基于標(biāo)準(zhǔn)枯死率的蒙古櫟天然林健康分析

王卓暉，張文濤，謝遵俊，徐浩然，劉英龍，任增君，高文強(qiáng)

(1.長白山森工集團(tuán)有限公司汪清林業(yè)分公司，吉林 汪清 133200；2.中國林業(yè)科學(xué)研究院資源信息研究所，北京 100091)

近年來，森林健康已成為各方關(guān)注的熱點(diǎn).關(guān)于森林健康的定義很多[1]，但仍然沒有一個被普遍認(rèn)可的明確定義.盡管定義不同，但基本都包括了生物多樣性，植物枯死、更新和生長間平衡，以及脅迫因子和干擾后恢復(fù)能力等內(nèi)容[2].其中，可持續(xù)性已成為一個被認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，即健康的森林必然是可持續(xù)的，但可持續(xù)性評價常受到主觀影響[3].實際上，可持續(xù)性可用直徑結(jié)構(gòu)來反映，即通過比較觀測枯死和維持理想結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)枯死的關(guān)系來度量，反映的是林木生長和死亡的平衡.MANION和GRIFFIN 基于de Liocourt法則提出：一個健康、穩(wěn)定和成熟的生態(tài)系統(tǒng)應(yīng)可以通過生長和枯死的關(guān)系來維持一個穩(wěn)定的直徑結(jié)構(gòu)，即標(biāo)準(zhǔn)枯死(Baseline mortality，BM)[4].這一概念已經(jīng)用于基于定量生態(tài)學(xué)的森林健康評價[5]，但我國對此還未見報道.本文引入“標(biāo)準(zhǔn)枯死率”概念，并以長白山森工集團(tuán)有限公司汪清林業(yè)分公司為例，分析景觀尺度天然蒙古櫟(Quercusmongolica)林健康狀況，以期為森林健康評價和經(jīng)營提供參考依據(jù).

1 標(biāo)準(zhǔn)枯死率概念及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

作為比較新的一種森林健康定量評價方法，標(biāo)準(zhǔn)枯死率是指維持穩(wěn)定的大小(直徑)結(jié)構(gòu)需要統(tǒng)計的各徑級枯死木株數(shù)比例.通過在景觀尺度抽樣，利用直徑分布模型模擬各徑級標(biāo)準(zhǔn)枯死率，并通過與林分各徑級實際枯死率比較評價森林健康狀況.當(dāng)觀測到的各徑級枯死率高于標(biāo)準(zhǔn)枯死率時，意味著存在健康和可持續(xù)問題，隨著林分生長，進(jìn)入大徑級的樹木較少；當(dāng)觀測到的各徑級枯死率低于標(biāo)準(zhǔn)枯死率時，意味著結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，因為有較多的樹木存活，生長進(jìn)入下一徑級，從而加劇了種內(nèi)競爭.因此，通過調(diào)整林分結(jié)構(gòu)可以使枯死率高于標(biāo)準(zhǔn)枯死率，達(dá)到平衡狀態(tài)[4，6].

理想的異齡林各徑級株數(shù)按常量q遞減，即符合負(fù)指數(shù)分布[7]：

N=k·e-βD，

(1)

或

lnN=a-βD，

式中：N為徑階D的株數(shù)；k、a、β為參數(shù).對于固定徑級寬度，相鄰徑級株數(shù)比(存活率)為常數(shù)，即

式中：Ni+1、Ni分別為徑階Di+1、Di的株數(shù)；ΔD為徑階寬度；q為前一徑階和相鄰下一徑階的株數(shù)比，即異齡林典型的倒“J”形分布的q值.維持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)枯死率：

(2)

利用樣地調(diào)查數(shù)據(jù)，通過擬合方程(1)得到參數(shù)β，再由式(2)可以得到各徑級的標(biāo)準(zhǔn)枯死率BM.通過各徑級實際枯死率和標(biāo)準(zhǔn)枯死率χ2檢驗，判斷二者是否差異顯著，從而分析、評價森林健康狀況.

