山西省油松人工林的生產(chǎn)力及經(jīng)營潛力

樊蘭英, 孫拖煥

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院, 山西 太原 030012)

山西省油松人工林的生產(chǎn)力及經(jīng)營潛力

樊蘭英, 孫拖煥

(山西省林業(yè)科學(xué)研究院, 山西 太原 030012)

[目的] 研究山西省油松林生產(chǎn)力動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，以潛在生產(chǎn)力為目標(biāo)，對(duì)油松人工林生產(chǎn)力提升空間進(jìn)行預(yù)測，為區(qū)域林分提質(zhì)增效提供科學(xué)指導(dǎo)。[方法] 采用分層法和收獲法，結(jié)合相對(duì)生長模型建立油松單木生物量回歸方程；采用“累積法”和Thornthwaite memorial模型估算林分現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力和潛在生產(chǎn)力。[結(jié)果] 油松林生產(chǎn)力與林齡有著密切的關(guān)系，隨著林齡的增加，油松林生產(chǎn)力先增加，成熟期開始下降，全省油松林現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力平均為4.462 t/(hm2·a)；喬木層生產(chǎn)力幼林齡期最小，貢獻(xiàn)率占72.17%，隨著林齡增加，生物量總量繼續(xù)增加，生產(chǎn)力在近熟林晚期開始下降；草本層貢獻(xiàn)率最大值出現(xiàn)在幼齡林期21.16%，而后逐漸降低，相反，灌木層生產(chǎn)力貢獻(xiàn)率逐漸增大，林分成熟初期其貢獻(xiàn)率超過草本層，是林分結(jié)構(gòu)調(diào)整關(guān)鍵期；油松林平均潛在生產(chǎn)力為8.422 t/(hm2·a)，以此為目標(biāo)，油松林生產(chǎn)力提質(zhì)增效至少有32%的空間。[結(jié)論] 山西省油松林生產(chǎn)力提質(zhì)增效空間為32%，油松林生產(chǎn)力首要限制因子為降雨。

油松林; 單木生長方程; 凈初級(jí)生產(chǎn)力; 潛在生產(chǎn)力

山西是中國油松林(Pinustabulaeformis)的集中分布區(qū)，油松林地面積9.999×105hm2，占山西省林地總面積的40.5%，其生產(chǎn)力高低直接影響到全省林分的森林質(zhì)量[1]。自20世紀(jì)50年代，全球開展了大量關(guān)于森林生產(chǎn)力的研究，對(duì)植被恢復(fù)、經(jīng)營和管理起到了重要作用。70年代以來，中國也開展了相關(guān)工作，基于森林資源清查結(jié)果的全國尺度研究中，Zhao等[2]建立了中國油松林生物氣候生產(chǎn)力(NPPa)模型，并估算了中國油松林凈第一性生產(chǎn)力為7.82 t/(hm2·a)，其中山西省油松林生產(chǎn)力水平約為7.4 t/(hm2·a)；方精云等[3]對(duì)全國森林總生產(chǎn)力和各林種生產(chǎn)力進(jìn)行研究，結(jié)果顯示森林總生產(chǎn)力為1.18×109t/a；羅天祥等[4]對(duì)油松林不同年齡段生產(chǎn)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，全國油松林全林生產(chǎn)力為7.57 t/(hm2·a)?；趯?shí)測數(shù)據(jù)的單個(gè)林區(qū)油松林生產(chǎn)力研究結(jié)果表明[5-10]，秦嶺39年生油松林年凈生產(chǎn)力為4.18 t/(hm2·a)，甘肅五鳳山林區(qū)35年生油松凈生產(chǎn)力為12.917 t/(hm2·a)，山西太岳山油松林年生產(chǎn)力為6.824 t/(hm2·a)[11]，山西省省域尺度油松林生產(chǎn)力的動(dòng)態(tài)變化研究未見報(bào)道。前期研究者更關(guān)注的是喬木層，灌草層生物量和生產(chǎn)力的研究很少，對(duì)林分生產(chǎn)力的估算因素欠缺，不能直接用于指導(dǎo)省域尺度上林分的合理經(jīng)營。

本文擬從省域尺度，以山西省各林齡組油松人工林為研究對(duì)象，采用大樣地大量實(shí)測數(shù)據(jù)和生長模型相結(jié)合的方法，對(duì)其林分、喬木層、灌木層和草本層的現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究，并以潛在生產(chǎn)力為目標(biāo)，對(duì)山西省油松人工林生產(chǎn)力提升空間進(jìn)行預(yù)測，以期為研究區(qū)域林分提質(zhì)增效提供科學(xué)目標(biāo)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

