浙江省東部和西部林木持久性和森林樹種結構25年變化對比研究

盧金寶，邵華亮，馬雪清，曾春興，王堅婭，應彬彬，吳偉志

（1. 臺州市黃巖區林業局，浙江 臺州 318020；2.江山市林業局，浙江 江山 324100；3.仙居縣自然資源和規劃局，浙江 仙居 317300；4.浙江農林大學 環境與資源學院，浙江 杭州 311300；5.浙江省森林資源監測中心，浙江 杭州 310020）

森林的樹種結構與組成是森林穩定性的主要特征[1]，是制定森林經營方案的基礎[2]，也是森林發揮良好生態服務功能的前提[3]。然而，森林的樹種結構與組成及其穩定性受到多種因素的干擾[4]，目前，大多數研究集中在利用一些綜合評價方法來評價森林群落或生態系統的穩定性[5-7]，評價指標和方法較為復雜。林木是森林的主體，也是森林經營管理的主要對象，其持久性是維持森林生態系統穩定的基礎和關鍵。林木持久性是森林穩定性的重要特征之一，其強弱是森林穩定程度的直觀反映[8]。林木持久性可以用林木存續期數學期望定量描述[9]，即林木從進界時算起（按照我國森林資源監測的技術規定，胸徑≥5 cm的樹木稱為林木，樹木胸徑生長到起測胸徑5 cm稱為進界）能夠存活的期望年數越長，林木持久性越高，表明森林的結構相對越穩定。本文選擇浙江省東部和西部區域分別代表較經濟發達和相對欠發達兩個地區，以浙江省森林資源連續清查固定樣地復查數據為依據，林木存續期數學期望值大小為量綱，研究分析1994—2019年松、杉、闊葉樹種的結構與組成，探索林木持久性及其變化規律和原因，為浙江省森林的健康經營和可持續發展提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區概況

浙江省地處中國東南沿海，地理坐標為118°01'～123°10' E，27°06'～31°11' N，陸域面積有10.55萬km2，屬亞熱帶季風濕潤氣候區，降水充沛，生境復雜，森林資源較為豐富。主要森林類型包括針闊混交林、常綠闊葉林、毛竹Phyllostachys edulis林、馬尾松Pinus massoniana林和杉木Cunninghamia lanceolata林。截至2019年底，浙江省林地面積達659.35萬hm2，其中，森林面積有607.88萬hm2，森林覆蓋率達到61.15%，活立木蓄積有4.01億m3，森林蓄積量有3.61億m3。全省喬木林單位面積蓄積量為83.51 m3·hm-2。

臺州市和衢州市分別位于浙江省的東部和西部，緯度基本相同，地理位置較為對稱（圖1），都以丘陵山地為主，森林資源豐富，樹種、林相等森林特征相似，能較好的代表浙江省東部和西部兩個區域，并以此分別代表較經濟發達區和相對欠發達區兩個地區。臺州市的總面積為10 050.43 km2，戶籍總人口有606.64萬人，2019年生產總值為5 134.05億元，森林覆蓋率為61.37%；衢州市的總面積為8 844.79 km2，戶籍總人口有257.63萬人，2019年生產總值為1 573.51億元，森林覆蓋率為69.62%。

圖1 研究區分布圖Figure 1 Location of study area

1.2 數據來源

研究數據來自浙江省森林資源連續清查固定樣地復查數據，調查年度分別為1994、1999、2004、2009、2014和2019年，每相鄰兩次調查（復查）組成一個“階段”，共分五個階段，分別表示為1994—1999年（第一階段）、1999—2004年（第二階段）、2004—2009年（第三階段）、2009—2014年（第四階段）、2014—2019年（第五階段），每個階段前面的年份為該階段的前期，后面的年份為該階段的后期。樣地為正方形，邊長28.28 m，面積800 m2，樣地調查嚴格遵循國家森林資源連續清查技術規定，對樣地內胸徑≥5.0 cm的樹種進行每木檢尺，記錄樹種和胸徑等內容，并將林木分為松類、杉類、闊葉類3類樹種組進行研究。具體樣地和林木數據見表1。

表1 研究數據Table 1 Data for research

1.3 林木存續期數學期望計算方法

本研究采用林木存續期數學期望來衡量林木的持久性，數學期望越大，林木持久性越強。林木存續期表示林木進界后存活的理論年數。凡調查前期是活立木，后期被采伐或枯死了的林木都認為存續終止。

林木存續期數學期望的計算方法和過程如下[9]：

（1）復查間隔期林木保存率的計算。設前期有n1T株活立木，后期依然存活的有n2T株，則復查期林木保存率（p△AT）為：

這里復查間隔期（?AT）為5年。

（2）林木年度保存率的計算。將復查間隔期林木保存率轉換為年度保存率（pT），計算公式為：

2 結果與分析

利用五個階段固定樣地的復位調查數據，將林木分為松類、杉類、闊葉類3類，以式（3）計算林木存續期數學期望。五個階段林木存續期數學期望，反映了林木持久性25年的變化情況。

