撫育間伐對秦嶺南坡銳齒櫟天然次生林生長的影響

李杰茹，黨坤良*，王先初，強(qiáng)浪浪

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西 楊陵 712100；2.陜西省石泉縣林業(yè)局，陜西 石泉 725200)

秦嶺是我國中部重要的生態(tài)屏障及南水北調(diào)工程的水源地，在保障我國中部地區(qū)生態(tài)安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展方面具有重要作用。秦嶺林區(qū)地理位置特殊，地形復(fù)雜，森林群落類型多樣，垂直帶譜明顯。銳齒櫟(Quercusalienavar.acuteserrata)林作為秦嶺山地森林群落主要構(gòu)譜成分之一，其分布面積不僅較大，而且空間范圍較廣，在秦嶺林區(qū)森林生態(tài)系和森林植被資源中具有重要位置。20世紀(jì)50年代，由于秦嶺林區(qū)不合理的采伐作業(yè)方式，使得現(xiàn)有銳齒櫟中幼齡次生林多數(shù)存在生產(chǎn)力低下和穩(wěn)定性較差等問題[1,2]，因此，探尋秦嶺林區(qū)銳齒櫟天然次生林科學(xué)有效的經(jīng)營措施具有重要意義。

撫育間伐是對森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)經(jīng)營的重要措施，是優(yōu)化森林結(jié)構(gòu)、提高森林生產(chǎn)力及質(zhì)量的主要途徑[3]。關(guān)于撫育間伐對森林組分和生態(tài)功能等各方面的影響研究成果較多[4-6]，其中M.Newtonetal[7]通過研究間伐對北美云杉(Piceasitchensis)和異葉鐵杉(Tsugaheterophylla)生長的影響，認(rèn)為撫育間伐有利于促進(jìn)樹木胸徑和斷面積的增長；徐金良等[8]研究了間伐對杉木(Cunninghamialanceolata)人工林生長的影響，認(rèn)為間伐可以顯著提高林木平均胸徑和單株材積的增加；尤文忠等[9]通過研究間伐對蒙古櫟(Q.mongolica)次生林的影響，認(rèn)為間伐能顯著提高林分蓄積定期生長量累計(jì)以及定期生長量。關(guān)于秦嶺林區(qū)銳齒櫟林的研究頗多，主要集中在撫育間伐對銳齒櫟林光合特性的影響[10]、銳齒櫟種群空間分布格局[11]、林木個(gè)體生長[12]、生態(tài)位特征[13]和碳密度[14]等方面，關(guān)于撫育間伐對銳齒櫟林分生長方面的研究甚少。本研究以秦嶺南坡銳齒櫟林為對象，探討撫育間伐對其林分胸徑和蓄積的影響以及動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，為秦嶺林區(qū)銳齒櫟林的進(jìn)行科學(xué)經(jīng)營提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)樣地設(shè)置在秦嶺南坡銳齒櫟林分布較廣的陜西省寧東林業(yè)局沙溝林場，地理位置為33°43′-34°47′N ，108°33′-108°48′E。本區(qū)為山地溫帶氣候類型，年平均氣溫6℃～10℃，年降水量920～1 230 mm，生長期6個(gè)月；土壤類型為山地棕色森林土，平均厚度約50 cm，成土母巖主要為花崗巖、片麻巖和變質(zhì)砂巖；該區(qū)森林均為20世紀(jì)80年代人為采伐后通過天然更新形成的次生林；森林類型主要有銳齒櫟林、油松林、華山松林、松櫟混交林和松樺混交林等。主要成林樹種有銳齒櫟、油松(Pinustabuliformis)、華山松(P.armandii)、紅樺(Betulaalbosinensis)等，伴生樹種有山楊(Populusdavidiana)、漆樹(Toxicodendronvernicifluum)、青榨槭(Acerdavidii)等。研究區(qū)概況見表1。

表1 樣地基本概況Table 1 A survey of natural secondary forest sample plots of Quercus aliena var.acuteserrata in the Shagou Forest Farm

