油松人工林合理經(jīng)營(yíng)密度的研究

李顯鮮,楊培華,郝紅科,康 樂(lè),陳雪姣

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院,陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 國(guó)家林業(yè)和草原局油松工程技術(shù)研究中心,陜西 楊凌 712100;3.國(guó)家林業(yè)和草原局華東調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院,杭州 321000；4.襄陽(yáng)市國(guó)有林場(chǎng)工作站,湖北 襄陽(yáng) 441000)

林分密度是指單位面積內(nèi)林木所占據(jù)的空間體積,是說(shuō)明林木對(duì)其所占空間利用程度的指標(biāo)。合理的林分密度對(duì)于人工林內(nèi)的物種多樣性的改善有很大的幫助,合理的林分密度不僅可以促進(jìn)林分結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,也可對(duì)人工林向天然林的演替起到促進(jìn)作用[1]?？刂坪驼{(diào)整林分密度始終是森林經(jīng)營(yíng)研究的核心。林分密度是除了立地質(zhì)量外又一個(gè)影響林分生長(zhǎng)的重要因素,它不僅影響林分的質(zhì)量和產(chǎn)量[2],而且還影響林分內(nèi)的環(huán)境和林分的穩(wěn)定性。同時(shí),林分密度對(duì)于林下物種多樣性、生物量以及林分內(nèi)其他方面也有很大的影響[3-12]。如何對(duì)目標(biāo)林分進(jìn)行科學(xué)合理的密度調(diào)控,不同目標(biāo)林其林分的合理密度到底是多少,一直都是森林資源培育致力攻克的問(wèn)題[13-16]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于林分密度已有較為深入的研究,自Reineke[17]在1933年提出密度競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)以后,林分密度方面的研究逐步摒棄了憑個(gè)人實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、觀察等不科學(xué)的研究方法,進(jìn)入了數(shù)學(xué)模型數(shù)量化研究的新發(fā)展階段。幾十年來(lái),一系列的研究方法被林學(xué)家們提出[18-19],自然稀疏法則就是一項(xiàng)較為突出的研究成果。至此,一些交叉方向的相關(guān)理論法,如,種群生態(tài)法也同時(shí)融入到密度的研究中[20]。目前,關(guān)于林木密度方面的研究,主要涉及到評(píng)定指標(biāo)、對(duì)林地生產(chǎn)力的影響、人工林合理密度、密度效應(yīng)及密度控制管理等方面。目前,對(duì)于油松人工林合理經(jīng)營(yíng)密度的研究較少,因此,本文將以洛南縣油松人工林為研究對(duì)象,根據(jù)實(shí)地調(diào)查,研究油松人工林的生長(zhǎng)特點(diǎn),確定洛南油松人工林的合理經(jīng)營(yíng)密度,以便能為洛南縣油松人工林的合理經(jīng)營(yíng)和管理提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洛南縣位于陜西省東南部,地處秦嶺東段南麓,洛河上游,其地理坐標(biāo)介于北緯33°52′00″～34°25′58″、東經(jīng)109°44′10″～110°40′06″之間,海拔范圍處于1 020～2 646m。洛南縣屬于暖溫帶南緣季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候,年平均氣溫為11.50℃,是陜西省商洛市中唯一一個(gè)屬于黃河流域的縣城。由于群山連綿,起伏懸殊,該地具有明顯山區(qū)氣候特征,季風(fēng)影響明顯。洛南縣四季分明、氣候溫和、雨量充足,夏無(wú)酷暑、冬無(wú)嚴(yán)寒。洛南的地勢(shì)為西北高、東南低,形狀和飛鴿很為相似(圖1)。洛南縣境內(nèi)的最高點(diǎn)草鏈嶺和最低點(diǎn)的蘭草河口,兩者之間的相對(duì)高差的最大值為1 976m。洛南縣土壤總共有106個(gè)土種,在垂直、水平方向皆有分布,也有地域分布。但是主要以垂直分布為主,棕壤土的分布海拔相對(duì)較高,面積僅次于黃棕壤,是洛南縣主要森林土壤。根據(jù)洛南縣所處的地理位置及地形地貌,在我國(guó)植被區(qū)劃中,歸屬暖溫帶植被垂直帶,主要植被類型有栓皮櫟林帶、華山松尖齒櫟林帶、樺木林帶、云杉林帶、冷杉林帶以及高山草甸。

圖1 洛南縣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of location of Luonan County

