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抚育间伐作为森林中最主要的人为干扰之一[1-3],已有很多学者证明其可以促进林分更快更好的发育[2, 4-10],实现多种功能的协同最大化。栎类天然次生林在东北林区有十分广泛的分布,其绝大多数为蒙古栎林(Quercus mongolica Fisch. ex Ledeb.)[10-12],而大部分蒙古栎天然次生林密度很大,郁闭后完全依靠自然稀疏,造成大多数该类型林分生长状况差、林分蓄积量普遍偏低,缺乏大径级的优良木材,因此迫切需要对林分进行科学有效的抚育间伐[13]。
于长平等[13]曾对辽东山区蒙古栎进行了抚育间伐研究,并指出间伐可以提高林分断面积和蓄积总生长量、生长率,且随着间伐强度增加,各指标先升高后降低,中度间伐效果最好。尤文忠等[10]探讨了蒙古栎幼龄林和中龄林抚育间伐的最优间伐强度方案,得出在幼龄阶段采用轻度、中度、强度间伐均可,在中龄林时宜采用强度间伐(保留密度 1 600 株·hm−2)。另外曲杭峰等[14]对大兴安岭蒙古栎天然次生林、高文韬等[15]、吕伟伟等[16]对吉林长白山区次生蒙古栎林都进行过不同改培措施研究,结果都说明抚育改造显著有利于林分的发育。但目前关于蒙古栎不同龄组对不同强度间伐响应的研究仍不够全面,对于吉林省次生蒙古栎林系统的抚育间伐研究更是少之甚少。
本研究以吉林省蒙古栎天然次生林为对象,研究不同抚育间伐强度对其生长的影响,通过探究不同龄组对各间伐强度在伐后各观测间隔的蓄积生长率的动态响应,对比未间伐样地的蓄积生长率动态,以探索吉林省不同龄组蒙古栎次生林各自适宜的抚育间伐方案。
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样地数据来源于1994至2014年吉林省第5次至第9次(共5期)森林资源连续清查数据,样地布设采用全省范围内的系统抽样方法,抽样间距为6 km×8 km,样地面积均为0.06 hm2。
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由于本研究的对象是蒙古栎天然次生林,因此首先需要筛选出起源是天然林,且优势树种为蒙古栎的林分。
考虑到天然林林分年龄比较难以确定,在本研究中以龄组来代替林分年龄。根据国家森林资源连续清查技术规定,天然蒙古栎林龄组划分如下:幼龄林年龄在40 a以下,中龄林年龄跨度为40~60 a,近熟林为60~80 a,成熟林为80~120 a,过熟林年龄大于120 a[17-18]。由于抚育间伐的研究对象一般为未成熟林,因此本研究的对象仅包括幼龄林、中龄林和近熟林。
由于5期数据两两的观测间隔有4种可能性:5、10、15和20 a,因此在筛选样地时,需要确定每期是否存在间伐,我们以当期间伐强度来判断:
其中,Ia为当期间伐强度,VC为在5年后的下期记录为间伐的当期林木的蓄积,VA为排除当期记录为间伐的剩余林木的当期总蓄积(即假设5年间隔期内记录的全部间伐都在5年前的当期完成)。
为了研究更长观测间隔(20 a)的样地生长率,仅保留1994年间伐过(当期间伐强度不为0),而后面都未间伐的样地,以研究这些样地在20 a内蓄积生长率的变化规律。部分间伐强度因为样地数少,适当放宽筛选条件,增加初期间伐后15 a或10 a内未间伐的样地。而未间伐样地则应保证1994年当年与之后20 a都未出现过间伐。
确定研究对象龄组及符合间伐规则的样地后,对样地进行进一步的筛选。即剔除各个龄组中林分初始状态(株数、蓄积量、单木蓄积和郁闭度)为异常值的样地。筛选后样地数量分布见表1,各龄组样地的平均伐前状态见表2。
龄组
Age group观测间隔
Observation interval/a未间伐
No thinning强度1
Intensity1强度2
Intensity2强度3
Intensity3强度4
Intensity4强度5
Intensity5总计
Total幼龄林
Young forest5 12 12 6 4 4 3 41 10 12 12 6 4 4 3 41 15 12 12 6 4 3 2 39 20 12 12 6 3 3 2 38 中龄林
Middle aged forest5 12 17 7 6 4 2 48 10 12 17 7 6 4 2 48 15 12 17 7 6 2 2 46 20 12 17 7 4 2 2 44 近熟林
Near mature forest5 6 8 5 4 4 3 30 10 6 8 5 4 4 3 30 15 6 8 5 4 4 3 30 20 6 8 4 4 2 2 26 Table 1. Quantitative statistics of sampleplots for each thinning intensity in different age groups
龄组
Age group伐前指标
Pre-thinning index未间伐
