不同采伐强度下辽东栎林空间结构演变研究

不同采伐强度下辽东栎林空间结构演变研究

小隆山林区位于甘肃省东南部，秦岭西端。气候具有中国北方和南方的特点。它又温暖又潮湿。这是以鹳类落叶阔叶林为主的次生林区，植被覆盖率高。是甘肃省东南部重要的水源保护林和生态屏障。1998年,小陇山林区全面启动和实施天然林保护工程(简称天保工程);2005年,国家林业局将小陇山林业实验局列入国家森林可持续经营试验示范点单位。自此以来,小陇山林业局先后在次生林经营方面开展了诸多技术研究,如通过设置固定样地,对锐齿栎、油松林林分利用空间结构参数进行的分析评价,以模拟其经营前后空间结构的变化情况。目前,评价干扰对森林的影响能够帮助森林经营者决定如何去模拟和恢复森林立地及其经营过程。通常,森林经营过程的模拟以恢复森林空间结构为基础,即优化和调整已破坏的原始的森林空间结构。研究森林空间结构的重要作用在于确定物种生境及其多样性,且出于环保目的亦可帮助量化和评价生境质量;因此,能科学合理的优化森林空间结构是现代营林者考虑的重要问题。天然林树种组成众多,树龄、胸径和树高差异悬殊,且林木在水平和垂直方向上均表现出非同质性、非规则性和非均一性的特点,林分的生境质量和结构受到森林演替、干扰、植被组成和环境等因素的综合影响。森林经营中,采伐是一种重要的森林经营措施,合理可行的采伐活动可改善天然林林分的空间结构,促进保留木的生长,保证林分的可持续经营。本研究以小陇山林科所2008年在百花林场设置的不同采伐样地数据为基准,运用空间结构参数与Hegyi竞争指数相结合,探讨采伐后林分空间结构的变化,从而在揭示采伐强度与林分空间结构关系的前提下,为小陇山林区今后开展科学合理的森林经营提供理论依据。1样地经营的原则不同采伐强度试验区位于甘肃省小陇山百花林场仙坪营林区的86林班2小班(106°15′-106°30′E,34°16′-34°25′N),海拔1700~1800m,坡度30°~40°,坡向东南,郁闭度0.9,土壤以褐色森林土为主。2010年在试验区设置4块林分条件相同,面积均为28.28m×28.28m的固定样地(表1),按照不同的蓄积采伐强度,分别编号为01(对照)、02(中度20%)、03(强度30%)、04(极强度40%)。在样地经营中主要采用结构化森林经营技术,坚持“五优先”的原则,即“优先保留稀少种和濒危种并采伐不健康林木个体;优先采伐与目标树树种相同的林木;优先采伐影响目标树生长的林木;优先采伐分布在目标树一侧的林木;优先采伐达到目标直径(针叶树55cm,阔叶树45cm)的林木”,逐渐调整林木空间分布格局、调整树种空间隔离程度、调整树种空间竞争关系、调整林分卫生状况”,采伐作业按单株木进行。试验地自然植被,乔木层主要有辽东栎(Quercusliaotungensis)、华山松(Pinusarmandii)、椴树(Tiliatuan)、锐齿栎(Quercusalienavar.acuteserrata)、漆树(Toxicodendrondelavayi)等,灌木主要有:多花木兰(Magnoliamultiflora)、秦岭忍冬(Loniceraferdinandii)、血色卫矛(Euonymussanguineus)、苦糖果(Lonicerastanishii)、红毛悬钩子(Rubuspinfaensis)、尖叶栒子(Cotoneasteracuminatus)、毛樱桃(Cerasustomentosa)、美丽胡枝子(LespedezaFormosa)等,草本植物主要有:梅笠草(Chimaphila)、野菊花(Dendranthemaindicum)、羊胡子草(Carexrigescens)、千屈菜(Lythrumsalicaria)、牛尾蒿(Artemisiadubia)等。