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长白山林区是我国重要的林木产品生产基地,也是东北地区重要的生态屏障,由于历史原因,该林区曾遭受多次高强度的采伐干扰,形成了大面积的过伐林和次生林群落[1],其中,云冷杉针阔混交林即为典型的过伐林群落之一。云冷杉针阔混交林来源于原始云冷杉林,群落内大径级的林木在多次采伐后几乎消失,经历短期自然恢复后,形成了针阔混交的群落,但群落内仍存在结构不合理,林木生长缓慢等问题,恢复演替进程也不理想,因此有必要对其进行科学有效的森林经营研究[2]。目前,对云冷杉针阔混交林的研究涉及树种结构特征[3]、垂直结构特征[4]、空间结构与更新[5-6]、发育阶段划分[7]、凋落物生态功能[8]等林分状态方面,以及采伐强度与林分生长[9]、合理经营密度[10]、优化结构[2]与经营模式[11]等抚育经营方面,经营采伐方式也从皆伐和径级择伐向单株择伐发展[12]。
目标树经营作为一种效果较好的单株择伐经营方式,在国外进行了大量的长期试验研究,可以显著促进目标树生长、减少林木死亡率,还可以带来经济和生态效益[13-15]。进入国内后已被运用于马尾松人工林[16]、华北落叶松天然林[17]、蒙古栎次生林[18-19]和云冷杉针阔混交林[1] 等不同森林群落的经营研究中。这其中,陈科屹[1]曾分析研究了云冷杉针阔混交林中主要针叶树种目标树的单木胸径、单木材积定期生长量和定期生长率,但并未对不同径级、不同自由生长空间的目标树以及主要阔叶树种的单木生长情况进行分析。对目标树经营进行系统的单木生长分析,不仅可以了解林分对目标树经营措施的响应机制[20],同时可以精准地指导未来的经营。因此本研究将在前人的研究基础上进一步深入分析,以期为云冷杉针阔混交林质量的精准提升和恢复演替提供支持。
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2013年8月,在研究区的云冷杉针阔混交林内选择立地和生长基本一致的林分布设9块1 hm2(100 m × 100 m)样地,坡向均为东北,海拔732~792 m,坡度3°~15.5°,目标树经营样地6块,对照样地3块。按照作业体系,目标树经营样地(CTR)选择并标记目标树、干扰树;对照样地(CK)仅标记目标树。目标树是经营培育的主要对象,选择林分中生活力强、干材质量高、实生起源、损伤少的林木,每公顷约100~150株,选择的目标树大致均匀分布,并按照样地实际情况选取;本研究为了探索不同树种及不同径级林木作为目标树的适应性,在选择目标树时各主要树种和径级均有所涉及。干扰树是对目标树有不利影响,需要在经营过程中不断间伐的林木[5]。2015年1月在目标树经营样地进行干扰树采伐作业,对照样地不进行经营。
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2013年8月对样地进行本底调查,将样地划分为100个10 m × 10 m的小样方,对小样方内胸径1 cm以上的林木进行每木检尺,记录树号、相对空间坐标、树种、胸径、树高、枝下高、冠幅等信息。各样地基本信息见表1。2018年9月,对9个样地进行复测检尺。
样地号
Plot
code株数
Stems
number/
(tree·hm−2)平均直径
Mean
DBH/
cm断面积
Basal
area/
(m2·hm−2)蓄积
Stock
volume/
(m3·hm−2)郁闭度
Canopy
cover树种组成
Composition of
tree species目标树密度
Density of
crop tree/
(tree·hm−2)采伐株数
Stem number of
cutting/
(tree·hm−2)处理
Treatment1 1229 12.6 24.32 195.20 0.76 2Lo2An1Bc1Ta1Bp1Pj1Pk1Pu 92 29 CTR 2 1308 11.3 22.51 187.07 0.75 3An2Pk1Bp1Pj1Lo1Ta1Bc 117 46 CTR 3 1239 13.1 23.65 186.86 0.70 2Pj2Ta1Bc1An1Pk1Lo1Pu1Am 78 38 CTR 4 1314 11.6 24.45 203.81 0.71 2An2Pk2Ta1Bc1Pj1Lo1Pu 110 34 CTR 5 1137 12.8 21.72 175.26 0.66 2Pj2An2Pk1Ta1Bc1Lo1Pu 87 33 CTR 6 1112 13.9 24.07 195.00 0.76 2Bc2Pk1An1Pj1Lo1Ta1Bp1Pu 130 48 CTR 7 1388 11.9 24.60 200.70 0.82 2Bc2Ta1An1Pj1Pk1Pu1Lo1Am 127 0 CK 8 1469 12.0 27.00 216.62 0.77 2Bc2Pk1Ta1An1Lo1Pj1Am 134 0 CK 9 1181 14.2 24.30 183.13 0.73 3Lo1Pk1Fm1Bc1An1Bp1Pj1Ta 146 0 CK 注:Bp白桦B. platyphylla;Ta紫椴T. amurensis;Bc硕桦B. costata;Pk红松P. koraiensis;An臭冷杉A. nephrolepis;Lo黄花落叶松L. olgensis;Am色木槭A. mono;Fm水曲柳F. mandschurica;Pu大青杨P. ussurienses;Pj鱼鳞云杉P. jezoensis。 Table 1. Plots situation of Spruce-fir coniferous-broadleaved mixed forest stands