1.1 材料來(lái)源

本研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自于陜西省洛南縣林區(qū)古城林場(chǎng),于2018年在該林場(chǎng)的油松人工林中設(shè)置并調(diào)查了69塊20m×30m的標(biāo)準(zhǔn)地(林分年齡分別為10,20,30,40,50a),每塊樣地設(shè)置2m的緩沖區(qū)。對(duì)樣地中的油松進(jìn)行每木檢尺和每木定位,樹(shù)高使用測(cè)高儀直讀測(cè)高器進(jìn)行測(cè)量,精度為0.5m；胸徑均采用統(tǒng)一規(guī)格的2m專用鋼鍍圍尺測(cè)量,精度為0.1cm；東西南北4個(gè)方向冠幅用皮卷尺(30m)測(cè)量,精度為0.1m；林木間相對(duì)坐標(biāo)使用格網(wǎng)法將樣地分割為5m×5m的小格網(wǎng),然后用皮尺精確定位每木坐標(biāo)；同時(shí),記錄樣地的東北角經(jīng)緯度、海拔、坡向、坡位和坡度等立地因子。油松樣地基本情況如表1所示。

表1 油松樣地基本情況Tab.1 Basic information of sample plots

(續(xù)表)

2 研究方法

2.2 冠幅與胸徑數(shù)學(xué)模型的建立

本研究通過(guò)對(duì)林分的合理經(jīng)營(yíng)密度的探索和研究,擬為研究區(qū)油松人工林的生長(zhǎng)管理和撫育間伐等經(jīng)營(yíng)方式提供科學(xué)依據(jù)。從所調(diào)查的標(biāo)準(zhǔn)地中隨機(jī)選取生長(zhǎng)正常、沒(méi)有病蟲(chóng)害、樹(shù)冠和樹(shù)干生長(zhǎng)良好的油松,選擇其胸徑和冠幅成對(duì)值,將油松的東西冠幅與南北冠幅算出平均值。將油松的冠幅按照徑階分組整理,具體情況如表2所示。

表2 洛南縣油松人工林冠幅——胸徑分組表Tab.2 Table of crown and DBH of pinus tabulaeformis in Luonan County

根據(jù)洛南縣油松人工林分布區(qū)調(diào)查的冠幅與胸徑的值,建立洛南縣油松人工林冠幅與胸徑的數(shù)學(xué)關(guān)系,建立林分修正最大密度和胸徑之間的數(shù)學(xué)關(guān)系及表達(dá)式,最后使用半峰寬公式計(jì)算洛南縣油松人工林的合理經(jīng)營(yíng)密度。

按照所測(cè)相關(guān)數(shù)值,選取5種數(shù)學(xué)模型擬合回歸表達(dá)式,具體公式如表3所示。

表3 冠幅胸徑擬合回歸數(shù)學(xué)模型Tab.3 The regression model of crown width and DBH

2.2 冠幅重疊系數(shù)計(jì)算

在實(shí)際的林分中,林木的冠幅之間應(yīng)當(dāng)有一定程度的重疊部分。

(6)

油松的冠形可以看作是塔形,其樹(shù)冠表面積的計(jì)算公式為:

(7)

(8)

式中:K為樹(shù)冠的重疊系數(shù),CSAi為第i株立木的樹(shù)冠表面積,CDi為第i株立木的冠幅,CD東西i為第i株立木的東西方向冠幅,CD南北i為第i株立木的南北方向冠幅,CL為冠長(zhǎng),n為樣地內(nèi)的林木株數(shù)。

2.2 最大修正密度數(shù)學(xué)模型建立方法

林分樣地的理論最大密度計(jì)算公式為:

Nmax=10000/Cw

(9)

式中:CW為樹(shù)冠投影面積。第一步,可以根據(jù)此公式計(jì)算出樣地的最大理論密度,但是,實(shí)際上樣地中樹(shù)木的冠幅之間存在一定的相交情況,所以,由此公式計(jì)算出的密度值會(huì)比實(shí)際的值偏小,故需要對(duì)此值進(jìn)行調(diào)整。本試驗(yàn)用前一步計(jì)算出的K值(樹(shù)冠重疊系數(shù))來(lái)調(diào)整此值,將樹(shù)冠重疊系數(shù)和理論最大密度相乘,即可得到修正后的最大密度[21]。修正的最大密度公式為:

Nmax修正=Nmax×(1+K)

(10)

2.2 合理經(jīng)營(yíng)密度確定

本試驗(yàn)采用鄭天漢[22]應(yīng)用的半峰寬公式,計(jì)算洛南縣油松人工林的合理密度經(jīng)營(yíng)度。首先,利用修正后的最大密度計(jì)算出所調(diào)查樣地的密度經(jīng)營(yíng)度:

