日本落叶松生长过程与林分结构特征研究*

郭秋菊,王志鸣,李强

(湖北民族学院,湖北 恩施445000)

森林可持续经营的核心内容是从经营体系和技术措施改善林分结构,充分发挥森林的生态服务功能,以满足人们的需要,因此要实现可持续经营,森林必须具有良好的自我调节能力、活力和稳定的组成结构[1-2]。森林稳定的组成结构取决于森林自身的组成、条件、特征和规律,而这些条件、特征和规律就是林分结构特征[3-6]。林分结构的变化会对林分的生长、稳定性及生物多样性等产生影响[7-9],并在很大程度上决定林分的稳定性、发展的可能性和经营空间的大小[10]。

长岭岗林场是我国南方最大的日本落叶松(Larix kaempferi)生产基地,多以纯林为主,林分结构简单,生物多样性低。目前有部分林木表现出枯梢,生长缓慢现象。此外,林场经营管理不够集约,部分林分抚育间伐、修枝不及时,使得整个林分的稳定性下降。针对长岭岗林场日本落叶松的经营现状,本文以日本落叶松人工林为研究对象,通过对不同龄级林分胸径和树高结构进行分析,揭示日本落叶松林生长过程和结构特征,以期为林场森林资源可持续经营提供参考。

1 研究区概况

湖北省建始县国有长岭岗林场,其中心位置地处 30°48′N,110°03′E, 海拔 1 500-1 900m, 属北亚热带气候。林场年均气温11.7℃,极端高温29℃,极端低温-9.9℃,无霜期160d左右;年平均降水量1 884.3mm,年平均蒸发量933.3mm,相对湿度85%;年日照时数1 533h。林场内多数为石灰岩发育而成的山地黄棕壤、棕壤,成土母质主要为石灰岩、硅质页岩等,土壤平均厚度为80cm左右,pH值5.6-6.5,有机质含量丰富。场内自然分布的植物主要有桦木科 (Betulaceae)、高山栎类 (Quercus L.)、柳杉 (Cryptomeria fortunei)、漆树 (Toxicodendron Mill.)、厚朴 (Magnolia officinalis)、箭竹 (Fargesia spathacea)等;主要引进树种有日本落叶松和华山松 (Pinus armandii)[11]。林场经营面积1 569hm2,其中国有林地1 023hm2,联合林场林地67hm2,活立木蓄积达21×104m3。

2 研究方法

2.1 标准地设置

查阅场部日本落叶松经营资料,选取日本落叶松11年生的幼龄林、23年生的中龄林、29年生的近熟林和35年生的成熟林为研究对象。在全面实地踏查基础上,选择立地条件和管理措施相同,生长较一致的日本落叶松人工林设置标准地。标准地大小为20m×20m,每个龄组4个重复,总共16个样地,且远离林缘,避开道路、河流。所有林分都是人工植苗造林。

标准地内进行每木检尺,并调查样地地貌类型、海拔高度、坡向、坡度、坡位等。植被主要调查灌木、草本的种类、盖度及生长状况,以及样地的林分起源、年龄、郁闭度、抚育方式、经营状况等 (表1)。

表1 不同龄组标准地基本情况Tab.1 The stand status of different age classes

2.2 树干解析

在23年中龄林林分样地中,选取生长良好,且具有林分平均直径和平均高或相近的林木作为解析木。伐倒选定的解析木,以2m为区分段截取圆盘,将圆盘带回室内进行内业工作,计算圆盘各龄阶的直径,其具体计算方法参照孟宪宇[12]的树干解析方法。

2.3 生长过程处理

依据解析木的直径、树高和材积,计算各龄阶的平均生长量、连年生长量、材积生长率及形数[12]。

2.4 林分平均胸径的株数累积百分数

径阶株数累积百分数是指在林分直径结构分析中,小于等于一定径阶的林木株数与林木总株数的比值[13]。用径阶株数累积百分数能把不同林分置于相同尺度上进行比较分析,对分析林分直径的结构,预估未来林分直径分布和确定森林经营措施具有重要意义。

直径变动幅度,相对直径 (R)是林分中各株林木的胸径 (d)与林分平均胸径 (Dg)的比值,即

首先计算林分平均胸径 (Dg):Dg=

将不同龄组标准地的调查数据,采用相对直径法对林分胸径进行拟合,并计算株数累计百分数,分别绘制曲线,然后找出Rd=1.0,各龄林株数累积百分数。

2.5 树高结构分析

树高株数累积百分数树高结构分析采用相对树高法,计算树高株数累积百分数,并绘制株数累计曲线图,找出Rh=1.0,各龄林株数累积百分数。

树高曲线以纵坐标表示树高、横坐标表示径阶,将各径阶的平均高依直径点绘图,散点的分布趋势绘制曲线,即为树高曲线。以不同龄组分别绘制树高曲线散点图,反映树高随直径的变化规律,并在图中查找林分平均高HD,计算平均生长量。

