馬尾松人工純林近自然化改造效果分析

謝陽生 孟京輝 曾冀 明安剛 劉憲釗賈宏炎 雷相東 陸元昌

關(guān)鍵詞：馬尾松人工林；近自然化改造；樹種組成；林分結(jié)構(gòu)；生長動態(tài)

穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)具有較高的樹種多樣性水平、豐富的林分結(jié)構(gòu)、較高的生長活力和物質(zhì)生產(chǎn)能力，是多功能森林經(jīng)營追求的基本目標(biāo)。我國有大面積的人工針葉純林，存在樹種單一、結(jié)構(gòu)簡單、生長退化、穩(wěn)定性差等問題。近自然改造是將這些人工純林導(dǎo)向穩(wěn)定森林生態(tài)系統(tǒng)的有效途徑。近幾年來，一些學(xué)者展開了對馬尾松（Pinusmassoniana Lamb.）人工純林近自然化的研究。羅應(yīng)華等對馬尾松人工林近自然化改造對植物自然更新及物種多樣性的影響進(jìn)行了探討；何友均等使用馬尾松和杉木（Cunninghamia lanceolata（Lamb.）Hook.）人工純林早期改造數(shù)據(jù)，研究了馬尾松和杉木人工針葉純林近自然改造早期對群落特征和土壤性質(zhì)的影響；明安剛等研究了近自然化改造對馬尾松和杉木人工林生物量及其分配的影響；李婷婷根據(jù)馬尾松近自然化改造的兩期數(shù)據(jù)，對比了近自然化改造對森林結(jié)構(gòu)、樹種組成及生長量的影響；范歌對馬尾松．大葉櫟（Quercusgriffithii Hook.f．et Thoms. ex Miquel）異齡復(fù)層混交林生長及生態(tài)功能進(jìn)行了研究；張可欣等對馬尾松3種不同經(jīng)營方式所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了對比。從現(xiàn)有的研究來看，研究所使用的數(shù)據(jù)觀測周期不夠長，或研究只關(guān)注了近自然化改造對針葉純林的某一方面的影響，缺乏對胸徑30cm以后林分生長動態(tài)和森林生態(tài)系統(tǒng)整體特征變化的綜合分析。本研究以中國林科院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心馬尾松人工林近自然化改造為例，提出馬尾松人工純林近自然化改造的技術(shù)要點(diǎn)，基于改造作業(yè)林分和對照林分在2007到2020年的13a內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)，對森林的樹種組成和多樣性、林分結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性、林木生長與收獲等方面的狀態(tài)和變化做了分析，提出近自然化改造的森林生長動態(tài)和經(jīng)營改造效果。這些結(jié)果可為我國人工針葉純林的近自然化改造和混交林經(jīng)營提供參考依據(jù)。

1研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于廣西憑祥中國林科院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心伏波實(shí)驗(yàn)場，21°57 '47"～22°19 '27"N、106°39'50"～106°59'30"E，海拔130.0～1045.9m，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，日照充足，雨量充沛，干濕季明顯，年均氣溫20.5～21.7℃，年均降水量1200～1500mm，年蒸發(fā)量1261～1388mm，日最大降水量為206.5mm。土壤為花崗巖發(fā)育而成的磚紅壤，土層厚度>80cm。

熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心植被和樹種資源豐富，現(xiàn)已查明共有211科926屬2000余種，主要樹種有馬尾松、杉木、濕地松（Pinus elliottii Engelmann）、加勒比松（Pinus caribaea Morelet）、紅錐（Castanopsis hystrixA.DC.）、西樺（Betulaalnoides Hamilt.）、米老排（Mytilaria laosensisLec.）、云南石梓（Gmelina arborea Roxb.）、八角（llliciurr7 verum Hook.f）、格木（Erythrophleumfordii Oliv.）、大葉櫟（Quercus griffithii Hook.f.et Thoms.）等。

