間伐強度對大興安嶺天然落葉松林功能的影響

趙麟萱，劉兆剛*，趙 聰

(1.東北林業大學 林學院，哈爾濱 150040；2.遼寧省撫順市順城區農發局，遼寧 撫順 113006)

森林作為陸地生態系統的主體，具有多種服務功能及價值，如提供木材和多種非木質林產品、固碳釋氧、涵養水源、凈化空氣、土壤保持、保護生物多樣性和森林游憩等[1]，同時兼具多種功能，這是森林相對于其他生態系統最突出的特征，是森林的自然稟賦[2]。事實上，森林的多種功能之間存在相互矛盾的關系，主要體現在生產和生態功能上。因此，通過合理經營規劃和科學決策來解決多種功能間的矛盾[3]，調控多種功能間的對立統一關系[4]，實現森林生態系統整體效益最大，是當前我國森林多功能經營最需要研究的關鍵部分。

為了兼顧發揮森林的多種功能，前人采用不同的方法做了許多研究。有的學者從多目標規劃的方面進行研究，主要區別體現在規劃目標及決策變量的選擇上。李法盛[5]以林分各徑階采伐株數作為決策變量，在長白山林區針對天然異齡林以木材收獲、林分靜態蓄水量及林分風景質量評價為目標建立多目標決策模型；徐文科等[6]以森林生態系統整體效益最優為原則，將采伐面積作為決策變量進行多目標規劃決策，提出對公益林、多功能林和商品林的經營調整的最優方案；劉杰等[7]考慮森林多種生態功能的發揮對森林進行區劃，采用森林多目標系統分析規劃技術與FSOS模型對不同森林經營方案進行優化分析；Yousefpour R等[8]結合生長模擬和多目標優化方法，考慮生物多樣性、固碳和木材生產等森林多功能效益，以40 a為規劃期，提出了挪威云杉林的最優改造方案；戎建濤等[9]以采伐強度作為決策變量進行擇伐和間伐，以木材價值和碳價值為目標建立決策模型，得出總目標凈現值最大時的采伐強度方案。有的學者從經營模擬的方面進行研究。向瑋[10]通過建立分樹種矩陣生長模型，模擬不同周期不同采伐強度的采伐方案對木材生產、樹種和大小多樣性及碳儲量的綜合影響；Hao等[11]結合采伐成本、林木價格、矩陣生長模型構建了長白山林區闊葉林木材收獲量和凈收益優化模型。在國外，許多學者將碳儲量、生物多樣性作為森林經營的一個目標[8，12-16]，但在國內鮮少有研究將碳儲量和生物多樣性作為森林經營目標。

目前國內大多數的研究是以林地面積為變量進行皆伐，或以采伐強度為變量進行擇伐，但經營目的均為最大木材收獲效益。單純的對木材收獲量的追求已經不能滿足我國天然林區的經營需要，尤其是大興安嶺過伐林區。本文以大興安嶺過伐林區的天然落葉松林為研究對象，分析不同間伐強度對森林的經濟服務功能(木材收獲)和生態服務功能(生物多樣性、碳儲量)造成的影響。在經營方案中引入單木健康評價指標為參照，合理確定間伐木，在進行森林多功能經營的同時通過間伐健康指數低的林木調整林分健康狀況。模擬不同經營方案效果，并評價不同間伐強度的綜合目標值，為過伐林區的森林多功能經營提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究地區概況

大興安嶺塔河林業局盤古林場位于東經123°51′56.5″，北緯52°41′57.1″。年平均氣溫-3℃，最高氣溫36℃，最低氣溫-53℃，無霜期為90～110 d，年降水量300～450 mm，相對濕度70%～75%。積雪期每年達5個月。林內雪深達30～50 cm。年均光照總時數為2 600 h。土壤以森林和草甸土為主。盤古林場轄區內森林覆蓋率為88.86%，經濟材樹種主要有：落葉松(Larixspp.)、白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、山楊(PopulusdavidianaDode)、云杉(Piceaspp.)、毛赤楊(AlnushirsutaTurcz.)、樟子松(PinussylvestrisL.var.mongolicaLitv.)等。