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以采伐后的保留林木数据判断目标树的自由生长空间FTG(Free-to-growth),不同于实地目视判别的直观性,以数据驱动的FTG判断方法需要从以下3个步骤进行:
①以树冠是否相接判断目标树的相邻木是否属于竞争木;
②选择主要的竞争木(遮盖或挤压目标树的林木):采用光竞争高度法判断[4, 21],对目标树i产生影响的竞争木最低高度:
其中,CLi为目标树i的冠长,HCBi为目标树i的枝下高,a为调整系数,常取0.4[4]。本研究为了选取对目标树有显著影响的主要竞争木,a取0.6,树高大于竞争木最低高度的竞争木属于主要竞争木;
③将主要竞争木按照以对象木为原点的直角坐标系划分为4个象限,统计各象限为空的数量,即为目标树的自由生长空间数N,N的取值为0~4,分别记为FTG 0、FTG 1、FTG 2、FTG 3、FTG 4。
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单木生长指标包括2013—2018年5年的胸径、材积定期生长量,以下简称为胸径、材积生长量,由于东北地区的林木在9月份已停止生长,2013年至经营采伐时仅经历1年的生长,相比经营后至2018年4年的恢复生长而言非常小,因此5年的生长量可以反映出经营措施的差异。使用R语言[22](版本4.0.2)基础函数t.test()对目标树经营样地与对照样地目标树的胸径生长量和材积生长量差异进行t检验(P<0.05),使用agricolae包[23]的LSD.test()函数对不同自由生长空间目标树的生长量进行方差分析(P<0.05)。为避免边缘效应对自由生长空间判断产生影响,仅选用距离样地边界≥5m的目标树进行生长量差异的分析。
在各树种、各径级内同样进行t检验和方差分析。结合林分状况和常用径级划分标准,林木胸径分为4个等级[1]:更新幼树(1 cm≤DBH<5 cm)、径级Ⅰ(5 cm≤DBH<15 cm)、径级Ⅱ(15 cm≤DBH<25 cm)、径级Ⅲ(DBH>25 cm),林木生长差异仅在径级Ⅰ、径级Ⅱ和径级Ⅲ内进行,更新幼树仅作为可能的竞争木进行自由生长空间的判断。树种内的林木生长差异分析同样将更新幼树剔除,且仅在各经营措施类型或各自由生长空间类型均有足量样本的主要树种内进行。
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对于全林分的目标树,目标树经营措施显著提升了其胸径和材积的生长量(图1),且对材积生长量的提升效果(27%)优于胸径生长量(19%)。随着径级的增大,对照样地内目标树的胸径生长量逐渐增大,相邻径级间的增幅减小,分别为19%和6%,而经营样地内目标树的胸径生长量却逐渐减小,且相邻径级间的降幅减少,分别为26%和3%;与对照样地相比,目标树经营对目标树胸径生长量的提升比例随着径级的增大逐渐减小,分别为96%、22%和11%,但各径级的总体提升效果均显著(图1A)。随着径级的增大,对照样地和经营样地内目标树的材积生长量均逐渐增大,相邻径级间的提升比例分别为87%、82%和15%、49%;目标树经营对目标树材积生长量的提升比例同样随着径级的增加而减小,分别为114%、31%和8%,径级Ⅰ和径级Ⅱ的材积生长量提升效果显著,而径级Ⅲ的提升效果已不显著(图1B)。
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不同树种在目标树经营下的单木胸径生长量均高于对照(表2),但不同树种的生长提高比例不同:红松、臭冷杉、水曲柳和鱼鳞云杉提升显著,相对于对照林分目标树分别提升48%、34%、32%和48%;紫椴和黄花落叶松虽提升较少,分别为21%和16%,但同样显著;白桦和硕桦在不同处理下无显著差异。
树种
