油松人工林合理经营密度的研究

李显鲜,杨培华,郝红科,康 乐,陈雪姣

(1.西北农林科技大学 林学院,陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 国家林业和草原局油松工程技术研究中心,陕西 杨凌 712100;3.国家林业和草原局华东调查规划设计院,杭州 321000；4.襄阳市国有林场工作站,湖北 襄阳 441000)

林分密度是指单位面积内林木所占据的空间体积,是说明林木对其所占空间利用程度的指标。合理的林分密度对于人工林内的物种多样性的改善有很大的帮助,合理的林分密度不仅可以促进林分结构的优化,也可对人工林向天然林的演替起到促进作用[1]。控制和调整林分密度始终是森林经营研究的核心。林分密度是除了立地质量外又一个影响林分生长的重要因素,它不仅影响林分的质量和产量[2],而且还影响林分内的环境和林分的稳定性。同时,林分密度对于林下物种多样性、生物量以及林分内其他方面也有很大的影响[3-12]。如何对目标林分进行科学合理的密度调控,不同目标林其林分的合理密度到底是多少,一直都是森林资源培育致力攻克的问题[13-16]。

国内外学者对于林分密度已有较为深入的研究,自Reineke[17]在1933年提出密度竞争效应以后,林分密度方面的研究逐步摒弃了凭个人实践经验、观察等不科学的研究方法,进入了数学模型数量化研究的新发展阶段。几十年来,一系列的研究方法被林学家们提出[18-19],自然稀疏法则就是一项较为突出的研究成果。至此,一些交叉方向的相关理论法,如,种群生态法也同时融入到密度的研究中[20]。目前,关于林木密度方面的研究,主要涉及到评定指标、对林地生产力的影响、人工林合理密度、密度效应及密度控制管理等方面。目前,对于油松人工林合理经营密度的研究较少,因此,本文将以洛南县油松人工林为研究对象,根据实地调查,研究油松人工林的生长特点,确定洛南油松人工林的合理经营密度,以便能为洛南县油松人工林的合理经营和管理提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

洛南县位于陕西省东南部,地处秦岭东段南麓,洛河上游,其地理坐标介于北纬33°52′00″～34°25′58″、东经109°44′10″～110°40′06″之间,海拔范围处于1 020～2 646m。洛南县属于暖温带南缘季风性湿润气候,年平均气温为11.50℃,是陕西省商洛市中唯一一个属于黄河流域的县城。由于群山连绵,起伏悬殊,该地具有明显山区气候特征,季风影响明显。洛南县四季分明、气候温和、雨量充足,夏无酷暑、冬无严寒。洛南的地势为西北高、东南低,形状和飞鸽很为相似(图1)。洛南县境内的最高点草链岭和最低点的兰草河口,两者之间的相对高差的最大值为1 976m。洛南县土壤总共有106个土种,在垂直、水平方向皆有分布,也有地域分布。但是主要以垂直分布为主,棕壤土的分布海拔相对较高,面积仅次于黄棕壤,是洛南县主要森林土壤。根据洛南县所处的地理位置及地形地貌,在我国植被区划中,归属暖温带植被垂直带,主要植被类型有栓皮栎林带、华山松尖齿栎林带、桦木林带、云杉林带、冷杉林带以及高山草甸。

图1 洛南县位置示意图Fig.1 Schematic diagram of location of Luonan County

1.1 材料来源

本研究实验数据来自于陕西省洛南县林区古城林场,于2018年在该林场的油松人工林中设置并调查了69块20m×30m的标准地(林分年龄分别为10,20,30,40,50a),每块样地设置2m的缓冲区。对样地中的油松进行每木检尺和每木定位,树高使用测高仪直读测高器进行测量,精度为0.5m；胸径均采用统一规格的2m专用钢镀围尺测量,精度为0.1cm；东西南北4个方向冠幅用皮卷尺(30m)测量,精度为0.1m；林木间相对坐标使用格网法将样地分割为5m×5m的小格网,然后用皮尺精确定位每木坐标；同时,记录样地的东北角经纬度、海拔、坡向、坡位和坡度等立地因子。油松样地基本情况如表1所示。

