日本落葉松生長(zhǎng)過程與林分結(jié)構(gòu)特征研究*

郭秋菊,王志鳴,李強(qiáng)

(湖北民族學(xué)院,湖北 恩施445000)

森林可持續(xù)經(jīng)營的核心內(nèi)容是從經(jīng)營體系和技術(shù)措施改善林分結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮森林的生態(tài)服務(wù)功能,以滿足人們的需要,因此要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)經(jīng)營,森林必須具有良好的自我調(diào)節(jié)能力、活力和穩(wěn)定的組成結(jié)構(gòu)[1-2]。森林穩(wěn)定的組成結(jié)構(gòu)取決于森林自身的組成、條件、特征和規(guī)律,而這些條件、特征和規(guī)律就是林分結(jié)構(gòu)特征[3-6]。林分結(jié)構(gòu)的變化會(huì)對(duì)林分的生長(zhǎng)、穩(wěn)定性及生物多樣性等產(chǎn)生影響[7-9],并在很大程度上決定林分的穩(wěn)定性、發(fā)展的可能性和經(jīng)營空間的大小[10]。

長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)是我國南方最大的日本落葉松(Larix kaempferi)生產(chǎn)基地,多以純林為主,林分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生物多樣性低。目前有部分林木表現(xiàn)出枯梢,生長(zhǎng)緩慢現(xiàn)象。此外,林場(chǎng)經(jīng)營管理不夠集約,部分林分撫育間伐、修枝不及時(shí),使得整個(gè)林分的穩(wěn)定性下降。針對(duì)長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)日本落葉松的經(jīng)營現(xiàn)狀,本文以日本落葉松人工林為研究對(duì)象,通過對(duì)不同齡級(jí)林分胸徑和樹高結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,揭示日本落葉松林生長(zhǎng)過程和結(jié)構(gòu)特征,以期為林場(chǎng)森林資源可持續(xù)經(jīng)營提供參考。

1 研究區(qū)概況

湖北省建始縣國有長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng),其中心位置地處 30°48′N,110°03′E, 海拔 1 500-1 900m, 屬北亞熱帶氣候。林場(chǎng)年均氣溫11.7℃,極端高溫29℃,極端低溫-9.9℃,無霜期160d左右;年平均降水量1 884.3mm,年平均蒸發(fā)量933.3mm,相對(duì)濕度85%;年日照時(shí)數(shù)1 533h。林場(chǎng)內(nèi)多數(shù)為石灰?guī)r發(fā)育而成的山地黃棕壤、棕壤,成土母質(zhì)主要為石灰?guī)r、硅質(zhì)頁巖等,土壤平均厚度為80cm左右,pH值5.6-6.5,有機(jī)質(zhì)含量豐富。場(chǎng)內(nèi)自然分布的植物主要有樺木科 (Betulaceae)、高山櫟類 (Quercus L.)、柳杉 (Cryptomeria fortunei)、漆樹 (Toxicodendron Mill.)、厚樸 (Magnolia officinalis)、箭竹 (Fargesia spathacea)等;主要引進(jìn)樹種有日本落葉松和華山松 (Pinus armandii)[11]。林場(chǎng)經(jīng)營面積1 569hm2,其中國有林地1 023hm2,聯(lián)合林場(chǎng)林地67hm2,活立木蓄積達(dá)21×104m3。

2 研究方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)地設(shè)置

查閱場(chǎng)部日本落葉松經(jīng)營資料,選取日本落葉松11年生的幼齡林、23年生的中齡林、29年生的近熟林和35年生的成熟林為研究對(duì)象。在全面實(shí)地踏查基礎(chǔ)上,選擇立地條件和管理措施相同,生長(zhǎng)較一致的日本落葉松人工林設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)地。標(biāo)準(zhǔn)地大小為20m×20m,每個(gè)齡組4個(gè)重復(fù),總共16個(gè)樣地,且遠(yuǎn)離林緣,避開道路、河流。所有林分都是人工植苗造林。