2材料與方法

2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)和作業(yè)措施

2.1.1試驗(yàn)林改造背景試驗(yàn)林總面積為24hm2，造林時(shí)間為1993年，造林密度2500株·hm-2，造林后連續(xù)3a管護(hù)撫育，于2000年執(zhí)行透光伐撫育，設(shè)計(jì)撫育間伐強(qiáng)度25%。于2004年第1次疏伐撫育，撫育疏伐強(qiáng)度35%，撫育后林分密度為1220株·hm-2；于2007年（林齡14a時(shí)）設(shè)計(jì)實(shí)施近自然化改造，林分發(fā)育階段處于競爭生長階段。

2.1.2森林經(jīng)營設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)假設(shè)是通過單株目標(biāo)樹撫育經(jīng)營提高優(yōu)勢木的生長效果；通過補(bǔ)植多個(gè)樹種來增加林分結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，形成針闊混交林生態(tài)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，以發(fā)揮針闊樹種間的競爭優(yōu)勢和生態(tài)互補(bǔ)性價(jià)值；通過優(yōu)勢個(gè)體、樹種組成和林分結(jié)構(gòu)的經(jīng)營促進(jìn)實(shí)現(xiàn)加速土壤發(fā)育、提高林分生長量和改進(jìn)森林生態(tài)環(huán)境服務(wù)功能的整體目標(biāo)。經(jīng)營設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是上層以目標(biāo)樹為中心的單株木生長撫育和下層6個(gè)闊葉樹種補(bǔ)植為特征的綜合撫育。補(bǔ)植樹種包括紅錐+香梓楠、大葉櫟+格木、灰木蓮+鐵力木及6個(gè)闊葉樹種的4種組合模式，每種組合實(shí)施0.067～0.133hm2的補(bǔ)植，樹種均采用1：1帶狀混交，株行距4.5m×3.0m，4種不同組合的補(bǔ)植最終形成塊狀混交的林分空間格局。具體的技術(shù)設(shè)計(jì)可參考陸元昌等和謝陽生等研究的相關(guān)內(nèi)容。2007年設(shè)計(jì)的試驗(yàn)林區(qū)域立地情況基本一致，監(jiān)測樣地分4組，每組4個(gè)作業(yè)樣地和1個(gè)對照樣地，每個(gè)樣地面積為400m2（20m×20m），樣地之間保持20m以上距離。分別設(shè)計(jì)了馬尾松．速生闊葉樹鑲嵌式林下補(bǔ)植、馬尾松-紅錐或馬尾松．格木珍貴硬闊葉樹林下補(bǔ)植等用材主導(dǎo)的多功能混交林經(jīng)營類型及相應(yīng)的森林作業(yè)法。

2.1.3經(jīng)營作業(yè)處理純林近自然改造的示范林于2007年實(shí)施目標(biāo)樹作業(yè)法的第一次撫育間伐作業(yè)，蓄積采伐強(qiáng)度為35%，采伐后馬尾松保留375～450株·hm-2;2008年春季進(jìn)行了林下補(bǔ)植，補(bǔ)植密度750株·hm-2，苗木類型為1年生容器苗。2009年執(zhí)行第一次樣地復(fù)測，之后每間隔1a進(jìn)行1次復(fù)測。補(bǔ)植后的2008-2009年間，針對闊葉幼樹進(jìn)行側(cè)方割灌除草；2016年執(zhí)行第二次促進(jìn)目標(biāo)樹生長的干擾樹間伐，強(qiáng)度為林分總蓄積的25%，同時(shí)也間伐了部分長勢旺盛并影響馬尾松生長的大葉櫟。之后對林下天然更新做了識別、標(biāo)記和側(cè)方割灌處理，對馬尾松和補(bǔ)植闊葉樹的目標(biāo)樹進(jìn)行了修枝作業(yè)。

