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结构化森林经营对东北阔叶红松林森林质量的影响

陈明辉 惠刚盈 胡艳波 张弓乔 张岗岗 刘瑞红 杨瑷铭 赵中华 王海宾

陈明辉, 惠刚盈, 胡艳波, 张弓乔, 张岗岗, 刘瑞红, 杨瑷铭, 赵中华, 王海宾. 结构化森林经营对东北阔叶红松林森林质量的影响[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(5): 19-30. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190032
引用本文: 陈明辉, 惠刚盈, 胡艳波, 张弓乔, 张岗岗, 刘瑞红, 杨瑷铭, 赵中华, 王海宾. 结构化森林经营对东北阔叶红松林森林质量的影响[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(5): 19-30. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190032
Chen Minghui, Hui Gangying, Hu Yanbo, Zhang Gongqiao, Zhang Ganggang, Liu Ruihong, Yang Aiming, Zhao Zhonghua, Wang Haibin. Impacts of structure-based forest management on forest quality of broadleaved Korean pine forests in northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(5): 19-30. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190032
Citation: Chen Minghui, Hui Gangying, Hu Yanbo, Zhang Gongqiao, Zhang Ganggang, Liu Ruihong, Yang Aiming, Zhao Zhonghua, Wang Haibin. Impacts of structure-based forest management on forest quality of broadleaved Korean pine forests in northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(5): 19-30. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190032

结构化森林经营对东北阔叶红松林森林质量的影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20190032
基金项目: 国家重点研发计划“基于结构化经营的定向恢复与重建技术”(2017YFC050400501)
详细信息
    作者简介:

    陈明辉,博士生。主要研究方向:森林经营理论与技术。Email:mh910@126.com 地址:100091 北京市海淀区香山路东小府1号中国林业科学研究院林业研究所

    通讯作者:

    胡艳波,副研究员。主要研究方向:森林经营。Email:hyanbo@caf.ac.cn 地址:同上

Impacts of structure-based forest management on forest quality of broadleaved Korean pine forests in northeastern China

  • 摘要: 目的通过分析结构化森林经营对东北阔叶红松林森林质量形成的中长期影响,探索森林经营对林分质量提升的响应机理。方法在吉林蛟河林业试验区设置6块面积为100 m × 100 m的样地,其中,目标样地1块、经营样地4块和对照样地1块。经营样地采用结构化经营方法,长期观测记录样地数据,借助Excel Pivot Tables、R 3.4.3、Origin 2015、Winkelmass等软件进行系统对比分析,研究结构化森林经营对林分生产力、林分密度、林分结构以及林分综合状态的影响。结果实施结构化森林经营,使经营林分年均蓄积生长量(均值)较对照林分提高17.28%,生长率提高17.60%;林分断面积年均增量(均值)提高42.86%,生长率提高47.37%;林木枯损率降低57.22%,显著提高了林分生产力。且实施结构化森林经营使主要针叶树种优势度保持较高水平,林分水平格局为随机分布,是理想的天然林格局。林分中高混交且随机分布的最佳微结构体始终保持较高比例,而低混交且非随机分布的劣势结构体比例很低并有下降趋势;经营使林分的综合状态迅速获得优化,林分状态维持稳定,但是经营效果的保持还需要持续定期的后续经营。结论结构化森林经营能够精准提升东北阔叶红松林的森林质量,既能提高林分生产力又能优化林分空间结构。
  • 图  1  空间结构参数示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of W, M and U