2.6 数据处理

所有数据利用Excel软件、SPSS统计软件分析处理,并对基本数据曲线进行拟合。

3 结果与分析

3.1 日本落叶松生长过程分析

3.1.1 树高生长过程分析

日本落叶松树高与年龄之间的生长过程曲线呈幂函数相关 (图1),随年龄增加呈现稳定上升的趋势,拟合方程为H=1.110 3t0.8917(R2=0.987 9),式中,H为树高,t为树木年龄。

图1 23年生解析木树高生长过程曲线Fig.1 The height growth curve of 23 years old Larix kaempferi

23年生日本落叶松树高19.2m,树高年平均生长量为0.8-1.0m,其中在3-7年、19-23年间树高生长较快,生长量分别为1.0m/a和0.85m/a;7-18年生长最慢,为0.78m/a。树高连年生长量在3-6年期间较大,生长量为1.0m/a;6-9年期间生长很慢,仅有0.33m/a;9-12年增加至0.97m/a,后又逐渐缓慢下降;12-15年下降到0.67m/a;15-18年生长又出现高峰,为1.27m/a;18-21年期间,连年生长量较小,为0.65m/a。

3.1.2 胸径生长过程分析

日本落叶松胸径与年龄之间的生长过程曲线呈典型对数正相关关系 (图2),拟合方程为D=5.838 lnt-5.241 1(R2=0.991 4),式中,D为胸径,t为树木年龄。

图2 23年生解析木胸径生长过程曲线Fig.2 The DBH growth curve of 23 years old Larix kaempferi

23年生日本落叶松带皮胸径为14.7cm,去皮胸径为13.6cm。胸径平均生长量总体较为缓慢,为0.67cm/a。胸径在3-6年时生长迅速,达到0.90cm/a;在6-23年期间,胸径生长速度稍微变慢,为0.60-0.83cm/a。胸径连年生长量起伏较大,为0.37-1.37cm/a,同样在3-6年期间增加快,达到1.37cm/a。在6-9年期间,为0.70cm/a。9-23年期间,连年生长量较小且趋于稳定,平均为0.50cm/a。

3.1.3 材积生长过程分析

日本落叶松的材积生长随年龄增加呈幂函数增长 (图3和图4),且增长速度越来越快。材积连年生长量呈指数上升,在3-10年、16-21年期间,连年生长量较小,仅为0.002 3-0.004 3m3/a;10-16年,连年生长量较为稳定,为0.007 2-0.009 5 m3/a;21-23年,连年生长量最大,达到0.014 4 m3/a。

图3 23年生解析木材积生长过程曲线Fig.3 The volume growth curve of 23 years old Larix kaempferi

图4 材积连年生长和平均生长量曲线Fig.4 The annual increment and average increment curve of volume

材积生长过程方程拟合函数为V=0.000 1t2.2518(R2=0.991 4),式中,V为胸径,t为树木年龄。材积平均生长过程方程拟合函数为θ(t)=0.000 3t-0.000 3(R2=0.996 3),式中,θ(t)为材积,t为树木年龄。材积连年生长过程方程拟合函数为:Z(t)=0.000 1t1.5777(R2=0.991 4),式中,Z(t)为连年生长量,t为树木年龄。

3.1.4 树高-胸径生长过程分析

由图5可以看出日本落叶松的树高-胸径生长的变化关系,拟合方程为H=2.474 6e0.1527D(R2=0.992 4),式中,H为树高,D为胸径。

日本落叶松胸径在1.3-6.2cm、8.3-10.0cm、11.9-13.6cm期间,树高生长速度比胸径生长速度快;在6.2-8.3cm期间,树高生长速度比胸径生长速度慢;在10.0-11.9cm期间,胸径树高生长速度接近。

图5 23年生解析木树高-胸径生长过程曲线Fig.5 The height-DBH growth curve of 23 years old Larix kaempferi

3.2 不同龄组林分直径结构及其生长量

3.2.1 胸径株数累积分布曲线

对不同龄组日本落叶松的株数累积曲线图进行绘制,从图中查阅可得各林分株数累积百分数 (表2)。不论树种、年龄、密度和立地条件如何,其林分平均直径 (Dg)在株树累积分布曲线上所对应的株数累积百分数的位置在55%-64%之间,60%左右。根据分析结果可知:幼龄林胸径株数累积百分数最小,而中龄林、近熟林和成熟林的累积百分数值属于正常位置,其中近熟林林分的累积百分数最大。中龄林中进行过几次采伐少部分中等解析木,并没有影响整个林分胸径分布;近熟林、成熟林在采伐利用时,各径阶采伐情况大致相同,因此,胸径分布仍然处于正常水平。幼龄林未进行任何采伐利用,单位面积里林分密度过大,林分胸径结构分布不理想。

