冀北山地杨桦低效林改造的效益分析

马娇娇, 王海涛, 王海明, 肖志军, 黄冬梅, 谷建才

(1.河北农业大学 林学院, 河北 保定 071000;2.河北木兰围场国有林场管理局, 河北 承德 068450; 3.河北农业大学 理学院, 河北 保定 071000)

冀北山地杨桦低效林改造的效益分析

马娇娇1, 王海涛2, 王海明2, 肖志军2, 黄冬梅3, 谷建才1

(1.河北农业大学 林学院, 河北 保定 071000;2.河北木兰围场国有林场管理局, 河北 承德 068450; 3.河北农业大学 理学院, 河北 保定 071000)

[目的] 分析研究冀北山地杨桦低效林改造的成果，为该地区的森林健康经营理论提供参考。 [方法] 采用生态疏伐后人工林下更新的方式进行改造，并以定量计算的方式对改造后样地和未改造对照样地分别从林地生产力、固碳释氧功能、水源涵养功能3方面进行效益分析。 [结果] 改造后的样地较对应的对照样地在总体效益方面具备很大优势，具体高出值分别为25 008.89和14 802.17元/ hm2，增长率分别为16.6%，14.6%。其中林地生产力价值分别高于对照样地44.9%，73.11%；固碳释氧价值分别高出13.4%，9.2%；涵养水源价值分别高出5.4%，2.6%。 [结论] 对杨桦低效林进行生态疏伐、人工林下更新改造后，林分质量得到显著改善，提高了林地生产力和林分生态功能的同时，带来了经济效益的增长。

冀北山地; 杨桦低效林; 改造; 效益分析

根据国家林业局发布的林业行业标准《低效林改造技术规程》中的明确规定，低效林是指受人为因素的直接作用或诱导自然因素的影响,林分结构和稳定性失调，林木生长发育衰竭，系统功能退化或丧失，导致森林生态功能、林产品产量或生物量显著低于同类立地条件下相同林分平均水平的林分总称[1]。低效林改造是指为了改善林分结构，开发林地生产潜力，提高林分质量和效益水平，对低效林采取的结构调整、树种更替、林下更新、补植补播、封山育林、林分抚育、嫁接复壮等营林措施[2]。杨桦林作为冀北山地的主要森林类型之一，目前，由于林分结构不合理，森林功能难以充分发挥。加上受到多年的森林采伐以及滥垦滥牧等人为活动的干扰，森林景观破碎化严重，森林生态系统功能日趋削弱，已严重阻碍该区森林生态系统整体功能的发挥。因此，调整和改造现有林分结构，人工促进其向健康稳定的群落演替，是森林经营亟待解决的问题[3]。低效林改造对森林结构、林分生产力、林分生态功能等方面的影响十分显著，而效益上是否合理，则是技术模式能否应用推广的重要因素[4-6]。

本研究针对冀北地区杨桦林林地质量差，林分结构不合理，林内树木生长状况不良等问题对林分进行改造，通过对比分析改造后样地与未改造样地之间的差距，最终回归于经济效益的差值，分析杨桦低效林改造的成果，以期对该地区的森林健康经营理论提供一定参考。

1 研究区概况

研究地点设在河北省木兰围场国有林场管理局管辖的北沟林场内，地处滦河上游，位于阴山山脉与大兴安岭山脉余脉的交汇处，是连接坝上高原和冀北山地的丘陵山地地带。北纬40°54′，东经117°27′，平均海拔1 250 m，属于温带大陆性气候，水热同季，昼夜温差较大，年平均温度是-1.5～4.8 ℃，7月份气温最高，平均约为18.5 ℃，极端高温38.9 ℃，极端低温-42.9 ℃。年均降水量380～560 mm，降水季节分配很不平衡，主要集中在6—8月，最大年降水量为636.0 mm，最小年降水量为258.0 mm。年均蒸发量1 462.9～1 556.8 mm，平均相对湿度63%，土质以壤土为主。植被资源丰富，森林主要乔木树种有白桦(Betulaplatyphylla)、华北落叶松(Larixgmeliniiprincipis-rupprechtii)、山杨(Pobulusdavidiana)、蒙古栎(Quercusmongolica)、榆树(Ulmuspumila)等；灌木种类较多，且量较大，丰富多样，以绣线菊(SpiraeaSalicifolia)、照山白(Rhododendronmicranthum)、平榛(Corylusheterophylla)最为常见；地被植物主要有苔草(Carexussuriensis)、小红菊(Chrysanthemumchanetii)、歪头菜(Viciaunijuga)等。其中杨桦林是该地区的主要天然林型，据统计约占辖区总面积的55%[7]。

