帶狀間伐對長白落葉松人工純林誘導復層林效果評價1)

殷鳴放 周立君 畢剛蕊 薛 娟 殷煒達 寧良智 梁 澤

(沈陽農業大學，沈陽，110161) (東京大學) (清源縣大邊溝林場)

落葉松(Larix olgensis)是我國東北地區人工造林的主要樹種，由于生長迅速、適應性強、用途廣泛，在東北林區經濟建設中發揮極其重要的作用［1］。但是現有落葉松人工林中絕大多數為中、幼齡林，由于密度偏大，導致樹木長勢弱、林下植被稀疏、群落結構簡單、生物多樣性銳減、土壤酸化、養分衰竭、土壤板結、地力下降、涵養水源能力下降等諸多問題顯現，使得落葉松人工林在生態系統上十分脆弱，無法充分發揮生態公益效能［2］。落葉松人工林實行誘導復層培育是純林演替過程中一個極為重要而又敏感的階段，是維持和恢復其生態系統健康與穩定的首要問題，也是制定可持續經營技術的基礎。這不僅有利于森林資源的恢復和發展、培育后續資源、保持物種多樣性、維護生態平衡及生態系統的穩定，而且有利于保證長白落葉松(Larix olgensis Henry)人工林生產力的持續性以及功能的完備，有利于提高森林的蓄積量，促進森林的可持續發展，推動天然林保護工作。因此，將單層的落葉松人工林通過采取適宜的經營措施誘導成人工復層林，在不破壞森林環境的情況下，最大限度地提供優質用材、優良景觀、防護作用等諸多生態系統服務功能，研究落葉松人工林林分結構調整方法與經營措施，對落葉松人工林的培育和經營都具有重要意義［3］。本文以遼東山區人工長白落葉松(Larix olgensis Henry)幼齡林、中齡林和近熟林為對象，對長白落葉松人工純林進行帶狀間伐誘導人工復層異齡林試驗，研究不同間伐類型下長白落葉松保留木及更新幼樹的生長狀況，以及灌木層和草本層的物種多樣性、林下土壤有機碳質量分數的變化情況，探索恢復林地生產力的途徑，以改善林分結構與樹種結構，實現林地連續覆蓋的森林可持續經營目標，掌握落葉松與更新樹種組成的復層混交林林分的各種動態變化規律，為現有落葉松人工林可續經營提供技術支撐。

1 試驗地概況

研究區位于遼寧省清原滿族自治縣(東經124°20' ～125°29'，北緯41°48' ～42°29')的甘井子林場和大邊溝林場的長白落葉松人工純林，系長白山山脈的延伸區域，海拔400 ～600 m，全年平均氣溫5℃，年降水量700 ～800 mm，全年無霜期120 ～125 d。土壤多為山地棕色森林土，土層厚30 ～50 cm，山體坡度12° ～18°，土壤pH 值5.5 ～6.5。研究地長白落葉松主要以中齡林、幼齡林為主，以10 a 為一個齡級:20 a 以下為幼齡林，21 ～30 a 為中齡林，31 ～40 a 為近熟林。初始造林株行距1.5 m ×1.5 m，由于初植密度較大，在樹木生長過程中進行了適當的撫育間伐。直至帶狀間伐之前，幼齡林密度約為3 000 株·hm－2，中齡林密度約為2 550 株·hm－2，近熟林密度約為560 株·hm－2。具體試驗地基本概況見表1。

表1 試驗地簡況

2 研究方法

2.1 試驗設計

由于長白落葉松純林林分密度較大，光照減少，導致水分、肥力競爭激烈，林木分化嚴重，枯死木、被壓木分布較多，林木生長緩慢，人工林地力下降，嚴重影響了林木健康生長和物種多樣性。為了力求改善林分結構和提高林分質量，于2005年秋對甘井子林場的兩塊試驗林進行了帶狀間伐更新，之后，于2008年春對大邊溝林場的3 塊試驗林進行了帶狀間伐更新。長白落葉松間伐方式分為2 種:隔2 行伐2 行(簡稱Ⅰ型);隔3 行伐3 行(簡稱Ⅱ型)，形成伐留交替小區，兩種林型的中間有長白落葉松純林間隔帶(對照區)，寬度為30 m［4］。同時，在采伐帶上進行林下更新試驗，更新方式為:采伐2 行的帶內栽植1 行更新樹種;采伐3 行的帶內栽植2 行更新樹種。設立未間伐的林分作為對照區，觀察林分的生長情況。甘井子林場選取云杉(Picea koraiensis Nakai.)、水曲柳(Fraxinus mandshurica Rupr.)作為更新樹種;大邊溝林場選取紅松(Pinus koraiensis Siebold et Zuccarini)、云杉、北美喬松(Pinus strobus Linn.)、白樺(Betula platyphylla Suk.)作為更新樹種。

