青海大通河流域北山林区青杄林经营模式和技术

刘桂英,祁海玉,王得祥

(1.西宁市林业科学研究所,青海 西宁 810003;2.西北农林科技大学,陕西 杨凌 712100)

森林在维持陆地生态圈的稳定及丰富物种多样性等方面起着重要的作用,是实现可持续发展的重要基础。森林健康通常指森林生态系统在人为经营和自然演替过程中保持的一种良好状态,其最终目的是森林可持续经营和管理。因地制宜的制定森林经营目标和措施是实现森林健康的前提,合理的经营方案必然是基于对森林立地条件及生活状况的全面分析。

青海由于其独特的地理、地形和环境条件的影响,森林资源极度稀少,一直是世界气候变化的敏感区和薄弱区,但同时,该地区也是中国乃至亚洲主要的生态安全屏障。青海林木覆盖面积虽少,但植被种类多样,其生态系统以及林下植物对该地区水土保持、防风固沙、水源涵养、维护生态系统平衡与稳定等方面发挥着极其重要的生态作用[1]。因此,重视生态建设,加强对森林资源的经营管理,科学选择经营方式,改善生态环境,提高林分生产力,增强林分稳定性[2]。对维护生态环境具有重要的作用[3]。

青海大通河流域北山林区青杄(Piceawilsonii)天然次生林作为青海和周边地区生态屏障的重要组成部分,与周边区域的森林共同构成了大通河流域特殊的绿色王国,具有重要的生态价值[4]。大部分青杄天然次生林属于原始林和次生林之间的过渡状态,是受到人为干扰后自然恢复的林分,具有原始林的林分结构特征,树种组成以青杄为主,有少量的先锋树种,例如白桦、红桦及山杨等。林木空间分布格局以随机分布和团状分布为主,林下更新良好。因此,在经营时通过生态抚育等手段将结构不合理的林分逐渐调整为林分结构稳定、生态服务功能完善、林分生产力高的健康森林。本文根据该地区青杄天然次生林的空间和非空间结构特征,并结合生长规律和更新状况,提出适用于青海大通河流域青杄天然次生林的健康经营技术。

1 北山林区青杄林区概况

北山林区青杄林位于青海省东北部,地理位置介于北纬36°42′～37°06′,东经102°06′～102°43′,最低海拔2 108 m。东西长55.6 km,南北宽45 km,总面积1 127.23 km2。东、东南部与甘肃天祝县古城林场、甘肃连城国家级自然保护区相邻,北部与门源回族自治县仙米林区相连。大通河由西北向东南贯穿全林区,流域呈狭长状,在林区内流域面积948.51 km2。

林区气候是典型的高原大陆性气候,总体受青藏高原气候系统控制,夏季较多地形雨,使林区内部为半湿润寒温性气候。气温适中,降水集中,两季性明显,辐射强烈,年均温度4.6 ℃。年降水量465.6 mm,蒸发量1 206.9 mm,平均无霜期为120 d左右,年均日照时数2 541.2 h。林区土壤由高海拔到低海拔依次为高山寒漠土、亚高山草甸土、灰褐土、栗钙土和新积土,还包含镶嵌于其他土壤类型之中的石质土和粗骨土以及河流冲积沉淀形成的潮土。林区森林以寒温性针阔叶林为主,分布海拔2 500～3200 m,受黄土母质以及碳酸盐风化物的影响,土壤质地多为粉砂质壤土,土壤pH多呈中性、微碱性和强碱性[5-6]。

林区内植被垂直分布明显,由下而上为山地森林、高寒灌丛、高寒草甸和高山流石坡。全区植被覆盖率达98%,物种丰富,目前已定名的高等植物有1 209种,属于115科448属。林区有药用植物624种,国家重点保护植物51种,省级重点保护植物57种[7-8]。林区森林以寒温性针阔叶林为主,下部尚有部分温性针阔叶林分布,分布海拔2 100～2 700 m,主要类型有油松(Pinustabuliformis)、冬瓜杨(Populuspurdomii)、小叶杨(Populussimonii)和山杏(Prunussibirica)等,其中以前两者为主,多以纯林形式存在。林区灌丛分为高寒灌丛和寒温性灌丛,高寒灌丛位于林缘上部,上接高寒草甸,海拔一般在3 000～3 800 m,主要建群种有秦岭小檗(Berberiscircumserrata)、山生柳(Salixoritrepha)、陇蜀杜鹃(Rhododendronprzewalskii)、高山绣线菊(Spiraeaalpina)、刚毛忍冬(Lonicerahispida)、鬼箭锦鸡儿(Caraganajubata)和金露梅(Dasiphorafruticosa)等。各类型内部还混有温性的树种毛果旱榆(Ulmusglaucescens)、黑弹树(Celtisbungeana)、青榨槭(Acerdavidii)、刺柏(Juniperusformosana)等。

