雜種落葉松人工幼齡林林分枯損規(guī)律及枯損模型1)

王濤 董利虎 李鳳日

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

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雜種落葉松人工幼齡林林分枯損規(guī)律及枯損模型1)

王濤 董利虎 李鳳日

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

雜種落葉松人工林；林分密度；直徑分布；枯損規(guī)律；林分枯損模型

人工林是全球森林系統(tǒng)的重要組成部分[1]，根據(jù)2016年國(guó)家林業(yè)局公布的數(shù)據(jù)，我國(guó)現(xiàn)有人工林保存面積已達(dá)6 933萬(wàn)hm2，居世界第一位。我國(guó)人工林面臨的主要問(wèn)題是生態(tài)系統(tǒng)樹(shù)種單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗逆性差、生態(tài)服務(wù)功能低等[2]，如何對(duì)人工林動(dòng)態(tài)進(jìn)行預(yù)估，確定合理的經(jīng)營(yíng)方案是解決上述問(wèn)題的有效手段。

林分生長(zhǎng)收獲模型是林分經(jīng)營(yíng)管理中最為常用的方法[3-6]，其主要目的是為了對(duì)特定時(shí)間點(diǎn)或時(shí)間間隔內(nèi)林分總體特征進(jìn)行描述。林分枯損模型作為其重要組成部分，近年來(lái)有很多優(yōu)秀學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究[7-12]。Li fengri et al.[9]指出在生長(zhǎng)模型或收獲模型應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)有一定程度的偏差，這部分偏差主要是林分內(nèi)樹(shù)木發(fā)生枯損造成的。郎奎建等[10]通過(guò)對(duì)3個(gè)不同樹(shù)種林分枯損動(dòng)態(tài)規(guī)律進(jìn)行分析，提出枯損是影響林分直徑結(jié)構(gòu)隨林齡變形的主要原因，且同林分密度具有很強(qiáng)的關(guān)系。李生英等[11]通過(guò)林分生長(zhǎng)模型對(duì)林分直徑枯損分布進(jìn)行預(yù)估，成為預(yù)估林分枯損的最佳模型之一。龔直文等[12]通過(guò)建立林木徑階生長(zhǎng)轉(zhuǎn)移概率模型，預(yù)估林木徑階平均生長(zhǎng)量，并表明Weibull分布函數(shù)適用于異齡混交林的枯損株數(shù)分布模擬。總體而言，林分枯損同林分密度以及直徑分布有著重要的聯(lián)系，林分密度與林分平均直徑是林業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)中測(cè)量最為簡(jiǎn)單、精確度最高的變量。林分密度反映了林地利用程度，樹(shù)木間競(jìng)爭(zhēng)水平，對(duì)天然更新，樹(shù)木生長(zhǎng)和枯損有著重要的影響[13-15]。密度對(duì)于林分枯損和生長(zhǎng)具有重要作用，在枯損規(guī)律分析中，應(yīng)同時(shí)考慮林分密度、時(shí)間以及立地3個(gè)不同的變量，在不同初植密度等級(jí)的分類(lèi)數(shù)據(jù)研究時(shí)，常采用啞變量的方式進(jìn)行模型構(gòu)建[16-19]。

雜種落葉松(Larixkaempferi×Larixolgensis)是以當(dāng)?shù)胤N源的長(zhǎng)白落葉松(Larixolgensis)為親本之一，日本落葉松(Larixkaempferi)為另一親本的屬內(nèi)種間雜交品種，其生長(zhǎng)速度具有明顯優(yōu)勢(shì)。本文利用不同初植密度等級(jí)的固定樣地復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)，探究雜種落葉松人工幼齡林林分枯損與林分密度、時(shí)間序列之間的變化規(guī)律，確定枯損株數(shù)徑階分布特征，利用差分模型以及啞變量，建立相對(duì)枯損率與林分年齡函數(shù)關(guān)系的林分枯損模型。通過(guò)對(duì)雜種落葉松人工林枯損動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行分析，提出合理的撫育間伐措施，減少雜種落葉松枯損發(fā)生，避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失，為在東北地區(qū)推廣雜種落葉松種植，維持黑龍江地區(qū)生物多樣性、保護(hù)區(qū)域生態(tài)與環(huán)境、水平衡等方面提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