表2 林分平均胸径株数累积百分数Tab.2 The average diameter cumulative percent

3.2.2 胸径平均生长量

由表3可以看出,随着年龄的增加,林木平均胸径逐渐增大。幼龄林胸径平均胸径生长量最大,达1.07cm/a,成熟林、中龄林次之,分别为0.77cm/a和0.75cm/a。近熟林的平均胸径较小,胸径平均生长量也为最小值,这可能是由于采伐抚育不合理,造成林地上剩余活立木的结构分布不合理所致。

表3 胸径平均生长量Tab.3 The average diameter increment

3.3 不同龄组树高结构及其生长量

3.3.1 树高株数累积曲线

不同龄组日本落叶松树高株树累积百分数结果见表4。中龄林树高株数累积百分数偏小,近熟林则较大。由于中龄林中进行过几次中等解析木的采伐,故而偏小;近熟林采伐利用时,采伐多为树高生长落后或不良者,因此,树高结构分布不均匀;成熟林分间伐时所采林木各径阶大致一致,分布结构趋于正常;幼龄林未进行任何采伐利用,林分充分郁闭,相应累积株树也较大。整体来看,林分树高结构规律类同于同龄林林分直径结构规律。

表4 树高株数累积百分数Tab.4 The tree height-cumulative percent

3.3.2 树高平均生长量

由表5数据可知,林分树高随年龄的增加而逐渐增大。幼龄林树高平均生长量最大,达0.84m/a,中龄林、近熟林和成熟林生长较为缓慢,平均为0.65m/a。

表5 林分条件平均高与平均生长量Tab.5 The dominant height and average annual increment of different age classes stands

4 结论和讨论

4.1 结论

日本落叶松胸径生长过程可用方程D=5.838 lnt-5.241 1拟合,拟合优度在0.99以上,拟合效果良好。不同林龄阶段的日本落叶松胸径平均生长量表现为幼龄林胸径平均生长量最大,高于中龄林、近熟林和成熟林的胸径生长量。中龄林、成熟林胸径平均生长量居中,近熟林林分胸径平均生长量最小。实际调查发现由于幼龄林的林分位于坡地,株行距未修正为水平距离,林木密度太大,林木个体之间竞争激烈,林分的胸径结构分布不良,这可能导致幼龄林胸径生长量低于正常水平,从而影响日本落叶松林木的充分生长。

日本落叶松树高生长过程可用方程H=1.110 3t0.8917拟合,拟合优度0.99。中龄林树高株数累积百分数偏小,近熟林则较大。幼龄林树高平均生长量最大,高生长良好;中龄林、近熟林和成熟林树高生长量小,生长速度大致相同。林分树高结构规律类同于同龄林林分直径结构规律。

综上所述,日本落叶松树高与胸径之间可用函数H=2.474 6e0.1527D拟合,材积生长过程可用方程V=0.000 1t2.2518拟合,所有拟合方程的R2都大于0.99,拟合效果显著。幼龄林胸径、树高均生长较快,但由于林分密度大,胸径生长欠佳。中龄林胸径、树高生长稳定,林分状况良好。近熟林林分林木高生长大于胸径生长,健康状况欠佳,林内枯立木、濒死木占有一部分。成熟林多为日本落叶松与柳杉行间混交,树高、胸径生长稳定,林分状况良好。

4.2 讨论

长岭岗林场从1960年采用日本落叶松造林,现已有近万亩造林面积,但是有些林分开始出现枯梢、生长状况下降等现象。针对各林分胸径、树高的生长现状,对以后林场的经营管理提出一些切实可行的建议,以实现森林的可持续经营目标。

林业发展 “十三五”规划大力推进营造混交林,现有人工纯林将逐渐采取森林抚育措施调整树种结构,逐渐修复为混交结构,以提高森林质量和生态系统稳定性。因此,针对长岭岗林场日本落叶松生长现状,首先需要因地制宜、适地适树地推进树种结构调整为混交结构。以日本落叶松为主要目的树种,辅以柳杉、檫木 (Sassafras tzumu)等生长优良树种,以及鹅掌楸 (Liriodendron chinense)等乡土树种,形成复层、冠层厚、生态位错落有致的林分结构,提高林分质量和生态系统稳定性。其次需要合理密植,保持林地合理的林木株数,调节个体间竞争,维持林分较高生产力。同时对于成熟林分,及时主伐更新。日本落叶松林分轮伐期在26-30年,前期生长快,后期生长缓慢,应及时采伐利用成熟林分,并于伐后及时更新,提高经济效益。同时对生长欠佳林分进行改造或伐除更新。最后应该少量多次及时抚育间伐,及时采伐生长不良、病虫害木,为保留木创造良好的生长环境,保持林地清洁卫生。