林业科学  2017, Vol. 53 Issue (11): 104-113   PDF    
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20171112
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文章信息

于世川, 张文辉, 尤健健, 邓磊, 黄财智, 邢忠利, 樊蓉蓉, 何婷
Yu Shichuan, Zhang Wenhui, You Jianjian, Deng Lei, Huang Caizhi, Xing Zhongli, Fan Rongrong, He Ting
抚育间伐对黄龙山辽东栎林木形质的影响
Effect of Thinning on Quercus wutaishanica Trees Form Quality by the Analytic Hierarchy Process in Huanglong Mountains
林业科学, 2017, 53(11): 104-113.
Scientia Silvae Sinicae, 2017, 53(11): 104-113.
DOI: 10.11707/j.1001-7488.20171112

文章历史

收稿日期:2016-01-29
修回日期:2016-10-24

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于世川
张文辉
尤健健
邓磊
黄财智
邢忠利
樊蓉蓉
何婷

抚育间伐对黄龙山辽东栎林木形质的影响
于世川, 张文辉, 尤健健, 邓磊, 黄财智, 邢忠利, 樊蓉蓉, 何婷    
西北农林科技大学陕西省林业综合实验室 杨凌 712100
摘要:【目的】研究抚育间伐对黄龙山辽东栎林木形质的影响,为林木形质评价体系、黄土高原辽东栎抚育间伐提供理论依据。【方法】在黄土高原黄龙山林区辽东栎林设置抚育间伐试验样地,开展重度(保留郁闭度0.6)、中度(保留郁闭度0.7)和轻度(保留郁闭度0.8)间伐,同时设置对照样地(郁闭度0.9)。为了保持郁闭度不变,每隔3年进行1次抚育间伐。以生长情况(树高平均生长量、胸径年均生长量、冠径比、健康状况)、干形情况(高径比、尖削度、通直度、分杈情况)和侧枝情况(自然整枝能力、侧枝数、枝粗指数、侧枝平均基径)作为辽东栎林木形质评价指标,运用层次分析法构建辽东栎林木形质评价体系,对3种抚育间伐强度(重度、中度、轻度间伐)与对照下辽东栎林木形质进行综合评价。【结果】干形情况对辽东栎林木形质的影响最大,贡献率占0.653;生长情况对其影响次之,贡献率占0.285;侧枝情况对其影响较小,贡献率仅占0.062;12个评价指标在辽东栎林木形质评价中的权重大小依次为:通直度(0.344 6) > 分杈情况(0.227 1) > 健康状况(0.190 7) > 胸径年均生长量(0.051 3) > 高径比(0.046 3) > 自然整枝能力(0.037 7) > 尖削度(0.035 2) > 树高平均生长量(0.031 6) > 侧枝平均基径(0.012 6)> 冠径比(0.011 4) > 枝粗指数(0.008 9) > 侧枝数(0.003 0);综合评价得分依次为:中度间伐(92.892) > 轻度间伐(83.314) > 重度间伐(79.644) > 对照(74.376),林木形质得分随间伐强度增加先增加后减少,中度间伐得分最高,林木形质最好。【结论】抚育间伐可改善辽东栎林木形质,评价指标树高平均生长量、健康状况随间伐强度增加而增加,高径比随间伐强度增加而减少;与对照相比,中度、重度间伐对冠径比、侧枝数、侧枝平均基径影响显著,间伐对通直度、分杈情况有显著影响;中度间伐(保留郁闭度0.7)对改善辽东栎林木形质的作用最大,轻度间伐(保留郁闭度0.8)次之,重度间伐(保留郁闭度0.6)最小,可为黄土高原辽东栎抚育间伐技术提供依据。利用层次分析法构建辽东栎林木形质评价体系,可为其他树种形质评价提供借鉴。
关键词:抚育间伐    形质评价    层次分析法    辽东栎    
Effect of Thinning on Quercus wutaishanica Trees Form Quality by the Analytic Hierarchy Process in Huanglong Mountains
Yu Shichuan, Zhang Wenhui , You Jianjian, Deng Lei, Huang Caizhi, Xing Zhongli, Fan Rongrong, He Ting    
Abstract: 【Objective】In this study, the effects of thinning on Quercus wutaishanica trees form quality were investigated by the analytic hierarchy process in Huanglong Mountains in order to provide theoretical basis of trees form quality evaluation system and thinning on Q. wutaishanica on Loess Plateau.【Method】Experimental sample plots, which are the heavy thinning (keeping canopy density of 0.6), medium thinning (keeping canopy density of 0.7), light thinning(keeping canopy density of 0.8) and control plots (canopy density of 0.9) on Q. wutaishanica forest in Huanglong Mountains of the Loess Plateau were set up. In order to keep invariant canopy density of different thinning intensities of the experimental sample plots, every three years proceed on a tending thinning. The Q.wutaishanica form quality evaluation system was constructed by using the analytic hierarchy process (AHP), with growth situation(height mean increment, DBH mean annual increment, crown diameter ratio, health condition), stem form situation (ratio of height to diameter, tree