青海东部人工生态公益林近自然经营的林分结构调整

王琼琳,王文义,林 莎,曹 志,陈 琪,贺康宁,*

1 北京林业大学水土保持学院,水土保持国家林业局重点实验室, 北京 100083 2 北京市水土保持工程技术研究中心, 北京 100083 3 林业生态工程教育部工程研究中心, 北京 100083 4 青海省西宁市大通县林业站, 西宁 810100

青海省东部黄土地区现存的大规模人工林,大多起源于20世纪 80 年代开始的“西北地区植树种草活动”,后经数期“三北”防护林建设工程、天然林保护工程和退耕还林工程,形成了目前绿化的基本规模；这期间的造林设计以用材林的林分结构为主,林分横平竖直。大通县塔尔沟研究区位于青海省东部,为少数民族聚集区,林分多为当地群众在国家号召下自发造林所形成的不完全横平竖直的林地,造林方式随机但成活率不高,后通过多年补植,形成了多层次、异龄、混交的人工林分。随着人类的发展和进步,人们对于森林的经营和管理理念越来越成熟,且逐渐由人工林向近自然林转变。德国科学家Gayer通过大量森林经营实践总结提出近自然经营理念[1],该理念强调人类在从事林业工作的过程中应该尽可能的遵循树木自然生长规律,顺应自然,减少人为干扰,以促进人为经营管理的森林朝着复层、异龄、混交的近自然林方向发展。多年来,我国虽然通过大量人工造林恢复和开拓了大面积林地,但是人工林的树种单一、结构规律简单且多为用材林,造成了病虫害、小老树、土壤肥力下降等许多生态系统方面的问题[2]。所以,为了找到适用于青海东部地区的林分结构调整策略与方法,以塔尔沟研究区多层次、混交、异龄的偏向于近自然的林分为例,提出近自然经营措施。通过近自然经营确保森林的可持续发展具有十分重要的意义。近自然林分能够有效的抵御自然灾害和病虫害、优化土壤理化性质、增加生物多样性、提高森林的生态和经济效益等。

近自然度作为近自然森林经营中一个重要的技术参数,对近自然森林经营有着重要的意义[3]。国内有关近自然评价的研究起步较晚,主要是探讨评价指标体系和引进国外先进方法进行评价的研究,且多是对大尺度森林的近自然度定性评价,指标的选取比较片面,评价体系不完善[4]。常用评价方法有模型法和相对值法[5]、综合指数法[6]、层次分析法[7],每种方法的侧重点、尺度范围、选取的指标均有较大差异,前人对于森林近自然度评价的研究以定性描述为主,后逐渐引入了定量表达方法[8-10]。国外的定量评价方法主要集中于温带和北方森林[10-12]。Oliveira等通过量化方法评价了巴西阿罗卡里亚的森林自然性[13]。张敏等通过量化评价指标评价了河北山区的森林自然度,定量评价数据精确,客观性强,但也存在指标体系和分级标准确定上的差异[7]。喻庆国将定性描述和定量表达相结合评价了森林近自然度,评价结果较单一的定性或定量评价更为可靠[14]。本文试图通过对塔尔沟典型林分进行近自然度评价,了解林分实际生长状况,使原有的以用材林为目的营造的人工林向生态公益林转变,以充分发挥林分水源涵养功能,应用近自然度π值法则,将林分的近自然状态在单位圆中绘制,并由各指标值构成的闭合图形的面积表现出来,此闭合图形面积与单位圆面积(近自然度期望值)的比值即为现实林分近自然状态的最佳度量[15]。该方法能够客观、直观的反映某一林分的近自然状态。采用定性和定量相结合的方法,构建了大通县塔尔沟人工林林分的近自然度评价体系,为当地和相同立地条件下的近自然经营提供依据,以提高森林的生态、经济和社会效益。