(11)

式中:DN為密度經(jīng)營(yíng)度,Np為樣地的現(xiàn)實(shí)密度。

其次,合理密度經(jīng)營(yíng)度的區(qū)間計(jì)算公式為:

(12)

(13)

3 結(jié)果與分析

從表2中可以看出,洛南縣油松人工林的冠幅和胸徑之間存在一定的關(guān)系,隨著平均胸徑的增大,其平均冠幅也在隨著增大。小徑階林分中,林分密度普遍比較大,林木之間相互擁擠,擁擠度較高,冠幅與冠幅之間影響也更大,林分中的優(yōu)勢(shì)木之下還有很多被壓木,被壓木的冠形受其他優(yōu)勢(shì)木的影響而變化,在空間上的延伸也受到限制,所以小徑階林分中冠幅也較小。

3.3 冠幅與胸徑相關(guān)數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)前人的研究,林木的胸徑和密度具有相關(guān)性,且相關(guān)性很高,將本研究所調(diào)查的樣地林分因子數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,使用公式(1)—(5)這5種數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行分析,擬合結(jié)果如表4所示。

表4 冠幅與胸徑相關(guān)數(shù)學(xué)模型回歸結(jié)果表Tab.4 Results of regression models related to crown width and DBH

表4中的各表達(dá)式,除式(3)的R2值其決定系數(shù)為0.76,屬較低之外,其他表達(dá)式的決定系數(shù)都在0.90以上,且各個(gè)F值都明顯大于F0.05(1.091)=4.84,說(shuō)明其回歸關(guān)系顯著,故選取決定系數(shù)最大并且均方殘差最小的式(2),來(lái)作為冠幅—胸徑之間的最優(yōu)數(shù)學(xué)模型(圖2),即可得出:

圖2 最優(yōu)擬合模型圖Fig.2 Optimal fitting model diagram

CD=-0.50669+0.79871×D0.62976

(14)

3.3 最大密度數(shù)學(xué)模型的建立

3.2.1林分樹(shù)冠重疊系數(shù)

一般來(lái)說(shuō),林木在郁閉度為1.0的時(shí)候其營(yíng)養(yǎng)空間可達(dá)到最充分的利用狀態(tài),林分中立木的冠幅也會(huì)呈現(xiàn)出相互交接的現(xiàn)象。而事實(shí)上,讓樹(shù)木充分利用側(cè)光更適合林木的生長(zhǎng),所以林木的樹(shù)冠有適當(dāng)?shù)闹丿B為更好。但是,當(dāng)林分中的林木其胸徑連年生長(zhǎng)量顯示出明顯的下降時(shí),表明林木的樹(shù)冠交疊已到達(dá)最高值,這時(shí)的林分密度被認(rèn)為是最大林分密度。本研究選取15～50a生、空間分布較均勻樣地的數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)林分樹(shù)冠的重疊狀況,將所選擇樣地中,林木的空間位置信息和冠幅及枝下高處理分析,按照式(6)—(8)求出洛南縣油松人工林各樣地的樹(shù)冠重疊系數(shù),具體情況如圖3所示。

從圖3中可以看出,選取的樣地其樹(shù)冠重疊系數(shù)的最大值是0.836 52,最小值是0.501 51,求得其平均值為0.675 937,標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.088 906,樹(shù)冠重疊系數(shù)屬0.6～0.8的值最多。

圖3 樹(shù)冠重疊系數(shù)分布圖Fig.3 Canopy overlap coefficient distribution

3.2.2不同徑階林分最大理論密度

可以按照林分胸徑和冠幅的相關(guān)性演算出不同徑階下的林分密度,也可以采用林分密度和胸徑的相關(guān)性進(jìn)行推算。將式(14)得出的樹(shù)冠直徑的值和樹(shù)冠重疊系數(shù),將其帶入式(9)和(10)中,計(jì)算出不同徑階下林分最大的理論密度以及修正最大密度,各公式為:

林分樣地的理論最大密度計(jì)算公式為:

(15)

林分樣地的修正最大密度計(jì)算公式為:

Nmax修正=Nmax×(1+K)

(16)

根據(jù)式(14)—(16)3個(gè)公式,則能計(jì)算出林分在各徑階下的理論最大密度和修正后的最大理論密度,具體情況如表5所示。

表5 各徑階最大密度表Tab.5 Table of maximum density of diameter grade

從表5中可以看出,在同一徑階下,所求出的理論最大密度偏小,經(jīng)過(guò)樹(shù)冠的重疊系數(shù)修正調(diào)整之后,得到修正后的最大理論密度。

