木荷次生林經(jīng)營密度調(diào)控技術(shù)的研究

劉發(fā)林，曾思齊，呂 勇，劉勉聲，肖化順，彭其龍，劉 玉

(中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004)

木荷次生林經(jīng)營密度調(diào)控技術(shù)的研究

劉發(fā)林，曾思齊，呂 勇，劉勉聲，肖化順，彭其龍，劉 玉

(中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004)

為了提高次生林的經(jīng)營水平，提出了競爭結(jié)構(gòu)單元的新概念，以地上部分生物量為因變量，郁閉度為自變量，模擬木荷次生林地上部分生物量與郁閉度間關(guān)系。結(jié)果表明：林分地上部分生物量達(dá)最大時(shí)，林分的郁閉度為0.685 4；若控制郁閉度為0.68，競爭結(jié)構(gòu)單元面積越大，競爭結(jié)構(gòu)單元越少；競爭結(jié)構(gòu)單元面積最大時(shí)，單位面積林分最少保留株數(shù)等于最少競爭結(jié)構(gòu)單元個(gè)數(shù)與每個(gè)競爭結(jié)構(gòu)單元林木株數(shù)（5株）的積。以木荷標(biāo)準(zhǔn)地資料為例計(jì)算了木荷次生林撫育間伐強(qiáng)度，表明基于競爭結(jié)構(gòu)單元的撫育間伐技術(shù)可在次生林經(jīng)營中推廣。

木荷次生林；經(jīng)營密度調(diào)控；撫育強(qiáng)度；競爭結(jié)構(gòu)單元

林分密度調(diào)控是森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營的關(guān)鍵技術(shù)之一。通過適時(shí)適度調(diào)整林分密度，可改善林木干形，促進(jìn)林木直徑、材積生長和生物量積累[1]。大量試驗(yàn)研究表明，密度對林分生長有一定的制約作用，即林分密度效應(yīng)，研究學(xué)者先后構(gòu)建了平均胸高直徑、平均胸高斷面積、平均單株材積、單位面積蓄積等個(gè)體或群體的大小間關(guān)系模型，如密度效應(yīng)拋物線模型、密度效應(yīng)倒數(shù)模型、密度效應(yīng)乘冪模型、直徑（斷面積）密度效應(yīng)倒數(shù)模型等[2-6]，這些模型指導(dǎo)森林經(jīng)營密度調(diào)控。如程煜等[7]曾經(jīng)應(yīng)用密度效應(yīng)模型擬合了馬尾松人工林的密度效應(yīng)和蓄積收獲模型。江希鈿等[8]利用單純形法模擬柳杉密度效應(yīng)新模型，經(jīng)驗(yàn)證模型能較好地模擬柳杉人工林密度效應(yīng)，且優(yōu)于二次效應(yīng)模型和密度效應(yīng)倒數(shù)式模型。葉秀妹等[9]利用回歸分析模型模擬了天然黃山松林分密度效應(yīng)，證明了Conb-Douglas函數(shù)可用來研究不同立地及不同發(fā)育階段的林分密度效應(yīng)。葉紹明等[10]利用不同密度尾葉桉林分標(biāo)準(zhǔn)地資料，把優(yōu)勢高作為變量因子引入密度效應(yīng)，建立了拋物線式模型，模型可以反映不同立地和不同發(fā)育階段的密度效應(yīng)，通過模型可以求解不同立地尾葉桉林分最適宜密度。王洪英等[11]利用生物量密度效應(yīng)模型對黃土高原木荷人工林密度效應(yīng)進(jìn)行過探討研究。綜上分析，前人對林分密度效應(yīng)的研究主要集中于人工林，然而對次生林密度效應(yīng)的研究相對較少。本研究以炎陵縣青石岡國有林場木荷次生林為研究對象，根據(jù)林分競爭結(jié)構(gòu)單元分析、模擬地上部分生物量與郁閉度的關(guān)系，控制林分郁閉度，通過密度調(diào)控使次生林生態(tài)系統(tǒng)維持在理想的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，對森林可持續(xù)經(jīng)營具有重要的理論價(jià)值和實(shí)踐推廣意義。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在炎陵縣青石岡國有林場，位于東經(jīng) 113°34′45" ～ 114°07′15″、 北 緯 26°03′03" ～26°38′30"之間。林場屬于中亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，中山地貌，成土母質(zhì)母巖以花崗巖為主，海拔800～1 200 m，為黃棕壤。全場現(xiàn)有林地面積28 026.2 hm2，活立木蓄積約1 578 806 m3，其中闊葉林面積為8 595 hm2，蓄積為650 823 m3，森林覆蓋率95.26%，木荷Schima superba、楓香Liquidambar formosana、青岡櫟Cyclobalanopsis glauca等為群落主要組成樹種，主要分布在海拔1 600 m以下。森林植被類型可分為9個(gè)植被型22個(gè)群系（叢），維管束植物共有2 019種，其中資源冷杉Abies ziyuanensis、銀杏Gingo Biloba、南方紅豆杉Taxus chinensis、南方鐵杉Tsuga dumosa等均在本區(qū)呈大面積野生分布。

