天然林撫育經(jīng)營技術研究現(xiàn)狀與展望

肖化順，曾思齊，歐陽君祥，劉發(fā)林

（1.中南林業(yè)科技大學，湖南 長沙 410004；2.國家林業(yè)局 調查規(guī)劃設計院，北京100714）

天然林是指自然起源，未經(jīng)人為干擾或人為干擾較輕，仍然保持較好自然性的森林。根據(jù)演替階段的不同，天然林分為原始林、原生次生林和次生林。全國天然林面積15 081萬hm2，天然林分面積11 583 萬hm2，占全國喬木林面積的69.9%；林分蓄積1 140 207萬m3，占全國活立木蓄積85.3%[1]。因此天然林一直是我國森林資源的主體。本文中主要論述了天然林林分結構規(guī)律和林木生長過程、撫育經(jīng)營、更新演替研究現(xiàn)狀，指出了天然林撫育經(jīng)營技術的發(fā)展趨勢，有利于明確天然林資源的保育利用和經(jīng)營管理技術措施，實現(xiàn)天保工程區(qū)森林可持續(xù)經(jīng)營。

1 天然林結構規(guī)律與生長規(guī)律研究

1.1 天然林分類與結構規(guī)律

天然林分類與結構研究是天然林撫育經(jīng)營的技術基礎，天然林的森林類型的劃分主要有二種分類技術，其一是依據(jù)林分的優(yōu)勢樹種，把具有相同的優(yōu)勢樹種或具有相似生物學特性優(yōu)勢樹種的林分劃分為一個一級類。在一級分類界定過程中，一般以全國森林資源連續(xù)清查所劃分的優(yōu)勢樹種種類為基礎，根據(jù)實際情況及樹種的生物學特性，如長江中上游的天然林分劃成16個主要一級類：冷杉群落類、云杉群落類、落葉松群落類、馬尾松群落類等[2]；其二是利用生物多樣性的重要值百分比大于一定閾值的樹種作為組成次生林的優(yōu)勢樹種的標準，依此歸并區(qū)域內(nèi)地帶性天然林類型，重要值指標有相對頻度、相對多度、相對顯著度等[3]。

對天然林林分結構的研究我國于20世紀80年代起步，多為東北地區(qū)天然林分的空間結構[4]、林冠斑塊特征[5]、林隙動態(tài)更新[6-7]等方面。主要集中在林分競爭、直徑大小、徑階分布、林分密度、樹高和材積等林分結構特征指標[8-10]。對于直徑分布模型模擬，主要運用了正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、Weibull分布等函數(shù)。近年來，Weibull分布在模擬直徑分布模型中應用得最為普遍，這主要是因為Weibull分布函數(shù)能清楚直觀地解釋其參數(shù)意義。也有根據(jù)它們在林分直徑分布中所代表的分布形式來選擇最佳的分布方程或者針對已有方程進行一些參數(shù)上的改進，提高模型模擬的精度水平[11]。方差/均值比這個與距離無關的指數(shù)在研究天然林空間分布格局及其動態(tài)的過程中也得到了廣泛的應用。胡遠滿[12]、梁華[13]、崔艷秋[14]、何宗明[15]、陳彤[16]等都應用了該指數(shù)來分析某種天然林分的空間分布格局；目前利用大小比數(shù)、混交度、角尺度等指標開展林分結構的研究報道也相對較多[17]。

