撫育采伐強(qiáng)度對天然落葉松林林分結(jié)構(gòu)和蓄積的影響1)

李存慶 董靈波 劉兆剛

(森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)經(jīng)營教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(東北林業(yè)大學(xué))，哈爾濱，150040)

林分結(jié)構(gòu)是森林經(jīng)營和分析中的一個重要因子，是對林分發(fā)展過程，如更新方式、競爭、自稀疏和經(jīng)歷的干擾活動的綜合反映[1]，林分結(jié)構(gòu)的合理與否對林分蓄積的影響是至關(guān)重要的。根據(jù)是否與距離有關(guān)，林分結(jié)構(gòu)分為非空間結(jié)構(gòu)和空間結(jié)構(gòu)，非空間結(jié)構(gòu)包括林分物種多樣性、冠層結(jié)構(gòu)、樹種組成、林木徑級結(jié)構(gòu)以及更新特征等[2-6]，空間結(jié)構(gòu)包括樹種隔離程度、林木競爭、林木分布格局等[7-9]。撫育采伐作為森林可持續(xù)經(jīng)營的一項(xiàng)重要措施，會對森林的林分結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，科學(xué)合理的撫育采伐有助于改善林分結(jié)構(gòu)，促進(jìn)森林可持續(xù)經(jīng)營。近些年，針對撫育采伐對林分結(jié)構(gòu)和蓄積的研究很多[3，10-11]。這些研究主要通過方差分析、回歸分析等方法進(jìn)行分析，但都無法描述影響因素對評價指標(biāo)的直接影響、間接影響和總影響以及多個影響因素與評價指標(biāo)之間的交互作用。結(jié)構(gòu)方程模型(SEM)整合了路徑分析、多元回歸和因子分析，可同時分析多個因果關(guān)系，這是傳統(tǒng)方法所不具備的[12]。結(jié)構(gòu)方程模型目前已被廣泛應(yīng)用到心理學(xué)、醫(yī)學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、衛(wèi)生統(tǒng)計等方面[13-16]，但在林業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用很少[17-18]，有廣泛的應(yīng)用前景。

本研究以大興安嶺天然落葉松林為研究對象，在已有研究成果基礎(chǔ)上選取林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)，以林分結(jié)構(gòu)(ξ1)為評價指標(biāo)及分別以林分非空間結(jié)構(gòu)(ξ2)和林分空間結(jié)構(gòu)(ξ3)為評價指標(biāo)，并加入撫育強(qiáng)度(T)、林分單位蓄積(V)構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型，分析撫育采伐與林分結(jié)構(gòu)、林分蓄積之間的因果關(guān)系，以期為該地區(qū)森林的可持續(xù)經(jīng)營提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于大興安嶺地區(qū)新林林業(yè)局(123°41′～125°25′E，51°20′～52°10′N)，林分類型為天然落葉松林。該地區(qū)地勢較為平緩，為寒冷濕潤氣候區(qū)，氣溫年較差和日較差都很大，年平均積溫不足1 600 ℃，屬于寒溫帶大陸性氣候。該地區(qū)最高氣溫可達(dá)到37.9 ℃，最低氣溫達(dá)到-50.1 ℃，年降水量為513.9 mm，且分布不均，主要降水多集中在7—8月份。主要喬木樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)，還有白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、樟子松(Pinussylvestrisvar.monggolica)等；下層植被主要為杜香(LedumpalustreL.)、越橘(Vacciniumvitis-idaeaLinn.)等[19]。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

在全面踏查的基礎(chǔ)上，2018年7—9月份在大興安嶺新林及翠崗林場對2012年進(jìn)行撫育的天然落葉松林共計83塊樣地進(jìn)行調(diào)查。樣地?fù)嵊绞綖橄聦訐嵊?，樣地大小?0 m×30 m，測量并記錄樣地的樣地號、大小、海拔、樹種、胸徑(D≥5 cm)、樹高、相對坐標(biāo)位置、撫育強(qiáng)度以及林下更新數(shù)量等。樣地基本信息見表1。