山西省地處黃土高原東部、黃河中游、海河上游，地理坐標(biāo)為110°14′36″—114°33′24″E，34°34′48″—40°43′24″N，總面積1.57×105km2。省境內(nèi)地形多樣，山地、丘陵、殘塬、臺(tái)地、谷地、平原等交錯(cuò)分布，而以山地、丘陵為主。據(jù)初步量算，全省的山地、丘陵、平原3大類地形各占40.0%，40.3%，19.7%，大體成4:4:2，大部分地區(qū)海拔在l 000～2 000 m。屬大陸性季風(fēng)氣候，總的氣候特點(diǎn)是冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，春秋較為短促，時(shí)空溫差懸殊，年均氣溫4～14 ℃，年降水量400～650 mm，但分布不勻。

山西省森林植被類型主要有6個(gè)植被型組，即針葉林、闊葉林、灌叢與灌草叢、草原、草甸以及沼澤與水生植被。森林群落建群種主要有油松(Pinustabulaeformis)、白皮松(Pinusbungeana)、云杉(Piceaasperata)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)等針葉樹種，遼東櫟(Quercusliaotungensis)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、等落葉櫟類，山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)等小葉落葉樹種。油松林在中條山、呂梁山、太岳山、太行山、關(guān)帝山、管涔山、五臺(tái)山和黑茶山等9大國有林區(qū)均有分布。

1.2 研究方法

依據(jù)近30 a山西省降水和氣溫的資料，采用反距離權(quán)重插值法，形成面狀數(shù)據(jù)，與林業(yè)區(qū)劃圖疊加，采用板塊面積合并指數(shù)對(duì)斑塊進(jìn)行整合，形成山西省森林生態(tài)類型區(qū)劃圖，劃分結(jié)果形成11個(gè)生態(tài)類型區(qū)，包括北部風(fēng)沙區(qū)(年均氣溫<7.5 ℃，年均降雨量<400 mm子區(qū)； 400～500 mm子區(qū))、西部黃土丘陵區(qū)(<7.5 ℃，400～500 mm子區(qū)；7.5～10 ℃，400～500 mm子區(qū)；>10 ℃，>500 mm子區(qū))、呂梁山土石山區(qū)(<7.5 ℃，400～500 mm子區(qū)；7.5～10 ℃，400～500 mm子區(qū))、東部土石山區(qū)(<7.5 ℃，400～500 mm子區(qū)；7.5～10 ℃，400～500 mm子區(qū)；7.5～10 ℃，>500 mm子區(qū)；>10 ℃，>500 mm)。反距離權(quán)重插值法是基于插值區(qū)域內(nèi)部樣本點(diǎn)的相似性，計(jì)算與到鄰近區(qū)域樣點(diǎn)的加權(quán)平均值來估算出單元格的值，進(jìn)而插值得到一個(gè)表面。以生態(tài)類型區(qū)為劃分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合林組面積比例進(jìn)行樣地設(shè)置，共設(shè)置樣地30塊，涵蓋全省14個(gè)縣，林分年齡分布范圍5～63 a，土壤類型包括黃綿土、栗鈣土、褐土、灰褐土。樣地概況見表1。

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查 喬木層生物量調(diào)查樣地為1 hm2大樣地，首先調(diào)查并記載樣地的地點(diǎn)、坡向、坡度和坡位，土壤類型、土層厚度。標(biāo)準(zhǔn)地調(diào)查采取每木檢尺，實(shí)測其胸徑和樹高等調(diào)查因子，根據(jù)徑級(jí)(起測胸徑3，2 cm為1徑級(jí)，共8個(gè)徑級(jí))選取50株標(biāo)準(zhǔn)木。樣木伐倒后，用“分層法”測定樹干、樹枝、葉鮮重，同時(shí)分別按“混合取樣法”取樣；根系采用全挖法，按根莖、粗根(>5 cm)、細(xì)根(<5 cm)分級(jí)稱取鮮重并取樣。將上述樣品(約800個(gè))，在85 ℃烘箱中烘干至恒重，計(jì)算干物質(zhì)質(zhì)量。

依據(jù)實(shí)測和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)，采用相對(duì)生長方程建立經(jīng)驗(yàn)公式[12-13]，計(jì)算林分每1 hm2生物量。灌草層生物量調(diào)查在樣地內(nèi)均勻布設(shè)5 m×5 m灌木樣方5個(gè)，其內(nèi)設(shè)置1 m×1 m的小樣方，調(diào)查灌木層與草本并記錄，用全收獲法測定灌木的生物量鮮重，葉、枝、根分別采樣；在每個(gè)2 m×2 m的次樣方中設(shè)1個(gè)1 m×1 m小樣方，全收獲法測定草本的生物量鮮重，葉、根分別采樣；將上述各層次樣品按比例混合取樣(>1 000 g)，在85 ℃烘箱中烘干至恒重，求算干鮮比并計(jì)算出各器官干物質(zhì)質(zhì)量。