表1 油松样地基本情况Tab.1 Basic information of sample plots

(续表)

2 研究方法

2.2 冠幅与胸径数学模型的建立

本研究通过对林分的合理经营密度的探索和研究,拟为研究区油松人工林的生长管理和抚育间伐等经营方式提供科学依据。从所调查的标准地中随机选取生长正常、没有病虫害、树冠和树干生长良好的油松,选择其胸径和冠幅成对值,将油松的东西冠幅与南北冠幅算出平均值。将油松的冠幅按照径阶分组整理,具体情况如表2所示。

表2 洛南县油松人工林冠幅——胸径分组表Tab.2 Table of crown and DBH of pinus tabulaeformis in Luonan County

根据洛南县油松人工林分布区调查的冠幅与胸径的值,建立洛南县油松人工林冠幅与胸径的数学关系,建立林分修正最大密度和胸径之间的数学关系及表达式,最后使用半峰宽公式计算洛南县油松人工林的合理经营密度。

按照所测相关数值,选取5种数学模型拟合回归表达式,具体公式如表3所示。

表3 冠幅胸径拟合回归数学模型Tab.3 The regression model of crown width and DBH

2.2 冠幅重叠系数计算

在实际的林分中,林木的冠幅之间应当有一定程度的重叠部分。

(6)

油松的冠形可以看作是塔形,其树冠表面积的计算公式为:

(7)

(8)

式中:K为树冠的重叠系数,CSAi为第i株立木的树冠表面积,CDi为第i株立木的冠幅,CD东西i为第i株立木的东西方向冠幅,CD南北i为第i株立木的南北方向冠幅,CL为冠长,n为样地内的林木株数。

2.2 最大修正密度数学模型建立方法

林分样地的理论最大密度计算公式为:

Nmax=10000/Cw

(9)

式中:CW为树冠投影面积。第一步,可以根据此公式计算出样地的最大理论密度,但是,实际上样地中树木的冠幅之间存在一定的相交情况,所以,由此公式计算出的密度值会比实际的值偏小,故需要对此值进行调整。本试验用前一步计算出的K值(树冠重叠系数)来调整此值,将树冠重叠系数和理论最大密度相乘,即可得到修正后的最大密度[21]。修正的最大密度公式为:

Nmax修正=Nmax×(1+K)

(10)

2.2 合理经营密度确定

本试验采用郑天汉[22]应用的半峰宽公式,计算洛南县油松人工林的合理密度经营度。首先,利用修正后的最大密度计算出所调查样地的密度经营度:

(11)

式中:DN为密度经营度,Np为样地的现实密度。

其次,合理密度经营度的区间计算公式为:

(12)

(13)

3 结果与分析

从表2中可以看出,洛南县油松人工林的冠幅和胸径之间存在一定的关系,随着平均胸径的增大,其平均冠幅也在随着增大。小径阶林分中,林分密度普遍比较大,林木之间相互拥挤,拥挤度较高,冠幅与冠幅之间影响也更大,林分中的优势木之下还有很多被压木,被压木的冠形受其他优势木的影响而变化,在空间上的延伸也受到限制,所以小径阶林分中冠幅也较小。

3.3 冠幅与胸径相关数学模型的建立

根据前人的研究,林木的胸径和密度具有相关性,且相关性很高,将本研究所调查的样地林分因子数据进行分析,使用公式(1)—(5)这5种数学模型来进行分析,拟合结果如表4所示。

表4 冠幅与胸径相关数学模型回归结果表Tab.4 Results of regression models related to crown width and DBH

表4中的各表达式,除式(3)的R2值其决定系数为0.76,属较低之外,其他表达式的决定系数都在0.90以上,且各个F值都明显大于F0.05(1.091)=4.84,说明其回归关系显著,故选取决定系数最大并且均方残差最小的式(2),来作为冠幅—胸径之间的最优数学模型(图2),即可得出:

图2 最优拟合模型图Fig.2 Optimal fitting model diagram

CD=-0.50669+0.79871×D0.62976

(14)

3.3 最大密度数学模型的建立

3.2.1林分树冠重叠系数

一般来说,林木在郁闭度为1.0的时候其营养空间可达到最充分的利用状态,林分中立木的冠幅也会呈现出相互交接的现象。而事实上,让树木充分利用侧光更适合林木的生长,所以林木的树冠有适当的重叠为更好。但是,当林分中的林木其胸径连年生长量显示出明显的下降时,表明林木的树冠交叠已到达最高值,这时的林分密度被认为是最大林分密度。本研究选取15～50a生、空间分布较均匀样地的数据来表达林分树冠的重叠状况,将所选择样地中,林木的空间位置信息和冠幅及枝下高处理分析,按照式(6)—(8)求出洛南县油松人工林各样地的树冠重叠系数,具体情况如图3所示。

从图3中可以看出,选取的样地其树冠重叠系数的最大值是0.836 52,最小值是0.501 51,求得其平均值为0.675 937,标准误差为0.088 906,树冠重叠系数属0.6～0.8的值最多。

图3 树冠重叠系数分布图Fig.3 Canopy overlap coefficient distribution

3.2.2不同径阶林分最大理论密度

可以按照林分胸径和冠幅的相关性演算出不同径阶下的林分密度,也可以采用林分密度和胸径的相关性进行推算。将式(14)得出的树冠直径的值和树冠重叠系数,将其带入式(9)和(10)中,计算出不同径阶下林分最大的理论密度以及修正最大密度,各公式为:

林分样地的理论最大密度计算公式为:

(15)

林分样地的修正最大密度计算公式为:

Nmax修正=Nmax×(1+K)

(16)

根据式(14)—(16)3个公式,则能计算出林分在各径阶下的理论最大密度和修正后的最大理论密度,具体情况如表5所示。

表5 各径阶最大密度表Tab.5 Table of maximum density of diameter grade

从表5中可以看出,在同一径阶下,所求出的理论最大密度偏小,经过树冠的重叠系数修正调整之后,得到修正后的最大理论密度。

3.3 洛南县油松人工林合理经营密度的确定

本研究将使用半峰宽公式来演算陕西洛南县林区人工林合理营林密度,以便为后面洛南县林区经营管理提供一定的参考和依据。

3.3.1样地密度经营度

根据式(11)和前一章节计算出的林分修正最大密度的表达式(16),从本次所调查的样地中,随机选择其中45块样地,并计算出所选样地的密度经营度,相对应的密度经营度结果如表6所示。

表6 各标准地密度经营密度表Tab.6 Table of density management in standard plots

3.3.2密度经营度检验

将各样地的数据按0.05组距分为不同的密度经营度,并计算出各组距的理论频数和实际频数,同时,需要对经营密度的频数分布状况进行相关的χ2假设检验。χ2的检验可见公式(17),其计算结果如表7所示。

表7 最大密度模型的经营密度正态分布假设检验表Tab.7 Table of normal distribution hypothesis testing for maximum density model

(17)

3.3.3油松人工林密度经营度区间及合理经营密度

根据半峰宽公式(12)和(13)计算出所调查样地的林分密度经营度区间,得出下限为0.52,上限为0.94,即洛南县油松人工林合理经营密度处于修正最大密度模型(16)时的密度经营度度区间的值为(0.52～0.94)。

为了在日后的营林工作方便查表,将密度经营度划分成了0.52,0.60,0.70,0.80以及0.94这5个等级,各径阶的合理密度如表8所示。

表8 洛南县油松人工林合理经营密度表Tab.8 Table of reasonable management density of pinustabulaeformis in Luonan County

