擇伐強度對杉闊混交人工林生長及林下植被物種多樣性的影響

周成軍，巫志龍，周新年*，曾浩，曾靈秀

(1.福建農林大學 交通與土木工程學院，福州 350002；2.國家林業和草原局杉木工程技術研究中心，福州 350002)

0 引言

杉木(Cunninghamialanceolata)是亞熱帶地區特有的優質速生針葉樹種，廣泛分布于我國南方17個省區，具有生長快、產量高、材質好和用途廣等優點，在我國森林資源和亞熱帶森林生態系統中具有十分重要的地位。閩北是全國15個杉木商品材基地之一，在生態建設、林業生產乃至經濟建設中發揮重要作用，然而該區域杉闊混交人工林經營普遍存在初值密度過大，后期撫育不及時的現象，導致其生產功能和生態功能未得到充分發揮[1]，同時也給亞熱帶原生的闊葉樹種及林下植被帶來了較大的破壞和生存空間的擠壓[2]。因此，如何通過科學經營使該區域杉木達到提質增效、實現可持續經營顯得尤為重要。

森林擇伐是森林可持續經營的一項重要措施，有助于調節森林結構、促進森林生長和健康發展[3]。擇伐對天然林可持續經營有重要意義，有關擇伐對天然林生態系統(包括植被、凋落物、土壤等)的影響已有較多研究[4]，擇伐對物種空間格局和種群生物特性等方面的影響也有相關分析研究，但有關擇伐對人工林生態系統影響的長期追蹤研究卻相對缺乏[5]。雖然大多數研究已表明短期內適度擇伐可促進林分生長[2]和林下植被發育[6]，但是不同區域、不同樹種、不同類型、不同擇伐強度和伐后恢復時間對人工林林下植被的影響仍存在不確定性[5,7-8]，需進行長期定位試驗研究和積累基礎數據[5,9]。因此，本研究選擇閩北杉闊混交人工林，建立長期固定樣地，定期觀測不同擇伐強度對林分生長及林下植被物種多樣性的動態影響，以期為該區域杉闊混交人工林科學經營技術體系和可持續發展提供理論依據。

1 研究區概況

杉闊混交人工林擇伐與更新長期跟蹤試驗基地位于福建省建甌市(117°58′～118°57′ E，26°38′～27°20′ N)，處于中亞熱帶海洋性季風氣候區，地形地貌屬山地丘陵，年均氣溫18.7 ℃，年均降水量1 733 mm，年蒸發量1 450 mm，年均相對濕度80%，年日照時數1 612 h，年均無霜期286 d。試驗林位于福建省建甌市墩陽林業采育場的47林班8大班40小班，小班面積為8.4 hm2，造林密度為3 300株/hm2，造林樹種為杉木和木荷(Schimasuperba)，株數比例為1∶1.53；2011年為18 a生杉闊混交人工林(從未間伐)，按胸高斷面積計算樹種組成為51.88%闊葉樹，46.78%杉木，1.34%馬尾松(Pinusmassoniana)；林下植被稀少，主要有檵木(Loropetalumchinense)、黃瑞木(Adinandramillettii)、細齒葉柃(EuryanitidaKorthals)和五節芒(MiscanthusfIoridulus)等，采伐前林分特征見表1；林地平均坡度30.9°，土壤為花崗片麻巖發育而成的山地黃紅壤(pH為6.5～7.0)。

表1 采伐前林分特征Tab.1 Stand characteristics before harvesting

2 研究方法

2.1 試驗概況

試驗基地于2011年7月建立，同年8月對試驗林實施3種不同強度擇伐：中度、強度和極強度擇伐，并設未采伐為對照。4種強度實際采伐蓄積量分別占總蓄積量的34.6%、48.6%和67.6%，擇伐后均采用自然恢復。因為試驗林分密度過大，為在擇伐后釋放充足的林分生長空間，因此未設弱度擇伐。該試驗林為杉闊混交人工林，其樹種組成簡單，林木分布均勻，林分和立地條件基本一致，設置各樣地面積為800 m2(上、下坡位各設1塊20 m×20 m標準樣地，四角均用水泥樁長期固定)。試驗林采伐當年采伐前、后的林分密度，采伐木平均胸徑、各徑級(小徑木6～12 cm、中徑木14～24 cm、大徑木26～36 cm)株數比例和各樹種蓄積量比例，見表2。

