基于目標樹經營的撫育采伐對云冷杉針闊混交林空間結構的影響

陳科屹，張會儒*，雷相東，婁明華，王全軍，毛建國

(1.中國林業科學研究院資源信息研究所，北京 100091； 2.寧波市農業科學研究院，浙江 寧波 315040；3.吉林省汪清林業局，吉林 汪清 133200)

基于目標樹經營的撫育采伐對云冷杉針闊混交林空間結構的影響

陳科屹1，張會儒1*，雷相東1，婁明華2，王全軍3，毛建國3

(1.中國林業科學研究院資源信息研究所，北京 100091； 2.寧波市農業科學研究院，浙江 寧波 315040；3.吉林省汪清林業局，吉林 汪清 133200)

目的以長白山林區云冷杉針闊混交林為研究對象，分析目標樹撫育采伐前后云冷杉針闊混交林空間結構參數的變化，探索目標樹撫育采伐對森林空間結構的影響。方法基于6塊面積1 hm2的樣地，首先遵循近自然森林經營的原理進行林木分類，選定目標樹，伐除干擾樹；再結合結構化森林經營的原理，計算并分析撫育采伐前后目標樹空間結構參數和林分空間結構評價指數的變化。結果表明：經目標樹撫育采伐后(1)目標樹空間結構單元內的樹種隔離程度得到進一步提高；林木透光條件有所改善；目標樹的競爭壓力得以減小；林木空間分布格局總體上得到優化。(2)林分空間結構評價指數進一步提高，林分空間結構水平穩中有升。結論通過采取合理的目標樹撫育采伐措施能兼顧改善單木水平和林分水平的空間結構狀況，在實現優化目標樹空間結構的同時，保證林分整體空間結構的穩定。從目標樹撫育采伐對林分整體空間結構的影響來看：所有樣地的林分空間結構狀況均得到進一步改善。

目標樹經營；撫育采伐；云冷杉；空間結構；評價指標

Abstract:[Objective]The aim of this study is to provide the guidance and reference for formulating forest management measures and completing the system of effectiveness evaluation of forest management by analyzing the change of crop tree before and after the thinning based on the crop tree management. [Method]According to the theory of close-to-nature forest management, the crop trees were selected and interference trees were fell based on 6 Spruce-fir mixed forest sample plots each in a area of 1 hm2. The change of the spatial structure parameters of crop trees and evaluation index of the stand spatial structure were computed and analyzed after combining the theory of structure-based forest management. [Result](1) The isolation degree of species within the spatial structure unit was further improved; the light conditions of forest got better; the pressure of competition of crop tree was reduced; on the whole, the spatial distribution pattern was optimized. (2) The evaluation index of the stand spatial structure was further improved and the level of stand spatial structure showed the trend of steadily. [Conclusion]The thinning based on the crop tree management can realize the objective of optimizing the spatial structure of crop tree and keep the stabilization of the stand spatial structure. That means that it can accomplish the specific objective of optimizing the growing space of crop tree under the premise that the status of stands spatial structure are not destroyed and the level of stands spatial structure is not lower. The thinning can create more room for promote the economic benefits and ecological benefits of forest. It can provide a reference to the accurate culture and management of similar forest in Changbaishan Mountain regions and the monitoring and evaluation of the effect of forest management.

Keywords：crop tree management; thinning; spruce-fir; spatial structure; evaluating indicator

近自然森林經營能充分利用自然規律和自然力，減輕森林經營中的盲目性和無謂消耗，實現森林在多個方面及多重效益上的可持續經營[1-2]。目標樹經營是實現近自然森林經營的重要途徑，它是一種通過降低相鄰木之間冠層競爭、增加目標樹生長空間從而實現提高單株木質量的營林技術[3-4]。目標樹經營將林分中所有的林木分為目標樹、干擾樹、特殊目標樹和一般林木。其核心技術之一就是確定目標樹、伐除干擾樹，釋放生長空間。目前這項技術在世界各地已經展開了廣泛的研究和應用[5]。在此背景下探索目標樹撫育采伐對森林產生的影響就自然成為了后續研究的方向之一。

