Naturalness evaluation of secondary forest based on the mixed management techniques of naturalization and homogenization of pioneer tree species

CHANG Huijuan; FU Lihua; CHENG Shun; ZHANG Fei; ZHANG Yan

doi:10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.24.011

2024 , Vol. 30 >Issue 24: 45 - 49

DOI: https://doi.org/10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.24.011

Naturalness evaluation of secondary forest based on the mixed management techniques of naturalization and homogenization of pioneer tree species

CHANG Huijuan ,
FU Lihua ,
CHENG Shun ,
ZHANG Fei ,
ZHANG Yan

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Saihanba Mechanical Forest Farm of Hebei, Weichang 068466, China

Received date: 2024-10-04

Online published: 2024-12-31

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Abstract

To explore the influence of management technology on succession trend of secondary forest, the natural mixing technology of pioneer tree species and the homogeneous mixing technology of pioneer tree species were implemented in natural secondary forest, including cutting down the pioneer tree species with poor quality, adjusting the tree structure, increasing the understory regeneration, and evaluating the naturalness of secondary forest. The naturalness evaluation system was established using 11 indexes including natural composition coefficient, diameter structure, and shrub cover from 4 aspects: succession trend, structure and pattern, species diversity, and disturbance degree. The AHP method was used to calculate the comprehensive scores of plots before and after management. The results showed that the relative significance and relative abundance of the top tree species in the plots were improved after the management technique was applied, the understory regeneration was good, the vertical structure was better than before the management, the shrub cover increased, the destructive disturbance was reduced, and the gain disturbance was increased. The naturalness score had been greatly improved compared with that before management, and the naturalness level had been increased by 2-3 levels. The results showed that the hybridization technique of naturalization and homogenization of pioneer tree species promoted the positive succession of secondary forest.

Key words： natural secondary forest; management techniques; top tree species; pioneer tree species; naturalness evaluation

Cite this article

CHANG Huijuan , FU Lihua , CHENG Shun , ZHANG Fei , ZHANG Yan . Naturalness evaluation of secondary forest based on the mixed management techniques of naturalization and homogenization of pioneer tree species[J]. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2024 , 30(24) : 45 -49 . DOI: 10.16377/j.cnki.issn1007-7731.2024.24.011

次生林是原始林经过采伐、开垦和火灾及其他自然灾害破坏后，经过天然更新、自然恢复形成的次生群落，是天然林的重要组成部分之一^[1-2]，具有保水固土、固碳释氧和水源涵养等功能^[3-5]。因此，关于正确引导次生林正向演替，促进其生态系统更加健康稳定的研究，引起了越来越多的林业工作者的重视。为更加科学地探究可持续的森林经营措施，相关研究人员提出了森林自然度评价体系。如张洪森等^[6]对黑龙江中部不同阔叶树种的混交林从5个方面14个指标进行了自然度评价，得出了不同林分的生长状态。王鹏等^[7]在研究冀北山区次生杨桦林近自然度和优势度时，发现天然次生混交群落的自然度和优势度优于天然次生纯林。武文佳^[8]对武汉地区主要城市的森林群落进行了自然度评价，并根据其划分的5个等级提出相应的管理措施。

塞罕坝区域的天然次生林木起源复杂，多为多代萌生，其林木质量和林分生产力有待进一步提高，林分蓄积总量和林地生态效能有待进一步提升^[9]。同时，基于进展演替理论和近自然经营理论的天然次生林经营技术研究有待进一步补充。因此本研究对已经形成的先锋树种、顶极树种混交林实施抚育间伐、林下更新造林等措施，调整林分结构，控制先锋树种发展，促进顶级树种发育，推进正向演替进展的先锋树种自然化混交经营技术和先锋树种均质化混交林经营技术。对使用这2种经营技术前后的林分自然度进行评价，为该区域天然次生林的经营提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

塞罕坝机械林场是寒温性大陆季风气候，该区域年均气温-1.3 ℃，无霜期64 d，风大且持续时间长（年均大风日数53 d，最多年份达114 d）。该区域年均降水量460 mm，年平均蒸发量1 339.2 mm。