江山嬌林場(chǎng)位于牡丹江市所轄寧安市境內(nèi)，東南部與吉林省相接，西部以鏡泊湖為界，整個(gè)施業(yè)區(qū)處于東京城林業(yè)局之中。林場(chǎng)位于張廣才嶺南端，屬于低山丘陵地區(qū)，海拔356～890 m，平均400 m左右；屬亞寒帶大陸性氣候，年平均氣溫3.5 ℃；年平均降水450～550 mm，主要河流有石頭河、松乙河兩大水系，地帶性土壤為暗棕壤。

2003年，黑龍江省林業(yè)科學(xué)研究所，以江山嬌實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)1998年種植的20 hm2雜種落葉松人工林為實(shí)驗(yàn)地，設(shè)立了48塊固定樣地，觀測(cè)起始林分年齡為7 a，樣地面積從0.03～0.06 hm2，栽植密度為1 500～5 000株/hm2，各標(biāo)準(zhǔn)地集中連片，立地條件基本相同，除一次輕微的人為修枝外，林分未進(jìn)行過(guò)任何撫育間伐。各固定樣地每2 a復(fù)測(cè)一次，截止到2015年，共觀測(cè)6期數(shù)據(jù)，收集包括：每木胸徑、樹(shù)高(平均木和優(yōu)勢(shì)木分別測(cè)量5～7株單木)、樹(shù)木狀態(tài)(枯損1，存活0)以及解析木等數(shù)據(jù)。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

本文將各樣地按林分初植密度(Dp)分為4個(gè)等級(jí):(SD1(Dp<2 000株/hm2)、SD2(2 000≤Dp<3 000株/hm2)、SD3(3 000≤Dp<4 000株/hm2)、SD4(Dp≥4 000株/hm2)。全部數(shù)據(jù)集按照3∶1進(jìn)行分類(lèi)，其中3/4用來(lái)建模，1/4用來(lái)模型檢驗(yàn)。將存活木、枯損木直徑按2 cm整化分組，統(tǒng)計(jì)各徑階不同調(diào)查期枯損情況，利用SAS 9.4統(tǒng)計(jì)軟件包對(duì)每塊復(fù)測(cè)樣地?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行信息統(tǒng)計(jì)，利用EXCEL 2010進(jìn)行繪圖分析枯損規(guī)律。雜種落葉松人工林不同密度等級(jí)林分基本信息統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 雜種落葉松人工林不同密度等級(jí)林分基本信息統(tǒng)計(jì)

注：表中數(shù)值為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

2.2 林分枯損(存活木株數(shù))模型構(gòu)建

所有以徑階分布模型為基礎(chǔ)的林分生長(zhǎng)和收獲預(yù)測(cè)體系，都需要預(yù)測(cè)不同年齡時(shí)林分存活木的株數(shù)。林分在自然發(fā)育(未受人為干擾)過(guò)程中，隨著林分年齡和平均直徑的增大，林木株數(shù)不斷減小。為了更好地預(yù)測(cè)林分未來(lái)存活木的株數(shù)，本文利用單位面積林分存活木的株數(shù)與林分年齡構(gòu)建林分枯損模型，其模型基本形式為：

N2=f(t1,t2,N1)。

(1)

表2 雜種落葉松人工林不同形式枯損模型

利用SAS 9.4統(tǒng)計(jì)軟件包，PROC NLIN模塊對(duì)以上模型進(jìn)行擬合，根據(jù)擬合優(yōu)度選出最佳模型。此外，在建立林分枯損模型時(shí)，雜種落葉松林分枯損數(shù)據(jù)來(lái)自4個(gè)不同密度等級(jí)的固定樣地，且林分枯損株數(shù)在不同密度等級(jí)的固定樣地變化是不同的，而使用啞變量方法可以很好的處理含密度效應(yīng)的變量。本文啞變量的賦值方法為：

(2)

2.3 模型評(píng)價(jià)

(3)

(4)

(5)

(6)

3 結(jié)果與分析

3.1 雜種落葉松總體株數(shù)枯損規(guī)律

由圖1可知，雜種落葉松人工幼齡林枯損主要分為3個(gè)階段，總體枯損強(qiáng)度呈現(xiàn)強(qiáng)-弱-強(qiáng)的變化規(guī)律。當(dāng)林分年齡7～11a為階段1，枯損強(qiáng)度較大并逐漸減弱，此階段為樹(shù)木生長(zhǎng)初期，林分未郁閉，林分內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)不明顯，枯損的主要原因是種苗之間的差異、栽植操作不當(dāng)?shù)龋涣址帜挲g>11～15a為階段2，枯損強(qiáng)度趨于平緩，此時(shí)林分結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定；林分年齡大于15a為階段3，林分內(nèi)樹(shù)木對(duì)于光照、養(yǎng)分等需求增高，林分內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)加強(qiáng)，枯損強(qiáng)度顯著提高，在林分經(jīng)營(yíng)時(shí)可以考慮對(duì)此階段林分進(jìn)行適當(dāng)間伐，以減少林分內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)。