青杄林为该林区主要建群种,常以青杄纯林和混交林分布,在青杄混交林中主要乔木伴生种为山杨(Populusdavidiana)、油松、白桦(Betulaplatyphylla)和红桦(Betulaalbosinensis),灌木树种主要有银露梅(Populusdavidiana)、灰栒子(Pinustabuliformis)和唐古特忍冬(Loniceratangutica)。

2 北山林区青杄林现状

通过对北山林区青杄纯林和混交林群落调查研究发现以下特点:

2.1 青杄是该区域青杄林主要建群种,白桦、红桦、油松和山杨是共优势种。青杄种群属于增长型种群,白桦、红桦、油松和山杨等均为衰退型种群。该区域青杄林群落幼苗与幼树存在转化障碍,幼树不足和发育不良,其余优势树种存在更新障碍。青杄纯林中存在庞大更新幼苗库,但由于大量林木抢占有限林下资源,幼树难以生长,幼苗到幼树期存在更新阻碍,林下更新缺少阳性树种幼苗。林下总体幼苗数量占更新层木本植物数量的96.3%,基本出现于青杄纯林中,青杄母树提供了大量种子来源,但纯林中幼树很少出现,存在更新年龄断层。

2.2 青杄纯林中大径木处于竞争优势地位,中径木竞争中庸,小径木明显受挤压,青杄纯林多形成单优群落,整体空间隔离程度极低。在混交林中青杄是该区域青杄林主要建群种,普遍存在大径木偏多的情况,伴生树种直径结构不合理,中小径木占比偏低,都呈衰退趋势。混交林中由于林分中青杄占绝对优势地位,占据了大部分光照、水热、养分等资源,林分郁闭度极大,不利于阔叶喜光树种的生存,白桦种群和山杨种群都为团状分布,在群落中处于竞争弱势地位,且明显处于受挤压状态,生长状态不佳,胸径都较小。白桦种群和山杨种群的随机木中多为劣势、绝对劣势木。

2.3 青杄林生长缓慢,受海拔、降水、温度和季节影响较大,低海拔地区青杄的径向生长更容易受到上一年水分和温度的限制,气候因子对青杄径向生长的影响具有滞后性。

3 北山林区青杄林经营模式选择

森林经营的目标是将林分调整为能够最大限度满足人类需要且健康稳定的高质量天然林。我们要将结构不合理的林分,通过生态抚育等手段,逐渐调整为林分结构稳定、生态服务功能完善、林分生产力高的健康森林。对于非生态敏感区且地势平缓的林地,人们期望其在生物多样性保护,生物量固碳等方面起到积极作用。而对于生长在生态敏感区、陡坡的林地,由于立地条件差、水土流失严重、土层薄等因素,其经营目的与平坡地区的林地不同,而是希望森林能够具有水土保持、水源涵养、防风固沙等生态功能。

3.1 青杄林分优化的目标结构

基于青海大通河流域森林资源的生态重要性,制定基于水源涵养、多样性保护功能为主导作用,多种功能有效发挥的森林健康经营决策,能够有效实现青海大通河流域北山林区森林资源的可持续经营与管理,并推动青杄林林分质量提升,实现北山林区森林系统的稳定、生态系统功能的发挥和可持续发展[9-10]。以大通河流域北山林区主要林分类型青杄林为对象,结合其群落特征及功能特性,确定目标结构体系。以期有效提升北山林区青杄林健康状况,在尊重森林演替规律的前提下,人为促进青杄林的正向演替,使林分结构稳定,自我调节及恢复能力强,生物多样性高,防灾避害能力强,生态功能达到最大,水源涵养、水土保持、空气净化等功能得到合理配置。本研究区内的青杄林是人为干扰后自然恢复的天然次生林,经过长期保护,生态功能逐渐恢复,从各林分的空间结构特征看,本研究区青杄林符合天然异龄林的林分特征规律,仅需轻度经营就能进一步优化林分结构。

