基于标准枯死率的蒙古栎天然林健康分析

王卓晖，张文涛，谢遵俊，徐浩然，刘英龙，任增君，高文强

(1.长白山森工集团有限公司汪清林业分公司，吉林 汪清 133200；2.中国林业科学研究院资源信息研究所，北京 100091)

近年来，森林健康已成为各方关注的热点.关于森林健康的定义很多[1]，但仍然没有一个被普遍认可的明确定义.尽管定义不同，但基本都包括了生物多样性，植物枯死、更新和生长间平衡，以及胁迫因子和干扰后恢复能力等内容[2].其中，可持续性已成为一个被认可的标准，即健康的森林必然是可持续的，但可持续性评价常受到主观影响[3].实际上，可持续性可用直径结构来反映，即通过比较观测枯死和维持理想结构标准枯死的关系来度量，反映的是林木生长和死亡的平衡.MANION和GRIFFIN 基于de Liocourt法则提出：一个健康、稳定和成熟的生态系统应可以通过生长和枯死的关系来维持一个稳定的直径结构，即标准枯死(Baseline mortality，BM)[4].这一概念已经用于基于定量生态学的森林健康评价[5]，但我国对此还未见报道.本文引入“标准枯死率”概念，并以长白山森工集团有限公司汪清林业分公司为例，分析景观尺度天然蒙古栎(Quercusmongolica)林健康状况，以期为森林健康评价和经营提供参考依据.

1 标准枯死率概念及数学基础

作为比较新的一种森林健康定量评价方法，标准枯死率是指维持稳定的大小(直径)结构需要统计的各径级枯死木株数比例.通过在景观尺度抽样，利用直径分布模型模拟各径级标准枯死率，并通过与林分各径级实际枯死率比较评价森林健康状况.当观测到的各径级枯死率高于标准枯死率时，意味着存在健康和可持续问题，随着林分生长，进入大径级的树木较少；当观测到的各径级枯死率低于标准枯死率时，意味着结构不稳定，因为有较多的树木存活，生长进入下一径级，从而加剧了种内竞争.因此，通过调整林分结构可以使枯死率高于标准枯死率，达到平衡状态[4，6].

理想的异龄林各径级株数按常量q递减，即符合负指数分布[7]：

N=k·e-βD，

(1)

或

lnN=a-βD，

式中：N为径阶D的株数；k、a、β为参数.对于固定径级宽度，相邻径级株数比(存活率)为常数，即

式中：Ni+1、Ni分别为径阶Di+1、Di的株数；ΔD为径阶宽度；q为前一径阶和相邻下一径阶的株数比，即异龄林典型的倒“J”形分布的q值.维持稳定结构的标准枯死率：

(2)

利用样地调查数据，通过拟合方程(1)得到参数β，再由式(2)可以得到各径级的标准枯死率BM.通过各径级实际枯死率和标准枯死率χ2检验，判断二者是否差异显著，从而分析、评价森林健康状况.

利用标准枯死率评价森林健康状况有几个重要前提[6]：1)为了最大限度地消除单个林分的特殊性影响，该方法只适用于景观尺度，因为在景观以下尺度，存在对大径级树木的抽样不足问题[5]；2)该方法假定在存活木生长进入下一径级的同时枯死木可以辨别，即当确定最合适的径级宽度时，树木生长率和死亡后的分解速度要同时考虑；3)实际观测到的枯死应包括采伐等各种原因导致的树木死亡；4)应了解森林的经营和自然干扰历史及组成树种的生态学特征，从而使结果的解释具有生态学和林学含义.

图1蒙古栎样地分布Fig.1Plot distribution of Mongolian oak

2 基于标准枯死率的蒙古栎林健康分析

2.1 数 据

数据为长白山森工集团有限公司汪清林业分公司1997年和2007年两次森林资源二类调查中的复位样地数据，按系统抽样布设.样地面积0.06 hm2，共获得蒙古栎有效固定样地202块，均为天然林.样地分布见图1.在外业调查中，测定的林分因子包括地类、立地类型、林种、权属、地理位置、优势树种年龄、郁闭度、坡度、坡向、海拔、下木、地被等；样木测定因子包括树种、胸径、树高(每个样地选取3株平均木进行测量)、样木类别.样地基本因子统计量见表1.

