文章信息
- 龚固堂, 牛牧, 慕长龙, 陈俊华, 黎燕琼, 朱志芳, 郑绍伟
- Gong Gutang, Niu Mu, Mu Changlong, Chen Junhua, Li Yanqiong, Zhu Zhifang, Zheng Shaowei
- 间伐强度对柏木人工林生长及林下植物的影响
- Impacts of Different Thinning Intensities on Growth of Cupressus funebris Plantation and Understory Plants
- 林业科学, 2015, 51(4): 8-15
- Scientia Silvae Sinicae, 2015, 51(4): 8-15.
- DOI: 10.11707/j.1001-7488.20150402
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文章历史
- 收稿日期:2014-05-19
- 修回日期:2014-11-30
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作者相关文章
2. 北京林业大学林学院 北京 100083
2. College of Forestry, Beijing Forestry University Beijing 100083
抚育间伐一直是森林经营的重要手段,影响林分生长、林分结构和生物多样性等方面(Lahde et al.,2002; Karlsson et al.,2002; 徐金良等,2014; 成向荣等,2014)。间伐对单株林木和林分生长量影响研究较多,在提高单株林木生长量方面的结论比较一致,但对林分总收获量的影响还没有一致结论(高昌云等,2013; 王懿祥等,2014)。间伐对林下植被影响方面的研究已受到重视,但对生物多样性的长期影响仍缺乏系统研究,结论也不尽相同(Smith et al.,1987; 雷相东等,2005; 李春义等,2007; Verschuyl et al.,2011)。
川中丘陵区广泛分布的柏木(Cupressus funebris)林主要是20世纪80年代长江防护林工程中营造的(杨玉坡,1993),普遍存在密度过大、木材生产力低、林下灌草盖度低、天然更新不良的问题。迄今为止,对柏木人工林营建和生态效益的研究较多(王金锡等,2006; 吴鹏飞等,2008),但对生态经济型柏木防护林经营方面的研究较少。雷静品等(2009)和黎燕琼等(2013)研究了柏木人工林不同带宽改造对林下植被多样性及水土保持功能的影响; 龚固堂等(2012)对柏木林适宜林分结构进行了研究,认为郁闭度为0.6~0.7时,林分水土保持功能最佳。本研究基于2008年对川中丘陵区盐亭县柏木人工林进行的生态疏伐试验,拟探讨不同间伐强度对林分生长和林下植被的影响,为开展柏木生态经济型防护林的营林活动提供参考。
1 研究区概况研究区位于四川省盐亭县林山乡(105°27′E,31°16′N),丘陵地貌,属中亚热带湿润季风气候区,年均气温17.5 ℃,年均降水量826 mm。该区广泛出露岩层为紫色泥岩和砂页岩,易风化崩解破碎,土壤抗蚀力弱,土壤类型主要为紫色土。现有森林类型为柏木人工纯林,林下灌草种类简单,植被盖度低。
2 研究方法2008年在盐亭县林山乡25年生柏木人工林连续坡面上交替区划4个区组。由于立地条件差,间伐强度过大可能影响林分稳定性,该试验设置20%~25%,15%~20%,10%~15%间伐强度(蓄积)和对照4种处理,样地面积20 m × 20 m,完全随机排列,3次重复,共12块样地。初次调查和间伐时间为2008年6月,复查时间为2013年10月。
间伐方法为生态疏伐,伐除影响目标树生长的竞争木和过密林木。间伐前对样地进行每木检尺,计算林分密度、树高、胸径、蓄积量,经F检验表明间伐前林分树高、胸径、蓄积量等均无显著差异。逐个样地进行间伐木选择、标记、测量、采伐,并计算间伐前后各样地林分因子(表 1,2)。
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胸径: 用围尺在胸高位置逐株测量,用断面积加权法求算林分平均胸径和断面积。
树高: 用测高标杆测量林木高度,并绘制树高生长曲线,以林分平均胸径所对应的曲线树高作为林分平均树高。单株材积:由二元材积公式V=0.000 057 173 591 D1.881 330 5 H0.995 688 45求算。式中:D为胸径,H为树高。
蓄积量: 以样地平均单株材积乘以株数表示,再由样地面积换算为每公顷蓄积量。