    图  2  林分状态特征差异参数

    Figure  2.  Variation parameters of stand state characteristics

    图  3  林分密度变化情况

    Figure  3.  Stand density change

    图  4  各样地林分平均直径变化情况

    Figure  4.  Mean diameter change of stand in each sample plot

    图  5  林分蓄积量变化情况

    Figure  5.  Stand volume change

    图  6  树种优势度

    Figure  6.  Dominance of tree species

    图  7  林分直径分布变化

    Figure  7.  Stand diameter distribution change

    图  8  林分空间结构变化

    Figure  8.  Spatial structure variations of stand

    图  9  针叶树种最佳结构体

    Figure  9.  Best structures in coniferous species

    图  10  林分的状态特征差异程度

    Figure  10.  Variations of stand state characteristics

    表  1  林木直径分布相关参数

    Table  1.   Relative parameters of stand diameter distribution

    林分
    Stand
    偏度 Skewness 峰值 Kurtosis
    经营前
    Before tending
    经营后
    After tending
    1期
    Stage 1
    2期
    Stage 2
    经营前
    Before tending
    经营后
    After tending
    1期
    Stage 1
    2期
    Stage 2
    目标林分
    Target stand
    1.94 1.88 1.74 7.84 7.46 6.68
    对照林分
    Control
    1.22 1.22 1.26 4.22 4.27 4.36
    经营林分A
    Managed stand A
    1.34 1.28 1.25 1.20 5.02 4.73 4.76 4.51
    经营林分B
    Managed stand B
    1.32 1.28 1.36 1.34 4.88 4.66 4.89 4.82
    经营林分C
    Managed stand C
    1.97 1.89 1.78 1.69 7.44 7.22 6.77 6.18
    经营林分D
    Managed stand D
    1.89 1.40 1.40 1.42 7.22 5.59 5.43 5.37
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-15
  • 修回日期:  2019-03-06
  • 网络出版日期:  2019-04-30
  • 刊出日期:  2019-05-01

结构化森林经营对东北阔叶红松林森林质量的影响

doi: 10.13332/j.1000-1522.20190032
    基金项目:  国家重点研发计划“基于结构化经营的定向恢复与重建技术”(2017YFC050400501)
    作者简介:

    陈明辉,博士生。主要研究方向:森林经营理论与技术。Email:mh910@126.com 地址:100091 北京市海淀区香山路东小府1号中国林业科学研究院林业研究所

    通讯作者: 胡艳波,副研究员。主要研究方向:森林经营。Email:hyanbo@caf.ac.cn 地址:同上

摘要: 目的通过分析结构化森林经营对东北阔叶红松林森林质量形成的中长期影响,探索森林经营对林分质量提升的响应机理。方法在吉林蛟河林业试验区设置6块面积为100 m × 100 m的样地,其中,目标样地1块、经营样地4块和对照样地1块。经营样地采用结构化经营方法,长期观测记录样地数据,借助Excel Pivot Tables、R 3.4.3、Origin 2015、Winkelmass等软件进行系统对比分析,研究结构化森林经营对林分生产力、林分密度、林分结构以及林分综合状态的影响。结果实施结构化森林经营,使经营林分年均蓄积生长量(均值)较对照林分提高17.28%,生长率提高17.60%;林分断面积年均增量(均值)提高42.86%,生长率提高47.37%;林木枯损率降低57.22%,显著提高了林分生产力。且实施结构化森林经营使主要针叶树种优势度保持较高水平,林分水平格局为随机分布,是理想的天然林格局。林分中高混交且随机分布的最佳微结构体始终保持较高比例,而低混交且非随机分布的劣势结构体比例很低并有下降趋势;经营使林分的综合状态迅速获得优化,林分状态维持稳定,但是经营效果的保持还需要持续定期的后续经营。结论结构化森林经营能够精准提升东北阔叶红松林的森林质量,既能提高林分生产力又能优化林分空间结构。

English Abstract

陈明辉, 惠刚盈, 胡艳波, 张弓乔, 张岗岗, 刘瑞红, 杨瑷铭, 赵中华, 王海宾. 结构化森林经营对东北阔叶红松林森林质量的影响[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(5): 19-30. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190032
引用本文: 陈明辉, 惠刚盈, 胡艳波, 张弓乔, 张岗岗, 刘瑞红, 杨瑷铭, 赵中华, 王海宾. 结构化森林经营对东北阔叶红松林森林质量的影响[J]. 北京林业大学学报, 2019, 41(5): 19-30. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190032
Chen Minghui, Hui Gangying, Hu Yanbo, Zhang Gongqiao, Zhang Ganggang, Liu Ruihong, Yang Aiming, Zhao Zhonghua, Wang Haibin. Impacts of structure-based forest management on forest quality of broadleaved Korean pine forests in northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(5): 19-30. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190032
Citation: Chen Minghui, Hui Gangying, Hu Yanbo, Zhang Gongqiao, Zhang Ganggang, Liu Ruihong, Yang Aiming, Zhao Zhonghua, Wang Haibin. Impacts of structure-based forest management on forest quality of broadleaved Korean pine forests in northeastern China[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2019, 41(5): 19-30. doi: 10.13332/j.1000-1522.20190032
  • 森林经营技术精准化,可以高效、省时、省力的实现森林多种功能和效益的最大化,可以精准提升森林质量,是新时代背景下林业发展的新方向[1]。森林质量属于森林经理学中的一个概念,用来描述森林资源状态的优劣程度,可以用生态功能、效益、生产力、林木大小、树种组成和林分空间利用程度以及林木健康等测度,也可以借助表达森林结构和活力的指标来度量[2]