天然林作為混交異齡林，在研究林分結構過程中不能僅僅考慮林分中某一個樹種的作用，而需要更多的關注不同樹種間的關系及其合理性。張蕓香等[18]以關帝山有代表性的高中山地混交林為研究對象，分析混交林的樹種結構、年齡結構、更新演替和林層結構等，以論證混交林結構的合理性。不論是人工林還是天然林，也不論是同齡林還是異齡林，直徑結構是最重要、最基本的林分結構，林分直徑的分布規(guī)律與分布狀態(tài)，對林木的樹高因子、樹干干形因子、材種與出材率、枝下高、冠幅因子等有顯著影響。T.W.Daniel[19]對于天然異齡林直徑分布研究中發(fā)現(xiàn)，其直徑分布規(guī)律大為近似雙曲線的倒J型曲線，林分的林冠不整齊且不勻稱，林分中最小徑階的林木株數(shù)常常最多，依徑階逐步增大，林木株數(shù)數(shù)量下降顯著，達到一定徑階后，株數(shù)減少幅度趨于穩(wěn)定。因人為干擾或自然災害僅保存少量林木,其后由更新生長形成的林分及群狀同齡林的林分直徑分布呈不規(guī)則的近似反J型分布曲線，對于復層結構的天然異齡林，直徑結構呈雙峰山狀；對于林冠層次結構不齊整的異齡林分，則呈不規(guī)則的山狀結構。H.H.斯瓦洛夫[20]研究了前蘇聯(lián)遠東地區(qū)的落葉松、云杉、松樹林分直徑結構，得到的規(guī)律為不對稱山狀曲線，且曲線偏度與林分密度呈正比，與林分直徑數(shù)學平均值呈反比。對于林分最優(yōu)結構的研究方面，Chang和Michie[21]以獲取最大林木經(jīng)濟收益為目標確定異齡林的最優(yōu)林分結構和擇伐周期，Chang認為林分的擇伐周期和立木度確定的最佳方法是林價模型；Haight[22]和 Daniel[23]對異齡林的收獲調整、樹種結構調整等方面也分別做過優(yōu)化規(guī)劃方案。

1.2 天然林生長過程

林分生長過程總是以全林分模型來描述，全林分模型是一組方程，包括直徑、斷面積、蓄積量等測樹因子的生長預估模型。根據(jù)是否將林分密度作為自變量，全林分模型又可以分為固定密度的全林分模型和可變密度的全林分模型。但是由于天然林基本都為異齡混交林，其全林分的生長過程不能簡單的由單木生長相加起來，還需要更多的分析林分中各株林木之間的影響關系，才能更準確地反應天然林全林分的生長過程。我國從20世紀70年代后期開始了有關林分生長和收獲模型的系統(tǒng)研究，研究對象多為同齡純林和人工林，由于天然異齡混交林的研究要比純林的研究所要考慮的因素多而復雜，對天然異齡混交林的研究尚屬少見。全林分模型首先建立林分各主要調查因子(如：平均直徑、平均樹高、林分斷面積、林分蓄積等)之間基本關系的相容模型系，再結合林分密度(CCF)動態(tài)預測模型和枯損模型就可以預估天然林林分生長和收獲量，進而為建立森林經(jīng)營規(guī)劃模型提供森林資源的動態(tài)信息。對于未受干擾的天然林分來說，林分直徑、斷面積和蓄積的生長預估模型要達到良好的擬合效果，主要應包括年齡、立地質量指標和林分密度指標這三個自變量。通常采用的數(shù)學模型有Chapman-Richards方程、Korf方程和Schumacker生長曲線。

學者張少昂[24]按不同的地位指數(shù)，利用Richards生長方程，引入林分密度指數(shù)建立興安落葉松天然林林分斷面積預估模型；胡曉龍[25]利用林分立地指數(shù)，疏密度因子，建立了多形長白落葉松林分斷面積生長模型。唐守正和雷向東[26]認為，全林分模型對于人工同齡林適用擬合精度高，對于天然林用較少的林分變量因子來描述整個林分的特征其精度較低。研究過程中要提高全林分模型在異齡混交林中應用的適用性及精度。章時運[27]、郭正剛和吳秉禮[28]基于灰色系統(tǒng)的理論與方法探討灰色模型在林分模型中的應用；林輝和彭長輝[29]、黃家榮等[30]、馬翔宇等[31]建立了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的森林生長模型；李永慈等[32]、雷相東等[33]及李春明[34]提出了林分生長的混合效應模型。