表1 撫育樣地基本信息

2.2 指標(biāo)選取

本文依據(jù)已有研究，篩選能夠更好地評價林分結(jié)構(gòu)的指標(biāo)，分別為平均胸徑(D)、樹種組成指數(shù)(Z)、更新豐富度(R)、Simpson指數(shù)(S)、全混交度(MCi)、角尺度(W)等。

平均胸徑D=(∑di)/N，i=1、2、…、N。式中：N為林木株數(shù)；di為第i樹種胸徑。

樹種組成指數(shù)(Z)是反映林分樹種多樣性的定量指標(biāo)，計算公式[20]為Z=-∑(pilogpi)，i=1、2、…、n。式中：n為樹種個數(shù)；pi為第i樹種蓄積比例；log為以10為底的對數(shù)。

全混交度(MCi)不僅考慮了空間結(jié)構(gòu)單元中鄰近木之間的隔離程度，還考慮了林分空間結(jié)構(gòu)單元的物種多樣性Simpson指數(shù)，計算公式[21]為MCi=(1/2)(Di+Ci/ni)Mi。式中：MCi為中心木i的全混交度；Di為中心木i所在空間結(jié)構(gòu)單元的Simpson指數(shù)；Mi為簡單混交度；Ci為對象木的最近鄰木中成對相鄰木非同種的個數(shù)；ni為最近相鄰木株數(shù)。

角尺度(W)作為一個測度林木空間分布格局的林分結(jié)構(gòu)參數(shù)，對林木分布具有良好的判別能力，計算公式[22]為Wi=(1/4)∑Zij，j=1、2、3、4。式中：Zij定義為一個離散變量，當(dāng)中心木比第j株相鄰木小時Zij=1，反之，Zij=0。

對林分指標(biāo)及林分單位蓄積(V)進(jìn)行計算，需要說明的是，林分角尺度的取值范圍為Wi∈(0,1]，它的最優(yōu)值為接近0.5的隨機(jī)分布，為了更好地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，將角尺度值同時減去0.5并取絕對值，使其范圍變?yōu)閃i∈(0,0.5]，最優(yōu)值為接近0的數(shù)值[23]。

2.3 模型構(gòu)建及數(shù)據(jù)處理

與傳統(tǒng)的多元回歸、方差分析、路徑分析等不同，結(jié)構(gòu)方程模型并不局限于觀察變量因果關(guān)系的分析，結(jié)構(gòu)方程模型是在路徑分析模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的通過對變量協(xié)方差進(jìn)行關(guān)系建模的多元統(tǒng)計方法[24]。結(jié)構(gòu)方程模型可分解為兩部分：測量模型和結(jié)構(gòu)模型，模型構(gòu)建及分析步驟可分為三步[25]：①理論分析及模型設(shè)定——模型構(gòu)建須在已有的研究結(jié)果或理論基礎(chǔ)上提出理論模型，包括指標(biāo)的選取、變量之間關(guān)系的假設(shè)等。②模型識別及指標(biāo)篩選——一般模型分析所用的樣本數(shù)量為指標(biāo)數(shù)量的10倍以上，即認(rèn)為模型可識別，然后在模型識別的基礎(chǔ)上進(jìn)行指標(biāo)篩選。③模型分析及評價——數(shù)據(jù)建模時，一般采用極大似然估計(ML)，有研究指出，數(shù)據(jù)的偏態(tài)及峰態(tài)(絕對值)分別小于2和7時(中度非正態(tài))，采用極大似然估計是可以接受的[26]。模型構(gòu)建完成后需進(jìn)行模型評價，評價指標(biāo)有比較擬合指數(shù)(ICF)、卡方自由度比(χ2/df)、標(biāo)準(zhǔn)化殘差均方根(RSRM)等。

本研究選取平均胸徑(D)、樹種組成指數(shù)(Z)、更新豐富度(R)、Simpson指數(shù)(S)、全混交度(MCi)、角尺度(W)等6個指標(biāo)，樣本數(shù)量為83個，滿足10倍以上樣本量的要求，且數(shù)據(jù)偏態(tài)及峰態(tài)絕對值均分別小于2和7，因此采用極大似然估計對模型進(jìn)行估計具有可靠性，建模前已對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。數(shù)據(jù)處理及模型構(gòu)建通過軟件R3.4.3、MPLUS7.4完成。