標(biāo)準(zhǔn)地內(nèi)進(jìn)行每木檢尺,并調(diào)查樣地地貌類型、海拔高度、坡向、坡度、坡位等。植被主要調(diào)查灌木、草本的種類、蓋度及生長(zhǎng)狀況,以及樣地的林分起源、年齡、郁閉度、撫育方式、經(jīng)營狀況等 (表1)。

表1 不同齡組標(biāo)準(zhǔn)地基本情況Tab.1 The stand status of different age classes

2.2 樹干解析

在23年中齡林林分樣地中,選取生長(zhǎng)良好,且具有林分平均直徑和平均高或相近的林木作為解析木。伐倒選定的解析木,以2m為區(qū)分段截取圓盤,將圓盤帶回室內(nèi)進(jìn)行內(nèi)業(yè)工作,計(jì)算圓盤各齡階的直徑,其具體計(jì)算方法參照孟憲宇[12]的樹干解析方法。

2.3 生長(zhǎng)過程處理

依據(jù)解析木的直徑、樹高和材積,計(jì)算各齡階的平均生長(zhǎng)量、連年生長(zhǎng)量、材積生長(zhǎng)率及形數(shù)[12]。

2.4 林分平均胸徑的株數(shù)累積百分?jǐn)?shù)

徑階株數(shù)累積百分?jǐn)?shù)是指在林分直徑結(jié)構(gòu)分析中,小于等于一定徑階的林木株數(shù)與林木總株數(shù)的比值[13]。用徑階株數(shù)累積百分?jǐn)?shù)能把不同林分置于相同尺度上進(jìn)行比較分析,對(duì)分析林分直徑的結(jié)構(gòu),預(yù)估未來林分直徑分布和確定森林經(jīng)營措施具有重要意義。

直徑變動(dòng)幅度,相對(duì)直徑 (R)是林分中各株林木的胸徑 (d)與林分平均胸徑 (Dg)的比值,即

首先計(jì)算林分平均胸徑 (Dg):Dg=

將不同齡組標(biāo)準(zhǔn)地的調(diào)查數(shù)據(jù),采用相對(duì)直徑法對(duì)林分胸徑進(jìn)行擬合,并計(jì)算株數(shù)累計(jì)百分?jǐn)?shù),分別繪制曲線,然后找出Rd=1.0,各齡林株數(shù)累積百分?jǐn)?shù)。

2.5 樹高結(jié)構(gòu)分析

樹高株數(shù)累積百分?jǐn)?shù)樹高結(jié)構(gòu)分析采用相對(duì)樹高法,計(jì)算樹高株數(shù)累積百分?jǐn)?shù),并繪制株數(shù)累計(jì)曲線圖,找出Rh=1.0,各齡林株數(shù)累積百分?jǐn)?shù)。

樹高曲線以縱坐標(biāo)表示樹高、橫坐標(biāo)表示徑階,將各徑階的平均高依直徑點(diǎn)繪圖,散點(diǎn)的分布趨勢(shì)繪制曲線,即為樹高曲線。以不同齡組分別繪制樹高曲線散點(diǎn)圖,反映樹高隨直徑的變化規(guī)律,并在圖中查找林分平均高HD,計(jì)算平均生長(zhǎng)量。

2.6 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)利用Excel軟件、SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析處理,并對(duì)基本數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行擬合。

3 結(jié)果與分析

3.1 日本落葉松生長(zhǎng)過程分析

3.1.1 樹高生長(zhǎng)過程分析

日本落葉松樹高與年齡之間的生長(zhǎng)過程曲線呈冪函數(shù)相關(guān) (圖1),隨年齡增加呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的趨勢(shì),擬合方程為H=1.110 3t0.8917(R2=0.987 9),式中,H為樹高,t為樹木年齡。

圖1 23年生解析木樹高生長(zhǎng)過程曲線Fig.1 The height growth curve of 23 years old Larix kaempferi

