基于一類清查數(shù)據(jù)的費(fèi)縣森林資源動(dòng)態(tài)變化

王景才，李 明，蔣新瑞，王艷華，王忠英，魏宇飛

(1.國(guó)家林業(yè)和草原局華東調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310019；2.費(fèi)縣自然資源和規(guī)劃局，山東 費(fèi)縣 273400；3.費(fèi)縣國(guó)有林場(chǎng)總場(chǎng)，山東 費(fèi)縣 273400)

一類清查是國(guó)家森林資源調(diào)查體系的重要組成部分，以省為單位，利用固定樣地為主進(jìn)行定期復(fù)查[1]，一類清查是掌握國(guó)家森林資源宏觀現(xiàn)狀，消長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，監(jiān)督檢查各地森林資源消長(zhǎng)任期目標(biāo)責(zé)任制[2]等的重要依據(jù)。及時(shí)了解國(guó)家森林資源的數(shù)量和質(zhì)量以及其變化情況，有助于國(guó)家合理地制定林業(yè)發(fā)展計(jì)劃和研究各項(xiàng)林業(yè)方針政策[2-3]。此外，一類清查數(shù)據(jù)也被廣泛用于科學(xué)研究，主要涉及立地質(zhì)量評(píng)價(jià)[4]、生長(zhǎng)預(yù)估[1]、森林生物量及生產(chǎn)力[5]、碳儲(chǔ)量估算[6-7]等。然而，使用一類清查數(shù)據(jù)分析不同林種內(nèi)的樹(shù)種、單木結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的研究相對(duì)較少。

不同的林種其經(jīng)營(yíng)目標(biāo)和發(fā)揮的主要功能不同，目前我國(guó)少林省份大部分森林都作為防護(hù)林和特種用途林[8]。山東省同屬少林省份，面臨最大的困難就是森林蓄積量小，森林面積越少，森林的生態(tài)作用相對(duì)越重要[9]。因此，充分了解主要林種的現(xiàn)狀和生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)，分析不同林種的結(jié)構(gòu)，并提出相應(yīng)的問(wèn)題和建議，有助于全面掌握和規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的森林資源，更好地促進(jìn)森林可持續(xù)發(fā)展。

因此，本研究的主要目的是了解費(fèi)縣各地類的數(shù)量及變化，分析3個(gè)主要亞林種(水土保持林、一般用材林和果樹(shù)林)的樹(shù)種徑級(jí)株數(shù)分布、樹(shù)種重要值等非空間結(jié)構(gòu)特征，并提出經(jīng)營(yíng)措施。

1 研究區(qū)概況

費(fèi)縣隸屬于山東省臨沂市，位于山東省東南部，地理位置：117°36′～118°19′E，35°01′～35°33′N，總面積1 660.11 km2[8]。屬暖溫帶季風(fēng)性氣候，年均氣溫一般在13.1～13.9 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 532.1 h，年均降水量819.3 mm。費(fèi)縣地貌特征是低山、丘陵和傾斜的山前平原，山地占51.9%、丘陵占24.4%、平原占16.3%，有溫河、浚河、祊河、涑河4條主要河流[8]。全縣最高點(diǎn)為北部蒙山掛心崛子，海拔1 026 m，最低點(diǎn)在汪溝鎮(zhèn)與臨沂界的山水口，海拔75.3 m，平原海拔75～100 m，丘陵海拔100～200 m，山地海拔在200 m以上。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究使用山東省費(fèi)縣的一類清查數(shù)據(jù)，包括3期(2007年、2012年和2017年)樣地?cái)?shù)據(jù)和2期(2012年和2017年)的單木數(shù)據(jù)，共有104個(gè)連續(xù)清查樣地，樣地面積667 m2，間距4 km×4 km。樣地調(diào)查因子包括樹(shù)種、胸徑、樹(shù)高等，林分因子包括優(yōu)勢(shì)樹(shù)種、平均胸徑、平均年齡、平均樹(shù)高、物種個(gè)數(shù)、頻度等。