3 結(jié)果與分析

3.1 林分空間指標(biāo)

由表2可見，輕、中、重度采伐林分與對照組(CK)林分相比，林分平均胸徑(D)均有所增加，其中重度采伐林分的林分平均胸徑最高(12.64 cm)；輕、中、重度采伐林分的樹種組成指數(shù)(Z)、更新豐富度(R)、Simpson指數(shù)(S)等指標(biāo)與對照組林分相比并無明顯變化，其中中度采伐林分的樹種組成指數(shù)(0.251 0)略高于其它組；輕、中、重度采伐林分與對照組林分相比，全混交度(MCi)均有所增加，其中中度采伐林分的全混交度(0.231 9)略高于其它組；輕、中、重度采伐林分的角尺度(W)指標(biāo)均高于對照組，但輕、中、重度3組采伐林分的角尺度隨著撫育強(qiáng)度增加而降低。以上結(jié)果均依據(jù)指標(biāo)均值進(jìn)行分析，且結(jié)果不具同質(zhì)性，不能很好地描述撫育強(qiáng)度對林分結(jié)構(gòu)和蓄積的影響，因此本研究構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型。數(shù)據(jù)的偏度和峰度絕對值分別小于2和7(見表3)，表明數(shù)據(jù)處于中度非正態(tài)，可用于數(shù)據(jù)建模。

表2 撫育樣地林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)信息

表3 林分結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)統(tǒng)計量

3.2 評價指標(biāo)為林分結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方程模型

撫育采伐對林分結(jié)構(gòu)和林分蓄積均有一定的影響，林分結(jié)構(gòu)同樣也會對林分蓄積產(chǎn)生影響。在此基礎(chǔ)上，本研究用平均胸徑(D)、樹種組成指數(shù)(Z)、更新豐富度(R)、Simpson指數(shù)(S)、全混交度(MCi)、角尺度(W)等林分結(jié)構(gòu)指標(biāo)評價林分結(jié)構(gòu)(ξ1)，加入撫育強(qiáng)度(T)及林分單位蓄積(V)構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型(模型1)，模型評價指標(biāo)的比較擬合指數(shù)(ICF)為0.865，大于可接受值0.7；標(biāo)準(zhǔn)化殘差均方根(RSRM)為0.078，小于臨界值0.08；卡方自由度比值為1.95，其值小于5；因此模型擬合較好[17]，模型擬合結(jié)果見圖1及表4(模型運(yùn)行前數(shù)據(jù)已進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化)。

由圖1、表4可見：平均胸徑(D)、樹種組成指數(shù)(Z)、更新豐富度(R)、Simpson指數(shù)(S)、全混交度(MCi)、角尺度(W)等指標(biāo)，可以很好地評價林分結(jié)構(gòu)(ξ1)；參數(shù)估計顯著性，基本達(dá)到顯著水平。

模型1中，撫育強(qiáng)度(T)與林分結(jié)構(gòu)(ξ1)的相關(guān)系數(shù)為0.108，表明撫育強(qiáng)度與林分結(jié)構(gòu)呈正相關(guān)，即隨著撫育強(qiáng)度的提高，林分結(jié)構(gòu)趨于優(yōu)化；撫育強(qiáng)度(T)與林分單位蓄積(V)的相關(guān)系數(shù)為-0.221，表明撫育強(qiáng)度與林分單位蓄積呈負(fù)相關(guān)；林分結(jié)構(gòu)(ξ1)與林分單位蓄積(V)的相關(guān)系數(shù)為0.285，表明林分結(jié)構(gòu)與林分單位蓄積呈正相關(guān)，即隨著林分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，林分單位蓄積是增加的。

D為平均胸徑，Z為樹種組成指數(shù)，R為更新豐富度，S為Simpson指數(shù)，MCi為全混交度，W為角尺度，V為林分單位蓄積，δ、ε為測量誤差，γ為殘差值。

