畹町林場柚木中齡林疏伐前后的林分結(jié)構(gòu)變化分析

吳俊多，沈松，李蓮芳，高譽(yù)衡，李北屏，韓會俊

(1．西南林業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650224；2．畹町林場，云南 瑞麗 678500)

柚木(Tectonagrandis)為馬鞭草科(Verbenaceae)柚木屬的落葉或半落葉性大喬木，樹高和胸徑分別可達(dá)40 m和2.5 m，天然分布于印度、緬甸、泰國和老撾等地[1]，現(xiàn)已被引種至65個國家和地區(qū)栽培，是世界上種植面積最廣的樹種之一[2-3]，柚木于19世紀(jì)初開始引入中國，迄今中國柚木人工林已達(dá)1.5萬hm2[4]，但其人工林經(jīng)營管理較為粗放，林分的生長和質(zhì)量普遍較差；集約的撫育管理是提高中國柚木現(xiàn)有林分質(zhì)量的必由途徑，然而目前國內(nèi)關(guān)于柚木林分的疏伐研究仍相對較少[5]，其技術(shù)難以支撐生產(chǎn)實(shí)踐的需求，因此，迫切需要對柚木林分開展撫育研究，林分結(jié)構(gòu)是撫育的基礎(chǔ).

林分結(jié)構(gòu)包括胸徑、樹高、冠層、斷面積和蓄積量結(jié)構(gòu)等，作為林分的基本特征標(biāo)識，對其進(jìn)行了解是森林經(jīng)營管理的基礎(chǔ)[6].疏伐作為重要的森林撫育技術(shù)措施之一，可通過降低林分密度、調(diào)整空間結(jié)構(gòu)和降低保留木的競爭，從而促進(jìn)林木的生長[7].汪亞愈等[8]研究顯示，10年生未經(jīng)撫育的云南松(Pinusyunnanensis)人工林林分各徑階株數(shù)呈正態(tài)分布，較大和較小徑階的林木株數(shù)占總株數(shù)的比例均較小，建議開展第一次疏伐；云南松中齡林疏伐促進(jìn)林木向更大徑階方向發(fā)展[9]；杉木(Cunninghamialanceolata)[7，10]、落葉松(Larixgmellinii)[11]、桉樹(Eucalyptusspp)[12]，以及分別以落葉松、華山松(P.armandii)、油松(P.tabuliformis)和銳齒櫟(Quercusaliena)為主的4種針闊混交林[13]的疏伐結(jié)果指出，疏伐提高大徑階的林木比例，提高林分質(zhì)量，對樹高影響較小.可變密度疏伐法(variable-density thinning；VDT)是為避免因采用固定的疏伐強(qiáng)度對同一林分開展疏伐而導(dǎo)致對林地和林木產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)的疏伐手段，即根據(jù)小面積林地的林分密度變化和有利于保留木生長原則，靈活調(diào)整疏伐強(qiáng)度的方法，在國外已得到廣泛應(yīng)用[14-16].本研究根據(jù)樣地的林木密度，以樣地為單元，采用VDT法對33年齡柚木人工林開展疏伐，了解疏伐對樣地林木生長和林分徑階結(jié)構(gòu)的影響，并通過林分因子間的相關(guān)分析，揭示林分生長因子間的相關(guān)關(guān)系，以期為柚木中齡林的撫育管理提供技術(shù)參考和實(shí)踐案例.

1 材料與方法

1.1 研究地和林分概況

研究地位于云南省瑞麗市畹町鎮(zhèn)，地理坐標(biāo)為N 24°02′～24°10°，E 97°58′～98°10′，海拔約900 m；年平均溫度20.3 ℃，最熱月(6月)和最冷月(1月)的平均溫分別為24.1 ℃和12.3 ℃，極端最高和最低溫分別為36.2 ℃和1.3 ℃，全年基本無霜期[17]；平均年日照時長2 343 h，年太陽輻射量573～598 kJ/cm2；年均降水量1 590 mm，年平均相對濕度79%[18]；緊鄰熱帶北緣，主要受印度洋西南季風(fēng)影響，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候.

