黃龍山林區(qū)油松人工林模擬撫育與預(yù)測(cè)1)

牛碩　　　　　　王廣儒　　　李衛(wèi)忠　談多多　翟雨馨　翟俊偉

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，楊凌，712100)　　(陜西省延安市黃龍山林業(yè)局)　　　　　　　　　　(西北農(nóng)林科技大學(xué))

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黃龍山林區(qū)油松人工林模擬撫育與預(yù)測(cè)1)

牛碩王廣儒李衛(wèi)忠談多多翟雨馨翟俊偉

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，楊凌，712100)(陜西省延安市黃龍山林業(yè)局)(西北農(nóng)林科技大學(xué))

摘要以油松人工林樣地?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別建立油松人工林胸徑—冠幅模型、胸徑生長(zhǎng)模型，對(duì)黃龍山林區(qū)油松人工林進(jìn)行模擬撫育與預(yù)測(cè)。結(jié)果表明：(1)模擬撫育后，林分平均胸徑均有較大幅度增長(zhǎng)，種群密度大于4 000株/hm2的樣地和2 000～4 000株/hm2的樣地?fù)嵊笃骄貜较嗨啤?2)種群密度在2 000株/hm2以下的林分在撫育后第6 a可再次進(jìn)行撫育。(3)種群密度在2 000株/hm2以上的林分在撫育后第9 a可再次進(jìn)行撫育。

關(guān)鍵詞油松人工林；林分模型；模擬撫育

分類號(hào)S753

Simulated Tending and Predicting thePinustabulaeformisPlantation in Huanglong Mountain

Niu Shuo

(Northwest A&F University, Yangling 712100, P. R. China); Wang Guangru(Forest Bureau of Huanglongshan in Yan’an City); Li Weizhong, Tan Duoduo, Zhai Yuxin, Zhai Junwei(Northwest A&F University)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(3)：16-20.

Based on the sample plots data ofPinustabulaeformisplantations, we established DBH-crown model and DBH growth model, and performed the simulated tending and predicting thePinustabulaeformisplantation in Huanglong Mountain. After the simulated tending, the average DBH increased significantly, meanwhile, the average DBH of the >4 000 and 2 000-4 000 ind./hm2sample plots were similar. Forest stand of population density under 2 000 ind./hm2can be tended again after 6 a. Forest stand of population density more than 2 000 ind./hm2can be tended again after 9 a.

KeywordsPinus tabulaeformis plantation； Forest model； Simulated tending

森林具有生長(zhǎng)周期長(zhǎng)、自然整枝緩慢等特點(diǎn)，用傳統(tǒng)試驗(yàn)方法研究森林動(dòng)態(tài)變化往往需要很長(zhǎng)的時(shí)間。森林經(jīng)營(yíng)者一旦做出決策并付諸實(shí)施，其結(jié)果往往要需要幾年甚至數(shù)十年后才能顯現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展與成熟，利用模型描述復(fù)雜的林分生長(zhǎng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)森林動(dòng)態(tài)變化模擬，已成為林業(yè)研究的一個(gè)重要方向[1-3]。在借鑒前人大量傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上[4-7]，利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)模擬森林動(dòng)態(tài)變化的條件已經(jīng)基本具備。本研究以黃龍山林區(qū)油松人工林為研究對(duì)象，在調(diào)查和收集資料的基礎(chǔ)上，建立森林生長(zhǎng)模型，進(jìn)行模擬撫育，并對(duì)撫育后林分生長(zhǎng)狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)，為該區(qū)域油松人工林的撫育經(jīng)營(yíng)提供技術(shù)支撐。

1研究區(qū)自然概況

研究樣地設(shè)在陜西省黃龍山林區(qū)的官莊林場(chǎng)和蔡家川林場(chǎng)。該地屬大陸性暖溫帶半濕潤(rùn)氣候類型，四季分明，雨熱同期，溫差較大。海拔1 083～1 399 m，年平均日照時(shí)間2 370 h，無(wú)霜期175 d，年降水量600～700 mm，多集中在7—9月份。土壤為灰褐色森林土[8]。林區(qū)內(nèi)人工造林以油松(Pinustabulaeformis)為主，樣地內(nèi)灌木、地被植物極少。

2研究方法

2014年8月，在黃龍山林區(qū)選取生長(zhǎng)良好、林相整齊的油松人工林27塊，樣地面積20 m×30 m，樣地概況如表1所示。對(duì)胸徑大于1 cm的喬木進(jìn)行每木檢尺，記錄胸徑、樹高、冠幅以及坐標(biāo)；使用圍尺測(cè)胸徑，精確到0.1 cm；用投影法分東西、南北兩個(gè)方向測(cè)冠長(zhǎng)，取其平均值作為冠幅，精確到0.1 m。

