基于长期间伐实验的辽东松人工林多目标管理权衡与密度控制策略

《Forest Ecology and Management》：Multi-objective management trade-offs and density control strategies for Pinus koraiensis plantations based on a long-term thinning experiment

本研究通过1949年建立的韩国松长期试验，系统评估了不同疏伐强度对人工林生长特性、下层植被多样性和土壤理化性质的影响，并构建熵权法与三元相图模型揭示多目标协同管理机制。结果表明中等疏伐（T3）显著提升林分蓄积量和大径材产量，轻疏伐（T4）最优保育下层植物多样性，极端疏伐（T1）促进深层土壤养分活化。多目标权衡分析表明需根据目标权重动态调整疏伐策略。

　　

郝园勤|王立伟|刘明宇|姚波|沈海龙|张鹏

东北林业大学林业学院，哈尔滨150040，中国

摘要

虽然间伐是实现多功能森林管理目标的主要林业手段，但目前的研究主要集中在单一功能和短期评估上。因此，对于多目标权衡机制以及从整个轮伐周期角度考虑的间伐累积效应，仍缺乏系统的理解。为填补这一空白，我们研究了一个始于1949年的长期朝鲜松人工林实验，该实验经历了五种不同的间伐措施。我们系统地研究了林分生长动态、下层植被多样性以及土壤的物理化学性质，在对照组（CK）和四种间伐强度（轻度、中度、重度、极端）下进行了观测。最后，通过结合熵权重法（EWM）和三元相图，我们构建了一个可视化的多目标管理决策模型，以阐明各种权衡关系和协同效应。结果表明，长期密度调节对不同的生态系统服务产生了显著的差异性影响。中度间伐（T3）有效地平衡了林分保留密度和单株树木的生长，其大直径木材体积为319.63立方米/公顷，比对照组增加了170.5%。轻度间伐（T4）在春季和夏季都保持了最高的物种丰富度和香农-维纳指数，这得益于改善了下层植被的光照环境。极端间伐（T1）在激活土壤养分方面表现出最强的能力，显著促进了深层土壤（20-40厘米）中总氮和碱解氮的积累。多目标评估证实，在林分生产力、下层植被多样性保护和土壤肥力维持之间存在显著的权衡，表明单一的管理措施不足以最大化综合功能。三元相图决策模型显示，极端间伐（T1）具有最高的决策稳定性（占最优区域的48.6%），并且在以土壤肥力维持和多目标平衡为导向的情景下是最佳策略（W_P = W_D = W_S）。当下层植被多样性保护的权重超过0.37时，轻度间伐（T4）是最优选择。这些发现量化了长期间伐干扰下生态系统服务的权衡阈值，为朝鲜松人工林在整个轮伐周期内的多功能管理和精确密度调节提供了科学依据。

引言

间伐是一种重要且有效的林业措施，可用于获取木材和其他森林产品（Messier等人，2019年；Benz等人，2020年）。它通过增加光照可用性和改善土壤水分状况来减少地上和地下资源的竞争（Breda等人，1995年；Aussenac，2000年；Ganatsios等人，2010年；Wang等人，2026年）。同时，森林微气候也得到了改善（Aussenac和Granier，1988年；McDowell等人，2003年；Anning和McCarthy，2013年）。这促进了下层灌木和草本植物的再生和演替，最终有利于保留树木的生长（Bowersox，1997年；Stone等人，1999年；Hale，2003年；Pukkala，2014年；Hynynen等人，2015年；Leonardsson等人，2015年；Ramage等人，2017年；Gavinet等人，2020年；Wang等人，2026年）。这种促进作用受间伐强度的影响，通常随着强度的增加而增强（M?Kinen和Isom?Ki，2004年；Zhang等人，2006年）。然而，间伐并不总是有利于保留树木的生长，因为研究表明，促进生长的效果主要限于幼龄林分，而在老龄林分中可能会出现相反的情况（Juodvalkis等人，2005年）。此外，树木对间伐的反应是非线性的。虽然轻度间伐可能有益，但重度间伐反而可能抑制生长（Harrington和Reukema，1983年；Singh和Heather，1983年；Laurent等人，2003年；Jimenez等人，2011年）。这种负面后果通常被称为“间伐冲击”，在不良的立地条件或不当的间伐时机下会更加严重（Singh和Heather，1983年；Dore等人，2012年）。此外，间伐过程中对树干和根系的操作性损伤可能为害虫和病原体提供入侵途径，进一步损害保留林分的健康（Zhang等人，2016年）。

