黄龙山林区油松人工林模拟抚育与预测1)

牛硕　　　　　　王广儒　　　李卫忠　谈多多　翟雨馨　翟俊伟

(西北农林科技大学，杨凌，712100)　　(陕西省延安市黄龙山林业局)　　　　　　　　　　(西北农林科技大学)



黄龙山林区油松人工林模拟抚育与预测1)

牛硕王广儒李卫忠谈多多翟雨馨翟俊伟

(西北农林科技大学，杨凌，712100)(陕西省延安市黄龙山林业局)(西北农林科技大学)

摘要以油松人工林样地数据为基础，分别建立油松人工林胸径—冠幅模型、胸径生长模型，对黄龙山林区油松人工林进行模拟抚育与预测。结果表明：(1)模拟抚育后，林分平均胸径均有较大幅度增长，种群密度大于4 000株/hm2的样地和2 000～4 000株/hm2的样地抚育后平均胸径相似。(2)种群密度在2 000株/hm2以下的林分在抚育后第6 a可再次进行抚育。(3)种群密度在2 000株/hm2以上的林分在抚育后第9 a可再次进行抚育。

关键词油松人工林；林分模型；模拟抚育

分类号S753

Simulated Tending and Predicting thePinustabulaeformisPlantation in Huanglong Mountain

Niu Shuo

(Northwest A&F University, Yangling 712100, P. R. China); Wang Guangru(Forest Bureau of Huanglongshan in Yan’an City); Li Weizhong, Tan Duoduo, Zhai Yuxin, Zhai Junwei(Northwest A&F University)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(3)：16-20.

Based on the sample plots data ofPinustabulaeformisplantations, we established DBH-crown model and DBH growth model, and performed the simulated tending and predicting thePinustabulaeformisplantation in Huanglong Mountain. After the simulated tending, the average DBH increased significantly, meanwhile, the average DBH of the >4 000 and 2 000-4 000 ind./hm2sample plots were similar. Forest stand of population density under 2 000 ind./hm2can be tended again after 6 a. Forest stand of population density more than 2 000 ind./hm2can be tended again after 9 a.

KeywordsPinus tabulaeformis plantation； Forest model； Simulated tending

森林具有生长周期长、自然整枝缓慢等特点，用传统试验方法研究森林动态变化往往需要很长的时间。森林经营者一旦做出决策并付诸实施，其结果往往要需要几年甚至数十年后才能显现。随着计算机模拟技术的发展与成熟，利用模型描述复杂的林分生长规律，实现森林动态变化模拟，已成为林业研究的一个重要方向[1-3]。在借鉴前人大量传统试验方法的基础上[4-7]，利用现有数据模拟森林动态变化的条件已经基本具备。本研究以黄龙山林区油松人工林为研究对象，在调查和收集资料的基础上，建立森林生长模型，进行模拟抚育，并对抚育后林分生长状况进行预测，为该区域油松人工林的抚育经营提供技术支撑。

1研究区自然概况

研究样地设在陕西省黄龙山林区的官庄林场和蔡家川林场。该地属大陆性暖温带半湿润气候类型，四季分明，雨热同期，温差较大。海拔1 083～1 399 m，年平均日照时间2 370 h，无霜期175 d，年降水量600～700 mm，多集中在7—9月份。土壤为灰褐色森林土[8]。林区内人工造林以油松(Pinustabulaeformis)为主，样地内灌木、地被植物极少。

2研究方法

2014年8月，在黄龙山林区选取生长良好、林相整齐的油松人工林27块，样地面积20 m×30 m，样地概况如表1所示。对胸径大于1 cm的乔木进行每木检尺，记录胸径、树高、冠幅以及坐标；使用围尺测胸径，精确到0.1 cm；用投影法分东西、南北两个方向测冠长，取其平均值作为冠幅，精确到0.1 m。

