林分状态分析方法在兴安落叶松天然林林分质量评价中的应用

王千雪，赵中华，刘 灵*，张吉利，申方圆

(1.国家林业局 哈尔滨林业机械研究所，中国林业科学研究院 寒温带林业研究中心，黑龙江 哈尔滨 150086；2.中国林业科学研究院 林业研究所，北京 100091)

森林质量关系到国家木材生产和生态安全。我国森林资源总量严重不足，森林质量不高，生产潜力远未得到充分发挥[1]。目前我国林业所面临的形势正从以数量扩张为主转向以质量提升为主发展，森林质量提升需要通过采取科学、合理的经营措施，从而提高森林的生产力，使之正向演替发展，进而改善森林结构，增强森林功能，不断提高森林质量，逐步实现森林资源的可持续发展[2-3]。目前越来越多的人认识到健康森林的重要性，它影响着全球生态环境，同时也关系着人类的生存和发展[4-5]。天然林是森林生态系统的主体，对维持生物多样性、减缓自然灾害、保护生态环境、调节全球碳循环等方面发挥着重要和不可替代的作用[6]。目前国内外进行了有关天然林的大量研究[7]，热点之一便是天然林复杂结构的经营模拟，而经营模拟前提就是量化描述林分状态，通过对林分状态的精确定量描述，人们可以更好地了解森林生态系统的现状及未来的发展方向[8-9]。惠刚盈[10-11]等提出了林分状态评价方法，林分状态评价为林分质量高低评判提供了基础，林分状态合理与否关系到森林经营的必要性和紧迫性，对其评价的结果直接影响到经营决策的质量，而林分状态图可作为判断森林质量高低的一种手段，能够为森林质量的提升提供经营决策理论依据[12]。

兴安落叶松林是我国寒温带典型的森林类型，广泛分布于大兴安岭地区[13]，由于其在冻土地区能维持稳定生长而备受关注，对改善东北地区乃至全国生态环境，促进可持续发展有着举足轻重的作用[14]，对全球碳平衡和气候变化也有着重要的影响[15-17]。目前已有很多关于大兴安岭寒温带针叶林结构特征相关的研究，但森林质量评价的研究相对较少。本研究在分析不同类型兴安落叶松林空间结构特征的基础上，通过林分状态评价方法[11]对林分质量进行分析，利用林分状态评价法来验证以往通过生产力途径而得出的不同类型林分质量的规律，研究结果将为大兴安岭典型森林类型的经营决策及森林质量的提升提供理论科学基础，对保护我国唯一的寒温带明亮针叶林森林资源以及大兴安岭地区森林可持续经营具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

大兴安岭呼中林区位于伊勒呼里山北坡，(51°14′40″-52°25′N，122°39′30″-124°21′E)，呼玛河中上游地区[18]。属于高纬度寒温带地区，气候特点是夏季短暂且雨热同季，冬季漫长而寒冷可达7个月之久，永冻层与季节性冻层广泛分布，土壤沼泽化现象严重。主要树种为兴安落叶松(Larixgmelinii)，占林地总面积的2/3以上，樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)和云杉(Piceakoraiensis)所占面积较小且混生于兴安落叶松林，偃松(P.pumila)分布于海拔较高的地带。由于气候寒冷，永冻层发育、土层瘠薄等因素使得阔叶树种生长受到限制，仅有部分白桦(Betulaplatyphylla)、山杨(Populusdavidiana)、钻天柳(Choseniaarbutifolia)等几种阔叶树种[19-20]。主要代表林型有：杜鹃(Rhododendron)落叶松林，分布于海拔较高的山坡中上部；杜香(Ledum)落叶松林，分布于阴坡、半阴坡下部缓平地段；草类落叶松林，分布在阳坡或半阳坡。

1.2 研究方法

1.2.1 样地设置 选择3块50 m×50 m典型兴安落叶松林样地，分别为杜香-兴安落叶松林、草类-兴安落叶松林和杜鹃-兴安落叶松林，利用全站仪对样地内胸径>5 cm的林木定位并进行全面调查，调查的内容包括树种、胸径、树高、郁闭度、断面积及林下更新等。试验林分别位于大兴安岭呼中林区38林班、47林班和755林班，样地基本信息见表1。

表1 样地基本特征Table 1 General situations of sample plots

1.2.2 林分状态的表达及取值 林分状态通过林分空间结构(垂直结构和水平结构)、林分年龄结构、林分组成(树种多样性和树种组成)、林分密度、林分长势、顶极种竞争、林分更新以及林木健康8个方面10个因子来表达[9-10]，其中杜香-兴安落叶松林为天然纯林，不考虑林分组成和顶极种竞争2个指标。