研究林分位于畹町林場曼薩林區(qū)，海拔967 m，林分的坡向總體向南，邊緣小部分地塊向東南微斜，坡度5°～15°.林齡33 a，面積3.14 hm2，初植密度3 m×3 m，造林初期間作甘蔗(Saccharumofficinarum；造林后1～3 a間作)，此次疏伐前已疏伐2次，疏伐時林分生長良好，林分郁閉度0.7～0.9.

1.2 研究方法

首先對林分進(jìn)行踏查，根據(jù)林地的地形變化，將林分劃分為17塊面積不同的樣地(用GPS測定各樣地的面積)，使用繩子、木樁結(jié)合林木標(biāo)記樣地邊界，樣地進(jìn)行林木編號、標(biāo)定胸徑線后進(jìn)行每木檢尺，測定胸徑、樹高(采用測高桿結(jié)合估測)和冠幅(測定林木的東西和南北冠幅，計(jì)算平均冠幅).每木檢尺后，根據(jù)“伐小留大，伐劣留優(yōu)”和“照顧均勻”的原則(且因前兩次疏伐所保留的密度不一致)，采用VDT疏伐法進(jìn)行疏伐[9，14-16，19]；疏伐時，根據(jù)各樣地內(nèi)林木的生長和分布狀況，選擇伐除小徑階、干形較差、偏冠和受壓的林木，釋放保留木樹冠生長的空間；在林窗以及水溝邊緣，為防止水土流失，在無較優(yōu)林木前提下，即使相對略差的林木也必須保留.樣地13和15號作為對照而不疏伐.

根據(jù)林分的胸徑分布，以4 cm劃分徑階，林分共包含了20～52 cm的9個以及1個60 cm共10個徑階的林木.分別統(tǒng)計(jì)樣地疏伐前后的林木生長量(胸徑、樹高和冠幅)、胸高斷面積和蓄積量(單株材積和平均單位面積蓄積量)，林分的株數(shù)和重要值則分別按徑階進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；采用Person法分析疏伐前林分結(jié)構(gòu)因子間的相關(guān)性.材積按V=0.478 7×D2×H(其中，D為胸徑，H為樹高)計(jì)算[20]；林分徑階的重要值計(jì)算公式[9]：

(1)

式中，IV為重要值(%)；Dr為各徑階的斷面積比(%)；Fr為各徑階的相對頻度(%)；Dor為各徑階的材積比(%).

Dr、Fr和Dor的計(jì)算公式如下：

(2)

(3)

(4)

式中，di為各樣方中某徑階林木的胸高斷面積，D為

林分的總斷面積，ni為林分中某徑階林木的株數(shù)，N為林分林木總株數(shù)；si為林分中某徑階林木的材積，S為各徑階的總材積.

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖，應(yīng)用SPSS 22.0進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)以及Person相關(guān)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 林分生長量變化分析

疏伐前，樣地的密度、平均胸徑、樹高和冠幅分別為154～435株/hm2、27.4～38.4 cm、15.7～19.3 m和5.8～10.1 m，以3.7%～25.6%的株數(shù)強(qiáng)度疏伐后，以上指標(biāo)變化為144～315株/hm2、27.8～39.4 cm、16.0～19.6 m和6.1～10.0 m，其胸徑、樹高和冠幅分別提高0.33%～4.24%、-0.71%～2.33%和-2.67%～8.22%，樣地伐除木的平均胸徑均低于保留木平均胸徑，故疏伐提高林分平均胸徑；除樣地1和8的樹高降低(樣地伐除木的平均樹高高于保留木平均胸徑，其林木胸徑小而高)以及樣地5和17的冠幅變窄(樣地伐除木的平均冠幅寬于保留木，其林木冠幅大且干形較差)外，其余樣地的此兩次指標(biāo)均提高，表明疏伐促使林分結(jié)構(gòu)向直徑提高和干形改善的方向發(fā)展，達(dá)到疏伐的目的(表1).疏伐強(qiáng)度超過20%的有2、10、11和12號樣地，其胸徑、樹高和冠幅分別提高3.19%～5.07%、0.15%～3.50%和3.32%～8.22%，以上指標(biāo)的提高明顯高于其他樣地，表明較高強(qiáng)度疏伐有益于改善林分結(jié)構(gòu)，其對林木生長的影響有待后續(xù)觀測分析.

