目标树抚育间伐对老山林场天然次生林直径分布的影响

熊子月，周春国

（南京林业大学林学院，江苏 南京 210037）

0 引言

天然林在净化空气、调节气候、涵养水源、维持生物多样性、保持生态系统稳定等多方面发挥着重要作用[1]。但是随着长期的人为和自然因素的干扰，结构合理、功能完整的原始顶级群落逐渐向以天然次生林为主的次生群落退化[2]。该次生群落由于大量至关重要的建群树种和珍贵树种的缺失，与原始森林相比，其在林地生产力、林分结构组成、林分质量、天然更新和生态功能等方面存在着明显的差异，多表现为生物多样性降低，稳定性和抗逆性等生态功能退化[3]。天然次生林作为我国森林资源的重要组成部分，其恢复和经营对森林资源的开发利用及可持续经营规划发挥重要作用[4]，因此如何基于次生林当前内部结构特征开展有目的性的森林经营，是当前亟需解决的问题。

林分结构是指林分的树种组成、年龄结构、直径分布、树高分布和空间分布，研究林分结构可以为林木生长发育、林分演替规律提供帮助[5]。林分结构分为林分空间结构和林分非空间结构，在林分非空间结构中，林分直径结构是能直接有效反映林分结构特征的重要因子，同时其便于测定、测值准确可靠[6]。林分直径结构是指林分内各种不同林木直径大小按径阶大小的分布状态[7]。理论上，林分直径结构不仅对林分生长、林分竞争、生物量等具有重要意义[8]，还可用于检查营林技术措施效果并为测树制表提供坚实的数据支撑。对于林分直径结构的研究，早期主要从生物学角度对林分直径分布规律进行探讨，后来随着数学表达式被大量运用于林分直径结构的拟合，分布函数成为国内外研究林分直径结构的重点。目前概率密度法和理论生长方程被广泛应用于林分直径结构的拟合，主要包括Gamma分布[9]、Weibull 分布[10-11]、负指数分布[12]、β 分布[13]、正态分布[14]以及Logistic 方程和Richards 方程[15]等。

森林抚育是培育森林的重要措施之一，科学合理的抚育措施能够有效加速林木生长、提高林分质量和林地生产力、改善目的树种营养空间和增强抵抗自然灾害能力。森林资源经营管理的理论经过了法正林、恒续林理论的发展，形成了当前的近自然经营理论[16]。目标树经营作为近自然经营的方法之一，其核心是保留并培育高质量的目标树，伐除与目标树有竞争关系的干扰树，不断优化森林的结构和功能，促进目标树的生长，提高林木的质量和林分蓄积以实现林地的综合效益[17]。

基于以上因素，本研究以老山林场5 种主要林分类型为研究对象，采用近自然经营中的目标树经营的方法，通过运用Weibull、Cauchy 和Logistic 分布概率密度函数对老山林场天然次生林抚育前后的林分结构状态进行分析和评价，以期为该地区天然次生林的科学经营、抚育和空间结构优化提供理论基础。

1 研究区概况及数据收集

1.1 研究区概况

研究区位于江苏省南京市浦口区老山林场，平均海拔在200～400 m 之间，年平均气温15.3℃。在中国植被区划中，老山林场地处北亚热带落叶常绿阔叶混交林地带内的宁镇扬茅山丘陵山地、平原落叶常绿阔叶混交林区，该林区主要以江淮丘陵落叶栎林、马尾松林区为主。老山林场的地带性森林为落叶常绿阔叶混交林，其中乔木层主要是落叶栎树，包括麻栎（Quercus acutissima）、白栎（Quercus fabri）等，其他成分有刺槐（Robinia pseudoacacia）、杜仲（Eucommia ulmoides）等，而该区地带性森林被破坏之后自然恢复演替所产生的次生林由许多常见树种如黄连木（Pistacia chinensis）、黄檀（Dalbergia hupeana）、化香（Platycarya strobilacea）、枫香（Liquidambar formosana）、朴树（Celtis sinensis）等杂阔树种组成；另外其地带性针叶林以马尾松（Pinus massoniana）林为主，局部地区有成片栽培的杉木（Cunninghamia lanceolata）林、水杉（Metasequoia glyptostroboides）林，间或有侧柏（Platycladus orientalis）林以及国外引种的湿地松（pinus elliottii）、火炬松（Pinus taeda）等国外松林。