1.2 數據收集

2011年在大興安嶺地區塔河林業局盤古林場不同林分條件下設置天然落葉松林固定樣地16塊，調查樣地海拔、坡度、坡位、郁閉度等樣地環境因子及林木胸徑(≥5 cm)、樹高、第一活枝高和冠幅等測樹因子，對每木檢尺的林木的根部狀態、樹冠落葉程度、樹冠透視度、樹冠重疊程度和樹冠枯梢比進行打分，并計算樣地內每株樹木的綜合健康指數。共伐倒落葉松解析木52株，其中39株用于建模，13株用于獨立樣本檢驗。

1.3 研究方法

1.3.1 林分蓄積量估計

研究樣地中有落葉松、白樺、山楊、云杉、毛赤楊和樟子松共6個樹種，樹干材積估計均采用塔河林業局一元材積公式，根據各樹種材積公式及樣地數據求得天然落葉松林單位面積蓄積量，材積公式形式如下(具體參數見表1)：

樟子松：V=a(bD+c)d(exp(e/(bD+c)+f))g。

(1)

其他樹：V=a(bD+c)d((bD+c)/(e+f(bD+c)))g。

(2)

式中:V為材積；D為胸徑；a、b、c、d、e、f、g為方程參數。

表1 各樹種材積方程參數值

1.3.2 林分碳儲量估計

天然落葉松林中落葉松比重遠遠大于其他樹種，落葉松碳儲量估計的準確性對經營方案影響較大，因此建立天然落葉松生物量預估模型，為碳儲量估計提供基礎。

以天然落葉松胸徑(D)和樹高(H)為自變量，分別建立天然落葉松樹干、樹枝、樹葉和樹根的生物量模型。備選模型有以下兩個：

模型一：W=αDβ。

(3)

模型二：W=α(D2H)β。

(4)

式中:W為生物量；D為胸徑；H為樹高；α、β為模型參數。

根據確定系數(R2)越大越好和均方誤差(MSE)越小越好的原則，分別選出天然落葉松各器官(樹干、樹枝、樹葉和樹根)生物量最優模型并進行獨立樣本檢驗，具體指標及公式見文獻[18]。

利用建立的落葉松生物量模型分別估算各器官生物量，再乘以相應的碳系數[19]估計出每株天然落葉松各器官含碳量；其他樹種各器官生物量通過東北地區主要樹種生物量模型[20]進行估計，并乘以相應碳系數估算含碳量。結合樣地數據估算不同林分條件的天然落葉松林單位面積碳儲量。

1.3.3 生物多樣性指數

對林木生物多樣性的計算包含樹種多樣性和大小多樣性兩方面。樹種多樣性，即表示林分內各樹種豐富度和均勻度的指標，樹種分配越均勻，樹種多樣性指數越大。大小多樣性，即代表林分的水平結構多樣性，徑階分配越均勻，大小多樣性指數越大。采用Shannon多樣性指數表示林木樹種及大小多樣性[21]，公式如下：

(5)

當計算樹種多樣性時，Pi為各樹種的斷面積占林分斷面積的比例；計算大小多樣性時，Pi為各徑階的斷面積占林分總斷面積的比例。

1.3.4 單木健康評價指標

根據單木健康評價的相關研究[17]，選擇林木健康調查中的樹冠透視度、樹冠重疊程度、樹冠枯梢比、活冠層比重和樹冠偏斜程度5項指標作為單木健康評價的原始指標。對各原始指標數據進行無量綱化處理，使5項單木健康評價指標的值域處于0-1的范圍。通過客觀賦權法計算各指標權重。

采用綜合指數法構建單木健康評價模型：

(10)