3.2 青杄林分经营模式选择

青海大通河流域青杄天然次生林位于高度生态敏感地带,因此根据不同坡度下青杄林的分布状况,将森林的经营类型分为以下四种。如此划分的目的是减少模糊的经营策略造成对青杄林的破坏,降低对陡坡地区青杄林的干扰,让森林水土保持、水源涵养等生态功能效益得以显著提升。而对于一些坡度较缓的地区,可以调节青杄林分内部树木的生长优势度,通过人工补植和封育相结合,提高林分郁闭度,维护林分健康稳定,促进森林正向演替过程,使森林的结构趋于合理。本研究区青杄纯林接近零度混交,即林分中鲜有其他树种存在,青杄纯林多形成单优群落。青杄混交林中针阔比大致为7∶3,符合林分经营目标结构的树种组成比例要求[11]。

3.2.1青杄林择伐促进更新经营模式:对于陡坡地带,该区域青杄林分以水土保持、水源涵养、保护自然植被为目的,进行适当抚育间伐,促进林分健康发展。

3.2.2青杄林低强度择伐经营模式:对于中坡地带,该地带青杄林的主要经营目的以自然恢复为主,可通过疏伐和封育相结合,促进演替层的生长发育,提高林分郁闭度,维护林分的健康稳定,提高林分的多样性,可进行轻度经营。

3.2.3人工优化青杄林分布格局经营模式:对平坡地带,可以根据青杄林分类型采取相应的经营措施,通过人工种植的方法进行青杄的补植,改变现有林分的树种组成,引导林分逐渐形成以青杄为建群种的混交林,以提高森林质量并发挥其生产功能为目标。

3.2.4青杄林下更新促进:对青杄纯林中存在庞大更新幼苗库,但由于大量林木抢占有限林下资源,幼树难以生长。目前林区林龄多为中幼龄林和成熟林,按照促进森林天然更新经营理念,根据林分和林龄具体情况选择和确定抚育方式。

4 北山林区青杄林健康经营技术措施

通过分析青杄林林地群落分布特征、养分特征、生长特征、空间结构特征,针对青杄林类型、功能分类及林分状况,因地制宜地将青杄林分健康经营类型划分青杄林择伐促进更新经营模式、青杄林低强度择伐经营模式、人工优化青杄林分布格局经营模式和林下更新促进4种经营类型。使青杄林分质量和林地生产力有明显的提高,让森林的经济效益和生态效益得到明显提升,培育健康稳定的森林生态系统,形成结构合理、功能完善的森林生态系统,最大限度发挥青杄林生态功能[12-14]。

4.1 青杄林择伐促进更新经营模式

在北山林区的陡坡地带,青杄以中小径级分布为主,胸径≤25 cm比例超过70%时,这一阶段林分以中、幼龄林为主。根据青杄胸径生长规律,这一阶段青杄正处于速生期,为了实现青杄的速生丰产,应适当进行抚育间伐,调整林分组成,提高林分质量、增强林分抗性,减少树种对水肥和光照等因子的竞争。主要在结构单一或林分郁闭度过高的情况下对干扰树进行抚育间伐,保留生长健康、长势良好的青杄和主要伴生种的中、大径级林木,伐除受病虫害干扰、长势差的林木。围绕青杄作为顶级树种进行培育,优先采伐紧密分布在青杄四周的林木,优先采伐对青杄构成竞争的林木,优先采伐挤压青杄生长空间的林木。采取保护措施确保青杄林分的天然更新能力,例如人工创造林窗林隙,改善光照条件促进天然更新,同时清理林窗林隙中的地表覆盖物,以激活土壤中的种子库。以期引导林分逐步形成以青杄为建群种、具有良好的更新恢复能力、多树种混交的异龄复层林,促进林分健康发展。