表1 不同樣地的密度和生長量變化

2.2 胸高斷面積和蓄積量的變化

疏伐前，樣地的平均單株斷面積、材積和單位面積蓄積量分別為0.08～0.12 m2/株、0.59～1.27 m3/株和163.99～338.89 m3/hm2；疏伐后，以上各指標(biāo)變化為0.08～0.13 m2/株、0.61～1.35 m3/株和139.12～257.62 m3/hm2，平均單株斷面積和材積分別提高0.49%～10.03%和1.00%～10.99%，平均單位面積蓄積量則下降2.24%～23.98%(表2)，同時，樣地伐除木的平均胸高斷面積和材積均小于保留木的，表明主要疏伐較小徑階林木，林分平均單株斷面積和材積量相應(yīng)提高，由于林木數(shù)量的減少，單位面積林分蓄積量隨之下降，符合疏伐的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律.

株數(shù)疏伐強(qiáng)度較大的2、10、11和12樣地(27.78%、25.64%、22.22%和25.00%；表1)，其疏伐后的平均單株胸高斷面積分別提高5.11%、8.49%、7.31%和10.03%，材積則提高4.88%、10.20%、7.87%和10.99%，單位面積蓄積量則分別下降23.98%、17.51%、15.17%和16.39%(表2)，表明較高強(qiáng)度疏伐后樣地?cái)嗝娣e和蓄積量變化較大，與其對生長量的影響相似.

表2 不同樣地的單株斷面積和蓄積量結(jié)構(gòu)變化

2.3 林分徑階結(jié)構(gòu)的變化

疏伐前，林分的胸徑和樹高分別為18.0～60.3 cm和8.0～24.0 m，按胸徑劃分為20、24、28、32、36、40、44、48、52和60 cm徑階的林木株數(shù)分別占林木總株數(shù)的2.92%、9.34%、16.93%、23.94%、20.58%、15.47%、8.47%、2.04%、0.15%和0.15%，中等徑階(28～40 cm徑階)占總株數(shù)的比例較大(占76.93%)；較大徑階和較小徑階所占比例較小，不同徑階的林木株數(shù)呈正態(tài)分布，符合人工同齡林的林木株數(shù)分布規(guī)律.基于林分徑階分布和培育大徑級林木的基礎(chǔ)和目標(biāo)，可進(jìn)行林分的撫育疏伐.

疏伐的林木包括20、24、28、32、36、40、44 cm徑階，各徑階的疏伐量分別為11、27、24、20、5、2和1株，結(jié)合24 cm徑階相對偏小，且處于林分中密度相對較高生境中，因此，伐除木中24 cm徑階的最多，符合“伐小留大”、培育大徑材的要求.疏伐后，從小到大10個徑階林木分別占總株數(shù)的1.51%、6.22%、15.46%、24.20%、22.86%、17.48%、9.58%、2.35%、0.17%和0.17%(圖1)，即28 cm及以下徑階株數(shù)比例降低1.41%～3.12%，28 cm以上徑階則增加0.02%～2.27%，林木向徑階相對較大的趨勢變化.

