青海東部人工生態公益林近自然經營的林分結構調整

王瓊琳,王文義,林 莎,曹 志,陳 琪,賀康寧,*

1 北京林業大學水土保持學院,水土保持國家林業局重點實驗室, 北京 100083 2 北京市水土保持工程技術研究中心, 北京 100083 3 林業生態工程教育部工程研究中心, 北京 100083 4 青海省西寧市大通縣林業站, 西寧 810100

青海省東部黃土地區現存的大規模人工林,大多起源于20世紀 80 年代開始的“西北地區植樹種草活動”,后經數期“三北”防護林建設工程、天然林保護工程和退耕還林工程,形成了目前綠化的基本規模；這期間的造林設計以用材林的林分結構為主,林分橫平豎直。大通縣塔爾溝研究區位于青海省東部,為少數民族聚集區,林分多為當地群眾在國家號召下自發造林所形成的不完全橫平豎直的林地,造林方式隨機但成活率不高,后通過多年補植,形成了多層次、異齡、混交的人工林分。隨著人類的發展和進步,人們對于森林的經營和管理理念越來越成熟,且逐漸由人工林向近自然林轉變。德國科學家Gayer通過大量森林經營實踐總結提出近自然經營理念[1],該理念強調人類在從事林業工作的過程中應該盡可能的遵循樹木自然生長規律,順應自然,減少人為干擾,以促進人為經營管理的森林朝著復層、異齡、混交的近自然林方向發展。多年來,我國雖然通過大量人工造林恢復和開拓了大面積林地,但是人工林的樹種單一、結構規律簡單且多為用材林,造成了病蟲害、小老樹、土壤肥力下降等許多生態系統方面的問題[2]。所以,為了找到適用于青海東部地區的林分結構調整策略與方法,以塔爾溝研究區多層次、混交、異齡的偏向于近自然的林分為例,提出近自然經營措施。通過近自然經營確保森林的可持續發展具有十分重要的意義。近自然林分能夠有效的抵御自然災害和病蟲害、優化土壤理化性質、增加生物多樣性、提高森林的生態和經濟效益等。

近自然度作為近自然森林經營中一個重要的技術參數,對近自然森林經營有著重要的意義[3]。國內有關近自然評價的研究起步較晚,主要是探討評價指標體系和引進國外先進方法進行評價的研究,且多是對大尺度森林的近自然度定性評價,指標的選取比較片面,評價體系不完善[4]。常用評價方法有模型法和相對值法[5]、綜合指數法[6]、層次分析法[7],每種方法的側重點、尺度范圍、選取的指標均有較大差異,前人對于森林近自然度評價的研究以定性描述為主,后逐漸引入了定量表達方法[8-10]。國外的定量評價方法主要集中于溫帶和北方森林[10-12]。Oliveira等通過量化方法評價了巴西阿羅卡里亞的森林自然性[13]。張敏等通過量化評價指標評價了河北山區的森林自然度,定量評價數據精確,客觀性強,但也存在指標體系和分級標準確定上的差異[7]。喻慶國將定性描述和定量表達相結合評價了森林近自然度,評價結果較單一的定性或定量評價更為可靠[14]。本文試圖通過對塔爾溝典型林分進行近自然度評價,了解林分實際生長狀況,使原有的以用材林為目的營造的人工林向生態公益林轉變,以充分發揮林分水源涵養功能,應用近自然度π值法則,將林分的近自然狀態在單位圓中繪制,并由各指標值構成的閉合圖形的面積表現出來,此閉合圖形面積與單位圓面積(近自然度期望值)的比值即為現實林分近自然狀態的最佳度量[15]。該方法能夠客觀、直觀的反映某一林分的近自然狀態。采用定性和定量相結合的方法,構建了大通縣塔爾溝人工林林分的近自然度評價體系,為當地和相同立地條件下的近自然經營提供依據,以提高森林的生態、經濟和社會效益。

