冀北山地典型林分近自然經(jīng)營技術(shù)研究

梁文俊，魏曦，朱寶才

(山西農(nóng)業(yè)大學 林學院，山西 太谷 030801)

森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主要組成部分，是人類生存和可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[1]，主要體現(xiàn)在調(diào)節(jié)氣候，吸收CO2，釋放氧氣等方面，在全球生物地球化學水文循環(huán)中發(fā)揮不可替代的作用[2]。林分結(jié)構(gòu)是森林修復和演替進程的重要體現(xiàn)，也是體現(xiàn)森林功能和穩(wěn)定性的重要指標[3,4]。目前許多研究者提出對森林不同經(jīng)營模式，有針對目標樹經(jīng)營撫育、多目標經(jīng)營的綜合撫育經(jīng)營等，不同的經(jīng)營撫育過程對森林群落結(jié)構(gòu)都有深遠的影響[5～11]。以往的研究大多關(guān)注于天然林經(jīng)營撫育后林分內(nèi)植被、物種多樣性、林分結(jié)構(gòu)、土壤等環(huán)境變化[12～16]，對撫育經(jīng)營后，人工干擾引植苗木的后續(xù)生長狀況研究較少，尤其是人工純林改造成為針闊混交林后群落的發(fā)展關(guān)注較少。

純林存在結(jié)構(gòu)單一、穩(wěn)定性差、病蟲害嚴重等問題已經(jīng)是公認的問題，河北圍場地區(qū)華北落葉松純林較多，林分結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能不斷退化，有些形成“小老樹”，如何通過適當?shù)纳纸?jīng)營撫育, 改善林分群落結(jié)構(gòu)，使之能夠完全發(fā)揮其生態(tài)功能效益。本文以華北落葉松純林、落闊次生林為例，以林分撫育前空間結(jié)構(gòu)特征和3次撫育間伐對林木生長的影響，提出更加合理的撫育措施，預估撫育20 a后苗木的生長情況，判別林分后期生長狀況。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北承德圍場縣木蘭林管局的北溝林場，地理坐標41°47′～42°06′ N，116°51′～117°45′ E，平均海拔1 245 m，地區(qū)年降水量380～560 mm，平均氣溫-0.05～6.0 ℃，年平均蒸發(fā)量為1 462～1 556 mm，屬寒溫帶向中溫帶過渡的大陸季風型山地氣候，晝夜溫差較大。土壤以草甸土、棕土、褐土等為主，有機質(zhì)含量高，土壤比較肥沃。林場人工林主要以油松(Pinustabulaeformis)和華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)為主，次生林內(nèi)主要樹種有山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)、華北落葉松、云杉(Piceaasperata)等。本研究山楊白樺林次生林地(楊樺混交林)是在火燒跡地上自然發(fā)育形成的群落。目前，群落生態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以山楊、白樺為先鋒樹種，伴生樹種主要有華北落葉松和油松等，林下灌木以毛榛(Corylusmandshurica)為主[17]。

1.2 研究方法

在河北圍場縣北溝林場設(shè)置1塊面積為100 m×100 m的次生林樣地，1塊60 m×60 m的華北落葉松純林樣地，將樣地分成20 m×20 m的小單元詳細調(diào)查。立地情況調(diào)查內(nèi)容：樣地海拔、經(jīng)緯度、坡度、林分種類等，林分調(diào)查：喬木樹種種類、坐標(相對)、胸徑、樹高、冠幅、健康度等，灌木調(diào)查(每個20 m×20 m小單元里選取2～3個5 m×5 m)：種類、株數(shù)、高度等；草本情況(每個20 m×20 m小單元里選取4～5個1 m×1 m)[18]。

首先統(tǒng)計4塊樣地的胸徑、樹高、相對地理坐標，利用Winkelmass空間分析軟件得出角尺度、混交度和大小比數(shù)。角尺度(W)、大小比數(shù)(U)、混交度(M)數(shù)據(jù)分析參照惠剛盈等[19]的方法。

2 結(jié)果與分析

分別從2塊樣地優(yōu)勢樹種的水平結(jié)構(gòu)(直徑分布)、空間結(jié)構(gòu)(角尺度、大小比數(shù)、混角度)2方面解析林分結(jié)構(gòu)。

2.1 林分水平結(jié)構(gòu)

樣地A，落葉松純林，樹種單一，林下有少量更新幼苗，從直徑分布圖(圖1)可以看出，林分徑階峰值出現(xiàn)在17～19 cm，胸徑主要集中在9～23 cm之間，徑階基本屬于正態(tài)分布，說明林分結(jié)構(gòu)較為合理。

