目标树经营对华北落叶松人工林生长及物种多样性的影响1)

李艳茹 赵鹏黄永辉 张楠

(河北农业大学，保定，071000)(河北省木兰围场国有林场)

陈哲 贾晓静 徐满 谷建才 陆贵巧

(河北农业大学)(河北省木兰围场国有林场)(河北农业大学)

近自然森林经营可以充分利用自然规律和自然力，有效减少在森林经营过程中的盲目性和不必要消耗，从而实现森林在多重效益的可持续经营[1-2]。目标树经营是以近自然经营为理念，培育具有高价值的大径材为目标的经营措施[3]，通过伐除对目标树有影响的干扰树，减少林木冠层竞争，给目标树充分的生长和营养空间，进而提高林木单株质量的经营技术，是一种特殊的抚育间伐方式[4-5]，以人为干预选取生长及质量良好的目标树有利于促进近自然演替，若仅仅依靠自然的力量演替，虽能选出最有活力的林木，但不一定是质量最好的[6]。目标树经营不仅能提高林木生长量，而且可以实现良好的生态价值，兼顾生态目标达成与经济效益最大化。抚育间伐是森林经营的主要环节，影响林分生长、林分结构、物种多样性等[7-8]，国内外已有许多学者研究，结果表明，目标树抚育间伐后，林分平均胸径和单株材积生长量均大于未抚育林分，大径阶林木株数量提高，林下灌草物种多样性改善[9-10]，但有些研究结果表明，短期经营后目标树经营劣于无干扰模式[11]。目前，关于目标树经营研究主要集中在对马尾松、柏木人工林的生长、空间结构、物种多样性、土壤理化性质影响研究[12-14]，而目标树经营对华北落叶松生长及物种多样性影响的研究鲜有。

华北落叶松为木兰林场的主要目的树种，是该地区蓄积量最大的主要森林生态树种[15]，抗弯抗压能力强、耐腐蚀性，工艺价值极高，也有很大的市场价值，可以满足经营目标、对维持生物多样性有着关键作用。但由于长期以法正林为营林理念、以单纯取材为主要目的的方式，限制了森林的生长环境和天然更新，森林恢复周期延长，造成了森林生态功能稳定性差、林下物种多样性降低，林分生产力水平较低[16-17]。鉴于此，为了探究目标树经营对华北落叶松人工林的影响，本文以北沟林场华北落叶松人工林为对象，对目标树经营样地和对照样地林分生长和林下物种多样性进行对比研究，以期为该地区更加合理的开展森林经营活动并为华北落叶松人工林经营提供参考。

1 研究区概况

研究区位于河北木兰围场国有林场管辖的北沟林场，地处典型的冀北山地，地理坐标为东经116°51′～117°45′，北纬41°47′～42°6′，属于半干旱向半湿润过渡、中温带向寒温带过渡的地区，为大陆性季风型山地气候。年降水量380～560 mm，降雨多集中在7—9月份，平均气温2.9 ℃，土壤类型主要为黄棕壤和黑棕壤。林场营林面积达0.6万hm2，其中有林地面积为0.5万hm2，立木蓄积量达31.9万m3，森林覆盖率达88.5%。主要乔木树种为华北落叶松、白桦(BetulaplatyphyllaSuk)、油松(PinustabuliformisCarr)、山杨(PopulusdavidianaDode)等。

2 研究方法

2013年在北沟林场孤山子选择立地条件和生长状况基本一致的华北落叶松人工林，设立目标树经营样地和对照样地。目标树经营样地：以近自然经营为理论指导，按照每666.7 m2种植7株目标树为标准，选择处在主林层、质量最好、树干通直、树冠饱满、没有病虫害的优势木作为目标树，对选取的目标树主干进行红色自喷漆标记，然后对其进行修枝管理，对于影响目标树生长的干扰树进行采伐，以培育优质的大径阶材，对其它树以伐密留稀、伐小留大、伐次留好、伐先锋留基本、伐萌留实的原则进行间伐。对照样地不进行任何抚育措施，对其进行封育和管护，防止人为干扰，运用自然力生长。在目标树经营样地和对照样地设置大小为20 m×30 m的标准地(标准地面积为600 m2，故每个标准地选取6株目标树)，分别于经营2、4、6 a对胸径在5 cm及以上的林木进行每木检尺，并记录样地海拔、坡度、坡向、坡位。在样地内的4个角和中心位置分别设置5 m×5 m的灌木样方，调查记录灌木的株数量、平均高度、盖度等信息；在每个灌木样方内设置1 m×1 m的草本样方，调查草本的株数量、平均高度、盖度等有关数据。2013年目标树经营和对照标准地基本信息见表1。

