林分狀態(tài)分析方法在興安落葉松天然林林分質(zhì)量評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

王千雪，趙中華，劉 靈*，張吉利，申方圓

(1.國(guó)家林業(yè)局 哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 寒溫帶林業(yè)研究中心，黑龍江 哈爾濱 150086；2.中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院 林業(yè)研究所，北京 100091)

森林質(zhì)量關(guān)系到國(guó)家木材生產(chǎn)和生態(tài)安全。我國(guó)森林資源總量嚴(yán)重不足，森林質(zhì)量不高，生產(chǎn)潛力遠(yuǎn)未得到充分發(fā)揮[1]。目前我國(guó)林業(yè)所面臨的形勢(shì)正從以數(shù)量擴(kuò)張為主轉(zhuǎn)向以質(zhì)量提升為主發(fā)展，森林質(zhì)量提升需要通過采取科學(xué)、合理的經(jīng)營(yíng)措施，從而提高森林的生產(chǎn)力，使之正向演替發(fā)展，進(jìn)而改善森林結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)森林功能，不斷提高森林質(zhì)量，逐步實(shí)現(xiàn)森林資源的可持續(xù)發(fā)展[2-3]。目前越來越多的人認(rèn)識(shí)到健康森林的重要性，它影響著全球生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也關(guān)系著人類的生存和發(fā)展[4-5]。天然林是森林生態(tài)系統(tǒng)的主體，對(duì)維持生物多樣性、減緩自然災(zāi)害、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、調(diào)節(jié)全球碳循環(huán)等方面發(fā)揮著重要和不可替代的作用[6]。目前國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了有關(guān)天然林的大量研究[7]，熱點(diǎn)之一便是天然林復(fù)雜結(jié)構(gòu)的經(jīng)營(yíng)模擬，而經(jīng)營(yíng)模擬前提就是量化描述林分狀態(tài)，通過對(duì)林分狀態(tài)的精確定量描述，人們可以更好地了解森林生態(tài)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及未來的發(fā)展方向[8-9]?；輨傆痆10-11]等提出了林分狀態(tài)評(píng)價(jià)方法，林分狀態(tài)評(píng)價(jià)為林分質(zhì)量高低評(píng)判提供了基礎(chǔ)，林分狀態(tài)合理與否關(guān)系到森林經(jīng)營(yíng)的必要性和緊迫性，對(duì)其評(píng)價(jià)的結(jié)果直接影響到經(jīng)營(yíng)決策的質(zhì)量，而林分狀態(tài)圖可作為判斷森林質(zhì)量高低的一種手段，能夠?yàn)樯仲|(zhì)量的提升提供經(jīng)營(yíng)決策理論依據(jù)[12]。

興安落葉松林是我國(guó)寒溫帶典型的森林類型，廣泛分布于大興安嶺地區(qū)[13]，由于其在凍土地區(qū)能維持穩(wěn)定生長(zhǎng)而備受關(guān)注，對(duì)改善東北地區(qū)乃至全國(guó)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展有著舉足輕重的作用[14]，對(duì)全球碳平衡和氣候變化也有著重要的影響[15-17]。目前已有很多關(guān)于大興安嶺寒溫帶針葉林結(jié)構(gòu)特征相關(guān)的研究，但森林質(zhì)量評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少。本研究在分析不同類型興安落葉松林空間結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，通過林分狀態(tài)評(píng)價(jià)方法[11]對(duì)林分質(zhì)量進(jìn)行分析，利用林分狀態(tài)評(píng)價(jià)法來驗(yàn)證以往通過生產(chǎn)力途徑而得出的不同類型林分質(zhì)量的規(guī)律，研究結(jié)果將為大興安嶺典型森林類型的經(jīng)營(yíng)決策及森林質(zhì)量的提升提供理論科學(xué)基礎(chǔ)，對(duì)保護(hù)我國(guó)唯一的寒溫帶明亮針葉林森林資源以及大興安嶺地區(qū)森林可持續(xù)經(jīng)營(yíng)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