常規撫育采伐對森林的影響早已開展過大量的研究，這些影響主要是基于對傳統森林功能的評價展開的，如撫育采伐對蓄積量、生長量等的影響[6-13]。從目標樹經營的角度探索撫育采伐對森林的影響也開展了部分研究，但仍然多以在傳統評價指標的基礎上展開的分析[14-18]，鮮有從空間結構的角度分析目標樹撫育采伐在目標樹水平以及林分水平上的影響，而目標樹經營的關鍵之處就在于給選定的目標樹創造良好的生長空間。其次，傳統評價指標的變化往往需要經歷一定的時間才能夠體現，而以空間結構特征分析展開的森林狀態評價能夠及時反映森林經營的效果，以便及時掌握并修正林分中不合理的情況，有效避免由于經營措施不當造成不可挽回的損失[19]。此外，近年來部分學者對一些林分結構指標進行了修正和改進，為林分結構定量化分析提供了更為合理的方法。有鑒于此，本文以長白山林區云冷杉針闊混交林為研究對象，從空間結構的角度分析基于目標樹經營的撫育采伐對森林空間結構產生的影響，以期為更加合理的開展森林經營活動，避免和減小損失提供指導；同時也能為完善森林經營成效監測和評價體系提供參考依據。

1 研究區概況

2 材料與方法

2.1數據來源

在研究區設置6塊面積1hm2(100m×100m)的固定樣地，檢尺所有胸徑在5cm以上林木的特征值，包括樹種、胸徑、樹高、枝下高、冠幅等因子。按相鄰格子法將樣地劃分成100個10m×10m的小樣方，并用皮尺測定每株林木的空間位置信息。根據主林層優勢樹種(組)林木生長情況及對應樹種生長過程表得知，該研究區樣地內林分處于中齡林到近熟林的階段。各樣地基本信息見表1。在進行空間結構分析時，為了消除邊緣效應，將標準地內距各邊界5m之內的范圍確定為緩沖區，其余部分為核心區。核心區內的林木全部作為對象木計算空間結構參數，緩沖區內部的林木僅作為相鄰木，不參與空間結構參數統計[21]。選擇對象木周圍最近的4株林木作為鄰近木組建最小空間結構單元，據此計算相關空間結構參數[22]。

表1 樣地基本概況

2.2分析方法

2.2.1林木分類原則 按照目標樹經營作業體系的方法，對樣地內所有單株林木進行林木分類，分為目標樹、干擾樹、特殊目標樹和一般林木4類[2]。目標樹是林分中生活力旺盛、干形通直完滿、沒有明顯損傷和病蟲害痕跡的實生林木；影響目標樹生長的林木視為干擾樹；對森林生態系統具有重要生態意義的林木記為特殊目標樹；其余林木皆視為一般林木。各樣地林木分類情況見表2。其中，干擾樹是此次撫育采伐的主要對象，采伐前后林木分布格局的示意圖見圖1。值得注意的是，在進行目標樹的選定過程中要盡量使林分內林木的分布適當均勻，而且選定的樹種盡可能是鄉土樹種或頂級樹種，包括紅松、云杉、冷杉、落葉松、水曲柳、椴樹等；其次，部分樹冠在目標樹以下的下層冠級的競爭木不記作干擾樹。再次，部分林木可能同時屬于目標樹和特殊目標樹，如紅松、水曲柳、紅豆杉。

表2 各樣地林木類型分類情況

圖1 林木點格局示意圖Fig.1 The location map of point pattern of tree

2.2.2 林分空間結構評價指數計算 本研究采用的空間結構評價指數是在曹小玉等[23]提出的林分空間結構指數的基礎上進行的修改，它是基于乘除法的基本思想對全混交度、開敞度、林層指數、大小比數、交角競爭指數和角尺度6個指標進行的多目標規劃；但在研究中發現，部分指標存在一些問題。首先，大小比數和交角競爭指數均反映了空間結構單元中對象木所處的競爭優劣度，兩者存在信息重疊；其次，大小比數是用于說明林分內某一種群情況的指標，不能用于反映林分整體的平均水平，因為大小比數是通過對象木與相鄰木之間的對比關系計算所得的，這導致不同林分的平均大小比數值始終在0.5左右徘徊。再次，金溝嶺林場地處溫帶地區，相比于南方亞熱帶、熱帶地區，其林層結構較為簡單。因此，林層指數在本次研究中提供的信息不僅十分有限，而且存在信息干擾的風險。最后，全混交度雖然在簡單混交度基礎上進行了改進，但其最大取值不為1，這不僅不能準確表述林分中具有終極理想混交狀況的林木，且不利于不同林木隔離程度的橫向比較。因此，用全混交度計算的值存在缺陷。有鑒于此，在本次研究中使用的空間結構評價指數不考慮大小比數和林層指數2個指標，以減少信息冗余。用基于相鄰木排列關系的混交度替代全混交度，以便提供完整的相關信息。其計算公式如下：