2.2監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取

2007年首次作業(yè)時(shí)設(shè)置作業(yè)觀測樣地4組共16個(gè)，設(shè)置對照樣地4組共4個(gè)，每個(gè)樣地面積為400m2，開展了作業(yè)前后調(diào)查。從2007年后，每2年執(zhí)行1次復(fù)測調(diào)查和樣品分析。調(diào)查內(nèi)容包括地上部分喬木、灌草、地表凋落物和微生物層、土壤根系層的核心指標(biāo)。喬木的指標(biāo)有樹木位置、胸徑、樹高、枝下高、冠幅、林層位置、干材質(zhì)量、生活力、損傷以及林下幼苗更新等；灌草包括灌草種類、株數(shù)等指標(biāo)；凋落物層的指標(biāo)包括凋落物量、凋落葉碳氮比等；土壤和微生物層的指標(biāo)包括孔隙度、土壤pH值等土壤理化性質(zhì)指標(biāo)。本研究主要使用林分復(fù)測獲得每木調(diào)查的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為結(jié)構(gòu)和生長動態(tài)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，評價(jià)的內(nèi)容主要包括樹種組成和多樣性、森林結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性、林木生長與收獲等3個(gè)方面。

2.3數(shù)據(jù)分析

2.3.1樹種組成結(jié)構(gòu)分析采用重要值指數(shù)來表述林分樹種組成結(jié)構(gòu)。重要值是相對多度、相對顯著度以及相對頻度三者之和，以其表示該種在群落中的優(yōu)勢程度。計(jì)算公式如下：其中，相對頻度（%）=100×某個(gè)種的頻度／所有種的總頻度；相對顯著度（%）=100×某個(gè)種的胸高斷面積／所有種的胸高斷面積之和；相對多度（%）= 100×某個(gè)種的株數(shù)／所有種的總株數(shù)。

2.3.2生長動態(tài)分析采用凈生長量計(jì)算林分生長動態(tài)變化，其計(jì)算公式如下：

3結(jié)果與分析

3.1樹種組成結(jié)構(gòu)和多樣性

表1是馬尾松純林近自然化改造13a作業(yè)林分與對照林分喬木樹種的變化情況。作業(yè)林分中馬尾松是上層的保留樹種，其重要值指數(shù)值最大，為43.475；人工補(bǔ)植的6個(gè)主要樹種值分別排在第2～6及第8位。大葉櫟、灰木蓮的值較高，反應(yīng)了其速生性和較強(qiáng)的林下競爭生長特性；作為高價(jià)值珍貴闊葉樹種的紅錐、格木值分別為9.592和9.147，分別排在第3和第5位，表現(xiàn)出良好的林下競爭生長特性，這個(gè)結(jié)果對后續(xù)補(bǔ)植培育樹種的選擇是非常有價(jià)值的；鐵力木13a來在林下一直表現(xiàn)為生長緩慢和缺乏活力，盡管對其作為林下存活生長的特征還不能定論，但是在有其他選擇的情況下不建議用其作為馬尾松純林混交化的補(bǔ)植樹種。而作為天然更新出現(xiàn)，并生長進(jìn)入起測徑階的樹種目前有香梓楠、安息香、黃毛榕、假番石榴等，是由于撫育性采伐對林分空間結(jié)構(gòu)的干擾帶來的積極效果。從對照林分的情況來看，經(jīng)過13a的生長，馬尾松值為90.291，仍占絕對優(yōu)勢地位，其他有一些零星的喬木和灌木分布。

