湘中丘陵区天然林大样地结构特征

罗 佳，张 波，张 珉，颜 贝，肖童觉，林 峰，吴周旭，王景弟

(1.湖南省林业科学院，湖南 长沙410004；2.湖南省澧县林权管理服务中心，湖南 常德415500；3.中南林业科技大学，湖南 长沙410004；4.湖南省生态环境监测中心，湖南 长沙410014；5.张家界市林业局，湖南 张家界 427000)

天然林作为陆地生态系统中最稳定的群落，其生态功能最完备；同时，其生物多样性也最为丰富，具有其他生态系统不具备的功能和优势。天然林生态系统对维护国土安全具有重要作用，是天然的生态屏障[1]。随着国民经济的发展，由于人们对木材等资源的需求和消耗过大，导致一些天然林遭到严重破坏，致使生态环境恶化。为了进一步保护生态环境，保护最精华的森林资源，党中央、国务院实时启动并实施了天然林保护工程(以下简称天保工程)[2]。该工程采取的主要措施有禁伐和大幅减少对天然林商品木材的使用，通过对天然林的封育使其生态功能逐步恢复；同时，对天然林林区的工人进行合理安置。这对保护生态环境和提升森林服务功能具有重要意义[3]。天保工程的实施效果显著，给工程区资源、生态、经济、社会发展带来了全方位的变化，为发展现代林业，建设生态文明，实现可持续发展奠定了良好的基础。

大样地监测方法是对森林生态系统进行长期固定监测的有效方法，有效地克服了一般样地监测方法在森林群落动态与生物多样性研究等方面的不足，日渐成为研究长期生态过程与森林生态系统动态的有效方法[4-5]。近年来，对森林生态系统与全球气候变化、生物多样性维持机制、森林群落长期动态气候变化等方面的研究越来越关注[6]，大样地监测方法在森林生态学研究中的应用越来越多，应用范围越来越广，已成为森林生态学研究的重要方法[7-10]。围绕天然林大样地的研究多为林分结构变化[11]、空间和种群变化[12-13]、生物多样性与生态服务功能[14]等方面的研究。湖南省天保工程所带来的生态效益如何，尚未有详实的数据。因此，亟需建立湖南省天然林生态效益评价指标体系和方法，监测现有天然林“水土气生”现状，获取林分结构和生态参数等基础数据。为此，本研究以青羊湖国有林场天然林为研究对象，设置了6hm2的天然林大样地，分析其森林结构特征和空间结构差异，为今后森林生态系统服务功能评估提供参考。

1 研究区概况

湖南省青羊湖国有林场位于湖南省宁乡市西部黄材镇，与桃江、安化两县交界，地处111°58′00″—112°05′00″E，28°12′00″—28°10′20″N，海拔166.0～927.4m，总面积1083.9hm2。该林场地处宁乡市主要山系——雪峰山余脉，为中低山向丘陵的过渡地带。该林场所在地区属中亚热带向北亚热带过渡的大陆季风性湿润气候区，四季分明，水热充足，冬冷期短，夏热期长；年平均气温16.2℃，年平均日照1737.6h；平均降雨量1438.8mm，相对湿度85%，无霜期259～273d。林场的地质结构复杂，成土母质多样，主要为第三纪砂(砾)岩风化物、花岗岩风化物、石灰岩风化物、板岩风化物及第四纪红色粘土风化物，分别占成土母质的32.2%、23.1%、18.5%和18.2%(包括板岩风化物与第四纪红色粘土风化物)。土壤以黄壤和红壤为主，其中低山丘陵地区多为红壤，红壤的养分较缺，普遍缺磷；海拔较高的山地多为黄壤，黄壤的有机质含量低，土壤呈酸性，含钾较丰富。青羊湖(原黄材水库)的河漫滩分布有少量潮土，潮土的土层厚度40～100cm，腐质层厚度18～28cm，土壤肥力较高。根据《湖南植被》的植被分区系统，青羊湖国有林场植被区属于“中亚热带常绿阔叶林北部亚地带(A)—湘中、湘东山丘盆地马尾松(Pinusmassoniana)林、黄山松(Pinushwangshanensis)林、毛竹(Phyllostachysedulis)林、油茶(Camelliaoleifera)林及农田植被区(AⅡ)—长、潭、株山地丘陵植被小区(AⅡ-4)”，其植被类型主要有常绿阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、针叶林、针阔混交林、竹林等。该林场内生长有维管植物152科、639属、1056种，主要优势种有杉木(Cunninghamialanceolata)、马尾松、鹅掌楸(Liriodendronchinense)、青冈栎(Cyclobalanopsisglauca)等，分布有国家重点保护植物22种。林场空气质量达到了《环境空气质量标准》[15]规定的I级标准，地表水达到了《地表水环境质量标准》[16]的II类水标准和《生活饮用水卫生标准》[17]的标准。

