天然林抚育经营技术研究现状与展望

肖化顺，曾思齐，欧阳君祥，刘发林

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.国家林业局 调查规划设计院，北京100714）

天然林是指自然起源，未经人为干扰或人为干扰较轻，仍然保持较好自然性的森林。根据演替阶段的不同，天然林分为原始林、原生次生林和次生林。全国天然林面积15 081万hm2，天然林分面积11 583 万hm2，占全国乔木林面积的69.9%；林分蓄积1 140 207万m3，占全国活立木蓄积85.3%[1]。因此天然林一直是我国森林资源的主体。本文中主要论述了天然林林分结构规律和林木生长过程、抚育经营、更新演替研究现状，指出了天然林抚育经营技术的发展趋势，有利于明确天然林资源的保育利用和经营管理技术措施，实现天保工程区森林可持续经营。

1 天然林结构规律与生长规律研究

1.1 天然林分类与结构规律

天然林分类与结构研究是天然林抚育经营的技术基础，天然林的森林类型的划分主要有二种分类技术，其一是依据林分的优势树种，把具有相同的优势树种或具有相似生物学特性优势树种的林分划分为一个一级类。在一级分类界定过程中，一般以全国森林资源连续清查所划分的优势树种种类为基础，根据实际情况及树种的生物学特性，如长江中上游的天然林分划成16个主要一级类：冷杉群落类、云杉群落类、落叶松群落类、马尾松群落类等[2]；其二是利用生物多样性的重要值百分比大于一定阈值的树种作为组成次生林的优势树种的标准，依此归并区域内地带性天然林类型，重要值指标有相对频度、相对多度、相对显著度等[3]。

对天然林林分结构的研究我国于20世纪80年代起步，多为东北地区天然林分的空间结构[4]、林冠斑块特征[5]、林隙动态更新[6-7]等方面。主要集中在林分竞争、直径大小、径阶分布、林分密度、树高和材积等林分结构特征指标[8-10]。对于直径分布模型模拟，主要运用了正态分布、对数正态分布、Weibull分布等函数。近年来，Weibull分布在模拟直径分布模型中应用得最为普遍，这主要是因为Weibull分布函数能清楚直观地解释其参数意义。也有根据它们在林分直径分布中所代表的分布形式来选择最佳的分布方程或者针对已有方程进行一些参数上的改进，提高模型模拟的精度水平[11]。方差/均值比这个与距离无关的指数在研究天然林空间分布格局及其动态的过程中也得到了广泛的应用。胡远满[12]、梁华[13]、崔艳秋[14]、何宗明[15]、陈彤[16]等都应用了该指数来分析某种天然林分的空间分布格局；目前利用大小比数、混交度、角尺度等指标开展林分结构的研究报道也相对较多[17]。

天然林作为混交异龄林，在研究林分结构过程中不能仅仅考虑林分中某一个树种的作用，而需要更多的关注不同树种间的关系及其合理性。张芸香等[18]以关帝山有代表性的高中山地混交林为研究对象，分析混交林的树种结构、年龄结构、更新演替和林层结构等，以论证混交林结构的合理性。不论是人工林还是天然林，也不论是同龄林还是异龄林，直径结构是最重要、最基本的林分结构，林分直径的分布规律与分布状态，对林木的树高因子、树干干形因子、材种与出材率、枝下高、冠幅因子等有显著影响。T.W.Daniel[19]对于天然异龄林直径分布研究中发现，其直径分布规律大为近似双曲线的倒J型曲线，林分的林冠不整齐且不匀称，林分中最小径阶的林木株数常常最多，依径阶逐步增大，林木株数数量下降显著，达到一定径阶后，株数减少幅度趋于稳定。因人为干扰或自然灾害仅保存少量林木,其后由更新生长形成的林分及群状同龄林的林分直径分布呈不规则的近似反J型分布曲线，对于复层结构的天然异龄林，直径结构呈双峰山状；对于林冠层次结构不齐整的异龄林分，则呈不规则的山状结构。H.H.斯瓦洛夫[20]研究了前苏联远东地区的落叶松、云杉、松树林分直径结构，得到的规律为不对称山状曲线，且曲线偏度与林分密度呈正比，与林分直径数学平均值呈反比。对于林分最优结构的研究方面，Chang和Michie[21]以获取最大林木经济收益为目标确定异龄林的最优林分结构和择伐周期，Chang认为林分的择伐周期和立木度确定的最佳方法是林价模型；Haight[22]和 Daniel[23]对异龄林的收获调整、树种结构调整等方面也分别做过优化规划方案。