1 研究區概況

1.1 樣地概況

塔爾鄉塔爾溝村位于青海省大通縣東部(圖1),坐標東經101°25′—101°42′,北緯36°58′—37°08′,地處半淺半腦山區,屬于溫帶高原大陸性氣候,無霜期97 d,海拔2471—3656 m,年平均氣溫為3.7℃,年內降雨量分布不均勻,蒸發量大,降雨主要集中在6—9月份,年均降雨量為451 mm,年均水面蒸發量為835.1 mm,土壤類型為黃土母質上發育的山地棕褐土和栗鈣土, 土壤深厚,屬于黃土丘陵溝壑區,試驗地林分大多起源于20世紀80年代,當地群眾在缺乏造林經驗的情況下,通過國家號召開始自發在塔爾溝山區營造以青楊為主的人工林,后期又在空地補植大量青海云杉,營造出了非完全橫平豎直、類似于天然林分布的林分,之后陸續實施了天然林保護、“三北四期”防護林、封山育林及退耕還林等工作,目前完成成片造林126.5 hm2,完成退耕還林128.2 hm2,完成封山育林146.7 hm2,完成“三北四期”防護林63.4 hm2,治理周邊荒坡76.6 hm2。

圖1 大通縣研究區位置圖Fig.1 Location map of the research area in Datong County

1.2 野外調查

試驗于2018、2019年的5—9月在青海省大通縣塔爾溝進行,結合當地現有的森林植被資料和野外實地踏查,在大通縣塔爾溝內選取5種典型林分類型：青海云杉-落葉松混交林、青海云杉-白樺混交林、青楊-白樺混交林、青海云杉-青楊混交林、青海云杉純林。每種林分類型各設立5個20 m×20 m的標準地,并統一在樣地四周設置寬2.5 m的緩沖區。調查記錄各個標準地的基本信息見表1,典型樣地林木空間位置分布如圖2所示。

表1 樣地基本信息

2 研究方法

2.1 近自然度指標選取

國內外評價林分近自然度的指標主要考慮五大類：經營痕跡、林分結構、物種組成、年齡及枯死木[10,13,16-17]。由于所選樣地均無人工采伐痕跡和撫育管理跡象,故不考慮經營痕跡指標。林分結構指標主要包括垂直結構(C1)和水平結構(C2)[10],此外還可以考慮草本蓋度(C3)及其多樣性(C4)[17]和林下天然更新(C5)[16-17]。物種組成主要以物種多樣性(C6)和組成系數(C7)來表示[15],林分年齡結構能夠反映種群發展趨勢[18],但由于確定每棵樹的年齡較為復雜,常用直徑分布(C8)代替年齡結構進行分析[19]。枯死木指標即考慮到林分內的枯木比例(C9),與之類似的還可用健康木比例(C10)來評價林分近自然程度[15]。這些指標既包括定量指標,也包括定性指標,所以還需要對這些指標進行賦值、標準化和正向處理[20]。

2.2 指標處理

林分垂直結構用林層數來表示[21],可參照國際林聯(IUFRO)的林分垂直分層標準[22],根據優勢高將林分劃為3層,其中樹高≥2/3優勢高的樹木劃為上層,樹高介于1/3—2/3 優勢高之間的樹木劃為中層,樹高≤1/3 優勢高的樹木劃為下層。若各層的林木株數均≥10%,記林層數為3層。若其中有兩層的林木株數≥10%,記為2層。若只有一層的林木株數≥10%,記為1層[15]。

水平結構可用角尺度(W)來表示[23]。角尺度用于描述林分林木個體水平地面上的分布格局,當林分平均角尺度小于0.475時,林分均勻分布,人為干擾痕跡大；當平均角尺度介于[0.475, 0.517]之間時,林分處于隨機分布,更接近自然分布；當平均角尺度大于0.517時,林分處于聚集分布[24]。表達式為：

(1)

林下草本隨著林分近自然程度的增加,其蓋度和多樣性會隨之增加[25]。其中蓋度是基于視覺估計的百分比值,需要進行賦值處理。草本多樣性可用Simpson多樣性指數表示。

林分天然更新越多,越接近于自然林[16]。根據《森林資源規劃設計調查技術規程》(GB/T 26424—2010)調查苗高大于50 cm的幼苗數量,苗數≥2500株/hm2時,林分更新良好。介于[500, 2500)株/hm2時林分更新一般。<500株/hm2時林分更新不良[15]。

樹種組成系數即該樹種斷面積占林分總斷面積的比重,用十分法表示,統計比重超過10%的樹種數量,<2為純林,=2為混交林,≥3為多優勢樹種混交林[15]。物種多樣性以混交度(M)來表示,混交度能反映樹種相互隔離程度[26],林分平均混交度的值介于0—1之間,越接近1越好。表達式為：

(2)

直徑分布能夠很好的反映林分的近自然狀況,當直徑分布曲線呈倒“J”型時,林分接近典型天然異齡林結構。當曲線呈多峰狀時,表示林分為不完整的異齡林。當曲線呈單峰狀時,表示林分近乎為同齡林[27]。