大興安嶺呼中林區(qū)位于伊勒呼里山北坡，(51°14′40″-52°25′N，122°39′30″-124°21′E)，呼瑪河中上游地區(qū)[18]。屬于高緯度寒溫帶地區(qū)，氣候特點(diǎn)是夏季短暫且雨熱同季，冬季漫長(zhǎng)而寒冷可達(dá)7個(gè)月之久，永凍層與季節(jié)性凍層廣泛分布，土壤沼澤化現(xiàn)象嚴(yán)重。主要樹種為興安落葉松(Larixgmelinii)，占林地總面積的2/3以上，樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和云杉(Piceakoraiensis)所占面積較小且混生于興安落葉松林，偃松(P.pumila)分布于海拔較高的地帶。由于氣候寒冷，永凍層發(fā)育、土層瘠薄等因素使得闊葉樹種生長(zhǎng)受到限制，僅有部分白樺(Betulaplatyphylla)、山楊(Populusdavidiana)、鉆天柳(Choseniaarbutifolia)等幾種闊葉樹種[19-20]。主要代表林型有：杜鵑(Rhododendron)落葉松林，分布于海拔較高的山坡中上部；杜香(Ledum)落葉松林，分布于陰坡、半陰坡下部緩平地段；草類落葉松林，分布在陽(yáng)坡或半陽(yáng)坡。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置 選擇3塊50 m×50 m典型興安落葉松林樣地，分別為杜香-興安落葉松林、草類-興安落葉松林和杜鵑-興安落葉松林，利用全站儀對(duì)樣地內(nèi)胸徑>5 cm的林木定位并進(jìn)行全面調(diào)查，調(diào)查的內(nèi)容包括樹種、胸徑、樹高、郁閉度、斷面積及林下更新等。試驗(yàn)林分別位于大興安嶺呼中林區(qū)38林班、47林班和755林班，樣地基本信息見表1。

表1 樣地基本特征Table 1 General situations of sample plots

1.2.2 林分狀態(tài)的表達(dá)及取值 林分狀態(tài)通過林分空間結(jié)構(gòu)(垂直結(jié)構(gòu)和水平結(jié)構(gòu))、林分年齡結(jié)構(gòu)、林分組成(樹種多樣性和樹種組成)、林分密度、林分長(zhǎng)勢(shì)、頂極種競(jìng)爭(zhēng)、林分更新以及林木健康8個(gè)方面10個(gè)因子來表達(dá)[9-10]，其中杜香-興安落葉松林為天然純林，不考慮林分組成和頂極種競(jìng)爭(zhēng)2個(gè)指標(biāo)。

1.2.3 林分狀態(tài)的單位圓分析 根據(jù)最優(yōu)林分狀態(tài)的π值法則，利用單位圓分析方法對(duì)不同類型的興安落葉松林進(jìn)行林分狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)[11]。首先畫一個(gè)半徑為1的圓，將圓平均分成n個(gè)扇形區(qū)(n代表林分狀態(tài)指標(biāo)個(gè)數(shù))，再?gòu)膱A心開始分別畫出相應(yīng)的指標(biāo)線，最后將指標(biāo)線按值大小排序，標(biāo)記排序后現(xiàn)實(shí)林分的指標(biāo)值，依次連接構(gòu)成一個(gè)閉合圖形，閉合圖形的面積即為現(xiàn)實(shí)林分狀態(tài)值，該面積與最優(yōu)林分狀態(tài)值的比值(即π)為現(xiàn)實(shí)林分質(zhì)量最適當(dāng)?shù)亩攘?，用公式表達(dá)為：

(1)

式中：s2i=(L1L2sinθ)/2；ω為現(xiàn)實(shí)林分狀態(tài)；s1為閉合圖形中扇形面積和；s2為閉合圖形中三角形面積和；n為指標(biāo)個(gè)數(shù)(n≥2)；m為指標(biāo)值=1的個(gè)數(shù)；L1和L2分別為三角形部分的相鄰指標(biāo)值；θ為相鄰指標(biāo)構(gòu)成的夾角。