在不同間伐類型林分內設立固定標準地進行調查，標準地大小為20 m ×33 m，共設置15 塊。對標準地內保留的上層林木與更新幼樹進行胸徑(地徑)、苗高、株數全面調查，同時進行林下灌木、草本的生物多樣性和土壤碳儲量調查，選擇未間伐落葉松純林作為對照。對各類型試驗結果分別采用Spss17 軟件進行統計計算，分析不同帶狀間伐更新方式對落葉松人工純林誘導復層林過程的影響。

2.2 落葉松林木生長調查

對標準地內落葉松林木每木檢尺，記錄其胸徑、株數，并對枯死木、風倒樹等進行記錄。計算各個樣地落葉松的平均胸徑、平均單株材積及胸徑和材積的平均生長量。立木材積按遼寧省地方標準一元材積表計算。一元材積式如下:

2.3 不同更新類型下灌木、草本的物種多樣性調查

在標準地兩條對角線上布設5 個1 m ×1 m 的小樣方，記錄草本植物的種類、數量、高度和蓋度;布設3 個5 m ×5 m 的小樣方，記錄林下灌木的種類、數量和高度。多樣性采用4 個指標計算:Marglef 豐富度指數、Shannon － Weiner 指數(物種多樣性指數)、Simpson 指數和Pielou 指數(均勻度指數)。

Marglef 豐富度指數:R=(S－1)/lnN;

Pielou 指數:J =H'/lnS。

式中:S 為物種數目;N 為所有種的個體總數;ni為第i 種個體數;Pi為各物種的相對多度(即樣本中屬于i種的個體數與全部種的總個體數之比，Pi=ni/N)。

2.4 不同更新類型下幼樹生長調查

對標準地內的更新幼樹進行地徑、冠幅、樹高等因子調查，計算得出各更新類型的平均樹高、平均地徑、平均冠幅。在各個林分類型標準地中分別選取3 株生長指標為平均狀態的更新幼樹，挖取整個植株，洗凈根部土壤，將幼樹在根莖處截為地上部分和地下部分，分別裝入自封袋帶回實驗室，將各區分段樣本放入85 ℃恒溫烘干至恒定質量后，用電子秤分別稱其干質量［7］，進而計算出標準木的地上生物量和地下生物量。

2.5 土壤有機碳測定

2005年，分別對甘井子2 塊試驗林土壤有機碳質量分數進行調查。2010年9月，同時對大邊溝、甘井子的5 塊試驗林的土壤有機碳質量分數進行調查。選擇各試驗地立地條件相似的地段，在每個試驗地Ⅰ型、Ⅱ型林分的間伐帶林下和未間伐的落葉松純林林下，沿樣地坡面的上、中、下部，分別挖取土壤剖面1 個，在0 ～20 cm 土層用環刀采集土壤樣品。土樣經風干、研磨、過篩后進行各種指標的測定。采用硫酸—重鉻酸鉀法測定土壤有機碳含量［5］。

采用Spss17.0 軟件進行方差分析和回歸分析。

3 結果與分析

3.1 不同間伐類型對落葉松保留木的影響

間伐有利于調節和分配林木本身的生長空間，不同間伐方式對樹高、胸徑和蓄積等林分因子有不同的影響［6－9］。

3.1.1 對落葉松胸徑的影響

對比2008年與2011年大邊溝林場3 塊試驗地的調查結果，由表2可知，間伐當年，Ⅰ型、Ⅱ型林分內落葉松保留木平均胸徑與對照區相比變化不大，胸徑分別為13.7、13.9、14.2 cm，表明起始的立地條件相似，樣方間具有可比性。間伐3 a 后，各類型落葉松保留木平均胸徑分別為16.1、16.6、15.1 cm，Ⅰ型、Ⅱ型林分內落葉松保留木平均胸徑分別提高了6.6%、9.9%，方差分析結果表明:Ⅰ型、Ⅱ型林分落葉松的平均胸徑與對照區差異顯著(p ＜0.05)。林分的平均胸徑生長量均值分別為2.4、2.7、1.2 cm，Ⅰ型、Ⅱ型林分內落葉松保留木平均胸徑分別提高了97.5%、121.78%，方差分析結果表明，Ⅰ型、Ⅱ型林分落葉松的平均胸徑與對照區差異顯著(p ＜0.05)。