2 研究方法

2011年3～11月，在研究區(qū)選擇不同密度的木荷次生林，設(shè)置形狀與大小為20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)地35塊；采用標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查方法對試驗(yàn)林進(jìn)行調(diào)查，在標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)進(jìn)行每木調(diào)查。將標(biāo)準(zhǔn)地的每木調(diào)查結(jié)果按等徑級(jí)分為3～5級(jí)，各徑級(jí)選取1～3株平均木，共計(jì)75株樣木，伐倒平均木進(jìn)行生物量調(diào)查。采用全稱重法測定林木樹干生物量、標(biāo)準(zhǔn)枝法測定枝葉生物量。

3 結(jié)果與分析

3.1 木荷地上部分生物量與郁閉度之間的關(guān)系

根據(jù)木荷林分標(biāo)準(zhǔn)地及標(biāo)準(zhǔn)木調(diào)查數(shù)據(jù)，對總生物量與郁閉度之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行擬合，建立總生物量（W總）與郁閉度（P）之間的回歸方程，即W總= -18.453 1+101.807 8P-74.268 9P2，r =0.854。木荷次生林地上部分生物量與郁閉度之間呈拋物線關(guān)系。根據(jù)林分平均胸徑與林分密度的相關(guān)關(guān)系可知，隨著林分密度的增大，林分單木胸徑變小，林分郁閉迅速，林木枝生長受阻，因此需要對林分采取適度撫育間伐，保證林分適宜的生長空間，實(shí)現(xiàn)經(jīng)營目標(biāo)。通過求導(dǎo)可以得出：郁閉度等于0.685 4時(shí)，林分地上部分生物量W總達(dá)最大。但是，隨著林分平均胸徑和樹高的生長，導(dǎo)致林分郁閉度增加，因此，要使木荷次生林林分生物量達(dá)到最大，在經(jīng)營過程中控制木荷次生林林分的郁閉度保持在0.685 4。

3.2 基于競爭結(jié)構(gòu)單元的木荷次生林最少保留密度

競爭結(jié)構(gòu)單元定義為以對象木為中心，其4個(gè)象限內(nèi)各選一株與對象木最鄰近的林木作為競爭木，對象木與4株競爭木組成結(jié)構(gòu)單元。對象木4個(gè)象限內(nèi)最鄰近的4株競爭木圍成的平面四邊形的面積稱為競爭結(jié)構(gòu)單元面積（見圖1）。