2 研究方法

2.1 天然林大样地设置

大样地一般都设置在原始森林或成熟的天然次生林中，通常设置在当地群落最完整、生物多样性最高和保护最好的森林中。同时，大样地设置时林分的选择还要满足可比性、群落的完整性等条件。根据国家标准《森林生态系统长期定位观测方法》[18]中样地设置对林分的要求和天然林植被类型现状，选择在青羊湖国有林场天然林中设置6hm2的大样地，形状为长方形(300m×200m)，并在遥感影像图上布设定位。大样地设置主要包括样地设置体系、样地设置步骤、林木定位与标识等。

2.1.1 样地设置体系

采用网格(络)法区划分割，区划单位的长度有25 、20 、10 、5m。首先将6hm2(200m×300m)的大样地分成6个1hm2的大样地，每个1hm2的大样地再分成25个20m×20m的小样地，每个20 m×20 m的小样地继续分成16个5m×5 m的样方。使用行列数进行编号，行号从南到北编写，列号从西到东编写；5 m×5 m的样方以坐标系统命名为(1.1)、(1.2)、(1.3)、(1.4)等。

2.1.2 样地设置步骤

样地设置按国家标准《森林生态系统长期定位观测方法》[18]规定的步骤进行设置。

2.1.3 林木定位与标识

对样地内胸径≥3.0 cm的乔木植物分别进行定位。采用极坐标法，在20 m×20 m的小样地内用罗盘仪与皮尺相结合的方法对林木进行准确定位。用林木标识牌对所定位的每株林木进行编号并标识。林木编号以20 m×20 m的小样地为单位，对每个小样地内的林木编号，编号用8位数字表示，其中前4位代表小样地的编号，后4位代表小样地内林木的编号。

2.2 天然林大样地监测

2.2.1 大样地基本情况调查

首先调查样地的基本情况，调查内容主要包括植物群落名称、郁闭度、地貌地形、水分状况、人类活动等；再按样地顺序调查样地内森林群落结构。

2.2.2 天然林大样地定位观测

对天然林固定大样地进行长期定位观测。主要观测其乔木层、灌木层、草本层和层间植物变化；并对群落中所有乔木树种的胸径、树高、冠幅、郁闭度、密度等的变化均进行观测。具体观测方法参照国家标准《森林生态系统长期定位观测方法》[18]。

2.3 生物量与固碳量测算

根据胸径、树高数据查得各树种相应的二元立木材积表，计算单株材积，然后再计算大样地的木材蓄积量，并根据蓄积量与生物量的关系，计算单位面积的生物量。生物量计算公式如下。

B=aV+b

(1)

式中：B为单位面积生物量(t·hm-2a-1)；V为单位面积蓄积量(m3·hm-2a-1)；a、b为常数[19]。

固碳量包括植被和土壤固碳，采用如下公式计算[20]。

G植被固碳=1.63R碳×A×B年

(2)