tapering, stem straightness, bifurcation situation), lateral branch situation (natural ability of self thinning, lateral branch number, index of branch coarse, average base diameter of branches) as Q.wutaishanica form quality evaluation index, calculated Q.wutaishanica trees form quality scores of comprehensive evaluation with the heavy thinning (keeping canopy density of 0.6), medium thinning (keeping canopy density of 0.7), light thinning(keeping canopy density of 0.8) and control plots (canopy density of 0.9).【Result】The stem form situation was the most significant influencing for the tree form quality with the relative contribution rate of 0.653, followed by growth situation, which influenced the tree form quality had the relative contribution rate of 0.285, the less influencing of lateral branch situation for the tree form quality with the relative contribution rate of 0.062. Weights with all the evaluation indexes of Q.wutaishanica form quality evaluation were in sequence of stem straightness (0.344 6) > bifurcation situation (0.227 1) > health condition (0.190 7) > DBH mean annual increment (0.051 3) > ratio of height to diameter (0.046 3) > natural ability of self thinning (0.037 7) > tree tapering (0.035 2) > height mean increment (0.031 6) > average base diameter of branches (0.012 6) > crown diameter ratio (0.011 4) > index of branch coarse (0.008 9) > lateral branch number (0.003 0); Comprehensive evaluation score was in sequence of medium thinning (92.892) > light thinning (83.314) > heavy thinning (79.644) > control plots (74.376), trees form quality score firstly increased and then decreased with the increase of thinning intensity so that medium thinning had the highest score and the form quality of Q.wutaishanica was the best.【Conclusion】Quercus wutaishanica trees form quality were promoted by thinning, and the height mean increment and health condition of the form indexes increased with thinning intensity, and ratio of height to diameter decreased with increasing thinning intensity. Compared with the control, the medium thinning and heavy thinning had significant influence on the crown diameter ratio, lateral branch number and average base diameter of branches.The thinning had significant influence on the stem straightness and bifurcation situation. The best thinning intensity for form quality of Q.wutaishanica was medium thinning (keeping canopy density of 0.7), followed by the light thinning(keeping canopy density of 0.8), the heavy thinning (keeping canopy density of 0.6) being the last, which should be suitable for application in Q.wutaishanica forest tending thinning. With AHP to establish the trees form quality evaluation system can provide the basis for other species form quality evaluation.
Key words: tending thinning    form quality evaluation    analytic hierarchy process    Quercus wutaishanica    

抚育间伐是指在林分郁闭后直至主伐期间,对未成熟的森林定期而重复地伐去部分林木,为保留的林木创造更好的生长环境条件,同时获取一部分木材的一种森林培育技术措施(沈国舫等,2011)。通过抚育间伐,可清除劣质林木,调整树种组成,改善林分卫生状况,促进林木生长,提高林木质量,建立适宜的林分结构,发挥森林多种效益(周建云等,2012)。

