馬尾松人工純林近自然化改造效果分析

謝陽(yáng)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(shù)種組成；林分結(jié)構(gòu)；生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)

穩(wěn)定的森林生態(tài)系統(tǒng)具有較高的樹(shù)種多樣性水平、豐富的林分結(jié)構(gòu)、較高的生長(zhǎng)活力和物質(zhì)生產(chǎn)能力，是多功能森林經(jīng)營(yíng)追求的基本目標(biāo)。我國(guó)有大面積的人工針葉純林，存在樹(shù)種單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生長(zhǎng)退化、穩(wěn)定性差等問(wèn)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(lái)，一些學(xué)者展開(kāi)了對(duì)馬尾松（Pinusmassoniana Lamb.）人工純林近自然化的研究。羅應(yīng)華等對(duì)馬尾松人工林近自然化改造對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)比了近自然化改造對(duì)森林結(jié)構(gòu)、樹(shù)種組成及生長(zhǎng)量的影響；范歌對(duì)馬尾松．大葉櫟（Quercusgriffithii Hook.f．et Thoms. ex Miquel）異齡復(fù)層混交林生長(zhǎng)及生態(tài)功能進(jìn)行了研究；張可欣等對(duì)馬尾松3種不同經(jīng)營(yíng)方式所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了對(duì)比。從現(xiàn)有的研究來(lái)看，研究所使用的數(shù)據(jù)觀測(cè)周期不夠長(zhǎng)，或研究只關(guān)注了近自然化改造對(duì)針葉純林的某一方面的影響，缺乏對(duì)胸徑30cm以后林分生長(zhǎng)動(dòng)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(guó)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(duì)照林分在2007到2020年的13a內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)森林的樹(shù)種組成和多樣性、林分結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性、林木生長(zhǎng)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(zhǎng)動(dòng)態(tài)和經(jīng)營(yíng)改造效果。這些結(jié)果可為我國(guó)人工針葉純林的近自然化改造和混交林經(jīng)營(yíng)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(guó)林科院熱帶林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心伏波實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，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(shù)種資源豐富，現(xiàn)已查明共有211科926屬2000余種，主要樹(shù)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(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)階段。

2.1.2森林經(jīng)營(yíng)設(shè)計(jì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的科學(xué)假設(shè)是通過(guò)單株目標(biāo)樹(shù)撫育經(jīng)營(yíng)提高優(yōu)勢(shì)木的生長(zhǎng)效果；通過(guò)補(bǔ)植多個(gè)樹(shù)種來(lái)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(shù)種間的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和生態(tài)互補(bǔ)性?xún)r(jià)值；通過(guò)優(yōu)勢(shì)個(gè)體、樹(shù)種組成和林分結(jié)構(gòu)的經(jīng)營(yíng)促進(jìn)實(shí)現(xiàn)加速土壤發(fā)育、提高林分生長(zhǎng)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(yíng)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)是上層以目標(biāo)樹(shù)為中心的單株木生長(zhǎng)撫育和下層6個(gè)闊葉樹(shù)種補(bǔ)植為特征的綜合撫育。補(bǔ)植樹(shù)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(shù)種的4種組合模式，每種組合實(shí)施0.067～0.133hm2的補(bǔ)植，樹(shù)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(yáng)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(cè)樣地分4組，每組4個(gè)作業(yè)樣地和1個(gè)對(duì)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(shù)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(shù)林下補(bǔ)植等用材主導(dǎo)的多功能混交林經(jīng)營(yíng)類(lèi)型及相應(yīng)的森林作業(yè)法。

2.1.3經(jīng)營(yíng)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(shù)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(lèi)型為1年生容器苗。2009年執(zhí)行第一次樣地復(fù)測(cè)，之后每間隔1a進(jìn)行1次復(fù)測(cè)。補(bǔ)植后的2008-2009年間，針對(duì)闊葉幼樹(shù)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(shù)生長(zhǎng)的干擾樹(shù)間伐，強(qiáng)度為林分總蓄積的25%，同時(shí)也間伐了部分長(zhǎng)勢(shì)旺盛并影響馬尾松生長(zhǎng)的大葉櫟。之后對(duì)林下天然更新做了識(shí)別、標(biāo)記和側(cè)方割灌處理，對(duì)馬尾松和補(bǔ)植闊葉樹(shù)的目標(biāo)樹(shù)進(jìn)行了修枝作業(yè)。

2.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取

2007年首次作業(yè)時(shí)設(shè)置作業(yè)觀測(cè)樣地4組共16個(gè)，設(shè)置對(duì)照樣地4組共4個(gè)，每個(gè)樣地面積為400m2，開(kāi)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(cè)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(shù)木位置、胸徑、樹(shù)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(lèi)、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(cè)獲得每木調(diào)查的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)的內(nèi)容主要包括樹(shù)種組成和多樣性、森林結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性、林木生長(zhǎng)與收獲等3個(gè)方面。

2.3數(shù)據(jù)分析

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

2.3.2生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)分析采用凈生長(zhǎng)量計(jì)算林分生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)變化，其計(jì)算公式如下：