当洛南县油松人工林密度经营度DN<0.52 时,林分密度被认为不太合理,密度较为稀疏,林分在生长前期的总体抗性偏小,会对其整个生长发育产生较大的负面影响,经营管理时需采取相应措施以增大林分的密度；当DN>0.93时,林分的密度结构也属于不合理状况,其林中立木分布偏密集,应在适当的生长时期对林分采取合适的抚育方式,例如,抚育间伐等。

当洛南县油松人工林密度经营度DN值处于0.52～0.94之间时,其林分密度被认为是合理的。在采取抚育管理的时候,林分合理的经营密度会因为不同的经营水平、目标以及条件等的不同而有着比较大的差异,并且在林木不同的生长发育阶段和不同径阶的林分条件下,营林密度皆有着不同。因此,根据实际需求计算出合理的密度区间值就显得尤为重要,它可以为不同经营类型的森林在采取间伐强度时提供理论基础依据[22]。

4 结论与讨论

4.4 结论

依据所调查样地中的数据,选取5种数学模型来进行冠幅与胸径之间回归关系的拟合,得到冠幅与胸径之间的关系方程式:CD=-0.50669+0.79871×D0.62976,R2为0.987 38,均方残差为0.017 78。通过建立胸径和理论最大密度之间的关系方程,将树冠重叠系数和理论最大密度相乘,得到修正后的林分最大密度方程。使用密度经营度公式,计算出随机选取样地的经营度,平均值为0.736,最大值为0.981,最小值为0.317。利用半峰宽公式,计算得到洛南县油松人工林的密度经营度合理经营区间为(0.52,0.94),算出不同径阶下林分密度的最大值和最小值,根据所计算出的数据,编制出适合洛南县油松人工林的经营密度表,可为当地的抚育营林工作提供依据。

4.4 讨论

洛南县油松人工林林分在抚育间伐时,需要设计合理的方案,包括其林分的合理密度,所以在设计抚育方案时应将林分合理密度作为一个很重要的参考指标。林分最终收获量的重要技术环节包括油松适宜经营密度的计算这一技术环节[23],以树冠的投影面积来演算是一种简单方便且较为合理的方法。本研究利用了树冠重叠系数来修正以往理论密度偏小的问题,但还有不足之处,之后可以对不同径阶的立木树冠可重叠的现象做出更深入的探讨,并对不同径阶下取平均树冠重叠系数K值这一方法加以完善。

在查合理经营密度表的时候不用考虑立地条件、林分密度和林分年龄是合理经营密度表的一个亮点,在使用时较为方便。在需要进行抚育管理作业时,针对洛南县油松人工林的某一块林分,只需调查出该林分的平均直径,并且获有整个林分的现有密度数据,就可通过制定的合理密度表,查出该林分所对应径阶与经营度下的合理的保留株数,将之与现有林分密度作比较就可确定出此林分是否需要进行抚育作业或是补植栽种等情况。例如,在洛南县山区有一油松人工林林分,调查得其平均直径为10.4cm,则其林分所对应的径阶为10cm,现实林分密度为2 180株/hm2,查阅合理密度表(表8)可得出,当林分的平均直径处于10.4cm时,其林分密度情况如下:密度经营度在0.52时应为1 321株,0.60时应为1 524株,0.70时应为1 778株,0.80时应为2 032株,0.94时应为2 387株。这说明密度经营度在0.52～0.80时,该林分的密度过大,需要进行适当的抚育间伐,可间伐148～859株树；在经营度为0.94时,则可以根据当地情况进行适当的补植,补植株数为207株。

在林分前期的生长发育阶段,过密的林分在进行第一次抚育间伐作业时,其间伐强度不能为一次性到达标准而过大,应该让林分缓慢过渡,直到适应。

本试验的不足之处在于,油松人工林的生长受到多方面的影响,本研究仅从林分密度和立地方面进行了分析,而有关林分空间配置和林分结构方面还有待进一步研究,因此,本研究不能完全反映洛南县油松人工林的实际情况,但是可以为后续研究提供参考。