辽东山区蒙古栎近熟林林分结构特征及优化调控

董莉莉，汪成成，赵济川，刘红民，王建军，刘怡菲，高英旭*

（1.辽宁省林业科学研究院，辽宁 沈阳 110032；2.辽宁白石砬子森林生态系统国家定位观测研究站，辽宁 丹东 118201）

林分结构是森林经营和分析中的一个重要因子，是对林分发展过程，如更新方式、竞争、自然稀疏和经历的干扰活动的综合反映[1-2]。林分结构的好坏直接影响着森林的稳定性和生态服务功能的发挥[3-5]。如何科学合理地调控林分结构至最优状态，一直是森林经营研究的热点问题。早期林分结构优化主要从树种组成[6-7]、直径结构[8-9]、林分密度[10-12]、树高结构[13-14]等方面进行调控，于政中等[15]首次提出针阔混交林的最优针阔混交比为7∶3，de Liocour研究认为，理想的异龄林株数按径级依常量q值递减，q值一般在1.2～1.5，可通过计算相邻径阶q值对林分的直径结构进行调控。然而，传统的林分结构调控策略均未涉及到林分的空间结构信息，优化目标较为单一，缺乏全面性。基于相邻木关系林分空间结构参数的提出，量化描述了林分的空间结构特征[16]，使林分结构与生态功能相结合成为可能[4]。此后，许多学者将林分的空间结构参数纳入到林分结构优化调控的范畴内，汤孟平等[17]将基于林分混交度、竞争指数和聚集指数的空间结构作为优化目标函数，建立了林分择伐空间结构优化模型。曹小玉等[18]采用乘除法对5个空间结构参数进行多目标规划，构建间伐空间结构优化模型。魏红洋等[19]选用林分空间参数和非空间结构参数，并结合熵值-AHP赋权法，构建了单木综合抚育采伐指数（T），量化了林木被作为采伐木的概率。然而，这些林分结构优化措施多以建立复杂的数学模型为基础，不利于在生产实践中应用。

蒙古栎Quercus mongolica林是东北地区常见的典型森林类型之一，在保持水土、涵养水源等方面具有重要作用。由于长期粗放经营，多数蒙古栎林存在林分结构不稳定，生产力和生态功能低，林分质量不高等问题。因此，本研究以辽东山区蒙古栎近熟林为对象，在量化分析林分结构的基础上，利用结构化经营理论，对具体实例提出林分结构优化调控技术，以期为蒙古栎林可持续经营提供参考。

1 研究区概况

研究区位于抚顺市新宾县猴石国家森林公园，地理位置124°27.15′E，41°40.33′N，海拔520 m，属温带大陆性湿润季风气候，年均气温7.5℃，年均降水量750～850 mm，多集中在7-8月，≥10℃的年有效积温2 750℃。该区为长白山系龙岗余脉的延伸部分，自然植被属长白植物区系，兼有华北和蒙古两种植物区系特征，属温带针阔混交林区，土壤以棕壤和暗棕壤为主。该研究区主要林分类型为蒙古栎天然次生林、落叶阔叶混交林以及针阔混交林，人工林主要包括红松Pinus koraiensis人工林和落叶松Larix gmelinii人工林。乔木建群种主要有核桃楸Juglans mandshurica、蒙古栎、花曲柳Fraxinus rhynchophylla、落叶松、红松等。

2 研究方法

2.1 样地设置

2021年6 -9月，在研究区内选择有代表性的蒙古栎近熟林，设置5块50 m×50 m的矩形标准地，对标准地内所有胸径≥5 cm的林木进行每木检尺，记录树种名称、位置、胸径、树高、冠幅及健康情况。利用手持GPS记录标准地的地理位置、海拔、坡位、坡向等参数，标准地基本情况见表1。

表1 标准地基本情况

2.2林分结构指数

本研究采用空间结构和非空间结构相结合的方式来描述林分的结构特征。非空间结构主要包括树种组成、蓄积结构比；空间结构指数主要包括混交度、角尺度、大小比数、竞争指数、密集度和开敞度等。为消除边缘效应对林分空间结构的影响，将标准地内距各边界3 m之内的范围确定为缓冲区。