3結(jié)果與分析

3.1樹(shù)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(duì)照林分喬木樹(shù)種的變化情況。作業(yè)林分中馬尾松是上層的保留樹(shù)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(shù)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(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)特性；作為高價(jià)值珍貴闊葉樹(shù)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(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)特性，這個(gè)結(jié)果對(duì)后續(xù)補(bǔ)植培育樹(shù)種的選擇是非常有價(jià)值的；鐵力木13a來(lái)在林下一直表現(xiàn)為生長(zhǎng)緩慢和缺乏活力，盡管對(duì)其作為林下存活生長(zhǎng)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(shù)種。而作為天然更新出現(xiàn)，并生長(zhǎng)進(jìn)入起測(cè)徑階的樹(shù)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(duì)林分空間結(jié)構(gòu)的干擾帶來(lái)的積極效果。從對(duì)照林分的情況來(lái)看，經(jīng)過(guò)13a的生長(zhǎng)，馬尾松值為90.291，仍占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)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(chǎng)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(zhǎng)迅速，徑級(jí)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(shù)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(jí)結(jié)構(gòu)圖）；經(jīng)過(guò)近自然經(jīng)營(yíng)處理13a后，作業(yè)林分中的林木從5cm起測(cè)徑階開(kāi)始到55cm徑階范圍內(nèi)均有林木分布（圖1c），呈現(xiàn)出經(jīng)營(yíng)措施促進(jìn)下快速形成混交異齡林格局的發(fā)展動(dòng)態(tài)；而未作處理的對(duì)照林分通過(guò)13a生長(zhǎng)，林木徑級(jí)分布有所擴(kuò)展，但最大徑級(jí)只到45cm，比經(jīng)營(yíng)處理的林木少了10cm，依然呈同齡純林的徑級(jí)格局（圖1b）。可見(jiàn)優(yōu)勢(shì)木撫育和林下補(bǔ)植經(jīng)營(yíng)作業(yè)顯著地增加了林木生長(zhǎng)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(jí)的增大，徑級(jí)內(nèi)的林木株數(shù)減少，但徑級(jí)蓄積量提高。

3.3林木生長(zhǎng)與收獲

由表2可以看出，改造林分和對(duì)照林分蓄積生長(zhǎng)量的明顯特征，首先是經(jīng)營(yíng)作業(yè)林分的生長(zhǎng)量達(dá)到19.72m3·a-1·hm-2水平，比對(duì)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(duì)全林生長(zhǎng)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(zhǎng)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(jiàn)胸徑30cm后的少數(shù)大徑級(jí)林木的生長(zhǎng)對(duì)全林生長(zhǎng)量和蓄積量的貢獻(xiàn)率非常顯著；中徑級(jí)林木，例如15～20cm徑階單株木對(duì)全林生長(zhǎng)量的貢獻(xiàn)率僅為0.12%；而45～50cm徑階的單木生長(zhǎng)量對(duì)全林生長(zhǎng)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(zhǎng)量為0.35m3.a-1.hm-2，占全林生長(zhǎng)量的1.77%，單株木對(duì)全林生長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)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(guò)撫育性采伐獲得的純收益為7600元`a-1hm-2。而對(duì)照樣地由于沒(méi)有撫育間伐，因此該項(xiàng)沒(méi)有收益。當(dāng)然，經(jīng)濟(jì)收益與市場(chǎng)價(jià)格、稅收管理政策和勞動(dòng)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(dòng)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(mǎn)足了收獲量小于生長(zhǎng)量（19.72m3.a-1·hm-2）的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)基本原則。

4結(jié)論

本研究基于2007-2020年13a的觀測(cè)數(shù)據(jù)，從樹(shù)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(zhǎng)與收獲等方面探討了馬尾松純林近自然化改造的經(jīng)營(yíng)效果，得到以下主要結(jié)論：

1）人工促進(jìn)樹(shù)種多樣性、調(diào)整樹(shù)種組成是針葉純林近自然化改造最關(guān)鍵的經(jīng)營(yíng)措施。樹(shù)種多樣性與林分生產(chǎn)力呈現(xiàn)正相關(guān)，多個(gè)樹(shù)種構(gòu)成的森林也對(duì)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(jiàn)，由于紅錐、大葉櫟等6個(gè)補(bǔ)植樹(shù)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(shù)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(yíng)通過(guò)林下人工補(bǔ)植混交樹(shù)種，提高樹(shù)種豐富度，促進(jìn)先鋒樹(shù)種林分向亞頂級(jí)或頂級(jí)樹(shù)種林分的過(guò)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(jí)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。快速改善林分空間結(jié)構(gòu)的有效手段一方面是促進(jìn)目標(biāo)樹(shù)向大徑級(jí)生長(zhǎng)，另一方面是補(bǔ)植鄉(xiāng)土樹(shù)種及保護(hù)促進(jìn)天然更新幼苗幼樹(shù)。經(jīng)過(guò)處理的林分上下層林木與對(duì)照林分相比生長(zhǎng)速度更快，13a間從5cm起測(cè)徑階到55cm徑階范圍內(nèi)均有林木分布，呈現(xiàn)出在經(jīng)營(yíng)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(jí)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(zhǎng)量和蓄積量卻占全林的55.48%和70.96%。也就是說(shuō)，隨著胸徑大于30cm的大徑級(jí)林木出現(xiàn)和生長(zhǎng)，森林的生長(zhǎng)量和蓄積才開(kāi)始快速提高，森林中少數(shù)優(yōu)勢(shì)林木個(gè)體是構(gòu)成森林蓄積量和生長(zhǎng)量的主體部分，是森林多種功能的主要承載對(duì)象。讓少數(shù)優(yōu)勢(shì)林木個(gè)體快速生長(zhǎng)的目標(biāo)樹(shù)經(jīng)營(yíng)技術(shù)是當(dāng)前我國(guó)森林經(jīng)營(yíng)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(zhǎng)活力和物質(zhì)生產(chǎn)功能。作業(yè)林分的蓄積生長(zhǎng)量到達(dá)19.72m3.a-1.hm-2，與純林對(duì)照比較，生長(zhǎng)量提高了3.14m3.a-1.hm-2，單株林木的生長(zhǎng)量比對(duì)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(mǎn)足收獲量小于生長(zhǎng)量”之可持續(xù)經(jīng)營(yíng)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(zhǎng)和結(jié)構(gòu)得到了改善，同時(shí)對(duì)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(shù)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。