅松保留木競爭強(qiáng)度減弱,在重度間伐樣地內(nèi)64%紅松保留木競爭強(qiáng)度發(fā)生變化,63%為競爭強(qiáng)度減弱。

表2 不同間伐強(qiáng)度下林木競爭強(qiáng)度變化特征

2.2 不同競爭環(huán)境的紅松和水曲柳保留木徑向生長差異性分析

不同競爭環(huán)境下紅松保留木徑向生長變化趨勢有所不同(圖1)。輕度和重度間伐樣地內(nèi)競爭減弱的紅松保留木徑向生長在間伐后均呈上升趨勢,而中度間伐樣地內(nèi)競爭減弱的紅松保留木和各樣地競爭不變的紅松保留木徑向生長則先出現(xiàn)下降(伐后2年內(nèi)),而后出現(xiàn)上升。不同間伐樣地內(nèi)不同競爭環(huán)境紅松保留木徑向生長增加幅度也存在顯著差異(圖2)。競爭減弱的紅松保留木徑向生長在2015年(伐后第3年)隨著間伐強(qiáng)度升高生長量增加,而競爭不變的紅松保留木徑向生長則未隨著間伐強(qiáng)度增加而呈現(xiàn)任何規(guī)律性的變化。在輕度間伐樣地內(nèi)競爭不變的紅松保留木徑向生長在2013和2014年間(伐后2年內(nèi))徑向生長下降幅度為0.2 mm,而競爭減弱的紅松保留木徑向生長增加幅度為0.35 mm,在2015年(伐后第3年)由伐前競爭不變的紅松保留木徑向生長顯著高于競爭減弱的紅松保留木(P<0.05)轉(zhuǎn)變?yōu)槎卟淮嬖陲@著差異(P=0.92)。而在中度和重度間伐樣地內(nèi)競爭減弱的紅松保留木徑向生長年增量在2015年分別達(dá)到0.69 mm和0.79 mm,使得競爭減弱的紅松保留木徑向生長顯著高于競爭不變的紅松保留木(P<0.05)。

圖1 不同競爭強(qiáng)度下紅松和水曲柳徑向生長量變化趨勢Fig.1 Radial growth tendency of Pinus koraiensis and Fraxinus mandshurica under different competitive intensity

不同競爭環(huán)境下水曲柳保留木徑向生長趨勢基本一致(圖1),均在2013年和2014年(間伐后2年內(nèi))出現(xiàn)生長抑制,而在2015年(伐后第3年)得到促進(jìn),但徑向生長增加幅度有所不同,且競爭減弱的水曲柳保留木徑向生長年增量與間伐強(qiáng)度密切相關(guān)(圖2)。自2014年(伐后第2年),重度間伐樣地內(nèi)競爭減弱的水曲柳徑向生長增加幅度最大,其次為輕度間伐樣地,而在中度間伐樣地內(nèi)增加幅度最低。在輕度間伐樣地內(nèi)競爭減弱的水曲柳保留木徑向生長在伐后第5年顯著高于競爭不變的水曲柳(P<0.05)。在中度和重度間伐樣地內(nèi),競爭減弱的水曲柳保留木徑向生長由間伐前顯著低于競爭不變的水曲柳保留木(P<0.05)轉(zhuǎn)變?yōu)樵诜ズ蟮?年與競爭不變的水曲柳保留木徑向生長不存在顯著差異(P=0.89)。競爭不變的水曲柳保留木徑向生長的年增量與間伐強(qiáng)度沒有明顯的相關(guān)關(guān)系。

圖2 不同間伐強(qiáng)度下紅松和水曲柳保留木徑向生長年增量變化Fig.2 Increment of Pinus koraiensis and Fraxinus mandshurica residual trees under different thinning density