式中：si為綜合指數(得分)；m為指標個數；xij為第i株樣木第j項指標的分值；wj為第j項指標權重。使用單木健康評價模型計算林木的綜合健康狀況得分。

1.4 經營方案設計及評價

選擇木材收獲量、碳儲量、林木樹種多樣性和大小多樣性作為經營目標。

大興安嶺盤古林場的天然落葉松林是典型的過伐林，分析林分概況，該林分正處于中幼林階段，根據《森林采伐作業規程》[22]要求，間伐強度要低于20%。依此要求，經營方案設置為 5%、10%、15%、20%四個間伐強度(蓄積強度)。

在選擇間伐木的過程中，按每株樹的綜合健康指數由得分最低的林木開始間伐，直到累積間伐蓄積達到各間伐強度對應的蓄積量為止。為合理確定間伐木，通過間伐改善森林健康狀況，引入單木健康評價指標作為選擇間伐木的標準。根據單木健康綜合指數，選擇單木健康評價得分低的林木進行撫育間伐，代替傳統的通過主觀定性撫育間伐的方法，實現了由定性到定量確定撫育間伐木的轉變，避免因主觀選擇撫育間伐木所產生的一些不客觀的問題。

木材收獲、碳儲量和林木多樣性是天然林多功能經營研究的主要目標。為了在經營過程中平衡天然林的多重功能，構造一個包含所有經營目標的總目標函數，并采用極差法對量綱不一致的各目標值進行標準化處理。即：

(6)

式中：x為原始指標；x′為處理后指標；xmax為x指標中的最大值；xmin為x指標中的最小值。

假設各目標權重都為1，即各目標同等重要，目標函數為：

Z=T+C+HS+HD。

(7)

式中：T、C、HS、HD分別為標準化后的木材收獲量、碳儲量、林木樹種多樣性指數和大小多樣性指數。

2 結果與分析

2.1 生物量模型擬合與檢驗

天然落葉松生物量數據隨著自變量的變化波動性較大，導致回歸模型誤差項不滿足方差齊性假設，必須消除異方差問題。根據相關研究[23-25]，采用加權回歸消除生物量模型異方差問題。表2為天然落葉松生物量模型參數估計及擬合指標，可看出樹干擬合最好，確定系數在95%以上，樹葉擬合最差，但也確定系數在70%以上。

表2 天然落葉松各器官生物量模型參數估計值及擬合指標

表3 天然落葉松各器官生物量模型檢驗結果

表3為天然落葉松各器官生物量模型檢驗結果，從表3可已看出，均方誤差都在±5%以內，平均絕對偏差在10%以內，平均相對偏差樹葉較大，在-15%左右，其他都在±10%以內。樹干模型精度最高，為93.33%，樹枝模型精度最差，也在60%以上。從圖1可以看出，樹干、樹枝、樹葉和樹根四個生物量模型的殘差無明顯規律，說明天然落葉松各器官生物量異方差得到了改善。所建立的天然落葉松各器官碳儲量能較好地估計天然落葉松生物量。

圖1 天然落葉松生物量模型殘差圖

2.2 經營方案模擬

天然林相對于人工林的經營要復雜的多，在經營方案的選擇上除了要要考慮森林經濟服務功能外，還要考慮生態服務功能，以整體效益最大為目標。間伐強度的提高必將導致林分碳儲量的降低，因此間伐強度對多樣性和林分因子的的影響對經營方案的選擇起著決定性的作用。根據各樹種材積方程、生物量模型和碳系數等，計算匯總天然落葉松林各林分因子，基本統計量見表4，為制定經營方案奠定基礎。

表4 天然落葉松林林分因子基本統計量

2.2.1 不同經營方案對林分健康指數的影響

圖2為各間伐強度對不同密度林分平均健康指數的影響。圖中虛線為伐前林分健康指數，實線為不同經營方案下林分健康指數模擬值。從總體上看，當林分密度小于每公頃1 600株時，林分健康指數差異較大，波動范圍在0.6～0.8，當密度大于每公頃1 600株時，不同林分的健康指數差異明顯變小，并逐漸穩定在0.7左右。從圖2可看出，四條實線都在虛線以上，說明不同強度的間伐均能提高林分健康指數，而且伐后健康指數與間伐強度呈正相關關系，即間伐強度越大伐后林分健康指數越高。

