浙江省东部和西部林木持久性和森林树种结构25年变化对比研究

卢金宝，邵华亮，马雪清，曾春兴，王坚娅，应彬彬，吴伟志

（1. 台州市黄岩区林业局，浙江 台州 318020；2.江山市林业局，浙江 江山 324100；3.仙居县自然资源和规划局，浙江 仙居 317300；4.浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 杭州 311300；5.浙江省森林资源监测中心，浙江 杭州 310020）

森林的树种结构与组成是森林稳定性的主要特征[1]，是制定森林经营方案的基础[2]，也是森林发挥良好生态服务功能的前提[3]。然而，森林的树种结构与组成及其稳定性受到多种因素的干扰[4]，目前，大多数研究集中在利用一些综合评价方法来评价森林群落或生态系统的稳定性[5-7]，评价指标和方法较为复杂。林木是森林的主体，也是森林经营管理的主要对象，其持久性是维持森林生态系统稳定的基础和关键。林木持久性是森林稳定性的重要特征之一，其强弱是森林稳定程度的直观反映[8]。林木持久性可以用林木存续期数学期望定量描述[9]，即林木从进界时算起（按照我国森林资源监测的技术规定，胸径≥5 cm的树木称为林木，树木胸径生长到起测胸径5 cm称为进界）能够存活的期望年数越长，林木持久性越高，表明森林的结构相对越稳定。本文选择浙江省东部和西部区域分别代表较经济发达和相对欠发达两个地区，以浙江省森林资源连续清查固定样地复查数据为依据，林木存续期数学期望值大小为量纲，研究分析1994—2019年松、杉、阔叶树种的结构与组成，探索林木持久性及其变化规律和原因，为浙江省森林的健康经营和可持续发展提供参考。

1 研究方法

1.1 研究区概况

浙江省地处中国东南沿海，地理坐标为118°01'～123°10' E，27°06'～31°11' N，陆域面积有10.55万km2，属亚热带季风湿润气候区，降水充沛，生境复杂，森林资源较为丰富。主要森林类型包括针阔混交林、常绿阔叶林、毛竹Phyllostachys edulis林、马尾松Pinus massoniana林和杉木Cunninghamia lanceolata林。截至2019年底，浙江省林地面积达659.35万hm2，其中，森林面积有607.88万hm2，森林覆盖率达到61.15%，活立木蓄积有4.01亿m3，森林蓄积量有3.61亿m3。全省乔木林单位面积蓄积量为83.51 m3·hm-2。

台州市和衢州市分别位于浙江省的东部和西部，纬度基本相同，地理位置较为对称（图1），都以丘陵山地为主，森林资源丰富，树种、林相等森林特征相似，能较好的代表浙江省东部和西部两个区域，并以此分别代表较经济发达区和相对欠发达区两个地区。台州市的总面积为10 050.43 km2，户籍总人口有606.64万人，2019年生产总值为5 134.05亿元，森林覆盖率为61.37%；衢州市的总面积为8 844.79 km2，户籍总人口有257.63万人，2019年生产总值为1 573.51亿元，森林覆盖率为69.62%。

图1 研究区分布图Figure 1 Location of study area

1.2 数据来源

研究数据来自浙江省森林资源连续清查固定样地复查数据，调查年度分别为1994、1999、2004、2009、2014和2019年，每相邻两次调查（复查）组成一个“阶段”，共分五个阶段，分别表示为1994—1999年（第一阶段）、1999—2004年（第二阶段）、2004—2009年（第三阶段）、2009—2014年（第四阶段）、2014—2019年（第五阶段），每个阶段前面的年份为该阶段的前期，后面的年份为该阶段的后期。样地为正方形，边长28.28 m，面积800 m2，样地调查严格遵循国家森林资源连续清查技术规定，对样地内胸径≥5.0 cm的树种进行每木检尺，记录树种和胸径等内容，并将林木分为松类、杉类、阔叶类3类树种组进行研究。具体样地和林木数据见表1。

表1 研究数据Table 1 Data for research

1.3 林木存续期数学期望计算方法

本研究采用林木存续期数学期望来衡量林木的持久性，数学期望越大，林木持久性越强。林木存续期表示林木进界后存活的理论年数。凡调查前期是活立木，后期被采伐或枯死了的林木都认为存续终止。

林木存续期数学期望的计算方法和过程如下[9]：

（1）复查间隔期林木保存率的计算。设前期有n1T株活立木，后期依然存活的有n2T株，则复查期林木保存率（p△AT）为：

这里复查间隔期（∆AT）为5年。

（2）林木年度保存率的计算。将复查间隔期林木保存率转换为年度保存率（pT），计算公式为：

2 结果与分析

利用五个阶段固定样地的复位调查数据，将林木分为松类、杉类、阔叶类3类，以式（3）计算林木存续期数学期望。五个阶段林木存续期数学期望，反映了林木持久性25年的变化情况。

