基于森林健康的刺槐人工林撫育間伐效果研究

高 建，楊 維，王迪海

(1.咸陽市林業(yè)科學(xué)研究所，陜西 咸陽 712000；2.大荔縣林業(yè)技術(shù)推廣站，陜西 大荔 715100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

森林健康是指森林具有很好的自我調(diào)節(jié)并且能保持其生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的能力, 能夠最充分地可持續(xù)發(fā)揮其生態(tài)、社會和經(jīng)濟效益[1-5]。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展, 全球性、地域性的環(huán)境問題在逐漸加劇, 森林的生態(tài)系統(tǒng)遭受多方面不同程度的破壞和威脅, 如過度砍伐、森林火災(zāi)、森林病蟲害、氣象災(zāi)害等, 這些干擾和破壞對森林生態(tài)系統(tǒng)的健康造成很大的威脅。當(dāng)下如何客觀的評價森林資源的健康性, 如何有效地進行森林經(jīng)營, 使森林資源能夠持續(xù)、穩(wěn)定地為人類提供服務(wù)保障功能, 已經(jīng)成為森林健康研究和森林可持續(xù)經(jīng)營的首要任務(wù)之一。

撫育間伐在森林的經(jīng)營管理中起到十分重要的作用。能否合理的撫育間伐對改善森林林冠層的營養(yǎng)空間以及地下水肥的供應(yīng)條件, 保證林木個體和群體生長, 提高森林生產(chǎn)力具有重要的理論和實踐意義。研究撫育間伐對森林生長的影響, 是優(yōu)化撫育間伐作業(yè)體系及實現(xiàn)森林生長有效調(diào)控的需要。傅校平等[6]在研究不同間伐強度對杉木人工林生物量的影響時, 認(rèn)為在不同地位級的杉木林間伐過程中, 強度間伐可以提高林分平均單株生物量,與未間伐對照林分相比,其差異達到顯著水平, 說明間伐可以促進個體林木生長。Baldwin研究間伐對火炬松林分的影響認(rèn)為，所有的間伐都增加了樹干、樹葉、樹枝和樹冠生物量, 間伐強度越大增加量越多。目前關(guān)于撫育間伐對林分或樹木個體生長的影響研究較多，但是，有關(guān)撫育間伐對人工林健康的影響研究還較少。為此，本文通過對陜西省永壽縣槐坪林場森林健康評價研究, 試圖揭示撫育間伐對不同年齡刺槐人工林健康的影響,為該地區(qū)人工林經(jīng)營提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于陜西省永壽縣，屬黃土高原南部殘塬溝壑區(qū)，土壤類型為黃壤土。該區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫10.8 ℃，年均降水量610.6 mm，年均無霜期210 d。該區(qū)植被屬暖溫帶落葉闊葉林帶，現(xiàn)有的森林植被多為20世紀(jì)五十年代以后栽植的人工林，以刺槐(Robiniapseudoacacia)、油松(Pinustabuliformis)和側(cè)柏(Platycladusorientalis)為主，其中刺槐人工林約4 000 hm2，占全縣刺槐人工林面積的19%；經(jīng)濟林有蘋果(Maluspumila)、酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosa)、核桃(Juglansregia)等；主要灌木有胡枝子(Lespedezabicolor)、繡線菊(Spiraeasalicifolia)、黃薔薇(Rosahugonis)、忍冬(Lonicerajaponica)、杠柳(Periplocasepiun)等；草本以禾本科、菊科、薔薇科、蝶形花科、唇形花科、十字花科、傘形花科、茄科、蓼科、旋花科等植物為主。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

2011年7月初刺槐生長季節(jié)，在陜西省永壽縣林相整齊、生長良好的幼齡(11 a)、中齡(18 a)、近熟(25 a)刺槐人工林中分別設(shè)置12個20 m×20 m的樣地(表1)，在3種林齡樣地中，按4種間伐強度(25%、15%、5%、0%)分別設(shè)置3個重復(fù)樣地，合計設(shè)置36塊樣地，間伐后經(jīng)過4 a自然生長，于2015年7月進行樣地調(diào)查。對喬木每木檢尺，調(diào)查記錄樹高、胸徑、冠幅、林分密度等，同時記載樣地海拔、坡向、坡度等環(huán)境因子。在研究分析林分結(jié)構(gòu)特征基礎(chǔ)上，分別以樹高和胸徑為基礎(chǔ)，定量比較分析間伐方法。根據(jù)永壽縣森林經(jīng)營實際情況，選擇胸徑與冠幅相關(guān)性的計算方法，計算出理論間伐強度28%[7]，間伐時優(yōu)先伐去枯立木，病蟲害嚴(yán)重或者單株材積過小的立木。但是由于永壽縣林場屬于水土保持林，間伐強度不宜過大，最終確定了本研究的四個梯度間伐強度(0%、5%、15%、25%)進行對比試驗。