ω取值在[0,1]，依據(jù)ω大小可將林分狀態(tài)分為5類：ω≥0.70代表狀態(tài)極佳，林分狀態(tài)指標(biāo)合理，為健康穩(wěn)定的森林；ω=[0.55～0.70)代表狀態(tài)良好，林分狀態(tài)指標(biāo)大多數(shù)合理，基本符合健康穩(wěn)定森林的特征；ω=[0.40～0.55)代表狀態(tài)一般，1/2左右的林分狀態(tài)指標(biāo)不合理，需要進(jìn)行林分經(jīng)營(yíng)調(diào)節(jié)；ω=[0.25～0.40)代表狀態(tài)較差，超過1/2的林分狀態(tài)指標(biāo)不合理，急需要進(jìn)行林分經(jīng)營(yíng)調(diào)節(jié)；ω<0.25代表狀態(tài)極差，大多數(shù)林分狀態(tài)指標(biāo)不合理，林分質(zhì)量極差，經(jīng)營(yíng)主體缺失。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型興安落葉松林林分結(jié)構(gòu)特征

利用winklemass軟件計(jì)算得出不同類型興安落葉松林結(jié)構(gòu)特征。角尺度分布可反映林分中林木個(gè)體的分布格局(圖1)，3種類型興安落葉松林角尺度均值分別為0.461、0.492和0.497，表明杜香-落葉松林為均勻分布，草類-落葉松林和杜鵑-興安落葉松林為隨機(jī)分布。大小比數(shù)是分析參照樹與最近4株相鄰木的大小相對(duì)關(guān)系(圖2)，反映林木在林分中的優(yōu)勢(shì)度。3種類型興安落葉松林大小比均值分別為0.489、0.497、0.480，且不同取值林木所占比例相差較小，說明林分中優(yōu)勢(shì)、亞優(yōu)勢(shì)、中庸、劣態(tài)及絕對(duì)劣態(tài)的樹木所占比例基本相同。混交度是用來說明林分中樹種空間的隔離程度(圖3)，杜香-落葉松林為純林，混交度為0，草類-落葉松林混交度為0.327，杜鵑-落葉松林混交度為0.655。

圖1 角尺度分布頻度Fig.1 Distributing frequency of neighborhood pattern

2.2 不同類型興安落葉松林林分狀態(tài)指標(biāo)分析

根據(jù)1.2.2得出不同類型興安落葉松林的林分狀態(tài)指標(biāo)值(表3)。由表3可知，3塊樣地在林分空間結(jié)構(gòu)的垂直結(jié)構(gòu)上基本相同，都屬于復(fù)層，水平結(jié)構(gòu)杜香-興安落葉松林屬于均勻分布，其他2塊樣地均為隨機(jī)分布；年齡結(jié)構(gòu)方面，草類-興安落葉松直徑分布為倒“J”形，屬異齡林，其他2塊樣地直徑分布為單峰狀，屬同齡林；林分組成方面，杜香-興安落葉松表現(xiàn)為純林，草類-興安落葉松林伴生樹種為白樺，杜鵑-興安落葉松林伴生樹種為白樺、山楊及樟子松，其樹種多樣性及組成系數(shù)均優(yōu)于草類-興安落葉松林；林分密度方面，3塊樣地均表現(xiàn)適中，密度較為合理；林分長(zhǎng)勢(shì)及頂極種競(jìng)爭(zhēng)方面，杜香-興安落葉松林優(yōu)于其他2種林分類型；而林分更新方面，杜香-興安落葉松林幼苗數(shù)量少，更新較差，其他2塊樣地更新處于中等水平；林分健康方面，3塊樣地均表現(xiàn)良好，不健康林木所占比重較小。

