林场级森林多功能经营类型设计

雷湘龄，薛杨，王小燕，林之盼，宿少锋

海南省林业科学研究院（海南省红树林研究院），海南海口 571100

森林具有涵养水源、保持水土、调节气候等的生态功能，能为人类生存发展提供木材、食物、能源、物种基因资源等，带来经济效应和社会效应，不仅保障了国家生态安全、提供战略木材储备、丰富林副产品供给，同时在改善人类宜居环境、建设生态文明、应对全球气候变化等方面具有不可替代的作用。世界各国最初对林业的看法仅为木材生产，然而随着人类社会的进步和发展，在人口增长、资源短缺、土地荒漠化、环境污染、全球气候变化等问题出现并日趋严重的背景下，逐步开始注重发挥森林的多种效益，致力于森林的可持续经营发展[1-2]。从为人类服务的角度看，森林具有多种功能，其重要性是不尽相同的，不同功能的利用程度及重要性因时间和空间不同而产生差异，具有区域性和时代性，即存在一种或多种主要功能。森林的不同功能之间存在对立统一的矛盾关系，并且在利用压力越大和环境越恶劣的情况下表现得越明显，发挥森林的多功能特征和平衡综合经营效益的规划设计是现代森林经营的重要任务[3]，需通过科学经营才能够把多种功能潜力变为实际最优的整体效益。

科学经营森林的前提是科学合理地规划设计森林的经营目标。如何设计兼顾层次环境景观和生态和谐要求的目标林相，注重发挥森林在经济、社会、生态、文化等方面的多种效益，已成为森林多功能经营成功与否的核心问题。但由于森林经营工作的长期复杂性和目标的不确定性，这就需要一种设计方法来表达各方面的需求和描述森林发展的最终林相。

森林发展类型是根据林分当前的林学和生物学特征，结合当地的社会、经济情况着眼于具体森林对象的发展方向，提出未来林分的组成、结构和功能，是潜在的天然森林植被类型及其演替过程与森林经营的技术可行性和经济发展需求相结合的一种近自然森林经营的导向模式，反映了森林的多功能性，同时又是对森林不确定性的可行性估计[4-5]。近些年，北欧已有许多国家对森林的经营发展模式进行了大量研究和探讨，从发展理念、可视化描述和构建框架的表达到森林发展模式设计[6-7]，林业研究者已经利用森林发展类型作为一个表达工具来交流森林的结构经营理念和规划设计方法，经过多年的实施形成了一套完整的森林发展经营设计模式和宝贵的森林经营案例[8]。多功能森林经营模式在国内的研究主要集中在森林多功能效益的规划和可视化模拟方面[9-10]，孟京辉等以森林发展类型为参考指南，对热带中部山区退化次生林，通过树种结构调整、保护和促进林下更新等抚育经营措施，取得良好的效果[11]。但截至目前，把森林自然类型、经营目标发展类型和生态功能类型等综合的设计还鲜见报道。

森林经营对林分结构的组成和动态变化有着很大的影响[12-13]，对于一个经营单位而言，由于各小班经营目标和自然条件存在较大差别，尤其是设计混交林的森林经营计划，由于复杂的森林结构，就更需要森林发展类型来描述这些动态的变化[6]。多功能森林经营模式作为可持续发展理想中的森林经营目标，在空间尺度上的设计与传统森林经营方案中的“作业级”类似，是在于经营单位和具体林分之间的一个经营目标、动态特征和自然性质总体上相同的森林经营计划单元[2]。经营活动是根据小班的特点归类并组织成不同的经营类型来设计的，并结合多功能森林经营的相关原则和功能区划结果，进行多功能森林经营类型的规划设计。

文章提出多功能森林经营类型规划设计的一般性原则，并以海南省岛东国有林场为例，提出相应的森林经营体系设计和小班模式设计。以木麻黄（Casuarina equisetifolia）人工林为研究对象，有机结合森林的生态功能类型、经营目标类型和森林自然类型，探索多功能森林发展模式与经营类型相结合的方法，为发挥以森林多功能价值为目标的森林经营规划设计和制定小班具体的经营措施提供科学依据。