表1 油松林樣地基本概況

1.2.2 生產(chǎn)力計(jì)算方法 現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力計(jì)算方法。林分現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力指多年平均凈第一性生產(chǎn)力，測定采用“累積法”(群落收獲法或現(xiàn)存量法)[13]，即在t1和t2時(shí)間段，新合成的有機(jī)物質(zhì)的總量，具體公式如下：

P=ΔPg/Δt

(1)

ΔPg=ΔY+ΔR+ΔL+ΔG

(2)

式中：P——林分生產(chǎn)力； Δt——某個(gè)時(shí)間段； ΔPg——凈生產(chǎn)量； ΔY——增加的生物量； ΔR——呼吸消耗量； ΔL——枯死凋落量； ΔG——被食量。

在森林生態(tài)系統(tǒng)中，因復(fù)雜的相互關(guān)系，測定凈生產(chǎn)量所必須的條件很少能被實(shí)現(xiàn)，例如ΔR，ΔL和ΔG，因此現(xiàn)實(shí)中常用公式為：P=ΔY/Δt，具體實(shí)施過程中，采用現(xiàn)存生物量除以平均年齡(本研究中林齡采用年輪分析儀測定)而得。喬木層生物量測定采用平均木法，下木層和草本層采用樣方收獲法(灌木6 a，草本1 a)[14]。

潛在生產(chǎn)力計(jì)算方法。某一地區(qū)的植被生物量主要決定于該地區(qū)的光、熱和水，而在土壤和氣候處于最適條件下植被所能達(dá)到的最大生產(chǎn)力為潛在生產(chǎn)力，也稱為氣候生產(chǎn)力。采用Miami模型評(píng)價(jià)區(qū)域生產(chǎn)力限制因子；基于蒸發(fā)散量計(jì)算的Thornthwaite Memorial模型[15]，是一個(gè)地區(qū)水熱狀況的綜合表現(xiàn)，能把水熱平衡和輻射聯(lián)系在一起，計(jì)算所得的氣候生產(chǎn)潛力比用Miami模型計(jì)算所得的氣候生產(chǎn)潛力更全面準(zhǔn)確[16]，本文采用Thornthwaite Memorial模型計(jì)算潛在生產(chǎn)力。

Miami模型：

Nt=3 000/(1+e1.315-0.119 t)

(3)

Np=3 000(1-e-0.000 664 p)

(4)

式中：Nt和Np——基于溫度和基于降水量的潛在生產(chǎn)力〔g/(cm2·a)〕；t——年均溫(℃)；p——年平均降水量(mm); e——自然對(duì)數(shù)的底數(shù)。根據(jù)Liebig的限制因子定律,選取二者中的最低值作為各計(jì)算點(diǎn)的生物生產(chǎn)力數(shù)據(jù)。

Thornthwaite紀(jì)念模型：

(5)

式中：NE——基于蒸發(fā)散的潛在生產(chǎn)力〔g/(cm2·a)〕；E——年平均實(shí)際蒸發(fā)散量(mm)； e——自然對(duì)數(shù)的底數(shù)。3 000——Lieth統(tǒng)計(jì)得到的地球自然植物在每年每1 m2上的最高干物質(zhì)產(chǎn)量。

E=1.05p/〔1+(1.05p/L)2〕-0.5

(6)

L=300+25t+0.05t2

(7)

式中：L——年平均最大蒸發(fā)散量(mm)；t——年均溫(℃)。

p>0.316L時(shí)，式子(5)適用。p<0.316L時(shí)，E=p。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 試驗(yàn)采用Microsoft Excel軟件和Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 單木生物量回歸方程

本次調(diào)查是在伍姓湖站和張留莊站資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，洪痕調(diào)查及高程測量結(jié)果可靠，將調(diào)查成果與實(shí)測水文資料進(jìn)行分析對(duì)比后未見沖突且相互銜接，可認(rèn)為本次調(diào)查成果合理。

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示，油松全株生物量、樹干生物量、枝生物量、葉生物量、根生物量均與胸徑平方和樹高的乘積存在密切相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)均達(dá)極顯著水平(p<0.001，見表2)。