圖1 雜種落葉松人工林2年間隔期林分總體株數(shù)枯損趨勢(shì)

3.2 雜種落葉松不同密度等級(jí)株數(shù)與蓄積枯損率變化規(guī)律

由表3可知，雜種落葉松幼齡林在枯損的前兩個(gè)階段，4個(gè)密度等級(jí)株數(shù)枯損率差異較小，而在枯損階段3時(shí)株數(shù)枯損率差異逐漸增大，林分密度越大，株數(shù)枯損率越高。

表3 雜種落葉松人工林2年間隔期不同密度等級(jí)株數(shù)枯損率

由表4可知，林分年齡15 a之前，蓄積枯損率較小且穩(wěn)定，林分年齡15 a后蓄積枯損率增加，說(shuō)明此時(shí)林分競(jìng)爭(zhēng)增加，這與株數(shù)枯損率變化規(guī)律相一致。

表4 雜種落葉松人工林2年間隔期不同密度等級(jí)蓄積枯損率

3.3 雜種落葉松不同密度等級(jí)徑階枯損株數(shù)分布規(guī)律

林分直徑結(jié)構(gòu)是最重要、最基本的林分結(jié)構(gòu)，林分直徑測(cè)定方便，且直接影響著樹(shù)木的樹(shù)高、干形、材積、材種及樹(shù)冠等因子的變化。人工林直徑結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分布的轉(zhuǎn)移主要呈現(xiàn)兩種方式：平移或者變形，而林木枯損是造成林分直徑結(jié)構(gòu)變形的主要原因。

由圖2可知，直徑結(jié)構(gòu)規(guī)律均呈現(xiàn)以林分平均直徑為峰點(diǎn)的單峰山狀曲線(xiàn)，且近似于正態(tài)分布，其山狀分布曲線(xiàn)隨著林齡增加呈現(xiàn)出規(guī)律性變化。雜種落葉松是速生性樹(shù)種，前期直徑增長(zhǎng)的速度較快，曲線(xiàn)平移距離較大，后期直徑增長(zhǎng)速度減慢，曲線(xiàn)平移距離較小，且初植密度等級(jí)越小直徑增長(zhǎng)的速度越快。

圖2 雜種落葉松人工林不同密度等級(jí)徑階株數(shù)分布

圖3為雜種落葉松不同密度等級(jí)、不同階段枯損木徑階株數(shù)分布，不同林分年齡枯損株數(shù)同林分密度呈正相關(guān)，即林分密度越大枯損株數(shù)越多。不同密度等級(jí)徑階分布曲線(xiàn)形狀差異較小。SD1、SD2枯損主要分布在4～12 cm徑階，SD3、SD4枯損主要分布在2～10 cm徑階。林分密度越大，徑階枯損分布越集中，其中SD1枯損徑階分布最平穩(wěn)，SD4枯損徑階分布最為陡峭。

圖3 雜種落葉松人工林不同密度等級(jí)徑階枯損分布

3.4 林分枯損(存活木株數(shù))模型擬合優(yōu)度

表5 不同密度等林分枯損基礎(chǔ)模型擬合結(jié)果

(7)

表6 不同密度等級(jí)具有啞變量形式林分枯損模型擬合結(jié)果

4 結(jié)論與討論

雜種落葉松人工幼齡林林分枯損總體上呈上升趨勢(shì)，按照林分年齡可為三個(gè)階段。造林初期由于栽植技術(shù)以及種苗差異造成的枯損為第一階段，林分開(kāi)始郁閉前種間競(jìng)爭(zhēng)以及昆蟲(chóng)和疾病造成的枯損為第二階段。第三階段為種間競(jìng)爭(zhēng)加劇時(shí)期，在此階段種間競(jìng)爭(zhēng)是影響林分枯損的最主要因子。此結(jié)論同Amateis et al.[20]對(duì)幼齡火炬松(Pinustaeda)研究結(jié)果相一致。除了輕微人為干擾以及不可控氣候的影響，林分枯損主要是對(duì)林分內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)得一種體現(xiàn)，競(jìng)爭(zhēng)包括對(duì)光照、養(yǎng)分、和水分等營(yíng)養(yǎng)資源的爭(zhēng)奪。