23年生日本落葉松樹高19.2m,樹高年平均生長(zhǎng)量為0.8-1.0m,其中在3-7年、19-23年間樹高生長(zhǎng)較快,生長(zhǎng)量分別為1.0m/a和0.85m/a;7-18年生長(zhǎng)最慢,為0.78m/a。樹高連年生長(zhǎng)量在3-6年期間較大,生長(zhǎng)量為1.0m/a;6-9年期間生長(zhǎng)很慢,僅有0.33m/a;9-12年增加至0.97m/a,后又逐漸緩慢下降;12-15年下降到0.67m/a;15-18年生長(zhǎng)又出現(xiàn)高峰,為1.27m/a;18-21年期間,連年生長(zhǎng)量較小,為0.65m/a。

3.1.2 胸徑生長(zhǎng)過程分析

日本落葉松胸徑與年齡之間的生長(zhǎng)過程曲線呈典型對(duì)數(shù)正相關(guān)關(guān)系 (圖2),擬合方程為D=5.838 lnt-5.241 1(R2=0.991 4),式中,D為胸徑,t為樹木年齡。

圖2 23年生解析木胸徑生長(zhǎng)過程曲線Fig.2 The DBH growth curve of 23 years old Larix kaempferi

23年生日本落葉松帶皮胸徑為14.7cm,去皮胸徑為13.6cm。胸徑平均生長(zhǎng)量總體較為緩慢,為0.67cm/a。胸徑在3-6年時(shí)生長(zhǎng)迅速,達(dá)到0.90cm/a;在6-23年期間,胸徑生長(zhǎng)速度稍微變慢,為0.60-0.83cm/a。胸徑連年生長(zhǎng)量起伏較大,為0.37-1.37cm/a,同樣在3-6年期間增加快,達(dá)到1.37cm/a。在6-9年期間,為0.70cm/a。9-23年期間,連年生長(zhǎng)量較小且趨于穩(wěn)定,平均為0.50cm/a。

3.1.3 材積生長(zhǎng)過程分析

日本落葉松的材積生長(zhǎng)隨年齡增加呈冪函數(shù)增長(zhǎng) (圖3和圖4),且增長(zhǎng)速度越來越快。材積連年生長(zhǎng)量呈指數(shù)上升,在3-10年、16-21年期間,連年生長(zhǎng)量較小,僅為0.002 3-0.004 3m3/a;10-16年,連年生長(zhǎng)量較為穩(wěn)定,為0.007 2-0.009 5 m3/a;21-23年,連年生長(zhǎng)量最大,達(dá)到0.014 4 m3/a。

圖3 23年生解析木材積生長(zhǎng)過程曲線Fig.3 The volume growth curve of 23 years old Larix kaempferi

圖4 材積連年生長(zhǎng)和平均生長(zhǎng)量曲線Fig.4 The annual increment and average increment curve of volume

材積生長(zhǎng)過程方程擬合函數(shù)為V=0.000 1t2.2518(R2=0.991 4),式中,V為胸徑,t為樹木年齡。材積平均生長(zhǎng)過程方程擬合函數(shù)為θ(t)=0.000 3t-0.000 3(R2=0.996 3),式中,θ(t)為材積,t為樹木年齡。材積連年生長(zhǎng)過程方程擬合函數(shù)為:Z(t)=0.000 1t1.5777(R2=0.991 4),式中,Z(t)為連年生長(zhǎng)量,t為樹木年齡。

3.1.4 樹高-胸徑生長(zhǎng)過程分析

由圖5可以看出日本落葉松的樹高-胸徑生長(zhǎng)的變化關(guān)系,擬合方程為H=2.474 6e0.1527D(R2=0.992 4),式中,H為樹高,D為胸徑。

日本落葉松胸徑在1.3-6.2cm、8.3-10.0cm、11.9-13.6cm期間,樹高生長(zhǎng)速度比胸徑生長(zhǎng)速度快;在6.2-8.3cm期間,樹高生長(zhǎng)速度比胸徑生長(zhǎng)速度慢;在10.0-11.9cm期間,胸徑樹高生長(zhǎng)速度接近。

圖5 23年生解析木樹高-胸徑生長(zhǎng)過程曲線Fig.5 The height-DBH growth curve of 23 years old Larix kaempferi