No thinning强度1
Intensity1强度2
Intensity2强度3
Intensity3强度4
Intensity4强度5
Intensity5幼龄林
Young forest伐前蓄积
Pre-thinning volume/(m3·hm−2)74.3±8 69±10.4 59±5.5 26.4±7.8 29.5±12.7 81.1±16.1 伐前密度
Pre-thinning density/(trees·hm−2)1 557±151 1 601±212 1 419±212 1 400±456 1 708±859 1 722±313 单木蓄积Per volume of tree/m3 0.05±0 0.04±0 0.05±0.01 0.02±0.01 0.02±0.01 0.04±0 郁闭度Canopy density 0.74±0.05 0.78±0.06 0.63±0.04 0.7±0.14 0.63±0.18 0.91±0.05 中龄林
Middle aged forest伐前蓄积
Pre-thinning volume/(m3·hm−2)139.2±10.1 132.3±8.1 92.9±11.2 83±16.6 123.7±12.5 145.6±28.8 伐前密度
Pre-thinning density/(trees·hm−2)1 275±49 1 361±99 1 210±176 1 286±262 1 296±145 1 275±392 单木蓄积
Per volume of tree/m30.11±0.01 0.1±0.01 0.08±0.01 0.07±0.01 0.1±0.01 0.12±0.02 郁闭度Canopy density 0.89±0.03 0.86±0.04 0.77±0.06 0.7±0.1 0.78±0.09 0.7±0.2 近熟林
Near mature forest伐前蓄积
Pre-thinning volume/(m3·hm−2)181.6±18.8 187.5±12.2 163.2±15.9 145.4±25 182.6±21.5 170.9±28.1 伐前密度
Pre-thinning density/(trees·hm−2)1 083±127 1 173±77 907±102 1 158±233 921±76 1 144±493 单木蓄积
Per volume of tree/m30.17±0.02 0.16±0.01 0.19±0.03 0.13±0.02 0.2±0.02 0.2±0.07 郁闭度Canopy density 1±0 0.93±0.03 0.94±0.02 0.93±0.03 0.9±0.04 0.97±0.03 Table 2. Average pre-cutting state of sample plots for each thinning intensity in different age groups(mean ± standard error)
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在筛选完样地后,需对间伐强度进行分级,由于过大的间伐强度类似于皆伐,不属于本研究范围,本研究仅分析间伐强度在50%以下的样地生长动态。为了便于分析不同间伐强度对生长的动态影响,划分5个间伐强度等级:强度1(间伐强度0~10%)、强度2(10%~20%)、强度3(20%~30%)、强度4(30%~40%)、强度5(40%~50%)。
间伐后不同时间间隔内的蓄积生长率计算公式采用以下公式[17]:
式中,n为观测间隔(年),Pn为n年间的蓄积生长率(后简称“生长率”);ya、ya−n分别表示为a、a−n年的蓄积,其中ya应包含n年间所有间伐与枯死的蓄积。
为了探讨蒙古栎次生林的对不同间伐强度的生长率动态响应,区分龄组(幼龄林、中龄林和近熟林)与观测间隔(5、10、15和20 a),从各间伐强度与其对应生长率的散点及拟合曲线图,进行大体趋势上的判断;然后分别计算5个间伐强度级和未间伐的生长率均值,分析其随观测时间的变化趋势;最后对生长率均值进行多重方差分析,并计算不同间伐强度对生长率的提升效果以进一步定量的分析生长率对间伐的动态响应。
1.1. 数据来源
1.2. 样地筛选
1.3. 数据处理
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由图1可知,对于幼龄林,各观测间隔的整体趋势基本一致,即随着间伐强度的增长,生长率出现了先持平,再快速上升,最后快速下降的趋势;峰值出现在间伐强度20%~35%之间,且随伐后时间的推移,峰度越来越小。对于中龄林,各观测间隔的生长率都呈现出先缓慢增长,最后快速下降的趋势;伐后5 a和10 a的峰值出现在间伐强度15%~35%之间,伐后15 a与20 a的峰值出现在间伐强度20%~40%之间,而随伐后时间的推移,峰度基本保持一致。对于近熟林,各观测间隔的趋势并不一致,伐后5 a与10 a,生长率出现了先快速增长,后快速下降直至平缓的趋势;伐后15 a与20 a,则呈现出先快速增长,后平缓下降的趋势;伐后5 a与10 a的峰值出现在间伐强度15%~25%之间,伐后15 a与20 a的峰值则在强度15%~35%之间,峰度同样随伐后时间的推移逐渐减少。