4.2 青杄林低强度择伐经营模式

在北山林区的中坡地带,青杄林分中胸径≥25 cm的林木占1/3以上时,这一阶段林分以中龄林为主,根据青杄材积生长规律,青杄在80 a时材积连年生长量仍保持快速生长趋势,尚未达到生长高峰,并且与连年生长量仍未相交,尚未达到数量成熟龄,因此仍需要对林分进行适当疏伐,通过疏伐促进演替层的生长发育,使林分向高生产、高品质的结构发展,维持材积高增长速率。首先针对林分中的大树(DBH≥26 cm)进行均匀性调节,伐除团聚分布的非目标树种,并伐除生长不良、没有培育前途、有病虫害的劣质林木,同时进行青杄林分分布格局、优势度、密集度及混交度调节。5年后进行林分成层性调节,人工促进天然更新,增加林分的成层性,每年进行2次,连续实施3年;间隔10至15年后,开展幼树开敞度调节,并进行地力维护;经历20至25年的生长后,进入单株经营阶段,调节单木微环境,主要进行点格局调整、混交度调整、密集度调整和青杄优势度调整;再经历20至25年进行第二次单木经营;20年后有望达到健康稳定、优质高效的复层异龄林。

4.3 人工优化青杄林分布格局经营模式

在北山林区的平坡地带,该地区的土壤厚度、持水能力和保肥能力较优越,能够为树木生长提供更好的条件,并且平坡林分有轻微团状分布现象,主要是由于小径木的聚集分布,可进行拥挤度调整。混交林中,青杄白桦混交林和青杄山杨混交林中的青杄种群都呈均匀分布格局,白桦种群和山杨种群都呈团状分布格局,需要进行分布格局优化;青杄红桦混交林整体结构良好,可适当减小青杄的竞争压力,可通过人工种植的方法进行青杄的补植,使补植林木的最近4株呈随机分布,改变现有林分的树种组成,调整林分整体分布为正态分布,引导林分逐渐形成以青杄为建群种的混交林;纯林接近零度混交,尊重其天然次生状态,不加以混交度的调整。混交林中以针阔比7∶3为经营目标进行调整,在混交林林窗中适当补植伴生树种,补植时注意相邻木状态,使林分在同一树种组成下混交度最大化。

4.4 青杄林下更新促进途径

4.4.1 人工抚育促进天然更新

(1)青杄疏林地、林间空地人工促进天然更新

依据《林地分类》[15],附着有乔木树种,连续面积大于0.067 hm2、郁闭度在0.10～0.19之间的林地为疏林地,林分结构和稳定性失调,经济效益低下。调查发现,该地区存在部分疏林地,光照条件充足且林木稀疏,无法为青杄幼苗生长提供良好生长环境,采取适当人工辅助措施有助于林下天然更新。

主要技术措施:及时伐除枯死木和濒死木;保存下来的母树采取扩穴松土等措施,促进结实;在灌草生长旺盛的地方割除灌草;在种子产量较高年份的夏末或秋季进行挖鱼鳞坑、条块状坑或块状松土等整地措施;对林木稀疏的混交林,根据混交林类型进行见缝插针式补植阔叶树种幼苗幼树;封山育林、严禁放牧、搂取松针等活动。

(2)大密度和中幼龄青杄林天然更新促进

研究发现,青杄纯林中,林分密度对幼树更新具有显著阻碍。低海拔区域青杄中幼龄林中,进行适当人工抚育调整林分郁闭度,疏密度,有利于幼树生长。同时,作为森林后备资源的中幼龄林,若不及时进行抚育管理会很容易形成低质低效林,不仅影响未来种子质量,较差林分也不利于林下更新生长发育。

主要技术措施:北山林区为重点生态公益林,青杄树种亦为当地重点保护树种。公益林抚育经营的重要前提为保护好原生植物群落结构,因此要限制重点保护地区的生态公益林抚育活动,对于一般保护的生态公益林抚育主要采取定株抚育、生态疏伐和卫生伐等方式,伐除生长弯曲、有病虫害、没有培育前途、影响目的树种和幼苗幼树更新的干扰树种,保留树干通直、生长健康林木,营造健康林分,提高群落的稳定性,为幼苗幼树提供健康的生长环境。

(3)制造林窗创造更新环境

该林区林木处于中幼龄林或近成熟林,因生理衰老死亡而形成林窗的可能性较低,在不使该森林生态系统出现剧烈的非平衡性变化的前提下,小程度人为干扰可促进林下更新。

主要技术措施:在结实多、生长健壮的母树周围,伐除影响母树生长且生长状况差的树种创造林窗。林窗大小、位置和林缘、林隙的控制仍需进一步研究确定。对于无法采伐的林分,通过割除灌木层方法形成林窗。本研究中,除幼苗密度外,其他更新指标均与速效磷存在负相关关系。形成林窗后光照增加,由于土壤中动物和微生物活动加强,土壤碱性得到改善,同时林窗土壤中碳氮磷等营养物质加速分解和转化,释放出更多的速效养分,有利于林木及天然更新的生长和繁殖。