本文以林分調(diào)查數(shù)據(jù)建立胸徑-冠幅模型，以解析木數(shù)據(jù)建立胸徑生長(zhǎng)模型，對(duì)林分生長(zhǎng)狀況進(jìn)行模擬。解析木數(shù)據(jù)來(lái)源于2011年在黃龍山林區(qū)蔡家川林場(chǎng)調(diào)查所得，共計(jì)4株。

有關(guān)林木冠幅與胸徑相關(guān)關(guān)系的模擬方法有經(jīng)驗(yàn)?zāi)M、散點(diǎn)圖法等[9-11]，實(shí)踐證明，通過(guò)散點(diǎn)圖法確定相關(guān)關(guān)系方程較為科學(xué)[12-14]。為確定胸徑-冠幅關(guān)系，以2 cm為徑階距，起測(cè)徑階為2 cm，取每個(gè)徑階胸徑和冠幅的平均值，繪出以胸徑均值為橫坐標(biāo)，冠幅均值為縱坐標(biāo)的散點(diǎn)圖，根據(jù)散點(diǎn)圖分布狀況，結(jié)合Mahmut D. Avsar et al.[15]、Turan S?nmez[16]、Toma Buba[17]、符利勇等[18]、段劼等[19]的研究，分別使用線性函數(shù)、二次函數(shù)、三次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)5種模型對(duì)胸徑-冠幅關(guān)系進(jìn)行擬合，以P值的大小驗(yàn)證方程的顯著性，根據(jù)R2大小來(lái)評(píng)價(jià)模型的擬合效果。

如圖1所示，在種群密度小于2 000株/hm2時(shí)，林木平均胸徑開始急劇增加，因此，可根據(jù)種群密度將樣地分為4 000株/hm2以上、2 000～4 000株/hm2、2 000株/hm2以下3種類型。

表1　樣地基本信息

圖1　種群密度與平均胸徑關(guān)系

依據(jù)《森林撫育規(guī)程》，將人工油松林純林林木分為：Ⅰ級(jí)木(優(yōu)勢(shì)木)、Ⅱ級(jí)木(亞優(yōu)勢(shì)木)、Ⅲ級(jí)木(中等木)、Ⅳ級(jí)木(被壓木)、Ⅴ級(jí)木(瀕死木及枯死木)。原則上伐除Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)木和部分Ⅲ級(jí)木，以及過(guò)密的或受害的Ⅱ級(jí)木、個(gè)別Ⅰ級(jí)木[20]，但顧及伐后林分空間結(jié)構(gòu)，撫育時(shí)應(yīng)結(jié)合林木大小比數(shù)進(jìn)行采伐，以避免過(guò)大林窗出現(xiàn)。

撫育中，涉及林木更新問題時(shí)，只對(duì)胸徑大于5 cm的林木進(jìn)行間伐，胸徑小于5 cm的林木不做處理。預(yù)測(cè)中，由于林木的胸徑、樹高、冠幅會(huì)隨著時(shí)間而不斷增長(zhǎng)，需要對(duì)現(xiàn)階段所有胸徑大于1 cm的林木進(jìn)行預(yù)測(cè)。

通過(guò)樣地林木坐標(biāo)與冠幅，還原林木樹冠垂直投影圖，在此基礎(chǔ)上，以郁閉度為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行模擬撫育。模擬撫育是指將林分內(nèi)林木胸徑、樹高、冠幅和坐標(biāo)等數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)，依據(jù)《森林撫育規(guī)程》選擇采伐木，由計(jì)算機(jī)模擬完成撫育操作。

根據(jù)《森林撫育規(guī)程》，幼中齡林在郁閉度達(dá)到0.8以上時(shí)才能進(jìn)行疏伐，疏伐后郁閉度不得低于0.6，又結(jié)合戚維江等[20]的研究，森林郁閉度在0.7～0.8時(shí)，林木生長(zhǎng)狀況最佳，因此，撫育后的森林郁閉度為0.7為宜。利用胸徑生長(zhǎng)模型、胸徑-冠幅模型對(duì)撫育后的林木動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)林木樹冠垂直投影圖計(jì)算郁閉度，為使林木個(gè)體始終保持在最佳生長(zhǎng)狀態(tài)，當(dāng)郁閉度達(dá)到0.8時(shí)，應(yīng)進(jìn)行第2次撫育。