    科学合理的森林经营措施能够改善林分结构,显著提升森林质量,从而满足人类对生态环境的需求,促进经济和社会发展[13]。不同森林经营模式对森林质量产生了深入的影响,如恒续林经营[4]、目标树经营[5]、检查法经营[68]、“栽针保阔”动态经营体系[9]、“次生林综合培育”技术体系[10]。近年来提出的结构化森林经营是一种坚持森林可持续经营原则的经营方法,通过林分空间结构参数量化指导林分空间结构优化的森林经营理论与技术体系。其理论基础是“结构决定功能的系统法则”、结构的可释性以及健康稳定的森林结构的普遍特征[1014]。该方法已在我国不同植被类型的森林中获得广泛应用。

    目前,众多研究聚焦于各种森林经营对林分质量影响的量化评价。关于经典森林经营如常规抚育间伐对林分和单株林木生长的影响,已有大量的研究报道[1517],对单株林木而言,间伐强度增加,直径生长量加大,断面积和材积生长量得到提升[1822];对于林分的生长效应,所得结论各不相同。对近自然经营改造效果的研究表明,目标树经营不仅能促进单株目标树的直径生长[23],而且能促进林分的直径生长[2427]。而有关结构化森林经营长期效果的监测报告却鲜有报道,目前仅看到关于结构化经营效果的短期效应研究报道[28]。万盼系统分析了不同经营模式下甘肃小陇山锐齿栎(Quercus aliena var. acuteserrata)天然林林分的生长、结构及稳定性[29]

    阔叶红松(Pinus koraiensis)林是北半球温带地区典型的地带性植被,广泛分布在中国东北部、俄罗斯远东南部、朝鲜半岛以及日本岛的四国和本州,在缓解全球气候变化、木材供给、生物多样性保存以及生态效益的发挥中扮演非常重要的角色[3031]。然而,由于过度采伐形成的次生林和过伐林以及大量过熟林的存在,造成生态系统稳定性差,多样性缺失,并出现了生长停滞、长势衰退、健康退化等严重问题[3234]。因此,精准提升阔叶红松林的森林质量迫在眉睫,意义重大。

    本研究的目的在于(1)报道结构化森林经营的发祥地−东北阔叶红松林的监测结果;(2)分析总结结构化森林经营的中长期效果;(3)探索森林经营对林分质量的提升机理。

    • 在吉林蛟河林业实验区管理局东大坡自然保护区(43°51′ ~ 44°05′N,127°35′ ~ 127°51′E)内建立了阔叶红松林研究区。该区域平均海拔400 ~ 500 m,年平均气温3.5 ℃,年降水量700 ~ 800 mm,相对湿度75%,总蒸发量1 000 mm以上,无霜期120 ~ 150 d,平均积雪厚度20 ~ 60 mm,土壤冻结深度为1.5 ~ 2.0 m。该区域属温带大陆性季风山地气候,土壤为肥力较高的暗棕壤。样地内的针叶树种主要有:红松(Pinus koraiensis)、沙松(Abies holophylla)、鱼鳞松(Picea jezoensis)和臭冷杉(Abies nephrolepis);主要的阔叶树种有:水曲柳(Fraxinus mandshurica)、核桃楸(Juglans mandshurica)、黄檗(Phellodendron amurense)、紫椴(Tilia amurensis)、白牛槭(Betula platyphlla)、千金榆(Carpinus cordata)、色木槭(Acer mono)等[3536]

    • 在研究区内建立了6块面积为1 hm2(100 m × 100 m)的样地并进行了分析。样地均位于西北坡中坡,郁闭度0.8 ~ 0.9。所有样地皆用全站仪(TOPCONGTS-602AF)对样地内直径 ≥ 5 cm的每株树进行定位,并对它们进行检尺和标记,记录树种名称、林木直径、树高、冠幅,测算空间结构参数等相关数据。根据立地条件、林分结构、林木状态等指标的差异,将6块样地分为3大组:1块近目标样地、4块经营样地(A、B、C、D)和1块对照样地。近目标样地和对照样地未实施任何的人为干扰,前者代表了当时研究区内发育良好的针阔混交林,视为此地的经营目标林分;后者与经营之前的样地代表了当下的一般水平,初次调查后对经营样地实施结构化森林经营[37]