2.2 健康評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

根據(jù)生態(tài)學(xué)基本原理以及國內(nèi)外有關(guān)森林研究和實踐的結(jié)果[8-11], 一般而言, 混交林的穩(wěn)定性高于純林;異齡林的穩(wěn)定性高于同齡林;森林群落的垂直層次結(jié)構(gòu)越復(fù)雜, 物種多樣性越高, 食物網(wǎng)就越復(fù)雜, 生物調(diào)節(jié)能力就越強, 群落的穩(wěn)定性就越高, 森林就越健康。在林分尺度上森林的理想結(jié)構(gòu)可簡單表述為復(fù)層、異齡、混交林結(jié)構(gòu), 具有比較發(fā)達的灌木層和草本層, 并且具有較高的生物多樣性和生物生產(chǎn)力。這樣的結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性、抗干擾性和活力, 是健康森林群落的理想結(jié)構(gòu)。此外, 不同結(jié)構(gòu)的森林生態(tài)系統(tǒng), 其健康水平和功能大小是不同的[4]。

2.2.1 評價指標(biāo)的遴選原則

(1)科學(xué)性

評價指標(biāo)應(yīng)能反映森林生態(tài)環(huán)境的本質(zhì)特征及其發(fā)生發(fā)展規(guī)律, 指標(biāo)的物理及生物意義必須明確, 測算方法標(biāo)準(zhǔn), 統(tǒng)計方法規(guī)范。

(2)可操作性

評價指標(biāo)數(shù)據(jù)易獲取, 其計算和測量方法簡便, 可操作性強, 實現(xiàn)理論科學(xué)性和現(xiàn)實可行性的合理統(tǒng)一。

(3)系統(tǒng)性

評價指標(biāo)要求全面、系統(tǒng)地反映森林生態(tài)環(huán)境的各個方面, 指標(biāo)間應(yīng)相互補充,充分體現(xiàn)森林生態(tài)環(huán)境的一體性和協(xié)調(diào)性。

2.2.2 評價指標(biāo)的選取 依據(jù)Costanza等[12]提出的森林健康評價模型(該模型涉及森林的結(jié)構(gòu)、活力和穩(wěn)定性等因子)，在系統(tǒng)分析和整合國內(nèi)外現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上[13-20]，結(jié)合陜西省永壽縣槐坪林場的實際狀況[21]，本著科學(xué)性、代表性、可操作性和系統(tǒng)性的原則, 構(gòu)建陜西省永壽縣槐坪林場森林健康評價指標(biāo)體系。

本試驗從林分結(jié)構(gòu)、林分活力和林分穩(wěn)定性3類因子中，選擇能反映林分自身健康特性且易于測定的9個指標(biāo)構(gòu)建評價指標(biāo)體系[22-28]，包括結(jié)構(gòu)性指標(biāo)、功能性指標(biāo)和適應(yīng)性指標(biāo)3 個方面。結(jié)構(gòu)性指標(biāo)包括郁閉度、林分密度、平均胸徑、平均樹高;功能性指標(biāo)包括立地質(zhì)量、枯梢比和林下更新狀況;適應(yīng)性指標(biāo)包括森林病蟲害程度、森林火險等級(表1)。

2.2.3 評價體系模型的構(gòu)建 依據(jù)層次分析法原理，將刺槐人工林健康評價指標(biāo)體系分為3層(目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層)，按兩級綜合評價的思路構(gòu)建評價模型。

(1)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化

對野外調(diào)查數(shù)據(jù)進行歸納處理，對指標(biāo)數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理[20]。標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

式中，Yi為標(biāo)準(zhǔn)化后值，Xi為指標(biāo)的實測值，Xmax為該指標(biāo)的最大值。

本研究中，由于雙向指標(biāo)在本試驗中影響不大，故仍然使用公式(1)的處理方式進行處理。負相關(guān)指標(biāo)使用公式X′=1-X進行轉(zhuǎn)換[28-29]。