表1 不同经营措施标准地基本信息

选取Margalef指数(M)、Simpson指数(D)、Shannon-Wiener指数(H)和Pielou均匀度指数(E)作为衡量物种多样性的指标。

M=(S-1)/lnN，

E=H/lnS。

式中：S为物种数目；N为所有物种个体数之和；Pi为第i个种个体数量占所有种个体数量比值。

运用Excel 2019软件进行数据的统计分析，并利用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著法(LSD)分析目标树经营对林分生长和物种多样性的差异，最后用Excel 2019软件作图。

3 结果与分析

3.1 目标树经营对目标树生长的影响

选取目标树经营林分内6株目标树和对照林分内6株优势木，对比目标树经营对目标树生长的影响，见表2。经营2 a，目标树经营平均胸径(17.90 cm)与对照有显著性差异(P<0.05)，高于对照21.11%，目标树胸径定期生长量(1.56 cm)与对照(1.34 cm)无显著性差异；经营4 a，目标树平均胸径(19.27 cm)与对照存在显著性差异，比对照高19.69%，胸径定期生长量(1.36 cm)与对照(1.32 cm)无显著性差异；经营6 a，目标树平均胸径(20.17 cm)与对照存在显著性差异，比对照高19.21%，目标树胸径定期生长量(0.90 cm)与对照无显著性差异。

目标树经营对树高生长存在显著性差异。经营2 a，目标树平均树高(12.41 m)与对照优势木有显著性差异(P<0.05)，高于对照15.76%，目标树树高定期生长量(2.04 m)与对照也有显著性差异，是对照的3.0倍；经营4 a，目标树经营平均树高(15.03 m)显著大于对照，高于对照28.46%，目标树树高定期生长量(2.62 m)显著大于对照，是对照的2.67倍；经营6 a，目标树平均树高(15.47 m)显著大于对照，高于对照的29.35%，目标树树高定期生长量(0.44 m)显著大于对照，是对照的2.69倍。

目标树经营对单株材积产生差异。经营2 a，目标树单株材积(0.314 9 m3)与对照优势木存在显著性差异，高于对照42.36%，目标树单株材积定期生长量(0.048 8 m3)也显著大于对照，高于对照44.38%；经营4 a，目标树单株材积(0.361 2 m3)与对照优势木存在显著性差异，高于对照40.05%，目标树单株材积定期生长量高于对照，无显著性差异；经营6 a，目标树经营单株材积(0.394 1 m3)与对照存在显著差异，高于对照39.65%，目标树单株材积定期生长量与对照无显著性差异。

表2 华北落叶松目标树和优势木生长

3.2 目标树经营对林分径阶结构的影响

如表3所示，不同经营措施在不同经营时间胸径分布不同。经营2 a，目标树经营胸径分布在10～22 cm径阶，峰值在16 cm径阶处，中小径阶林木株数量百分比偏多，14 cm及以上径阶株数量百分比为69.05%，对照胸径分布在10～16 cm径阶，峰值在10 cm径阶处，小径阶株数量百分比偏大，14 cm及以上径阶株数量百分比为12.05%；经营4 a，目标树经营胸径分布在10～22 cm径阶，峰值也在16 cm径阶处，中径阶株数量百分比最大，14 cm及以上径阶株数量百分比为79.76%，对照胸径分布在6～20 cm径阶，峰值也在10 cm径阶处，小径阶株数量百分比偏大，14 cm及以上径阶株数量百分比为21.21%；经营6 a，目标树经营胸径分布在10～24 cm径阶，出现了24 cm径阶，峰值在14 cm径阶处，14 cm及以上径阶株数量百分比为83.33%，对照胸径分布在6～20 cm径阶，峰值在10 cm径阶处，14 cm及以上径阶占26.25%，比目标树经营低57.08%。随着经营时间增加，小径阶株数量百分比变小，较大径阶株数量百分比变大，目标树经营和对照径阶分布逐渐向右偏移，目标树经营向右偏移幅度大于对照。