      结构化森林经营是基于4株最近相邻木空间关系的森林结构化经营技术。以未经人为活动干扰或者经过轻微干扰的天然林空间结构为“模板”,按照森林的自然生长和演替过程,以空间结构参数来指导森林结构的调节和优化[11]。在经营样地中,伐除了所有病腐木、断梢木、特别弯曲的林木、遮盖或挤压针叶树种及主要阔叶树种的林木,少部分林木出于格局或树种混交度调整的原因被伐除;保留了样地中的稀少濒危树种、针叶树种和主要阔叶树种。4块经营样地的蓄积量采伐强度分别为11.41%、9.21%、12.78%和8.85%,均属轻度干扰。结构化经营释放了培育目标的生长空间,同时收获了一定数量的木材。

      对比分析结构化森林经营对森林质量的影响。样地设置至今,我们对样地内直径 ≥ 5 cm的树木进行了多次全面复测,详细记录林木的直径、树高、冠幅等相关数据,并对各样地的林木更新情况进行了调查和记录。本研究选取2012年9月(1期)和2018年5月(2期)2次测量的数据进行对比分析。

    • 年均生长量(Z)计算公式为[38]

      $$Z = \frac{{{y_t} - {y_{t - n}}}}{n}$$ (1)

      式中:$ {y_{t - n}}$为调查初期的量,yt为调查末期的量,n为间隔期。

      年均生长率(P)采用普雷斯特公式[38]计算:

      $$P = \frac{{{y_t} - {y_{t - n}}}}{{{y_t} + {y_{t - n}}}} \times \frac{{200}}{n}$$ (2)
    • 林分蓄积量的计算采用一元立木材积表法。利用调查所得到的每木检尺表,以径阶株数乘以材积表中相应径阶的单株平均材积,即得到径阶材积,各径阶材积的合计值即为样地林木蓄积[38]

    • 树种优势度(Dsp)为相对显著度(Dg)和树种大小比数(${\bar U_{\rm{sp}}}$)的结合[11]

      $${D_{\rm{sp}}} = \sqrt {{D_g} \cdot \left( {1 - {{\bar U}_{\rm{sp}}}} \right)} $$ (3)
      $${D_g} = \frac{{S\!_{\rm{sp}}}}{{{S}}} \times 100 \text{%} $$ (4)

      式中:sp为树种,g为蓄积量,Ssp为某个树种的断面积,S为全部树种的总断面积。Dsp的值在0 ~ 1之间,接近0表示几乎没有优势,接近1表示优势非常明显。

    • 以径阶中值为横坐标,以各径阶的每公顷株数为纵坐标,径阶距为2 cm,统计各样地林木直径分布。应用R语言统计软件Moments数据包对林分个体直径进行一元分布相关参数分析。

    • 试验地设置5 m的缓冲区以避免边缘效应,采用角尺度(W)、混交度(M)和大小比数(U)等参数描述林分空间结构[39]图1)。用Winkelmass软件统计每个参数值的林木株数相对频率,获得空间结构参数的一元分布[40]

      图  1  空间结构参数示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of W, M and U

      W用于描述林分的空间结构;M用于描述林分的树种隔离程度;U用于描述单木间的优劣态势[11],分树种统计可辅助判断树种在林分中的优势状态。将WM这2个结构参数联合,得到林分空间结构参数的二元联合概率分布,用于分析林分中林木微环境的特征。随机分布使林木获得不完全非均衡的资源分配,而高混交度则可以提升群落生物多样性,促进林木生长,因此随机且高混交的结构体越多,越有可能最大限度地赋予林木优越的微环境,提高林分的整体生产力[41]

    • 林分状态特征差异值具有较强的全面性、系统性、客观性和可比性。通过计算对照林分与目标林分以及经营林分与目标林分之间的状态特征差异值,准确分析林木生长发育状态的差异。从林分生产力、林分密度和林分结构3个方面对比分析林分状态差异,包括:平均直径、林分蓄积量、林分断面积、公顷株数、直径分布、针叶树种优势度、主要阔叶树种优势度、林木分布格局、树种隔离程度、林分长势、树种多样性、林分拥挤度等12个指标[42]图2)。