1 数据和方法

1.1 研究区概况

海南省国营岛东林场位于海南东北部的文昌市境内（19°40′N～20°06′N，110°36′E～111°01′E），面积约1.2 万hm2。属热带北缘沿海地带，具有热带和亚热带气候特点，年均气温为23.9 ℃；雨量丰富，受台风影响造成时空分布不均，具有明显的干、湿两季，年均降雨量为1721.6mm。属雷州低洼列南缘，土壤类型主要包括滨海砂壤、浅海（大陆架）沉积砂土、幼年性砖红壤和沙岩地。

2 多功能森林经营类型设计

2.1 多功能森林经营类型设计原则

（1）经营强度原则：经营强度是指森林经营设计中对目标森林的自然形态和人工形态两个方面的比例关系，也包括导向这个目标状态的森林发育进程中人为措施投入和控制的程度。

（2）树种特性原则：多功能经营的基本特征就是尽可能经营混交林，因为实现和表达多功能森林经营目标的基本要素是不同树种之间的组合，所以对不同树种特性的了解、选择及组合模式，是多功能森林经营设计的最关键的技术环节。

（3）适地适树原则：基本要求是不同树种之间的组合在特定的立地条件上能够持续的生长和进行自我更新。这个原则可以用坡度坡位、海拔范围、土壤类型、特殊立地与特别树种等4 个指标加以表达，该研究区仅涉及土壤类型。

（4）目标森林发展类型整合原则：森林发展类型（FDT-Forest development type）是对目标森林进行规划的模式化表述方法，是潜在的天然森林植被类型及其演替过程与森林经营的技术可行性和经济发展需求相结合的一种近自然森林经营的导向模式，主要在林分层次上描述森林经营活动的可能影响，规划设计出未来森林动态发展的目标和期望达到的多功能森林状态，以导向森林经营长期稳定地执行。

2.2 多功能森林经营体系设计

经营单位的多功能森林经营体系由满足优势树种生态和作业特征的功能区划、森林发展类型和林分作业法交互配合的技术体系构成。森林功能区划是对森林经营单位内分布的所有森林按生产功能可持续性、保护生物多样性、维持生态系统完整性、水源涵养和水土保持以及维护社区发展可持续性等原则和标准来区分和划定不同林地空间功能特征的结果，目的是实现森林多功能对应不同经营强度的分级分类经营和管理；作业法是在不同功能区内实施目标森林发展类型的整个森林培育周期中管理和主要作业措施的综合表述；发展类型是表达具体林分优势树种特性和功能目标并导向长期稳定经营进程的目标森林模式。

2.3 小班经营模式设计与分配

小班经营模式是基于具体小班立地条件和功能要求的经营目标和培育方法长期稳定的小班经营方法。一个具体的小班经营模式由三个部分构成，即发展类型、林分作业法和当前作业措施。其中，当前作业措施意味着是当年或近3a 内需要实施的林分作业内容。小班作业模式的设计主要通过目标森林发展类型与功能区划及立地关系的综合分析来实现。对于经营单位水平而言，不同的小班经营模式只有落实到具体的小班才能实现由理论技术向实际操作的转变。小班经营模式在经营单位水平的分配和落实上主要考虑影响森林经营设计的功能区划、土壤条件、海拔范围等因素。

具体方法：将以上定性因素进行分级，设ni为第i个因子的等级数，xkij为某一树种的第k个发展类型（k=1，2，3…n），第i个因子(i=1，2，3，4)的第j个等级值(j=1，…，ni)，则该树种目标森林发展类型的判断X矩阵为：