從圖2可以看出：在次生林樣地B中，落葉松種群分布呈明顯的雙峰狀，直徑分布范圍較廣，峰值出現(xiàn)在13～19 cm之間；白樺種群直徑呈正態(tài)分布，在胸徑大于29 cm處有少量白樺和山楊出現(xiàn)，此處這兩種樹種直徑分布占絕對優(yōu)勢；而總體分析山楊的直徑分布呈“L”型，五角楓、花楸、蒙古櫟等闊葉樹種則主要分布在5～7 cm徑階到15～17 cm徑階之間，且分布較為均勻，有部分小于5 cm的幼樹。分析整個林分的樹種組成可知，優(yōu)勢樹種包括落葉松、白樺和山楊，其它樹種為伴生樹種。

圖1 樣地A落葉松林分直徑分布Fig.1 DBH distribution of plot A

圖2 樣地B優(yōu)勢樹種林分直徑分布Fig.2 DBH distribution of plot B

2.2 林分空間結(jié)構(gòu)分析

由于樣地A為人工純林，樹種較為單一，林分初值密度一致，后期苗木長勢差異較小。因此，本研究不再對樣地A進行角尺度、大小比數(shù)和混交度分析。

從表1可以看出，樣地B—次生林中各樹種角尺度差別不大，只有落葉松的平均角尺度為0.453 5，屬于均勻分布；其他樹種角尺度都大于0.517，屬于團狀分布，白樺平均角尺度為0.543 5，山楊為0.539 5，全林分平均角尺度為0.526>0.517，說明林分整體屬于團狀分布，需要進行一定的撫育調(diào)整，使林分屬于均勻分布狀態(tài)，促進林分更好生長。

表1 次生林主要樹種角尺度Table 1 The uniform angle index of mixed forest

將測得的次生林大小比數(shù)原始數(shù)據(jù)進行整理計算，結(jié)果如表2所示。從表2中直徑大小比數(shù)可以看出：全林分平均大小比數(shù)為0.486 6，林分內(nèi)不同樹種大小比數(shù)范圍較廣，處于0.229 1～0.788 8之間，說明林分空間差異較大。落葉松平均直徑大小比數(shù)為0.229 1，在0～0.25之間；白樺平均直徑大小比數(shù)為0.466 4，在0.25～0.50之間，處于一種亞優(yōu)勢和中庸狀態(tài)；而山楊以及伴生樹種花楸和五角楓這3種樹種的平均直徑大小比數(shù)處于0.50～0.75范圍之內(nèi)，生長處于劣勢；其它伴生樹種如蒙古櫟平均直徑大小比在0.75～1范圍內(nèi)，明顯處于劣勢，長勢處于被壓木。

表2 次生林優(yōu)勢樹種大小比數(shù)Table 2 The dominance of dominant species in mixed forest

次生林樣地B，全林分平均混交度為0.48，屬于中度混交(表3)，林分結(jié)構(gòu)較為單一，穩(wěn)定性較差。落葉松、山楊、五角楓、花楸和蒙古櫟平均混交度分別為0.74、0.61、0.82、0.71、0.86，均大于0.50，都處于相對強度混交狀態(tài)。群落中白樺平均混交度只有0.24，其株數(shù)最多，說明白樺存在聚集現(xiàn)象。

表3 次生林林分混交度Table 3 The mingling of species in mixed forest

2.3 林分生長過程分析

苗木歷年生長情況通過解析木制取的方式獲取。圖3分析了1994-2012 年落葉松生長情況，從圖中可以看出，1994-1998年落葉松呈現(xiàn)一個快速生長趨勢，然后減慢；時隔6 a后再次進行撫育，這期間林木生長速度一般，最大值出現(xiàn)在2005年，2009年為最小值3.65%。最近一次撫育在2009年開始，這期間林木生長迅速，3 a生長率分別為6.85%、9.22%、6.12%，主要由于這次間伐力度較大，林分空間得到了最大的利用，林木生長狀況良好。

將次生林樣地采伐的解析木進行進一步處理，通過樹干解析進行分析，落葉松在1994-2012 年之間的生長情況如圖4。林采伐在第一次采伐后，落葉松首先開始快速生長，1994年到1998年上升，后兩年生長率最大，平均達到了17.7%，1998年之后開始下降；2000年第二次采伐，但是在2000-2009年這幾年氣候條件較差，生長緩慢，2005年達到這個期間最大；2008年最小為5.47%；第三期撫育在2009年，后三年內(nèi)林內(nèi)落葉松快速生長，增速都相對較大，分別比2009年提高1.15倍、1.53倍、1.40倍。

圖3 1994-2012年落葉松純林胸徑增長率Fig.3 Growth rate of Larch in 1994-2012

圖4 1994-2012年次生林中落葉松胸徑增長率Fig.4 Growth rate of larch diameter in mixed forest in 1994-2012