      图  2  林分状态特征差异参数

      Figure 2.  Variation parameters of stand state characteristics

      林分状态特征差异(D)计算公式如下[47]

      $$ D = \left( {\sum\limits_{j = 1}^m {\left| {\frac{{{y_j} - {x_j}}}{{{y_j}}}} \right|} + \sum\limits_{j = 1}^n {{d_{x{y_j}}}} } \right)/\left( {m + n} \right) $$ (5)

      式中:yj代表原始林的第j个特征;xj代表现有林的第j个特征;m代表特征值数目;n代表分布类型的数目。

      遗传绝对距离(dxy)公式:

      $$ {d_{xy}} = \frac{1}{2}\sum\limits_i^k {\left| {{x_i} - {y_i}} \right|} $$ (6)

      式中:xi代表群落x中遗传类型i的相对频率;yi代表群落y中遗传类型i的相对频率;k代表遗传类型的数量。

    • 经调查发现各林分公顷株数均有所下降,目标林分和对照林分下降由自然枯损引起,经营林分是由经营和自然两方面的原因造成。但由于经营改善了林分的整体状态,经营林分的年均枯损速度比对照林分低1.4%,是对照林分的57.22%(图3)。经营林分断面积(均值)生长量和生长率更接近目标林分,经营伐掉了部分林木,使得林分断面积降低,1期观测时,林分断面积(均值)年均增量较对照林分高0.2 m2,年均生长率高0.9%;2期时断面积(均值)年均增量较对照林分高0.12 m2,年均生长率高0.5%(图3)。结构化经营提高了断面积和蓄积的生长率,促进了林分的生长。

      图  3  林分密度变化情况

      Figure 3.  Stand density change

    • 图4可知,实施结构化森林经营后,由于采伐掉一些没有培养前途和不健康的小径木,经营林分平均直径较经营前有所上升。各林分经过几年的生长,直径大小都较初期有所增加。1期数据中,目标林分年均生长量与生长率最大,对照林分的生长量和生长率最低,经营林分(均值)在二者之间;2期数据中,经营林分(均值)与目标林分的年均生长量和生长率几乎一致,而对照林分却明显高于目标林分和经营林分(均值)。经过分析,造成这一现象的原因是,对照林分在两期之间,由于自然损耗速度较快,出现了大量的死亡木,株数减少,导致样地平均直径上升。

      图  4  各样地林分平均直径变化情况

      Figure 4.  Mean diameter change of stand in each sample plot

    • 结构化经营有针对性的采伐掉了部分林木,导致经营林分经营后的蓄积量有所降低。1期数据中,目标林分年均蓄积量增加最为显著,经营林分(均值)落后于目标林分,但却明显高于对照林分。经营林分较对照林分年均生长量高1.1 m3,高84.62%;年均生长率高0.53%。对照林分的年均蓄积增量小,增速缓,与平均直径情况相似,也是由于自然枯损较多,出现了更多的死亡木,因此导致这一现象的出现;2期数据中,经营林分年均蓄积生长量(均值)比对照林分高0.5 m3,生长率高0.22%。经营林分的生长趋势已经接目标林分,年均生长量和增速加快,差距逐渐缩小(图5)。

      图  5  林分蓄积量变化情况

      Figure 5.  Stand volume change

    • 红松、沙松、鱼鳞松和臭冷杉作为东北林区重要的针叶树种,对群落结构和群落环境有明显的控制作用,是阔叶红松林顶极群落中的主要建群树种。而水曲柳、核桃楸、黄檗以及椴树等阔叶树种在群落里不仅频繁出现,而且非常稳定的与针叶树种混交在一起,是主要的伴生树种。因此,本研究在分析结构化经营对林分结构的影响时,从全林分、针叶树种和主要阔叶树种3个层次进行对比分析。

    • 图6可以看出,经营林分在经过结构化经营措施后,针叶树种的优势度有明显的提高,主要阔叶树种的优势度也得到了提升。通过两期数据可以看出,各林分针叶树种与主要阔叶树种优势度变化幅度都很小,基本维持在一个比较稳定的水平,这说明通过自然生长来改变树种优势度是一个非常缓慢的过程。林分经过结构化森林经营,能够加速提高目标树种的优势度,并在长时间内保持稳定,且与目标林分发展趋势一致,这说明结构化经营措施的实施,对减少树种的受压状态、恢复并保持针叶树种在群落中的优势地位是有效的。