圖1 疏伐前后林分徑階結(jié)構(gòu)的變化Figure 1 Structure changes of stand diameter class before and after thinning

2.4 林分各徑階的重要值構(gòu)成

重要值是各組成成分在群體中的地位和重要性的綜合數(shù)量特征，各徑階林木的重要值主要由其株數(shù)、胸高斷面積和蓄積量綜合構(gòu)成.疏伐前，林分10個徑階的重要值分別為1.64%、6.03%、13.17%、21.73%、22.06%、19.32%、12.03%、3.34%、0.29%和0.39%，32～40 cm徑階林木是林分重要值的主要部分，其合計(jì)為63.11%，林分各徑階的重要值構(gòu)成與其徑階結(jié)構(gòu)分布相似，呈正態(tài)分布；疏

伐后，各徑階的重要值變化為0.81%、3.94%、11.66%、21.21%、23.52%、20.86%、13.00%、3.66%、0.32%和0.42%，其中20～32 cm徑階重要值呈下降趨勢(降低0.52%～2.09%)，相反，36～52和60 cm徑階則呈上升趨勢(提高0.03%～1.54%)，即疏伐提高大徑階林木的重要值，與前述的指標(biāo)相一致，符合“伐小留大”的林木撫育采伐原則，有益于培育大徑材.

圖2 各徑階的重要值分布Figure 2 The distribution of important value for different diameter classes in the stand

2.5 各指標(biāo)間的相關(guān)性分析

疏伐前的Person相關(guān)分析結(jié)果顯示(表3)，林分密度極顯著的與胸徑、冠幅、單株斷面積、材積和單位面積蓄積量呈負(fù)相關(guān)(R=-0.798～-0.663，P=0.000～0.004<0.01)，即林分密度越大，林分的平均胸徑、冠幅、單株材積和單位面積蓄積量越小，符合森林培育的林木密度與其生長的規(guī)律，預(yù)示疏伐有益于林木生長；胸徑與冠幅呈極顯著的正相關(guān)(R=0.743，P=0.001<0.01)，即冠幅擴(kuò)展促進(jìn)林木胸徑生長，同時提升林木的單株材積(P=0.772，P=0.000<0.01)，與前述結(jié)果相一致，疏伐可促進(jìn)林木生長.

表3 不同指標(biāo)間的相關(guān)性分析

3 討論

疏伐作為林分結(jié)構(gòu)調(diào)控的主要手段，在森林經(jīng)營管理中具有重要的作用.已有研究指出，疏伐可顯著促進(jìn)林木的胸徑生長和增加大徑階林木比例[9，21]；Valinger等[22]指出，疏伐對33年生赤松(P.densiflora)的生長具有促進(jìn)作用，符合高強(qiáng)度疏伐可顯著降低林木生長的競爭壓力，最大程度促進(jìn)林木個體的生長[23-25]，Kanninen等[26]指出，60%的株數(shù)強(qiáng)度疏伐柚木人工林，其胸徑年增量顯著高于25%疏伐強(qiáng)度的，即較高強(qiáng)度疏伐更有益于林木生長.本研究中，疏伐強(qiáng)度超過20%的2、10、11和12號樣地，疏伐后其胸徑、樹高、冠幅、胸高斷面積和材積分別提高3.19%～5.07%、0.15%～3.50%、3.32%～8.22%、5.11%～10.03%和4.88%～10.99%，顯著高于或等于其他樣地，即以較高株數(shù)強(qiáng)度疏伐對林木相關(guān)指標(biāo)的影響與已有研究相一致，疏伐導(dǎo)致林木向大徑級方向移動.

按預(yù)定的強(qiáng)度疏伐，則高強(qiáng)度疏伐可能造成較大的林窗并導(dǎo)致林地和林分退化[14，27-28]，VDT疏伐法作為一種靈活的疏伐方式，根據(jù)林分內(nèi)林木密度的變化選擇伐除木，疏伐強(qiáng)度也隨之不同，避免林窗形成，是一種解決因疏伐而導(dǎo)致林分環(huán)境劇變和提升林分穩(wěn)定性的有效方法[9，15]；同時，已有的研究證明，VDT疏伐法對促進(jìn)林木的胸徑生長、冠幅伸長、林分更新和林下植被生長等均具有重要作用[16,29-31].李蓮芳等[9]針對25年生未經(jīng)撫育采伐的云南松林分，采用VDT法進(jìn)行疏伐，結(jié)果疏伐降低小徑階林木的比例促進(jìn)林分重要值往更大徑階方向發(fā)展，本研究結(jié)果與其相似，表明VDT法在林木疏伐方面的有效性.