Figure 1. Dynamic relationship between volume growth rate and thinning intensity in different age groups
图2表示不同龄组对不同间伐强度在各观测间隔的蓄积生长率均值的动态响应,通过对比未间伐状态下的生长率均值,可以得知不同间伐强度对于生长率是提升效果还是降低效果。
Figure 2. Time dynamic response of volume growth rate of different age groups to different thinning intensities
对于幼龄林,随观测时间的推移,各间伐强度的生长率均在下降,其中强度3与强度4 下降较快,其他强度与未间伐则下降较缓。伐后5 a至20 a,强度3与强度4的生长率均值都明显高于其他强度,相互之间差距小;强度1与强度2都高于未间伐,但相差不大;强度5生长率均值在伐后5 a低于未间伐,而在10 a后高于未间伐,且与未间伐几乎相等。
对于中龄林,随观测时间的推移,未间伐与强度1、强度2、强度3的生长率均值都快速下降并在15 a之后趋于平缓;而强度4则一直缓慢下降;强度5则缓慢提升。强度2、强度3和强度4均明显高于未间伐,且在前10 a,强度3生长率最高,而后10 a,强度4最高;强度1在各年均高于未间伐,且差距较小;强度5生长率虽在前10 a低于未间伐,但在10 a后开始高于未间伐,并在20 a与强度1持平。
对于近熟林,随观测时间的推移,未间伐与强度1的生长率均值都缓慢下降并在15 a后平缓;强度2与强度3则快速下降,同样在15 a后趋于平缓;强度4有缓慢下降趋势,而强度5则有缓慢上升的趋势。伐后5 a至20 a,强度2和强度3生长率均值明显高于未间伐,强度3最高,且随时间增加,强度2与强度3之间的差距越来越大;强度1则在各年均与未间伐保持持平;强度4生长率虽在前10 a低于未间伐,但在10 a后开始高于未间伐,在20 a间生长率基本持平;强度5在5 a时低于未间伐,但在5 a后开始高于未间伐,并在20 a上升至与强度2持平。
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表3为未间伐及各间伐强度下生长率的均值水平。由表3可知,对于幼龄林,在观测间隔5~20 a间,未间伐与强度3、强度4的生长率均值都具有显著差异,而未间伐与强度1、强度2、强度5的生长率均值则不存在显著差异。除此以外,在5 a时,强度5与强度3、强度4之间差异显著;而在15 a时,强度1、强度5与强度3、强度4相互之间差异显著。
龄组
Age group观测间隔
Observation interval/a未间伐
No thinning强度1
Intensity1强度2
Intensity2强度3
Intensity3强度4
Intensity4强度5
Intensity5幼龄林
Young forest5 6.19±0.47 b 7.4±0.74 ab 8.35±0.96 ab 14.82±3.52 a 14.64±4.01 a 5.34±1.73 b 10 4.95±0.33 b 5.78±0.65 ab 6.4±0.55 ab 10.25±1.33 a 10.7±2.17 a 5.35±1.52 ab 15 4.07±0.33 b 4.77±0.44 b 5.37±0.37 ab 8.43±0.84 a 9.29±1.31 a 4.28±1.98 b 20 3.71±0.27 b 4.32±0.37 ab 4.94±0.29 ab 7.07±0.82 a 7.64±0.76 a 3.88±1.62 ab 中龄林
Middle aged forest5 2.73±0.14 c 3.19±0.15 bc 3.69±0.23 ab 4.51±0.4 a 3.91±0.36 ab 2.04±0.69 c 10 2.38±0.12 c 2.71±0.16 bc 3.37±0.27 ab 3.95±0.34 a 3.7±0.42 ab 2.28±0.5 c 15 1.92±0.15 b 2.34±0.1 ab 2.92±0.27 a 3.54±0.32 a 3.67±0.49 a 2.18±0.28 ab 20 1.92±0.13 b 2.29±0.08 ab 2.89±0.17 a 3.28±0.4 a 3.5±0.41 a 2.26±0.16 ab 近熟林