圖4 雜種落葉松人工林2年間隔期不同密度等級(jí)林分枯損模型預(yù)估

林分內(nèi)枯損事件的發(fā)生對(duì)林分密度、林分蓄積以及林分直徑分布有著不同程度的影響。其中最直觀的表現(xiàn)為林分株數(shù)密度的改變，枯損同林分密度之間的關(guān)系是相互作用的，枯損導(dǎo)致林分密度降低。而Peters[16]研究指出密度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致個(gè)體存活概率降低。本文4個(gè)不同密度等級(jí)對(duì)枯損作用結(jié)果表明，密度越大枯損發(fā)生的概率也越大，充分證明了這一論證。幼齡時(shí)期林分競(jìng)爭(zhēng)隨林分年齡的增加逐漸增加，樹(shù)木死亡的可能是因?yàn)闊o(wú)法得到足夠的養(yǎng)分供應(yīng)，器官逐漸衰竭從而死亡，或樹(shù)木無(wú)法抵抗昆蟲(chóng)、真菌、病原體等植食或者侵染[21]。因此，通過(guò)合理的密度控制可以減少林分內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)，擴(kuò)大存活木的生長(zhǎng)空間。本文根據(jù)研究結(jié)論建議林分初植密度應(yīng)小于4 000株/hm2，并在林分年齡為15 a時(shí)開(kāi)始撫育。

林分內(nèi)各種大小直徑的樹(shù)木的分配狀態(tài)，將直接影響樹(shù)木的樹(shù)高、干形、材積、材種及樹(shù)冠等因子的變化?？輷p對(duì)林分直徑分布有著直接的影響，不同密度等級(jí)枯損徑階分布不同，主要枯損林木直徑大小分布在2～12cm徑階。樹(shù)木生長(zhǎng)狀態(tài)可以分為3類(lèi)：優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)、正常生長(zhǎng)以及劣勢(shì)生長(zhǎng)。其中優(yōu)勢(shì)生長(zhǎng)的樹(shù)木在競(jìng)爭(zhēng)中處于絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于光照水分等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)吸收有著最高的優(yōu)先級(jí)，除人為干擾以及自然影響外，發(fā)生枯損的可能性極低。正常生長(zhǎng)的樹(shù)木在林分中所占的比重最大，樹(shù)木平穩(wěn)的分布在一定的徑階范圍內(nèi)，并按照一定的速度生長(zhǎng)，此徑階范圍內(nèi)樹(shù)木發(fā)生枯損的概率也很低。劣勢(shì)生長(zhǎng)的樹(shù)木生長(zhǎng)緩慢或者停止生長(zhǎng)，分布徑階范圍主要集中在小徑階。隨著時(shí)間的推移，林分內(nèi)枯損發(fā)生主要集中在劣勢(shì)生長(zhǎng)的樹(shù)木所在的徑階，直到小徑階樹(shù)木全部死亡，枯損平移進(jìn)入下一徑階，林木枯損是影響林分直徑動(dòng)態(tài)變化的主要原因。

根據(jù)雜種落葉松人工幼齡林2 a間隔期復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)建立了林分枯損模型，指數(shù)形式的枯損模型具有較高的擬合優(yōu)度，利用不同初植密度等級(jí)作為啞變量加入到模型中，具有更好的擬合優(yōu)度?？偟膩?lái)說(shuō)，雜種落葉松林分枯損規(guī)律以及枯損模型的建立，為雜種落葉松在黑龍江地區(qū)推廣種植以及經(jīng)營(yíng)提供理論基礎(chǔ)。

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Mortality of Stand Trees for Hybrid Larch Young Plantation in Heilongjiang//

Wang Tao, Dong Lihu, Li Fengri

(Northeast Forestry University, Harbin 150040, P. R. China)//

Journal of Northeast Forestry University，2017,45(5)：39-43,48.

Hybrid larch (Larixkaempferi×Larixolgensis); Plantation; Stand density; Diameter distribution; Mortality rule; Stand mortality model

王濤，男，1991年10月生，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。E-mail:568716463@qq.com。

李鳳日，東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，教授。E-mail:fengrili@126.com。

2017年2月17日。

S757.1

1)國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2015BAD09B01)。

責(zé)任編輯：王廣建。