圖1 競爭結(jié)構(gòu)單元Fig.1 Competitive structural units

如圖1（a）所示，A為對象木，B、C、D、E分別為對象木各象限內(nèi)最鄰近競爭木，∠1、∠2、∠3、∠4分別代表∠BAC、∠CAD、∠DAE、∠EAB。AB、AC、AD、AE分別為對象木與4株競爭木的水平距離。因?yàn)楦偁幗Y(jié)構(gòu)單元構(gòu)成平面四邊形，而對象木與4株競爭木的距離聯(lián)線把競爭結(jié)構(gòu)單元分成4個(gè)任意三角形。所示平面圖1中，競爭結(jié)構(gòu)單元中已知對象木與4株競爭木的距離，令：|AB|=d1、|AC|=d2、|AD|=d3、|AE|=d4，那么當(dāng)且僅當(dāng)時(shí)，(SBCDE)max成立。所以，當(dāng)E、A、C 3株林木共線和B、A、D 3株林木共線且相互垂直時(shí)，競爭結(jié)構(gòu)單元面積最大。如圖1（b）所示，如果競爭木C和E再無限靠近對象木A，最終結(jié)果為A、C、E同株，此時(shí)與競爭結(jié)構(gòu)單元的定義不符了，就要重新選擇鄰近木作為競爭木。因此，平面四邊形面積有最大值，其面積有下界但沒有最小值。

競爭結(jié)構(gòu)單元面積最大時(shí)，單位面積（hm2）上的競爭結(jié)構(gòu)單元的個(gè)數(shù)最少，而每個(gè)競爭結(jié)構(gòu)單元林木的容納量為5株，則單位面積林分最少保留株數(shù)等于最少競爭結(jié)構(gòu)單元個(gè)數(shù)與每個(gè)競爭結(jié)構(gòu)單元林木的株數(shù)（5株）的積。

假設(shè)對象木與競爭木的平均冠幅半徑為R，L為對象木與其相鄰4株競爭木距離的平均值。根據(jù)林分郁閉度的定義可知：P=2R/L，若控制以生物量最大為經(jīng)營目標(biāo)的木荷次生林的郁閉度為0.68，根據(jù)郁閉度的定義，則平均冠幅半徑R和對象木與其相鄰4株競爭木距離的平均值L有以下關(guān)系。由0.68=2R/L可知，L=R/0.34。競爭結(jié)構(gòu)單元面積最大值與競爭結(jié)構(gòu)單元平均冠半徑的函數(shù)：(SBCDE)max=2L2=2(R/0.34)2=17.301R2。根據(jù)此函數(shù)可得不同競爭結(jié)構(gòu)單元平均冠半徑對應(yīng)的林分密度，即林分最少保留密度見表1。

因此，根據(jù)現(xiàn)實(shí)林分的競爭結(jié)構(gòu)單元的平均冠半徑，查表1得知林分的最少保留株數(shù)，因而估算撫育間伐的最大強(qiáng)度。

3.3 木荷次生林現(xiàn)實(shí)林分撫育強(qiáng)度

隨機(jī)抽取研究區(qū)木荷標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)林分內(nèi)現(xiàn)實(shí)林木株數(shù)（簡稱為N現(xiàn)實(shí)），求得木荷次生林平均冠半徑，通過查定木荷次生林最少保留密度表，可得標(biāo)準(zhǔn)地所在林分最少保留密度（簡稱為N最少）。根據(jù)生物量最大的最少保留密度的內(nèi)涵，可知：

若N最少＞N現(xiàn)實(shí)，說明現(xiàn)實(shí)林分密度低于最少保留密度，需要在林內(nèi)補(bǔ)植林木，最少補(bǔ)植數(shù)量為N最少與N現(xiàn)實(shí)之差。

表1 木荷林分最少保留密度Table1 Least reserved density of Schima superba stand

若N最少＜N現(xiàn)實(shí)，說明現(xiàn)實(shí)林分密度偏大，林木比較擁擠，進(jìn)行撫育間伐，最大間伐數(shù)量為N現(xiàn)實(shí)與N最少之差。