1.2 樣地設(shè)置

2012年3-4月在陜西省寧東林業(yè)局沙溝林場選取立地條件和林分特點(diǎn)基本相同的地段，設(shè)置12塊銳齒櫟林研究固定樣地，樣地面積為20 m×30 m；在對樣地立地和林分因子調(diào)查的基礎(chǔ)上，按照蓄積強(qiáng)度0%(CK)、5%、10%、15%、20%和25%分別進(jìn)行間伐處理，每個(gè)處理及對照(CK)樣地重復(fù)2次，并設(shè)置界樁和標(biāo)志牌，以便長期觀測研究。

1.3 樣品采集

2018年10月對各研究樣地林木進(jìn)行每木檢尺，起測徑階為4 cm徑階，并以2 cm進(jìn)行林木徑階劃分；按照研究樣地內(nèi)林木各徑階的分布和數(shù)量，分別選取3～5株標(biāo)準(zhǔn)木，利用生長錐在標(biāo)準(zhǔn)木胸高處東西和南北2個(gè)方位分別獲取木芯，在測量木芯長度后，將其放置于自制的紙筒內(nèi)，并進(jìn)行標(biāo)記和編號，帶回實(shí)驗(yàn)室，以便室內(nèi)分析。

1.4 內(nèi)業(yè)處理

將獲取的木芯置于實(shí)驗(yàn)室，經(jīng)常溫風(fēng)干2周后，對木芯進(jìn)行處理并測量，計(jì)算樣芯干濕長度比為0.969，誤差較小。將木芯固定在特制木槽內(nèi)，待晾干后用200目和1 000目的砂紙進(jìn)行打磨；利用WinDENDRO年輪分析儀測定年輪寬度。

1.5 數(shù)據(jù)處理

1.5.1 林分平均胸徑(Dg)

(1)

式中，G為林分總斷面積/cm2，N為林分林木總株數(shù)。

1.5.2 試驗(yàn)期林分總生長量(胸高總斷面積和蓄積)(Z) 為林分在試驗(yàn)期7 a間的總生長量，

Z=d2018-d2012伐后

(2)

式中，d2018為2018年時(shí)的測定量，d2012伐后為2012年間伐后的測定量。

1.5.3 試驗(yàn)期平均生長量θ

(3)

式中，Zt為試驗(yàn)期第t年時(shí)的林分生長量，nt為試驗(yàn)期第t年距2012年所間隔的年數(shù)。

1.5.4 試驗(yàn)期連年生長量 樹木一年間的生長量。

Z=dt-dt-1

(4)

式中，dt為試驗(yàn)期第t年時(shí)的測定量,dt-1為試驗(yàn)期第t-1年時(shí)的測定量。

1.5.5 試驗(yàn)期總增長率

(5)

1.5.6 試驗(yàn)期平均年增長率

(6)

式中，pi為在試驗(yàn)期第i年的增長率，i=1,2,3,…,7。

1.5.7 蓄積量 通過一元材積表獲得各徑階林木的單株材積，各徑階蓄積之和即為樣地蓄積。

(7)

式中，k為徑階數(shù)，Vi為第i徑階單株材積(m3)，ni為相應(yīng)徑階的林木株數(shù)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2016進(jìn)行處理分析，運(yùn)用SPSS20.0軟件對林木生長指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析和Duncan多重比較，使用Origin9繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同強(qiáng)度間伐對林分生長的影響