1 研究区概况

1.1 样地概况

塔尔乡塔尔沟村位于青海省大通县东部(图1),坐标东经101°25′—101°42′,北纬36°58′—37°08′,地处半浅半脑山区,属于温带高原大陆性气候,无霜期97 d,海拔2471—3656 m,年平均气温为3.7℃,年内降雨量分布不均匀,蒸发量大,降雨主要集中在6—9月份,年均降雨量为451 mm,年均水面蒸发量为835.1 mm,土壤类型为黄土母质上发育的山地棕褐土和栗钙土, 土壤深厚,属于黄土丘陵沟壑区,试验地林分大多起源于20世纪80年代,当地群众在缺乏造林经验的情况下,通过国家号召开始自发在塔尔沟山区营造以青杨为主的人工林,后期又在空地补植大量青海云杉,营造出了非完全横平竖直、类似于天然林分布的林分,之后陆续实施了天然林保护、“三北四期”防护林、封山育林及退耕还林等工作,目前完成成片造林126.5 hm2,完成退耕还林128.2 hm2,完成封山育林146.7 hm2,完成“三北四期”防护林63.4 hm2,治理周边荒坡76.6 hm2。

图1 大通县研究区位置图Fig.1 Location map of the research area in Datong County

1.2 野外调查

试验于2018、2019年的5—9月在青海省大通县塔尔沟进行,结合当地现有的森林植被资料和野外实地踏查,在大通县塔尔沟内选取5种典型林分类型：青海云杉-落叶松混交林、青海云杉-白桦混交林、青杨-白桦混交林、青海云杉-青杨混交林、青海云杉纯林。每种林分类型各设立5个20 m×20 m的标准地,并统一在样地四周设置宽2.5 m的缓冲区。调查记录各个标准地的基本信息见表1,典型样地林木空间位置分布如图2所示。

表1 样地基本信息

2 研究方法

2.1 近自然度指标选取

国内外评价林分近自然度的指标主要考虑五大类：经营痕迹、林分结构、物种组成、年龄及枯死木[10,13,16-17]。由于所选样地均无人工采伐痕迹和抚育管理迹象,故不考虑经营痕迹指标。林分结构指标主要包括垂直结构(C1)和水平结构(C2)[10],此外还可以考虑草本盖度(C3)及其多样性(C4)[17]和林下天然更新(C5)[16-17]。物种组成主要以物种多样性(C6)和组成系数(C7)来表示[15],林分年龄结构能够反映种群发展趋势[18],但由于确定每棵树的年龄较为复杂,常用直径分布(C8)代替年龄结构进行分析[19]。枯死木指标即考虑到林分内的枯木比例(C9),与之类似的还可用健康木比例(C10)来评价林分近自然程度[15]。这些指标既包括定量指标,也包括定性指标,所以还需要对这些指标进行赋值、标准化和正向处理[20]。

2.2 指标处理

林分垂直结构用林层数来表示[21],可参照国际林联(IUFRO)的林分垂直分层标准[22],根据优势高将林分划为3层,其中树高≥2/3优势高的树木划为上层,树高介于1/3—2/3 优势高之间的树木划为中层,树高≤1/3 优势高的树木划为下层。若各层的林木株数均≥10%,记林层数为3层。若其中有两层的林木株数≥10%,记为2层。若只有一层的林木株数≥10%,记为1层[15]。

水平结构可用角尺度(W)来表示[23]。角尺度用于描述林分林木个体水平地面上的分布格局,当林分平均角尺度小于0.475时,林分均匀分布,人为干扰痕迹大；当平均角尺度介于[0.475, 0.517]之间时,林分处于随机分布,更接近自然分布；当平均角尺度大于0.517时,林分处于聚集分布[24]。表达式为：

(1)

林下草本随着林分近自然程度的增加,其盖度和多样性会随之增加[25]。其中盖度是基于视觉估计的百分比值,需要进行赋值处理。草本多样性可用Simpson多样性指数表示。

林分天然更新越多,越接近于自然林[16]。根据《森林资源规划设计调查技术规程》(GB/T 26424—2010)调查苗高大于50 cm的幼苗数量,苗数≥2500株/hm2时,林分更新良好。介于[500, 2500)株/hm2时林分更新一般。<500株/hm2时林分更新不良[15]。

树种组成系数即该树种断面积占林分总断面积的比重,用十分法表示,统计比重超过10%的树种数量,<2为纯林,=2为混交林,≥3为多优势树种混交林[15]。物种多样性以混交度(M)来表示,混交度能反映树种相互隔离程度[26],林分平均混交度的值介于0—1之间,越接近1越好。表达式为：

(2)

直径分布能够很好的反映林分的近自然状况,当直径分布曲线呈倒“J”型时,林分接近典型天然异龄林结构。当曲线呈多峰状时,表示林分为不完整的异龄林。当曲线呈单峰状时,表示林分近乎为同龄林[27]。

