長白山南部次生林冠下紅松人工林空間結構調整研究

叢健

(遼寧省林業發展服務中心，遼寧 沈陽 110036)

隨著栽針保闊[1]的營林措施在林業生產上廣泛應用，這一人工促進更新作法受到廣泛的重視和青睞，在該理念的指導下營造了大量的紅松(Pinuskoraiensis)。長白山南部地區現有的冠下栽植紅松的次生林類型主要是雜木林和柞木林，且主要處于紅松與闊葉樹生長競爭相持狀態。這一階段光照是影響紅松生長的主導因子[2]，適時調整林分結構，改善林內的光照環境將有利于紅松的生長發育。

在林分調整時，面臨著很多問題，協調撫育時期和強度與紅松生長發育間的關系是這一時期的關鍵，撫育過早會耗費人力和財力；撫育過晚影響紅松的生長發育。強度控制在什么樣的范圍內更適合紅松的生長，若透光伐的強度太小，紅松光照條件的改良效果不明顯，對紅松生長的促進作用不大；若透光伐的強度太大，相當于使紅松直接暴露于全光下，則會影響紅松的干形，造成紅松早期分杈、早期結實等[3]。本研究通過對長白山南部地區的次生林下栽植紅松生長發育現狀進行調查，根據前期的研究成果，對這一特有林型進行林分結構調整，促進紅松生長，為恢復紅松闊葉混交林這一頂級群落做好鋪墊。

1 研究區域概況

汪清縣地處吉林省東北部山區，地理位置128°54′—130°41′ E，43°06′—44°03′ N，地形為長白山低山丘陵區，地勢高低起伏，屬長白山系老爺嶺山脈，海拔360～1 477 m，該區為大陸性季風氣候，夏季多雨，冬季干燥。年平均降水量580 mm，年平均氣溫1.5 ℃。以暗棕色森林土為主。植被屬于溫帶針闊混交林區域——溫帶針闊混交林地帶——長白山地紅松沙冷杉針閥混交林區，主要植物屬于長白植物區系。

2 研究方法

2.1 樣地設置

在汪清縣林業局春陽林場境內，選擇冠下栽植紅松較為普遍的兩種林型，即柞木林和雜木林作為研究對象，造林密度分別是1 500株·hm-2和2 500株·hm-2，冠下紅松為20年生，2種林型均未做過上層撫育，每個林型設3個重復，每塊樣地面積為20 m×20 m。柞木林樣地分別記為O.1、O.2和O.3；雜木林樣地分別記為B.1、B.2和B.3。

2.2 調查方法

根據實際情況，對柞樹林、楊樺林兩種林分中上層已經達到開始測量徑階，即胸徑≥2.0 cm的所有闊葉樹進行掛牌，記錄各樣地內的樹種組成，測定所有闊葉樹的樹高、胸徑。

對標準地內的紅松進行每木檢尺，繪制林分定位圖，分別測量其樹高、胸徑和地徑、第1活枝高，測定紅松的東西和南北冠幅。使用Nikon D70數碼相機對紅松進行數據圖像采集。

2.3 調整時期的確定

利用樹高與根據節間距在照片中讀取的樹高建立回歸模型的方法，根據紅松樹高年生長量的大小變化確定調整時期[4]。

2.4 調整強度

根據林分中紅松優勢木的生長小環境來確定林分量化調整指標。

依據林分定位圖計算出大小比數和混交度。

2.5 相關參數及數據處理方法

紅松優勢樹指樹高為林分平均樹高120%以上的紅松林木。

開敞度是一個與隨機樣點相對應的光環境的測度指標，樣點的開敞度定義為該點到四個象限最近的四株相鄰上層林木的水平距離與該株上層林木高度的比值之和[5]。

大小比數(Ui)被定義為大于參照樹的相鄰木的個數占所考察的全部最近相鄰木總數的比例[6]。

混交度(Mi)是一種混交林樹種空間隔離程度的表達方式，表明了任意一株林木的最近相鄰木為非同種的概率[7]。它被定義為參照樹i的n株最近相鄰木中與參照樹不屬同種的個體所占的比例。