2 研究方法

2.1 样地设置及调查

2012年8月，将木兰林管局北沟林场北沟营林区内的242林斑51小斑和238林斑4小斑作为研究对象进行改造，并分别对改造前后情况进行调查，小斑基本情况如下：242 H/51面积为7.6 hm2，坡向西北，坡位全，坡度16°，海拔1 510 m，土层厚度为60 cm，地被植物为苔草和平榛，覆盖度为35%，基本林型为35年生天然杨桦中龄林；238 H/4小斑面积为8 hm2，坡向东，坡位中，坡度22°，海拔1 115 m，土层厚度为60 cm，地被植物为苔草和平榛，覆盖度60%，基本林型为26年生天然杨树成熟林。现分别将2个小斑内1/2面积的林分进行林下更新改造作为改造样地(X，Y)，另一半作为不采取任何经营措施，作为对照样地(X0，Y0)。

改造后分别对2个林分进行每木检尺和树高等因子的统计，统计结果详见表1。

表1 对照样地与改造后样地基本情况

林分中林冠投影面积与林地面积之比，称为郁闭度。本次研究郁闭度的测定方法采用样点测定法，即在林分调查中，机械设置100个样点，在各样点位置上采用抬头垂直仰视的方法判断该样点是否被树冠覆盖，统计被覆盖的样点数占有样点总数的比例即为郁闭度[8]。

覆盖度指林地中灌木等对于地表遮盖占据的地表面积与总林地地表面积之比。本次研究覆盖度的测定选择较为简便的采样针刺法：如样方框为1 m2，借助于钢卷尺和样方框绳上每隔2.5 cm的标记，用粗约2 mm的细针(针越细结果越准确)，按顺序在样方内上下左右间隔62.5 px的点(共100个点)上，从植被的上方垂直下插，如果针与植物接触，即算作1次“有”、如没有接触则算“无”不划记。最后计算划记的数次，用百分数表示即为灌木覆盖度[9]。采用抽样的方式在4个样地内分别随机测取10个样方框，根据测定结果的平均值计算样地覆盖度。

对林分的改造按照间密留稀、留优去劣的原则，伐除被压木、弯曲木、病腐木、枯立木等价值量随林龄的增加而降低的贬值资源以及霸王树。根据研究需要，采伐方式以生态疏伐为主，生态疏伐是根据林分自然稀疏规律，有目的的伐除生长不良以及过密林分中的部分林木，调整林分树种组成和空间结构，以促进保留木生长和林下植被更新的抚育间伐方式[10]，而不仅限于为调节目的树种个体间的矛盾而进行的单纯疏伐措施。采伐强度按照国家标准控制在20%以内，伐后郁闭度减小，因此在林内造成一定的开阔空间。然后通过破土、割灌、扩穴除草、折灌等措施在林间空地进行林下人工植苗更新，植苗密度为1 110株/ hm2，更新苗主要以当地易成活的针叶树种云杉、红松为主，株数比例为3∶2。随着林下更新层的生长，逐渐在经营抚育的过程中将上层阔叶林伐除，基本实现杨桦低效林向针阔混交林或针叶林的改造。

2.2 指标选取

改造后的林分密度降低，径高结构分布、树种组成等因子发生变化，并且由于更新苗的引入，使林地生产力、林分生态功能等发生改变[11]。因此，本研究采用定量计算的方式，从林地生产力价值、林分固碳释氧价值和林分涵养水源价值3个方面对低效林改造所产生的效益进行对比分析。