(1)

式中：Mpi、Ki、CIHi和Wi分別為基于相鄰木排列關系的混交度、開敞度、基于交角的競爭指數和角尺度，在下文中均列出了具體的計算公式。σMp、σK、

σCIH和σW分別為上述4個指標的標準差。

此外，為了直觀地比較目標樹撫育采伐前后林分空間結構評價指數的變化，采用歸一化方法將指數值轉化成[0,1]之間的無量綱數值，其值越接近1表明林分的空間結構狀態越接近理想的林分結構。其計算公式如下：

(2)

2.2.3 樹種隔離程度計算 本文采用基于相鄰木排列關系的混交度，描述樹種間的相互隔離程度，計算公式如下[24]：

(3)

式中：n為空間結構單元中最近相鄰木株數，vij為對象木i與最近相鄰木j的樹種異同數，不同時vij=1，反之，vij=0；vj,,j+1為相鄰最近相鄰木的樹種異同數，不同時vj,j+1=1，反之，vj,j+1=0，規定vn,n+1=vn,1；令uj=vj,j+1，當且僅當相鄰2個uj值都等于零時，uj,j+1=0；反之，uj,j+1=1，規定un,n+1=un,1；ni為最近鄰木的樹種數，Mpi為林木點混交度，Mpi∈[0,1]。將Mpi的取值劃分為0，(0，0.25 ]，(0.25，0.5]，(0.5，0.75]，(0.75，1]5個區間，分別對應零度、弱度、中度、強度和極強度混交5個隔離程度。

2.2.4 林木透光條件計算 本文采用開敞度，反映林木透光條件的優劣，計算公式為[25]：

(4)

式中：Dij為對象木i與第n株鄰近木j的水平距離；Hij為鄰近木j的樹高。Ki∈(0，+∞]，將開敞度的取值劃分為(0，0.2]，(0.2，0.3]，(0.3，0.4]，(0.4，0.5]，(0.5，+∞)5個區間，分別對應生長空間的5個狀態：嚴重不足、不足、基本充足、充足和很充足。

2.2.5 林木競爭狀況計算 本文采用基于交角的林木競爭指數，描述林木個體承受壓力的大小，計算公式如下[26]：

(5)

式中：

其中，CIHi為競爭指數，Hi為對象木的樹高，Hj為相鄰木的樹高，Lij為對象木與相鄰木之間的距離，n為結構單元內相鄰木的株樹。CIH∈[0,1)，數值越大，表明林木所承受的競爭壓力越大。

2.2.6 林木空間分布格局計算 本文采用角尺度值反映林木的空間分布格局。首先采用角尺度法計算對象木的角尺度值，再用顯著性檢驗方法判斷林木的水平分布格局。角尺度計算公式為[27]：

(6)

顯著性檢驗的計算公式為[28]：

(7)

3 結果與分析

3.1林木分類情況

由圖1可知：選定的目標樹在各樣地中分布較為廣泛，符合設計的要求。由表2可知：最終各樣地內確定的目標樹的株數皆在100株左右，均未超過樣地林木總株數的20%，并且其平均胸徑和平均樹高在各林木類型中皆為最優，表明選定的目標樹多為優勢木或主林層中的個體，結果符合目標樹經營對目標樹的擇木原則和密度控制。各樣地干擾樹株數比重在6%以內，蓄積采伐強度未超過10%。這一結果與林分的特征要求相符，該樣地林分屬于過伐林，并經歷了一段時期的恢復，較次生林偏離原始林林分結構的程度低，宜采取低強度的撫育采伐經營活動。干擾樹也同樣具有較大的平均胸徑和較高的平均樹高，這是由于對目標樹形成干擾的林木通常與目標樹的大小接近或者更高更大，而低矮林木對目標樹不構成干擾或者干擾極小。特殊目標樹的特征在數據上表現為具有較大的平均胸徑，而平均樹高卻較低。這是由于特殊目標樹的選定通常不考慮干形和生活力，主要關注林木所提供的生態服務價值。因此，該類林木通常包括部分特殊的成過熟林木，其干形彎曲嚴重，經濟價值較低，但能增加林木混交、保持樹種結構與生物多樣性。經初步分析來看，本次研究的林木分類效果較為理想，符合近自然經營的理論原理。