1.2 数据收集

本文研究数据来源于2019 年7 月～8 月进行实地调查获取的江苏省老山林场森林抚育小班标准地调查资料，从中选取共计31 块标准地、2 207 株树，标准地面积均为0.066 7 hm2。标准地主要调查因子包括环境因子（地形地势、立地条件、土壤条件、植被情况等），林分因子（权属、林种、起源、树种组成、郁闭度、平均年龄、平均胸径、平均树高、株数、蓄积量、幼苗幼树、灾害情况等）。根据GB/T15781-2015《森林抚育规程》，采取目标树经营作业体系的作业设计，对林分内树木进行树种和林木分类，明确标准地的目的树种、辅助树种、其它树种和目标树、辅助树、干扰树，并对其进行相应的标记。对标准地林木进行每木检尺，记录标准地内直径在5 cm 以上的所有乔木的树种、树高、胸径等因子。以2 cm 为单位划分径阶，采用上限排外法分别统计各个径阶林木株数。标准地的基本信息见表1。

表1 标准地概况

1.3 数据处理

1.3.1 林分因子的计算

用Excel 软件对外业调查数据进行相关统计、整理及作图，林分类型基本特征见表2。

表2 抚育前不同林分类型标准地基本调查因子

1.3.2 重要值的计算

重要值的计算参照张金屯等[18]的方法：

2 研究方法

本研究应用Delphi 7 软件对基于Weibull 分布、Cauchy 分布、Logistic 分布3 种概率密度函数的林木直径分布进行拟合，根据判定系数R2的结果判定各函数拟合效果，选出抚育间伐前后林分直径结构拟合效果最好的概率密度函数模型。

威布尔（Weibull）分布概率密度函数：

式中，δ 位置参数；α 形状参数；β 尺度参数，δ≥0，α＞0，β＞0。

逻辑斯蒂（Logistic）分布概率密度函数：

式中，α 位置参数；β 尺度参数，β＞0。

柯西（Cauchy）分布概率密度函数：

式中，θ 位置参数；λ 尺度参数。

3 结果与分析

3.1 天然次生林的测树因子

根据各树种蓄积量占总蓄积量的比例计算出各标准地的树种组成并选出其优势树种，然后根据树种组成划分出各标准地林分类型，得出研究区内林分类型分别为杉木纯林、针叶混交林、针阔混交林、硬阔叶混交林、阔叶混交林5 种类型（表3）。由表3 可知，抚育前研究区以阔叶混交林为主体，其数量最多为23 块，但阔叶混交林的林分平均胸径和林分平均树高均较低，分别为13.4 cm 和10.8 m，杉木纯林的平均胸径和平均树高最高，分别为18.2 cm 和14.8 m。经过目标树抚育间伐后，阔叶混交林的林分数量仍保持最多，但减少到21 块，减少的两块标准地的林分类型被调整为硬阔叶混交林和针阔混交林。经抚育后的阔叶混交林平均胸径和平均树高提高为14.2 cm 和11.5 m，另外针叶混交林和硬阔叶混交林的平均胸径和平均树高增幅较大。