3.3 洛南縣油松人工林合理經(jīng)營(yíng)密度的確定

本研究將使用半峰寬公式來(lái)演算陜西洛南縣林區(qū)人工林合理營(yíng)林密度,以便為后面洛南縣林區(qū)經(jīng)營(yíng)管理提供一定的參考和依據(jù)。

3.3.1樣地密度經(jīng)營(yíng)度

根據(jù)式(11)和前一章節(jié)計(jì)算出的林分修正最大密度的表達(dá)式(16),從本次所調(diào)查的樣地中,隨機(jī)選擇其中45塊樣地,并計(jì)算出所選樣地的密度經(jīng)營(yíng)度,相對(duì)應(yīng)的密度經(jīng)營(yíng)度結(jié)果如表6所示。

表6 各標(biāo)準(zhǔn)地密度經(jīng)營(yíng)密度表Tab.6 Table of density management in standard plots

3.3.2密度經(jīng)營(yíng)度檢驗(yàn)

將各樣地的數(shù)據(jù)按0.05組距分為不同的密度經(jīng)營(yíng)度,并計(jì)算出各組距的理論頻數(shù)和實(shí)際頻數(shù),同時(shí),需要對(duì)經(jīng)營(yíng)密度的頻數(shù)分布狀況進(jìn)行相關(guān)的χ2假設(shè)檢驗(yàn)。χ2的檢驗(yàn)可見(jiàn)公式(17),其計(jì)算結(jié)果如表7所示。

表7 最大密度模型的經(jīng)營(yíng)密度正態(tài)分布假設(shè)檢驗(yàn)表Tab.7 Table of normal distribution hypothesis testing for maximum density model

(17)

3.3.3油松人工林密度經(jīng)營(yíng)度區(qū)間及合理經(jīng)營(yíng)密度

根據(jù)半峰寬公式(12)和(13)計(jì)算出所調(diào)查樣地的林分密度經(jīng)營(yíng)度區(qū)間,得出下限為0.52,上限為0.94,即洛南縣油松人工林合理經(jīng)營(yíng)密度處于修正最大密度模型(16)時(shí)的密度經(jīng)營(yíng)度度區(qū)間的值為(0.52～0.94)。

為了在日后的營(yíng)林工作方便查表,將密度經(jīng)營(yíng)度劃分成了0.52,0.60,0.70,0.80以及0.94這5個(gè)等級(jí),各徑階的合理密度如表8所示。

表8 洛南縣油松人工林合理經(jīng)營(yíng)密度表Tab.8 Table of reasonable management density of pinustabulaeformis in Luonan County

當(dāng)洛南縣油松人工林密度經(jīng)營(yíng)度DN<0.52 時(shí),林分密度被認(rèn)為不太合理,密度較為稀疏,林分在生長(zhǎng)前期的總體抗性偏小,會(huì)對(duì)其整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生較大的負(fù)面影響,經(jīng)營(yíng)管理時(shí)需采取相應(yīng)措施以增大林分的密度；當(dāng)DN>0.93時(shí),林分的密度結(jié)構(gòu)也屬于不合理狀況,其林中立木分布偏密集,應(yīng)在適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)時(shí)期對(duì)林分采取合適的撫育方式,例如,撫育間伐等。

當(dāng)洛南縣油松人工林密度經(jīng)營(yíng)度DN值處于0.52～0.94之間時(shí),其林分密度被認(rèn)為是合理的。在采取撫育管理的時(shí)候,林分合理的經(jīng)營(yíng)密度會(huì)因?yàn)椴煌慕?jīng)營(yíng)水平、目標(biāo)以及條件等的不同而有著比較大的差異,并且在林木不同的生長(zhǎng)發(fā)育階段和不同徑階的林分條件下,營(yíng)林密度皆有著不同。因此,根據(jù)實(shí)際需求計(jì)算出合理的密度區(qū)間值就顯得尤為重要,它可以為不同經(jīng)營(yíng)類型的森林在采取間伐強(qiáng)度時(shí)提供理論基礎(chǔ)依據(jù)[22]。