Tree Species胸径定期生长量 DBH periodic growth/cm 材积定期生长量 Volume periodic growth/m3 对照 CK 目标树经营 CTR P 对照 CK 目标树经营 CTR P 白桦 B.platyphylla 1.68±0.14 a 1.82±0.08 a 0.383 0.073±0.009 a 0.075±0.004 a 0.775 紫椴 T. amurensis 1.90±0.13 b 2.30±0.16 a 0.048 0.080±0.007 b 0.113±0.008 a 0.005 硕桦 B. costata 1.48±0.14 a 1.63±0.10 a 0.379 0.058±0.007 a 0.056±0.004 a 0.766 红松 P. koraiensis 1.49±0.13 b 2.20±0.12 a 0.001 0.088±0.011 b 0.118±0.007 a 0.019 臭冷杉 A. nephrolepis 1.99±0.13 b 2.67±0.13 a 0.002 0.075±0.007 b 0.112±0.006 a 0.001 黄花落叶松 L. olgensis 2.08±0.08 b 2.41±0.07 a 0.003 0.058±0.003 b 0.070±0.002 a 0.002 水曲柳 F. mandschurica 2.42±0.11 b 3.21±0.18 a 0.003 0.094±0.008 a 0.129±0.013 a 0.051 鱼鳞云杉 P. jezoensis 1.62±0.15 b 2.40±0.14 a 0.002 0.085±0.013 b 0.123±0.008 a 0.015 Table 2. Difference in DBH and volume periodic increment of individual trees under different treatments of different tree species of crop trees
相对于对照,目标树经营后目标树的单木材积生长量,除硕桦外各树种均有提高(表2),但不同树种的生长提高比例不同:紫椴、红松、臭冷杉、黄花落叶松和鱼鳞云杉提升显著,分别提升41%、34%、49%、20%和45%;水曲柳提升37%,差异接近显著水平;白桦和硕桦在不同处理下的材积生长量同样无显著差异。
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对于全林分的目标树,胸径生长量与FTG的数量有极显著正相关性,5个FTG情形的胸径生长量可分为3组,FTG0单独一组,FTG1与FTG2一组,FTG3与FTG4一组,3组组内差异不显著,组间差异显著;相对于FTG0,FTG1~FTG4的胸径生长量分别提升了16%、22%、39%和45%(图2A)。随着FTG值的增加,材积生长量同样有增大的趋势,但不同于最高胸径生长量在FTG4取得,最高的材积生长量在FTG3取得,显著高于FTG0和FTG1,FTG4也显著高于FTG0,其他两两比较均不显著;相对于FTG0,FTG1~FTG4的胸径生长量分别提升了8%、17%、27%和23%(图2B)。
Figure 2. Difference in DBH and volume periodic increment of individual crop trees with different diameter classes in each FTG
划分径级后,不同FTG值下的目标树胸径生长量、材积生长量整体变化趋势与全林基本一致,最高值分别出现在FTG4和FTG3;径级Ⅰ中部分FTG情形样本量较少,故未进行差异显著性分析,径级Ⅱ不同FTG值的胸径生长量、材积生长量均可显著分为3个等级,与全林相似,径级Ⅲ不同FTG值下的胸径生长量差异显著,以FTG2为界,可显著分为2个等级,而材积生长量差异不显著;径级Ⅰ、径级Ⅱ和径级Ⅲ内FTG4相对FTG0的胸径生长量分别提升72%、57%和33%,FTG3相对FTG0的材积生长量分别提升62%、52%和20%。随着径级的增大,自由生长空间的数量对胸径生长量和材积生长量的提升效果同样减弱(图2)。总体而言,FTG增加两个方向比仅增加一个方向更有可能产生显著的生长量提升效果;释放自由生长空间对于胸径生长量的提升效果优于材积生长量。
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对于自由生长空间的增加,不同树种目标树的胸径生长量变化响应有一定差异(表3):白桦和黄花落叶松呈波动状上升,最高点FTG3相对于FTG0分别提升25%和11%,但仅黄花落叶松差异显著;紫椴、硕桦和臭冷杉均呈现先增加后降低的趋势,最高点FTG2相对于FTG0分别提升45%、33%和44%,仅紫椴和臭冷杉差异显著;红松和鱼鳞云杉则呈稳步提升趋势,最高点FTG4相对于FTG0分别提升85%和139%,均差异显著;水曲柳不同于以上各树种,呈现出先下降后上升的趋势,最高点即为FTG0,次高点为FTG4,但各FTG值的胸径生长量之间无显著差异。
树种