利用標(biāo)準(zhǔn)枯死率評價森林健康狀況有幾個重要前提[6]：1)為了最大限度地消除單個林分的特殊性影響，該方法只適用于景觀尺度，因為在景觀以下尺度，存在對大徑級樹木的抽樣不足問題[5]；2)該方法假定在存活木生長進(jìn)入下一徑級的同時枯死木可以辨別，即當(dāng)確定最合適的徑級寬度時，樹木生長率和死亡后的分解速度要同時考慮；3)實際觀測到的枯死應(yīng)包括采伐等各種原因?qū)е碌臉淠舅劳觯?)應(yīng)了解森林的經(jīng)營和自然干擾歷史及組成樹種的生態(tài)學(xué)特征，從而使結(jié)果的解釋具有生態(tài)學(xué)和林學(xué)含義.

圖1蒙古櫟樣地分布Fig.1Plot distribution of Mongolian oak

2 基于標(biāo)準(zhǔn)枯死率的蒙古櫟林健康分析

2.1 數(shù) 據(jù)

數(shù)據(jù)為長白山森工集團(tuán)有限公司汪清林業(yè)分公司1997年和2007年兩次森林資源二類調(diào)查中的復(fù)位樣地數(shù)據(jù)，按系統(tǒng)抽樣布設(shè).樣地面積0.06 hm2，共獲得蒙古櫟有效固定樣地202塊，均為天然林.樣地分布見圖1.在外業(yè)調(diào)查中，測定的林分因子包括地類、立地類型、林種、權(quán)屬、地理位置、優(yōu)勢樹種年齡、郁閉度、坡度、坡向、海拔、下木、地被等；樣木測定因子包括樹種、胸徑、樹高(每個樣地選取3株平均木進(jìn)行測量)、樣木類別.樣地基本因子統(tǒng)計量見表1.

表1 樣地因子統(tǒng)計量Tab.1 Basic statistics of sample plot

2.2 蒙古櫟林健康分析

2.2.1 組成樹種的生長量與枯死率

在所有202塊蒙古櫟樣地中共測定樣木19 832株，其中，枯死木3 060株(含采伐木)，占總數(shù)的15.43%.除蒙古櫟外，組成樹種還包括白樺(Betulaplatyphylla)、楓樺(Betulacostata)、紫椴(Tillaamu-rensis)、色木(Acermono)、春榆(Ulmuspropinqua)、青楊(Populusussuriensis)、紅松(Pinuskoraiensis)、長白落葉松(Larixolgensis)等.各樹種年生長量和枯死率見表2.由表2可見：全林分平均年直徑生長量為0.152 cm，年枯死率為1.54%.不同樹種間年生長量和枯死率存在較大差異且變動較大：紅松和落葉松年生長量較大，闊葉樹的枯死率高于針葉樹.采伐株數(shù)占枯死株數(shù)的23.1%，最高為落葉松，其他為蒙古櫟>白樺>色木>青楊>紅松>紫椴>春榆.

表2 主要組成樹種的年生長量與枯死率

2.2.2 基于標(biāo)準(zhǔn)枯死率的森林健康分析

將所有樹木按2 cm徑階分組，對式(1)進(jìn)行擬合，結(jié)果見表3.由于紅松和落葉松株數(shù)較少，不參與建模，僅分析闊葉樹.全林分及各樹種(組)直徑分布見圖2，實測枯死率和標(biāo)準(zhǔn)枯死率見圖3.由圖2、表3可見：全林分、蒙古櫟、其他闊葉樹均表現(xiàn)出典型的倒“J”形分布，決定系數(shù)均在0.97以上，q在1.27～1.48.