3.2林木空間結構變化情況

目標樹經營的重點對象是在林分中依據林木分類原則所確立的目標樹，撫育采伐主要是圍繞改善目標樹的生長環境而展開的，本研究將從樹種隔離程度、林木透光條件、林木競爭狀況、林木空間分布格局4個方面對撫育前后目標樹的生長環境變化情況進行分析。特殊目標樹雖然不是經營的主要對象，但它在生態功能方面對整個森林生態系統具有重要作用，是林分內不可缺少的輔助林木，需要加以一定的保護，因此可從林木透光條件和林木競爭狀況2個方面進行分析。

3.2.1樹種隔離程度 由表3可知:通過目標樹撫育采伐使得各樣地目標樹的平均混交度得到了不同程度的提升，均向著更為理想的混交狀態進一步靠近。其中，3號樣地提升效果最為明顯，其值從0.7397提升到0.7725，混交狀況已提升為極強度混交。該研究區在上個世紀不同時期經歷過幾次高強度的采伐，使原本以紅松-云杉-冷杉為主的原始林林分結構遭到破壞；但與此同時，產生的大片林窗也為林木天然更新創造了優良條件，尤其是許多喜陽闊葉樹種獲得了較好的生長機會，豐富了林分內的樹種組成，這使得研究區保持著較好的混交狀況。目標樹撫育采伐所確定的采伐木是依據目標樹而選定的，在該研究區采伐木通常是目標樹或干擾樹的同種樹種。這是因為研究區林分內的采伐木大部分屬于以下兩類情況：一類是與目標樹同一時期更新發育起來在后期對目標樹的生長產生干擾的樹，而在經高強度采伐后遺留的林窗內更新發育起來的林木通常表現為同種林木團狀分布。另一類是較目標樹生長發育更早的樹，這種情況下生長起來的目標樹很有可能是當年干擾樹就近天然下種的結果。因此，選擇的采伐木通常與目標樹或干擾樹屬同種樹種，采伐后形成的新空間結構單元內的樹種異質性提高，樹種隔離程度也就更高。

表3 目標樹平均混交度變化情況

3.2.2 林木透光條件 由表4可知:采伐前各樣地目標樹平均開敞度值均未超過0.25，其中值最高的6號樣地也僅為0.246 5，均屬于生長空間不足的狀況。經目標樹撫育采伐后，各樣地目標樹開敞度均得到一定程度的提升，絕大部分樣地內其值超過了0.25。其中，值最高的是6號樣地，為0.266 2。特殊目標樹的平均開敞度值整體上低于目標樹的平均開敞度值，經目標樹撫育采伐后，其透光條件也得到了一定的改善。單從數值上看，目標樹撫育采伐后并沒有將目標樹和特殊目標樹的平均開敞度值提升到更高層級。究其原因，這是由于研究區具體的林分結構、所處的演替階段和撫育采伐強度共同決定的。研究區林分整體上處于由中齡林過渡到近熟林的階段，主林層中針葉樹種占有優勢，且在各林層中均占有一定比重，林分結構相對穩定，林分郁閉度保持在中度偏高的水平。其次，根據目標樹經營的經驗來看，類似研究區的異齡結構林分其目標樹的密度應控制在100株·hm-2左右，這在一定程度上決定了各樣地中撫育采伐的強度不會太大。雖然鑒于上述兩點原因，目標樹和特殊目標樹的透光條件改善效果在數值上不會表現的十分明顯，但數值的變化仍然體現出目標樹撫育采伐在此方面的積極作用。