枯立木狀況可表示林分的自然稀疏情況,當枯立木的比例≥10%時,林分自然稀疏良好。介于5%—10%時,林分自然稀疏一般。比例<5%時,林分基本無自然稀疏[8]。林分越近自然,林木的健康指數越高[28],故可用無病蟲害、無空心、無彎折的健康木比例來評估近自然狀況[15]。

各指標賦值情況及相關算法可參考相應文獻[15,20]。具體賦值情況見表2。

表2 定性指標賦值表

2.3 π值法則

π值法則是借助單位圓來求得每個林分最終的自然度值,將以1為半徑的單位圓從圓心用放射線劃分為n(指標個數)個等面積的扇形,以順時針方向在每條放射線上由大到小標出指標值和指標名,并依次連接形成閉合圖形,該圖形即可表示某個林分的近自然狀態。當各指標值均為1時,為最優近自然狀態。現實林分近自然度值可用某一林分的近自然狀態值與最優近自然狀態值的比值來表示[15]。具體計算公式如下：

(3)

(4)

s2i=(L1L2sinθ)/2

(5)

式中,ω表示自然度值,s1和s2分別代表閉合圖形中的扇形面積之和以及三角形面積之和,m表示指標值為1的指標個數,n為指標總個數,L1和L2分別表示閉合圖形中三角形部分相鄰的指標值,θ表示相鄰指標間的夾角。

2.4 近自然度等級

參考國家林業局頒布的《國家森林資源連續清查主要技術規定》[29],結合國內外在近自然度方面的研究[3,10,30-32],根據大通縣人工林實際情況,采用等間距法,將自然度劃分為五個等級[32],見表3。

表3 近自然狀態分級標準

3 結果與討論

3.1 林分指標分析

對野外調查數據進行上述處理后得到林分狀態特征表(表4)。由表4可以看出,5種典型林分類型均有垂直分層現象,表現良好。在水平結構上,杉落混交林(PL)和青海云杉純林(P)兩種針葉林分都為均勻分布,杉楊混交林(PP)表現為聚集分布,杉樺混交林(PB)和楊樺混交林(BP)均為隨機分布。楊樺闊葉林(BP)草本蓋度達61.33%,草本多樣性豐富。兩種針闊混交林(PB、PP)的草本蓋度高于兩種針葉純林(PL、P)。杉樺混交林(PB)的草本多樣性最為豐富,青海云杉純林(P)的草本蓋度和多樣性較低。各類林分的林下更新都較少,其中杉樺混交林(PB)的林下更新優于其他四類林分,青海云杉純林(P)林下更新最少。杉樺混交林(PB)接近于強度混交,其余三類混交林(PL、BP、PP)均為中度混交。青海云杉純林(P)的直徑分布表現為單峰,近乎為同齡林。四類混交林(PL、PB、BP、PP)的直徑分布均呈多峰狀,即均為不完整異齡林,說明這些人工林分年齡結構都未達到穩定水平。杉樺混交林(PB)中有較多枯立木,自然稀疏良好,有老齡林的特征。其他三類混交林(PL、BP、PP)自然稀疏一般,而青海云杉純林(P)幾乎無自然稀疏。五種典型林分中只有杉樺混交林(PB)健康木比例達90%以上,其余林分均存在較多不健康林木。

表4 林分狀態特征表

3.2 近自然狀態評價結果

應用單位圓π值法則處理數據后得到各類樣地的近自然度值(圖3),近自然度排序為：青海云杉-白樺混交林(ωPB=0.4786)>青楊-白樺混交林(ωBP=0.2664)>青海云杉-青楊混交林(ωPP=0.2283)>青海云杉-落葉松混交林(ωPL=0.1872)>青海云杉純林(ωP=0.0190)。依次屬于遠近自然林、近人工林、近人工林、人工林和人工林。

圖3 不同類型人工林林分狀態單位圓Fig.3 Stand state unit circles of different types of man-made forestC1：垂直結構 Vertical structure；C2：水平結構 Horizontal structure；C3：草本蓋度 Herb coverage；C4：草本多樣性 Herb diversity index；C5：林下天然更新 Natural regeneration；C6：物種多樣性 Average mingling；C7：組成系數 Composition coefficient；C8：直徑分布 Diameter distribution；C9：枯木比例 Dead trees quantity；C10：健康木比例 Healthy tree proportion