標準地林分定位圖(圖1)中，外框表示標準地的實際面積400 m2(20 m×20 m)，內框與外框間區域表示參數計算的緩沖區，內框與外框距離為2 m，其內面積為256 m2(16 m×16 m)。開敞度、大小比數和混交度計算的中心木都在內框中。

利用Excel 2016進行數據整理與繪圖，采用SPSS 13.0軟件利用Linear中stepwise變量選擇方法對生長競爭處于相持狀態紅松實測樹高和照片讀取樹高進行回歸分析與檢驗。

3 結果與分析

3.1 林分組成基本情況

3.1.1 林分樹種組成 2種林型中紅松所占比例均在50%，柞木林中，闊葉樹以柞木為主，紅松與闊葉總和占9成，其他闊葉樹為軟闊葉樹種，如椴樹、楓樺、白樺、榆樹等。雜木林中，闊葉樹包括色木槭、白樺、榆樹、椴樹，還有部分臭松、水曲柳、楊樹、楓樺等，見表1。

表1 林分樹種組成

雜木林中上層闊葉樹的平均樹高為11.30 m，平均胸徑為13.2 cm；柞木林種上層闊葉樹的樹高為9.44 m，平均胸徑為7.73 cm。

3.1.2 紅松生長發育現狀

(1)紅松株數。不同林型下紅松株數分布中，內圈株數是指在去除樣地緩沖區后的紅松株數，優樹株數指紅松樹高為超過林分平均樹高120%以上紅松的株數。柞木林的3塊樣地紅松總數是238株，其中達到起測徑階2 cm以上的株數占69%，內圈株數占74%，優勢木占紅松總株數22%(表2)。雜木林的3塊樣地紅松總數是84株，其中達到起測徑階2 cm以上的株數占52%，內圈株數占67%，優勢木占紅松總株數24%(表2)。

表2 紅松株數分布

(2)紅松生長發育狀況。柞木林下紅松平均地徑為5.39 cm，雖然差異不顯著，但高出雜木林下紅松平均地徑0.86 cm；柞木林下紅松平均胸徑為4.05 cm，高出雜木林下紅松平均胸徑14%；柞木林和雜木林下紅松平均樹高分別是3.42 m和2.62 m，相差0.80 m；柞木林下紅松平均冠幅為1.72 m，高出雜木林中紅松平均冠幅11%，說明柞木林下紅松的營養空間較大；自然整枝能力是第1活枝高與樹高的比值，反映紅松對光照的環境變化的自我調節能力，雜木林下紅松自然整枝能力為0.11，顯著高于雜木林下紅松(P<0.01)(表3)。

表3 紅松生長發育狀況

3.2 林分空間結構調整時期

利用樹高與節間距在照片中讀取的樹高建立回歸模型，結果表明二者呈現出顯著的線性回歸關系y=ax+b(見圖2)；柞木林和雜木林下紅松樹高與照片讀取樹高間的模型分別為y=1.013 0x+0.033 5和y=1.042 7x+0.050 8，R2分別達到0.990和0.992，均達到極顯著水平(P<0.001)(見圖2)，說明2個模型均可以使用照片讀取樹高反映實測樹高。

根據模型對紅松樹高進行模擬，推斷出2009年到2019年2個林型下紅松樹高，經過計算得出2010年到2019年紅松樹高每年的生長量(見圖3)。根據紅松樹高年生長量曲線可以看出，柞木林下紅松樹高在2013年進入低谷，年生長量為0.18 m，2017年紅松出現第2個谷底；雜木林下紅松樹高在2012年開始下降，到2013年紅松樹高年生長量最低，為0.15 m，隨后紅松樹高生長量逐漸增長(見圖3)。說明柞木林下紅松應該在紅松生長第13年末進行第1次上層林木的調整，到紅松生長第17年末進行第2次上層林木的調整，雜木林下紅松應該在紅松生長第13年末進行林分調整(見圖3)，因此，建議在紅松樹高生長量降低前進行林分結構調整有利于促進紅松的生長發育。