3.2 不同齡組林分直徑結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)量

3.2.1 胸徑株數(shù)累積分布曲線

對(duì)不同齡組日本落葉松的株數(shù)累積曲線圖進(jìn)行繪制,從圖中查閱可得各林分株數(shù)累積百分?jǐn)?shù) (表2)。不論樹種、年齡、密度和立地條件如何,其林分平均直徑 (Dg)在株樹累積分布曲線上所對(duì)應(yīng)的株數(shù)累積百分?jǐn)?shù)的位置在55%-64%之間,60%左右。根據(jù)分析結(jié)果可知:幼齡林胸徑株數(shù)累積百分?jǐn)?shù)最小,而中齡林、近熟林和成熟林的累積百分?jǐn)?shù)值屬于正常位置,其中近熟林林分的累積百分?jǐn)?shù)最大。中齡林中進(jìn)行過幾次采伐少部分中等解析木,并沒有影響整個(gè)林分胸徑分布;近熟林、成熟林在采伐利用時(shí),各徑階采伐情況大致相同,因此,胸徑分布仍然處于正常水平。幼齡林未進(jìn)行任何采伐利用,單位面積里林分密度過大,林分胸徑結(jié)構(gòu)分布不理想。

表2 林分平均胸徑株數(shù)累積百分?jǐn)?shù)Tab.2 The average diameter cumulative percent

3.2.2 胸徑平均生長(zhǎng)量

由表3可以看出,隨著年齡的增加,林木平均胸徑逐漸增大。幼齡林胸徑平均胸徑生長(zhǎng)量最大,達(dá)1.07cm/a,成熟林、中齡林次之,分別為0.77cm/a和0.75cm/a。近熟林的平均胸徑較小,胸徑平均生長(zhǎng)量也為最小值,這可能是由于采伐撫育不合理,造成林地上剩余活立木的結(jié)構(gòu)分布不合理所致。

表3 胸徑平均生長(zhǎng)量Tab.3 The average diameter increment

3.3 不同齡組樹高結(jié)構(gòu)及其生長(zhǎng)量

3.3.1 樹高株數(shù)累積曲線

不同齡組日本落葉松樹高株樹累積百分?jǐn)?shù)結(jié)果見表4。中齡林樹高株數(shù)累積百分?jǐn)?shù)偏小,近熟林則較大。由于中齡林中進(jìn)行過幾次中等解析木的采伐,故而偏小;近熟林采伐利用時(shí),采伐多為樹高生長(zhǎng)落后或不良者,因此,樹高結(jié)構(gòu)分布不均勻;成熟林分間伐時(shí)所采林木各徑階大致一致,分布結(jié)構(gòu)趨于正常;幼齡林未進(jìn)行任何采伐利用,林分充分郁閉,相應(yīng)累積株樹也較大。整體來看,林分樹高結(jié)構(gòu)規(guī)律類同于同齡林林分直徑結(jié)構(gòu)規(guī)律。

表4 樹高株數(shù)累積百分?jǐn)?shù)Tab.4 The tree height-cumulative percent

3.3.2 樹高平均生長(zhǎng)量

由表5數(shù)據(jù)可知,林分樹高隨年齡的增加而逐漸增大。幼齡林樹高平均生長(zhǎng)量最大,達(dá)0.84m/a,中齡林、近熟林和成熟林生長(zhǎng)較為緩慢,平均為0.65m/a。

表5 林分條件平均高與平均生長(zhǎng)量Tab.5 The dominant height and average annual increment of different age classes stands

4 結(jié)論和討論

4.1 結(jié)論

日本落葉松胸徑生長(zhǎng)過程可用方程D=5.838 lnt-5.241 1擬合,擬合優(yōu)度在0.99以上,擬合效果良好。不同林齡階段的日本落葉松胸徑平均生長(zhǎng)量表現(xiàn)為幼齡林胸徑平均生長(zhǎng)量最大,高于中齡林、近熟林和成熟林的胸徑生長(zhǎng)量。中齡林、成熟林胸徑平均生長(zhǎng)量居中,近熟林林分胸徑平均生長(zhǎng)量最小。實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)由于幼齡林的林分位于坡地,株行距未修正為水平距離,林木密度太大,林木個(gè)體之間競(jìng)爭(zhēng)激烈,林分的胸徑結(jié)構(gòu)分布不良,這可能導(dǎo)致幼齡林胸徑生長(zhǎng)量低于正常水平,從而影響日本落葉松林木的充分生長(zhǎng)。