表2 油松各器官生物量回歸方程

2.2 山西省油松林現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力

隨著油松林林齡的增加，林分生產(chǎn)力呈先增加后降低的趨勢，較高生產(chǎn)力林齡范圍為39～43 a，而后隨著林齡的增大，生產(chǎn)力整體呈下降趨勢(圖1)。全省油松林現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力平均為4.462 t/(hm2·a)，最高生產(chǎn)力為5.736 t/(hm2·a)。

圖1 林分生產(chǎn)力隨林齡增長的關(guān)系

2.2.1 油松林各層次生產(chǎn)力 油松林不同層次生產(chǎn)力研究結(jié)果顯示，隨著林齡的變化，喬木層生產(chǎn)力在35～45 a期間維持在4.80 t/(hm2·a)左右，而后隨著林齡的增加，喬木層生產(chǎn)力呈下降趨勢，即雖然生物量增加，喬木層生產(chǎn)力在近熟林階段已經(jīng)開始下降；灌木層則逐漸上升趨勢；草本層生產(chǎn)力呈逐漸降低趨勢(圖2—3)。對(duì)于不同林齡組，喬木層在近熟林階段生產(chǎn)力最高，平均值為4.843 t/(hm2·a)，成熟林期降為4.312 t/(hm2·a)，灌木層和草本層變化趨勢同上。

圖2 各層次生產(chǎn)力隨林齡的變化

圖3 不同齡組各層次生產(chǎn)力變化

2.2.2 各層次對(duì)生產(chǎn)力貢獻(xiàn)率 喬木層、灌木層和草本層對(duì)林分貢獻(xiàn)率研究結(jié)果(圖4—5)，在喬木層貢獻(xiàn)率在幼齡林期72.17%，而后維持在85%左右；灌木層生產(chǎn)力貢獻(xiàn)率在成熟林之前平均貢獻(xiàn)率為5%左右，成熟林期達(dá)到9.35%，其貢獻(xiàn)率超過草本層；草本層對(duì)總生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)最大值出現(xiàn)在幼齡林期21.16%，而后逐漸降低，中齡林、近熟林和成熟林期分別為10.98%，7.88%和5.40%。

圖4 油松林各層次貢獻(xiàn)率隨林齡變化

圖5 不同齡組層次貢獻(xiàn)率比例

2.3油松林潛在生產(chǎn)力

Thornthwaite Memorial模型基于蒸發(fā)散量計(jì)算植被生產(chǎn)力，蒸發(fā)散量是一個(gè)地區(qū)水熱狀況的綜合表現(xiàn)，受太陽輻射、溫度、降水量、飽和差、氣壓、風(fēng)等一系列氣候因素的影響，能把水熱平衡和輻射聯(lián)系在一起，計(jì)算所得的氣候生產(chǎn)潛力比用Miami模型計(jì)算所得的氣候生產(chǎn)潛力更全面準(zhǔn)確。如表3所示，山西省油松林潛在生產(chǎn)力為8.422 t/(hm2·a)，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力平均水平為4.462 t/(hm2·a)，僅占潛在生產(chǎn)力的53%。

2.4 山西省油松林生產(chǎn)力提質(zhì)增效潛力

研究樣地中，位于沁源縣的油松林現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力最高，為5.736 t/(hm2·a)，該區(qū)處于森林生態(tài)類型10區(qū)(平均氣溫>10 ℃，降雨量>500 mm)，喬灌草生產(chǎn)力比例為60∶5∶6，林下有茶條槭和櫟類，土壤呈弱酸性。以潛在生產(chǎn)力為基數(shù)，該油松林現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力僅為潛在生產(chǎn)力的68%，油松林生產(chǎn)力提質(zhì)增效至少有32%的空間。

表3油松林潛在生產(chǎn)力

t/(hm2·a)

研究結(jié)果顯示，山西省油松林基于氣溫的潛在生產(chǎn)力為12.954 t/(hm2·a)，基于降雨量的潛在生產(chǎn)力為8.172 t/(hm2·a)，根據(jù)Liebig的限制因子定律，基于氣溫和降雨量的潛在生產(chǎn)力，選取二者中的最低值作為計(jì)算點(diǎn)的林地生產(chǎn)力數(shù)據(jù)。Nt-Np>0，該區(qū)生產(chǎn)力限制因子為降水，Nt-Np<0，該區(qū)生產(chǎn)力限制因子為氣溫。由表3可見，所有分布區(qū)限制因子均為降雨量，因此，山西省油松林生產(chǎn)力主要限制因子為降雨量。