表3 抚育前后林分类型对比

3.2 天然次生林的树种特征值

由表4 可知，抚育前老山林场天然次生林内主要树种有9 类，总计2 207 株，按重要值从大到小排序分别是杂阔（80.47%）、麻栎（30.00%）、马尾松（9.42%）、杉木（7.71%）、刺槐（5.90%）、侧柏（3.93%）、国外松（3.03%）、水杉（2.74%）、杜仲（2.53%），表明该研究区是以各种杂阔组成的天然次生林为主体，其次是地带性树种麻栎和马尾松构成的林分；抚育后，研究区内树种组成及重要值排序均未改变，但是林分内杂阔（78.80%）、马尾松（8.63%）的重要值有所降低，麻栎（30.78%）、杉木（6.55%）、刺槐（6.14%）、侧柏（4.09%）、国外松（3.14%）、水杉（2.83%）、杜仲（2.59%）都得到提高（表5），表明研究区地带性树种麻栎优势度增大，先锋树种马尾松优势度降低，符合目标树经营法的经营目标。

表4 抚育前天然次生林树种特征值

表5 抚育后天然次生林树种特征值

3.3 天然次生林的径阶结构

老山林场全林分径级结构在抚育前表现出反“J”型曲线的趋势（图1），与异龄林的径级结构特征相符合。林分内6 cm 小径阶林木数量最多，而随着林木直径的不断增大，林木个体数呈急速减小趋势，且径阶在28 cm 以上的大径木数量较少。抚育后的林分直径分布为单峰左偏山状分布，8 cm 径阶的林木数量占比最多（图2）。

图1 抚育前全林分直径分布

图2 抚育后全林分直径分布

3.4 老天然次生林的直径分布拟合

利用3 种分布概率密度函数拟合不同林分类型各标准地的直径分布，根据判定系数R2值大小评价分布函数拟合效果，R2值越接近于1，其拟合效果越好。从表6 中可以看出，抚育前Weibull 分布概率密度函数拟合杉木纯林的R2值最大（0.85）；Cauchy 分布概率密度函数拟合阔叶混交林（R2最大为0.96）时拟合效果较好。对林分进行目标树经营的抚育措施后，Weibull 分布概率密度函数在杉木纯林的拟合表现最好，但对比抚育前R2值有所减小（R2=0.79）；Cauchy 分布概率密度函数在阔叶混交林拟合效果较好，R2最大为1.00（表7）。

表6 抚育前林分直径分布函数参数估计值

表7 抚育后林分直径分布函数参数估计值

4 结论与讨论

本文研究了目标树抚育间伐对老山林场天然次生林的树种组成、直径分布和Weibull、Logistic、Cauchy分布概率密度函数的影响规律。

近自然经营目标主要是对乔木层的目标树和干扰树进行合理的抚育措施。森林的乔木主林层是林分内林木个体生长发育的主体，其个体的数量、质量和空间分布影响着林木间的竞争强度、林下植物的生长和更新、森林的生产量[19]。老山林场天然次生林乔木层树种主要以被破坏后自然恢复演替所产生的各种阔叶树种为主，作为地带性乔木层树种的麻栎和马尾松重要值不够高（抚育前分别为30.00%、9.42%）。地带性树种在适应性、生态价值、景观价值等方面具有独特作用，应加强地带性树种麻栎等的培育，可采取林冠下更新麻栎提升其竞争性。

老山林场天然次生林按照林分树种组成进行林分类型分类后，整体来说，Weibull 分布概率密度函数在抚育前后的杉木纯林拟合效果较好，Cauchy 分布概率密度函数则在抚育前后的阔叶混交林拟合表现较好。存在个别标准地在抚育后拟合效果变差的情况，主要原因是经抚育间伐后林分内林木株数减少。

林分直径分布的变化主要是树种、立地条件及经营措施等因子长期相互作用的结果。从不同林分类型抚育前后的树种组成、树种特征值、测树因子的变化可以看出，部分标准地的树种组成、直径分布状态不够合理。整体对比发现，阔叶混交林的林分结构状态较差，应根据林分径阶分布和规律开展相应的经营措施，如林窗更新、林冠下更新等，调整林分直径分布、促进优势种和关键种的恢复和更新，加速林分向顶级植物群落恢复和发展进程。另外，林分结构状态随着林木的生长发育、环境变化及经营措施的变化会进行相应的动态调整，因此，长期连续监测林分结构的动态变化规律对近自然经营的林分至关重要。