2 天然林撫育經(jīng)營模型

森林撫育是基于森林演替、森林干擾、生長階段性和資源競爭、林分稀疏、林分密度調控等理論基礎上的。撫育經(jīng)營的目的有林分密度調整、樹種組成與植物配置、土壤養(yǎng)分與水分改善、林木生長發(fā)育的生態(tài)條件改進，還包括森林的培育周期，木材質量和工藝價值的改變，以促進森林主導功能和森林多功能的充分發(fā)揮。撫育是森林可持續(xù)經(jīng)營的重要組成部分，是提高森林質量的重要環(huán)節(jié)，是建設生態(tài)文明社會的重要工作。天然林撫育經(jīng)營是提高我國生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、森林資源質量，增強生物多樣性與穩(wěn)定性的重要途徑。森林撫育是指有林地上林分成熟前圍繞培育目標所采取的各種營林措施的總稱，包括撫育采伐、補植、修枝、澆水、施肥、人工促進天然更新以及視情況執(zhí)行的割灌、割藤、除草等輔助作業(yè)活動。天然林的撫育經(jīng)營，主要是通過擇伐優(yōu)化林分的空間結構。

2.1 國外天然林撫育經(jīng)營模型

從20世紀80年代就有國外學者研究森林空間優(yōu)化經(jīng)營模型。其中景觀水平上，有物種多樣性保護最大覆蓋模型、資源優(yōu)化配置模型等；林分水平上，提出林分空間結構指數(shù)和林分擇伐空間優(yōu)化經(jīng)營模型。而對于以提高森林收獲量為目的的人工林撫育技術體系的研究較天然林更多些[35]。德國首先研究提出的林分空間結構優(yōu)化經(jīng)營模型，用以導向可持續(xù)經(jīng)營，如疏伐模擬專家系統(tǒng)Tincon[36]和空間生長模擬模型SILVA。Tincon系統(tǒng)包括混交度指標、林木分化指標和分布格局指數(shù)，目標函數(shù)多為經(jīng)濟指標，少數(shù)為生態(tài)學指標，重點對天然林的經(jīng)營措施進行評價和優(yōu)化?？臻g生長模擬模型系統(tǒng)SILVA用于分析林分結構動態(tài)、林分生長模擬、以及采伐利用方式對混交林空間結構的影響，重構林分三維空間結構，目標函數(shù)為木材收獲量和木材質量；這兩大系統(tǒng)側重于經(jīng)營措施與結構關系，是迄今為止林學界公認的較為完善的林分經(jīng)營空間決策系統(tǒng)。在林分空間結構優(yōu)化方面，Pukkala T[37]在不考慮樹種混交的情況下，建立林分擇伐空間優(yōu)化模型，把直徑分布和擇伐周期的可選變量應用于整個林分，研究目的是林分擇伐，能否趨向穩(wěn)定的異齡林、同齡林或其它格局，采用的方法是確定采伐木和保留木的相對坐標，把空間約束變量引入林分采伐模型中，確保采伐不破壞森林的天然更新，目標函數(shù)是木材采伐的經(jīng)濟收入，不注重采伐對林分空間結構和生物多樣性保護的影響。