国内外的抚育间伐研究多集中在林木生长(Primicia et al., 2016Kuehne et al., 2015Diaconu et al., 2015Newton,2015周建云等,2012韩文娟等,2013龚固堂等,2015)、材质(Lowell et al., 2012Štefančík et al., 2014周崟等,1980童雀菊等,2005)、林分结构(Sullivan et al., 2016Yücesan et al., 2015周建云等,2012)、林下植物多样性(Hedo de Santiago et al., 2016马履一等,2007Haughian et al., 2016)、水源涵养(翟凯燕等,2015贾忠奎等,2012)、土壤性质(成向荣等,2010张建国等,2012柳思勉等,2015)、碳贮量与分配(方晰等,2010明安刚等,2013)等方面,而对林木形质的研究罕见报道,仅见尤健健等(2015)对不同郁闭度下油松(Pinus tabulaeformis)林木形质进行了研究。

层次分析法是将一个复杂问题看成一个系统,将定性问题定量化,通过分析复杂问题所包含的元素及其相互关系,进而选择解决问题的最佳措施(王乃江等,2010彭舜磊等,2011陈俊华等,2012国政等,2013)。层次分析法在林业上的应用主要集中在树种选择(柳新红等,2006)、种源选择(蒋艾平等,2015)、自然度评价(彭舜磊等,2011赵中华等,2011)和生态系统效益评价(郑景明,2003)等方面。

辽东栎(Quercus wutaishanica)为壳斗科(Fagaceae)栎属(Quercus)植物,是黄土高原地区主要建群种之一,形成了辽东栎纯林和以辽东栎为优势种的落叶阔叶混交林,作为生态公益林,其对该区水源涵养、水土保持和防风固沙发挥着重要生态功能(Xiao et al.,2004周建云等,2012)。同时,辽东栎也可为当地提供木材,是培养食用菌的主要原料,种子可以酿酒,叶子可以养蚕,具有重要经济价值(张志翔,2008)。目前,辽东栎经营多集中在其生长发育、结构组成、竞争关系等单方面研究,缺乏对其综合评价的报道,培育高品质、大径级林木对辽东栎林发挥生态效益与经济效益具有重要意义。鉴于此,本研究采用层次分析法对辽东栎林木形质指标进行综合评价,研究不同抚育间伐强度对辽东栎林木形质的影响,为林木形质评价体系、黄土高原辽东栎抚育间伐提供理论依据。

1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况

研究区选择在陕北黄土高原延安市黄龙山林业局蔡家川林场,地理位置109°38′49-110°12′47″E,35°28′46″-36°02′01″N,海拔962.6~1 783.5 m,属暖温带半湿润与半干旱气候的过渡地带,年均气温8.6 ℃,最高气温36.7 ℃,最低气温-22.5 ℃,无霜期126~186天,年均降水量611.8 mm。该林区属暖温带落叶阔叶林,以辽东栎、油松、白桦(Betula platyphylla)为建群种形成的纯林或混交林呈镶嵌性分布,并伴有茶条槭(Acer ginnala)、山杨(Populus davidiana)、漆(Toxicodendron vernicifluum)、鹅耳枥(Carpinus turczaninowii)等树种;灌木层主要有华北绣线菊(Spiraea fritschiana)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、虎榛子(Ostryopsis davidiana)、陕西荚蒾(Viburnum schensianum)、灰栒子(Cotoneaster acutifolius)、金银忍冬(Lonicera maackii)、黄刺玫(Rosa hugonis)等;草本层主要有大披针薹草(Carex lanceolata)、白茅(Imperata cylindrica)、披碱草(Elymus dahuricus)等(李荣等,2011邓磊等,2011尤健健等,2015)。