表4 模型1參數(shù)顯著性估計

3.3 評價指標(biāo)為林分非空間結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)方程模型

林分結(jié)構(gòu)可分為林分非空間結(jié)構(gòu)、林分空間結(jié)構(gòu)，為了更好地分析撫育采伐與林分結(jié)構(gòu)、林分蓄積之間的關(guān)系，本研究用平均胸徑(D)、樹種組成指數(shù)(Z)、更新豐富度(R)、Simpson指數(shù)(S)等指標(biāo)評價林分非空間結(jié)構(gòu)(ξ2)，用全混交度(MCi)、角尺度(W)等指標(biāo)評價林分空間結(jié)構(gòu)(ξ3)，加入撫育強(qiáng)度(T)及林分單位蓄積(V)構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型(模型2)，模型評價指標(biāo)的比較擬合指數(shù)(ICF)為0.844，大于可接受值0.7；標(biāo)準(zhǔn)化殘差均方根(RSRM)為0.079，小于臨界值0.08；卡方自由度比值為2.23，其值小于5；因此模型擬合較好，模型擬合結(jié)果見圖2、表5(模型運(yùn)行前數(shù)據(jù)已進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化)。

由圖2、表5可見：平均胸徑(D)、樹種組成指數(shù)(Z)、更新豐富度(R)、Simpson指數(shù)(S)等指標(biāo)，可以良好地評價林分非空間結(jié)構(gòu)(ξ2)；全混交度(MCi)、角尺度(W)等指標(biāo)，也可以很好地評價林分空間結(jié)構(gòu)(ξ3)；參數(shù)估計顯著性，基本達(dá)到顯著水平。

D為平均胸徑，Z為樹種組成指數(shù)，R為更新豐富度，S為Simpson指數(shù)，MCi為全混交度，W為角尺度，V為林分單位蓄積，δ、ε為測量誤差，γ為殘差值。

表5 模型2參數(shù)顯著性估計

模型2中，撫育強(qiáng)度(T)與林分非空間結(jié)構(gòu)(ξ2)的相關(guān)系數(shù)為-0.019，表明撫育強(qiáng)度與林分非空間結(jié)構(gòu)呈負(fù)相關(guān)；撫育強(qiáng)度(T)與林分空間結(jié)構(gòu)(ξ3)的相關(guān)系數(shù)為0.113，表明撫育強(qiáng)度與林分空間結(jié)構(gòu)呈正相關(guān)，且撫育強(qiáng)度對林分空間結(jié)構(gòu)的影響大于對林分非空間結(jié)構(gòu)的影響；撫育強(qiáng)度(T)與林分單位蓄積(V)的相關(guān)系數(shù)為-0.210，表明撫育強(qiáng)度與林分單位蓄積呈負(fù)相關(guān)，與模型1結(jié)果相同；林分非空間結(jié)構(gòu)(ξ2)、林分空間結(jié)構(gòu)(ξ3)，兩者與林分單位蓄積(V)相關(guān)系數(shù)分別為0.377、0.093，均呈正相關(guān)，且林分非空間結(jié)構(gòu)對林分單位蓄積的影響大于林分空間結(jié)構(gòu)對林分單位蓄積的影響。林分空間結(jié)構(gòu)(ξ3)與林分非空間結(jié)構(gòu)(ξ2)的相關(guān)系數(shù)為0.892，表明林分空間結(jié)構(gòu)與非空間結(jié)構(gòu)呈正相關(guān)。