圖2 大小比分布頻度Fig.2 Distributing frequency of neighborhood comparison

圖3 混角度分布頻度Fig.3 Distributing frequency of mingling degree

2.3 不同類型興安落葉松林林分質(zhì)量分析

根據(jù)林分狀態(tài)評(píng)價(jià)方法，得到不同類型興安落葉松林分質(zhì)量綜合分析(圖4)。由圖4a可知，杜香-興安落葉松林(ω=0.295)林分質(zhì)量較差，林分水平結(jié)構(gòu)、林分年齡結(jié)構(gòu)以及林分更新3個(gè)指標(biāo)不合理。該林分在過去進(jìn)行過擇伐及中幼林撫育，水平結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為均勻分布，林齡結(jié)構(gòu)不合理；林分密度適宜而更新不良，表明土壤種子庫(kù)存在問題，主要原因是杜香-興安落葉松林所處的立地環(huán)境條件差，屬于塔頭沼澤林地類型，生境較冷濕[28]，枯枝落葉分解不良，林分組成上，除興安落葉松很少有其他樹種生長(zhǎng)，所以通常表現(xiàn)為純林，土層較淺且多為永凍層發(fā)育地帶，永凍層的融解層很淺，在生長(zhǎng)季期間撥開土壤表層凍土層清晰可見，從而致使興安落葉松生長(zhǎng)緩慢，林分更新較差。

表2 不同類型興安落葉松林林分狀態(tài)特征Table 2 Stand state situations of different L.gmelinii forest types

(a)：杜香-興安落葉松林=0.295；(b)：草類-興安落葉松林=0.531；(c)：杜鵑-興安落葉松林=0.500。

由圖4b可知，草類-興安落葉松林(ω=0.531)林分質(zhì)量處于中等，該林分在過去進(jìn)行過常規(guī)撫育，較其他2種類型興安落葉松林林分狀態(tài)稍好。樹種多樣性指標(biāo)不合理，除優(yōu)勢(shì)樹種興安落葉松外，僅有部分白樺伴生；土壤類型屬于永凍層地帶，但土層較厚，具有厚的腐殖質(zhì)層，存在較少灌木層，但卻有發(fā)達(dá)的草本層，草本蓋度>90%；林分更新和垂直結(jié)構(gòu)等指標(biāo)處于合格水平；水平結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)及林分密度等指標(biāo)良好。

由圖4c可知，杜鵑-興安落葉松林(ω=0.500)林分質(zhì)量處于中等，年齡結(jié)構(gòu)、樹種多樣性和頂極種競(jìng)爭(zhēng)3個(gè)指標(biāo)不合理。該林分屬于同齡混交林，樹種多樣性較低，伴生樹種為白樺、山楊及樟子松；頂極種競(jìng)爭(zhēng)不合理表明大徑木少而小徑木多，主要受立地條件影響；杜鵑-興安落葉松林一般生長(zhǎng)在坡上，永凍層相比較則不發(fā)達(dá)，林木生長(zhǎng)良好，灌木層較發(fā)達(dá)，林分更新和垂直結(jié)構(gòu)指標(biāo)處于合格水平，水平結(jié)構(gòu)、林分密度等指標(biāo)良好。

3 結(jié)論與討論

利用林分狀態(tài)評(píng)價(jià)法對(duì)不同類型興安落葉松林林分質(zhì)量進(jìn)行分析，杜香-興安落葉松林林分質(zhì)量較差，草類-興安落葉松林及杜鵑-興安落葉松林林分質(zhì)量一般。3種不同類型興安落葉松林之間的林分質(zhì)量相比較為草類-興安落葉松林>杜鵑-興安落葉松林>杜香-興安落葉松林，而以往對(duì)于這幾種林型生產(chǎn)力相關(guān)的研究也表明草類-興安落葉松林的生產(chǎn)力最高，杜香-興安落葉松林的生產(chǎn)力最低[29-31]，說明利用林分狀態(tài)評(píng)價(jià)法能夠準(zhǔn)確體現(xiàn)出不同類型的林分質(zhì)量高低，隨著林地立地條件的改變，土壤越濕冷化，越不利于林木的生長(zhǎng)，生產(chǎn)力越低，林分的質(zhì)量水平也越來越低下。