3.3 林分狀態分析

杉樺混交林(PB)近自然度值最高,為0.4786,自然度等級為3,屬于遠近自然狀態,林分為兩種鄉土樹種混交的人工林,樹種多樣性豐富,林層為復層結構,林木隨機分布,有較多林木發育為老齡林,自然稀疏良好,林下更新較多,林木健康,已自然更新為不完整的異齡林,樹種隔離程度較高,林下草本覆蓋良好,種類豐富,可以看出該林分組成良好,且生長較為穩定,枯立木和林下更新適中,但密度較大,需人為調整。

楊樺混交林(BP)的近自然度值為0.2664,自然度等級為4,屬于近人工林狀態,林分為兩種鄉土樹種混交的人工林,林層為多層結構,林木呈隨機分布,樹種多樣性豐富,有少量枯立木,林分自然稀疏情況和林下更新一般,已自然更新為不完整的異齡林,混交程度良好,林下草本較多。該林分密度較合理,但青楊病蟲害較多,林分健康受到一定影響。

杉楊混交林(PP)的近自然度值為0.2283,自然度等級為4,屬于近人工林狀態,林分為兩種鄉土樹種混交的人工林,林層為復層結構,物種多樣性豐富,林木呈聚集分布,有較少枯立木,自然稀疏和林下更新一般,草本蓋度和多樣性較好,已演替為不完整的異齡林,屬于中度混交。該混交林分在青海的天然分布較少,密度較大,且青楊病蟲害嚴重,影響林分健康,需進行結構調整。

杉落混交林(PL)的近自然度值為0.1872,自然度等級為5,屬于人工林狀態,林分為鄉土樹種和引進樹種混交的人工林,物種多樣性豐富,林層為復層結構,林木分布均勻,林下更新較少,有較少枯立木,自然稀疏一般,林分已演進為不完整異齡林,樹種隔離程度較良,草本蓋度和多樣性較高。該林分密度過大、為兩針葉樹種混交,其在青海的天然分布較少,需進行人為撫育。

青海云杉純林(P)的近自然度值為0.0190,自然度等級為5,屬于人工林狀態,林層結構簡單,林木分布非常均勻,為樹種組成單一的同齡林,林下草本蓋度和多樣性低,幾乎沒有枯立木,無林下更新和自然稀疏。這種純林人工林造林密度過大且林木過于均勻分布,需要人為結構調整才能加快演替進程。

3.4 近自然經營管理探討

3.4.1經營方向與調整措施

青海省東部地區自20世紀80年代開始按照用材林技術規程造林,且以存活率高的楊樹為主,后因大量引進外來楊樹種,導致青海本土生長優良的青楊種退化,因此存在著樹種單一、密度過大、病蟲害和土壤肥力下降等問題。后雖規劃為生態公益林并經過了長期的封禁管理,林分發揮了一定的水土保持功能,但許多林分依舊發揮不了很好的水源涵養作用。為使林分逐步納入近自然正規管理,加快林分向近自然林發展,需要對現有林分進行結構調整,以充分發揮生態公益林的水源涵養功能。

根據近自然評價結果,確定各個林分近自然經營方向并制定調整措施。杉樺混交林(PB)近自然狀況較好,青海云杉作為青藏高原東北邊緣特有樹種,分布在海拔較高的地區,能夠在惡劣的立地條件和生境下生長,是青海省的頂級群落種,具有較高的生態價值。白樺作為青海云杉的混交先鋒樹種,耐嚴寒,對土壤適應性強,可以改良土壤,且青海云杉和白樺分布海拔基本相同,通過營造青海云杉-白樺混交林,可使林分逐步向青海云杉頂級群落過渡[33-34]。此類林分無需過多人為撫育,適當間伐調整密度后,使其自然演替即可,最終白樺會被淘汰,林分演替為青海云杉頂級群落。

楊樺混交林(BP)中青楊耐寒、耐旱,適合青海高寒多風的地理環境,但由于樹種退化,病蟲害較多,需要伐除病蟲害嚴重,較為劣勢的青楊干擾木,并適當在空地和枯立木周圍補植青海云杉,使得林分在自然演替過程中,逐步淘汰青楊,發展為杉樺混交林。

杉楊混交林(PP)中青海云杉和青楊雖然均為鄉土樹種,在青海云杉適宜的陰坡、半陰坡,青楊可以生長,但兩樹種混交的天然分布很少。此類林分由于青楊耗水量大,且多病蟲害,可適當擇伐密度、混交度、大小比數不合理及病蟲害嚴重的青楊,并補植白樺,讓白樺逐步替代青楊,營造杉樺混交林。