2.1 浙江省东部25年林木持久性和树种结构变化

2.1.1 浙江东部25年林木持久性变化 表2和图2是浙江省东部25年来的林木存续期数学期望计算结果。由表2和图2可以看出，在五个阶段中，3个树种组持久性最高时间段均在第二阶段，杉类和阔叶类林木的持久性最差的阶段在第一阶段，松类林木持久性最差的阶段在第三阶段。3类林木的持久性均呈现出从第一阶段到第二阶段上升幅度较大，第二到第三阶段下降幅度大，第三到第四阶段又逐渐上升的规律。

图2 浙江省东部3个树种组25年林木存续期数学期望Figure 2 Mathematical expectation of 3 tree species groups duration in the eastern Zhejiang province within 25 years

表2 浙江省东部25年林木存续期数学期望变化Table 2 Changes of mathematical expectation of tree duration in the eastern Zhejiang province within 25 years

在浙江省东部松类林木相对杉类、阔叶类林木，除第一阶段外，在其他四个阶段的林木持久性明显较低，25年来的林木存续期数学期望在11.56～20.13 a之间。杉类林木的持久性在第一阶段是3类林木中最低的，进界后期望寿命为14.77 a；在第二阶段，杉类林木的持久性突然增高，出现最高值，之后下降，之后又逐渐增高。杉类林木的持久性总体上明显强于松类，但比阔叶类差，存续期数学期望在14.77～54.21 a之间。阔叶类林木的持久性相对其他2类林木是最高的，存续期数学期望在28.50～54.03 a之间。

2.1.2 浙江省东部25年树种结构变化 表3是浙江省东部25年来3类林木单位面积立木株数及其比例的计算结果。由表3表可得，松类林木的立木密度和株数比例在五个阶段同步下降；杉类林木在第一至第二阶段有大幅上升，在第二至第五阶段则无明显变化；阔叶类林木在第一至第二阶段的增幅较小，在第二至第五阶段的增幅显著增加，其比例在第五阶段达到最大，为50.7%，明显高于松类和杉类林木。

表3 浙江省东西部25年单位面积立木株数及其比例变化Table 3 Unit area standing trees of 3 species groups and proportion in the eastern and western Zhejiang province within 25 years

2.2 浙江省西部25年林木持久性和树种结构变化

2.2.1 浙江省西部25年林木持久性变化 图3和表4是浙江省西部25年来的林木存续期数学期望计算结果。

由图3和表4可以看出，在五个阶段中，杉类和阔叶类林木持久性最高的时间段均在第五阶段，松类林木持久性最高的时间段在第二阶段，在第五阶段也接近最高。松类林木持久性最差的时间段在第三阶段，杉类林木持久性最差的时间段在第四阶段，阔叶类林木持久性最差的时间段在第一阶段。除杉类林木的持久性在第三到第四阶段出现小幅下降外，3类林木的持久性总体上呈现出在第一阶段到第二阶段上升，在第二到第三阶段下降，从第三阶段到第五阶段又开始逐渐上升的现象。

图3 浙江省西部3类林木25年林木存续期数学期望Figure 3 Mathematical expectation of 3 tree species groups duration in the western Zhejiang province

表4 浙江省西部25年林木存续期数学期望变化Table 3 Mathematical expectation of 3 tree species groups duration in the western Zhejiang province within 25 years

在浙江省西部，松类林木相对杉类、阔叶类林木的持久性较低，25年来的林木存续期数学期望在6.82～19.95 a之间。杉类林木的持久性总体上比松类强，比阔叶类差，存续期数学期望在12.40～27.19 a之间。阔叶类林木的持久性相对是最高的，存续期数学期望在10.08～33.86 a之间。

2.2.2 浙江省西部25年树种结构变化 由表3可知，松类林木的立木密度在第一至第二阶段有小幅上升，在第二至第五阶段则明显下降，其株数比例在第一至第五个阶段中稳定下降；杉类林木的立木密度在第一至第二阶段有小幅上升，在第二至第五阶段则无明显变化，其株数比例在五个阶段中一直无明显变化；阔叶类林木的立木密度和株数比例在五个阶段中持续上升，其比例在第五阶段达到最大，为47.5%，明显高于松类和杉类林木。

2.3 浙江省东西部25年林木持久性和树种组成变化对比

图4至图6分别表示了浙江省东西部25年来3类林木的持久性变化情况。从表2至表3、图4至图6可以看出，浙江东部的林木持久性在25年间总体上强于西部，其中阔叶类林木的差距最为明显，每个阶段东部均明显强于西部，但随着时间的推移，这种差距有缩小迹象；杉类林木的持久性在第一阶段东部略低，第二阶段以后东部明显强于西部；松类林木在前四个阶段东部比西部略强，第五阶段，西部明显增强，而东部略微下降，导致西部强于东部。