3.1.2 對落葉松材積的影響

由表3可知，2008年，Ⅰ型、Ⅱ型林分內落葉松保留木平均單株材積與對照區相比變化不大，平均單株材積大小分別為0.131 4、0.134 5、0.133 5 m3。間伐3 a 后，Ⅰ型、Ⅱ型林分和對照區落葉松保留木平均單株材積大小分別為0.172 9、0.183 2、0.153 5 m3。Ⅰ型、Ⅱ型林分內落葉松保留木平均單株材積分別提高了12.64%、19.35%，方差分析結果表明:Ⅰ型、Ⅱ型林分落葉松的平均單株材積與對照區差異極顯著(p ＜0.01)。Ⅰ型、Ⅱ型林分和對照區林分的平均單株材積生長量均值分別為0.041 5、0.048 6、0.019 9 m3。Ⅰ型、Ⅱ型林分內落葉松保留木平均單株材積生長量分別提高了108.54%、144.22%，方差分析結果表明:Ⅰ型、Ⅱ型林分落葉松的平均胸徑與對照區差異極顯著(p ＜0.01)。

由計算結果可知，試驗林間伐3 a 后的胸徑生長量和材積生長量均表現為:Ⅱ型＞Ⅰ型＞對照區。帶狀間伐使林帶內形成了帶狀林隙，使得保留帶內的落葉松獲得了優越的光照條件，帶狀林隙對林木的平均胸徑影響相對顯著，進而影響到平均單株材積。

表2 帶狀間伐3 a 后落葉松胸徑的生長量

表3 帶狀間伐3 a 后落葉松的蓄積量

3.2 不同間伐類型對林帶灌木、草本物種多樣性的影響

由于試驗地林分密度較大，林下灌木、草本種類和數量很少。經過帶狀間伐，林內灌木、草本種類和數量有了明顯增加。由表4可看出:間伐林分下灌木層、草本層的物種數、Marglef 指數(豐富度指數)、Shannon－ Weiener 指數、Simpson 指數、Pielou 指數(均勻度指數)均有所增加;Ⅰ型、Ⅱ型林分內都有新物種的侵入;Ⅰ型、Ⅱ型誘導林分在灌木層的物種數分別比純林對照多3 種和13 種，草本層比純林對照多9 種和18 種，以Ⅱ型林分內物種最多。物種數的增加，主要是由于帶狀間伐后林分郁閉度減小，顯著地增加了林內的光照條件，原有的植物種因為環境改善而增多，分布范圍擴大，植物出現機率大，物種豐富度隨間伐帶的增加而得到增大，植物均勻度也有所增加。綜合分析可以看出，帶狀間伐后，落葉松人工林內灌木、草本層生物多樣性相應提高，且以Ⅱ型間伐類型下的效果最好。隨著間伐寬度的增加，植物的種類也增加，密度和蓋度也越大［10－11］，表明適當提高間伐寬度，不僅可以增加林下草本和灌木的種類，而且也相應地提高了每個物種的高度和蓋度，增加了其出現的數量。

表4 不同間伐類型的灌木層、草本層生物多樣性指標

3.3 不同間伐類型對更新幼樹的影響

3.3.1 對幼樹生長的影響

對各類型更新幼樹生長調查數據進行統計，見表5。不同間伐類型的幼樹平均樹高、平均地徑、平均冠幅為:Ⅱ型林分＞Ⅰ型林分;帶狀間伐后幼樹生長的增長率為:平均樹高＞平均冠幅＞平均地徑。方差分析結果表明:Ⅰ型、Ⅱ型帶狀間伐類型對林下更新幼樹平均樹高的影響差異顯著(p ＜0.05)，對平均地徑、平均冠幅的影響差異不顯著(p ＞0.05)。試驗表明:Ⅱ型林分更有利于幼樹生長，是由于Ⅱ型林分形成的林隙下的光照條件更適合幼樹更新。