（1）混交度（Mi）主要反映林分中树种空间隔离程度[20]，计算公式为：

式中：vij是一个离散型变量，当参照树i与第j株相邻木非同一树种时，vij=1，反之，vij=0。n为最近邻木株数（下同）。

混交度越大代表林分的树种隔离程度越大。

（2）角尺度（Wi）是描述林分中林木个体空间分布格局的参数[21]，计算公式为：

式中：zij是一个离散性变量，当第j个αj角小于标准角α0（72°）时，zij=1；反之，zij=0。角尺度取值为0、0.25、0.5、0.75、1，分别代表林木个体空间分布格局为绝对均匀、均匀、随机、不均匀、聚集分布。

（3）大小比数（Ui）是反映林木大小差异程度的指数[22]，本研究采用胸径大小比数，计算公式为：

式中：当第j株相邻木的胸径比参照树i大时，kij=1，反之，kij=0。大小比数取值为0、0.25、0.5、0.75、1，分别代表林木大小分化程度为优势、亚优势、中庸、劣势和极端劣势地位。

（4）竞争指数（CIi）主要反映参照树i来自相邻木的竞争压力。本研究采用Hegyi简单竞争指数[23]，计算公式为：

式中：Lij为参照树到竞争木j之间的距离；di为参照树i的胸径；dj为竞争木j的胸径。

竞争指数越大代表来自周围相邻木的竞争压力越大。

（5）密集度（Ci）用来反映林木的疏密程度[24]，计算公式为：

式中：当参照树i与相邻木j的树冠投影相重叠时，yij=1，反之，yij=0。密集度的取值为0、0.25、0.5、0.75、1，分别代表很稀疏、稀疏、中等密集、比较密集和很密集。

（6）开敞度（K）i为参照树i与其周围邻近木的水平间距，与邻近木树高比值的均值[25]，计算公式为：

式中：Dij为参照树i与其第j株邻近木的水平间距；Hij为邻近木j的树高。开敞度取值为（0，0.2]、（0.2，0.3]、（0.3，0.4]、（0.4，0.5]和（0.5，+∞）5个区间，分别代表乔木生长空间状态严重不足、不足、基本充足、充足和很充足5个状态。

3 结果与分析

3.1 蒙古栎近熟林树种组成

由表2可知，蒙古栎近熟林共有乔木树种11种，林分密度为678株·hm-2，林分树种组成为7蒙古栎1花曲柳1紫椴Tilia amurensis+其它。蒙古栎重要值最大，在林分内占绝对优势，为该群落的优势种，也是建群种；其次为主要伴生树种紫椴、花曲柳和色木槭Acer mono。综合林分特征来看，该群落物种组成较丰富，蒙古栎种群在该群落中占据绝对优势。

表2 蒙古栎近熟林树种组成特征

续表2蒙古栎近熟林树种组成特征

3.2 蓄积结构

由表3可知，蒙古栎近熟林蓄积量为174.33～251.92 m3·hm-2，平均蓄积量为220.29 m3·hm-2，其中小径木蓄积最少，仅占林分总蓄积量的1%～4%，大径木蓄积量最大（样地2除外），占林分总蓄积量的48%～64%，小、中、大径木蓄积比为0.2∶2.3∶5，与理想林分的蓄积结构比（小、中、大径木蓄积比为2∶3∶5或2∶4∶4）相差较大。总体来说，蒙古栎近熟林蓄积结构表现为小径木蓄积量严重不足，大径木和特大径木蓄积量过大。

表3 蒙古栎近熟林不同径级蓄积之比

3.3 空间结构特征

由表4可见，5块样地的角尺度范围为0.486～0.547，仅样地2的角尺度落在随机分布置信区间[0.475，0.517]，属于随机分布，其余4块样地的角尺度均大于0.517，属于聚集分布。全林分的平均混交度为0.547，除样地2混交度较低，属于弱度混交外，其它样地均属于中度混交。各样地大小比数为0.460～0.517，林木整体生长优势程度处于中庸状态。林分平均密集度、开敞度和竞争指数分别为0.528、0.240和2.820，表明林分透光条件较差，生长空间不足，林木间竞争激烈，林分整体处于中等密集状态。