生物多样性: 在每块试验样地4角和中央设置2 m × 2 m小样方,调查灌木种类、分种盖度和高度; 设置1 m ×1 m小样方,调查草本种类、分种盖度和高度。物种丰富度S为种 i 所在样方物种总数; Simpson指数$D = 1 - \sum\limits_{i = 1}^S {{{({N_i}/N)}^2}} $; Shannon-Weiner 多样性指数$H = - \sum {P_i}\ln {P_i}$。式中:Ni为种i的重要值,N为种i所在样方的各个种重要值之和,Pi为种i的相对重要值。
将柏木更新幼苗按高度划分为3个等级: 5~30,30~50和50~150 cm(150 cm 以上的为幼树,结合每木检尺进行计数),在1 m × 1 m 草本小样方中进行调查。
采用层次分析法,并使用离差标准化对原始数据进行归一化处理。
3 结果与分析 3.1 间伐强度对直径生长的影响20%~25%,15%~20%和10%~15%不同强度间伐后第5年林分平均胸径分别为12.0,11.2和10.5 cm,都高于对照林分(10.4 cm),胸径连年生长量分别为0.31,0.23和0.17 cm·a-1,分别为对照的3.4,2.6和1.9倍,表明林分胸径生长量随间伐强度增大而增加(表 3)。
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方差分析表明,不同强度间伐后第5年林分平均胸径存在显著差异,以20%~25%间伐强度的最大。LSD 检验表明,20%~25%间伐强度平均胸径与10%~15%间伐强度和对照之间存在显著差异,15%~20%间伐强度与10%~15%间伐强度和对照之间差异不明显。胸径连年生长量在各处理之间均存在显著差异,20%~25%间伐强度的胸径连年生长量为0.31 cm·a-1,而对照仅0.09 cm·a-1。林分胸径生长随着间伐强度的加大而增加,主要原因是间伐强度越大,保留木的生长空间和营养空间越大,生长也越快。
3.2 间伐强度对树高生长的影响20%~25%,15%~20%和10%~15%不同强度间伐后第5年林分平均树高以20%~25%间伐强度最大,达10.7 m,而随间伐强度的降低依次减小; 5年后不同间伐强度林分平均树高分别是对照的117.9%,112.1%和110.9%。20%~25%,15%~20%和10%~15%不同间伐强度树高连年生长量分别为0.23,0.15和0.14 m·a-1,为对照的2.0,1.4和1.3倍,表明林分树高生长量有随间伐强度增加而提高(表 4)。
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方差分析表明,不同间伐强度5年后林分平均树高 F为7.29,大于F0.05(3,8),F0.05(3,8)=4.07。LSD 检验表明,不同间伐处理显著大于对照,20%~25%间伐强度与15%~20%间伐强度、15%~20%间伐强度与10%~15%间伐强度之间无显著差异; 树高连年生长量在20%~25%间伐强度与其他处理间均存在显著差异,但另外3种处理之间差异不明显。上述分析表明,林分树高生长随着间伐强度的加大而增加,20%~25%强度间伐释放的空间大,高生长增加最为明显。
3.3 间伐强度对林分蓄积生长的影响20%~25%,15%~20%和10%~15%不同强度间伐后第5年林分蓄积量分别为97.35,93.43和93.19 m3·hm-2,均比对照(106.59 m3·hm-2)小,分别是对照的91.3%,87.7%和87.4%(表 5);但林分蓄积连年生长量随间伐强度由高到低分别为6.11,4.58和3.66 m3·hm-2a-1,均高于对照(3.26 m3·hm-2a-1),均随间伐强度增加而增大。
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经方差分析,间伐5年后林分蓄积量F为2.81,小于F0.05(3,8),F0.05(3,8)=4.07,表明差异不显著。但蓄积连年生长量存在显著差异,F为15.69,大于 F0.05(3,8),F0.05(3,8)=4.07。林分蓄积量差异不显著的原因是20%~25%强度间伐样地单位面积株数大量减少,虽单株蓄积增长较快,但短时间内仍未弥补株数减少造成的单位面积蓄积量损失。
3.4 间伐强度对生物多样性的影响不同间伐强度林分中灌木和草本物种丰富度均高于未间伐林分,20%~25%间伐强度林分的灌木和草本 Simpson 指数分别为0.769 5和0.444 6,Shannon-Wiener 指数分别为1.702 5和0.769 0,都比其他处理高(表 6),表明间伐能有效改善林下生长空间,灌木和草本盖度随间伐强度加大而明显增加。