3結(jié)果與分析

3.1直徑分布

從表2中可看出，樣地內(nèi)油松人工林胸徑大小在區(qū)間1.20～33.30 cm，平均胸徑為12.11 cm，變異系數(shù)為15.03，數(shù)據(jù)符合要求，可用于建模。人工林直徑分布接近正態(tài)分布，峰值在10徑階，屬幼中齡林。

表2　直徑分布

3.2模型選擇

用線性函數(shù)、二次函數(shù)、三次函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和冪函數(shù)5種模型分別對(duì)油松人工林各徑階胸徑均值與冠幅均值進(jìn)行擬合,其結(jié)果如表3所示。由表3可知，所有模型的P值均小于0.01，說(shuō)明用于擬合胸徑-冠幅關(guān)系的5個(gè)模型在人工林中均為顯著，模型可用。從擬合優(yōu)度R2判斷，5個(gè)模型中，人工林最優(yōu)模型是指數(shù)函數(shù)模型。但從模型圖像判斷，指數(shù)函數(shù)模型后段增長(zhǎng)迅速，不符合實(shí)際情況，因此，指數(shù)函數(shù)模型不能作為預(yù)測(cè)人工林的最優(yōu)模型，應(yīng)選用擬合優(yōu)度僅次于指數(shù)函數(shù)模型的冪函數(shù)模型CW=0.443D0.672。使用相同的方法，經(jīng)過(guò)比較，選用D=-5.566+0.533A(R2=0.99，A為林齡)作為胸徑生長(zhǎng)模型。

表3　胸徑-冠幅模型擬合結(jié)果

注：表中CW表示冠幅，D表示胸徑，b0、b1、b2、b3為模型參數(shù)。

3.3人工林的模擬撫育與預(yù)測(cè)

選取樣地D1(種群密度為4 000株/hm2以上)、H1(種群密度為2 000～4 000株/hm2)、E6(種群密度為2 000株/hm2以下)3種類型林分為代表進(jìn)行模擬撫育，撫育效果如圖2所示，撫育結(jié)果如表4所示。

圖2　樹冠垂直投影圖

樣地D1內(nèi)共有林木288株，種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，需要進(jìn)行強(qiáng)度間伐，以郁閉度0.7為標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)進(jìn)行疏伐，伐后保留林木125株，胸高斷面積總和從24 090.07 cm2減少到15 917.91 cm2，林木株數(shù)撫育強(qiáng)度為56.6%，胸高斷面積撫育強(qiáng)度為33.9%，平均胸徑增長(zhǎng)了27.3%。

樣地H1內(nèi)共有林木184株，更新較為明顯，應(yīng)進(jìn)行疏伐，伐后保留林木102株，胸高斷面積總和從21 520.23 cm2減少到15 651.15 cm2，林木株數(shù)撫育強(qiáng)度為44.6%，胸高斷面積撫育強(qiáng)度為27.3%，平均胸徑增長(zhǎng)了15.4%。

樣地E6內(nèi)共有林木94株，先前經(jīng)過(guò)一次撫育，胸徑大小較均勻，應(yīng)進(jìn)行生長(zhǎng)伐，伐后保留林木64株，林木胸高斷面積總和從25 719.09 cm2減少到19 552.54 cm2，林木株數(shù)撫育強(qiáng)度為31.9%，胸高斷面積撫育強(qiáng)度為24.0%，平均胸徑增長(zhǎng)了6.0%。

如表4所示，撫育后，樣地D1與H1呈現(xiàn)出相似的結(jié)果，林分平均胸徑、胸高斷面積總和、林木株數(shù)均比較接近，而與E6差別較大，因此，在預(yù)測(cè)中可將D1與H1歸為一類，只對(duì)樣地D1和E6進(jìn)行預(yù)測(cè)。

表4　撫育前后林分狀況對(duì)比

通常情況下，撫育后林分內(nèi)林木的胸徑、冠幅年生長(zhǎng)量要高于撫育前，且差異較大[4]，因此，用現(xiàn)有模型預(yù)測(cè)撫育后林木生長(zhǎng)狀況應(yīng)增加一個(gè)系數(shù)(a+1)n(a為撫育與對(duì)照年平均增長(zhǎng)率的差值，n為預(yù)測(cè)年數(shù))，綜合以往研究數(shù)據(jù)[4,21-22]，油松胸徑生長(zhǎng)模型的系數(shù)取1.015n，胸徑-冠幅模型的系數(shù)取1.025n。撫育后的胸徑生長(zhǎng)模型和胸徑-冠幅模型分別為：D=(-5.566+0.533A)×1.015n；CW=0.443D0.672×1.025n。

