競爭強度變化對針闊混交林紅松和水曲柳徑向生長的影響

宣海憧,郭夢昭,高露雙,范春雨

北京林業大學林學院,北京林業大學森林資源和環境管理國家林業和草原局重點開放性實驗室,國家林業和草原局森林經營工程技術研究中心,北京 100083

采伐活動作為主要的人為干擾因素,是調整森林結構和功能的重要手段[1- 3]一直受到國內外眾多研究學者的關注[4- 5]。大量研究表明,保留木的生長量隨著采伐強度的增加呈現上升趨勢[6- 8],Deal和Tappeiner[9]對阿拉斯加西南部的北美鐵杉林和Man等[10]對北方針葉林的研究結果進一步證明了采伐對不同徑級保留木生長量均具有促進作用。但也有研究指出,采伐后的1—2年內保留木生長量并沒有出現明顯的增加趨勢,甚至隨著采伐強度增加,部分保留木生長量出現降低的現象[11-12]。保留木生長受到物種特性,采伐強度[13]等多種因素的作用。保留木生長與采伐后林內其所處競爭環境的改變程度密切相關,而不同樹種對競爭環境的響應滯后性也將改變保留木生長特征[14],這就導致采伐活動對保留木生長的影響具有一定的復雜性[15]。

因此,有必要基于物種特性和間伐強度檢驗時間尺度上競爭強度變化對保留木生長的影響,該結果對于當前森林經營與管理有著重要意義[16- 17]。本研究基于吉林蛟河針闊混交林內2012年進行不同間伐強度處理的3塊固定樣地,以頂級樹種紅松和水曲柳為研究對象,試圖回答以下問題：(1) 不同間伐強度下紅松和水曲柳保留木競爭強度變化特征(2) 不同競爭強度變化下保留木生長是否存在差異。

1 研究區概況和研究方法

1.1 研究區概況

2011年7月,在蛟河實驗區管理局大坡林場,按照CTFS(Center for Tropical Forest Science,CTFS)標準在地形和林分狀況大體一致的近熟林內設置3塊面積為1 hm2(100 m×100 m)的固定樣地,分別為2號樣地(43°57.9625′N,127°43.5727′E,海拔443 m)、3號樣地(43°57.9087′N, 27°43.4510′E,海拔430 m)和4號樣地(43°57.8784′N，127°43.5560′E海拔447 m),并對樣地內DBH≥10 cm全部個體進行調查,調查項目包括：號牌編碼、物種名稱、胸徑、樹高、枝下高、冠幅(東西長、南北長),并記錄生長狀況(枯立、枯倒、斷頭等)等信息。2012 年12 月以胸高斷面積為指標確定間伐強度,按照間密留勻,留優去劣的原則,對3塊樣地實施不同強度的撫育措施,以達到調整林分結構和促進保留木生長的目的。間伐強度分別為： 2號樣地15%(輕度間伐)、3號樣地30%(中度間伐)和4號樣地50%(重度間伐)。該區域氣候為溫帶大陸性季風氣候,年均溫在3.7 ℃以下,7月最熱平均氣溫為 21.7 ℃,1月最冷平均氣溫為-18.6 ℃,年均降水量在700 mm左右,地帶性土壤為暗棕色土壤,森林群落類型為典型的針闊混交林,主要喬木樹種包括紅松(Pinuskoraiensis)、千金榆(Carpinuscordata)、胡桃楸(Juglansmandshurica)、水曲柳(Fraxinusmandshurica)、紫椴(Tiliaamurensis)、色木槭(A.mono)、蒙古櫟(Quercusmongolica)、春榆(Ulmusjaponica)等,主要灌木包括暴馬丁香(Syringareticulata)、瘤枝衛矛(Euonymuspauciflorus)和東北鼠李(Rhmamnusdavurica)等。紅松和水曲柳是針闊混交林的頂級樹種。 紅松屬于淺根性樹種,對土壤水分要求較嚴,對土壤的排水和通氣狀況反應敏感,不耐濕,不耐干旱,不耐鹽堿。水曲柳喜光、耐寒,喜肥沃濕潤土壤。鑒于兩樹種對生長環境的敏感度不同,因此,本研究選取典型針葉樹種紅松和闊葉樹種水曲柳為研究對象。