3 研究方法

3.1 重要值

重要值(IV)是描述林木在林分中所占優(yōu)勢(shì)程度的指標(biāo)之一，其公式如下[10]。

相對(duì)多度=(某一種植物總的個(gè)體數(shù)/樣地內(nèi)植物總個(gè)體數(shù))×100%

(1)

相對(duì)顯著度=(某一種植物所有個(gè)體胸高斷面積之和/所有個(gè)體胸高斷面積之和)×100%

(2)

相對(duì)頻度=(某物種的頻度/所有物種個(gè)體頻度總和)×100%

(3)

重要值=(相對(duì)多度+相對(duì)顯著度+相對(duì)頻度)/3

(4)

3.2 樹(shù)種多樣性指數(shù)

樹(shù)種多樣性指森林群落中各樹(shù)種的數(shù)量及個(gè)體數(shù)量分配的均勻程度，可以反映物種豐富程度和均勻性，體現(xiàn)群落的生境差異及結(jié)構(gòu)類型等[11]。本研究選取物種豐富度(M)，Shannon-Wiener index(H′)，Pielou均勻度指數(shù)(J′)和Simpson index(S′)[12-14]等指標(biāo)來(lái)描述不同林種內(nèi)喬木樹(shù)種多樣性，公式如下：

M=(S-1)/lnN

(5)

H′=-∑PilnPi

(6)

(7)

J′=(-∑PilnPi)/lnS

(8)

式中：S為物種個(gè)數(shù)；Pi為物種重要值；N為全部物種的個(gè)體總數(shù)。

3.3 生長(zhǎng)量和生長(zhǎng)率

基于2012和2017年的調(diào)查數(shù)據(jù)，計(jì)算3個(gè)主要林種內(nèi)喬木的胸徑、斷面積和材積年平均生長(zhǎng)量。同時(shí)，利用普雷斯特生長(zhǎng)率公式[15]計(jì)算相應(yīng)的定期平均生長(zhǎng)率(Periodic annual increment，PAI)：

PAIn=(ya-ya-n)/(ya+ya-n)×200/n

(9)

式中：PAIn為n年間平均生長(zhǎng)率；ya和ya-n分別表示a(2017)和a-n(2012)年的喬木樹(shù)種胸徑(斷面積或材積)。

4 結(jié)果與分析

4.1 一類清查樣地土地類型變化

由表1可知，費(fèi)縣有森林資源一類清查樣地104個(gè)。2007年和2012年各有9個(gè)地類，2017年地類增加至13個(gè)。其中2007年地類主要以耕地(共49塊，占總樣地?cái)?shù)的47.12%)和喬木林(26塊，占總樣地?cái)?shù)的25%)為主，而到2017年時(shí)，增加了其他宜林地、其他用地和未利用地3個(gè)地類，同時(shí)耕地?cái)?shù)量減少至40個(gè)，特殊灌木林地從2個(gè)增加至19個(gè)，喬木林樣地?cái)?shù)量從26個(gè)減少至18個(gè)。

針對(duì)有林地，從林種來(lái)看，2017年比前兩期增加了風(fēng)景林，但是僅有2塊樣地；果樹(shù)林林種的樣地從11個(gè)增加到22個(gè)，水土保持林樣地?cái)?shù)減少了2個(gè)，一般用材林樣地?cái)?shù)量也從11個(gè)減少到4個(gè)。

4.2 樹(shù)種重要值和物種多樣性

費(fèi)縣森林資源一類清查樣地主要有3個(gè)亞林種，即果樹(shù)林、水土保持林和一般用材林，2017年出現(xiàn)的風(fēng)景林是由于標(biāo)準(zhǔn)變化從水土保持林劃分為風(fēng)景林，因此將風(fēng)景林和水土保持林統(tǒng)一當(dāng)作水土保持林進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。針對(duì)這3個(gè)亞林種統(tǒng)計(jì)其主要林木，結(jié)果顯示，水土保持林的樹(shù)種數(shù)量從2012年的8個(gè)增加到2017年的15個(gè)，林種內(nèi)主要以黑松和側(cè)柏為優(yōu)勢(shì)樹(shù)種，其重要值分別為2012年0.44和0.30，2017年0.34和0.33(表2)。而一般用材林以歐美楊占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。果樹(shù)林內(nèi)目的樹(shù)種包括棗、杏、板栗等，但大多處于幼齡階段，而胸徑5 cm以上的喬木主要是板栗，重要值達(dá)0.49，其次為杏。