2.2 國內(nèi)天然林撫育經(jīng)營模型

在國內(nèi)，崔武社建立了基于SLCS人工仿真語言混交異齡林動態(tài)模型，并做了仿真研究[38]。但該模型僅以畢奧萊所提出的異齡林林分蓄積結構在小徑木、中徑木和大徑木之間保持2∶3∶5的比例關系作為優(yōu)化目標。認為蓄積結構基本穩(wěn)定在2∶3∶5時的擇伐率即為最優(yōu)擇伐率，模型沒有考慮林分空間結構，過于簡化。于政中等[39]在異齡林的收獲調整上做了大量的試驗和研究工作，對東北林區(qū)天然針闊混交林和天山天然云杉混交林的收獲調整和可持續(xù)經(jīng)營進行了較系統(tǒng)的研究。湯孟平等[40]提出林分擇伐空間結構優(yōu)化模型的建模方法，建立的擇伐空間結構優(yōu)化模型屬于非線性多目標整數(shù)規(guī)劃，以混交、競爭和空間分布格局的空間結構作為目標函數(shù)，并以非空間結構作為主要的約束條件。王飛等[41]利用林分直徑生長、進界生長和枯損數(shù)據(jù)，以矩陣模型為基礎建立非線性動態(tài)模型，模擬長白山闊葉紅松林動態(tài)生長，預測采伐強度的變化引起林分的徑階變化，研究對應的采伐強度對年生長量、年收獲量和恢復周期的影響。采伐林分中模型的推廣應用，能夠為制定科學合理的采伐方案提供支持。成子純等[42]在多目標經(jīng)營調控下，以發(fā)揮馬尾松林分的最大水保功能為主要目標，對馬尾松水保林的經(jīng)營模式和經(jīng)營調控進行了研究。撫育間伐過程中間伐木都是經(jīng)林木分級來確定的，熊露橋[43]從林分結構調整角度研究次生林標準地中的林木間伐概率，林分結構指標選取混交度、自由度、大小比數(shù)、健康指數(shù)、空間密度指數(shù)和樹種特性指數(shù)6個指標，研究提出了間伐指數(shù)的概念，用來量化林木在撫育間伐時被確定為間伐木的概率，運用間伐指數(shù)獲得在給定的不同間伐強度下的間伐木確定方案。

2.3 天然林更新模型

森林天然更新是森林生態(tài)系統(tǒng)自我繁衍恢復的手段。我國天然林應該由歷史上以采伐利用為主轉向以現(xiàn)在的保護經(jīng)營為主的軌道上來，對應的天然林更新研究也應由過去采伐更新轉為目前的林隙更新、更新格局以及更新演替與更新機制的研究為主。王寶等[44]在研究興安嶺松天然林林分更新特征中認為，興安嶺松天然林更新受多因子影響，各因子相輔相成，互相制約。國內(nèi)學者對天然林的更新研究也主要集中于林隙對更新的影響：于金瑩等[45]認為，在成熟林分中，可以通過擇伐產(chǎn)生林隙，以天然更新的方式進行，隨著林隙的發(fā)育，應該通過撫育采伐創(chuàng)造林隙，以滿足幼樹到達林冠層的需要；昝啟杰等[46]研究發(fā)現(xiàn)，樹木在直徑小于1/2樹高的林隙內(nèi)繁殖不能成功；李金良等[47]則提出了“單株擇伐—小面積林隙—天然更新”的促進該區(qū)青海云杉林天然更新的可行技術。曾思齊等[48-49]選取木荷次生林單位面積株樹、頻度、平均高、平均地徑、大苗百分比5個指標構建了木荷幼苗更新的評價指標體系，提出了更新指數(shù)的概念，并根據(jù)更新指數(shù)值的大小得出樣地的更新狀況，對木荷更新狀況的5個評價指標與地上環(huán)境的9個潛在因子進行相關性分析，同時對木荷更新狀況的5個評價指標與5個土壤潛在因子進行相關性分析，從而得到木荷次生林的演替趨勢和人工促進天然更新的依據(jù)和模式。

3 天然林撫育經(jīng)營技術的發(fā)展趨勢

3.1 完善森林撫育經(jīng)營的技術體系

撫育有利于優(yōu)化森林空間結構布局、提高林分質量和森林生產(chǎn)力、增強森林生態(tài)系統(tǒng)健康和抗逆能力，為此，2009年底啟動森林撫育補貼試點工作，到2011年森林撫育范圍全面鋪開至35個省級單位。在技術層面上，我國1995年頒布實施的森林撫育技術規(guī)程，針對用材林、防護林、特用林 ，不適用于經(jīng)濟林，但實際上主要針對用材林；2001、2009年版的森林撫育規(guī)程分別針對生態(tài)公益林、商品林二個系列編寫，對公益林撫育提出了新的技術體系；修訂森林撫育標準要針對所有森林、所有林種，在技術操作層面不區(qū)別公益林與商品林。完善撫育類型，把森林撫育分為林木撫育和林地撫育，林木撫育包括撫育采伐、人工修枝、割灌除草等，林地撫育包括林地的水、土、肥的管理等。強調定向培育，根據(jù)遠期培育目標確定目的樹種和目標樹，圍繞目標樹生長發(fā)育的光、熱、水、肥等生態(tài)要素確定撫育措施，明確各種撫育方式適用的條件，撫育采伐由過程控制轉為撫育目標控制，細化撫育措施的目標控制。