2.1.1 間伐對林分胸高斷面積生長的影響 撫育間伐對銳齒櫟林分的胸高斷面積生長有明顯促進(jìn)作用(表2)，間伐7 a后，5%林分胸高斷面積最高，為24.78 m2·hm-2，CK次之，其余各組從大到小依次是10%、15%、20%和25%。方差分析表明，5%樣地林分胸高斷面積>CK，除10%樣地林分胸高斷面積與CK差異不顯著(P>0.05)，其余各組均呈顯著差異(P<0.05)。林分胸高斷面積總增長量和年均增長量最大值均為5%樣地，分別為9.14 m2·hm-2和1.31 m2·hm-2，方差分析表明，5%～20%樣地林分胸高斷面積年均增長量和總增長量均>CK，除25%樣地林分胸高斷面積年均增長量和總增長量與CK差異均不顯著(P>0.05)，其余各組間均呈顯著差異(P<0.05)。間伐后5%～25%各組樣地的林分胸高斷面積年均增長率和總增長率均>CK，且與CK均呈顯著差異(P<0.05)。與未間伐樣地相比，間伐后林分胸高斷面積年均增長率提高了24.32%～41.37%，林分胸高斷面積總增長率提高了28.86%～49.94%。

表2 不同間伐強(qiáng)度下銳齒櫟林胸高斷面積生長情況Table 2 Growth information of basal area at breast height of Quercus aliena var.acuteserrata forest under different thinning intensities

2.1.2 間伐對林分蓄積量生長的影響 撫育間伐對銳齒櫟林分蓄積量生長有明顯促進(jìn)作用(表3)，間伐7 a后，5%樣地的林分蓄積量最大，為150.07 m3·hm-2，其余樣地林分蓄積量從大到小依次為10%、CK、15%、20%和25%。方差分析表明，在間伐7 a后，各組林分蓄積量相互間均呈顯著差異(P<0.05)。林分蓄積量的總增長量和年均增長量最高也均為5%樣地林分，其中5%～20%樣地林分蓄積量的年均增長量和總增長量均>CK，25%樣地林分蓄積量的年均增長量和總增長量均CK，且與CK均呈顯著差異(P<0.05)，林分蓄積量的年均增長率提高了23.12%～38.18%，林分蓄積總增長率提高了28.06%～47.58%。

表3 不同間伐強(qiáng)度下銳齒櫟林蓄積量生長情況Table 3 Growth information of the accumulation of Q.aliena var.acuteserrata forest under different thinning intensities

2.2 不同強(qiáng)度間伐林分蓄積量的動(dòng)態(tài)變化

各間伐樣地林木蓄積量與CK的動(dòng)態(tài)差異表明，隨著時(shí)間的推移，各間伐樣地林分的蓄積量與CK差距均逐漸減小，并且最終會(huì)超越CK(表4)。在間伐7 a后5%和10%樣地的林分蓄積量>CK。5%樣地林分蓄積量在間伐4 a后與CK持平，10%樣地林分蓄積量在間伐7 a后與CK持平，并且5%～10%樣地林分蓄積量有明顯提高。由此得出，間伐強(qiáng)度對林分蓄積量增長和累積速度有明顯影響，5%～10%間伐強(qiáng)度林分的蓄積量在相對較短的時(shí)間(4～7 a)可以達(dá)到并超越未間伐樣地林分蓄積水平，15%～25%間伐強(qiáng)度林分蓄積量仍需較長時(shí)間才能確定是否趕上未間伐樣地林分蓄積量水平。

表4 不同間伐強(qiáng)度下2012-2018年銳齒櫟林分蓄積量的變化Table 4 Changes of forest accumulation of Q.aliena var.acuteserrata under different thinning intensities from 2012 to 2018

2.3 間伐對銳齒櫟林分生長過程的影響

2.3.1 間伐對林分胸高斷面積生長過程的影響 間伐有利于促進(jìn)銳齒櫟林林分胸高斷面積連年生長量和平均生長量的增長，間伐后5%～15%樣地林分的胸高斷面積連年生長量和平均生長量顯著提高，其中5%樣地林分胸高斷面積連年生長量和平均生長量增長趨勢最顯著。由圖1A1、A2可知，各個(gè)樣地林分的連年生長量曲線和平均生長量曲線呈現(xiàn)出不同幅度的增長變化，表明銳齒櫟林分胸高斷面積還處在生長旺盛期。與CK相比，5%～15%樣地林分胸高斷面積的連年生長量和平均生長量呈現(xiàn)出明顯的快速遞增趨勢，低密度林分20%～25%樣地林分胸高斷面積的平均生長量變化與CK基本相似。表明中低強(qiáng)度間伐(5%～15%)可以在短時(shí)間內(nèi)快速增加林分胸高斷面積連年生長量，而高強(qiáng)度間伐(20%～25%)下的林分則受制于林木株數(shù)的減少，林分胸高斷面積連年生長量增加不明顯。