1.2 研究方法

1.2.1 樣芯采集與生長量數據獲取

2013 年,2015 年和2017 年分別對間伐樣地進行復測,復測項目包括：號牌編碼、樹種名稱、胸徑和生長狀況,以確定實際采伐強度。經復測后計算得出樣地實際采伐強度分別為17.24%、34.74%和51.87%(表1)。2017 年8 月在2號,3號和4號樣地內采集DBH≥10 cm的紅松和水曲柳的保留木胸徑處寬度樣芯(內徑 5.15 mm)。將樣芯帶回實驗室進行處理后,利用LINTAB 5 年輪寬度測定儀器獲取紅松和水曲柳的連年徑向生長量(0.01 mm精度),通過COFECHA軟件對數據的可靠性進行驗證,交叉定年核定后,結合3次復測的胸徑數據,重建各樣地內紅松和水曲柳歷史胸徑數據。

表1 采伐前后樣地林分特征

1.2.2 競爭指標選取與量化

根據 Hegyi單木競爭指數模型公式計算出2012年(間伐當年)和2013年(伐后次年)每個競爭木對對象木的競爭指數,將2013年和2012年競爭指數相減即得該樹種的競爭強度變化程度。本研究設置了10 m的緩沖區域排除邊緣效應,10 m的緩沖區內未選取對象木,僅選取競爭木,從而可以保證距離對象木最近的相鄰木均在樣地內。具體計算公式為：

(1)

aba=Hegyi伐后-Hegyi伐前

(2)

式中,Dj代表相鄰樹胸徑(cm),Di代表目標樹胸徑(cm),dij代表相鄰樹與目標樹距離(m)。aba代表目標樹間伐前后競爭指數的差值,Hegyi伐后為目標樹伐后次年的競爭指數,Hegyi伐前為目標樹間伐當年的競爭指數。

將樹木競爭指數變化aba在5%以內的樹木定義為競爭強度未發生變化,競爭指數變化大于5%的樹木定義為競爭強度變大或變小,將aba為正數的目標樹定義為競爭強度增強的樹木,aba為負數的目標樹定義為競爭強度減弱的樹木。將競爭強度變化的保留木株數與各樣地內該物種株樹總數的比值定義為不同物種競爭強度發生變化的比例。通過配對T檢驗在0.05水平檢驗不同競爭強度變化下保留木徑向生長是否存在差異,以上數據分析過程由R 3.6.1完成。

2 結果與分析

2.1 不同間伐強度下紅松和水曲柳競爭強度變化特征

不同間伐強度下紅松和水曲柳競爭強度變化有所不同(表2)。各間伐樣地內水曲柳保留木競爭強度發生變化的單木所占比例基本一致,均達到65%以上,且有50%的水曲柳保留木的競爭強度均出現減弱的趨勢。而紅松保留木競爭強度發生變化的單木比例隨著間伐強度增加而有所下降,但發生競爭減弱的保留木所占比例與間伐強度正相關。在輕度間伐樣地內77%的紅松保留木競爭強度均發生了變化,其中47%紅松保留木競爭強度減弱,23%的紅松保留木甚至出現競爭強度增加,在中度間伐樣地內有64%紅松保留木競爭強度發生變化,55%的紅松保留木競爭強度減弱,在重度間伐樣地內64%紅松保留木競爭強度發生變化,63%為競爭強度減弱。

表2 不同間伐強度下林木競爭強度變化特征

2.2 不同競爭環境的紅松和水曲柳保留木徑向生長差異性分析

不同競爭環境下紅松保留木徑向生長變化趨勢有所不同(圖1)。輕度和重度間伐樣地內競爭減弱的紅松保留木徑向生長在間伐后均呈上升趨勢,而中度間伐樣地內競爭減弱的紅松保留木和各樣地競爭不變的紅松保留木徑向生長則先出現下降(伐后2年內),而后出現上升。不同間伐樣地內不同競爭環境紅松保留木徑向生長增加幅度也存在顯著差異(圖2)。競爭減弱的紅松保留木徑向生長在2015年(伐后第3年)隨著間伐強度升高生長量增加,而競爭不變的紅松保留木徑向生長則未隨著間伐強度增加而呈現任何規律性的變化。在輕度間伐樣地內競爭不變的紅松保留木徑向生長在2013和2014年間(伐后2年內)徑向生長下降幅度為0.2 mm,而競爭減弱的紅松保留木徑向生長增加幅度為0.35 mm,在2015年(伐后第3年)由伐前競爭不變的紅松保留木徑向生長顯著高于競爭減弱的紅松保留木(P<0.05)轉變為二者不存在顯著差異(P=0.92)。而在中度和重度間伐樣地內競爭減弱的紅松保留木徑向生長年增量在2015年分別達到0.69 mm和0.79 mm,使得競爭減弱的紅松保留木徑向生長顯著高于競爭不變的紅松保留木(P<0.05)。