2.2.1 林地生产力价值 林地生产力通常是指单位面积上林木生长潜力的高低，它是衡量森林资源质量的重要指标。本研究从林木生长价值和更新苗的潜在价值2个方面对林地生产力进行阐述。

(1) 林木生长量通过调查林地的树木生长量，掌握林地生产力。在2015年8月对4个样地进行调查，填写样地调查表。并通过解析木的方式，分别在每个样地内选取3株平均木，共12株，对解析木数据进行分析，得出单木在2012—2015年的生长量，推算出样地内林分蓄积量的增长量，从而根据木材价格计算出林木生长价值。

(2) 更新苗的价值按照投入产出比的方法计算收益。统计造林时所用苗木量以及用工量总费用，再针对当前的幼苗进行调查，测量苗高，统计成活率，按大苗价格计算期间收益。

2.2.2 林分固碳释氧价值 固碳释氧是森林在生长发育过程中，不断的与大气进行物质交换的过程，通过固定大气中的CO2，并释放出O2，维持大气中的碳氧平衡，减少温室效应[12-13]。固碳释氧量利用生物量推算法。按照《森林生态系统服务功能评估规范》(LY/T1724-2008)中公布的参数为依据，计算森林生态系统固碳释氧服务功能的经济价值[11]，公式如下：

Qc=Pi·Cc×1.63·Dc·W

(1)

式中：Qc——林分固碳价值(元);Pi——样地面积(hm2);Cc——固碳价格(1 200元/t)，1.63——计算系数;Dc——CO2中的碳含量，为27.27%;W——林分净生产力(t/hm2)。

Qo=Pi·Co×1.19W

(2)

式中：Qo——林分释氧价值(元);Co——氧气价格(1 000元/t)； 1.19——计算系数。

林分净生产力是指森林在一定时期内的生长量与耗损量之和，其中耗损量包括凋落量、枯损量和虫蚀量(即动物和昆虫等的啃噬量，由于量很小通常予以忽略)[13]。本研究中杨桦次生林生长发育良好，虫蚀量基本可以忽略，凋落量和枯损量按实际调查中枯立木的量计数，公式为：

W=U-U0

(3)

式中：W——林分净生产力(t/hm2);U0——枯立木生物量(t/hm2)。

1996年方精云等收集了全国各地的758组生物量和生产力研究数据，建立了生物量与蓄积量的线性回归方程及21个优势树种的计算参数，2000年通过充实和完善，对参数进行了修订[15-16]。该方程已被广大研究者认同和采纳，本研究即采用此回归方程，根据调查资料中已有的林分蓄积量按下式计算生物量：

U=αV+β

(4)

式中：U——每1hm2林分生物量(t/hm2);V——每1hm2蓄积(m3/hm2);α,β——参数。

2.2.3 涵养水源价值涵养 水源是指森林生态系统对于水分的拦蓄能力，本研究认为森林的水源涵养量主要有以下3个方面：冠层截留量、枯落物持水量和土壤蓄水量[17]。

R=∑(Pi·H·ai)

(5)

式中：R——冠层截留量(m3);H——研究区内平均年降水量(m);ai——冠层截留率(%)。

枯落物持水量的测定采用室外样方采集和室内浸水法，分别在样地内随机选取3个大小为30cm×30cm的样方a，b，c测定枯落物的未分解层、半分解层厚度，并用塑封袋分层取样。在尽量保持原状的情况下带回室内进行自然称重和烘干称重，然后采用浸泡法测定枯落物的最大持水量。

根据杨桦根系分布特征，在上述枯落物采集点利用环刀对土壤进行分层取样分析，将土壤分为3层：0—10，10—20，20—30 cm，用环刀每层取3个样点作平行数据，计算时取平均值作为该层土壤的有效值。将土样密封后带回实验室，进行烘干、称重，测定土壤容重。并利用环刀法测定土壤毛管孔隙度、非毛管孔隙度等，计算土壤蓄水量。