枯立木状况可表示林分的自然稀疏情况,当枯立木的比例≥10%时,林分自然稀疏良好。介于5%—10%时,林分自然稀疏一般。比例<5%时,林分基本无自然稀疏[8]。林分越近自然,林木的健康指数越高[28],故可用无病虫害、无空心、无弯折的健康木比例来评估近自然状况[15]。

各指标赋值情况及相关算法可参考相应文献[15,20]。具体赋值情况见表2。

表2 定性指标赋值表

2.3 π值法则

π值法则是借助单位圆来求得每个林分最终的自然度值,将以1为半径的单位圆从圆心用放射线划分为n(指标个数)个等面积的扇形,以顺时针方向在每条放射线上由大到小标出指标值和指标名,并依次连接形成闭合图形,该图形即可表示某个林分的近自然状态。当各指标值均为1时,为最优近自然状态。现实林分近自然度值可用某一林分的近自然状态值与最优近自然状态值的比值来表示[15]。具体计算公式如下：

(3)

(4)

s2i=(L1L2sinθ)/2

(5)

式中,ω表示自然度值,s1和s2分别代表闭合图形中的扇形面积之和以及三角形面积之和,m表示指标值为1的指标个数,n为指标总个数,L1和L2分别表示闭合图形中三角形部分相邻的指标值,θ表示相邻指标间的夹角。

2.4 近自然度等级

参考国家林业局颁布的《国家森林资源连续清查主要技术规定》[29],结合国内外在近自然度方面的研究[3,10,30-32],根据大通县人工林实际情况,采用等间距法,将自然度划分为五个等级[32],见表3。

表3 近自然状态分级标准

3 结果与讨论

3.1 林分指标分析

对野外调查数据进行上述处理后得到林分状态特征表(表4)。由表4可以看出,5种典型林分类型均有垂直分层现象,表现良好。在水平结构上,杉落混交林(PL)和青海云杉纯林(P)两种针叶林分都为均匀分布,杉杨混交林(PP)表现为聚集分布,杉桦混交林(PB)和杨桦混交林(BP)均为随机分布。杨桦阔叶林(BP)草本盖度达61.33%,草本多样性丰富。两种针阔混交林(PB、PP)的草本盖度高于两种针叶纯林(PL、P)。杉桦混交林(PB)的草本多样性最为丰富,青海云杉纯林(P)的草本盖度和多样性较低。各类林分的林下更新都较少,其中杉桦混交林(PB)的林下更新优于其他四类林分,青海云杉纯林(P)林下更新最少。杉桦混交林(PB)接近于强度混交,其余三类混交林(PL、BP、PP)均为中度混交。青海云杉纯林(P)的直径分布表现为单峰,近乎为同龄林。四类混交林(PL、PB、BP、PP)的直径分布均呈多峰状,即均为不完整异龄林,说明这些人工林分年龄结构都未达到稳定水平。杉桦混交林(PB)中有较多枯立木,自然稀疏良好,有老龄林的特征。其他三类混交林(PL、BP、PP)自然稀疏一般,而青海云杉纯林(P)几乎无自然稀疏。五种典型林分中只有杉桦混交林(PB)健康木比例达90%以上,其余林分均存在较多不健康林木。

表4 林分状态特征表

3.2 近自然状态评价结果

应用单位圆π值法则处理数据后得到各类样地的近自然度值(图3),近自然度排序为：青海云杉-白桦混交林(ωPB=0.4786)>青杨-白桦混交林(ωBP=0.2664)>青海云杉-青杨混交林(ωPP=0.2283)>青海云杉-落叶松混交林(ωPL=0.1872)>青海云杉纯林(ωP=0.0190)。依次属于远近自然林、近人工林、近人工林、人工林和人工林。

图3 不同类型人工林林分状态单位圆Fig.3 Stand state unit circles of different types of man-made forestC1：垂直结构 Vertical structure；C2：水平结构 Horizontal structure；C3：草本盖度 Herb coverage；C4：草本多样性 Herb diversity index；C5：林下天然更新 Natural regeneration；C6：物种多样性 Average mingling；C7：组成系数 Composition coefficient；C8：直径分布 Diameter distribution；C9：枯木比例 Dead trees quantity；C10：健康木比例 Healthy tree proportion