1.2 天然林生长过程

林分生长过程总是以全林分模型来描述，全林分模型是一组方程，包括直径、断面积、蓄积量等测树因子的生长预估模型。根据是否将林分密度作为自变量，全林分模型又可以分为固定密度的全林分模型和可变密度的全林分模型。但是由于天然林基本都为异龄混交林，其全林分的生长过程不能简单的由单木生长相加起来，还需要更多的分析林分中各株林木之间的影响关系，才能更准确地反应天然林全林分的生长过程。我国从20世纪70年代后期开始了有关林分生长和收获模型的系统研究，研究对象多为同龄纯林和人工林，由于天然异龄混交林的研究要比纯林的研究所要考虑的因素多而复杂，对天然异龄混交林的研究尚属少见。全林分模型首先建立林分各主要调查因子(如：平均直径、平均树高、林分断面积、林分蓄积等)之间基本关系的相容模型系，再结合林分密度(CCF)动态预测模型和枯损模型就可以预估天然林林分生长和收获量，进而为建立森林经营规划模型提供森林资源的动态信息。对于未受干扰的天然林分来说，林分直径、断面积和蓄积的生长预估模型要达到良好的拟合效果，主要应包括年龄、立地质量指标和林分密度指标这三个自变量。通常采用的数学模型有Chapman-Richards方程、Korf方程和Schumacker生长曲线。

学者张少昂[24]按不同的地位指数，利用Richards生长方程，引入林分密度指数建立兴安落叶松天然林林分断面积预估模型；胡晓龙[25]利用林分立地指数，疏密度因子，建立了多形长白落叶松林分断面积生长模型。唐守正和雷向东[26]认为，全林分模型对于人工同龄林适用拟合精度高，对于天然林用较少的林分变量因子来描述整个林分的特征其精度较低。研究过程中要提高全林分模型在异龄混交林中应用的适用性及精度。章时运[27]、郭正刚和吴秉礼[28]基于灰色系统的理论与方法探讨灰色模型在林分模型中的应用；林辉和彭长辉[29]、黄家荣等[30]、马翔宇等[31]建立了基于人工神经网络的森林生长模型；李永慈等[32]、雷相东等[33]及李春明[34]提出了林分生长的混合效应模型。

2 天然林抚育经营模型

森林抚育是基于森林演替、森林干扰、生长阶段性和资源竞争、林分稀疏、林分密度调控等理论基础上的。抚育经营的目的有林分密度调整、树种组成与植物配置、土壤养分与水分改善、林木生长发育的生态条件改进，还包括森林的培育周期，木材质量和工艺价值的改变，以促进森林主导功能和森林多功能的充分发挥。抚育是森林可持续经营的重要组成部分，是提高森林质量的重要环节，是建设生态文明社会的重要工作。天然林抚育经营是提高我国生态系统的生产力、森林资源质量，增强生物多样性与稳定性的重要途径。森林抚育是指有林地上林分成熟前围绕培育目标所采取的各种营林措施的总称，包括抚育采伐、补植、修枝、浇水、施肥、人工促进天然更新以及视情况执行的割灌、割藤、除草等辅助作业活动。天然林的抚育经营，主要是通过择伐优化林分的空间结构。