表2 采伐概況

2.2 植被調查

喬木層植被調查，將每塊標準樣地分割為16個5 m×5 m的樣方，對樣地內胸徑大于等于5 cm的林木進行每木檢尺，記錄種名、胸徑和樹高；灌木層植被調查，在每塊標準樣地的四角及中央共選取5個5 m×5 m的灌木樣方，記錄種名、株數和高度；草本層植被調查，在每個灌木樣方中央設置1個1 m×1 m的草本樣方，記錄種名、高度和蓋度。調查時間分別為2011年7月(擇伐前)、2011年11月(擇伐后當年)、2014年7月(擇伐后第3年)和2016年7月(擇伐后第5年)、2021年7月(擇伐后第10年)。

2.3 數據處理

喬木、灌木和草本植物的物種多樣性指數測度以重要值作為計算依據，選擇常用的Patrick物種豐富度指數、Shannon-Wiener物種多樣性指數、Pielou物種均勻度指數[10-11]。不同擇伐強度后當年及3、5、10 a的林分生長因子、灌木層和草本層物種多樣性指數，采用SPSS進行LSD(Least-significant difference)多重比較。

3 結果與分析

3.1 擇伐強度對林分生長的影響

3.1.1 對林分胸徑和樹高生長的影響

由表3可知，擇伐后10 a間，林分平均胸徑由高到低表現為MI、HI、NC、EHI，擇伐后當年保留木平均胸徑由高到低表現為MI、HI、EHI、NC，MI處理后林分平均胸徑和保留木平均胸徑都顯著高于NC(P<0.05)，分別比NC提高了17.2%和15.9%，HI、EHI與NC間無顯著差異(P>0.05)；MI、HI和EHI處理后林分平均胸徑和保留木平均胸徑的年增長量都高于NC，不同處理間林分平均胸徑的年增長量差異不顯著(P>0.05)，EHI處理后保留木平均胸徑的年增長量顯著高于NC(P<0.05)，提高了85.0%，MI、HI與NC間無顯著差異(P>0.05)；NC處理3 a和10 a后，以及HI和EHI處理10 a后都出現了少量進界木，這使得林分平均胸徑的年增長量有所降低，其中EHI處理10 a后林分平均胸徑略低于5 a后，林分胸徑的年增長量為-0.03 cm，但保留木平均胸徑的年增長量為0.32 cm。

表3 不同強度擇伐后10 a間林分和保留木胸徑增長Tab.3 Growth of DBH of stand and reserved tree during 10 years after different selective cutting intensities

由表4可知，擇伐后10年間，MI和HI處理后林分平均樹高和保留木平均樹高都高于NC，EHI處理后都低于NC；MI、HI和EHI處理后林分平均樹高和保留木平均樹高的年增長量都低于NC，但不同處理間林分和保留木的平均樹高及其年增長量無顯著差異(P>0.05)。

3.1.2 對林分胸高斷面積生長的影響

由表5可知，MI、HI和EHI3種強度擇伐處理后10年間林分總胸高斷面積分別為28.755、25.567、17.899 m2/hm2，均顯著低于NC(49.926 m2/hm2)(P<0.05)，分別降低了33.1%、40.5%和58.4%，MI顯著高于EHI(P<0.05)，HI與EHI無顯著差異(P>0.05)；林分總斷面積的年增長量由大到小表現為NC、MI、HI、EHI，不同處理間差異不顯著(P>0.05)；單株胸高斷面積的年增長量由小到大表現為NC、HI、EHI、MI，MI、HI和EHI間無顯著差異(P>0.05)，但三者都顯著高于NC(P<0.05)，分別提高了84.8%、64.1%和72.6%。

表4 不同強度擇伐后10年間林分和伐后保留木樹高增長

表5 不同強度擇伐后10 a間林分胸高斷面積增長

3.1.3 對林分蓄積量生長的影響

由表6可知，10 a間林分平均總蓄積量由大到小表現為NC(232.421 m3/hm2)、MI(163.352 m3/hm2)、HI(144.670 m3/hm2)、EHI(96.179 m3/hm2)，MI、HI和EHI顯著低于NC(P<0.05)，分別下降了29.7%，37.8%和58.6%，MI顯著高于EHI(P<0.05)，HI與EHI無顯著差異(P>0.05)；林分總蓄積量的年增長量由大到小表現為NC、MI、HI、EHI，不同處理間無顯著差異(P>0.05)；單株蓄積量的年增長量由大到小表現為MI、EHI、HI、NC，MI、HI和EHI處理間無顯著差異(P>0.05)，但三者都顯著高于NC(P<0.05)，分別提高了82.6%、57.4%和59.2%。