下层植被多样性和土壤肥力被认为是森林质量的重要指标（Zhang等人，2020年），它们在间伐后的响应模式通常与树木生长相似。许多研究表明，适度间伐有助于提高林分生物多样性（Zhou等人，2016年）和土壤养分水平（Zhao等人，2023年）。然而，过度的间伐强度可能导致下层环境发生剧烈变化，由于光照过强，耐阴植物减少，从而降低下层植被社区的多样性（Metlen和Fiedler，2006年；Nagai和Yoshida，2006年）。全球范围内的系统评价进一步表明，间伐可以调节土壤的物理性质——特别是温度、湿度和容重——从而促进凋落物分解和土壤有机碳（SOC）的固定。然而，这种促进作用在高强度间伐下会减弱，并且严重依赖于间伐后的恢复时间（Zhou等人，2021年）。总体而言，间伐效应往往受到多种因素的影响，如初始立地条件（Fulé等人，2005年）、间伐强度、时间和类型（Ares等人，2010年；Niemisto等人，2018年；Chagnon等人，2025年）、下层植被动态（He和Barclay，2000年；Thomas等人，2008年）以及林分年龄的差异（Juodvalkis等人，2005年）。虽然适度间伐有助于优化林分环境，但生态响应在不同间伐强度和间伐后的时间序列中表现出明显的异质性。因此，需要一个综合考虑特定森林组成和立地生态条件的整体评估。

目前关于森林抚育的研究大多局限于间伐对单一指标（如树木生长、下层植被或土壤性质）的短期影响。对于不同间伐强度对林分生产力、下层植被多样性保护和土壤肥力维持的长期综合影响，仍缺乏系统的评估和理解。朝鲜松是中国东北温湿地区地带性顶级混交阔叶林-朝鲜松林的主要构建物种（Zhou，1997年），由于其高木材价值而被广泛种植。然而，大量的单一栽培林分往往存在过高的种植密度和不足的抚育措施，这导致林分结构简化、生物多样性丧失和土壤肥力下降，最终影响生态系统的稳定性和生产力。此外，朝鲜松极长的生长周期意味着间伐不仅仅是密度控制的问题，而是最终林分质量和经济产量的关键决定因素（Choi等人，2014年）。间伐强度对林分动态有深远的长远影响（Nguyen等人，2019年；Han等人，2023年）。任何强度选择的失误都可能在整个轮伐期间引发累积和放大的负面影响，最终导致不可逆的生产力损失。因此，所有林业干预措施都必须基于严格的长期科学证据。然而，在从建立到接近成熟阶段的整个林分内实现持续监测和密度调节是非常困难的。因此，当前的研究仍然分散，主要集中在特定阶段（如幼龄或中年林分）的瞬时观察上，而未能系统地评估整个轮伐周期内的间伐累积效应。接近成熟阶段是优化朝鲜松人工林林分结构和增强生态系统功能的关键时期（Zhang等人，2017年；Pak等人，2023年；Tan等人，2025年）。这突显了利用长期监测来系统阐明整个轮伐周期内的累积管理效应的重要性，提供理论见解和实际指导。

因此，本研究以长期间伐的朝鲜松人工林为对象，全面评估了不同间伐强度对林分生产力、下层多样性保护和土壤肥力维持的累积影响。通过量化这三个生态系统服务之间的权衡，我们构建了一个多目标决策模型来确定间伐强度。最终目标是从整个轮伐周期的角度为多功能管理和精确决策提供科学依据。

研究区域概述

本研究在辽宁省本溪市的解放林业实验场进行（123°46′E，41°17′N），该地点位于长白山脉的分支地带，平均海拔301米。该地区属于温带大陆性季风气候，年平均气温为7.8℃，年平均降水量为926.3毫米，无霜期为127天。土壤主要为深棕色森林土。长期实验始于1967年，

间伐强度对林分生产力的影响

回归分析显示，林分保留密度（x）与胸径（DBH）、树高、高径比（H/D）和单株树木体积（y）之间存在显著相关性（图1b，d；图2b，d），并且开发的林分生长模型得到了全面验证（图S1，S2）。在测试的模型中，对数函数拟合效果最好，决定系数（R2）分别为0.9896、0.909、0.981和0.963。相应的回归方程为

朝鲜松人工林生产力对不同间伐强度的响应

间伐强度显著影响了朝鲜松人工林的胸径、树高、高径比和单株树木体积，与其他研究结果一致（Iddrisu等人，2024年；Sakib等人，2024年）。这些生长响应与林分密度之间存在极好的对数关系（图1b，d；图2b，d）。与对照组相比，T1处理下的单株树木体积增加了近三倍（图2c）。这种强烈的生长响应与竞争释放机制相符（

结论

本研究表明，长期间伐管理显著改变了朝鲜松人工林的林分生长特性、下层植被多样性和土壤物理化学性质。中度间伐（T3）显著增加了林分体积和大直径木材产量，优化了林分产量结构。轻度间伐（T4）在夏季显著提高了物种丰富度和香农-维纳指数。同时，极端间伐（T1）表现出最佳的表现

作者贡献声明

刘明宇：方法学、调查。王立伟：方法学、调查。郝园勤：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、方法学、调查、正式分析。张鹏：写作——审稿与编辑、监督、资金获取。沈海龙：写作——审稿与编辑。姚波：调查。

资金支持

本研究得到了国家重点研发计划（2022YFD2201002）和中央高校基本科研业务费（项目编号2572023CT02）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们衷心感谢辽宁林业研究所在实验工作上的支持。同时，我们也感谢同事们在野外测量和实验室工作方面的协助。