Near mature forest5 2.12±0.11 b 2.1±0.14 b 3.53±0.43 a 3.64±0.49 a 1.79±0.27 b 1.61±0.27 b 10 1.77±0.07 b 1.87±0.13 b 2.64±0.26 a 2.89±0.22 a 1.69±0.17 b 2.01±0.14 ab 15 1.32±0.11 b 1.34±0.12 b 2.11±0.13 a 2.45±0.24 a 1.87±0.15 ab 1.95±0.18 ab 20 1.2±0.06 c 1.38±0.12 bc 1.89±0.14 ab 2.38±0.21 a 1.53±0.09 abc 2±0.26 ab 注:小写字母为多重方差分析结果,各行同间伐强度间字母完全不同表示具有显著性差异(p = 0.05)。
Note:The lower case letters are the results of multiple ANOVA,there are significant differences between the different letters in the same thinning intensity.Table 3. Analysis of mean difference of volume growth rate among different thinning intensities of different age groups(mean ± standard error)
对于中龄林,在观测间隔5~20 a间,未间伐与强度2、强度3、强度4的生长率均值都具有显著差异,而未间伐与强度1、强度5的生长率均值则不存在显著差异。除此以外,在5 a与10 a时,强度5与强度2、强度3、强度4之间差异显著,强度1与强度3之间差异显著。
对于近熟林,在观测间隔5~15 a间,未间伐与强度2、强度3的生长率均值都具有显著差异,而未间伐与强度1、强度4、强度5的生长率均值则不存在显著差异;在观测间隔20 a,未间伐与强度2、强度3、强度5的生长率均值都具有显著差异,而未间伐与强度1、强度4的生长率均值则不存在显著差异。除此以外,在5 a时,强度1、强度4、强度5与强度2、强度3相互之间差异显著;在10 a时,强度1、强度4与强度2、强度3相互之间差异显著;而在15 a时,强度1与强度2、强度3之间差异显著;发育至20 a时,强度1与强度3存在显著性差异。
由表4可知不同龄组各观测间隔不同间伐强度相对于未间伐对蓄积生长率的提升效果。对于幼龄林,随着伐后时间的增加,各强度的提升效果基本都在下降;对于中龄林,随着伐后时间的增加,各强度的提升效果基本都在上升;而对于近熟林,随着伐后时间的增加,强度1、强度2和强度3的提升效果先下降后提升,强度4和强度5的提升效果则一直提升。各龄组内不同间伐强度平均提升效果排序,幼龄林为强度4 >强度3 >强度2 >强度1 >强度5;中龄林为强度3 >强度4 >强度2 >强度1 >强度5;近熟林为强度3 >强度2 >强度5 >强度4 >强度1。从生长率提升效果最大与最小之间的极差来看,各龄组随着伐后时间的增加,差距是越来越小的,且差距的变化幅度幼龄林>中龄林>近熟林。
% 龄组
Age group观测间隔
Observation interval/a强度1
Intensity1强度2
Intensity2强度3
Intensity3强度4
Intensity4强度5
Intensity5极差
Range幼龄林
Young forest5 19.5 34.9 139.4 136.5 −13.7 153.1 10 16.8 29.3 107.1 116.2 8.1 108.1 15 17.2 31.9 107.1 128.3 5.2 123.1 20 16.4 33.2 90.6 105.9 4.6 101.3 均值Mean value 17.5 32.3 111.1 121.7 1.1 120.7 中龄林
Middle aged forest5 16.8 35.2 65.2 43.2 −25.3 90.5 10 13.9 41.6 66.0 55.5 −4.2 70.2 15 21.9 52.1 84.4 91.1 13.5 77.6 20 19.3 50.5 70.8 82.3 17.7 64.6 均值Mean value 18.0 44.9 71.6 68.0 0.4 71.2 近熟林
Near mature forest5 −0.9 66.5 71.7 −15.6 −24.1 95.8 10 5.6 49.2 63.3 −4.5 13.6 67.8 15 1.5 59.8 85.6 41.7 47.7 84.1 20 15.0 57.5 98.3 27.5 66.7 83.3 均值Mean value 5.3 58.3 79.7 12.3 26.0 74.4 Table 4. Increasing effect of thinning intensity on growth rate of different age groups(relative to non-thinning)