3.3 林分状态分析

杉桦混交林(PB)近自然度值最高,为0.4786,自然度等级为3,属于远近自然状态,林分为两种乡土树种混交的人工林,树种多样性丰富,林层为复层结构,林木随机分布,有较多林木发育为老龄林,自然稀疏良好,林下更新较多,林木健康,已自然更新为不完整的异龄林,树种隔离程度较高,林下草本覆盖良好,种类丰富,可以看出该林分组成良好,且生长较为稳定,枯立木和林下更新适中,但密度较大,需人为调整。

杨桦混交林(BP)的近自然度值为0.2664,自然度等级为4,属于近人工林状态,林分为两种乡土树种混交的人工林,林层为多层结构,林木呈随机分布,树种多样性丰富,有少量枯立木,林分自然稀疏情况和林下更新一般,已自然更新为不完整的异龄林,混交程度良好,林下草本较多。该林分密度较合理,但青杨病虫害较多,林分健康受到一定影响。

杉杨混交林(PP)的近自然度值为0.2283,自然度等级为4,属于近人工林状态,林分为两种乡土树种混交的人工林,林层为复层结构,物种多样性丰富,林木呈聚集分布,有较少枯立木,自然稀疏和林下更新一般,草本盖度和多样性较好,已演替为不完整的异龄林,属于中度混交。该混交林分在青海的天然分布较少,密度较大,且青杨病虫害严重,影响林分健康,需进行结构调整。

杉落混交林(PL)的近自然度值为0.1872,自然度等级为5,属于人工林状态,林分为乡土树种和引进树种混交的人工林,物种多样性丰富,林层为复层结构,林木分布均匀,林下更新较少,有较少枯立木,自然稀疏一般,林分已演进为不完整异龄林,树种隔离程度较良,草本盖度和多样性较高。该林分密度过大、为两针叶树种混交,其在青海的天然分布较少,需进行人为抚育。

青海云杉纯林(P)的近自然度值为0.0190,自然度等级为5,属于人工林状态,林层结构简单,林木分布非常均匀,为树种组成单一的同龄林,林下草本盖度和多样性低,几乎没有枯立木,无林下更新和自然稀疏。这种纯林人工林造林密度过大且林木过于均匀分布,需要人为结构调整才能加快演替进程。

3.4 近自然经营管理探讨

3.4.1经营方向与调整措施

青海省东部地区自20世纪80年代开始按照用材林技术规程造林,且以存活率高的杨树为主,后因大量引进外来杨树种,导致青海本土生长优良的青杨种退化,因此存在着树种单一、密度过大、病虫害和土壤肥力下降等问题。后虽规划为生态公益林并经过了长期的封禁管理,林分发挥了一定的水土保持功能,但许多林分依旧发挥不了很好的水源涵养作用。为使林分逐步纳入近自然正规管理,加快林分向近自然林发展,需要对现有林分进行结构调整,以充分发挥生态公益林的水源涵养功能。

根据近自然评价结果,确定各个林分近自然经营方向并制定调整措施。杉桦混交林(PB)近自然状况较好,青海云杉作为青藏高原东北边缘特有树种,分布在海拔较高的地区,能够在恶劣的立地条件和生境下生长,是青海省的顶级群落种,具有较高的生态价值。白桦作为青海云杉的混交先锋树种,耐严寒,对土壤适应性强,可以改良土壤,且青海云杉和白桦分布海拔基本相同,通过营造青海云杉-白桦混交林,可使林分逐步向青海云杉顶级群落过渡[33-34]。此类林分无需过多人为抚育,适当间伐调整密度后,使其自然演替即可,最终白桦会被淘汰,林分演替为青海云杉顶级群落。

杨桦混交林(BP)中青杨耐寒、耐旱,适合青海高寒多风的地理环境,但由于树种退化,病虫害较多,需要伐除病虫害严重,较为劣势的青杨干扰木,并适当在空地和枯立木周围补植青海云杉,使得林分在自然演替过程中,逐步淘汰青杨,发展为杉桦混交林。

杉杨混交林(PP)中青海云杉和青杨虽然均为乡土树种,在青海云杉适宜的阴坡、半阴坡,青杨可以生长,但两树种混交的天然分布很少。此类林分由于青杨耗水量大,且多病虫害,可适当择伐密度、混交度、大小比数不合理及病虫害严重的青杨,并补植白桦,让白桦逐步替代青杨,营造杉桦混交林。