1.2 试验设计

2021年9—10月，根据千层板分场和北曼甸分场天然次生林分布以及试验要求，选取了2块试验地，随机设置3个样地（3次重复），共计6块30 m×30 m样地，样地基本情况详见表1。其中A₁～A₃实施先锋树种自然化混交经营技术，A₄～A₆实施先锋树种均质化混交林经营技术。

表1 试验样地基本情况

样地编号	林班/小班	林龄/年	树种组成	密度/（株/hm²）	胸径/cm	树高/m
A₁	1 410/7.8	48	6桦4落	455	22.98	16.9
A₂	1 410/7.8	48	6桦4落	333	21.97	16.4
A₃	1 410/7.8	48	6桦3落1杨	378	18.95	15.3
A₄	3 308/60	35	10桦1落	448	21.93	13.9
A₅	3 308/60	35	10桦1落	578	19.75	13.1
A₆	3 308/60	35	10桦1落	733	16.97	13.7

1.3 试验经营技术

1.3.1 先锋树种自然化混交经营技术

（1）空间调整。根据森林演替需求，为新增顶极树种创建合理的人工更新空间。按照伐密留稀、伐弱留壮和伐劣留优的原则，优先伐除质量较差的白桦、山杨等阔叶树种。空间调整后杨桦木保留密度375株/hm²。（2）顶极树种引入。依据该区域天然次生林演替规律^[10]，华北落叶松、云杉为顶极群落树种，优先选择华北落叶松树种为林下更新树种。在空间调整后的天然次生林，选择宜更新、光照较充足、有培育潜力的林下空间，随机栽植华北落叶松优质壮苗。

1.3.2 先锋树种均质化混交林经营技术

（1）空间调整。根据森林演替需求，为新增顶极树种创建合理的人工更新空间。优先伐除质量较差的白桦、山杨等阔叶树种。空间调整后杨桦木保留密度150株/hm²。（2）顶极树种引入。依据该区域演替规律，华北落叶松、云杉为顶极群落树种，选择华北落叶松和云杉树种为林下更新树种。在空间调整后的林分按照株行距3 m×2 m，均质化栽植华北落叶松和云杉。

1.4 测定指标和方法

2021年9—10月调查6个样地的树种、胸径、树高、冠幅、密度、相对位置、林下更新情况、生物多样性和干扰情况等指标。2021年11月按照经营技术对这2个分场的试验地进行经营，于2024年6月再次调查这6个样地内林木的树种、胸径、树高、冠幅、密度、相对位置、林下更新情况、生物多样性和干扰情况等指标，经营后的样地对应记作B₁、B₂、B₃、B₄、B₅和B₆。

参考冯楷斌^[11]研究方法，选取演替趋势（自然构成系数、林下更新情况）、结构与格局（直径结构、林分分布格局和垂直结构）、物种多样性（乔木Simpion指数、草本Simpion指数、灌木Pielon指数和灌木盖度）和干扰程度（破坏性干扰、增益性干扰）4个方面的11个指标建立评价体系，通过层次分析法（Analytical hierarchy process，AHP）计算综合评分。

2 结果与分析

2.1 演替趋势

2.1.1 自然构成系数

森林演替的过程中，树种组成初期以杨树、桦树等先锋树种为优势树种，然后由过渡树种占据优势地位，最后由顶级树种占据优势地位。由图1～2可知，A₁、A₂和A₃样地在未使用经营措施前顶级树种的相对显著度约40%，相对多度在15%～40%，采取了先锋树种自然化混交经营技术后，B₁、B₂和B₃相对显著度和相对多度均提高了10%左右。采取了先锋树种均质化混交林经营技术后的B₄、B₅和B₆规律与此一致。这说明采取的经营措施提高了样地的顶级树种相对显著度和相对多度。

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图1 不同样地相对显著度情况

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图2 不同样地相对多度情况

2.1.2 林下更新情况

林下更新情况参考LY/T 1646—2005《森林采伐作业规程》标准进行评价。由表2可知，未实施经营技术前，林下无更新情况，实施经营技术后样地B₁、B₂、B₃、B₄、B₅和B₆林下更新幼苗总数均在1 000株/hm²以上。说明经营技术有利于林下更新。