本文以林分调查数据建立胸径-冠幅模型，以解析木数据建立胸径生长模型，对林分生长状况进行模拟。解析木数据来源于2011年在黄龙山林区蔡家川林场调查所得，共计4株。

有关林木冠幅与胸径相关关系的模拟方法有经验模拟、散点图法等[9-11]，实践证明，通过散点图法确定相关关系方程较为科学[12-14]。为确定胸径-冠幅关系，以2 cm为径阶距，起测径阶为2 cm，取每个径阶胸径和冠幅的平均值，绘出以胸径均值为横坐标，冠幅均值为纵坐标的散点图，根据散点图分布状况，结合Mahmut D. Avsar et al.[15]、Turan Sönmez[16]、Toma Buba[17]、符利勇等[18]、段劼等[19]的研究，分别使用线性函数、二次函数、三次函数、指数函数和幂函数5种模型对胸径-冠幅关系进行拟合，以P值的大小验证方程的显著性，根据R2大小来评价模型的拟合效果。

如图1所示，在种群密度小于2 000株/hm2时，林木平均胸径开始急剧增加，因此，可根据种群密度将样地分为4 000株/hm2以上、2 000～4 000株/hm2、2 000株/hm2以下3种类型。

表1　样地基本信息

图1　种群密度与平均胸径关系

依据《森林抚育规程》，将人工油松林纯林林木分为：Ⅰ级木(优势木)、Ⅱ级木(亚优势木)、Ⅲ级木(中等木)、Ⅳ级木(被压木)、Ⅴ级木(濒死木及枯死木)。原则上伐除Ⅳ级、Ⅴ级木和部分Ⅲ级木，以及过密的或受害的Ⅱ级木、个别Ⅰ级木[20]，但顾及伐后林分空间结构，抚育时应结合林木大小比数进行采伐，以避免过大林窗出现。

抚育中，涉及林木更新问题时，只对胸径大于5 cm的林木进行间伐，胸径小于5 cm的林木不做处理。预测中，由于林木的胸径、树高、冠幅会随着时间而不断增长，需要对现阶段所有胸径大于1 cm的林木进行预测。

通过样地林木坐标与冠幅，还原林木树冠垂直投影图，在此基础上，以郁闭度为标准，进行模拟抚育。模拟抚育是指将林分内林木胸径、树高、冠幅和坐标等数据输入计算机，依据《森林抚育规程》选择采伐木，由计算机模拟完成抚育操作。

根据《森林抚育规程》，幼中龄林在郁闭度达到0.8以上时才能进行疏伐，疏伐后郁闭度不得低于0.6，又结合戚维江等[20]的研究，森林郁闭度在0.7～0.8时，林木生长状况最佳，因此，抚育后的森林郁闭度为0.7为宜。利用胸径生长模型、胸径-冠幅模型对抚育后的林木动态变化进行预测，根据林木树冠垂直投影图计算郁闭度，为使林木个体始终保持在最佳生长状态，当郁闭度达到0.8时，应进行第2次抚育。

3结果与分析

3.1直径分布

从表2中可看出，样地内油松人工林胸径大小在区间1.20～33.30 cm，平均胸径为12.11 cm，变异系数为15.03，数据符合要求，可用于建模。人工林直径分布接近正态分布，峰值在10径阶，属幼中龄林。

表2　直径分布

3.2模型选择

用线性函数、二次函数、三次函数、指数函数和幂函数5种模型分别对油松人工林各径阶胸径均值与冠幅均值进行拟合,其结果如表3所示。由表3可知，所有模型的P值均小于0.01，说明用于拟合胸径-冠幅关系的5个模型在人工林中均为显著，模型可用。从拟合优度R2判断，5个模型中，人工林最优模型是指数函数模型。但从模型图像判断，指数函数模型后段增长迅速，不符合实际情况，因此，指数函数模型不能作为预测人工林的最优模型，应选用拟合优度仅次于指数函数模型的幂函数模型CW=0.443D0.672。使用相同的方法，经过比较，选用D=-5.566+0.533A(R2=0.99，A为林龄)作为胸径生长模型。

表3　胸径-冠幅模型拟合结果

注：表中CW表示冠幅，D表示胸径，b0、b1、b2、b3为模型参数。

3.3人工林的模拟抚育与预测

选取样地D1(种群密度为4 000株/hm2以上)、H1(种群密度为2 000～4 000株/hm2)、E6(种群密度为2 000株/hm2以下)3种类型林分为代表进行模拟抚育，抚育效果如图2所示，抚育结果如表4所示。

图2　树冠垂直投影图

样地D1内共有林木288株，种内竞争非常激烈，需要进行强度间伐，以郁闭度0.7为标准，应进行疏伐，伐后保留林木125株，胸高断面积总和从24 090.07 cm2减少到15 917.91 cm2，林木株数抚育强度为56.6%，胸高断面积抚育强度为33.9%，平均胸径增长了27.3%。