2.1 国外天然林抚育经营模型

从20世纪80年代就有国外学者研究森林空间优化经营模型。其中景观水平上，有物种多样性保护最大覆盖模型、资源优化配置模型等；林分水平上，提出林分空间结构指数和林分择伐空间优化经营模型。而对于以提高森林收获量为目的的人工林抚育技术体系的研究较天然林更多些[35]。德国首先研究提出的林分空间结构优化经营模型，用以导向可持续经营，如疏伐模拟专家系统Tincon[36]和空间生长模拟模型SILVA。Tincon系统包括混交度指标、林木分化指标和分布格局指数，目标函数多为经济指标，少数为生态学指标，重点对天然林的经营措施进行评价和优化。空间生长模拟模型系统SILVA用于分析林分结构动态、林分生长模拟、以及采伐利用方式对混交林空间结构的影响，重构林分三维空间结构，目标函数为木材收获量和木材质量；这两大系统侧重于经营措施与结构关系，是迄今为止林学界公认的较为完善的林分经营空间决策系统。在林分空间结构优化方面，Pukkala T[37]在不考虑树种混交的情况下，建立林分择伐空间优化模型，把直径分布和择伐周期的可选变量应用于整个林分，研究目的是林分择伐，能否趋向稳定的异龄林、同龄林或其它格局，采用的方法是确定采伐木和保留木的相对坐标，把空间约束变量引入林分采伐模型中，确保采伐不破坏森林的天然更新，目标函数是木材采伐的经济收入，不注重采伐对林分空间结构和生物多样性保护的影响。

2.2 国内天然林抚育经营模型

在国内，崔武社建立了基于SLCS人工仿真语言混交异龄林动态模型，并做了仿真研究[38]。但该模型仅以毕奥莱所提出的异龄林林分蓄积结构在小径木、中径木和大径木之间保持2∶3∶5的比例关系作为优化目标。认为蓄积结构基本稳定在2∶3∶5时的择伐率即为最优择伐率，模型没有考虑林分空间结构，过于简化。于政中等[39]在异龄林的收获调整上做了大量的试验和研究工作，对东北林区天然针阔混交林和天山天然云杉混交林的收获调整和可持续经营进行了较系统的研究。汤孟平等[40]提出林分择伐空间结构优化模型的建模方法，建立的择伐空间结构优化模型属于非线性多目标整数规划，以混交、竞争和空间分布格局的空间结构作为目标函数，并以非空间结构作为主要的约束条件。王飞等[41]利用林分直径生长、进界生长和枯损数据，以矩阵模型为基础建立非线性动态模型，模拟长白山阔叶红松林动态生长，预测采伐强度的变化引起林分的径阶变化，研究对应的采伐强度对年生长量、年收获量和恢复周期的影响。采伐林分中模型的推广应用，能够为制定科学合理的采伐方案提供支持。成子纯等[42]在多目标经营调控下，以发挥马尾松林分的最大水保功能为主要目标，对马尾松水保林的经营模式和经营调控进行了研究。抚育间伐过程中间伐木都是经林木分级来确定的，熊露桥[43]从林分结构调整角度研究次生林标准地中的林木间伐概率，林分结构指标选取混交度、自由度、大小比数、健康指数、空间密度指数和树种特性指数6个指标，研究提出了间伐指数的概念，用来量化林木在抚育间伐时被确定为间伐木的概率，运用间伐指数获得在给定的不同间伐强度下的间伐木确定方案。

2.3 天然林更新模型

森林天然更新是森林生态系统自我繁衍恢复的手段。我国天然林应该由历史上以采伐利用为主转向以现在的保护经营为主的轨道上来，对应的天然林更新研究也应由过去采伐更新转为目前的林隙更新、更新格局以及更新演替与更新机制的研究为主。王宝等[44]在研究兴安岭松天然林林分更新特征中认为，兴安岭松天然林更新受多因子影响，各因子相辅相成，互相制约。国内学者对天然林的更新研究也主要集中于林隙对更新的影响：于金莹等[45]认为，在成熟林分中，可以通过择伐产生林隙，以天然更新的方式进行，随着林隙的发育，应该通过抚育采伐创造林隙，以满足幼树到达林冠层的需要；昝启杰等[46]研究发现，树木在直径小于1/2树高的林隙内繁殖不能成功；李金良等[47]则提出了“单株择伐—小面积林隙—天然更新”的促进该区青海云杉林天然更新的可行技术。曾思齐等[48-49]选取木荷次生林单位面积株树、频度、平均高、平均地径、大苗百分比5个指标构建了木荷幼苗更新的评价指标体系，提出了更新指数的概念，并根据更新指数值的大小得出样地的更新状况，对木荷更新状况的5个评价指标与地上环境的9个潜在因子进行相关性分析，同时对木荷更新状况的5个评价指标与5个土壤潜在因子进行相关性分析，从而得到木荷次生林的演替趋势和人工促进天然更新的依据和模式。