设ymij为第m 个小班（m=1，…，n）第i个因子(i=1，2，3，4)的第j个等级值(j=1，…，ni)，则小班的观测值矩阵Y 为：

设Wi为第个因子的权重。则第m 个小班与第k个发展类型的距离值Lmk为：

根据Lmk值来判断第m 个小班的发展类型，取Lmk（k=1，2，3）中值最小的。即第m 个小班的发展类型序号为Kmin(Lm1，Lm2，Lm3)。

根据上面的方法，使用VBA 语言编写程序，就可以根据“发展类型设计表”自动计算出每一个树种对应的小班的目标森林发展类型。

2.4 数据基础

该研究以岛东国有林场为例，规划设计主要的数据包括：（1）二类小班调查的空间和属性数据；（2）当前森林主要树种数据；（3）立地类型数据（该研究位于滨海地区，海拔、坡度、坡向等不做考虑，仅考虑土壤类型）；（4）反映经营单位潜在植被状况的乡土树种调查数据；（5）主要树种的经营参数数据。

3 多功能经营类型规划设计结果分析

3.1 根据经营强度，对岛东林场森林二次划分

根据经营强度原则和森林多功能经营的需求，对岛东林场的商品林和公益林进行二次划分。将生境条件脆弱的商品林划分为“Ⅲ控制性商品林经营区”（在一定条件和经营措施限制下，可对其进行收获性采伐）以实现森林对水土保持、生态保护的功能；将地势平缓、生态保护压力小的公益林划分为“Ⅱ一般生态公益林保护经营区”（可进行经营性采伐）。未被划出的商品林和公益林则分别定义为“IV一般性商品林经营区”（没有特定功能限制的区域为纯用材生产区域）和“I 特殊生态公益林保护经营区”（具有保护性质的功能区域，实行严格保护）。

演替竞争性、耐荫性、珍贵性和速生性等树种的经营学和生态学特征是指导森林经营模式设计（发展类型设计）的基础。木麻黄为经济价值一般的较速生树种。实现该树种的多功能经营模式设计需要对适应该地区环境条件且能与木麻黄混交生长的树种的特性进行分析。大叶相思、苦楝作为较速生的树种可以同木麻黄在地势平缓的商品林经营区进行混交，通过皆伐作业提供木材生产；降香黄檀、琼崖海棠为慢生、耐荫性强的珍贵树种在限制性商品林区采用作业强度较低的收获经营方式能够同时发挥森林的经济和生态功能；红花天料木处于演替的顶级阶段，在一般公益林区与木麻黄混交并采用强度低的择伐作业能够将当前森林向结构稳定、功能完善的森林群落导引。

根据树种自身特性及树种间的相容和互补关系能够得到不同经营模式的树种组合，树种对于立地条件的适应性分析能够指导不同经营模式在具体地块的落实。

3.2 岛东林场木麻黄森林发展类型设计

木麻黄林目标森林发展类型是以立地和环境分析、树种特性和种间关系分析及经营强度和功能区划分析为基础，结合具体的经营目标提出的多功能森林经营发展的模式。表1 给出了岛东林场木麻黄的目标森林发展类型。

表1 木麻黄人工林发展类型设计Tab.1 Forest Development Types of Casuarina equisetifolia

3.2.1 FDT- 1 木麻黄—苦楝—（琼崖海棠—鸭脚木—黄槿）等多树种防护和景观游憩林

森林概观：应用于沿海防护林基干林带木麻黄人工林，通过混交苦楝而促进种间竞争，促进木麻黄的优势木快速生长。在次林层的树种有，混交生长的耐阴鸭脚木和琼崖海棠，具有稳定林分结构的作用，该建群种的配置可最大限度的发挥出协同生长、互相促进的种间效应，逐渐增强防护林的树种稳定性和多样性。

目标林相：木麻黄、苦楝、琼崖海棠等多树种混交林，目标直径木麻黄45cm+、苦楝35cm+、鸭脚木35cm+，目标蓄积180m3/hm2，低强度单株择伐收获达到目标直径的林木，用人工植苗更新，辅助以促进天然更新。