4 討論

撫育采伐能夠優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)。模型1中，撫育強(qiáng)度與林分結(jié)構(gòu)呈正相關(guān)(0.108)，即隨著撫育強(qiáng)度的提高，林分結(jié)構(gòu)趨于優(yōu)化。模型2中，撫育強(qiáng)度與林分非空間結(jié)構(gòu)為負(fù)相關(guān)關(guān)系(-0.019)，是由于撫育采伐對于林分物種多樣性的影響并不大；有研究認(rèn)為，物種的數(shù)量隨間伐強(qiáng)度的增加而沒有出現(xiàn)顯著的變化[27]，還有一些研究認(rèn)為，撫育采伐會產(chǎn)生人為干擾，不同物種之間競爭越發(fā)激烈，導(dǎo)致林分更新多樣性降低[3]。撫育強(qiáng)度與林分空間結(jié)構(gòu)為正相關(guān)關(guān)系(0.113)，這與許多研究結(jié)果一致[28-29]；撫育采伐會促進(jìn)林分空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，降低林分空間結(jié)構(gòu)異質(zhì)性，提高林分樹種混交度的同時，降低林分角尺度，使得林木個體空間分布趨向隨機(jī)分布，林木個體獲得更大的生存及營養(yǎng)空間。撫育強(qiáng)度對林分空間結(jié)構(gòu)的影響，大于對林分非空間結(jié)構(gòu)的影響，這是由于林分空間結(jié)構(gòu)指標(biāo)均與林分內(nèi)林木個體的空間分布有關(guān)，撫育采伐會減少林分內(nèi)林木數(shù)量，改變林分內(nèi)林木個體空間分布，因此會更直接地對林分空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

撫育采伐會降低林分蓄積量。模型1、模型2中，撫育強(qiáng)度與林分單位蓄積之間的相關(guān)系數(shù)分別呈顯著負(fù)相關(guān)(-0.221、-0.210)，盡管撫育采伐優(yōu)化了林分結(jié)構(gòu)，但同時也使得林木株數(shù)急劇減少，林分恢復(fù)生長的時間又較長，使林分單位蓄積降低。有研究發(fā)現(xiàn)，雖然間伐可以顯著促進(jìn)林木單株材積的增長，間伐強(qiáng)度不能有效增加林分活立木材積和林分出材量[30]。還有研究認(rèn)為，撫育采伐是否能夠提高林分撫育采伐生產(chǎn)力還有待研究[31]。另外，撫育采伐對林分蓄積量的影響還可能受到立地條件、樹種類別、間伐方式等條件的制約，需要進(jìn)行后續(xù)的研究。

林分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對林分蓄積量具有正向作用。采伐后林木株數(shù)減少，調(diào)整林分密度，擴(kuò)大林木個體生存空間，林木間競爭減少，使林木能更好地獲取養(yǎng)分及光照等，這同樣也說明林分空間結(jié)構(gòu)對林分非空間結(jié)構(gòu)是具有正向作用的。有研究發(fā)現(xiàn)，進(jìn)行過撫育采伐的樣地林分平均胸徑，大于對照樣地林分平均胸徑，且隨著間伐強(qiáng)度增大而增加，林分平均樹高也有所增加[30]。

本研究并未刪除不具統(tǒng)計學(xué)意義的影響因素(p>0.05)，模型構(gòu)建應(yīng)是理論驅(qū)動與數(shù)據(jù)驅(qū)動的結(jié)合，應(yīng)在前人研究及理論基礎(chǔ)上建立，本模型雖然并不是統(tǒng)計學(xué)意義上的最優(yōu)模型，但相對最優(yōu)模型，本模型具有較多的實(shí)際意義。結(jié)構(gòu)方程模型在林業(yè)領(lǐng)域的研究與應(yīng)用較少，如何更加科學(xué)合理將結(jié)構(gòu)方程模型應(yīng)用到林業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，還需進(jìn)一步的探討及驗(yàn)證。

5 結(jié)論

本研究構(gòu)建撫育采伐與林分結(jié)構(gòu)、林分蓄積的結(jié)構(gòu)方程模型，模型擬合結(jié)果可接受。模型結(jié)果表明，撫育采伐對林分結(jié)構(gòu)具有正向作用(0.108)，且對林分非空間結(jié)構(gòu)的影響(0.019)，小于對空間結(jié)構(gòu)的影響(0.113)。撫育采伐對林分蓄積具有負(fù)向作用(模型1為-0.221、模型2為-0.210)，林分結(jié)構(gòu)對林分蓄積具有正向作用(0.285)，林分空間結(jié)構(gòu)對林分非空間結(jié)構(gòu)具有正向作用(0.892)。撫育采伐對林分結(jié)構(gòu)中非空間結(jié)構(gòu)方面具有負(fù)向作用(-0.019)，因此，建議在進(jìn)行森林撫育經(jīng)營，優(yōu)化林分空間結(jié)構(gòu)的同時，重視對林分非空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及調(diào)整。