如表5所示，樣地D1在撫育后第9 a，郁閉度達(dá)到0.82，平均胸徑增長(zhǎng)了46.6%，平均冠幅增長(zhǎng)了7.7%，樣地E6在撫育后第6 a，郁閉度達(dá)到0.8，平均胸徑增長(zhǎng)了16.2%，平均冠幅增長(zhǎng)了19.5%，胸徑冠幅漲幅明顯。

如圖3所示，樣地D1撫育后第9 a，郁閉度達(dá)到0.8，第14 a達(dá)到0.9；樣地E6撫育后第6 a，郁閉度達(dá)到0.82，第11 a達(dá)到0.9。因此，樣地D1應(yīng)在撫育后第9 a再進(jìn)行撫育，最晚不宜超過(guò)14 a，樣地E6應(yīng)在撫育后第6 a再進(jìn)行撫育，最晚不宜超過(guò)11 a。

樣地D1和E6作為撫育后兩種不同生長(zhǎng)狀況森林的典型進(jìn)行預(yù)測(cè)，具有一定的代表性。因此可以推測(cè)黃龍山林區(qū)人工油松林種群密度在2 000株/hm2以上的林分，在撫育后第9 a左右可再次進(jìn)行撫育，最晚不宜超過(guò)14 a；種群密度在2 000株/hm2以下的林分，在撫育后第6 a左右可再次進(jìn)行撫育，最晚不宜超過(guò)11 a。

4結(jié)論與討論

黃龍山林區(qū)油松人工林胸徑-冠幅模型為CW=0.443D0.672(R2=0.933，P<0.001)，胸徑生長(zhǎng)模型為D=-5.566+0.533A(R2=0.99，P<0.001)。

以種群密度為標(biāo)準(zhǔn)將人工油松林分為4 000株/hm2以上、2 000～4 000株/hm2、2 000株/hm2以下3種類型進(jìn)行撫育，分別選取3塊典型樣地作為3種類型林分代表進(jìn)行撫育，撫育后，林分平均胸徑均有較大漲幅，其中，種群密度為4 000株/hm2以上和2 000～4 000株/hm2的樣地?fù)嵊笃骄貜胶托馗邤嗝娣e總和相似，在預(yù)測(cè)中可歸為一類分析。

黃龍山林區(qū)人工油松林種群密度在2 000株/hm2以下的林分在撫育后第6 a左右可再次進(jìn)行撫育，最晚不宜超過(guò)11 a，撫育強(qiáng)度應(yīng)小于35%，種群密度在2 000株/hm2以上的林分在撫育后第9 a左右可再次進(jìn)行撫育，最晚不宜超過(guò)14 a，撫育強(qiáng)度為40%～50%。密度小的林分比密度大的林分的撫育間隔期更短，這是因?yàn)?，一般情況下，密度小的林分內(nèi)林木具有更大的冠幅，大冠幅林木的冠幅面積年增長(zhǎng)量必定遠(yuǎn)高于小冠幅林木，因此，密度小的林分會(huì)更快郁閉?，F(xiàn)實(shí)中，油松林林木冠幅過(guò)大會(huì)影響林下幼樹的更新，在大樹自然枯死風(fēng)倒后必定會(huì)形成較大的林窗，因此，此類林分的撫育間隔時(shí)間較短。

樣地實(shí)測(cè)中，樣地D1的郁閉度是1，而通過(guò)數(shù)據(jù)用垂直投影計(jì)算郁閉度的結(jié)果是0.96，由于本研究是以圓形估計(jì)林木樹冠投影形狀，而實(shí)地中，林木樹冠的南北、東西長(zhǎng)度有差別，以橢圓估計(jì)林木樹冠投影形狀會(huì)更精確。

我國(guó)人工油松林多處于中幼齡林階段，相關(guān)生長(zhǎng)數(shù)據(jù)還不夠完善，隨著時(shí)間的推移，人工油松林逐漸生長(zhǎng)為成過(guò)熟林，此時(shí)再用此模型預(yù)測(cè)成過(guò)熟林的精度必定會(huì)收到較大影響，因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)定期做抽樣調(diào)查，以檢測(cè)模型的精度，并及時(shí)添加新的成過(guò)熟林?jǐn)?shù)據(jù)，修正模型參數(shù)，提高模型精度。

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收稿日期：2015年10月8日。

第一作者簡(jiǎn)介：牛碩，男，1990年11月生，西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。E-mail：niushuo919@126.com。通信作者:李衛(wèi)忠，西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，副教授。E-mail:wzhli6465@163.com。

1)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31170587、31300538)。

責(zé)任編輯：王廣建。