表4 目標樹和特殊目標樹平均開敞度變化情況

3.2.3 林木競爭狀況 由表5可知：撫育采伐前各樣地目標樹的平均競爭指數均不到0.1，保持在極低的水平，說明其承受的平均競爭壓力極小。這是由于目標樹通常是林分中健康高大的林木，因此競爭力較強。經目標樹撫育采伐后，其效果雖不如上述兩類指標展現出明顯的規律性，但仍然能反映出整體規律。經采伐后，2、3、4和6號樣地的目標樹平均競爭指數值得以進一步下降，表明目標樹的競爭壓力得以進一步減小。各樣地內特殊目標樹的平均競爭指數在撫育前后的變化情況較為一致，經目標樹撫育采伐后其值均得以降低，表現出較好的優化效果；而1號和5號樣地的目標樹平均競爭指數在經過撫育采伐后反而變的更大，但這并不能因此得出這兩塊樣地目標樹的競爭壓力在撫育采伐后變大的結論，此時必須結合整個林分的情況進行綜合性分析。因為在撫育采伐后，重新構建的最小空間結構單元在尋找鄰近木時存在一定的偶然性，即新的鄰近木可能比原有的鄰近木更高大，計算出的競爭指數也更大，從而極易造成誤判。結合1號和5號樣地林分整體的水平來看，目標樹撫育采伐依然起著積極作用。因此，總的來看，撫育采伐后目標樹和特殊目標樹的林木競爭狀況均得到進一步改善。

3.2.4 林木空間分布格局 由表6可知， 1、2、3和6號樣地目標樹的分布格局在撫育采伐前后均沒有發生變化，而4號和5號樣地則有所改變。4號樣地目標樹的分布格局由聚集轉變為隨機，5號樣地目標樹的分布格局由隨機轉變為聚集。由此可見，目標樹撫育采伐對目標樹林木空間分布格局的影響具有一定的不確定性。撫育采伐前后均沒有出現均勻分布的格局，這也再次驗證了該研究區天然林的林分結構特征以及經高強度采伐后林木更新多發生在林窗內的綜合結果。表7反映的是采伐前后目標樹在不同角尺度水平的頻數分布變化情況，從中可以看出目標樹撫育采伐的積極作用。進行林分結構改造的期望結果是，目標樹出現在“0”和“1”這類極端角尺度值的頻數越小越好，盡可能多的分布在“0.5”周圍。由表7可知：經目標樹撫育采伐后，3號樣地中已經沒有角尺度值為“0”的目標樹。在4號樣地中，角尺度為“1”的目標樹減少了2株，而角尺度為“0.5”的目標樹增加了3株。在5號樣地中，角尺度值為“1”的目標樹也得以減少。綜合來看，目標樹撫育采伐對目標樹空間結構的影響在總體上呈現出積極作用，但仍具有一定的不確定性。因此，研究目標樹空間結構的變化有必要結合多個指標進行全面綜合的分析才能做出科學判斷。

表5 目標樹平均競爭指數變化情況

表6 目標樹分布格局變化情況

表7 目標樹角尺度頻數分布變化情況

3.3林分空間結構評價指數變化情況

在目標樹經營的體系當中，經營活動始終是圍繞目標樹展開的，目標樹與周圍鄰近木所構成的最小空間結構單元最直接地影響著目標樹的生長。因此，目標樹的最小空間結構單元的狀況是研究關注的重點。雖然林分整體特征的平均狀態不是開展目標樹經營的主要出發點和立足點，但卻是整個經營活動中必須兼顧的重要環節，它會通過一定的方式直接或間接地影響目標樹的生長。從圖2可以看出，經目標樹撫育采伐后各樣地的林分空間結構評價指數均得以提高。這說明此次以目標樹為經營對象的撫育采伐作業措施，沒有破壞各樣地原有的林分空間結構狀況，甚至使其向著更合理的方向進一步靠近。根據本次目標樹撫育采伐后，林分在空間結構方面體現出的初期效應來看，是一次較為合理的、成功的經營措施。