1.2.3 林分状态的单位圆分析 根据最优林分状态的π值法则，利用单位圆分析方法对不同类型的兴安落叶松林进行林分状态综合评价[11]。首先画一个半径为1的圆，将圆平均分成n个扇形区(n代表林分状态指标个数)，再从圆心开始分别画出相应的指标线，最后将指标线按值大小排序，标记排序后现实林分的指标值，依次连接构成一个闭合图形，闭合图形的面积即为现实林分状态值，该面积与最优林分状态值的比值(即π)为现实林分质量最适当的度量，用公式表达为：

(1)

式中：s2i=(L1L2sinθ)/2；ω为现实林分状态；s1为闭合图形中扇形面积和；s2为闭合图形中三角形面积和；n为指标个数(n≥2)；m为指标值=1的个数；L1和L2分别为三角形部分的相邻指标值；θ为相邻指标构成的夹角。

ω取值在[0,1]，依据ω大小可将林分状态分为5类：ω≥0.70代表状态极佳，林分状态指标合理，为健康稳定的森林；ω=[0.55～0.70)代表状态良好，林分状态指标大多数合理，基本符合健康稳定森林的特征；ω=[0.40～0.55)代表状态一般，1/2左右的林分状态指标不合理，需要进行林分经营调节；ω=[0.25～0.40)代表状态较差，超过1/2的林分状态指标不合理，急需要进行林分经营调节；ω<0.25代表状态极差，大多数林分状态指标不合理，林分质量极差，经营主体缺失。

2 结果与分析

2.1 不同类型兴安落叶松林林分结构特征

利用winklemass软件计算得出不同类型兴安落叶松林结构特征。角尺度分布可反映林分中林木个体的分布格局(图1)，3种类型兴安落叶松林角尺度均值分别为0.461、0.492和0.497，表明杜香-落叶松林为均匀分布，草类-落叶松林和杜鹃-兴安落叶松林为随机分布。大小比数是分析参照树与最近4株相邻木的大小相对关系(图2)，反映林木在林分中的优势度。3种类型兴安落叶松林大小比均值分别为0.489、0.497、0.480，且不同取值林木所占比例相差较小，说明林分中优势、亚优势、中庸、劣态及绝对劣态的树木所占比例基本相同。混交度是用来说明林分中树种空间的隔离程度(图3)，杜香-落叶松林为纯林，混交度为0，草类-落叶松林混交度为0.327，杜鹃-落叶松林混交度为0.655。

图1 角尺度分布频度Fig.1 Distributing frequency of neighborhood pattern

2.2 不同类型兴安落叶松林林分状态指标分析

根据1.2.2得出不同类型兴安落叶松林的林分状态指标值(表3)。由表3可知，3块样地在林分空间结构的垂直结构上基本相同，都属于复层，水平结构杜香-兴安落叶松林属于均匀分布，其他2块样地均为随机分布；年龄结构方面，草类-兴安落叶松直径分布为倒“J”形，属异龄林，其他2块样地直径分布为单峰状，属同龄林；林分组成方面，杜香-兴安落叶松表现为纯林，草类-兴安落叶松林伴生树种为白桦，杜鹃-兴安落叶松林伴生树种为白桦、山杨及樟子松，其树种多样性及组成系数均优于草类-兴安落叶松林；林分密度方面，3块样地均表现适中，密度较为合理；林分长势及顶极种竞争方面，杜香-兴安落叶松林优于其他2种林分类型；而林分更新方面，杜香-兴安落叶松林幼苗数量少，更新较差，其他2块样地更新处于中等水平；林分健康方面，3块样地均表现良好，不健康林木所占比重较小。

图2 大小比分布频度Fig.2 Distributing frequency of neighborhood comparison

图3 混角度分布频度Fig.3 Distributing frequency of mingling degree

2.3 不同类型兴安落叶松林林分质量分析

根据林分状态评价方法，得到不同类型兴安落叶松林分质量综合分析(图4)。由图4a可知，杜香-兴安落叶松林(ω=0.295)林分质量较差，林分水平结构、林分年龄结构以及林分更新3个指标不合理。该林分在过去进行过择伐及中幼林抚育，水平结构表现为均匀分布，林龄结构不合理；林分密度适宜而更新不良，表明土壤种子库存在问题，主要原因是杜香-兴安落叶松林所处的立地环境条件差，属于塔头沼泽林地类型，生境较冷湿[28]，枯枝落叶分解不良，林分组成上，除兴安落叶松很少有其他树种生长，所以通常表现为纯林，土层较浅且多为永冻层发育地带，永冻层的融解层很浅，在生长季期间拨开土壤表层冻土层清晰可见，从而致使兴安落叶松生长缓慢，林分更新较差。