3.2林分結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性

圖1表明，伏波分場的馬尾松純林在2007年近自然化改造作業(yè)后，部分林木生長迅速，徑級和蓄積結(jié)構(gòu)均有顯著的變化。馬尾松林分在改造前（13a前）所有林木集中分布在胸徑10～25cm范圍內(nèi)，呈典型的單一樹種單一林層的馬尾松人工純林結(jié)構(gòu)（圖1a為2007年作業(yè)處理前的林分徑級結(jié)構(gòu)圖）；經(jīng)過近自然經(jīng)營處理13a后，作業(yè)林分中的林木從5cm起測徑階開始到55cm徑階范圍內(nèi)均有林木分布（圖1c），呈現(xiàn)出經(jīng)營措施促進(jìn)下快速形成混交異齡林格局的發(fā)展動態(tài)；而未作處理的對照林分通過13a生長，林木徑級分布有所擴(kuò)展，但最大徑級只到45cm，比經(jīng)營處理的林木少了10cm，依然呈同齡純林的徑級格局（圖1b）?？梢妰?yōu)勢木撫育和林下補(bǔ)植經(jīng)營作業(yè)顯著地增加了林木生長速度并由此提高了林分結(jié)構(gòu)豐富度。此外，圖1同樣展示出隨著林分徑級的增大，徑級內(nèi)的林木株數(shù)減少，但徑級蓄積量提高。

3.3林木生長與收獲

由表2可以看出，改造林分和對照林分蓄積生長量的明顯特征，首先是經(jīng)營作業(yè)林分的生長量達(dá)到19.72m3·a-1·hm-2水平，比對照林分16.58m3.a-1·hm-2，每hm2每年多了3.14m3;其次，較大徑階的林木對全林生長的貢獻(xiàn)也顯著高于中小徑階，作業(yè)樣地中大于30cm徑階的林木為227株，僅占全部株數(shù)的22.66%，蓄積生長量10.94m3·a-1·hm-2，占全林的55.48%，活立木蓄積量為211.98m3·hm-2，占全林的70.96%。可見胸徑30cm后的少數(shù)大徑級林木的生長對全林生長量和蓄積量的貢獻(xiàn)率非常顯著；中徑級林木，例如15～20cm徑階單株木對全林生長量的貢獻(xiàn)率僅為0.12%；而45～50cm徑階的單木生長量對全林生長量的貢獻(xiàn)率為0.46%，達(dá)到前者的近4倍；50～55cm徑階的生長量為0.35m3.a-1.hm-2，占全林生長量的1.77%，單株木對全林生長量的貢獻(xiàn)率達(dá)到0.59%。

如表3所示，作業(yè)林分在獲得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、活力改善及生長量增加的同時(shí)，以活立木間伐量表示的直接收益是2007年為104.1 m3·hm-2，2016年為69.76m3·hm-2，10年間的總撫育間伐收獲量為173.86m3·hm-2;按70%出材率、950元·m-3的馬尾松木材平均市場價(jià)格、150元·m-3的撫育作業(yè)成本和15%綜合管理稅務(wù)費(fèi)用等主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算，在扣除所有成本后，作業(yè)林分通過撫育性采伐獲得的純收益為7600元`a-1hm-2。而對照樣地由于沒有撫育間伐，因此該項(xiàng)沒有收益。當(dāng)然，經(jīng)濟(jì)收益與市場價(jià)格、稅收管理政策和勞動力成本等多變因素有關(guān)，所以7600元·a-1.hm-2的純收益是一個(gè)動態(tài)的數(shù)據(jù)，但是每年獲得17.39m3·hm-2的活立木收獲量是可靠而穩(wěn)定的，且是在林分水平上滿足了收獲量小于生長量（19.72m3.a-1·hm-2）的可持續(xù)經(jīng)營基本原則。

4結(jié)論

本研究基于2007-2020年13a的觀測數(shù)據(jù)，從樹種組成結(jié)構(gòu)與多樣性、林分結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性、林分生長與收獲等方面探討了馬尾松純林近自然化改造的經(jīng)營效果，得到以下主要結(jié)論：