(4)林下灌草及凋落物清理

由于青海气候及青杄自身生物学特性等因素的限制,林区内凋落物很难分解。调查中发现,林下过厚凋落物层产生一定程度霉变,种子或幼苗受到真菌微生物感染可造成发霉或幼叶脱落等现象,对天然更新具有阻碍作用。

主要技术措施:在种子雨高峰前期,对群落内较厚层凋落物进行及时清理,保证种子与土壤接触,增加发芽率;在幼苗发育阶段对枯落物进行清理时,要注意避免对幼苗造成破坏;在灌木和杂草生长旺盛、生长密集且严重压制目的树种或幼苗幼树生长的林分中,间密留匀、留优去劣,割除多余的灌木、藤本或杂草。

4.4.2 其他建议措施

(1)种子和幼苗质量提升

调查区域中,幼苗与幼树的更新障碍一部分原因可能是种子或幼苗品质不佳,在漫长的越冬过程中损耗率较大。

主要技术措施:通过采伐、修枝、施肥、除朽、防虫、防火等营林技术措施,来改善母树的营养条件和生存条件,进而提升林分中种子和萌发幼苗的整体品质;通过疏伐等措施使林下幼苗及幼树得到足够的光照空间,促进其生长,增加光温促使林下种子尽早萌发以及在生长季结束前幼苗尽可能积累更多的营养物质,保证幼苗顺利越冬。

(2)病虫害预防与治理

植物病虫害防治也是促进林下天然更新的重要关键环节。林业病虫害繁殖速度强、蔓延速度快,且青海省气候寒冷,其病虫害的危害周期一般较长,对种子萌发及幼苗幼树生长产生不利的影响。同时森林中的病腐木是细菌和病虫害生殖繁衍的场所。

主要技术措施:采用生物防治、物理防治等综合管理措施,生物防治主要为微生物防治与益鸟防治,可采用目前国际上研究较多的芽孢杆菌、放射性农杆菌、荧光假单孢杆菌等生防微生物进行生物防治;物理防治中,采用人工捕杀、选择隔离法及诱杀法;做好监测工作,采取森林病腐木防治常态化,将清理后的病腐木按照防疫标准统一焚烧处理,消除隐患。

(3)围栏禁牧,提高幼苗幼树保存率

实际调查中发现林区内多人为干扰,尤其在药水沟和夏乐窝的平坡林中,林地内存在伐桩以及生火痕迹,且牲畜粪便和足蹄印较多,林区放牧使得林内萌蘖与根系遭到很大程度的踩踏和啃食,幼苗幼树成活率和数量显著下降,林牧矛盾可能也是造成一部分林区更新潜力不足的重要原因。

主要技术措施:要加强林区群众对促进林区内受保护树种更新认知以及对林业政策和法律法规的教育与宣传,要切实认识到维护森林生态系统平衡对林业、农业、牧业以及切身利益的重要性及相互关系,教育与处罚并济。同时确定好封山育林区域,明确放牧区域,分区轮牧,划分轮放周期和频率。

(4)严防林火,未雨绸缪

全面启动天然林保护工程以来,保护森林、改善环境成为林业工作的主流。大通河流域深居内陆,气候干燥少雨,火源复杂,人为干扰大,是林火发生的重点区。青杄对火灾的抵抗力较弱,因其整枝不良,枝桠离地面近,发生火灾后很易发展成树冠火,而且由于树皮等部位不耐火烧又无萌芽能力,一次火灾就全林毁灭。因此,在青杄林的经营过程中,需要加强防火意识,并采取相应的措施来保护青杄。

主要技术措施:研究得到大通河流域林火发生驱动因子和基于季节火险区划图,对于该地区科学林火管理具有重要意义;积极采用卫星监测、视频监控调度、生态管护员巡查等全方位、立体化加强监测预警,切实做到网格化巡护、点位化值守、重点区守护,提高监测范围和时效;对于大通河流域春季,应该加强防火宣传和人为活动管控,减少火源出现概率;积极采取线上线下相结合,人宣、物宣相结合的方式,加大森林草原防火政策法规、正反典型案例、文明祭祀和火灾扑救技能的宣传教育。