      图  6  树种优势度

      Figure 6.  Dominance of tree species

    • 大多数天然林的直径分布为倒J形,本次经营后的林木直径分布也保持了这种统计特性。如图7所示,目标林分为典型的倒J形曲线,对照林分与经营林分为近似的倒J形。

      图  7  林分直径分布变化

      Figure 7.  Stand diameter distribution change

      直径分布曲线参数如表1所示。目标林分和经营林分(均值)变化规律一致,4期数据中,偏度和峰度的绝对值逐期降低,表明直径分布曲线偏斜程度降低,说明中大径阶的比例上升;峰度绝对值逐期下降,表明直径分布曲线与正态分布差别减小,说明林分径阶分布范围更广。而对照林分直径曲线分布参数变化却与二者相反。综上,结构化经营使中大径阶木比例上升,径阶分布更为合理[29]

      表 1  林木直径分布相关参数

      Table 1.  Relative parameters of stand diameter distribution

      林分
      Stand
      偏度 Skewness 峰值 Kurtosis
      经营前
      Before tending
      经营后
      After tending
      1期
      Stage 1
      2期
      Stage 2
      经营前
      Before tending
      经营后
      After tending
      1期
      Stage 1
      2期
      Stage 2
      目标林分
      Target stand
      1.94 1.88 1.74 7.84 7.46 6.68
      对照林分
      Control
      1.22 1.22 1.26 4.22 4.27 4.36
      经营林分A
      Managed stand A
      1.34 1.28 1.25 1.20 5.02 4.73 4.76 4.51
      经营林分B
      Managed stand B
      1.32 1.28 1.36 1.34 4.88 4.66 4.89 4.82
      经营林分C
      Managed stand C
      1.97 1.89 1.78 1.69 7.44 7.22 6.77 6.18
      经营林分D
      Managed stand D
      1.89 1.40 1.40 1.42 7.22 5.59 5.43 5.37
    • 经营对林木的分布格局和树种隔离程度产生了一定的影响。如图8所示,通过对角尺度(W)的分析可知,所有林分分布格局中随机分布的结构体所占比例最多,同时各林分每期的W均值也显示出目标林分均为随机分布且维持稳定,经营后林分与目标林分W分布趋势相近,随机分布状态较为理想;对照林分属于团状分布,是非理想的林分水平格局。采用混交度(M)分析可知,所有林分的树种M值均维持在一个较高的水平。经营后林分的M值得到明显提升。通过两期数据对比,目标林分和对照林分的M值也都属于上升趋势,但对照林分上升趋势不明显,且混交水平低于目标林分和经营林分。这说明结构化经营措施对提高林分树种隔离程度效果明显。

      图  8  林分空间结构变化

      Figure 8.  Spatial structure variations of stand

      最佳结构体是单木微环境处于最佳状态的代表。全林分的角尺度(W)-混交度(M)的二元联合概率分布显示,目标林分的高混交且随机分布的最佳结构体和低混交且不随机分布的结构体比例基本稳定,随时间推移整体呈现最佳结构体增加,劣势结构体减少的趋势,但数量变化不剧烈;经营林分最佳结构体的比例整体维持在一个较高的水平,且明显高于目标林分和对照林分,而劣势结构体的比例却要低于目标林分和对照林分。经营林分的发展趋势与目标林分一致。

      W-M的二元分布能体现林分中单木微环境处于最佳状态(最佳结构体)的比例。林分W-M的二元联合概率分布显示,目标林分的高混交且随机分布的最佳结构体和低混交且非随机分布的结构体比例基本维持在一个稳定的水平,随时间推移整体呈现前者增加,后者减少的趋势,但数量变化不剧烈;经营林分最佳结构体的比例整体维持在一个较高的水平,明显高于目标林分和对照林分,而劣势结构体的比例却要低于目标林分和对照林分。经营林分的发展趋势与目标林分一致。

      在针叶树种内最佳结构体的对比分析中,目标林分最佳结构体逐期上升;对照林分针叶树种内最佳结构体比例却明显下降;经营林分经营过后,针叶树种内部结构体比例下降,但通过结构化调整,经多年生长最佳结构体的比例逐期上升,且维持较高比例。经营林分生长趋势与目标林分趋于一致,经营对维持和调整林木微环境有明显的正向推动(图9)。