近期经营措施：在原有木麻黄纯林内的林窗和林间空地进行阔叶乡土树种的补植和苗期管护。

3.2.2 FDT- 2 木麻黄—相思—苦楝速生性防护兼用材混交林

森林概观：应用于沿海防护林基干林带后沿的公益林区，通过速生树种相思和苦楝的混交可改善土壤肥力，降低病虫害风险等，综合形成高活力而稳定同时提供速生材的多功能林。

目标林相：木麻黄、相思、苦楝等速生阔叶树种混交林，木麻黄40cm+；相思35cm+；苦楝35cm+。目标蓄积160m3/hm2，团状择伐或带状渐伐达到目标的林木，用人工植苗更新，辅助以促进天然更新。持续的抚育性经营使得林分的总生长量保持在10m3/（hm2·a）～12m3/（hm2·a）。

近期经营措施：团状或带状采伐满足收获的林木，采伐形成的林窗空地进行阔叶乡土树种的补植，并进行苗期管护。

3.2.3 FDT- 3 木麻黄—相思—红花天料木—降香黄檀珍贵用材混交林

森林概观：应用于岛东林场土壤条件较好的幼砖红壤区的木麻黄人工用材林，通过混交补植珍贵乡土树种，提高森林整体的经济价值。

目标林相：木麻黄、相思、红花天料木和降香黄檀等多树种混交林，木麻黄40cm+、相思40cm+，主伐年龄30a；红花天料木和降香黄檀55cm+，主伐年龄55a 以上，公顷蓄积220m3/hm2。

近期经营措施：小面积镶嵌式皆伐或带状采伐满足收获的林木，采伐形成的林窗空地进行阔叶乡土树种的补植，并进行苗期管护。

3.2.4 FDT- 4 木麻黄—相思速生用材林

森林概观：应用于岛东林场集约经营的木麻黄人工用材林，通过混交补植速生阔叶树种的种间交互促进林分的生长，改良地表土壤状况，提高森林整体生物量和经济价值。

目标林相：木麻黄、相思混交林，木麻黄30cm+、相思30cm+，主伐年龄25a，公顷蓄积150m3/hm2。

近期经营措施：小面积皆伐或镶嵌式皆伐满足收获的木麻黄，进行木麻黄与相思的带状混交造林。

4 问题与讨论

多功能可持续森林经营是—个长期的作业过程，不同的培育目标和自然条件在不同立地条件下进行具体的作业措施和经营计划各不相同。需要进行多学科、多层次、多方面的综合分析，将森林生态功能类型、自然类型和经营目标类型等进行有机结合，构建多功能森林经营体系，以不同森林类型的自然特征和主导功能目标按照要求制定适用的经营计划，并因地制宜的设计对应的森林作业法以此规范长期的经营活动。

在保持林分稳定性和持续的生产力的森林多功能经营原则指导下，针对主要树种的发展类型设计具有两个主要特征：（1）尽可能通过混交或增加伴生树种的途径来开发利用两个或多个树种间的“互生—共生关系”来改善和维持林分的肥力、生长力和稳定性；（2）通过较长轮的伐期配合镶嵌式小面积皆伐作业、或采用皆伐作业以外的其他林分作业法来满足森林的生态环境保护和维持生态系统完整性的基本要求。这两方面的考虑就是对经营强度、树种特性和适地适树三项原则的具体表达。由于森林经营的长期性特征，这里提出的发展类型的一部分是有经验和案例支持而较为具体可靠的，而另一部分的设计的完整动态和重要参数还需要在1～2 个经理区的时间来验证和具体化。

小班是林场经营活动开展的基本单位，将森林经营设计落实到小班一直是一个难点。该文采用最小距离的判断方法，将木麻黄纯林目标森林发展类型落实到具体经营单位的不同小班中，将对编制森林经计划提供一定的理论依据。然而，由于人为因素的不确定性，森林发展类型与适应的森林功能区和立地条件匹配往往与实际的情况存在差异，通用算法实现的经营类型规划还需要在实践中进一步修改与完善。