杉落混交林(PL)中青海云杉和落葉松混交可以改善林分的生態條件,使林下草本群落結構得到一定的調整和改善,有利于地表植被的生長發育和恢復,更有利于物種的生存[35]。對于此類林分,可以通過適當擇伐調整林分密度,并在密度不合理處補植白樺,以提高生物多樣性,防火和有害生物防治能力,使林分趨于穩定。

青海云杉純林(P)中,青海云杉雖為當地的頂級群落種,但人工林的人為干擾太大,樹種單一,生物多樣性欠缺,導致林分穩定性變差,影響林下植被的生長發育。此類林分可以通過擇伐調整林分角尺度和密度,并補植白樺,為林分提供足夠的枯落物、改良土壤、增加生物多樣性等,使林分逐步發展為杉樺混交林。

3.4.2林分結構調整實例

以青海云杉純林(P1)為例進行近自然結構調整,該青海云杉人工林初始造林密度過大,且林分橫平豎直,整體立地條件較差,若不進行近自然撫育經營而使其自然稀疏逐漸向近自然林發展還需要很長時間,因此依據上述近自然評價結果提出合理的林分結構調整措施。

首先要確定目標樹、干擾木和一般林木,其中目標樹選取有鳥窩或其它動物棲息場所的生態目標樹；優勢木；樹干通直、冠幅飽滿、根系健康沒有損傷、無病蟲害的林木。干擾木通常為生長較強勢或過于衰弱、有病蟲害等對目標樹生長產生直接影響的林木。除去目標樹、生態目標樹和干擾樹的林木即為一般木,只有在林地密度過大,需要進行大量的采伐來達到經營目的的時候,才對其進行擇伐。

其次要確定采伐和補植強度,以近自然評價結果較好的杉樺混交林(PB)為調控模板,根據林分調查分析所得杉樺混交林在適宜針闊混交比約為7∶3時的合理密度為2533—3155株/hm2,以此確定采伐強度應在44.4%—55.6%之間,補植白樺強度為30%。由于單次采伐強度不應超過30%,所以要分次進行結構調整,一般采伐周期為3—5年。

據此進行首次結構調整,結合樣地中林木個體的角尺度和胸徑大小比數,需要伐除云杉純林中林木分布過于均勻(角尺度接近于0)和生長過于衰弱(胸徑大小比數接近于1)、有病蟲害的干擾木。共選取分布絕對均勻和處于絕對劣態的擇伐木21株,采伐強度為25%。采伐后補植白樺10株,首次結構調整擇伐木位置分布圖和補植白樺后林木位置分布圖如圖4和5所示。

圖4 擇伐木位置分布圖Fig.4 Map of selective logging location

圖5 補植后林木位置分布圖Fig.5 Map of forest trees after replanting

經過結構調整后,該青海云杉純林的平均角尺度由0.3184上升為0.3347,雖然還沒有達到隨機分布,但相較于之前過于均勻的結構有了顯著提升。平均胸徑大小比數也由0.5202下降為0.4723,絕對劣勢木明顯減少,總體由劣勢林分轉變為中庸狀態。且林分由原來的零度混交變為了中度混交。調整后該林分密度仍然過大,但由于采伐不能過于頻繁,林分需要經過一定的生長周期后再進行二次結構調整。

4 結論

評價結果顯示：青海云杉-白樺混交林(ωPB=0.4786)>青楊-白樺混交林(ωBP=0.2664)>青海云杉-青楊混交林(ωPP=0.2283)>青海云杉-落葉松混交林(ωPL=0.1872)>青海云杉純林(ωP=0.0190)。依次屬于遠近自然林、近人工林、近人工林、人工林和人工林。評價結果符合現地實際情況,構建了適用于當地和相同立地環境地區的人工林林分近自然評價體系,為大通縣人工林近自然經營提供了可靠依據。在青海東部進行人工林近自然經營時,首先對密度過大的林分進行撫育間伐,用人為稀疏的方式使林分都具有良好的生長條件,讓干形良好的林木和目的樹種形成合理的密度,對于經濟價值低及生長落后的林木,在自然稀疏之前就進行間伐利用。其次要營造合理的混交林分,如杉樺混交林,青海云杉作為青海省的頂級群落種,具有較高的生態價值,而白樺作為青海云杉的混交先鋒樹種,可以改良土壤,通過營造青海云杉-白樺混交林,可以提高林地生產力、增加物種多樣性、使林分能夠更加健康穩定的生長,且逐步向青海云杉頂級群落過渡,使其發揮良好的水源涵養功能。