研究区辽东栎为天然次生林,抚育前,林分表现为纯林多、密度大、生长不良,劣质木、病虫木比例大;林分基本郁闭,由于郁闭后竞争作用和自然稀疏,使林分基本维持郁闭度0.9左右。2004年实施间伐作业,以近自然经营理念为指导,对林地进行目标树单株经营,选择培养目标树,采取间密留匀、留优去劣间伐原则,使林木分布均匀,林分结构更为合理,提升林分质量。为了比较间伐强度对林木形质的影响,本研究采取3种间伐强度,包括重度(保留郁闭度0.6)、中度(保留郁闭度0.7)、轻度(保留郁闭度0.8)抚育间伐,同时设置对照样地(郁闭度0.9)。为了保持郁闭度不变,每隔3年进行1次抚育间伐,共抚育间伐3次。本研究所用数据为2004年设置对照与间伐样地的调查数据和2014年样地监测数据。

1.2 研究方法 1.2.1 样地设置与调查

2004年对辽东栎林进行充分踏查发现,辽东栎在阴坡长势明显好于阳坡,故在蔡家川林场143林班的阴坡、半阴坡,通过典型取样,共设置20 m×20 m样地12个(其中3个样地为对照样地),每个间伐强度(保留郁闭度0.6、0.7、0.8)各设置3个样地,并对设置不同间伐强度的样地进行作业,对照样地不作业。样地间伐前基本情况见表 1

表 1 辽东栎调查样地间伐前(2004年)基本特征 Tab.1 Stand characteristics of the plots before thinning of the studied Q.wutaishanica forest in 2004

对样地辽东栎进行林木形质指标调查,包括树高、胸径、冠幅、树干基径、树干中央直径、通直度、枝下高、侧枝数(基径≥1.5 cm)、侧枝基径、分杈高度和有无病虫害。

1.2.2 形质指标

形质指标(孟宪宇,2006陈晓阳等,2005尤健健等,2015)包括:

1) 树高平均生长量:树高年均生长量以新梢生长量代替。

2) 胸径年均生长量:胸径年均生长量θ10=(DBH2014-DBH2004)/10,式中:DBH2014为2014年胸径测量值,DBH2004为2004年胸径测量值。

3) 冠径比:冠径比为树冠指标,冠径比=树冠直径/胸径。

4) 健康状况:根据树木有无病害、枯死程度,按健康、较健康、一般、不健康和非常不健康分5级,分别记为5、4、3、2和1分,分数越高越健康。

5) 高径比:高径比=树高/胸径。

6) 尖削度:尖削度=(树干基部直径-树干中央直径)/0.5树高。

7) 通直度:根据树干弯曲数目确定。

8) 分杈情况:分杈情况=分杈高度/树高。

9) 自然整枝能力:自然整枝能力=枝下高/树高。

10)侧枝数:调查基径大于1.5 cm的侧枝个数。

11)枝粗指数:反映树冠主枝粗细,枝粗指数=最粗枝基径/胸径。

12)侧枝平均基径:各侧枝基径的均值。

1.2.3 形质评价体系建立

基于形质指标与层次分析法的基本原理,将辽东栎形质评价体系分为有隶属关系的3层递阶层次结构(图 1),分别为:

图 1 辽东栎林木形质评价体系 Figure 1 System of tree form quality evaluation of Q. wutaishanica 图注A:树高平均生长量Height mean increment; B:胸径年均生长量DBH mean annual increment; C:冠径比Crown diameter ratio; D:健康状况Health condition; E:高径比Ratio of height to diameter; F:尖削度Tree tapering; G:通直度Stem straightness; H:分杈情况Bifurcation situation; I:自然整枝能力Natural ability of self thinning; J:侧枝数Lateral branch number; K:枝粗指数Index of branch coarse; L:侧枝平均基径Average base diameter of branches.