3 结果与分析

3.1 林地生产力价值

3.1.1 林木生长价值 2015年8月，在4个样地内分别选取3株平均木做解析木，根据解析木数据，测量并计算单木在最近3 a内的生长量，分别取3株解析木生长量的平均值作为样地内的单株生长量。另外，由于样地原本立地条件较差，改造样地内枯立木、病腐木等在进行疏伐时已予以清除，但未改造样地内仍然存在较大数量，经过统计，4个样地内的枯立木、病腐木的总量分别为85株(X0)、12株(X)、181株(Y0)、35株(Y)，不计入现有林分密度(表2)。

表2 各样地生长量变化情况及生长价值统计

由表2可以看出，在研究期间X，Y样地的单木生长量较X0，Y0都有所提高，胸径生长率分别提高了20%，24%，树高生长率分别提高了12.5%，16%，从而带来材积生长率的提高，分别为32.14%，58.3%。因此，根据样地调查表，计算出各样地的材积平均增长量，按照当地木材价格730元/m3，可知林木生长所产生的价值为15 383.79，17 471.97，8 670.58，10 552.15元/ hm2。改造后样地X，Y的林木生长材积价值较对照样地X0，Y0的分别增长了13.6%，21.7%。说明在进行了改造措施后，由于林分密度降低，林木生长空间开阔，对光照、水分等因子的吸收加强，因此林分生长量有了较大提高，从而带来了整个样地内林分蓄积量的大幅度提升，产生出更高的林木价值。

3.1.2 更新苗的价值改造时样地 X，Y所选取的苗木规格基本都在35～45 cm左右，按照当地苗木价格1.2元/株计算，用工费用为3 000元/hm2。经过调查统计，苗木成活率均为95%，平均苗高为云杉55 cm、红松50 cm，按此规格历年平均苗木价位为云杉6元/株，红松10元/株。因此，按照投入产出比的方法，更新苗价值=大苗价格×成活率×造林株数—小苗价格×造林株数—用工费用，得出在研究期间内，样地X，Y内的更新苗所产生的价值分别4 826.4，4 458元/hm2。

3.2 固碳释氧价值

对于固碳释氧价值的研究采用生物量推算的方法。以方精云等[16]对生物量和蓄积量线性回归方程的研究，所得出的参数为参考，根据上述公式，得出表3结果。

表3 对照样地与改造后样地的固碳释氧价值对比

分析表3可以得出，改造后的样地净生产力的增加量较改造前分别提高了2.76，1.22 t/hm2，这是由于蓄积量的增长量有所提高，以及采取疏伐措施后X，Y样地内枯立木的数量较X0，Y0少。因此，结果是X，Y样地的固碳释氧价值均高于X0，Y0样地，增长幅度分别为18 061.24，8 444.67元/hm2，增长率分别为13.4%，9.2%。说明由于蓄积量增长较改造前的提升，带动林分净生产力的提升，因此所产生的固碳释氧价值也相应的增多，改造后的样地表现出一定的优势。

3.3 涵养水源价值

3.3.1 冠层截留量 本研究冠层截留量参照温远光等[18]对中国主要森林类型冠层截留规律的研究过程总结出的北温带山地落叶阔叶林的林冠截留率回归方程，降水量参照回北省围场县2012—2015年的平均降水量为435.4 mm，代入公式(5)中可得各样地的冠层截留量分别为777.18，750.18，824.65，797.85 m3/hm2。

可以看出，由于进行疏伐，伐除霸王树、被压木等对林分生长的不利因子，但同时也对林分冠层产生了影响，造成林冠面积降低，林分的郁闭度减小，因此对降水的截留程度随之减小。但在研究期间，改造后的林分林冠生长空间增大，林冠面积较2012年改造之初增加，再加上对照样地内枯木的数量较多，因此冠层截留差距不大，分别为-27，-26.8 m3/hm2。