圖2全林分及各樹種(組)直徑分布Fig.2Diameter class distribution of whole standand tree species圖3全林分及各樹種(組)實測枯死率和標(biāo)準(zhǔn)枯死率Fig.3Observed and baseline mortality rate of whole stand and tree species

表3 負(fù)指數(shù)分布參數(shù)與統(tǒng)計量Tab.3 Parameter and statistics of negative exponent distribution

由圖3可見：全林分和蒙古櫟枯死木分布大致呈現(xiàn)“U”形，即小徑級和大徑級樹木枯死率較高；除采伐引起的24 cm徑級枯死率較高外，其他闊葉樹各徑級基本一致.全林分、蒙古櫟和其他闊葉樹維持穩(wěn)定林分結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)枯死率分別為22.452%、21.366%和31.165%，全林分和蒙古櫟小徑級的實際枯死率大于標(biāo)準(zhǔn)枯死率.χ2檢驗結(jié)果表明，實際枯死率均顯著低于標(biāo)準(zhǔn)枯死率(P<0.01，表3).由此可知：現(xiàn)有的蒙古櫟林分整體上處于非健康和平衡狀態(tài)，林分結(jié)構(gòu)仍處于發(fā)展變化中，即林分密度和斷面積可能會繼續(xù)增加.從齡組分布來看，幼、中齡林占樣地總數(shù)的68%以上，這可能與該區(qū)域開展的經(jīng)營活動有關(guān).該研究區(qū)曾為典型的過伐林區(qū)，歷史上曾進(jìn)行過較大強(qiáng)度采伐，自“天然林保護(hù)工程”實施以來，森林資源得到逐步恢復(fù)，10 a間僅有11%的樣地有采伐活動.

3 結(jié)論與討論

森林健康通常通過觀測樹冠狀況(如落葉和褪色)進(jìn)行評估[8-9]，但常會受到調(diào)查人員的主觀影響.而枯死是一個客觀指標(biāo)，比較容易判定.從可持續(xù)性看，為了保持穩(wěn)定的林分結(jié)構(gòu)，各徑級必須有一定的枯死率，從而為保留木創(chuàng)造一定的生長空間，使其進(jìn)入下一徑級，標(biāo)準(zhǔn)枯死率正是基于各徑級生長和死亡的關(guān)系來判斷森林的可持續(xù)性.通過景觀尺度的樣地監(jiān)測，得到實際枯死率，與通過模型擬合得到的標(biāo)準(zhǔn)枯死率進(jìn)行比較，來評價森林健康狀況(可持續(xù)性).這種方法也被應(yīng)用于美國北部森林健康評價，認(rèn)為糖楓(Acersaccharum)種群枯死率呈倒“J”形分布，屬于健康可持續(xù)森林，而美國白松(Pinusstrobus)種群觀測枯死率顯著高于標(biāo)準(zhǔn)枯死率，為不穩(wěn)定/健康森林[6].本研究通過對長白山森工集團(tuán)有限公司汪清林業(yè)分公司202塊蒙古櫟樣地的實際枯死率和標(biāo)準(zhǔn)枯死率比較，發(fā)現(xiàn)實際枯死率顯著低于標(biāo)準(zhǔn)枯死率.因此，可以判斷目前研究地的蒙古櫟林仍處于不健康狀態(tài).由于沒有記錄枯死原因，所以無法進(jìn)行進(jìn)一步分析.需要說明的是，在應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)枯死率評價森林健康狀況時，要注意其應(yīng)用前提，尤其是景觀尺度的取樣要與森林經(jīng)營歷史相聯(lián)系.因此，可以針對現(xiàn)有林分狀況，結(jié)合經(jīng)營歷史，通過有效的森林經(jīng)營措施來調(diào)整森林結(jié)構(gòu)(包括組成和大小)，改善林分條件，使蒙古櫟林達(dá)到健康穩(wěn)定狀況.本研究可以為制定森林經(jīng)營措施提供科學(xué)指導(dǎo).