表3 不同经营措施华北落叶松径阶分布

3.3 目标树经营对林下物种多样性的影响

3.3.1 目标树经营对灌草物种组成及重要值的影响

如表4为草本层主要物种及重要值，目标树经营样地林下草本主要物种组成变化较小，对照样地变化较大。目标树经营样地草本植物物种数量随经营时间增加有增大的趋势，分别为24、26、27种，对照有减小的趋势，分别为15、14、13种。经营2 a，目标树经营样地林下草本优势种是披针叶苔草、毒芹，对照以东北蹄盖蕨、白花碎米荠为优势种；经营4 a，目标树经营样地以披针叶苔草、东北蹄盖蕨为优势种，对照以山芹、东北蹄盖蕨为优势种，东北蹄盖蕨为他们的共优种；经营6 a，目标树经营样地草本优势种为披针叶苔草、蚊子草，对照优势种为披针叶苔草、东北蹄盖蕨，披针叶苔草仍然为他们的共优种，以上物种占据了较大的重要值，具有很大的生长优势，随着经营时间的增加，不断有物种的更替，新物种的出现占据了原有草本的生长空间，使得白花碎米荠、披针叶苔草等的重要值减小。

表4 不同经营措施草本植物物种的重要值

表5为目标树经营样地和对照样地林下主要灌木重要值，目标树经营样地主要物种组成变化很小。目标树经营样地灌木物种数量有增加的趋势，分别为11、11、12种，对照物种数量有减小的趋势，分别为7、6、6种。经营2 a，目标树经营样地灌木以毛榛、金花忍冬为优势种，对照样地以毛榛、刺五加为优势种；经营4 a，目标树经营样地以毛榛、华北覆盆子为优势种，对照优势种没变，但毛榛重要值增加；经营6 a，优势种为毛榛、刺五加，对照样地优势种为毛榛、金花忍冬，毛榛始终是它们的共优种，且优势度随经营时间在增加。

3.3.2 目标树经营对林下物种多样性指数的影响

由表6可知，目标树经营对草本层物种多样性产生影响。经营2 a，目标树经营4个多样性指数与对照均无显著性差异；经营4 a，Margalef指数和Shannon-Wiener指数均显著大于对照，Simpson指数和Pielou均匀度指数大于对照，但无显著性差异，目标树经营Margalef指数相对经营2 a显著提高，其他指数与经营2 a无显著性差异；经营6 a，目标树经营4个多样性指数均显著大于对照，目标树经营均相对经营2 a Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数均显著提高，Pielou均匀度指数无显著提高，对照4个多样性指数均无显著变化。随着经营时间的增加，目标树经营样地物种多样性指数呈现增加的趋势，而对照物种多样性指数呈现减小的趋势。

表5 不同经营措施灌木物种重要值

表6 不同经营措施草本物种多样性指数

由表7可知，经营2 a，灌木层目标树经营4个多样性指数均大于对照，但无显著性差异；经营4 a，除了Pielou均匀度指数，目标树经营多样性指数均显著大于对照，目标树经营Simpson指数和Shannon-Wiener指数相对经营2 a均有显著性提高，Margalef指数和Pielou均匀度指数与经营2 a无显著差异，对照Simpson指数和Shannon-Wiener指数相对经营2 a显著降低；经营6 a，4个多样性指数目标树经营也均显著大于对照，目标树经营Simpson指数、Shannon-Wiener指数、Pielou均匀度指数较经营2 a有显著性提高，对照较经营2、4 a均无显著变化。