2.1 浙江省東部25年林木持久性和樹種結構變化

2.1.1 浙江東部25年林木持久性變化 表2和圖2是浙江省東部25年來的林木存續期數學期望計算結果。由表2和圖2可以看出，在五個階段中，3個樹種組持久性最高時間段均在第二階段，杉類和闊葉類林木的持久性最差的階段在第一階段，松類林木持久性最差的階段在第三階段。3類林木的持久性均呈現出從第一階段到第二階段上升幅度較大，第二到第三階段下降幅度大，第三到第四階段又逐漸上升的規律。

圖2 浙江省東部3個樹種組25年林木存續期數學期望Figure 2 Mathematical expectation of 3 tree species groups duration in the eastern Zhejiang province within 25 years

表2 浙江省東部25年林木存續期數學期望變化Table 2 Changes of mathematical expectation of tree duration in the eastern Zhejiang province within 25 years

在浙江省東部松類林木相對杉類、闊葉類林木，除第一階段外，在其他四個階段的林木持久性明顯較低，25年來的林木存續期數學期望在11.56～20.13 a之間。杉類林木的持久性在第一階段是3類林木中最低的，進界后期望壽命為14.77 a；在第二階段，杉類林木的持久性突然增高，出現最高值，之后下降，之后又逐漸增高。杉類林木的持久性總體上明顯強于松類，但比闊葉類差，存續期數學期望在14.77～54.21 a之間。闊葉類林木的持久性相對其他2類林木是最高的，存續期數學期望在28.50～54.03 a之間。

2.1.2 浙江省東部25年樹種結構變化 表3是浙江省東部25年來3類林木單位面積立木株數及其比例的計算結果。由表3表可得，松類林木的立木密度和株數比例在五個階段同步下降；杉類林木在第一至第二階段有大幅上升，在第二至第五階段則無明顯變化；闊葉類林木在第一至第二階段的增幅較小，在第二至第五階段的增幅顯著增加，其比例在第五階段達到最大，為50.7%，明顯高于松類和杉類林木。

表3 浙江省東西部25年單位面積立木株數及其比例變化Table 3 Unit area standing trees of 3 species groups and proportion in the eastern and western Zhejiang province within 25 years

2.2 浙江省西部25年林木持久性和樹種結構變化

2.2.1 浙江省西部25年林木持久性變化 圖3和表4是浙江省西部25年來的林木存續期數學期望計算結果。

由圖3和表4可以看出，在五個階段中，杉類和闊葉類林木持久性最高的時間段均在第五階段，松類林木持久性最高的時間段在第二階段，在第五階段也接近最高。松類林木持久性最差的時間段在第三階段，杉類林木持久性最差的時間段在第四階段，闊葉類林木持久性最差的時間段在第一階段。除杉類林木的持久性在第三到第四階段出現小幅下降外，3類林木的持久性總體上呈現出在第一階段到第二階段上升，在第二到第三階段下降，從第三階段到第五階段又開始逐漸上升的現象。

圖3 浙江省西部3類林木25年林木存續期數學期望Figure 3 Mathematical expectation of 3 tree species groups duration in the western Zhejiang province

表4 浙江省西部25年林木存續期數學期望變化Table 3 Mathematical expectation of 3 tree species groups duration in the western Zhejiang province within 25 years

在浙江省西部，松類林木相對杉類、闊葉類林木的持久性較低，25年來的林木存續期數學期望在6.82～19.95 a之間。杉類林木的持久性總體上比松類強，比闊葉類差，存續期數學期望在12.40～27.19 a之間。闊葉類林木的持久性相對是最高的，存續期數學期望在10.08～33.86 a之間。

2.2.2 浙江省西部25年樹種結構變化 由表3可知，松類林木的立木密度在第一至第二階段有小幅上升，在第二至第五階段則明顯下降，其株數比例在第一至第五個階段中穩定下降；杉類林木的立木密度在第一至第二階段有小幅上升，在第二至第五階段則無明顯變化，其株數比例在五個階段中一直無明顯變化；闊葉類林木的立木密度和株數比例在五個階段中持續上升，其比例在第五階段達到最大，為47.5%，明顯高于松類和杉類林木。

2.3 浙江省東西部25年林木持久性和樹種組成變化對比

圖4至圖6分別表示了浙江省東西部25年來3類林木的持久性變化情況。從表2至表3、圖4至圖6可以看出，浙江東部的林木持久性在25年間總體上強于西部，其中闊葉類林木的差距最為明顯，每個階段東部均明顯強于西部，但隨著時間的推移，這種差距有縮小跡象；杉類林木的持久性在第一階段東部略低，第二階段以后東部明顯強于西部；松類林木在前四個階段東部比西部略強，第五階段，西部明顯增強，而東部略微下降，導致西部強于東部。