圖2 林分空間結構評價指數變化情況Fig.2 The change of evaluation index of stand spatial structure

4 討論

本次目標樹撫育采伐的經營效果從初期效應來看是較為合理的，這得益于前期對林分現狀較為充分的認識以及在此基礎上所制定的科學經營措施。在選定目標樹時，綜合考慮樹種和林木分布兩項因素，盡可能選取鄉土樹種和頂級樹種作為重點經營對象，使整個林分的結構保持穩定、實現良性循環；目標樹的分布盡可能均勻地覆蓋整個樣地，在對單株林木實現重點經營的同時兼顧整個林分的結構優化。本次撫育采伐強度控制在10%以下，充分考慮了過伐林的林分結構特征，這既不破壞森林的整體格局，又能為目標樹的生長提供更優越的空間，還能促進林下天然更新、加速幼樹生長。

本研究得出的研究結論是林分在經歷目標樹撫育采伐后即時的空間結構狀況，這也是采用空間結構參數評價林分狀況所體現出的優勢之一；但此時林分體現出的合理結構狀態僅僅是撫育采伐后林分的初期效應，而林分的空間結構是在不斷發展變化的。理想的初期效應是否意味著有利于林分今后長期的生長演替；即使證實了會產生積極的長期影響，這種初期效益的紅利會持續多長時間；下一次開展林分空間結構調整的合理時間節點是何時等問題都值得進一步研究。因此，有必要對林分空間結構的變化趨勢做長期持續的跟蹤研究。

開展空間結構分析及評價的指標選取與應用均需要考慮具體的研究對象和研究內容。在本次空間結構的研究當中，沒有采用在以往文獻中使用率極高的大小比數這一指標，因為大小比數僅能用于表達種群或林分中某類樹種的林木大小分化程度，有學者將林分中所有單株林木的大小比數平均值，用于表達林分水平的林木大小分化程度，這樣的使用方式是不合理的；在森林中開展采伐經營活動后，用競爭類指標分析林木競爭狀況的變化時需要格外注意，由于最小空間結構單元構建的方式使得用競爭類指標反映經營活動對林木競爭狀況的影響時極容易產生誤判。如何更合理地選取和應用這些指標是今后值得著重考慮的問題，因為它直接影響最終判斷結果的正確與否。此外，從理論上講，本文所采用的用于計算空間結構評價指數的各類指標對林分空間結構的貢獻程度是有差別的，如何準確判定各指標貢獻的大小，更精準的評價林分的空間結構狀況也值得進一步研究。

5 結論

從目標樹撫育采伐對目標樹最小空間結構單元的影響來看：在樹種隔離程度方面，撫育采伐使得所有樣地中目標樹空間結構混交水平得以進一步提高，個別樣地有所突破，達到了最理想的極強度混交狀態，積極作用效果顯著；在林木透光條件方面，雖然受限于林分結構、演替階段和采伐強度的影響，但撫育采伐對改善空間結構單元內透光條件的積極作用依然較為明顯；在林木競爭狀況方面，需要參考林分的整體變化情況做出判別，整體上仍然體現出了積極的作用；在林木空間分布格局方面，撫育采伐前后對目標樹產生積極影響的可能性更大。從目標樹撫育采伐對林分整體空間結構的影響來看：所有樣地的林分空間結構狀況均得到進一步改善。即經過目標樹撫育采伐后，在沒有破壞原有林分空間結構、降低林分空間結構水平的情況下，有針對性的改善了樣地中目標樹的空間結構狀況，達到了經營活動的目的。

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(責任編輯：彭南軒)

EffectofThinningonSpatialStructureofSpruce-firMixedBroadleaf-coniferForestBaseonCropTreeManagement

CHENKe-yi1,ZHANGHui-ru1,LEIXiang-dong1,LOUMing-hua2,WANGQuan-jun3,MAOJian-guo3

(1.Research Institute of Forest Resources Information Techniques, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091,China; 2.Ningbo Academy of Agricultural Sciences, Ningbo 315040, Zhejiang, China; 3.Wangqing Forestry Bureau, Wangqing 133200, Jilin, China)

S718.54

A

1001-1498(2017)05-0718-09

10.13275/j.cnki.lykxyj.2017.05.003

2016-12-10

國家林業局林業公益性行業科研專項(201404309)。

陳科屹(1989—)，男，博士研究生，主要研究方向：森林可持續經營. E-mail:Lowrychen@sina.com

* 通訊作者：張會儒(1964—)，男，研究員，博導，主要研究方向：森林可持續經營等. E-mail: huiru@caf.ac.cn