圖2 不同間伐強度對林分健康的影響

2.2.2 不同經營方案對生物多樣性的影響

天然林樹種多樣性主要受樹種組成影響，圖3以主要樹種所占比例為橫軸，樹種多樣性為縱軸，觀察各間伐強度對不同樹種組成林分樹種多樣性的影響。根據圖3可以看出：主要樹種所占比重越小，即林分樹種組成越復雜，則樹種多樣性越大；相反，主要樹種所占比重越大，即樹種組成越單一，則樹種多樣性越小，樹種多樣性變化范圍在0.05～1.32。圖2中虛線為伐前樹種多樣性，實線為不同間伐強度下模擬樹種多樣性，虛線均高于實線，說明伐前林木樹種多樣性均大于伐后，主要樹種所占比重在50%～80%之間時各間伐強度所造成的改變對樹種多樣性的降低較為明顯，當主要樹種所占比例過小或過大時間伐幾乎不會影響林分的樹種多樣性。不同間伐強度之間對樹種多樣性的影響幾乎沒有區別。

圖3 不同強度間伐對林木樹種多樣性的影響

圖4為各間伐強度對不同密度林分大小多樣性的影響圖中虛線為伐前大小多樣性，實線為各間伐強度后大小多樣性模擬值，其中實線均在虛線以下，說明伐后林木大小多樣性均會變小，而四條實線幾乎重合，說明不同間伐強度之間對大小多樣性的影響是一致的且區別不大，大小多樣性隨密度變化無明顯規律。間伐前的大小多樣性在1.7～3.0，不同強度伐后的大小多樣性在1.5～2.9。

圖4 不同間伐強度對林木大小多樣性的影響

2.2.3 不同經營方案對林分因子的影響

不同強度間伐對林分平均胸徑的影響如圖5所示。根據圖5總體來看，林分平均胸徑隨林分密度的增大呈減小趨勢，范圍在9～21 cm之間。密度在每公頃2 000株以下的林分，平均胸徑之間差異較大；密度在每公頃2 000株以上的林分之間平均胸徑差異很小。

不同強度間伐后林分平均胸徑均大于間伐前，針對同一林分間伐強度越大，伐后林分平均胸徑增加越大。對于不同密度的林分，密度越小，林分平均直徑受間伐影響越大；密度越大，林分平均直徑受間伐影響越小。

圖5 不同強度間伐對平均胸徑的影響

不同強度間伐對平均樹高的影響如圖6所示。從圖6可看出，密度在每公頃1500株以下的林分間平均樹高差異較大，在9～18 m；每公頃1 500株以上的林分間平均樹高差異較小，在9～13 m。不同強度間伐對林分密度在每公頃1 500株以下的林分平均高幾乎沒有影響，對于密度每公頃1 500株以上的林分影響較大，且林分平均高隨間伐強度增大而增大。

圖6 不同強度間伐對平均樹高的影響

2.3 經營方案的確定

2.3.1 綜合目標值

通過分析林分密度與平均健康指數、平均胸徑、平均樹高、大小多樣性之間的關系，樹種組成與樹種多樣性之間的關系，對比不同間伐強度對各林分因子產生的影響。將生態服務功能經營目標和經濟功能經營目標準化后加權(設權重為1)，得到不同經營方案綜合目標函數的綜合目標值，見表5。可以看出不同密度的林分在各間伐強度下所得到的綜合目標值。

表5 不同間伐強度綜合目標值匯總表

注：黑體字為各林分最大綜合目標值。

根據表5可以看出，綜合目標值最高時，間伐強度為5%的林分共有10個，間伐強度為10%的林分共有3個，間伐強度為15%的林分共有1個，間伐強度為20%的林分共有2個。其中D1-07、D1-08、D1-11、D2-06、D2-11的綜合目標最高值與次高值相差較小，差值范圍在0.002～0.2之間，結合次高值對應的大小和樹種多樣性指數及林分密度狀況，可考慮選擇綜合目標次高值對應的經營方案。