2.3.2 間伐對林分蓄積量生長過程的影響 間伐對銳齒櫟林分蓄積連年生長量和平均生長量有明顯的促進(jìn)作用，5%～25%樣地林分的蓄積連年生長量和平均生長量均表現(xiàn)為顯著遞增趨勢。由圖1A3、A4可知，5%～15%間伐樣地林分蓄積連年生長量和平均生長量明顯>CK。在2013年后，間伐后林分蓄積連年生長量基本表現(xiàn)為5%>10%>15%>20%>25%，其中25%樣地林分蓄積連年生長量曲線變化趨勢與CK接近重合。表明間伐后對銳齒櫟林分蓄積連年生長量增長有積極地促進(jìn)作用，中低強(qiáng)度(5%～15%)間伐強(qiáng)度下的林分蓄積連年生長量可以在短時(shí)間內(nèi)高速增長，而高強(qiáng)度(20%～25%)間伐強(qiáng)度下的林分蓄積連年生長量持續(xù)平穩(wěn)增長。

注：A1:不同間伐強(qiáng)度下林分胸高斷面積連年生長量；A2.不同間伐強(qiáng)度下林分胸高斷面積平均生長量；A3.不同間伐強(qiáng)度下林分蓄積連年生長量；A4.不同間伐強(qiáng)度下林分蓄積平均生長量。圖1 不同間伐強(qiáng)度下銳齒櫟林分的胸高斷面積和蓄積連年生長量和平均生長量變化Fig.1 Current annual increment and mean annual growth increment of the area at breast height and stand volume of Q.aliena var.acuteserrata forest under different thinning intensities

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

撫育間伐可以提高銳齒櫟林分胸高斷面積和蓄積量的增長，間伐7 a后各間伐林分的胸高斷面積和蓄積量的增長率相比CK均顯著提高，其中間伐強(qiáng)度5%樣地林分胸高斷面積和蓄積量及其增長量和增長率均為最高。

5%～10%低間伐強(qiáng)度林分蓄積量可以在相對較短時(shí)間內(nèi)趕超未間伐林分蓄積量，間伐強(qiáng)度越大的林分，則需要更長的時(shí)間才能確定是否可以趕超未間伐樣地林分蓄積量。

5%～15%中低強(qiáng)度間伐下林分胸高斷面積和蓄積連年生長量可以在較短年限內(nèi)高速增長，而20%～25%高間伐強(qiáng)度下林分胸高斷面積和蓄積連年生長量則維持平穩(wěn)增長，與未間伐樣地變化趨勢相近。