(2)權(quán)重及變異系數(shù)的計算

常見的權(quán)重計算方法有方差法、Delphi-AHP法和層次分析法。方差法確定的權(quán)重是自然狀態(tài)的客觀體現(xiàn)，不含有任何的人為因素。Delphi-AHP法和層次分析法是對自然狀態(tài)的人為判斷，帶有一定的主觀性。本研究采用這3種方法相結(jié)合的方式計算權(quán)重，即取三種方法計算所得權(quán)重的加權(quán)平均值。通過計算不同齡級指標(biāo)權(quán)重的變異系數(shù)，對指標(biāo)進行再次篩選，變異系數(shù)計算公式為：

式中：CV為變異系數(shù)，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，μ為平均值。

(3)健康度指標(biāo)的計算

根據(jù)Costanza等[11]提出的健康度指標(biāo)(HI)構(gòu)建評價模型：

式中：HI為生態(tài)系統(tǒng)健康指數(shù)，WBi為準(zhǔn)則層各層權(quán)重，WCi為指標(biāo)層各層權(quán)重，YCi為指標(biāo)層各指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值。

指標(biāo)層單個指標(biāo)健康指數(shù)的計算公式為：

Hi=Wi×Xi

式中：Hi為單個指標(biāo)健康指數(shù)，Wi為指標(biāo)權(quán)重，Xi為指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化值。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析使用SPSS 20.0、OriginLab OriginPro 8.5和Excel 2007等軟件進行。

2.3 健康狀況等級劃分

采用聚類分析的方法，對刺槐林分的健康度得分進行聚類，并根據(jù)最終聚類中心劃分不健康和健康的臨界值。根據(jù)聚類結(jié)果，對渭北黃土高原刺槐人工林分進行分類，分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。健康(Ⅲ)表示林分處于健康狀態(tài)，具有良好的持續(xù)發(fā)展?jié)摿?；亞健?Ⅱ)表示林分處于亞健康狀態(tài)，其持續(xù)發(fā)展存在障礙因子，應(yīng)通過及時撫育解除這些因子，使林分恢復(fù)健康狀態(tài)；不健康(Ⅰ)表示林分處于不健康狀態(tài)，存在多項障礙因子，即使進行撫育使之達到健康水平也比較難。

表1 黃土高原人工刺槐林不同健康等級HI值

3 結(jié)果與分析

3.1 不同林齡人工刺槐林健康評價體系指標(biāo)及其權(quán)重

經(jīng)計算，按“陜西省森林資源二類調(diào)查實施辦法”劃分的渭北黃土高原人工刺槐幼齡林(11 a)、中齡林(18 a)、近熟林(25 a)健康評價體系指標(biāo)及其權(quán)重如表2所示，從中可看出，不同林齡的準(zhǔn)則層、指標(biāo)層各指標(biāo)權(quán)重均有差別，反映了不同林齡林地面臨的健康問題或指征存在差異。

表2 渭北黃土高原刺槐人工林健康評價體系及其權(quán)重

3.2 不同年齡撫育間伐刺槐人工林健康的綜合評價

渭北黃土高原永壽縣槐坪林場36塊刺槐人工林調(diào)查樣地的健康評價結(jié)果(表3)表明，25%的樣地處于健康狀態(tài)，55.6%的樣地處于亞健康狀態(tài)，19.4%的樣地處于不健康狀態(tài)，總體來說，永壽縣刺槐人工林健康狀態(tài)不容樂觀，需要繼續(xù)撫育經(jīng)營。

3.2.1 撫育間伐后幼齡人工刺槐林健康狀況 由表3可以看出，經(jīng)過不同強度(0%、5%、15%和25%)間伐的渭北黃土高原12塊幼齡人工刺槐林健康狀況區(qū)別較大，25%間伐強度的人工刺槐林都是健康的，經(jīng)0%、5%、15%間伐強度的人工刺槐林都處于亞健康及非健康狀態(tài)。

表3 渭北黃土高原不同林齡人工刺槐林健康健康狀況

幼齡林處于林分發(fā)育的初級階段，在幼齡林中內(nèi)部環(huán)境，如光照、水分養(yǎng)分等條件比較好，種間競爭程度弱，因此幼齡林整體處于健康和亞健康狀態(tài)。隨著林分的發(fā)育，林地內(nèi)空間壓縮、競爭激烈，個體在胸徑、樹高等出現(xiàn)差異，林分郁閉度增加、個體抗逆能力逐步提高，林分趨近成熟時，個體間競爭壓力提高到一定程度后趨于平和，對光照、土壤條件的要求進一步提高，林分密度減小、林分自然稀疏，郁閉度減小，單株立木材積增大，林分整體處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.2.2 撫育間伐后中齡林人工刺槐林健康狀況 由表3可以看出，經(jīng)過不同強度(0%、5%、15%和25%)間伐的渭北黃土高原12塊中齡人工刺槐林健康狀況分化較大，其中經(jīng)25%間伐強度的中齡人工刺槐林都健康，經(jīng)5%、15%間伐強度的中齡人工刺槐林大多處于亞健康狀態(tài)，只有一塊樣地處于不健康狀態(tài)，而沒有進行間伐的樣地都處于非健康狀況。