日本落葉松樹高生長(zhǎng)過程可用方程H=1.110 3t0.8917擬合,擬合優(yōu)度0.99。中齡林樹高株數(shù)累積百分?jǐn)?shù)偏小,近熟林則較大。幼齡林樹高平均生長(zhǎng)量最大,高生長(zhǎng)良好;中齡林、近熟林和成熟林樹高生長(zhǎng)量小,生長(zhǎng)速度大致相同。林分樹高結(jié)構(gòu)規(guī)律類同于同齡林林分直徑結(jié)構(gòu)規(guī)律。

綜上所述,日本落葉松樹高與胸徑之間可用函數(shù)H=2.474 6e0.1527D擬合,材積生長(zhǎng)過程可用方程V=0.000 1t2.2518擬合,所有擬合方程的R2都大于0.99,擬合效果顯著。幼齡林胸徑、樹高均生長(zhǎng)較快,但由于林分密度大,胸徑生長(zhǎng)欠佳。中齡林胸徑、樹高生長(zhǎng)穩(wěn)定,林分狀況良好。近熟林林分林木高生長(zhǎng)大于胸徑生長(zhǎng),健康狀況欠佳,林內(nèi)枯立木、瀕死木占有一部分。成熟林多為日本落葉松與柳杉行間混交,樹高、胸徑生長(zhǎng)穩(wěn)定,林分狀況良好。

4.2 討論

長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)從1960年采用日本落葉松造林,現(xiàn)已有近萬畝造林面積,但是有些林分開始出現(xiàn)枯梢、生長(zhǎng)狀況下降等現(xiàn)象。針對(duì)各林分胸徑、樹高的生長(zhǎng)現(xiàn)狀,對(duì)以后林場(chǎng)的經(jīng)營管理提出一些切實(shí)可行的建議,以實(shí)現(xiàn)森林的可持續(xù)經(jīng)營目標(biāo)。

林業(yè)發(fā)展 “十三五”規(guī)劃大力推進(jìn)營造混交林,現(xiàn)有人工純林將逐漸采取森林撫育措施調(diào)整樹種結(jié)構(gòu),逐漸修復(fù)為混交結(jié)構(gòu),以提高森林質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。因此,針對(duì)長(zhǎng)嶺崗林場(chǎng)日本落葉松生長(zhǎng)現(xiàn)狀,首先需要因地制宜、適地適樹地推進(jìn)樹種結(jié)構(gòu)調(diào)整為混交結(jié)構(gòu)。以日本落葉松為主要目的樹種,輔以柳杉、檫木 (Sassafras tzumu)等生長(zhǎng)優(yōu)良樹種,以及鵝掌楸 (Liriodendron chinense)等鄉(xiāng)土樹種,形成復(fù)層、冠層厚、生態(tài)位錯(cuò)落有致的林分結(jié)構(gòu),提高林分質(zhì)量和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。其次需要合理密植,保持林地合理的林木株數(shù),調(diào)節(jié)個(gè)體間競(jìng)爭(zhēng),維持林分較高生產(chǎn)力。同時(shí)對(duì)于成熟林分,及時(shí)主伐更新。日本落葉松林分輪伐期在26-30年,前期生長(zhǎng)快,后期生長(zhǎng)緩慢,應(yīng)及時(shí)采伐利用成熟林分,并于伐后及時(shí)更新,提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)對(duì)生長(zhǎng)欠佳林分進(jìn)行改造或伐除更新。最后應(yīng)該少量多次及時(shí)撫育間伐,及時(shí)采伐生長(zhǎng)不良、病蟲害木,為保留木創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境,保持林地清潔衛(wèi)生。