本研究中的5種間伐強(qiáng)度，秦嶺南坡銳齒櫟天然次生林森林撫育作業(yè)應(yīng)以5%間伐強(qiáng)度為宜。

3.2 討論

撫育間伐可以改善林內(nèi)環(huán)境，使林分可利用的資源優(yōu)化且相對充足，例如生存空間擴(kuò)大，減少樹木間競爭，光照與水分更加充足[15]。T.P.Sullivanetal[16]研究了不同間伐強(qiáng)度對美國黑松(P.contorta)的影響，得出低間伐強(qiáng)度林分蓄積量及增長量最大，未間伐樣地次之，中度和重度間伐則小于未間伐樣地；明安剛等[17]研究了不同間伐強(qiáng)度對馬尾松(P.massoniana)人工林生物量的影響，認(rèn)為間伐有利于提高喬木層生物量，輕度間伐效果最佳；M.Zasadaetal[18]在古賓林區(qū)進(jìn)行了為期10 a的分析試驗(yàn)，認(rèn)為低間伐強(qiáng)度和采伐年限長的方式最有利于生物量的積累，結(jié)論與本研究結(jié)果相似。K.Glencrossetal[19]和孫洪剛等[20]分別通過研究間伐對鄧恩桉(Eucalyptusdunnii)和杉木的影響，認(rèn)為間伐對林分總斷面積沒有影響，最終林分?jǐn)嗝娣e會(huì)趨于一致，這與本研究結(jié)果存在出入，這種差異可能跟林分類型和立地條件的不同有關(guān)。龔固堂等[21]通過研究柏木(Cupressusfunebris)人工林，認(rèn)為蓄積量增長率會(huì)隨間伐強(qiáng)度的增大而增大；賈忠奎等[22]通過研究間伐對華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)的影響也得出類似結(jié)論。在本研究中，沙溝林場的銳齒櫟林分胸高斷面積和蓄積量增長率均為5%間伐強(qiáng)度樣地最高，可能的原因是雖然高強(qiáng)度間伐樣地的單株材積增長率迅速增大，但是高強(qiáng)度間伐使得林分密度迅速下降，而單株材積增長的優(yōu)勢在間伐一定年限后基本消失[23]，因此高強(qiáng)度間伐樣地整體林分單位面積蓄積量生長速率較低。

間伐強(qiáng)度通過對林木生長環(huán)境的影響，進(jìn)而影響林分蓄積量的積累。在本研究中，低間伐強(qiáng)度(5%～10%)林分能在生長短時(shí)間內(nèi)利用較高的蓄積量生長速率來彌補(bǔ)間伐移除的蓄積量，銳齒櫟林在間伐7 a后，低間伐強(qiáng)度(5%～10%)樣地的林分蓄積量均趕超CK，而自間伐年起，隨時(shí)間的推移中高間伐強(qiáng)度(15%～25%)樣地的林分蓄積量與CK的差值逐步減小。很多學(xué)者針對間伐是否能提高林分總蓄積量做了研究，得出的結(jié)果不盡相同，潘輝等[24]研究了不同間伐對巨尾桉(E.grandis×E.urophylla)林生長的影響，得出1/3間伐強(qiáng)度林分的蓄積量優(yōu)于未間伐和其他間伐強(qiáng)度林分，但經(jīng)方差分析，差異并不顯著；B.R.Knoeboletal[25]通過不同間伐強(qiáng)度對美國鵝掌楸(Liriodendrontulipifera)的研究認(rèn)為間伐會(huì)降低林分蓄積量。針對間伐對林分蓄積量的影響結(jié)果的不同，大部分學(xué)者認(rèn)為到主伐時(shí)才可做結(jié)論[26]。從本研究中可以看出間伐后為林分蓄積生長提供了較為優(yōu)越的生活環(huán)境，還為林分蓄積量繼續(xù)的生長和積累提供了更大的空間。

通過對銳齒櫟林生長過程的研究，得出間伐對銳齒櫟林分胸高斷面積和蓄積連年生長量和平均生長量的增長有促進(jìn)作用。原因是未間伐樣地在自然狀態(tài)下，林分生長的平均生長量均呈現(xiàn)穩(wěn)定且緩慢的增長趨勢，而林分在間伐后林木迅速生長即生長旺盛期，間伐后各樣地的平均生長量均表現(xiàn)為遞增趨勢[27]。目前沙溝林場銳齒櫟林仍處在生長旺盛期階段，中低強(qiáng)度(5%～15%)間伐林分連年生長量在短期內(nèi)已經(jīng)達(dá)到高速生長，高強(qiáng)度(20%～25%)間伐連年生長量與CK則保持平穩(wěn)增長。由于銳齒櫟林分的蓄積平均生長量曲線呈增長趨勢，并未達(dá)到峰值，且蓄積連年生長量曲線仍有增長趨勢，因此該林分第1次采伐距第2次采伐的合理年限在7 a以上。