表4 蒙古栎近熟林空间结构特征

3.4 林分结构调控

林分结构调控原则：在保持林分树种数目不减少的前提下，优先调整林分水平分布格局向随机方向发展，提高林分混交度，降低林木间竞争压力，为保留木创造更多的营养和生长空间，同时兼顾对林分树种组成、直径结构和蓄积量结构比调节。以样地5为例进行分析。

样地5林分郁闭度0.8，密度552株·hm-2，小、中、大、特大径木蓄积结构比为0.2∶0.7∶5∶2，平均混交度为0.671，平均角尺度为0.547，密集度为0.519，开敞度为0.259，表现为中、小径木蓄积量严重不足，大径木和特大径木蓄积量较高，林分处于强度混交状态，林木水平空间分布呈聚集分布，林木生长空间不足。通过分析可知，样地5的林分结构与理想林分存在一定差距，需要对其进行优化调控，采用单木择伐的方式进行调控，为减少对森林的干扰，采伐强度不超过总蓄积量的15%。采伐木选择方法：

（1）确定调整参照树结构单元。优先调整林分的水平分布格局，使其向随机方向发展，结合林分平均角尺度，将角尺度为0.75和1的结构单元作为调整对象，参照树号分别为2、3、9、21、27、41、46、50、55、70、80、86、93、99、100、104、108、113、124、129、131、132、133和135。

（2）确定采伐木。在调整林分空间分布格局的基础上，提高林分的混交度，减少建群树种的竞争压力，同时兼顾林分蓄积结构的调节，把混交度小、大小比数较大、胸径较大的非目的树种作为采伐木。采伐树号及采伐原因见表5。

表5 采伐木信息及采伐原因

根据以上原则，共确定采伐木19株，蓄积量为26.95 m3·hm-2，占林分总蓄积量的12%，符合采伐控制量。

3.5 调控效果

由表6可知，采伐前后林分径阶数和树种数保持不变，平均角尺度由0.547降到0.495，林分水平分布格局由聚集分布变为随机分布，平均混交度由0.671提高到0.735，种间隔离程度提高9.54%，竞争指数由2.855降到2.510，降幅为12.08%，开敞度提高12.74%。由此可知，调控措施在保持林分径阶多样性和树种多样性的同时，有效释放了林木之间的竞争压力，为保留木创造更多的生长空间，提高了林分的混交度，使林分整体向随机分布发展，林分结构得到明显改善。

表6 采伐前后林分结构参数变化

4 结论与讨论

4.1 本研究结果表明，蒙古栎近熟林有11种树种，蒙古栎种群占绝对优势，为该群落的优势种，花曲柳、紫椴和色木槭为伴生种，该群落小、中、大径阶蓄积比为0.2∶2.3∶5，与理想林分的蓄积结构比相差较大，表现为小径木蓄积量严重不足，大径木和特大径木蓄积量过大。在林分空间结构方面表现为林分整体处于中度混交状态，林木生长空间不足，竞争激烈，林分水平分布格局呈聚集分布，与理想林分存在一定差距，需对其林分结构进行调控。

4.2 以样地5为例，介绍林分结构调控的具体措施。在充分分析样地5林分结构的基础上，调整林分的水平分布格局，伐除林分中角尺度较大、混交度小、生长衰弱的林木，同时采伐利用部分达到目标径阶的林木。经调控后，林分种间隔离程度明显提高，生长空间得到有效释放，竞争压力减小，林分整体趋于随机分布。

4.3 林分结构越合理，林分越稳定，生态功能发挥越多，理想的林分结构为复层异龄混交林，本研究仅对林分的水平空间结构进行调整，林分还存在更新能力差、小径级林木蓄积量少等问题，因此，应通过补植乡土树种和针叶树种等方式逐渐提高小径级林木的蓄积量。