G土壤固碳=A×F土壤碳

(3)

G固碳=G植被固碳+G土壤固碳

(4)

式中：G固碳为林分生态系统年固碳量(t·a-1)；G植被固碳为林分年固碳量(t·a-1)；G土壤固碳为林分对应的土壤年固碳量(t·a-1)；B年为实测林分净生产力(t·hm-2a-1)；F土壤碳为单位面积林分土壤年固碳量(t·hm-2a-1)；R碳为二氧化碳中碳的含量，为 27.27%；A为林分面积(hm2)。

3 结果与分析

3.1 大样地设置与林木标识

将面积为6 hm2的大样地分为6个面积为1hm2的大样地，分别记为A、B、C、D、E、F；在每个1 hm2的大样地内分别设置25个小样格，每个小样格为400 m2，标记为A01、A02、A03、A04……A25；B01、B02、B03、B04……B25；C01、C02、C03、C04……C25；D01、D02、D03、D04……D25；E01、E02、E03、E04……E25；F01、F02、F03、F04……F25，共计150个小样格。在每个小样格的四周打桩，并测定每个小样格的经纬度，对小样格内的所有林木进行定位，标记经纬度。林木定位结果见图1。

图1 天然林大样地林木定位坐标点Fig.1 Forest positioning coordinate points of natural forest plot

3.2 大样地内乔木层的林木生长量

青羊湖国有林场面积为1 hm2的各大样地乔木层的林木生长性状平均观测值见表1。从表1可知：面积为1 hm2的各大样地的平均树高在6.47～8.32 m之间，B样地的最大，D样地的最小；胸径在6.87～11.00 cm之间，F样地的最大，D样地的最小。枝下高在2.93～3.88 m之间，冠幅在1.33～2.32 m之间。6个面积为1 hm2的大样地的乔木平均树高为7.71 m，平均胸径为9.69 cm，平均枝下高为3.46 m，平均冠幅为1.97 m，东西平均冠幅(2.00 m)大于南北平均冠幅(1.94 m)。表1结果显示，各生长指标在样地间的差异显著(P<0.05)。

表1 各大样地乔木层的林木生长性状平均观测值Tab.1 Average observations of tree growth traits in tree layers of various sample plots样地编号树高/m胸径/cm枝下高/m冠幅/m东西南北平均A7.05±0.52 a 8.98±0.45 a3.07±0.27 a1.77±0.251.75±0.141.76±0.01 aB8.32±0.63 ab10.90±0.56 b3.61±0.34 b2.24±0.142.17±0.182.21±0.04 bC8.31±0.58 b10.76±0.58 b3.88±0.35 c2.25±0.252.17±0.252.21±0.04 bD6.47±0.46 c 6.87±0.47 d2.93±0.33 d1.32±0.131.34±0.191.33±0.01 dE7.80±0.52 ac 9.64±0.65 ab3.65±0.28 ac2.04±0.241.96±0.222.00±0.04 abF8.30±0.58 d11.00±0.74 ac3.59±0.24 ab2.35±0.242.23±0.272.32±0.06 ac均值7.71±0.71 9.69±1.463.46±0.342.00±0.361.94±0.311.97±0.03 注:同列不同小写字母表示差异显著( P<0.05)。

3.3 大样地内不同树种生长量比较

在每1个面积为1 hm2的大样地内随机选择3个小样格，对小样格内的乔木树种进行统计，计算得到不同树种的树高、胸径、枝下高和冠幅等的平均观测值，结果见图2～5。由图2可知：树高排前3名的树种是枫香(Liquidambarformosana)、湿地松(Pinuselliottii)、褐毛杜英(Elaeocarpusduclouxii)，其树高分别为16.5、16.0、13.0 m；树高排最后3名的树种是厚皮香(Ternstroemiagymnanthera)、南烛(Vacciniumbracteatum)和杜鹃(Rhododendronsimsii)，其树高均在3.0 m以下。其他树种的树高均在3.0～12.0 m之间。