最高层:表示解决问题的目的,即AHP所要达到的目标——林木形质最佳(刘豹等,1984)。

中间层:包括为实现目标所涉及的中间环节,由若干个层次组成。本研究分为2个层次:准则层A为生长情况、干形情况和侧枝情况;准则层B为树高平均生长量、胸径年均生长量、冠径比、健康状况、高径比、尖削度、通直度、分杈情况、自然整枝能力、侧枝数、枝粗指数和侧枝平均基径。

最低层:表示为实现目标可供选择的各种措施、决策、方案等,又称为措施层或方案层,即重度间伐、中度间伐、轻度间伐和对照(刘豹等,1984)。

1.2.4 判断矩阵构建

请专家根据理论和实践经验对各元素进行评价,将同一层次中两两元素间相对重要性给出一定尺度判断, 按照两元素A与B同等重要、A比B稍重要、A比B重要、A比B明显重要和A比B极端重要,分别以1、3、5、7、9作为标度,以2、4、6、8表示相邻判断的中间值,用这些值的倒数表示2个元素的反比较,构建判断矩阵(Saaty,1978王乃江等,2010尤健健等,2015), 并求出矩阵最大特征根及其相应的特征向量,进行一致性检验,保证矩阵具有满意的一致性。

1.2.5 林木形质综合评价
$ {A_i} = \sum\limits_{i = 1}^{12} {{X_{ij}}{W_j}} 。$

式中:Ai为第i种间伐强度的林木形质综合评价得分;Xij为第i种间伐强度第j个指标所对应得分;Wj为第j个指标的权重(尤健健等,2015)。

1.2.6 数据处理

采用Excel软件对原始数据进行初步整理和计算,SPSS20.0软件进行单因素方差分析(one-way ANOVA),用最小显著法(LSD)结合Duncan检验比较参数间差异性(α=0.05),采用Origin 8.1软件进行图表绘制。

2 结果与分析 2.1 建立判断矩阵并进行一致性检验

林木形质评价的判断矩阵、贡献率和CR见表 2,生长情况、干形情况和侧枝情况的判断矩阵、贡献率和CR见表 3表 4表 5,各判断矩阵随机一致性比率CR分别为0.070 7、0.085 7、0.047 4和0.067 5,均小于0.1,说明各判断矩阵具有满意的一致性,可用于权重计算。

表 2 林木形质评价判断矩阵 Tab.2 Determining matrix of trees form quality evaluation
表 3 生长情况指标判断矩阵 Tab.3 Determining matrix of growth situation
表 4 干形情况指标判断矩阵 Tab.4 Determining matrix of stem form situation
表 5 侧枝情况指标判断矩阵 Tab.5 Determining matrix of lateral branch situation
2.2 评价指标权重

采用高斯迭代法求解各层次上评价指标判断矩阵的最大特征根及其对应的特征向量,得到林木形质评价指标权重,见表 6。由表 2可看出,准则层A各指标权重为:干形情况(0.653) > 生长情况(0.285) > 侧枝情况(0.062),说明干形情况对林木形质影响最大,生长情况对林木形质有一定影响,侧枝情况对林木形质影响较小。由表 6可看出,准则层B各指标权重为:通直度(0.344 6) > 分杈情况(0.227 1) > 健康状况(0.190 7) > 胸径年均生长量(0.051 3) > 高径比(0.046 3) > 自然整枝能力(0.037 7) > 尖削度(0.035 2) > 树高平均生长量(0.031 6) > 侧枝平均基径(0.012 6) > 冠径比(0.011 4) > 枝粗指数(0.008 9) > 侧指数(0.003 0),通直度、分杈情况和健康状况对林木形质影响较大,胸径年均生长量、高径比、自然整枝能力、尖削度、树高平均生长量和侧枝平均基径对林木形质影响一般,冠径比、枝粗指数和侧枝数对林木形质影响较小。