3.3.2 枯落物持水量室外收集 枯落物，室内称重，计算样地内的枯落物总量。然后烘干，浸泡12 h，测定样方枯落物的最大持水量，推算整个样地的蓄水总量。以每块样地中所取得的3个样方的平均值作为有效值。整理结果详见表4。

表4 对照样地与改造后样地的枯落物持水量

由表4可以看出，对照样地的枯落物厚度比改造后的样地枯落物厚度大，这是由于改造后的样地由于进行疏伐，林分密度降低，郁闭度减小，树种组成改变。再加上人工进行林下更新造林，造成枯落物总储量较对照样地少，从而导致改造后的样地蓄水总量小于改造前，但差距幅度较小，分别为-0.63，-1.44 t/hm2。

3.3.3 土壤蓄水量 土壤容重是反映土壤物理性质的重要参数，容重反映土壤透水性、通气性和根系延展时阻力的大小。土壤容重小，表明土壤疏松多孔，结构性良好；反之，则表明土壤紧实板结而缺少团粒结构[19]。

土壤孔隙度是反映土壤物理性质的重要参数，是土壤中养分、水分、空气、微生物等的迁移通道、贮存库和活动场所。对森林生态系统而言，毛管孔隙度的大小反映了森林植被吸持水分用于维持自身生长发育的能力，而非毛管孔隙度的大小反映了森林植被滞留水分、发挥涵养水源和削减水土流失的能力[20]。因此本次研究以有效持水量作为林分土壤蓄水量。计算整理结果详见表5。

表5 对照样地与改造后样地的土壤蓄水量

由表5可以看出，在同一样地内的土层，土壤容重随着厚度的增加而增大，说明表层土较下层土更加疏松。在不同的样地内，X，Y样地各土层的土壤容重较X0，Y0样地小，说明改造后土质更加疏松，结构更好。非毛管孔隙度也较改造前增大，因此土壤的有效持水能力增大，增长幅度别为77，55 t/ hm2。这是由于改造后林分密度更加合理，以及更新苗的引入，土壤性能和土壤结构的优化，对水分的拦蓄能力增强。

涵养水源量=冠层截留量+枯落物持水量+土壤蓄水量。

因此，可以计算出各样地的涵养水源量。按照水库工程库容的成本价0.67元/t计算，则各样地所产生的涵养水源价值如表6所示。

表6 对照样地与改造后样地的涵养水源价值统计 t/ hm2

由表6及上述总结可以得出，虽然改造后样地X，Y在冠层截留量和枯落物持水量方面较对照样地X0，Y0稍低。

但由于改造后的林地土壤结构的改变，蓄水能力增加，总体涵养水源量仍然保持高于改造前的趋势，高出值分别为49.37，26.76 t/hm2，相应的所创造出的涵养水源价值分别高出33.07，17.93元/hm2。

综上可知，对上述3方面的价值进行统一后进行归一化处理后得出表7所示。

表7 对照样地与改造后样地总体效益价值 元/ hm2

由表7可以看出，改造措施使林分结构发生变化，导致林地生产力和林分的生态功能也发生改变，改造后的样地X，Y无论是在林地生产力还是林分生态价值方面均高于对照样地X0，Y0。疏伐措施以及更新苗的引入直接带来林地生长力的提高，较对照样地X0，Y0分别高出6 914.58，6 339.57元/hm2，增长率分别为44.9%，73.11%。固碳释氧价值方面有了很大程度的提高，这是由于改造后的林分蓄积量的增加，从而净生产力提高，导致林分的固碳释氧价值有了相应的提高，分别提高了18 061，8 444.68元/hm2，增长率分别为13.4%，9.2%。同理，涵养水源价值的增长量分别为33.07，17.93元/hm2，增长率5.4%，2.6%。

因此，综合3方面量化因素可知，改造后的样地X，Y在研究期间所增长的价值要高于未改造的对照样地X0，Y0，在可计算范围内的价值增长量和价值增长率分别为25 008.89(16.6%),14 802.17元/hm2(14.6%)。