2.3.2 最優經營方案

原則上，最大綜合目標值所對應的間伐強度即為該林分最優的經營方案，綜合目標值排在最大值下位的則為次優方案，但若最優方與次優方案目標值相差較小，次優方案在木材收獲和多樣性增加上較最優方案更佳，則也可選擇次優方案，通過綜合考慮，確定經營方案，見表6。表內16個林分所選擇的經營方案中，11個林分為綜合目標最高值所對應的最優經營方案，5個林分(D1-07、D1-08、D1-11、D2-06和D2-11)為綜合目標次高值所對應的次優方案。

從表6中可看出，所確定的最優方案中，間伐強度為5%的林分共有7個占43.75%，間伐強度為10%的林分共有6個占37.5%，間伐強度為15%的林分共有2個占12.5%，間伐強度為20%的林分共有1個占6.25%。平均撫育間伐株數為375株/hm2；大小多樣性平均降低0.175 8；樹種多樣性平均降低0.012 7；林分平均胸徑增加0.81 cm；林分平均高增加0.65 m；木材收獲量平均為12.3 m3/hm2；碳儲量平均為47.84t/hm2。

表6 不同林分最優經營方案

3 討 論

(1)構建的天然落葉松林生物量模型擬合檢驗精度良好，并有效解決了方差非齊性問題，能較好的估計落葉松各器官的生物量。

(2)以往的研究在經營過程中忽略了樹根的碳儲量，而樹根碳儲量占總碳儲量比例較大，忽略根的數據對估計林木碳貯量造成較大偏頗，為了精確林木碳貯量在經營中的準確程度，加入了樹根碳儲量。

(3)根據健康指數進行間伐。單木健康綜合指標通過樹冠透視度、樹冠重疊程度、樹冠枯梢比、活冠層比重和樹冠偏斜程度5項原始指標構建，在體現林木健康程度的同時也體現了林木本身的生長空間是否合理。引入單木健康指標為間伐篩選有害木提供科了學依據，通過間伐有害木，調整林分不合理空間配比，為優良木提供更多的生長空間。

(4)從林分密度角度分析了不同間伐強度對對平均健康指數、大小多樣性、平均胸徑和平均樹高的影響，結果表明：林分平均健康指數、平均胸徑和平均樹高均隨間伐強度的增加呈增長趨勢；林分平均大小多樣性和樹種多樣性受間伐影響而降低，但不同間伐強度間差異不明顯。樹種多樣性隨林分主要樹種所占比重的增加呈減少趨勢，不同強度間伐對樹種多樣性幾乎無影響。

(5)兼顧多功能經營。研究將木材、固碳、生物多樣性作為共同目標，研究不同間伐強度對木材收獲、碳儲量和生物多樣性指標的影響，在此基礎上得到不同林分的合理間伐強度。根據各經營方案的綜合目標值，結合不同經營方案對林木平均健康指數、生物多樣性及林分密度的影響，合理確定最優經營方案，其中11個林分選擇綜合目標最高值所對應的方案作為最優經營方案，另外5個林分選擇綜合目標次高值所對應的方案作為最優經營方案。間伐強度為5%的林分共有7個占43.75%，間伐強度為10%的林分共有6個占37.5%，間伐強度為15%的林分共有2個占12.5%，間伐強度為20%的林分共有1個占6.25%。在兼顧森林的多個功能進行經營時，多以低強度為最優方案，這與向瑋等[10]的觀點一致。在兼顧天然林多種功能的同時，提供了合理確定間伐強度的方法，在經營的同時最大限度的保持原生森林系統狀態，為天然落葉松林的經營提供參考。

(6)不足之處在于缺少林分生長動態數據，無法體現間伐對林分生長的影響，后續研究可在固定年份復測樣地獲得生長、進界和枯損等數據，分析間伐后林分生長的動態規律。

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