圖4 浙江省東西部25年松類林木存續期數學期望Figure 4 Mathematical expectation of pine species in the eastern and western Zhejiang province within 25 years

圖5 浙江省東西部25年杉類林木存續期數學期望Figure 5 Mathematical expectation of Chinese fir in the eastern and western Zhejiang province within 25 years

圖6 浙江省東西部25年闊葉類林木存續期數學期望Figure 6 Mathematical expectation of broadleaf tree group in the eastern and western Zhejiang province within 25 years

從表3可以看出，在3類林木的單位面積立木株數方面，東部的杉類和闊葉類林木在五個階段中均低于西部，但松類林木高于西部的。在3類林木的株數比例方面，東部的松類林木在五個階段中均高于西部，但兩者的差距隨著時間的推移在縮小；東部的杉類林木25年間均低于西部，但兩者的差距隨著時間的推移有縮小的跡象；東部的闊葉類林木在前三個階段低于西部，但由于后續增幅大于西部，導致其在后兩個階段反超西部。

3 結論與討論

3.1 結論

以上從樹種結構和林木持久性兩個角度對比研究浙江省東西部兩個設區市1994—2019年這25年來森林的變化情況，結果表明，浙江省東西部3類樹種（松類、杉類、闊葉類）的林木持久性均表現出“N”狀規律，即先增加后減小再穩定增加，且變化的第一個節點均在1999—2004年之間，這個期間持久性較高，而2004—2009年之間明顯降低，之后又逐步增高；浙江省東部的林木持久性在25年間高于西部，但這種差距隨著時間的推移有逐漸縮小的跡象；無論是東部還是西部，松類林木的持久性在3類林木中都是最低的，而闊葉類林木都是最高的；浙江省東西部的樹種結構變化情況相似，即松類林木的比例逐年下降、杉類林木的比例有波動但整體變化不大、闊葉類林木的比例逐年增加至50%左右；東部的闊葉類林木的比例在前三個階段差于西部，而在后兩個階段略高于西部，單位面積立木株數均低于西部，但差距在縮小。

整體上，浙江省東部的林木持久性在25年間整體強于西部，兩地闊葉類林木的持久性均在不斷增強。兩地闊葉類林木的單位面積株數和相對比例在25年不斷增加，森林趨于更穩定的狀態，森林質量得到不斷提升。

3.2 討論

浙江省東西部的林木持久性變化的“N”狀規律，很大程度上是對當時的林業政策及市場的反映。杉類林木是最重要的木材資源，其“N”狀規律也最明顯，闊葉類次之。

東部的闊葉類林木持久性一直明顯高于西部，杉類除1994—1999年外，也明顯高于西部。這可能與東部經濟強于西部，東部經濟對林木采伐的依賴程度低有一定的關系，而隨著西部經濟的發展，這種差異在逐步縮小。

浙江省東西部森林的樹種組成與結構都隨著時間進程趨于更穩定的狀態，即在減少松類林木占比的同時，增加闊葉類林木的占比。無論東部還是西部，松類林木的立木密度及其占比均在逐年下降，這與松材線蟲病危害有關。松材線蟲病的入侵促使了馬尾松林演替為闊葉林[10]，演替期間不可避免地降低了林木持久性。松材線蟲病是一種特別重大的檢疫性森林災害[11]，2019年疫區數量占浙江省縣級行政區的76.67%[12]。松類林木保留量的持續減少也與浙江省為了防治松材線蟲病擴散以及提高森林生態效益而多年來推行的“針改闊”有關。闊葉類林木的單位立木密度及其占比無論東西部都在穩定增加，這與浙江省重視對闊葉類林木的保護有關。

松材線蟲病一般是先從東部發生，而后逐步向西蔓延，從理論上講，林木持久性應該是西部高于東部，但實際上僅在2014—2019年西部的林木持久性高于東部，1994—2014年西部均低于東部。雖然松材線蟲病促使東部松類林木采伐總量大于西部，但在東部松類林木的保留量遠大于西部的前提下，東部的采伐比例仍低于西部，使得前20年東部的林木持久性高于西部。隨著東西部松類林木的保留量差距的減小，在兩地松類林木采伐量差不多的前提下，東西部的松類林木采伐比例差距也隨之減小，最終導致東西部的林木持久性差距逐年減小。另一個原因是松材線蟲病疫區劃定的范圍從東部向西部擴展，疫區內的商業性被限制，所以東部林木的商業性采伐少于西部。

東部林木的持久性整體高于西部，但單位面積立木株數低于西部，說明西部林木的更新演替強于東部。基于林木存續期數學期望的林木持久性定量評價基于樣木復測數據，而我國存在大量這樣的數據，所以這個方法還具有很好的推廣應用條件。