直徑結(jié)構(gòu)是林分結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，其可準(zhǔn)確地估計(jì)林分各徑級的分布和林分蓄積總量，為林分撫育和定向培育提供參考[32].已有研究指出，林分徑階的分布呈正態(tài)[8,33]、倒J型[34]和不規(guī)則的山狀分布等[35]，人工同齡林則通常呈正態(tài)分布或近正態(tài)分布[8，33，36]，蘇乙奇和藺成軍[36]指出，落葉松人工林的直徑結(jié)構(gòu)呈正態(tài)分布，其隨林分密度的增大呈現(xiàn)左偏的趨勢，即小徑階林木的比例逐漸增大；林分年齡增大，其直徑分布為左偏，但其偏度逐漸減小.本研究中，疏伐前后林木的株數(shù)比例和重要值均符合正態(tài)分布規(guī)律，疏伐后，小徑階的20～32 cm林木重要值下降，大徑階36～52和60 cm林木上升，即疏伐使直徑分布逐漸向偏大方向移動，與劉相兵等[37]的研究結(jié)果相同，即疏伐有利于培育柚木大徑材.同時，樣地指標(biāo)間的相關(guān)性分析結(jié)果表明，在同一林分內(nèi)的不同樣地，密度與林木生長指標(biāo)均呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與云南松[8-9]、杉木[7，10]和尾葉桉(E.urophylla)[38]的研究結(jié)果相一致，佐證降低林分密度對促進(jìn)林木生長的重要作用.

本研究采用株數(shù)、斷面積和材積3個指標(biāo)計(jì)算徑階的重要值，與汪亞愈等[8]和李蓮芳等[9]的研究方法相比，首次采用材積作為衡量林木徑階重要值的指標(biāo)，即從株數(shù)、胸高斷面積和蓄積量的角度解釋各徑階林木在林分中的地位，其計(jì)算較為直觀、簡便，同時也有利于量化同齡林中各徑階林木的重要性，符合何興東等[39]關(guān)于改進(jìn)重要值計(jì)算的提議.

4 結(jié)論

采用VDT法對畹町林場33年生柚木人工林開展疏伐研究，以樣地為單元伐除3.7%～25.6%的小徑級林木.疏伐后，樣地胸徑和樹高分別提高0.33%～4.24%和-0.71%～2.33%，即林木胸徑向大徑級方向移動，樹高因部分伐除胸徑小而高的林木，樣地平均高增加和降低的狀態(tài)并存，總體為增加；同時，樣地單株的胸高斷面積和材積呈現(xiàn)提高趨勢，但平均單位面積蓄積量因伐除部分林木而降低；不同徑階的林木株數(shù)和重要值呈正態(tài)分布，疏伐前，以28～40 cm徑階株數(shù)為主，重要值則為32～40 cm徑階的占優(yōu)勢；疏伐后，28 cm以上徑階的株數(shù)比例增加，同樣，32 cm以上徑階的重要值亦提高；通過疏伐，林分大徑級的林木株數(shù)比和重要值趨于增加，即疏伐有利于培育大徑材；密度與林分的胸徑、冠幅、單株斷面積、材積和單位面積蓄積量間均呈極顯著的負(fù)相關(guān)(R=-0.798～-0.663，P<0.01)，即隨密度增大，林木生長和蓄積均呈下降趨勢，揭示通過疏伐調(diào)控密度對促進(jìn)林木生長和提高林分蓄積的重要性.

致謝：西南林業(yè)大學(xué)林學(xué)院2018屆畢業(yè)生張杰、顏京劍和鐘俊參與了野外調(diào)查，研究生張青青、楊永潔、楊歷雨、葉桂榮、李楊濤、吳柏良、馬敬、王凱、付志高和彭思華對數(shù)據(jù)分析和論文寫作給予了大力的幫助和支持，謹(jǐn)此以誠謝.