图2 天然林大样地不同树种树高平均观测值Fig.2 Average observed values of height of different tree species in natural forest plot

图3显示：胸径排前3名的树种是湿地松、枫香、雷公鹅耳枥(Carpinusviminea)，其胸径分别为31.60、30.45、21.88 cm；胸径排最后3名的树种是南烛、白花苦灯笼(Tarennamollissima)和满山红(Rhododendronmariesii)，其胸径均在2.00 cm以下。其他树种的胸径均在2.15～19.30 cm之间。

图3 天然林大样地不同树种胸径平均观测值Fig.3 Average observed values of DBH of different tree species in natural forest plot

图4显示：枝下高排前3名的树种是枫香、雷公鹅耳枥、杉木，其枝下高分别为9.50、8.00、5.92 m；枝下高排最后3名的树种是尖连蕊茶(Camelliacuspidata)、南烛和飞蛾槭(Aceroblongum)，其枝下高均在1.00 m以下。其他树种的枝下高均在1.15～5.50 m之间。

图4 天然林大样地不同树种枝下高平均观测值Fig.4 Average observed values of under branch height of different tree species in nature forest plot

图5显示：冠幅排前3名的树种是枫香、香樟(Cinnamomumcamphora)、湿地松，其冠幅分别为4.88、4.88、4.00 m；冠幅排最后3名的树种是满山红、白花苦灯笼和飞蛾槭，其冠幅均在1.00m以下。其他树种的冠幅均在1.00～3.50 m之间。

3.4 生物量与固碳量

共调查和标记林木18496株，涉及枫香、雷公鹅耳枥、杉木、马尾松等多个树种。依据树高、胸径和材积之间的关系计算，得出6 hm2的大样地内木材总蓄积量为309.50 m3，单位面积木材蓄积量为51.58m3·hm-2，再通过生物量转换因子计算公式计算得出6 hm2大样地内总生物量为447.36 t。同时，根据固碳计算公式得到总固碳量为19.05 t·a-1(包含1.50 t·a-1的土壤碳)，单位面积固碳量为3.18 t·hm-2a-1。

4 结论与讨论

(1)在湖南省青羊湖国有林场开展了6 hm2的天然林大样地建设及监测工作，共定位、标记调查林木18496株。

(2)6 hm2大样地内的乔木平均树高为7.71m，平均胸径为9.69 cm，平均枝下高为3.46m，平均冠幅为1.97 m，平均东西冠幅大于平均南北冠幅。这一结果低于第九次森林资源清查期全国天然林的平均树高(11.20 m)和平均胸径(13.9 cm)[21]。这是因为所监测的天然林正处于中幼林阶段，其树高和胸径相对较小。6 hm2的大样地内树高排前3名的树种是枫香、湿地松和褐毛杜英，胸径排前3名的树种是湿地松、枫香和雷公鹅耳枥，冠幅排前3名的树种是枫香、香樟和湿地松。

(3)青羊湖国有林场6 hm2大样地内的木材蓄积量为309.50 m3，单位面积木材蓄积量为51.58 m3·hm-2。这一结果高于第九次森林资源清查期湖南省的结果(单位面积木材蓄积量为50.96 m3·hm-2)。

(4)青羊湖国有林场6 hm2大样地的年固碳量为19.05 t(包含1.50 t的土壤碳)，单位面积固碳量为3.18 t·hm-2a-1。这一结果也高于第九次森林资源清查期得出的湖南省森林生态系统单位面积固碳量(1.84 t·hm-2a-1)[22]。这说明该地区天然林的固碳能力高于全省森林的平均固碳能力，这是因为青羊湖天然林多为中幼林，其生长快，生长量大。

(5)研究结果可为今后开展全省天然林生态效益监测与评估提供技术支撑和数据支持。