3.3.2 對幼樹生物量的影響

對不同間伐類型更新幼樹的生物量進行調查，見表6。從數值看，更新幼樹生物量均表現為:Ⅱ型林分＞Ⅰ型林分。Ⅱ型林分地上部分比Ⅰ型林分地上部分增加了63.41%，地下部分增加了67.27%，總生物量增加了64.14%。帶狀間伐后，更新幼樹生物量的增長率為:地下部分＞地上部分。方差分析結果表明:Ⅰ型林分與Ⅱ型林分地上部分差異不顯著(p ＞0.05)，Ⅰ型林分與Ⅱ型林分地下部分差異顯著(p ＜0.05)。對于整個幼樹而言，Ⅰ型林分與Ⅱ型林分差異不顯著(p ＞0.05)。說明光照對幼樹地下部分生物量的影響顯著。

表5 不同間伐類型的更新幼樹生長指標

表6 不同間伐類型的更新幼樹生物量

3.4 不同間伐類型對土壤有機碳的影響

2010年，對5 塊樣地0 ～20 cm 土層的有機碳質量分數進行對比，由表7可以看出，土壤有機碳質量分數依次為:Ⅱ型林分＞Ⅰ型林分＞對照區林分。其中:Ⅰ型林分的0 ～20 cm 土層的土壤有機碳質量分數比對照區提高了17.76%;Ⅱ型林分的0 ～20 cm土層的土壤有機碳質量分數比對照區提高了23.81%;Ⅱ型林分的0 ～20 cm 土層的土壤有機碳質量分數比Ⅰ型林分提高了5.13%。方差分析結果表明:Ⅰ型樣地與對照區的0 ～20 cm 土層的有機碳質量分數差異顯著(p ＜0.05);Ⅱ型樣地與對照區的同一土層的土壤有機碳質量分數差異極顯著(p ＜0.01)。

0 ～20 cm 土層的土壤有機碳質量分數在間伐后得到明顯提高，與張鼎華［12］、駱士壽［13］、成向榮等［14］和黃從德［15］的研究結果一致。對純林實施適當間伐，改善了林內光照條件，林木生長空間增大，林下植物得以良好發展，凋落物的種類、數量增加［16］，林分土壤酶活性增強、土壤密度降低、總孔隙度和速效養分提高?？梢哉J為，間伐后林下植被生物多樣性的提高，誘發了土壤微生物多樣性和數量的提高，由此增強了土壤的生物活性，加速了土壤養分的循環。Ⅱ型林分內光照條件優于Ⅰ型林分，溫度等因子得到了提高，加快了有機物質的轉化速率，使得Ⅱ型林分土壤有機碳質量分數高于Ⅰ型林分。

表7 不同間伐類型林地的土壤碳質量分數

4 結論與討論

綜合考慮空間尺度上的一致性和時間尺度上的連續性，對現實長白落葉松人工純林采取適宜的經營措施，調整林分結構，改善林分環境，將其誘導成落葉松人工復層異齡林，將有利于維護生態系統的穩定，實現森林可持續經營目標。帶狀間伐方式改變了林分的密度，改善了林內的生長環境，從而促進了落葉松胸徑的生長。間伐3 a 后，胸徑生長量和材積生長量的結果為:Ⅱ型＞Ⅰ型＞對照區，Ⅰ型、Ⅱ型林分內落葉松保留木平均胸徑分別提高了97.5%、121.78%，平均單株材積生長量分別提高了108. 54%、144.22%。間伐使林分經營取得了理想的結果，但由于間伐年限比較短，對林分平均蓄積的影響還需要進一步的研究。間伐可調整林分密度，改變植物群落的生境異質性，從而改變群落的生活型譜和林下植被的建群種［17］。本試驗的各林分類型與未間伐的落葉松純林相比，林內灌木、草本的種類和數量有了明顯的增加，其中Ⅱ型間伐類型效果最好，使純林的林地物種多樣性很低的弊病得以改善。間伐最主要、最直接的影響體現在光照條件的改變上，間伐帶內的光照強度和光照時間都有所增加，為一些喜光物種創造了條件［18］，可見，帶狀間伐可提高林下植被的豐富度和多樣性。本研究結果與大部分的普通間伐效果一致［19－22］。

各類型幼樹的平均樹高、平均地徑、平均冠幅及更新幼樹地上、地下部分的生物量均表現為:Ⅱ型林分＞Ⅰ型林分;帶狀間伐使更新幼樹生物量的增長率表現為:地下部分＞地上部分，說明間伐類型不同對于幼樹生長影響很大，Ⅱ型林分形成的林隙光照條件更適合幼樹更新，而且更新幼樹地上部分生長的差異與光照條件緊密相關。

各類型林分0 ～20 cm 土層的土壤有機碳質量分數依次為:Ⅱ型林分＞Ⅰ型林分＞對照區林分。此結果與前人的普通間伐效果一致［14－15，23－24］，說明不同間伐類型林分的光照條件，土壤微生物種類和數量，枯落物的種類、數量和分解速度等的不同導致了此結果。各類型林分土壤有機碳質量分數呈垂直遞減的特征明顯，說明間伐對于土壤有機碳的影響可能還需要一定的時間才能顯現出來。

［1］ 王秉術.落葉松人工林采伐前后下層植被的演替［J］. 東北林業大學學報，1996，24(5):82 －85.