表1 2007-2017年費(fèi)縣一類清查樣地土地類型變化

表2 2012年和2017年費(fèi)縣主要林種內(nèi)樹(shù)種重要值變化

與2012年相比，2017年3個(gè)林種的物種多樣性指數(shù)總體基本呈現(xiàn)不斷增加趨勢(shì)(表3)。水土保持林內(nèi)的物種豐富度和Shannon-Wiener多樣性指數(shù)顯著高于其他兩者。一般用材林的Simpson生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)最大，而Pielou均勻度指數(shù)最低。

表3 2012年和2017年3個(gè)主要林種物種多樣性變化

4.3 喬木徑級(jí)結(jié)構(gòu)

喬木林的徑級(jí)結(jié)構(gòu)研究表明(圖1)，水土保持林的徑階-株數(shù)分布基本呈現(xiàn)“倒J型”，2017年時(shí)6和8徑階的林木株數(shù)比2012年增加。果樹(shù)林的徑級(jí)變化較大，6、8、10和12徑階變化幅度最大，費(fèi)縣是果樹(shù)種植區(qū)，人工種植株數(shù)增加，該林種喬木林整體徑階結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出“倒J型”。一般用材林內(nèi)喬木以歐美楊占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，徑級(jí)分布呈現(xiàn)單峰或多峰分布。

圖1 2012年和2017年3個(gè)亞林種內(nèi)主要樹(shù)種徑階株數(shù)分布

4.4 3個(gè)林種內(nèi)蓄積分布

2012年，水土保持林、果樹(shù)林和一般用材林的喬木蓄積量分別為44.55、13.02和19.12 m3·hm-2，2017年分別為54.14、18.37和48.36 m3·hm-2。水土保持林內(nèi)蓄積多集中在10～24 cm徑階，黑松蓄積量占優(yōu)勢(shì)，其次是側(cè)柏、刺槐，隨著時(shí)間推移，大徑階樹(shù)木的蓄積比例在增加。果樹(shù)林內(nèi)中小徑階蓄積偏多，以蘋果為主，而大徑階林木蓄積以板栗居多，其次是杏。一般用材林中歐美楊蓄積占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

4.5 喬木生長(zhǎng)量

通過(guò)計(jì)算保留木的生長(zhǎng)，總體看來(lái)，一般用材林的生長(zhǎng)量和生長(zhǎng)率均最大，其次是果樹(shù)林，最后是水土保持林(表4)。水土保持林內(nèi)，麻櫟年均胸徑生長(zhǎng)量、胸徑生長(zhǎng)率最大，分別為2.70 cm和5.69%，其斷面積和樹(shù)種的材積生長(zhǎng)率均最大，刺槐和黃檀的胸徑年均生長(zhǎng)量緊隨其后。果樹(shù)林內(nèi)板栗胸徑生長(zhǎng)量最大，而刺槐的胸徑生長(zhǎng)率最高。一般用材林內(nèi)歐美楊的胸徑、材積生長(zhǎng)量和生長(zhǎng)率最大。