样地H1内共有林木184株，更新较为明显，应进行疏伐，伐后保留林木102株，胸高断面积总和从21 520.23 cm2减少到15 651.15 cm2，林木株数抚育强度为44.6%，胸高断面积抚育强度为27.3%，平均胸径增长了15.4%。

样地E6内共有林木94株，先前经过一次抚育，胸径大小较均匀，应进行生长伐，伐后保留林木64株，林木胸高断面积总和从25 719.09 cm2减少到19 552.54 cm2，林木株数抚育强度为31.9%，胸高断面积抚育强度为24.0%，平均胸径增长了6.0%。

如表4所示，抚育后，样地D1与H1呈现出相似的结果，林分平均胸径、胸高断面积总和、林木株数均比较接近，而与E6差别较大，因此，在预测中可将D1与H1归为一类，只对样地D1和E6进行预测。

表4　抚育前后林分状况对比

通常情况下，抚育后林分内林木的胸径、冠幅年生长量要高于抚育前，且差异较大[4]，因此，用现有模型预测抚育后林木生长状况应增加一个系数(a+1)n(a为抚育与对照年平均增长率的差值，n为预测年数)，综合以往研究数据[4,21-22]，油松胸径生长模型的系数取1.015n，胸径-冠幅模型的系数取1.025n。抚育后的胸径生长模型和胸径-冠幅模型分别为：D=(-5.566+0.533A)×1.015n；CW=0.443D0.672×1.025n。

如表5所示，样地D1在抚育后第9 a，郁闭度达到0.82，平均胸径增长了46.6%，平均冠幅增长了7.7%，样地E6在抚育后第6 a，郁闭度达到0.8，平均胸径增长了16.2%，平均冠幅增长了19.5%，胸径冠幅涨幅明显。

如图3所示，样地D1抚育后第9 a，郁闭度达到0.8，第14 a达到0.9；样地E6抚育后第6 a，郁闭度达到0.82，第11 a达到0.9。因此，样地D1应在抚育后第9 a再进行抚育，最晚不宜超过14 a，样地E6应在抚育后第6 a再进行抚育，最晚不宜超过11 a。

样地D1和E6作为抚育后两种不同生长状况森林的典型进行预测，具有一定的代表性。因此可以推测黄龙山林区人工油松林种群密度在2 000株/hm2以上的林分，在抚育后第9 a左右可再次进行抚育，最晚不宜超过14 a；种群密度在2 000株/hm2以下的林分，在抚育后第6 a左右可再次进行抚育，最晚不宜超过11 a。

4结论与讨论

黄龙山林区油松人工林胸径-冠幅模型为CW=0.443D0.672(R2=0.933，P<0.001)，胸径生长模型为D=-5.566+0.533A(R2=0.99，P<0.001)。

以种群密度为标准将人工油松林分为4 000株/hm2以上、2 000～4 000株/hm2、2 000株/hm2以下3种类型进行抚育，分别选取3块典型样地作为3种类型林分代表进行抚育，抚育后，林分平均胸径均有较大涨幅，其中，种群密度为4 000株/hm2以上和2 000～4 000株/hm2的样地抚育后平均胸径和胸高断面积总和相似，在预测中可归为一类分析。

黄龙山林区人工油松林种群密度在2 000株/hm2以下的林分在抚育后第6 a左右可再次进行抚育，最晚不宜超过11 a，抚育强度应小于35%，种群密度在2 000株/hm2以上的林分在抚育后第9 a左右可再次进行抚育，最晚不宜超过14 a，抚育强度为40%～50%。密度小的林分比密度大的林分的抚育间隔期更短，这是因为，一般情况下，密度小的林分内林木具有更大的冠幅，大冠幅林木的冠幅面积年增长量必定远高于小冠幅林木，因此，密度小的林分会更快郁闭。现实中，油松林林木冠幅过大会影响林下幼树的更新，在大树自然枯死风倒后必定会形成较大的林窗，因此，此类林分的抚育间隔时间较短。