2学习方法2.1调查和测量指标运用TOPCON全站仪对伐后样地内胸径>5cm的乔木进行定位及每木检尺,调查株数、平均高、平均胸径、树种等特征(表2),测量每木坐标、枝下高、树高、胸径、冠幅等指标;在每个样地的中心及四角位置设立5m×5m的5个小样方,调查样方内灌木的种类、平均盖度、数量和高度等;在每个灌木样方内设置2个2m×2m的小样方调查草本的种类、盖度、数量和高度等。2.2林分分布格局基于空间结构单元特征进行分析,以混交度、角尺度和大小比数等3个参数结合竞争指数Hegyi作为衡量指标评价林分空间结构;为避免边缘效应,每块样地内设置3m缓冲区;选择样地内主要树种作为对象木,以对象木为中心做半径为7m的圆,圆内包括所有的竞争木,位于样地边缘的林木全部当做竞争木处理。用森林空间结构分析软件Winklemass2006和统计之林Forstat2.2分析其参数值。混交度(Mi)反映树种空间隔离程度,被定义为参照树i的最近相邻木中与参照树同属同种的个体所占的比例;角尺度(Wi)是林木在水平地面上的分布格局,即相邻木与参照树的分布是否均匀,取值有5种,并分别代表5种分布状态;其中,若取值位于[0.475,0.517],则林分分布格局是随机的;大小比数(Ui)描述了林木大小差异程度,明确定义了被分析的参照树在该结构中所处的生态位,且生态位的高低以中度级为分水岭;通常Ui值越低,说明比参照树大的相邻木越少(表3)。由于树高测量缺乏精确性,本研究主要以胸径作为衡量大小比数的依据。Hegyi竞争指数包括点竞争指数CIi和林分竞争指数CI,是竞争木与对象木胸径之比除以距离,实质反映对象木来自竞争木的竞争压力。通常情况下,竞争指数越大,来自周围竞争木的竞争压力越大,在竞争中越处于不利地位,表达式为:式中,CIi为林木i的点竞争指数,Lij为对象木i到竞争木j之间的距离;di为对象木i的胸径,dj为竞争木j的胸径;n为竞争木株数。为反映林分的平均竞争水平,林分竞争指数用点竞争指数的平均值表示,即:式中,CI为林分竞争指数,CIi为林分点竞争指数,N为林分内林木总株数。将N个单木间的竞争指数累加就是树种种內以及每个伴生树种对对象种的竞争强度。3结果与分析3.1不同采伐强度对林分结构的影响4块样地中,对照样地林分平均混交度为0.76,30%强度采伐后混交度最大,而采伐强度40%混交度最小,采伐强度20%的混交度介于前二者之间;整体上,混交度变化趋势呈“凸”型;采用20%或30%的采伐强度,林分结构均能达到稳定(表4)。伐)的情况下,辽东栎、华山松和椴树的平均混交度分别为0.70、0.32、0.64;辽东栎>椴树>华山松。在中度采伐的2号样地,辽东栎和华山松的混交度相比对照则明显增大,处在强度混交状态;椴树的混交度最小;采用30%采伐强度的3号样地中,辽东栎、椴树都出现单种聚集,处于弱度混交,华山松株数稀少且分布在缓冲区,其混交度可等同弱度混交对待;加大采伐强度的4号样地,主要树种混交度变大,辽东栎和华山松强度混交,椴树中度混交(表5)。可见,不同采伐强度对树种间隔离程度的影响亦显著;从种群结构稳定性出发,对华山松、椴树、辽东栎应采用中度采伐。对主要树种进一步分析可知,在对照样地(不采3.2采伐强度对主要树种大小分化的影响对照样地和采伐后林木大小比数平均值都在0.49~0.51,林分大小分化基本没有差异。从表6可看出,20%、30%强度下胸径大小比数分布在0.5处的比率增大,说明中度采伐后的林分大小比数频率变化更趋于合理,选择中度采伐效果更好。在不同采伐强度下,不同样地主要树种大小分化差异明显(表7)。对照样地中辽东栎的平均大小比数为0.26,华山松和椴树分别为0.63、0.58,辽东栎树种有优势,椴树处在中庸状态,华山松树种在林分中处于劣势。随着采伐强度的增大,树种大小比数在0.25~0.61之间变化;中度采伐下,华山松大小分化程度从劣势向中庸状态过度,可能是伐去周围竞争木给华山松提供了更大的生长空间;辽东栎和椴树仍然处保持原有的状态。强度采伐后,树种大小分化差异不明显;采用极强度采伐,椴树没有优势,华山松仍处在中庸状态。综合考虑,在实际经营中应以20%采伐强度为宜。3.3采伐后角尺度对照样地的平均角尺度为0.473,林分处在均匀分布状态。