表1 样地因子统计量Tab.1 Basic statistics of sample plot

2.2 蒙古栎林健康分析

2.2.1 组成树种的生长量与枯死率

在所有202块蒙古栎样地中共测定样木19 832株，其中，枯死木3 060株(含采伐木)，占总数的15.43%.除蒙古栎外，组成树种还包括白桦(Betulaplatyphylla)、枫桦(Betulacostata)、紫椴(Tillaamu-rensis)、色木(Acermono)、春榆(Ulmuspropinqua)、青杨(Populusussuriensis)、红松(Pinuskoraiensis)、长白落叶松(Larixolgensis)等.各树种年生长量和枯死率见表2.由表2可见：全林分平均年直径生长量为0.152 cm，年枯死率为1.54%.不同树种间年生长量和枯死率存在较大差异且变动较大：红松和落叶松年生长量较大，阔叶树的枯死率高于针叶树.采伐株数占枯死株数的23.1%，最高为落叶松，其他为蒙古栎>白桦>色木>青杨>红松>紫椴>春榆.

表2 主要组成树种的年生长量与枯死率

2.2.2 基于标准枯死率的森林健康分析

将所有树木按2 cm径阶分组，对式(1)进行拟合，结果见表3.由于红松和落叶松株数较少，不参与建模，仅分析阔叶树.全林分及各树种(组)直径分布见图2，实测枯死率和标准枯死率见图3.由图2、表3可见：全林分、蒙古栎、其他阔叶树均表现出典型的倒“J”形分布，决定系数均在0.97以上，q在1.27～1.48.

图2全林分及各树种(组)直径分布Fig.2Diameter class distribution of whole standand tree species图3全林分及各树种(组)实测枯死率和标准枯死率Fig.3Observed and baseline mortality rate of whole stand and tree species

表3 负指数分布参数与统计量Tab.3 Parameter and statistics of negative exponent distribution

由图3可见：全林分和蒙古栎枯死木分布大致呈现“U”形，即小径级和大径级树木枯死率较高；除采伐引起的24 cm径级枯死率较高外，其他阔叶树各径级基本一致.全林分、蒙古栎和其他阔叶树维持稳定林分结构的标准枯死率分别为22.452%、21.366%和31.165%，全林分和蒙古栎小径级的实际枯死率大于标准枯死率.χ2检验结果表明，实际枯死率均显著低于标准枯死率(P<0.01，表3).由此可知：现有的蒙古栎林分整体上处于非健康和平衡状态，林分结构仍处于发展变化中，即林分密度和断面积可能会继续增加.从龄组分布来看，幼、中龄林占样地总数的68%以上，这可能与该区域开展的经营活动有关.该研究区曾为典型的过伐林区，历史上曾进行过较大强度采伐，自“天然林保护工程”实施以来，森林资源得到逐步恢复，10 a间仅有11%的样地有采伐活动.

3 结论与讨论

森林健康通常通过观测树冠状况(如落叶和褪色)进行评估[8-9]，但常会受到调查人员的主观影响.而枯死是一个客观指标，比较容易判定.从可持续性看，为了保持稳定的林分结构，各径级必须有一定的枯死率，从而为保留木创造一定的生长空间，使其进入下一径级，标准枯死率正是基于各径级生长和死亡的关系来判断森林的可持续性.通过景观尺度的样地监测，得到实际枯死率，与通过模型拟合得到的标准枯死率进行比较，来评价森林健康状况(可持续性).这种方法也被应用于美国北部森林健康评价，认为糖枫(Acersaccharum)种群枯死率呈倒“J”形分布，属于健康可持续森林，而美国白松(Pinusstrobus)种群观测枯死率显著高于标准枯死率，为不稳定/健康森林[6].本研究通过对长白山森工集团有限公司汪清林业分公司202块蒙古栎样地的实际枯死率和标准枯死率比较，发现实际枯死率显著低于标准枯死率.因此，可以判断目前研究地的蒙古栎林仍处于不健康状态.由于没有记录枯死原因，所以无法进行进一步分析.需要说明的是，在应用标准枯死率评价森林健康状况时，要注意其应用前提，尤其是景观尺度的取样要与森林经营历史相联系.因此，可以针对现有林分状况，结合经营历史，通过有效的森林经营措施来调整森林结构(包括组成和大小)，改善林分条件，使蒙古栎林达到健康稳定状况.本研究可以为制定森林经营措施提供科学指导.