3 天然林抚育经营技术的发展趋势

3.1 完善森林抚育经营的技术体系

抚育有利于优化森林空间结构布局、提高林分质量和森林生产力、增强森林生态系统健康和抗逆能力，为此，2009年底启动森林抚育补贴试点工作，到2011年森林抚育范围全面铺开至35个省级单位。在技术层面上，我国1995年颁布实施的森林抚育技术规程，针对用材林、防护林、特用林 ，不适用于经济林，但实际上主要针对用材林；2001、2009年版的森林抚育规程分别针对生态公益林、商品林二个系列编写，对公益林抚育提出了新的技术体系；修订森林抚育标准要针对所有森林、所有林种，在技术操作层面不区别公益林与商品林。完善抚育类型，把森林抚育分为林木抚育和林地抚育，林木抚育包括抚育采伐、人工修枝、割灌除草等，林地抚育包括林地的水、土、肥的管理等。强调定向培育，根据远期培育目标确定目的树种和目标树，围绕目标树生长发育的光、热、水、肥等生态要素确定抚育措施，明确各种抚育方式适用的条件，抚育采伐由过程控制转为抚育目标控制，细化抚育措施的目标控制。

3.2 强化森林生态系统经营和生物多样性保护

森林抚育注重生态系统经营，其目的是培育健康、稳定、生产力高、可持续的森林生态系统；注重森林多功能经营，乔、灌、草多资源利用。要淡化森林分类经营思想，除少量严格保护的公益林外，所有森林都需要抚育，森林抚育都应符合可持续经营原理，森林抚育规程回归技术层面，而不是政策层面；按措施类型而不是公益林、商品林类型提出抚育作业要求。天然林的各项经营措施都应该有一个基本的原则，就是要特别重视生物多样性保护，对于野生动物保护，应明确树冠上有鸟巢的林木，应作为辅助木保留；树干上有动物巢穴、隐蔽地的林木，应作为辅助木保留；保护野生动物的栖息地和动物廊道，抚育作业设计要考虑作业次序与作业区的连接与隔离，以便在作业时野生动物有躲避场所。对于野生植物保护，国家或地方重点保护树种，或珍稀濒危植物名录上的树种，应标记为辅助树或目标树保留；在针叶纯林中的当地乡土树种应作为辅助木保留；保留国家或地方重点保护的植物种类；保留有观赏和食用药用价值的植物；保留利用价值不大但不影响林分卫生条件和目标树生长的那些林木。其它保护措施，森林抚育作业时应采取必要措施保护林下目的树种及珍贵树种幼苗、幼树；适当保留下木，林下灌木凡不影响作业或幼苗、幼树生长的不得伐除；应结合除草、修枝等抚育措施清除可燃物。

4 结 语

在过去相当长的一段时间里，由于我国没有切实按资源培育的需要开展森林抚育等森林经营工作，以至于森林质量不高，单位面积蓄积量低，森林火险及林业有害生物等自然灾害发生频率高，不利于森林生态系统多功能的发挥。森林经营抚育工作严重滞后，制约了我国林业又好又快发展，成为我国与世界林业最主要的差距之一。现阶段，国家对于大部分的天然林还是严格保护为主，经营为辅。天然林抚育经营得好，不但没有影响天然林本身的生态效益，还能取得一定的木材与经济收入，甚至还能通过经营使得天然林发挥更大的生态作用。加强森林抚育经营决策与经营技术体系的研究，制定科学的、可操作性强的森林抚育技术国家标准，甚至出台森林抚育分区实施导则，开展以中幼林抚育为重点的森林经营抚育，对于天然林来说，天然林的森林建群阶段、竞争生长阶段、质量选择阶段抚育为重点的森林经营抚育任务量艰巨。强化森林经营理念，大幅度提高林地生产力，保持生态系统稳定与健康，是发展现代林业、建设生态文明、推动科学发展的时代要求。

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