图4 浙江省东西部25年松类林木存续期数学期望Figure 4 Mathematical expectation of pine species in the eastern and western Zhejiang province within 25 years

图5 浙江省东西部25年杉类林木存续期数学期望Figure 5 Mathematical expectation of Chinese fir in the eastern and western Zhejiang province within 25 years

图6 浙江省东西部25年阔叶类林木存续期数学期望Figure 6 Mathematical expectation of broadleaf tree group in the eastern and western Zhejiang province within 25 years

从表3可以看出，在3类林木的单位面积立木株数方面，东部的杉类和阔叶类林木在五个阶段中均低于西部，但松类林木高于西部的。在3类林木的株数比例方面，东部的松类林木在五个阶段中均高于西部，但两者的差距随着时间的推移在缩小；东部的杉类林木25年间均低于西部，但两者的差距随着时间的推移有缩小的迹象；东部的阔叶类林木在前三个阶段低于西部，但由于后续增幅大于西部，导致其在后两个阶段反超西部。

3 结论与讨论

3.1 结论

以上从树种结构和林木持久性两个角度对比研究浙江省东西部两个设区市1994—2019年这25年来森林的变化情况，结果表明，浙江省东西部3类树种（松类、杉类、阔叶类）的林木持久性均表现出“N”状规律，即先增加后减小再稳定增加，且变化的第一个节点均在1999—2004年之间，这个期间持久性较高，而2004—2009年之间明显降低，之后又逐步增高；浙江省东部的林木持久性在25年间高于西部，但这种差距随着时间的推移有逐渐缩小的迹象；无论是东部还是西部，松类林木的持久性在3类林木中都是最低的，而阔叶类林木都是最高的；浙江省东西部的树种结构变化情况相似，即松类林木的比例逐年下降、杉类林木的比例有波动但整体变化不大、阔叶类林木的比例逐年增加至50%左右；东部的阔叶类林木的比例在前三个阶段差于西部，而在后两个阶段略高于西部，单位面积立木株数均低于西部，但差距在缩小。

整体上，浙江省东部的林木持久性在25年间整体强于西部，两地阔叶类林木的持久性均在不断增强。两地阔叶类林木的单位面积株数和相对比例在25年不断增加，森林趋于更稳定的状态，森林质量得到不断提升。

3.2 讨论

浙江省东西部的林木持久性变化的“N”状规律，很大程度上是对当时的林业政策及市场的反映。杉类林木是最重要的木材资源，其“N”状规律也最明显，阔叶类次之。

东部的阔叶类林木持久性一直明显高于西部，杉类除1994—1999年外，也明显高于西部。这可能与东部经济强于西部，东部经济对林木采伐的依赖程度低有一定的关系，而随着西部经济的发展，这种差异在逐步缩小。

浙江省东西部森林的树种组成与结构都随着时间进程趋于更稳定的状态，即在减少松类林木占比的同时，增加阔叶类林木的占比。无论东部还是西部，松类林木的立木密度及其占比均在逐年下降，这与松材线虫病危害有关。松材线虫病的入侵促使了马尾松林演替为阔叶林[10]，演替期间不可避免地降低了林木持久性。松材线虫病是一种特别重大的检疫性森林灾害[11]，2019年疫区数量占浙江省县级行政区的76.67%[12]。松类林木保留量的持续减少也与浙江省为了防治松材线虫病扩散以及提高森林生态效益而多年来推行的“针改阔”有关。阔叶类林木的单位立木密度及其占比无论东西部都在稳定增加，这与浙江省重视对阔叶类林木的保护有关。

松材线虫病一般是先从东部发生，而后逐步向西蔓延，从理论上讲，林木持久性应该是西部高于东部，但实际上仅在2014—2019年西部的林木持久性高于东部，1994—2014年西部均低于东部。虽然松材线虫病促使东部松类林木采伐总量大于西部，但在东部松类林木的保留量远大于西部的前提下，东部的采伐比例仍低于西部，使得前20年东部的林木持久性高于西部。随着东西部松类林木的保留量差距的减小，在两地松类林木采伐量差不多的前提下，东西部的松类林木采伐比例差距也随之减小，最终导致东西部的林木持久性差距逐年减小。另一个原因是松材线虫病疫区划定的范围从东部向西部扩展，疫区内的商业性被限制，所以东部林木的商业性采伐少于西部。

东部林木的持久性整体高于西部，但单位面积立木株数低于西部，说明西部林木的更新演替强于东部。基于林木存续期数学期望的林木持久性定量评价基于样木复测数据，而我国存在大量这样的数据，所以这个方法还具有很好的推广应用条件。