表2 样地林下更新情况（幼苗总数） (株/hm²)

样地编号	幼苗高度/cm				更新情况
样地编号	（0，30]	（30，50）	[50，∞）	总计	更新情况
A₁	0	0	0	0	不良
A₂	0	0	0	0	不良
A₃	0	0	0	0	不良
A₄	0	0	0	0	不良
A₅	0	0	0	0	不良
A₆	0	0	0	0	不良
B₁	67	611	644	1 322	良好
B₂	44	1 011	256	1 311	良好
B₃	122	444	589	1 155	良好
B₄	0	44	1 289	1 333	良好
B₅	0	144	1 500	1 644	良好
B₆	0	78	1 178	1 256	良好

2.2 结构与格局特征

由表3可知，经营前后直径分布有3种，分别是正态分布（1分），频率分布径阶数量较少的非正态分布（2分）和频率分布径阶数量较多的非正态分布（3分）。林木分布格局用角尺度作为评价标准，经营后的样地（B₁～B₆）角尺度得分高于经营前的样地（A₁～A₆）。垂直结构一定程度上反映了森林群落的完整性，完整的森林群落一般包含乔木层、灌木层（盖度>50%）、草本层（盖度>50%）和地被层4个植被层。样地经营后，林分密度降低，林下灌木层得到释放，盖度提高，因此部分经营后的样地较经营前增加了1个植被层。综上表明，经营技术对天然林的结构与格局有一定影响。

表3 结构与格局指标得分 (分)

样地编号	直径分布	林木分布格局	垂直结构
A₁	1	0.35	2
A₂	2	0.36	3
A₃	3	0.42	2
A₄	3	0.47	2
A₅	1	0.43	2
A₆	3	0.44	2
B₁	1	0.44	3
B₂	2	0.44	3
B₃	2	0.59	2
B₄	2	0.49	3
B₅	2	0.56	2
B₆	2	0.62	3

2.3 物种多样性

森林群落的结构越复杂，物种多样性的指数就越高，Simpson指数和Pielou指数是在植物学上应用较普遍的生物多样性指标。由表4可知，经营前后样地的乔木和草本Simpson指数变化不大，但经营后灌木Pielou指数和盖度均有所提升。这说明这两项经营措施对林地的灌木层影响较大。

表4 不同样地物种多样性

样地编号	乔木Simpson指数	草本Simpson指数	灌木Pielou 指数	灌木盖度/%
A₁	0.476	0.801	34.9	0.35
A₂	0.444	0.788	59.8	0.36
A₃	0.285	0.797	35.4	0.42
A₄	0.149	0.804	36.4	0.47
A₅	0.174	0.798	30.5	0.43
A₆	0.087	0.827	36.0	0.44
B₁	0.499	0.796	54.9	0.44
B₂	0.499	0.768	74.5	0.44
B₃	0.401	0.817	46.6	0.59
B₄	0.245	0.809	146.7	0.49
B₅	0.271	0.806	39.7	0.56
B₆	0.157	0.845	59.1	0.62

2.4 干扰程度

6个样地距离居民区较远，但偶尔有附近的居民进入林地采集林产品，进行收集枯枝等轻度破坏性干扰行为。实施经营技术后的样地林下种植幼树，为保护幼苗架上了围栏，阻隔了不必要人员的进入，因此经营后的样地破坏性干扰行为有所减少。同时由于样地实施经营措施调整了林分结构，促进了林下更新，样地存在增益性干扰。

2.5 自然度评价

根据冯楷斌^[11]的研究方法，将这11个指标得分进行标准化处理，处理后加权得分及等级见表5。A₁～A₃样地自然度等级为3～4级，该地块实施经营技术后样地B₁～B₃自然度等级为5～6级。这说明实施先锋树种自然化混交经营技术后，林地的自然度提高了2～3个等级。A₄～A₆样地，未经营前自然度等级为1～2级。该林地实施先锋树种均质化经营技术后林分自然度等级为4～5级，使用先锋树种均质化混交林经营技术后使得林地自然度提高了3个等级。综上表明，实施先锋树种自然化混交经营技术和先锋树种均质化混交林经营技术可明显提高天然林的自然度得分，有利于次生林的正向演替。