1）人工促進(jìn)樹種多樣性、調(diào)整樹種組成是針葉純林近自然化改造最關(guān)鍵的經(jīng)營措施。樹種多樣性與林分生產(chǎn)力呈現(xiàn)正相關(guān)，多個(gè)樹種構(gòu)成的森林也對應(yīng)著多樣化的內(nèi)部關(guān)系和復(fù)雜的森林功能和產(chǎn)出。本案例可見，由于紅錐、大葉櫟等6個(gè)補(bǔ)植樹種的進(jìn)入，馬尾松人工林在13a后基本形成了針闊混交異齡林的格局，樹種構(gòu)成的變化成為后續(xù)其他森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能發(fā)展的基礎(chǔ)。多功能森林經(jīng)營通過林下人工補(bǔ)植混交樹種，提高樹種豐富度，促進(jìn)先鋒樹種林分向亞頂級或頂級樹種林分的過渡，使單一功能的人工針葉純林向多功能針闊混交復(fù)層異齡林發(fā)展。

2）擴(kuò)大徑級結(jié)構(gòu)分布范圍是針葉純林近自然化改造的基本指標(biāo)。豐富的林分結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)的最基本的質(zhì)量指標(biāo)，而林木胸徑大小和分布格局是最基本的林分結(jié)構(gòu)內(nèi)容?？焖俑纳屏址挚臻g結(jié)構(gòu)的有效手段一方面是促進(jìn)目標(biāo)樹向大徑級生長，另一方面是補(bǔ)植鄉(xiāng)土樹種及保護(hù)促進(jìn)天然更新幼苗幼樹。經(jīng)過處理的林分上下層林木與對照林分相比生長速度更快，13a間從5cm起測徑階到55cm徑階范圍內(nèi)均有林木分布，呈現(xiàn)出在經(jīng)營措施的促進(jìn)下快速形成混交異齡林的基本格局。

3）林分中數(shù)量比例占少數(shù)的大徑級林木是森林蓄積量的主要貢獻(xiàn)者。本研究的作業(yè)林分中，胸徑30cm以下的林木占全林總株數(shù)的77.35%，其蓄積量占全林蓄積的29.04%；胸徑30cm以上的林木株數(shù)占全林株數(shù)的22.65%，但生長量和蓄積量卻占全林的55.48%和70.96%。也就是說，隨著胸徑大于30cm的大徑級林木出現(xiàn)和生長，森林的生長量和蓄積才開始快速提高，森林中少數(shù)優(yōu)勢林木個(gè)體是構(gòu)成森林蓄積量和生長量的主體部分，是森林多種功能的主要承載對象。讓少數(shù)優(yōu)勢林木個(gè)體快速生長的目標(biāo)樹經(jīng)營技術(shù)是當(dāng)前我國森林經(jīng)營中值得推廣的關(guān)鍵技術(shù)。

4）近自然化改造顯著提高了森林的生長活力和物質(zhì)生產(chǎn)功能。作業(yè)林分的蓄積生長量到達(dá)19.72m3.a-1.hm-2，與純林對照比較，生長量提高了3.14m3.a-1.hm-2，單株林木的生長量比對照林中提高3倍以上，使得森林的物質(zhì)產(chǎn)出能力進(jìn)一步提高，在“林分水平上滿足收獲量小于生長量”之可持續(xù)經(jīng)營基本原則的條件下，每年可獲得17.39m3.hm-2的活立木收獲量，折合純收益為7600元.a-1·hm-2。

5）近自然化改造改善了森林土壤。近自然化改造不僅使地上部分森林的生長和結(jié)構(gòu)得到了改善，同時(shí)對地表及地下部分也有積極的影響。從曾冀、明安剛在相同樣地上獲取的土壤數(shù)據(jù)分析表明，馬尾松近自然化改造后，大量闊葉樹落葉分解和光照水分等綜合環(huán)境因素改善，使林下微生物種群和數(shù)量增加，凋落物層的細(xì)菌、真菌和叢枝菌根真菌的生物量在全年水平上顯著高于未改造的純林。微生物種群增加并促進(jìn)土壤養(yǎng)分發(fā)育加速，土壤理化性質(zhì)發(fā)生顯著變化，馬尾松細(xì)根生物量顯著增加。