［2］ 李春義，馬履一，王希群，等.撫育間伐對北京山區側柏人工林林下植物多樣性的短期影響［J］.北京林業大學學報，2007，29(3):60 －66.

［3］ 馬常耕，孫曉梅.我國落葉松遺傳改良現狀及發展方向［J］.世界林業研究，2008，21(3):58 －63.

［4］ 殷鳴放，周立君，殷偉達.落葉松人工林帶狀間伐對有機碳含量的影響［J］.林業科學，2012，48(7):161 －168.

［5］ 中國科學院南京土壤研究所. 土壤理化分析［M］. 上海:上?？茖W技術出版社，1978.

［6］ 蔣伊尹.紅松人工林生長與生長模型［J］.東北林業大學學報，1985，13(2):5 －14.

［7］ 董希斌.采伐強度對林分蓄積生長量的影響［J］. 東北林業大學學報，2001，29(2):35 －37.

［8］ 李春明，杜紀山，張會儒.撫育間伐對森林生長的影響及其模型研究［J］.林業科學研究，2003，16(5):636 －641.

［9］ 崔文濱.中歐針葉林培育理論和技術在秦嶺落葉松和油松人工林撫育中的應用研究［D］.楊凌:西北農林科技大學，2006.

［10］ 李春明.撫育間伐對人工林分生長的影響研究［D］. 北京:中國林業科學研究院，2003.

［11］ 雷相東.東北過伐林區森林類型和采伐對物種和林分結構多樣性的影響研究［D］.北京:北京林業大學，2000.

［12］ 張鼎華，葉章發. 撫育間伐對人工林土壤肥力的影響［J］. 應用生態學報，200l，12(5):672 －676.

［13］ 駱士壽，陳步峰，陳永富，等. 海南島霸王嶺熱帶山地雨林采伐經營初期土壤碳氮儲量［J］.林業科學研究，2000，13(2):123－128.

［14］ 成向榮，虞木奎，張翠，等. 沿?；闪謳ЫY構調控對林分冠層結構參數及林地土壤的影響［J］. 生態學雜志，2011，30(3):516 －520.

［15］ 黃從德，張國慶，唐宵，等. 四川省馬尾松人工林土壤有機碳密度研究［J］.水土保持研究，2009，16(2):46 －49.

［16］ 楊玉盛，郭劍芬，陳銀秀，等. 福建柏和柳杉人工林凋落物分解及養分動態的比較［J］.林業科學，2004，40(3):19 －25.

［17］ 林平，劉勇，李國雷，等. 間伐強度對華北落葉松人工林植被物種多樣性的影響［J］. 中國農學通報，2006，22(8):158 －161.

［18］ 毛志宏，朱教君，劉足根，等. 間伐對落葉松人工林內草本植物多樣性及其組成的影響［J］. 生物學雜志，2006，25(10):1201 －1207.

［19］ 殷鳴放，劉大衛，楊森，等. 遼東山區落葉松人工純林誘導復層林更新試驗［J］.林業科技開發，2008，22(3):14 －17.

［20］ 陳東莉，郭晉平，杜寧寧.間伐強度對華北落葉松林下生物多樣性的影響［J］.東北林業大學學報，2011，39(4):37 －38.

［21］ Smith H C，Miller G W. Managing appalachian hardwood stands using four regeneration praetice-34 years results［J］. Northern Journal of Applied Forestry，1987，4:180 －185.

［22］ Niese J N，Strong T F. Economic and tree diversity trade-offs in managed northern hardwoods［J］. Canadian Journal of Forest Research，1992，22(11):1807 －1813.

［23］ 王海燕，張洪江，楊平，等. 不同水土保持林地土壤有機碳研究［J］.長江流域資源與環境，2010，19(5):535 －538.

［24］ 張城，王紹強，于貴瑞，等. 中國東部地區典型森林類型土壤有機碳儲量分析［J］.資源科學，2006，28(2):97 －102.