以19號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地為例計(jì)算木荷次生林林分撫育間伐強(qiáng)度。形狀和大小為20 m×20 m的19號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)共計(jì)94株林木。根據(jù)19號(hào)標(biāo)準(zhǔn)地每木檢尺數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)林分平均冠半徑為1.2 m，查表1得知，單位面積林分內(nèi)最少保留株數(shù)為2 010 株/hm2，則該樣地上最少保留密度約為81株，即N最少＜N現(xiàn)實(shí)，因此，最大間伐株數(shù)=N現(xiàn)實(shí)-N最少=94-81=13，最大株數(shù)撫育強(qiáng)度為13.8%。

4 結(jié)論與討論

人工純林的撫育間伐強(qiáng)度研究相對成熟，一般根據(jù)林分測樹因子（胸徑、樹高、胸高斷面積、蓄積等）生長規(guī)律確定撫育方案，而對于次生林的撫育強(qiáng)度研究鮮見報(bào)道。通過擬合木荷次生林林分地上部分生物量與郁閉度的關(guān)系模型，提出競爭結(jié)構(gòu)單元面積，建立最大競爭結(jié)構(gòu)單元面積與競爭結(jié)構(gòu)單元平均冠半徑的函數(shù)，得到不同競爭結(jié)構(gòu)單元平均冠半徑對應(yīng)的林分密度，即林分最少保留密度表，為次生林撫育間伐提供理論參考。

運(yùn)用林分最少保留密度表能夠獲得在不同競爭格局、林分密度、林木大小下的撫育強(qiáng)度。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)地林分試驗(yàn)證明，計(jì)算林分中競爭結(jié)構(gòu)單元的平均冠半徑，再查定對應(yīng)林分的最少保留密度表，根據(jù)現(xiàn)實(shí)林分的密度與最少保留密度之間的關(guān)系，確定次生林是否需要進(jìn)行撫育，如需撫育則確定最大撫育強(qiáng)度。撫育方案合理，能夠較好地滿足對林分實(shí)施撫育間伐的預(yù)期要求，克服了憑經(jīng)驗(yàn)制定撫育間伐強(qiáng)度的方案。

基于競爭結(jié)構(gòu)單元的最大撫育強(qiáng)度計(jì)算方法簡單，操作方便，不需要砍伐解析木，浪費(fèi)森林資源。另一方面如果因林木冠幅信息采集不方便和精度不高，可以通過林木冠幅與胸徑的相關(guān)關(guān)系，把表1轉(zhuǎn)換為競爭結(jié)構(gòu)單元平均胸徑與最少保留株數(shù)的相關(guān)表。

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Study on density control technology of Schima superba secondary forest

LIU Fa-lin, ZENG Si-qi, LU Yong, LIU Mian-sheng, XIAO Hua-shun, PENG Qi-long, LIU Yu

(Central South University of Forestry & Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

∶ In order to improve the management level and provide management basis of secondary forests, a new concept of competitive structural unit was put forward. Aboveground biomass was taken as the dependent variable, canopy density was taken as the independent variable, the relationship between aboveground biomass and canopy density of Schima superba secondary forest was simulated. The results show as followings: the biomass reached the maximum value when canopy density was 0.685 4; if the canopy density was controlled at 0.68, the area of competitive structural unit was more larger, the number of competitive structural unit was less, each competitive structural unit had five trees. When the competitive structural unit area reached the maximum value, the least reserved density equaled to the number of competitive structural unit multiplied by five. Sample plot had been taken as an example to calculate thinning intensity of Schima superba secondary forest. It showed that thinning technology which based on competitive structural unit can be extended in secondary forest management.

∶ Schima superb secondary forest; density regulation; thinning intensity; competitive structural unit

S711；S753.7

A

1673-923X(2013)11-0026-03

2013-04-24

國家林業(yè)局林業(yè)公益性行業(yè)項(xiàng)目“南方集體林區(qū)次生林撫育間伐與高效利用技術(shù)研究”(201004032)；湖南省教育廳項(xiàng)目：“木荷天然次生林競爭生長規(guī)律研究”（13C1155）

劉發(fā)林（1975-），男，湖南株洲人，講師，博士，從事森林經(jīng)理教學(xué)與科研工作；E-mail：liufl680@126.com

[本文編校：謝榮秀]