圖1 不同競爭強度下紅松和水曲柳徑向生長量變化趨勢Fig.1 Radial growth tendency of Pinus koraiensis and Fraxinus mandshurica under different competitive intensity

不同競爭環境下水曲柳保留木徑向生長趨勢基本一致(圖1),均在2013年和2014年(間伐后2年內)出現生長抑制,而在2015年(伐后第3年)得到促進,但徑向生長增加幅度有所不同,且競爭減弱的水曲柳保留木徑向生長年增量與間伐強度密切相關(圖2)。自2014年(伐后第2年),重度間伐樣地內競爭減弱的水曲柳徑向生長增加幅度最大,其次為輕度間伐樣地,而在中度間伐樣地內增加幅度最低。在輕度間伐樣地內競爭減弱的水曲柳保留木徑向生長在伐后第5年顯著高于競爭不變的水曲柳(P<0.05)。在中度和重度間伐樣地內,競爭減弱的水曲柳保留木徑向生長由間伐前顯著低于競爭不變的水曲柳保留木(P<0.05)轉變為在伐后第5年與競爭不變的水曲柳保留木徑向生長不存在顯著差異(P=0.89)。競爭不變的水曲柳保留木徑向生長的年增量與間伐強度沒有明顯的相關關系。

圖2 不同間伐強度下紅松和水曲柳保留木徑向生長年增量變化Fig.2 Increment of Pinus koraiensis and Fraxinus mandshurica residual trees under different thinning density

3 討論

不同間伐強度下樹木競爭環境變化具有明顯差異[19]。本研究三個樣地林分水平采伐強度分別為17.24%、34.74%和51.87%,紅松保留木競爭強度發生變化的單木比例隨著間伐強度增加而有所下降,但發生競爭減弱的保留木所占比例與間伐強度正相關,而各樣地內水曲柳競爭環境發生變化的單木所占比例基本一致。在物種豐富的林分中物種水平的間伐強度的影響可能會突顯[20],本研究各樣地內紅松和水曲柳的物種采伐強度與林分水平采伐強度不同,其中紅松的采伐強度分別為14%、11%和18%,而水曲柳的采伐強度為16%、17%和19%。因此,紅松保留木競爭環境變化對林分水平間伐強度更敏感,而水曲柳保留木競爭環境可能受到物種水平間伐強度的影響。

采伐干擾下樹木生長與競爭環境的變化密切相關[20],前人研究指出保留木徑向生長量與采伐強度間呈正相關關系[7],隨著采伐強度的升高保留木直徑的生長也隨之增加[8,21]。本文研究發現僅競爭減弱的紅松和水曲柳保留木徑向生長與間伐強度密切相關。競爭減弱的紅松保留木徑向生長在2015年(伐后第3年)呈現隨間伐強度升高生長量增加的趨勢,而水曲柳保留木隨著間伐強度增加呈現先下降而后增加的趨勢。在林分中伐后競爭強度下降的樹種競爭能力增強進而生長得到促進[22- 23]。采伐活動可能增加森林內部的溫度和空氣流動能力,改變林內的光照和溫度條件,顯著增加部分樹木進行光合作用的強度和時間,進而加速植物的蒸騰作用和土壤水分的蒸發,導致部分樹木在伐后的1—2年內出現生長下降的現象[24- 25]。采伐后一般能夠提高林內降雨量,但由于光照條件增強,林內空氣濕度有降低趨勢,對土壤溫濕度及土壤理化性質產生顯著影響[26]。紅松和水曲柳對土壤水分條件的適應差異可能是導致間伐后紅松和水曲柳徑向生長變化存在不同的原因,針葉樹和闊葉樹對采伐強度的響應差異也有一定的影響[11,27]。競爭減弱的紅松和水曲柳保留木的徑向生長均在2015年(伐后第3年)呈現快速增加趨勢則證實樹木生長對采伐活動的響應可能存在一定的時間延遲[14]

綜上,不同間伐處理下物種競爭強度變化明顯不同,而不同競爭環境下保留木徑向生長對間伐強度的響應也具有一定差異性,其響應關系受到間伐強度和物種特性的共同影響, 51.87%以內的間伐強度將有利于65%的競爭減弱紅松保留木徑向生長,而水曲柳保留木徑向生長對間伐強度的響應更復雜,且可能對物種間伐強度更敏感,因此,利用間伐活動調整針闊混交林林分結構時應考慮間伐處理后競爭強度變化的單木所占比例,以及物種水平間伐強度對保留木生長的影響。