表6 不同強度擇伐后10 a間林分蓄積量增長

3.2 擇伐強度對林下植被物種多樣性的影響

3.2.1 對灌木層物種多樣性的影響

擇伐后3、5、10 a，灌木層植物物種多樣性動態變化見表7。NC處理后，灌木層植物物種豐富度基本維持不變，物種多樣性和均勻度都略有降低；MI、HI和EHI處理后，灌木層植物物種豐富度和多樣性都呈增大趨勢，物種均勻度變化不大，基本能維持在0.9以上；不同強度擇伐后，灌木層物種豐富度、多樣性和均勻度由大到小都表現為EHI、HI、MI、NC，其中EHI處理后灌木層物種豐富度顯著高于NC(P<0.05)，MI和HI與NC無顯著差異(P>0.05)，EHI和HI處理后灌木層物種多樣性和均勻度都顯著高于NC(P<0.05)，MI與NC都無顯著差異(P>0.05)。

3.2.2 對草本層物種多樣性的影響

擇伐后3、5、10 a，草本層植物物種多樣性動態變化見表8。草本層物種豐富度和多樣性在不同處理后有所增加，NC和MI處理后草本層物種均勻度則有所提高，HI和EHI處理后草本層物種均勻度有所降低；草本層物種豐富度和多樣性由大到小都表現為EHI、HI、MI、NC，其中HI和EHI處理后草本層物種豐富度顯著高于NC(P<0.05)，MI、HI和EHI處理后草本層物種多樣性都顯著高于NC(P<0.05)；草本層物種均勻度規律性不明顯，NC和MI處理后較高，HI和EHI處理后較低，不同處理間草本層物種均勻度無顯著差異(P>0.05)。

表7 不同強度擇伐后10 a間灌木層植物物種多樣性動態變化Tab.7 Dynamic changes of species diversity in shrub layer during 10 years after different selective cutting intensities

表8 不同擇伐強度后草本層植物物種多樣性動態變化Tab.8 Dynamic changes of plant species diversity in herb layer after different selective cutting intensities

4 結論與討論

4.1 擇伐對林分生長的影響

森林擇伐后保留木的生長空間擴大，競爭壓力得到釋放，光照、營養物質、水分等條件得到有效改善，從而促進林分更好地生長[4]。研究結果表明,閩北杉闊混交人工林不同擇伐強度后自然恢復10 a間，擇伐促進了林分胸徑增長，但未能促進林分樹高增長；擇伐雖未促進林分胸高斷面積和蓄積量增長，但能促進單株胸高斷面積和單株蓄積量增長。杉闊混交人工林中度、強度和極強度擇伐下，林分密度隨著采伐強度的增大而降低(表1和表3)；中度擇伐采伐了較多小徑木，強度和極強度擇伐對中徑木和小徑木均有采伐，極強度擇伐還采伐了少量大徑木(表2)，釋放出的保留木生長空間隨采伐強度增大而增大，林木間的競爭壓力得到有效緩解。中度、強度和極強度擇伐后，林分和保留木的平均胸徑年增長量高于未采伐林分，單株胸高斷面積年增長量和單株蓄積量年增長量都顯著高于未采伐林分，說明各種強度的擇伐有效促進了林分加快生長，這與相關研究結果一致[12-14]，其中中度擇伐對促進林分生長最為有利。但是各種強度的擇伐并沒有促進林分樹高生長，原因可能是林木枝葉器官向擇伐后四周富余空間伸展，大量消耗根系吸收的養分，從而削弱樹干往上生長的速度[15-16]，也可能受林齡、郁閉度、優勢度、坡向和坡度等條件影響[17]。此外，各種強度擇伐后林分的總胸高斷面積和總蓄積量及其增長量都低于未采伐，這與擇伐后林分密度明顯降低和恢復時間較短有關[18-19]，短期內難以恢復，其動態變化過程還需進一步跟蹤研究。

4.2 擇伐對植物物種多樣性的影響

森林擇伐增加了林下環境的異質性，增大了林下空間，改善了林下光照條件，能夠有效促進林下灌木和草本的生長和物種數量的增加[4,20]。結果表明，杉闊混交人工林各種強度的擇伐能夠促進林下灌木層植物物種豐富度、多樣性和均勻度提高，同時能夠促進林下草本層物種豐富度和多樣性提高，其中極強度擇伐對提高林下灌草物種多樣性最有利。杉闊混交人工林各種強度的擇伐促進了林下植被發育，增加林下灌木層和草本層植被物種豐富度和多樣性，這與徐雪蕾等[21]的研究結果一致。但成向榮等[22]的研究表明，杉木人工林不同強度(弱度15%、中度35%和強度50%)采伐15 a后，林下植被多樣性指數、均勻度指數在不同采伐處理間均沒有顯著差異，這可能是由于林分類型和伐后恢復時間等不同引起的[23]。由于該研究的采伐間隔時間仍較短，不同擇伐強度下伐后不同恢復時期林下植被組成和多樣性動態變化還有待長期定位跟蹤研究。