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方差分析表明,不同处理之间灌木丰富度差异不显著,而草本丰富度存在显著差异。LSD分析表明,灌木丰富度指数除各间伐处理与对照之间存在显著差异外,不同间伐处理之间差异不明显。草本丰富度指数在20%~25%间伐强度与10%~15%间伐强度和对照之间存在显著差异,其他处理之间没有明显差异。灌木 Simpson 指数除20%~25%间伐强度与15%~20%间伐强度之间没有明显差异外,其他处理之间均存在显著差异。20%~25%间伐强度样地中草本 Simpson 指数为0.444 6,与15%~20%和10%~15%间伐强度样地之间存在显著差异。灌木 Shannon-Wiener 指数在各处理与对照均存在显著差异,20%~25%间伐强度与15%~20%间伐强度、15%~20%间伐强度与10%~15%间伐强度之间差异不显著; 20%~25%间伐强度样地的草本 Shannon- Wiener 指数最大(0.769 0),与各处理之间均存在显著差异; 但15%~20%间伐强度与10%~15%间伐强度、10%~15%间伐强度与对照之间差异不明显。出现上述差异的原因在于间伐时间短,不同处理之间灌木种类没有明显增加。
3.5 间伐强度与天然更新的关系间伐可改善林内光照条件,从而改变地被物盖度和天然更新。方差分析表明(表 7),不同间伐强度天然更新仅在5~30 cm 苗高等级存在显著差异,20%~25%间伐强度样地的幼苗株数为16 000 株·hm-2,10%~15%间伐强度样地的幼苗株数为9 333株·hm-2。LSD 分析进一步表明,5~30 cm等级幼苗只在20%~25%间伐强度与其他处理之间存在显著差异,而另外3种处理之间差异不明显。天然更新于间伐后刚启动,只在5~30 cm等级存在显著差异,30~50 cm和50~150 cm 的幼苗都是在间伐前形成的,因而间伐对这两个等级的影响不大。
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采用层次分析法,选择林分生长因子、生物多样性和天然更新作为准则层指标。指标层采用胸径连年生长量、胸径连年生长量、胸径连年生长量、丰富度、Simpson 指数、Shannon- Wiener 指数、5~30 cm 高度幼苗数量、30~50 cm 高度幼苗数量和50~150 cm 高度幼苗数量。生物多样性指标均采用灌木层和草本层数值的平均值。使用离差标准化对表 3至表 7各指标的原始数据进行归一化处理,对准则层和指标层指标进行权重计算和一致性检验,计算出不同间伐强度的综合得分值。评价结果表明,综合得分以20%~25%间伐强度最大,且随间伐强度降低而减小。
4 结论与讨论间伐后保留木的生长空间和营养空间得到有效改善,林分胸径和树高生长量随间伐强度增大而增加,与多数研究结论一致(Montero et al.,2001; Caňellas et al.,2004; 张水松等,2005)。由于林分蓄积量取决于单株蓄积和单位面积株数,间伐能否提高林分总蓄积历来有较大争议,部分学者认为需到主伐时才能得到结论(童书振等,2000; 董希斌等,2003; 谌红辉等,2010); 本研究表明不同间伐强度蓄积量差异不显著,原因在于20%~25%间伐后单位面积株数大量减少,虽单株蓄积增长较快,但仍弥补不了株数减少造成的单位面积蓄积量损失。
由于间伐后能增加林下环境异质性,林下空间和光照条件可得到改善,使得灌木和草本种类及盖度增加; 因此通过间伐手段来培育林下植被已经得到广泛认可(Roberts,2004; 马履一等,2007)。欧洲云杉(Picea abies)和美国花旗松(Pseudotsuga menziesii)间伐试验也表明,间伐后林下物种丰富度和灌草盖度随间伐强度增大而增加(Heinrichs et al.,2009; Ares et al.,2010); 王凯等(2013)的研究也表明林下灌草物种数、盖度和生物量都随间伐强度的增强而增多。本研究表明,适度间伐可提高林下灌木和草本生物多样性指数,这与间伐后灌木和草本物种、盖度增加有关,与上述研究结论比较一致。
郑丽风等(2008)研究表明,随着间伐强度增大,天然更新幼苗数量增大; 张象君等(2011)对林隙间伐的研究也表明,更新幼苗数量和高度也随林隙增大而增大。但本研究表明,5~30 cm苗高等级幼苗只在20%~25%间伐强度与其他处理之间存在显著差异,而其余处理之间差异不明显。天然更新于间伐后刚启动,30~50 cm和50~150 cm的幼苗都是在间伐前形成的,因而间伐对这2个等级的影响不大。
该区域立地条件差,间伐强度过大可能严重影响林分稳定性,因此本研究没有采用25%以上的强度间伐。综合评价结果表明,20%~25%强度间伐后胸径、树高和蓄积连年生长量均高于其他处理,且间伐后的天然更新和生物多样性变化都优于其他处理。因此,就本研究的4种间伐强度而言,中龄阶段的柏木人工林间伐以20%~25%的强度为宜,可为下步开展该区域人工柏木林营林活动提供参考。
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