样地实测中，样地D1的郁闭度是1，而通过数据用垂直投影计算郁闭度的结果是0.96，由于本研究是以圆形估计林木树冠投影形状，而实地中，林木树冠的南北、东西长度有差别，以椭圆估计林木树冠投影形状会更精确。

我国人工油松林多处于中幼龄林阶段，相关生长数据还不够完善，随着时间的推移，人工油松林逐渐生长为成过熟林，此时再用此模型预测成过熟林的精度必定会收到较大影响，因此，在实际应用中应定期做抽样调查，以检测模型的精度，并及时添加新的成过熟林数据，修正模型参数，提高模型精度。

参考文献

[1]侯睿.基于不同栽植、间伐方式的人工林生产力和碳汇动态模拟[D].兰州：兰州大学,2012.

[2]张敏,张怀清,陈永富.杉木人工林抚育间伐可视化模拟技术研究[J].林业科学研究,2009,22(6):813-818.

[3]段劼.基于FVS-BGC的森林生长收获模拟系统应用研究[D].北京：北京林业大学,2010.

[4]高云昌.黄龙山林区油松人工林近自然间伐抚育及其评价[D].杨凌：西北农林科技大学,2013.

[5]李春明.抚育间伐对人工林分生长的影响研究[D].北京：中国林业科学研究院,2003.

[6]尤文忠,赵刚,张慧东,等.抚育间伐对蒙古栎次生林生长的影响[J].生态学报,2015,35(1):56-64.

[8]康永祥,岳军伟,张巧明.黄龙山林区辽东栎群落类型划分及其生物多样性研究[J].西北林学院学报,2007,22(3):7-10.

[9]李春明,李利学.基于非线性混合模型的栓皮栎树高与胸径关系研究[J].北京林业大学学报,2009,31(4):7-12.

[10]李绪尧,王继军,庞振伟,等.迎春5号杨生长评价与经营密度[J].东北林业大学学报,1998,26(6):24-27.

[11]杜纪山,李悦黎.各相对高处直径与胸径之间相关关系的研究[J].西北林学院学报,1989,4(2):25-32.

[12]李光友,徐建民,陆钊华,等.尾叶桉纸浆林造林密度控制技术的研究[J].林业科学研究,2002,15(2):175-181.

[13]顾丽,王新杰,龚直文,等.落叶松人工林根径材积表和合理经营密度研究[J].西北林学院学报,2009,24(5):180-185.

[14]黄宝灵,吕成群,蒙钰钗,等.尾叶桉人工林种群密度的研究[J].应用生态学报,2000,11(1):31-33.

[15]MAHMUT D A， VEYSEL A. The relationships between diameter at breast height, tree Height and crown diameter in lebanon cedars (Cedrus libani A. Rich.) of the Yavsan mountain, Kahramanmaras, Turkey[J]. Journal of Biological Sciences,2005,8(9):1228-1232.

[16]TURAN S. Diameter at breast height-crown diameter prediction models for Picea orientalis[J]. African Journal of Agricultural Research,2009,4(3):215-219.

[17]BUBA T. Relationships between stem diameter at breast height (DBH), tree height, crown length, and crown ratio of Vitellaria paradoxa C.F. Gaertn in the Nigerian Guinea Savanna[J]. African Journal of Biotechnology,2013,12(22):3441-3446.

[18]符利勇,孙华,张会儒,等.不同郁闭度下胸高直径对杉木冠幅特征因子的影响[J].生态学报,2013,33(8):2434-2443.

[19]段劼,马履一,贾黎明,等.北京地区侧柏人工林密度效应[J].生态学报,2010,30(12):3206-3214.

[20]戚维江,王义廷.油松人工林抚育间伐技术的研究[J].林业科学,1985,21(4):347-359.

[21]马履一,李春义,王希群,等.不同强度间伐对北京山区油松生长及其林下植物多样性的影响[J].林业科学,2007,43(5):1-9.

[22]贾芳.京北低山区油松、侧柏人工林抚育间伐效应分析[D].北京：北京林业大学,2010.

收稿日期：2015年10月8日。

第一作者简介：牛硕，男，1990年11月生，西北农林科技大学林学院，硕士研究生。E-mail：niushuo919@126.com。通信作者:李卫忠，西北农林科技大学林学院，副教授。E-mail:wzhli6465@163.com。

1)国家自然科学基金项目(31170587、31300538)。

责任编辑：王广建。