3.3 林分空間結構調整指標

3.3.1 紅松開敞度 優勢紅松開敞度在兩個林型中均低于平均值。在雜木林中，紅松開敞度的平均值為1.31，高于優勢紅松開敞度值0.18，柞木林下紅松開敞度平均值和優勢紅松開敞度值均低于雜木林下紅松開敞度平均值和優勢紅松開敞度值，柞木林下紅松開敞度平均值為0.97，優勢紅松開敞度值為0.80(見圖4)。兩種林型下紅松生長的光照環境均需要降低開敞度。

柞木林下紅松優勢木開敞度主要集中在開敞度K=0.4和K=0.8水平下，各占38%，在開敞度K=1.2的水平下紅松優勢木的株數比例為17%，開敞度K>1.4水平紅松優勢木的株數比例僅占7%(見圖5)；雜木林下紅松優勢木開敞度株數比例以開敞度K=1水平下最高，為45%，開敞度K=0.5和1.5水平下，紅松優勢木株數比例分別是25%，開敞度K>1.75水平下紅松優勢木株數比例僅占5%(見圖5)。

3.3.2 紅松大小比數 柞木林下當紅松大小比數在0.5水平下紅松優勢木的株數比例最高，達36%，當U=0.25紅松優勢木的株率為28%，當U=0.75紅松優勢木的株率為21%，紅松優勢樹的4株相鄰木樹高均高于中心木的情況只占6%(見圖6)；雜木林下紅松優勢木的大小比數以U=0.5水平下株數分布最高，達50%，依次為U=0.75(占25%)，U=0.25(占15%)和U=0(占10%)，紅松優勢木的大小比數U=0的情況沒有出現，即沒有4株相鄰木樹高均高于中心的紅松優勢木樹高的情況(見圖6)。整體來看，雜木林中當紅松優勢木的大小比數U=0.5時紅松優勢木的株數比例最高，達50%，即有2株相鄰木的樹高高于中心木紅松，紅松優勢木處于中庸狀態下適于雜木林下紅松樹高生長；在柞木林中，紅松優勢木的大小比數在0.25和0.5水平上的優勢木株率為64%，即紅松處于亞優勢或者中庸狀態時有利于柞木林下紅松優勢木樹高生長(見圖6)。

3.3.3 紅松混交度 柞木林下紅松優勢木主要集中在混交度M=0.5和M=0.25水平，2個混交度水平下紅松優勢木株率為66%，其中紅松優勢木在M=0.5水平下的株率為42%，M=0.75水平下紅松優勢木所占株率為21%，4相鄰木均為同種的紅松株數比例占7%，4株相鄰木均不為紅松的株率為4%(見圖7)，說明相鄰木中闊葉樹種較多和都是紅松時不利于紅松的生長。雜木林下所有紅松優勢木都分布在混交度M=0.5和M=0.25水平，2個水平下紅松優勢木株數比例各占50%(見圖7)。

4 結論

建立了樹高與利用節間距在照片中讀取樹高的回歸模型，柞木林和雜木林下的模型分別為y=1.013 0x+0.033 5和y=1.042 7x+0.050 8，R2分別達到0.990和0.992(P<0.001)

確定了2種林型下栽植紅松第1次調整時期。利用模型推算了2009年到2019年紅松樹高生長情況，通過紅松樹高年生長量，確定柞木林下紅松應該在2012年末(紅松生長第13年末)進行第1次上層林木的調整，到2016年末(紅松生長第17年末)進行第2次上層林木的調整；雜木林下紅松應該在2012年末(紅松生長第13年末)進行林分調整。

量化調整的具體指標，以反映光照條件的開敞度(K)為主，輔以大小比數(U)和混交度(M)，進行林分結構調整。柞木林下紅松開敞度梯度設為K=0.4，K=0.8和K=1.2梯度進行林分結構調整，調整紅松的大小比數和混交度至0.25或0.5，即4株相鄰木有1株或者2株數高高于中心木時，有1～2株闊葉樹。雜木林下建議使用K=0.5，K=1和K=1.5梯度進行林分結構調整，調整大小比數至0.5，混交度在0.25或0.5，即4株相鄰木中有2株相鄰木的樹高高于中心木，紅松相鄰木中有1～2株闊葉樹。