表2 不同类型兴安落叶松林林分状态特征Table 2 Stand state situations of different L.gmelinii forest types

(a)：杜香-兴安落叶松林=0.295；(b)：草类-兴安落叶松林=0.531；(c)：杜鹃-兴安落叶松林=0.500。

由图4b可知，草类-兴安落叶松林(ω=0.531)林分质量处于中等，该林分在过去进行过常规抚育，较其他2种类型兴安落叶松林林分状态稍好。树种多样性指标不合理，除优势树种兴安落叶松外，仅有部分白桦伴生；土壤类型属于永冻层地带，但土层较厚，具有厚的腐殖质层，存在较少灌木层，但却有发达的草本层，草本盖度>90%；林分更新和垂直结构等指标处于合格水平；水平结构、年龄结构及林分密度等指标良好。

由图4c可知，杜鹃-兴安落叶松林(ω=0.500)林分质量处于中等，年龄结构、树种多样性和顶极种竞争3个指标不合理。该林分属于同龄混交林，树种多样性较低，伴生树种为白桦、山杨及樟子松；顶极种竞争不合理表明大径木少而小径木多，主要受立地条件影响；杜鹃-兴安落叶松林一般生长在坡上，永冻层相比较则不发达，林木生长良好，灌木层较发达，林分更新和垂直结构指标处于合格水平，水平结构、林分密度等指标良好。

3 结论与讨论

利用林分状态评价法对不同类型兴安落叶松林林分质量进行分析，杜香-兴安落叶松林林分质量较差，草类-兴安落叶松林及杜鹃-兴安落叶松林林分质量一般。3种不同类型兴安落叶松林之间的林分质量相比较为草类-兴安落叶松林>杜鹃-兴安落叶松林>杜香-兴安落叶松林，而以往对于这几种林型生产力相关的研究也表明草类-兴安落叶松林的生产力最高，杜香-兴安落叶松林的生产力最低[29-31]，说明利用林分状态评价法能够准确体现出不同类型的林分质量高低，随着林地立地条件的改变，土壤越湿冷化，越不利于林木的生长，生产力越低，林分的质量水平也越来越低下。

研究所分析的3块标准地的天然林总体林分质量一般，需要进行林分经营调节。与以往对该区森林质量评价相关的研究结果较为一致[32-34]。由于大兴安岭冬季漫长寒冷，温暖季时间短且雨热同季，永冻层与季节冻层分布广泛，沼泽化现象严重，以及土层瘠薄、营养贫乏等环境条件影响，致使林木生长缓慢，林分更新不良，阔叶树种的生长受到限制，树种多样性较低。同时由于多年的不合理采伐等人为因素，大兴安岭兴安落叶松天然林目前存在生产力低、森林结构不合理、抵抗力与恢复力弱等一系列问题，未来需针对不同林型的具体经营诊断结果采取相应的措施，进行林分经营调节。例如针对水平结构可通过结构化森林经营中林木分布调节技术，改善林龄结构可通过更新幼树的微环境调节，更新问题可通过人工播种、种植目的树种等方法调节[12]，从而促使大兴安岭兴安落叶松林的林分质量得以提升，森林能够向健康、稳定的方向发展。

基于林分状态的林分质量评价可从林分结构(垂直结构、水平结构、年龄结构、树种多样性、树种组成、林分密度)和林分活力(林分长势、顶极种竞争、林分更新、林木健康)2个方面加以描述，这10个因子能够表征林分主要的自然属性。本研究采用的林分状态评价法，作为衡量森林质量优劣的一种表达方式可操作性强，评价指标科学、合理、准确，评价结果直观可靠，符合现实林分的实际情况。基于林分状态的林分质量评价方法是一种综合量化评价方法，林分状态图可作为诊断森林质量问题的一种简洁工具，能够直接明确最优林分状态的期望值(期望值=π)，林分状态指标图的面积大小决定着现实林分质量优良程度，该面积与最优林分状态值的比值为现实林分质量最适当的度量，无论针对任何林区、任何林分类型均适用，可为不同地区的森林经营决策及森林质量的提升奠定理论科学基础。

致谢：本研究在撰写过程中得到中国林业科学研究院惠刚盈研究员的悉心指导，野外调查中呼中林业局森林调查队李善尧队长给予了热情关照，甘肃省小陇山林业实验局石小龙、李录林等同志参与了野外调查，在此一并表示感谢！

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