表4 2012-2017年3個(gè)林種樹(shù)木生長(zhǎng)量和生長(zhǎng)率

5 結(jié)論與討論

5.1 地類與林種變化

2007-2017年費(fèi)縣森林資源一類清查樣地的地類發(fā)生了較大變化，主要是喬木林減少，一般用材林的樣地?cái)?shù)量由2007年的11個(gè)減少為2017年的4個(gè)，而特殊灌木林地從2個(gè)增加到19個(gè)，原因可能是林地和耕地之間存在著交替轉(zhuǎn)換，且農(nóng)民受到市場(chǎng)或者政策的影響，調(diào)整了農(nóng)林種植結(jié)構(gòu)[16]。同時(shí)，主要用材樹(shù)種楊樹(shù)被大量采伐，導(dǎo)致地類變?yōu)楦氐取?017年增加了一個(gè)林種，即風(fēng)景林，其原因是2017年復(fù)查時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生了變化，將原來(lái)部分喬木林歸為特殊灌木林，并將兩塊水土保持林劃為風(fēng)景林。

5.2 樹(shù)種多樣性與林木生長(zhǎng)

從費(fèi)縣的一類清查數(shù)據(jù)來(lái)看，2012年和2017年水土保持林每公頃蓄積量分別為44.55 m3和54.14 m3，低于全省水土保持林同期平均水平(分別為55.25 m3和60.01 m3)[16]。

水土保持林，就主要喬木樹(shù)種黑松、側(cè)柏、刺槐和赤松而言，刺槐的胸徑、材積生長(zhǎng)量最大，其次是赤松、黑松和側(cè)柏，這與羅軍偉對(duì)魯中山區(qū)的研究結(jié)果類似[17]。一般用材林每公頃蓄積量從2012年的19.12 m3增長(zhǎng)到2017年的48.36 m3，增幅較大，其原因可能是：①一般用材林內(nèi)以歐美楊為主要樹(shù)種，歐美楊為速生樹(shù)種[18]，年均生長(zhǎng)量也最大；②部分林木被采伐后保留的楊樹(shù)獲得了更多的營(yíng)養(yǎng)空間，生長(zhǎng)加快。

5.3 林木可持續(xù)發(fā)展

異齡林分中理想的直徑結(jié)構(gòu)分布情況是小徑階林木株數(shù)最多，隨著直徑的增大，林木株數(shù)按徑階依常數(shù)q值(相鄰徑階株樹(shù)比)急劇下降，達(dá)到一定直徑后，株數(shù)減少的幅度趨于平緩狀態(tài)，呈現(xiàn)近似于雙曲線形式的負(fù)指數(shù)分布[19]或反J形分布[20-21]。充足的更新和林木進(jìn)階是保證森林可持續(xù)發(fā)展的前提?？偟膩?lái)說(shuō)，費(fèi)縣一類清查樣地內(nèi)有林地總體生長(zhǎng)良好，水土保持林內(nèi)林木徑階分布呈“倒J型”，說(shuō)明其短期內(nèi)可以持續(xù)發(fā)展，2017年時(shí)6～8 cm徑階林木相對(duì)增加，說(shuō)明林下更新進(jìn)階較好，需要采取人工撫育等措施調(diào)整林分結(jié)構(gòu)、促進(jìn)林下樹(shù)木生長(zhǎng)[19]。一般用材林中歐美楊占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但其直徑分布并不合理，原因可能是用材林受到較多的人工干預(yù)措施，大徑階林木多被采伐，而楊樹(shù)天然更新較少，小徑級(jí)林木得不到充分補(bǔ)充。同時(shí)，用材林多為純林，抗性相對(duì)較差，在獲得經(jīng)濟(jì)收益的同時(shí)注意防范病蟲(chóng)害的發(fā)生，為提供優(yōu)質(zhì)的速生木材提供保障。

總之，本研究利用山東費(fèi)縣3期一類清查數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了地類和林種變化，也從實(shí)際結(jié)果中體現(xiàn)出清查規(guī)程的不斷變化和調(diào)整。此外，通過(guò)分析一類清查樣地不同林種的林分非空間結(jié)構(gòu)，包括徑級(jí)株數(shù)分布和林木生長(zhǎng)量，可以更直觀地體現(xiàn)森林的可持續(xù)性和生物多樣性變化，為進(jìn)一步采取合理措施調(diào)整和優(yōu)化林分結(jié)構(gòu)提供一定依據(jù)。