4 結(jié)論與討論

4.4 結(jié)論

依據(jù)所調(diào)查樣地中的數(shù)據(jù),選取5種數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行冠幅與胸徑之間回歸關(guān)系的擬合,得到冠幅與胸徑之間的關(guān)系方程式:CD=-0.50669+0.79871×D0.62976,R2為0.987 38,均方殘差為0.017 78。通過(guò)建立胸徑和理論最大密度之間的關(guān)系方程,將樹(shù)冠重疊系數(shù)和理論最大密度相乘,得到修正后的林分最大密度方程。使用密度經(jīng)營(yíng)度公式,計(jì)算出隨機(jī)選取樣地的經(jīng)營(yíng)度,平均值為0.736,最大值為0.981,最小值為0.317。利用半峰寬公式,計(jì)算得到洛南縣油松人工林的密度經(jīng)營(yíng)度合理經(jīng)營(yíng)區(qū)間為(0.52,0.94),算出不同徑階下林分密度的最大值和最小值,根據(jù)所計(jì)算出的數(shù)據(jù),編制出適合洛南縣油松人工林的經(jīng)營(yíng)密度表,可為當(dāng)?shù)氐膿嵊隣I(yíng)林工作提供依據(jù)。

4.4 討論

洛南縣油松人工林林分在撫育間伐時(shí),需要設(shè)計(jì)合理的方案,包括其林分的合理密度,所以在設(shè)計(jì)撫育方案時(shí)應(yīng)將林分合理密度作為一個(gè)很重要的參考指標(biāo)。林分最終收獲量的重要技術(shù)環(huán)節(jié)包括油松適宜經(jīng)營(yíng)密度的計(jì)算這一技術(shù)環(huán)節(jié)[23],以樹(shù)冠的投影面積來(lái)演算是一種簡(jiǎn)單方便且較為合理的方法。本研究利用了樹(shù)冠重疊系數(shù)來(lái)修正以往理論密度偏小的問(wèn)題,但還有不足之處,之后可以對(duì)不同徑階的立木樹(shù)冠可重疊的現(xiàn)象做出更深入的探討,并對(duì)不同徑階下取平均樹(shù)冠重疊系數(shù)K值這一方法加以完善。

在查合理經(jīng)營(yíng)密度表的時(shí)候不用考慮立地條件、林分密度和林分年齡是合理經(jīng)營(yíng)密度表的一個(gè)亮點(diǎn),在使用時(shí)較為方便。在需要進(jìn)行撫育管理作業(yè)時(shí),針對(duì)洛南縣油松人工林的某一塊林分,只需調(diào)查出該林分的平均直徑,并且獲有整個(gè)林分的現(xiàn)有密度數(shù)據(jù),就可通過(guò)制定的合理密度表,查出該林分所對(duì)應(yīng)徑階與經(jīng)營(yíng)度下的合理的保留株數(shù),將之與現(xiàn)有林分密度作比較就可確定出此林分是否需要進(jìn)行撫育作業(yè)或是補(bǔ)植栽種等情況。例如,在洛南縣山區(qū)有一油松人工林林分,調(diào)查得其平均直徑為10.4cm,則其林分所對(duì)應(yīng)的徑階為10cm,現(xiàn)實(shí)林分密度為2 180株/hm2,查閱合理密度表(表8)可得出,當(dāng)林分的平均直徑處于10.4cm時(shí),其林分密度情況如下:密度經(jīng)營(yíng)度在0.52時(shí)應(yīng)為1 321株,0.60時(shí)應(yīng)為1 524株,0.70時(shí)應(yīng)為1 778株,0.80時(shí)應(yīng)為2 032株,0.94時(shí)應(yīng)為2 387株。這說(shuō)明密度經(jīng)營(yíng)度在0.52～0.80時(shí),該林分的密度過(guò)大,需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿嵊g伐,可間伐148～859株樹(shù)；在經(jīng)營(yíng)度為0.94時(shí),則可以根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)植,補(bǔ)植株數(shù)為207株。

在林分前期的生長(zhǎng)發(fā)育階段,過(guò)密的林分在進(jìn)行第一次撫育間伐作業(yè)時(shí),其間伐強(qiáng)度不能為一次性到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)而過(guò)大,應(yīng)該讓林分緩慢過(guò)渡,直到適應(yīng)。

本試驗(yàn)的不足之處在于,油松人工林的生長(zhǎng)受到多方面的影響,本研究?jī)H從林分密度和立地方面進(jìn)行了分析,而有關(guān)林分空間配置和林分結(jié)構(gòu)方面還有待進(jìn)一步研究,因此,本研究不能完全反映洛南縣油松人工林的實(shí)際情況,但是可以為后續(xù)研究提供參考。