4 讨论与结论

通过对杨桦低效林的改造，分析研究了改造后的林分与未进行改造的林分在研究期间内所产生的不同效益的问题，分别从林地生产力、林分固碳释氧和水源涵养3个方面的价值进行对比。结果表明，改造后的林分在各方面的效益都具备绝对优势，总体价值分别高于未改造的对照样地的价值量为25 008.89，14 802.17元/hm2。这说明对杨桦低效林的改造不仅能够改善林分结构，还能带来林地生产力和林分生态功能的提高，并同时带来经济效益的增长。

(1) 林地生产力价值。改造后的样地在林地生产力方面高于对照样地的价值分别为6 914.58，6 339.57元/hm2。其中表现在林木生长价值方面的高出的值分别为2 088.18，1 881.57元/hm2。表明在进行改造后，由于林分结构发生变化，林分生长能力得到提升，原有的林分结构不能更好的发挥林分的生长潜力，说明改造的必要性。另一方面，更新苗带来的价值分别为4 826.4，4 458元/hm2，这部分相对于未进行林下更新改造的林分来说是纯收益。

(2) 固碳释氧价值。改造后的样地在固碳释氧功能方面较对照样地的增加量分别为18 061，8 444.68元/hm2。表明在对林分进行改造后，由于林分蓄积量的增加，其生物量、净生产力等指标也相应的增长，直接带来了经济价值的增长。

(3) 涵养水源价值。改造后样地在研究期间内在涵养水源价值方面高出对照样地的价值分别为33.07，17.93元/hm2。由于林分密度的减小和更新苗的引入，总体上林分对水分的拦蓄能力增强。另外，分析土壤性质的差异可以看出，改造后的样地土壤性能较对照样地优良，预测能在保持水土方面具备更大的潜力。

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Reform Benefits of Inefficient Poplar and Birch Stands in Mountainous Area of Northern Hebei Province

MA Jiaojiao1, WANG Haitao2, WANG Haiming2, XIAO Zhijun2, HUANG Dongmei3, GU Jiancai1

(1.CollegeofForestry,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071000,China; 2.MulanWeichangForestryAdministrationofHebeiProvince,Chengde,Hebei068450,China; 3.CollegeofScience,AgriculturalUniversityofHebei,Baoding,Hebei071000,China)

[Objective] The objective of this study was to analyze the result of reforming inefficient poplar and birch stands in order to provide a theory reference for the forest health management for the region. [Methods] We reformed the stands by the means of ecological thinning and regeneration under forest canopy, and analyzed the benefits from reformed plots in comparison with the control plots by quantitative calculation from three indices, including forestland productivity, carbon fixation and oxygen release and water conservation function. [Results] Compared with the corresponding control plots, the reformed plots of poplar and birch stands had a increased benefit of 25 008.89 yuan/ hm2and 14 802.17 yuan/ hm2respectively, and the corresponding benefit rate were 16.6% and 14.6%, indicating that the reformed plots have better advantage than the control plots. The values of forestland productivity had raised by 44.9% and 73.11%, respectively in comparison with the control plots. The values of carbon fixation and oxygen release function had raised by 13.4% and 9.2%. Similarly, the values of water conservation function had raised by 5.4% and 2.6%. [Conclusion] The qualities of inefficient poplar and birch stands were significantly improved after reforming by the means of ecological thinning and regeneration under forest canopy. The reforming not only brought the growth of economic benefit, but also improved forestland productivity and ecological functions.

mountainous area of Northern Hebei Province; inefficient poplar and birch stands; reform; efficiency analysis

2016-01-29

2016-03-03

河北省科技厅支撑项目“河北省滦河流域水源林经营关键技术研究与示范”(15227652D)

马娇娇(1988—),女(汉族),河北省石家庄市人,硕士研究生,研究方向为森林资产评估。E-mail:80528252@qq.com。

谷建才(1963—),男(汉族),河北省藁城市人,教授,主要从事森林可持续经营等方面的研究。E-mail:gujiancai@126.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.037

A

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