3.2.3 撫育間伐后近熟人工刺槐林健康狀況 表3顯示，進行過25%間伐強度的刺槐人工林樣地都是健康的，進行過5%、15%間伐強度的刺槐人工林樣地都是處于亞健康狀態(tài)，沒有進行間伐處理的樣地都處于非健康狀態(tài)。

3.3 不同林齡和不同間伐強度刺槐人工林的健康評價

3.3.1 不同林齡人工刺槐林健康評價 對不同年齡的刺槐人工林進行健康評價發(fā)現(xiàn)(圖1)，人工刺槐林在發(fā)育過程中森林健康程度在不斷下降，尤其是亞健康林分的比例。健康林分的比例在發(fā)育過程中變化不大，從中齡林到近熟林，森林通過自然稀疏和自我調(diào)節(jié)，非健康林分的比例有所減少，林分健康狀況有所改善。

圖1 渭北黃土高原不同林齡、不同健康狀況人工刺槐林占比

3.3.2 不同間伐強度人工刺槐林的健康評價 根據(jù)對不同間伐強度的刺槐人工林進行健康評價可以看出(圖2)，刺槐人工林在進行了間伐后森林整體健康度有了很大的提高，進行了25%間伐強度的刺槐人工林最健康，未進行過間伐的樣地健康度則比較差。未進行過間伐的林地從整體來說都偏差，隨著間伐強度的提高，森林健康程度有了很大提高，在25%間伐強度時，健康的樣地占100%。因此，當(dāng)?shù)亓謽I(yè)部門應(yīng)及時對刺槐林分進行撫育間伐，以保證森林的可持續(xù)健康生長。

圖2 渭北黃土高原不同間伐強度、不同健康狀況人工刺槐林占比

4 結(jié)論與討論

本研究在渭北黃土高原永壽縣槐坪林場選取了36塊經(jīng)過間伐的刺槐人工林作為研究對象，進行實地調(diào)查，基于科學(xué)性、系統(tǒng)性和可操作性的原則，從林分可持續(xù)經(jīng)營和林木自身生長發(fā)育入手，選出9個評價指標(biāo)，通過活力、結(jié)構(gòu)和抗逆性3個方面對樣地進行健康評價。結(jié)果表明，在永壽縣槐坪林場的刺槐人工林總體處于亞健康狀態(tài)，健康林分占其中的25%，亞健康林分占55.6%，不健康林分占19.4%。在不同間伐強度的林分中，25%間伐強度的刺槐人工林整體的狀態(tài)較好，都是健康的林分，而未進行間伐撫育的林分則比較差，66.7%的樣地處在不健康的狀態(tài)，剩余的33.3%也是亞健康狀態(tài)。整體來看幼齡林要比中齡林和近熟林的健康狀況要好，幼齡林的12塊樣地狀態(tài)都是亞健康以上，中齡林和近熟林的樣地狀況是一樣的，健康樣地占25%，亞健康樣地占50%，不健康林地占25%。據(jù)此，對幼齡林和中齡林應(yīng)進行疏伐、間伐和衛(wèi)生伐，伐去林分內(nèi)的病弱植株，調(diào)整林分密度，提高林分的空間利用率；對近熟林應(yīng)進行擇伐或主伐，調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，促進林分的自然更新。

通過對亞健康和不健康刺槐林的研究發(fā)現(xiàn)，林地內(nèi)植株個體間差異很大，病蟲害和枯梢化嚴(yán)重，應(yīng)及時進行經(jīng)營。對個體間差異大的林分進行主伐，調(diào)整林分結(jié)構(gòu)，提高對光照、水分和養(yǎng)分的利用率；對于病弱植株和枯梢化嚴(yán)重的植株進行衛(wèi)生伐；對病蟲害發(fā)生程度嚴(yán)重的地段，使用化學(xué)藥劑或生物方法進行防治。

本次間伐強度試驗結(jié)果表明，25%間伐強度的林分是最健康的。但是，依據(jù)研究的科學(xué)性，應(yīng)當(dāng)設(shè)置更大間伐強度的對比實驗來驗證。因此，對于更大強度的間伐效果還有待進一步研究。