3 討論

不同間伐強(qiáng)度下樹木競爭環(huán)境變化具有明顯差異[19]。本研究三個樣地林分水平采伐強(qiáng)度分別為17.24%、34.74%和51.87%,紅松保留木競爭強(qiáng)度發(fā)生變化的單木比例隨著間伐強(qiáng)度增加而有所下降,但發(fā)生競爭減弱的保留木所占比例與間伐強(qiáng)度正相關(guān),而各樣地內(nèi)水曲柳競爭環(huán)境發(fā)生變化的單木所占比例基本一致。在物種豐富的林分中物種水平的間伐強(qiáng)度的影響可能會突顯[20],本研究各樣地內(nèi)紅松和水曲柳的物種采伐強(qiáng)度與林分水平采伐強(qiáng)度不同,其中紅松的采伐強(qiáng)度分別為14%、11%和18%,而水曲柳的采伐強(qiáng)度為16%、17%和19%。因此,紅松保留木競爭環(huán)境變化對林分水平間伐強(qiáng)度更敏感,而水曲柳保留木競爭環(huán)境可能受到物種水平間伐強(qiáng)度的影響。

采伐干擾下樹木生長與競爭環(huán)境的變化密切相關(guān)[20],前人研究指出保留木徑向生長量與采伐強(qiáng)度間呈正相關(guān)關(guān)系[7],隨著采伐強(qiáng)度的升高保留木直徑的生長也隨之增加[8,21]。本文研究發(fā)現(xiàn)僅競爭減弱的紅松和水曲柳保留木徑向生長與間伐強(qiáng)度密切相關(guān)。競爭減弱的紅松保留木徑向生長在2015年(伐后第3年)呈現(xiàn)隨間伐強(qiáng)度升高生長量增加的趨勢,而水曲柳保留木隨著間伐強(qiáng)度增加呈現(xiàn)先下降而后增加的趨勢。在林分中伐后競爭強(qiáng)度下降的樹種競爭能力增強(qiáng)進(jìn)而生長得到促進(jìn)[22- 23]。采伐活動可能增加森林內(nèi)部的溫度和空氣流動能力,改變林內(nèi)的光照和溫度條件,顯著增加部分樹木進(jìn)行光合作用的強(qiáng)度和時間,進(jìn)而加速植物的蒸騰作用和土壤水分的蒸發(fā),導(dǎo)致部分樹木在伐后的1—2年內(nèi)出現(xiàn)生長下降的現(xiàn)象[24- 25]。采伐后一般能夠提高林內(nèi)降雨量,但由于光照條件增強(qiáng),林內(nèi)空氣濕度有降低趨勢,對土壤溫濕度及土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響[26]。紅松和水曲柳對土壤水分條件的適應(yīng)差異可能是導(dǎo)致間伐后紅松和水曲柳徑向生長變化存在不同的原因,針葉樹和闊葉樹對采伐強(qiáng)度的響應(yīng)差異也有一定的影響[11,27]。競爭減弱的紅松和水曲柳保留木的徑向生長均在2015年(伐后第3年)呈現(xiàn)快速增加趨勢則證實(shí)樹木生長對采伐活動的響應(yīng)可能存在一定的時間延遲[14]

綜上,不同間伐處理下物種競爭強(qiáng)度變化明顯不同,而不同競爭環(huán)境下保留木徑向生長對間伐強(qiáng)度的響應(yīng)也具有一定差異性,其響應(yīng)關(guān)系受到間伐強(qiáng)度和物種特性的共同影響, 51.87%以內(nèi)的間伐強(qiáng)度將有利于65%的競爭減弱紅松保留木徑向生長,而水曲柳保留木徑向生長對間伐強(qiáng)度的響應(yīng)更復(fù)雜,且可能對物種間伐強(qiáng)度更敏感,因此,利用間伐活動調(diào)整針闊混交林林分結(jié)構(gòu)時應(yīng)考慮間伐處理后競爭強(qiáng)度變化的單木所占比例,以及物種水平間伐強(qiáng)度對保留木生長的影響。