3 討論與結(jié)論

油松林生產(chǎn)力與林齡有著密切的關(guān)系，隨著林齡的增加，油松林生產(chǎn)力先增加，成熟期后逐漸減少；全省油松林現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力平均為4.462 t/(hm2·a)，與Zhao Ming等[2]的研究結(jié)論7.4 t/(hm2·a)差別較大，一方面后者加入了枯落物的貢獻(xiàn)，總量會(huì)有所加大，另一方面與數(shù)據(jù)來源的精度和準(zhǔn)確度有關(guān)；喬木層生產(chǎn)力幼林齡期最小，貢獻(xiàn)率占72.17%，隨著林齡的增加，林分生物量總量繼續(xù)增加，在近熟林與成熟林過度階段凈生產(chǎn)力已經(jīng)開始下降。

草本層對(duì)總生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)最大值出現(xiàn)在幼齡林期21.16%，而后逐漸降低，相反，灌木層生產(chǎn)力貢獻(xiàn)率逐漸增大，林分成熟林期其貢獻(xiàn)率超過草本層。因?yàn)閱棠緦迂暙I(xiàn)率的絕對(duì)優(yōu)勢，灌木和草本的貢獻(xiàn)往往被忽視，而該研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在喬木層的生產(chǎn)力絕對(duì)值和貢獻(xiàn)率均開始下降期，灌木層生產(chǎn)力超過草本層，在三者關(guān)系中競爭力增強(qiáng)，是林分結(jié)構(gòu)調(diào)整的關(guān)鍵時(shí)期。

山西省油松林潛在生產(chǎn)力為8.422 t/(hm2·a)，以潛在生產(chǎn)力為目標(biāo)，油松林生產(chǎn)力提質(zhì)增效至少有32%的空間。油松林生產(chǎn)力首要限制因子為降雨量，與郭躍東等[10]對(duì)三道川林場的研究結(jié)果和范敏銳等[17]對(duì)北京地區(qū)的研究結(jié)果一致。明確生產(chǎn)力提升空間及限制性因素減少了經(jīng)營的盲目性，對(duì)森林經(jīng)營的目標(biāo)和經(jīng)營措施具有重要的實(shí)踐意義。

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NetPrimaryProductivityandManagementPotentialofPinusTabulaeformisForestinShanxiProvince

FAN Lanying, SUN Tuohuan

(ShanxiAcademyofForestrySciences,Taiyuan,Shanxi030012,China)

[Objective] The dynamic variation of net primary productivity ofPinustabulaeformisforest in Shanxi Province was studied, and the potential for improvement of plantation forest was predicted to provide reference for improving quality of regional forest. [Methods] The regression equation was established using the stratification and harvesting method and the relative growth model. Cumulative method and Thornthwaite Memorial model were used to estimate the actual and potential productivity of the forest. [Results] The productivity ofP.tabulaeformisforest increased with the increase of its age and decreased when it evolved into mature period. The actual productivity ofP.tabulaeformisforest was 4.462 t/(hm2·a); The contribution of trees was 72.17% to the total productivity at young stand. With the increase of age, total biomass got increase, but in the sense of productivity, it got decrease when evolved into late near-mature period. The contribution of herb layer was 21.16% in the young forest stage, and decreased latterly. On the contrary, the contribution rate of shrub layer increased gradually, which was more than that of the herb layer in the early mature period, when it is critical for structural management. The average potential productivity of forest was 8.422 t/(hm2·a), implied that there was at least 32% potential room for improvement. [Conclusion] The potential room ofP.tabulaeformisproductivity was at least 32%, and the primary limiting factor ofP.tabulaeformisforest productivity in Shanxi Province was rainfall.

Pinustabuliformis;individualtreebiomassmodel;netprimaryproductivity;potentialproductivity

A

1000-288X(2017)05-0176-06

S750

文獻(xiàn)參數(shù)： 樊蘭英, 孫拖煥.山西省油松人工林的生產(chǎn)力及經(jīng)營潛力[J].水土保持通報(bào)，2017,37(5)：176-181.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.030； Fan Lanying, Sun Tuohuan. Net primary productivity and management potential ofPinustabulaeformisforest in Shanxi Province [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：176-181.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.030

2017-07-07

2017-07-12

山西省青年科技基金項(xiàng)目“典型林分土—林系統(tǒng)養(yǎng)分耦合機(jī)制及限制性營養(yǎng)元素判定”(201601D021115)

樊蘭英(1982—),女(漢族),山西省澤州縣人,博士,主要從事森林生態(tài)學(xué)研究。E-mail:fanlanying2011@163.com。

孫拖煥(1958—),男(漢族),山西省興縣人,大學(xué)本科,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事森林生態(tài)學(xué)研究。E-mail:suntuohuan@126.com。