随着采伐强度的增加,林分角尺度没有大的变化,中度、强度、极强度采伐后角尺度均介于[0.475,0.517]之间;表明采伐样地中林分都处在随机分布状态;从林木个体角尺度频率分布来看,天然混交林经不同强度采伐后,左侧频率之和大于右侧,表明采伐后林分的角尺度分布接近正态分布,林分空间格局符合随机分布(表8)。3.4不同抚育强度对树种竞争指数的影响对4块样地采取不同采伐强度后,林分及主要树种的竞争指数变化情况(表9)表明,在对照样地中,主要树种辽东栎、华山松和椴树的竞争指数都较小,与周围相伴树种总体上保持在资源均衡利用的状态;相比较三者的竞争指数(CI)变化情况:辽东栎>华山松>椴树;说明在辽东栎树种为对象木的周围7m范围内,参与竞争的林木株数较多,竞争木比对象木在胸径及树高等特征上有优势,辽东栎受到挤压和排斥,辽东栎竞争能力较弱;椴树竞争力较高;采伐前后,对照样地中主要树种竞争能力排序一致。对同一树种采伐前后的竞争关系对比发现,采伐后华山松和椴树竞争指数增大,辽东栎竞争指数减小;整体上,林分采伐后的平均竞争指数高于采伐前。样地2、3、4中林分平均竞争指数随着采伐强度的变大而减小,林分平均竞争指数,采伐前高于采伐后,这与林木株数变化较大有关;从林分整体竞争能力变化看,40%的采伐强度适合提高林分竞争力。辽东栎、华山松、椴树3树种竞争指数在采伐前后的变化(图1),由于林分立地条件、林木自身生物学特性等差异,不同采伐强度对树种竞争能力的影响不同;树种辽东栎随着采伐强度的增大,竞争指数越大,采用20%的采伐强度后,辽东栎竞争能力达到最高;采伐前后,树种华山松竞争指数的变化呈“凹”型,30%的采伐强度下其竞争指数最小;采用40%的采伐强度后,竞争指数变大,是因为伐去大径木华山松后,给下层喜阳速生型树种提供了充足的光照空间,成为华山松新的竞争对象。采用20%的采伐强度,椴树的竞争指数最大;采用40%的采伐强度,椴树的竞争指数最小,竞争能力高,30%采伐强度后其竞争指数几乎无变化。4采伐强度对总林分结构的影响一般认为,混交林中树种的隔离程度越高,林分结构越稳定,也就是混交度越大越好。相比树高和冠幅,用胸径描述林木大小分化差异,更易操作,而用角尺度描述林分中林木个体分布格局,仅关注林木个体之间的方位关系,不需要对树种的角尺度进行统计,只要考虑样地的整体取值。采伐改变了天然混交林种内与种间的竞争关系,林木的竞争指数越小,面临周围林木的竞争强度就越小,竞争能力就提高。现代森林经营与传统的群落结构的研究不同,传统林分结构因子结合空间结构参数分析林分结构,无论在理论研究还是实践应用中均能更加全面的反映林分空间结构。林分空间结构的变化与诸多限制因素有关,本研究主要分析采伐对林分空间结构的影响;通过对小陇山天然混交林伐后空间结构的调查研究发现;中度(20%)与强度(30%)采伐后,林分结构单元内对象木与相邻木属同种的频率很小,树种隔离程度提高,林分处在强度混交状态;经极强度(40%)采伐的林分,混交度相比前两种降低。采伐对林分大小分化差异和空间分布格局影响不很明显;采取3种采伐类型,林分大小比数平均值均位于0.5附近,原因可能是采伐中保留了大量的中径木;林分在中度、强度、极强度采伐后角尺度均处在[0.475,0.517]之间,呈随机分布。中度采伐比较符合林分结构调整的要求。树种间混交程度和大小分化差异对采伐强度的响应很明显;中度采伐后,树种辽东栎与相邻木基本不存在单种聚集,处在强度混交状态,中度采伐适合调整辽东栎种间结构;华山松采用中度采伐伐去大径木后,为华山松下层的喜光速生型树种提供了充足的水热条件,树种间隔离程度增大;椴树适合中度采伐。3种采伐强度下,辽东栎均有优势;采用中度采伐,华山松大小比数接近中间位置,树种空间结构保持在中庸状态,相比强度和极强度采伐,中度采伐下华山松更有优势;中、强度采伐后椴树在林分中处在亚优势地位。利用Hegyi竞争指数分析林分种內、种间竞争关系,判断林分及主要树种竞争力的变化