3.2 強化森林生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營和生物多樣性保護

森林撫育注重生態(tài)系統(tǒng)經(jīng)營，其目的是培育健康、穩(wěn)定、生產(chǎn)力高、可持續(xù)的森林生態(tài)系統(tǒng)；注重森林多功能經(jīng)營，喬、灌、草多資源利用。要淡化森林分類經(jīng)營思想，除少量嚴格保護的公益林外，所有森林都需要撫育，森林撫育都應符合可持續(xù)經(jīng)營原理，森林撫育規(guī)程回歸技術層面，而不是政策層面；按措施類型而不是公益林、商品林類型提出撫育作業(yè)要求。天然林的各項經(jīng)營措施都應該有一個基本的原則，就是要特別重視生物多樣性保護，對于野生動物保護，應明確樹冠上有鳥巢的林木，應作為輔助木保留；樹干上有動物巢穴、隱蔽地的林木，應作為輔助木保留；保護野生動物的棲息地和動物廊道，撫育作業(yè)設計要考慮作業(yè)次序與作業(yè)區(qū)的連接與隔離，以便在作業(yè)時野生動物有躲避場所。對于野生植物保護，國家或地方重點保護樹種，或珍稀瀕危植物名錄上的樹種，應標記為輔助樹或目標樹保留；在針葉純林中的當?shù)剜l(xiāng)土樹種應作為輔助木保留；保留國家或地方重點保護的植物種類；保留有觀賞和食用藥用價值的植物；保留利用價值不大但不影響林分衛(wèi)生條件和目標樹生長的那些林木。其它保護措施，森林撫育作業(yè)時應采取必要措施保護林下目的樹種及珍貴樹種幼苗、幼樹；適當保留下木，林下灌木凡不影響作業(yè)或幼苗、幼樹生長的不得伐除；應結合除草、修枝等撫育措施清除可燃物。

4 結 語

在過去相當長的一段時間里，由于我國沒有切實按資源培育的需要開展森林撫育等森林經(jīng)營工作，以至于森林質量不高，單位面積蓄積量低，森林火險及林業(yè)有害生物等自然災害發(fā)生頻率高，不利于森林生態(tài)系統(tǒng)多功能的發(fā)揮。森林經(jīng)營撫育工作嚴重滯后，制約了我國林業(yè)又好又快發(fā)展，成為我國與世界林業(yè)最主要的差距之一。現(xiàn)階段，國家對于大部分的天然林還是嚴格保護為主，經(jīng)營為輔。天然林撫育經(jīng)營得好，不但沒有影響天然林本身的生態(tài)效益，還能取得一定的木材與經(jīng)濟收入，甚至還能通過經(jīng)營使得天然林發(fā)揮更大的生態(tài)作用。加強森林撫育經(jīng)營決策與經(jīng)營技術體系的研究，制定科學的、可操作性強的森林撫育技術國家標準，甚至出臺森林撫育分區(qū)實施導則，開展以中幼林撫育為重點的森林經(jīng)營撫育，對于天然林來說，天然林的森林建群階段、競爭生長階段、質量選擇階段撫育為重點的森林經(jīng)營撫育任務量艱巨。強化森林經(jīng)營理念，大幅度提高林地生產(chǎn)力，保持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與健康，是發(fā)展現(xiàn)代林業(yè)、建設生態(tài)文明、推動科學發(fā)展的時代要求。

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