杉落混交林(PL)中青海云杉和落叶松混交可以改善林分的生态条件,使林下草本群落结构得到一定的调整和改善,有利于地表植被的生长发育和恢复,更有利于物种的生存[35]。对于此类林分,可以通过适当择伐调整林分密度,并在密度不合理处补植白桦,以提高生物多样性,防火和有害生物防治能力,使林分趋于稳定。

青海云杉纯林(P)中,青海云杉虽为当地的顶级群落种,但人工林的人为干扰太大,树种单一,生物多样性欠缺,导致林分稳定性变差,影响林下植被的生长发育。此类林分可以通过择伐调整林分角尺度和密度,并补植白桦,为林分提供足够的枯落物、改良土壤、增加生物多样性等,使林分逐步发展为杉桦混交林。

3.4.2林分结构调整实例

以青海云杉纯林(P1)为例进行近自然结构调整,该青海云杉人工林初始造林密度过大,且林分横平竖直,整体立地条件较差,若不进行近自然抚育经营而使其自然稀疏逐渐向近自然林发展还需要很长时间,因此依据上述近自然评价结果提出合理的林分结构调整措施。

首先要确定目标树、干扰木和一般林木,其中目标树选取有鸟窝或其它动物栖息场所的生态目标树；优势木；树干通直、冠幅饱满、根系健康没有损伤、无病虫害的林木。干扰木通常为生长较强势或过于衰弱、有病虫害等对目标树生长产生直接影响的林木。除去目标树、生态目标树和干扰树的林木即为一般木,只有在林地密度过大,需要进行大量的采伐来达到经营目的的时候,才对其进行择伐。

其次要确定采伐和补植强度,以近自然评价结果较好的杉桦混交林(PB)为调控模板,根据林分调查分析所得杉桦混交林在适宜针阔混交比约为7∶3时的合理密度为2533—3155株/hm2,以此确定采伐强度应在44.4%—55.6%之间,补植白桦强度为30%。由于单次采伐强度不应超过30%,所以要分次进行结构调整,一般采伐周期为3—5年。

据此进行首次结构调整,结合样地中林木个体的角尺度和胸径大小比数,需要伐除云杉纯林中林木分布过于均匀(角尺度接近于0)和生长过于衰弱(胸径大小比数接近于1)、有病虫害的干扰木。共选取分布绝对均匀和处于绝对劣态的择伐木21株,采伐强度为25%。采伐后补植白桦10株,首次结构调整择伐木位置分布图和补植白桦后林木位置分布图如图4和5所示。

图4 择伐木位置分布图Fig.4 Map of selective logging location

图5 补植后林木位置分布图Fig.5 Map of forest trees after replanting

经过结构调整后,该青海云杉纯林的平均角尺度由0.3184上升为0.3347,虽然还没有达到随机分布,但相较于之前过于均匀的结构有了显著提升。平均胸径大小比数也由0.5202下降为0.4723,绝对劣势木明显减少,总体由劣势林分转变为中庸状态。且林分由原来的零度混交变为了中度混交。调整后该林分密度仍然过大,但由于采伐不能过于频繁,林分需要经过一定的生长周期后再进行二次结构调整。

4 结论

评价结果显示：青海云杉-白桦混交林(ωPB=0.4786)>青杨-白桦混交林(ωBP=0.2664)>青海云杉-青杨混交林(ωPP=0.2283)>青海云杉-落叶松混交林(ωPL=0.1872)>青海云杉纯林(ωP=0.0190)。依次属于远近自然林、近人工林、近人工林、人工林和人工林。评价结果符合现地实际情况,构建了适用于当地和相同立地环境地区的人工林林分近自然评价体系,为大通县人工林近自然经营提供了可靠依据。在青海东部进行人工林近自然经营时,首先对密度过大的林分进行抚育间伐,用人为稀疏的方式使林分都具有良好的生长条件,让干形良好的林木和目的树种形成合理的密度,对于经济价值低及生长落后的林木,在自然稀疏之前就进行间伐利用。其次要营造合理的混交林分,如杉桦混交林,青海云杉作为青海省的顶级群落种,具有较高的生态价值,而白桦作为青海云杉的混交先锋树种,可以改良土壤,通过营造青海云杉-白桦混交林,可以提高林地生产力、增加物种多样性、使林分能够更加健康稳定的生长,且逐步向青海云杉顶级群落过渡,使其发挥良好的水源涵养功能。