研究所分析的3塊標(biāo)準(zhǔn)地的天然林總體林分質(zhì)量一般，需要進(jìn)行林分經(jīng)營(yíng)調(diào)節(jié)。與以往對(duì)該區(qū)森林質(zhì)量評(píng)價(jià)相關(guān)的研究結(jié)果較為一致[32-34]。由于大興安嶺冬季漫長(zhǎng)寒冷，溫暖季時(shí)間短且雨熱同季，永凍層與季節(jié)凍層分布廣泛，沼澤化現(xiàn)象嚴(yán)重，以及土層瘠薄、營(yíng)養(yǎng)貧乏等環(huán)境條件影響，致使林木生長(zhǎng)緩慢，林分更新不良，闊葉樹種的生長(zhǎng)受到限制，樹種多樣性較低。同時(shí)由于多年的不合理采伐等人為因素，大興安嶺興安落葉松天然林目前存在生產(chǎn)力低、森林結(jié)構(gòu)不合理、抵抗力與恢復(fù)力弱等一系列問題，未來需針對(duì)不同林型的具體經(jīng)營(yíng)診斷結(jié)果采取相應(yīng)的措施，進(jìn)行林分經(jīng)營(yíng)調(diào)節(jié)。例如針對(duì)水平結(jié)構(gòu)可通過結(jié)構(gòu)化森林經(jīng)營(yíng)中林木分布調(diào)節(jié)技術(shù)，改善林齡結(jié)構(gòu)可通過更新幼樹的微環(huán)境調(diào)節(jié)，更新問題可通過人工播種、種植目的樹種等方法調(diào)節(jié)[12]，從而促使大興安嶺興安落葉松林的林分質(zhì)量得以提升，森林能夠向健康、穩(wěn)定的方向發(fā)展。

基于林分狀態(tài)的林分質(zhì)量評(píng)價(jià)可從林分結(jié)構(gòu)(垂直結(jié)構(gòu)、水平結(jié)構(gòu)、年齡結(jié)構(gòu)、樹種多樣性、樹種組成、林分密度)和林分活力(林分長(zhǎng)勢(shì)、頂極種競(jìng)爭(zhēng)、林分更新、林木健康)2個(gè)方面加以描述，這10個(gè)因子能夠表征林分主要的自然屬性。本研究采用的林分狀態(tài)評(píng)價(jià)法，作為衡量森林質(zhì)量?jī)?yōu)劣的一種表達(dá)方式可操作性強(qiáng)，評(píng)價(jià)指標(biāo)科學(xué)、合理、準(zhǔn)確，評(píng)價(jià)結(jié)果直觀可靠，符合現(xiàn)實(shí)林分的實(shí)際情況?；诹址譅顟B(tài)的林分質(zhì)量評(píng)價(jià)方法是一種綜合量化評(píng)價(jià)方法，林分狀態(tài)圖可作為診斷森林質(zhì)量問題的一種簡(jiǎn)潔工具，能夠直接明確最優(yōu)林分狀態(tài)的期望值(期望值=π)，林分狀態(tài)指標(biāo)圖的面積大小決定著現(xiàn)實(shí)林分質(zhì)量?jī)?yōu)良程度，該面積與最優(yōu)林分狀態(tài)值的比值為現(xiàn)實(shí)林分質(zhì)量最適當(dāng)?shù)亩攘?，無論針對(duì)任何林區(qū)、任何林分類型均適用，可為不同地區(qū)的森林經(jīng)營(yíng)決策及森林質(zhì)量的提升奠定理論科學(xué)基礎(chǔ)。

致謝：本研究在撰寫過程中得到中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院惠剛盈研究員的悉心指導(dǎo)，野外調(diào)查中呼中林業(yè)局森林調(diào)查隊(duì)李善堯隊(duì)長(zhǎng)給予了熱情關(guān)照，甘肅省小隴山林業(yè)實(shí)驗(yàn)局石小龍、李錄林等同志參與了野外調(diào)查，在此一并表示感謝！

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