表7 不同经营措施灌木物种多样性指数

4 讨论与结论

苏俊武[18]等研究认为抚育间伐能有效改善林分状况，改变林木生长小环境，促进林木光合作用，进而加快林木胸径、树高、单株材积的生长，本研究表明，目标树经营显著促进了华北落叶松目标树平均胸径、平均树高、单株材积生长，其定期生长量也大于对照，树高定期生长量、单株材积定期生长量均达到了显著水平，可能是因为间伐后林木之间的竞争减小，改善了目标树的生长空间和营养空间，林木迅速生长。有研究表明，华北落叶松幼林密度大的林分，林分平均胸径越小，对营养空间的竞争越激烈，抑制了林木胸径生长，而密度较大的林分，给林木个体较大营养空间，促进林木胸径生长[19]。王科[20]等研究表明近自然经营间伐不能有效促进树高生长，而本研究得出平均树高、树高定期生长量均大于对照，可能是因为华北落叶松处于速生期，且间伐后给林内充足的光照，改善了林地立地条件，促进目标树树高快速生长。林木胸径生长受生长空间的影响导致林分胸径分布改变[21]，本研究伐去干扰木后，受到间伐作用的影响，林分径阶结构发生了变化，目标树经营林分中间径阶株数量百分比大，小径阶株数量百分比占小部分，而对照林分中小径阶株数量百分比大，经营6 a，目标树经营林分较大径阶林木株数量百分比增加较快，出现了对照林分中没有的22～24 cm径阶，说明间伐后调整了林木在各个径阶的分布，促进了生长能力强的林木的增加[10]。

林木间伐可以为林下植物提供更多生态位，促进林下灌草的生长，使得灌木、草本种类及盖度增加[11]，本研究中，间伐后林内裸露空间增大，增加环境异质性，林内光照强度和生长空间足够，物种组成发生了变化，作为优势种的蚊子草、毛榛，又是喜光植物和对环境适应能力强的植物，在样地中的重要值随着经营时间的增加而升高，占据主要空间，利用资源能力更强，而对照林分无人为干扰，林冠生长茂密，林内郁闭度增大，阳性植物华北忍冬、刺五加重要值减小，喜光植物蚊子草在经营4 a消失，阴性植物重要值增大，且有一些耐阴、喜阴植物的出现，与吕倩[14]等的研究结果相似。吕倩[12]等认为影响林下草本植物多样性的因素主要有冠层结构和光照条件的异质性、树种丰富度和森林的连续性，龚固堂[7]等研究发现间伐后林分中灌木和草本物种盖度增加，提高灌木和草本生物多样性指数，有效改善林下生长空间，而冯琦雅[11]等研究发现目标树经营灌木层无干扰模式物种多样性指数大于目标树经营，草本层与之相反，本研究结果表明，间伐后增加了林内光照、提高灌草的营养面积和生长空间，经营2 a，目标树经营灌草物种多样性指数大于对照，但无显著性差异；经营6 a，目标树经营林下灌草物种多样性指数均与对照产生显著性差异，说明目标树经营促进了灌木和草本的生长发育，灌草在优势度和丰富度上有明显提高。与张慧[22]等对天然灌丛目标树抚育的研究结果一致。

综上所述，目标树经营显著促进目标树胸径、树高、单株材积生长，促进了目标树胸径定期生长量、树高定期生长量、单株材积定期生长量的提高；目标树经营林分胸径分布相对于对照向右偏移，促进了林木向中大径阶生长；目标树经营促进了物种多样性的提高，Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数和Pielou均匀度指数均大于对照，经营6 a，目标树经营多样性指数与对照存在显著性差异。本研究仅分析了目标树经营对华北落叶松目标树生长、林下物种多样性的影响，而目标树经营可能也会对空间结构、土壤理化性质、枯落物等产生影响，通过分析目标树经营对多个因素的影响，可全面评价目标树经营效果，因此研究目标树经营对华北落叶松空间结构、枯落物和土壤的影响将是今后研究的重点。