2.4 林分結(jié)構(gòu)調(diào)整

從表4可以看出，樣地A中只有少量闊葉樹種，落葉松占據(jù)絕對優(yōu)勢地位，基本屬于純林，基于林中有少量白樺、山楊等闊葉樹種，誘導的方法首先是對林分進行一定強度的間伐，將其郁閉度降低到0.6左右，之后引入白樺、云杉、五角楓、山楊幼苗。根據(jù)樹種解析木分析，以20 a作為一個生長階段，林中幼苗總材積生長量可達59.464 m3(表5)

根據(jù)樣地調(diào)查，樣地B群落組成狀況如表6。由表6可知，樣地B中優(yōu)勢樹種為白樺、山楊和落葉松，誘導途徑主要是對長勢不良的樹木進行伐除，盡量保留長勢良好的闊葉樹種，將林分郁閉度較低到0.6左右，后期栽植云杉、花楸、五角楓幼苗，表7為已有更新苗木情況，表8為人工栽植苗木種類和數(shù)量。根據(jù)樹種解析木分析，以20年作為一個生長階段，次生林中幾種幼苗總材積生長量可達73.191 m3(表9)。

3 結(jié)論與討論

(1)在冀北山地分布的人工落葉松純林(林分類型A)、落葉松和天然闊葉次生林(林分類型B)2種典型林分中，空間分布格局不同。在徑階分布上，樣地A中，華北落葉松呈單峰曲線分布；B樣地中，優(yōu)勢樹種為落葉松、白樺、山楊，落葉松呈雙峰分布，白樺呈正態(tài)分布，山楊呈L型分布；在角尺度分布上，A樣地為正態(tài)分布，B樣地為團狀分布。從大小比數(shù)來看，樣地B平均大小比數(shù)為0.487，屬于團狀分布。在混交度分布上，樣地B平均混交度為0.47，屬于中度混交。(2)2個林分中，同一樹種的生長規(guī)律基本一致，采取一致的經(jīng)營措施后，闊葉樹種在整個齡級階段有明顯差異性，前期生長具備明顯優(yōu)勢，生長率明顯高于針葉樹種；后期闊葉樹種生長率下降幅度大于針葉樹種。2個林分類型中，人工落葉松生長規(guī)律表現(xiàn)為： 樣地A <樣地B；白樺生長在中齡林前后與落葉松出現(xiàn)交錯現(xiàn)象，前期生長快，后期生長慢，山楊生規(guī)律與白樺相似。(3)以目標林分為依據(jù)，對樣地A、樣地B進行調(diào)整伐，使郁閉度降低到0.6，再引植云杉、五角楓、花楸等耐蔭樹種，輔以修枝、割灌等撫育措施，使其誘導成為目標林型。

表4 樣地A林分基本情況Table 4 Basic situation of forest stand of A plot

表5 樣地A栽植與自然更新苗的生長量Table 5 Growth of planting and updated seedling of plot A

表6 樣地B次生林林分基本情況Table 6 Basic situation of forest stand of B plot

表7 樣地B林分自然更新情況Table 7 The natural update of polt B

表8 樣地B人工栽植幼苗情況Table 8 Artificial planting of seedlings of plot B

從1994-2012年期間，3次經(jīng)營撫育，優(yōu)化了林分結(jié)構(gòu)，增加了群落多樣性，強化優(yōu)勢樹種，將純林改造為針闊混交林、優(yōu)化次生林結(jié)構(gòu)，促進林分向頂級群落演替。研究結(jié)果與梁星云等[12]對丹清河林場天然次生林采取人工干擾撫育措施后得出的結(jié)論一致。李菁等[20]研究了興安落葉松與白樺最佳混交比控制在5∶5至7∶3之間時，與落葉松純林相比，林內(nèi)植物和昆蟲的多樣性和豐富度、林分結(jié)構(gòu)均達到較高狀態(tài)。梁文俊、張建華[21,22]以林分空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出相應(yīng)的撫育間伐措施，并對比了華北落葉松、次生林經(jīng)營前后林分空間結(jié)構(gòu)的變化，以期改善林分結(jié)構(gòu)，加快林分向頂級群落發(fā)展的進程。這些研究從多角度研究了撫育管理對森林群落的影響和改變，研究結(jié)果與本研究形成一致的觀點。

表9 樣地B栽植與自然更新幼苗的生長量Table 9 Growth of planting and updated seedling of plot B

我國大多森林經(jīng)營理念都起源于德國的近自然經(jīng)營理念, 以培育大徑級用材為主要目的，改善群落結(jié)構(gòu)，增加林分多樣性，主要通過人工補植方式引入“適地適樹”樹種和林分頂級樹種，并結(jié)合森林自然恢復能力，使人工林轉(zhuǎn)化為較為穩(wěn)定的混交林，促進林分向自然狀態(tài)的天然林發(fā)展。目前國內(nèi)許多地方以這種經(jīng)營模式進行實施，后期研究表明，這種撫育技術(shù)在促進林分快速生長、增加生物多樣性、改善林分結(jié)構(gòu)等多方面均取得顯著效果[23～25]。