      图  9  针叶树种最佳结构体

      Figure 9.  Best structures in coniferous species

    • 结构化经营能快速改变林分自身的状态,缩短与目标林分的状态差异。在本研究观测期(2010—2013年)内,经营林分维持在一个相对稳定的状态中;而目标林分和对照林分状态则以一定的速率持续变化,由此导致经营林分与目标林分状态的差异呈现先降后升的趋势,经营林分与目标林分的状态差异值(均值)初期为0.092,经营后立即缩小至0.066,1期上升至0.082,2期上升为0.133,增幅44.57%(图10)。这意味着经营使林分迅速接近目标林分的初期状态,但经营效果会随时间拉长被稀释,稀释的程度取决于经营强度,因此经营不能一蹴而就,需要根据林分状态的变化定期持续地进行。

      图  10  林分的状态特征差异程度

      Figure 10.  Variations of stand state characteristics

    • 目前,我国森林经营已进入森林质量精准提升的发展新阶段,林业发展从扩大森林面积为主的外延式发展向提高森林质量的内涵式发展转变。大幅提高森林生产力,改善林分密度,优化森林结构等成为我国林业发展的重要任务和目标[2]

      本研究从林分生产力、林分密度和林分结构3个方面,探讨结构化森林经营对我国东北重要的阔叶红松混交林森林质量的影响。通过设置经营目标样地、经营样地和对照样地,对各林分间重要的生长及结构参数进行了长期的记录分析。结果表明:

      (1)经过结构化森林经营,调整了林分密度,有针对性的伐除了林分中不健康、无培育前途或相关竞争木,降低了自然枯损,收获了采伐木蓄积量,提高了断面积和蓄积的生长率,促进了林分的生长;

      (2)结构化经营能够稳定维持针叶树种和主要阔叶树种的树种优势度,并保持一个较高的水平。结构参数一元分布分析显示,实施结构化经营能有效调整林木水平格局,使其趋向合理的随机分布,并且可以提高林分的树种隔离程度。结构参数二元分布分析显示,结构化森林经营有助于维持林分中最佳结构体始终保持在较高的比例,提升针叶树种和主要阔叶树种内最佳结构体的比例,林分中劣势结构体的比例也得到了控制和改善,主要培育对象的林木微环境和林分的整体空间结构得到了优化;

      (3)从林分生产力、林分密度和林分结构等方面进行的综合评价结果显示,结构化经营能快速改变林分自身的状态,缩短与目标林分的状态差异,使林分迅速接近目标林分的初期状态,但经营效果会随时间拉长被稀释,稀释的程度取决于经营强度,因此经营不能一蹴而就,需要根据林分状态的变化定期持续地进行。

      综上所述,结构化森林经营能够有针对性的调整林分密度,优化林分结构。以中长时间维度(8至13年)检验经营效果,经营林分较对照林分年均蓄积生长量(均值)提高17.28%,生长率提高17.60%;林分断面积年均增量(均值)提高42.86%,生长率提高47.37%;林木枯损率降低57.22%,显著提高了林分生产力。也由于对林分干扰程度小以及其他一些自然因素的干扰,林分需进行后续经营,巩固经营效果。总之结构化森林经营能够最大程度的维持林分的最优状态,促使森林质量得到精准提升。

      随着对森林的认识不断深化,森林本身的质量和健康越来越成为关注的焦点,这就要求森林经营的目标及时转变为培育健康稳定的森林[2]。结构化森林经营正是这样一种秉持可持续发展的思想,摒弃单纯的木材生产,以培育健康稳定的森林为终极目标,采用角尺度、混交度、大小比数等空间结构参数来定量化分析森林的空间结构,获得林木分布、树种混交和大小配置等空间信息,并指导森林空间结构的调节和优化,调整或维护最佳林分结构,使其接近理想结构的经营理论和方法[39]。研究表明,结构化森林经营无论从林分生产力提升、空间结构优化还是综合状态改善,都有不俗的表现。能够最大程度的维持林分的最优状态,促使森林质量得到精准提升。应继续开展结构化森林经营在不同森林类型中应用的后续研究,为大规模的森林质量精准提升提供更全面的理论与技术支持。

参考文献 (42)

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