表5 不同样地自然度得分和等级

样地编号	森林演替		结构与格局			物种多样性				干扰程度		自然度得分	等级
样地编号	自然系数构成	林下更新情况	直径分布	林木分布格局	林分垂直结构	乔木Simpson指数	草本Simpson指数	灌木Pielou指数	灌木盖度	破坏性干扰	增益性干扰	自然度得分	等级
A₁	0.203	0	0	0	0	0.077	0.006	0.017	0.001	0	0	0.304	3
A₂	0.207	0	0.022	0.003	0.142	0.071	0.003	0.011	0.006	0	0	0.465	4
A₃	0.155	0	0.043	0.019	0	0.039	0.005	0.020	0.001	0	0	0.281	3
A₄	0.003	0	0.043	0.036	0	0.012	0.006	0.009	0.001	0	0	0.111	2
A₅	0.006	0	0	0.026	0	0.017	0.005	0	0	0	0	0.054	1
A₆	0.000	0	0.043	0.023	0	0	0.010	0.023	0.001	0	0	0.100	2
B₁	0.303	0.152	0	0.028	0.142	0.082	0.005	0.012	0.005	0.071	0.047	0.846	6
B₂	0.245	0.152	0.022	0.027	0.142	0.082	0	0.014	0.009	0.071	0.071	0.834	6
B₃	0.225	0.152	0.022	0.070	0	0.062	0.008	0.019	0.003	0.071	0.047	0.681	5
B₄	0.032	0.152	0.022	0.041	0.142	0.031	0.007	0.018	0.023	0.071	0.047	0.585	5
B₅	0.031	0.152	0.022	0.060	0.000	0.037	0.006	0.009	0.002	0.071	0.071	0.461	4
B₆	0.023	0.152	0.022	0.078	0.142	0.014	0.013	0.023	0.006	0.071	0.071	0.614	5

3 结论与讨论

本试验通过实施先锋树种自然化混交经营技术和先锋树种均质化经营技术，包括伐除较差的先锋树种，释放空间，重点培育顶级树种，调整树种结构，同时增加林下更新等措施。发现实施经营技术后，样地顶级树种的相对显著度和相对多度均得到提高，林下更新良好，垂直结构较为完善，减少了破坏性干扰，增加了增益性干扰。由此可知，实施经营措施能够改善次生林林分结构，促进林分生长。张菲等^[9]在实施自然化混交林经营技术措施后，林分先锋树种比例下降，顶级树种比例增加；抚育1年后，试验林分平均胸径和树高明显增加，林分健康优质木比例提高。本研究结果与此相似。

自然度评价是常用的森林评价体系，相关研究通过建立自然度评价体系，分析林分的自然状态，研究森林生态系统的生长规律及其演替进程，预测森林的发展趋势，以实现对其更好的管理^[12-13]。冯楷斌^[11]从森林演替、结构与格局、物种多样性和干扰程度4个方面共11个指标建立了北山地杨桦次生林森林自然度评价体系，客观反映了林分的状态特征，为科学地经营管理提供了实践依据。本试验建立的评价体系与此一致，结果表明，实施先锋树种自然化混交经营技术后，A₁～A₃样地自然度提升了2～3个等级；实施先锋树种均质化混交林经营技术后，A₄～A₆样地自然度提升了3个等级。自然度等级的提升说明实施的这2种经营技术合理，促进了群落的正向演替。本研究结果与张菲等^[9]研究结果相似。

综上，本试验通过使用先锋树种自然化混交经营技术和先锋树种均质化经营技术，包括伐除较差的先锋树种，释放空间，重点培育顶级树种，调整树种结构，同时增加林下更新等措施，提高了顶级树种的相对显著度和相对多度，林下更新良好，完善了垂直结构，增加了灌木盖度，减少了破坏性干扰，增加了增益性干扰；自然度得分得到较大提高，自然度等级提高了2～3个级别，促进了群落的正向演替。研究结果为研究区的天然次生林经营提供参考。

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