Tree speciesFTG 0 FTG 1 FTG 2 FTG 3 FTG 4 P 白桦 B. platyphylla 1.64±0.21 1.81±0.09 1.49±0.12 2.06±0.17 2.00±0.12 0.056 紫椴 T. amurensis 1.58±0.15 b 2.25±0.20 a 2.29±0.16 a 2.29±0.22 a 2.10±0.00 0.015 硕桦 B. costata 1.34±0.41 1.58±0.19 1.78±0.12 1.36±0.16 1.47±0.26 0.276 红松 P. koraiensis 1.43±0.30 b 1.63±0.15 b 2.12±0.13 a 2.59±0.33 a 2.65±0.36 a 0.001 臭冷杉 A. nephrolepis 1.92±0.23 b 2.10±0.15 b 2.77±0.19 a 2.75±0.23 a 2.69±0.48 ab 0.024 黄花落叶松 L. olgensis 2.22±0.39 ab 2.24±0.12 ab 2.08±0.08 b 2.47±0.10 a 2.43±0.14 a 0.048 水曲柳 F. mandschurica 3.26±0.58 2.66±0.22 2.17±0.16 2.62±0.18 2.72±0.25 0.076 鱼鳞云杉 P. jezoensis 1.22±0.34 b 1.93±0.15 b 2.01±0.16 b 2.76±0.35 a 2.91±0.38 a 0.006 注:硕桦在FTG4下仅一个样本,因此不参与FTG间的显著性分析,下同。
Note: There was only one sample of Betulacostata in FTG4, so it did not participate in the significance analysis between FTG, the same below.Table 3. Difference in DBH periodic increment of individual crop trees with different tree species in each FTG
cm 对于自由生长空间的增加,不同树种目标树的材积生长量变化响应与胸径生长量基本一致(表4),但显著性和最高生长量的FTG值不同:紫椴、红松、臭冷杉和水曲柳各FTG情况下的材积生长量存在显著差异,而白桦、硕桦、黄花落叶松和鱼鳞云杉差异不显著;白桦、臭冷杉的最高点FTG4相对于FTG0提升33%和64%,紫椴、红松、黄花落叶松和鱼鳞云杉最高点FTG3相对于FTG0分别提升59%、121%、8%和130%,硕桦最高点FTG2相对于FTG0提升7%,水曲柳最高点仍在FTG0,次高点在FTG3。
树种
Tree speciesFTG 0 FTG 1 FTG 2 FTG 3 FTG 4 P 白桦 B. platyphylla 0.070±0.010 0.076±0.006 0.058±0.004 0.089±0.011 0.093±0.017 0.060 紫椴 T. amurensis 0.073±0.011 b 0.089±0.010 ab 0.114±0.012 a 0.116±0.012 a 0.087±0.000 0.036 硕桦 B. costata 0.060±0.021 0.062±0.010 0.064±0.005 0.045±0.006 0.049±0.006 0.203 红松 P. koraiensis 0.068±0.016 c 0.090±0.009 bc 0.118±0.009 ab 0.150±0.020 a 0.135±0.017 ab 0.001 臭冷杉 A. nephrolepis 0.074±0.010 b 0.081±0.008 b 0.118±0.011 a 0.111±0.010 a 0.121±0.019 a 0.013 黄花落叶松 L. olgensis 0.066±0.015 0.061±0.004 0.060±0.003 0.071±0.004 0.070±0.005 0.125 水曲柳 F. mandschurica 0.165±0.043 a 0.099±0.015 b 0.076±0.009 b 0.107±0.012 b 0.103±0.014 b 0.021 鱼鳞云杉 P. jezoensis 0.061±0.018 0.098±0.011 0.109±0.011 0.140±0.018 0.138±0.019 0.093 Table 4. Difference in volume periodic increment of individual crop trees with different tree species in each FTG
m3 整体而言,释放自由生长空间对白桦、黄花落叶松、硕桦和水曲柳目标树的单木生长量影响不大,对紫椴和臭冷杉目标树的单木生长量影响中等,对红松和鱼鳞云杉目标树的单木生长影响最大;紫椴适合疏开2~3个方向,臭冷杉适合疏开2~4个方向,红松和鱼鳞云杉适合疏开3~4个方向。
Study on Effectiveness of Crop Tree Management for Individual Tree Growth in Spruce-Fir Coniferous-Broadleaved Mixed Forest
- Received Date: 2021-04-10
- Accepted Date: 2021-07-19
- Available Online: 2022-04-20
Abstract: