文章信息
- 许景伟, 李琪, 王卫东, 荀守华.
- Xu Jingwei, Li Qi, Wang Weidong, Xun Shouhua.
- 沙岸黑松海防林防护成熟期及更新年龄的研究
- STUDIES ON THE PROTECTIVE MATURITY PERIOD AND REGENERATION AGE OF PINUS THUNBERGII PROTECTION FOREST ON SANDY COAST, SHANDONG PROVINCE
- 林业科学, 2003, 39(2): 91-97.
- Scientia Silvae Sinicae, 2003, 39(2): 91-97.
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文章历史
- 收稿日期:2002-03-23
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山东省的黑松(Pinus thunbergii)海防林面积超过7×104hm2, 占山东海岸带防护林面积的70%以上, 并与滨海农田林网、梯田地堰和山丘岸段防护林相结合, 形成沿海综合防护林体系。但是, 由于大部分黑松海防林是20世纪50~60年代营造的, 立地条件差, 较大林龄的林分已进入成熟、过熟阶段, 林分分化衰退和病虫危害现象严重, 已严重地影响其防护功能和多种效益的正常发挥。因此, 探讨沙质岸黑松海防林的防护成熟期并提出其合理的更新年龄, 可为沿海防护林持续经营利用提供理论依据。
1 研究区概况研究区位于胶东半岛的沙质海岸。该区属暖温带季风气候区, 气温与降水自北向南、自西向东递增。年平均气温11.1~12.6 ℃, 年平均降水量620~950 mm, 日照时数为2 400~2 650 h。四季分明, 雨热同季, 但由于降水过于集中, 大风、暴雨、台风、海潮、海雾、干旱、低温、连阴雨等自然灾害频繁。黑松海防林分布的滨海沙滩是海流、潮汐和波浪的作用下形成的砂砾堆积物, 经风力搬运而成的沉积带。土壤属滨海沙土, 其基质多为疏松的中、粗沙, 凝聚力小, 降水易渗透, 所以含水量极小, 在阳光中受热迅速, 风盛行时, 即起干化作用, 沙地干旱并含有少量的盐分, 腐殖质来源少, 分解消失快, 土壤异常瘠薄。
2 材料和方法 2.1 材料调查与来源在山东省莱州、招远、龙口、威海、荣成、胶南等11个黑松海防林分布的主要县(市、区)进行典型调查和抽样调查。分别不同立地条件、年龄阶段、林分生长状况选择具有代表性、林分生长正常的地块, 设置临时标准地, 采用常规方法调查。调查因子有:林分胸径、树高(平均木、优势木)、年龄、树冠幅、枝下高、林分密度、郁闭度、林下植被等。采用平均木法, 进行树干解析和生物量测定。共获得不同立地条件、年龄阶段(5~46 a)、生长状况的黑松海防林标准地资料243份, 树干解析木资料26份, 生物量资料26份。并收集到当地有关林分生长、立地条件、气候因子等方面的技术资料。
2.2 研究方法 2.2.1 防护成熟的评价指标在对影响海防林防护成熟各个因子进行调研分析的基础上, 通过专家评定和以往研究(姜凤岐等, 1994; 许景伟等, 1997;任珺等, 1996; 朱教君等, 1993), 充分考虑到其多功能、多效益的特点, 坚持防护效益评定指标应具有代表性、相对独立性、可行性、可测性和可比性原则, 确定选用林分平均木树高、林分平均木生物量两项因子, 作为黑松海防林防护成熟的评定指标。这是因为海防林对风沙或海潮、海雾等其它灾害因子的防护作用主要取决于防护林的高度和林分生物量。
2.2.2 立地类型划分根据黑松海防林的典型调查和抽样调查资料, 应用数量化理论Ⅰ的方法, 建立数量化立地指数模型, 根据数量化分析结果和以往研究资料及生产经验, 筛选出影响黑松海防林生长的主导因子并进行立地类型划分。
2.2.3 林分生长类型划分根据立地类型划分结果, 用林木生长指标, 采用系统聚类方法划分黑松海防林的林分生长类型。
2.2.4 建立数学模型分别林分生长类型, 以林分年龄为自变量, 林分平均木的树高、胸径为因变量建立林木生长模型。采用的数学模型有:幂函数:y=aAb; 指数函数:y=a+be-cA; Richard函数:y=K(1-e-rA)m; Logistic函数:y=k/(1+me-rA)各式中, y为林分平均木的树高、胸径; A为林分年龄; K为表征林木树高、胸径生长的特征参数; m为反应立地条件的参数; r为林木树高、胸径生长的内禀增长率; a、b、c为待定系数。
林分平均木生物量采用的数学模型有5个, 即:W=a+bD, W=aDb, W=a+bD2H, W=a(D2H)b, W=aDbHc。各式中:W为林分平均木生物量; D为林分平均胸径; H为林分平均树高; a、b、c为待定系数。
2.2.5 确定防护成熟期(PMP)根据林分平均木树高和生物量两项指标, 建立数学模型, 结合林分生长状况及其对防护的要求进行综合确定。
初始防护成熟龄(IPMA)的确定主要是以林分平均木树高生长量为依据。即当树高生长加速度达到极小值时, 树高生长基本进入稳定状态时的年龄, 为初始防护成熟龄(姜凤岐等, 1994)。
终止防护成熟龄(TPMA)主要是以林分平均木生物量指标为依据。即在林分平均木生物量生长曲线图上, 标出初始防护成熟龄, 以该点为始点, 沿横座标方向作平行线(防护成熟标准线S), 标准线与生物量曲线相交的点所对应的年龄为终止防护成熟龄(姜凤岐等, 1994)。
2.2.6 确定更新期(RP)以海防林数量成熟龄即林分平均单株材积生长达到最大值时的年龄为上限, 以林分生长达到终止防护成熟的年龄为下限, 确定不同生长类型黑松海防林的更新期。
3 结果与分析 3.1 立地类型划分 3.1.1 立地因子选择及其类目划分根据调查材料的整理分析、同行专家评定及部分研究结果, 选择差异显著且对土壤肥力和林木生长影响较大的土壤质地、成土过程、土壤有机质含量、地下水深度、微地貌等5个项目作为划分立地类型的主要因子。每个项目按一定范围划分, 共划分出16个类目。各立地因子的类目划分标准见表 1。
利用243块标准地调查中得到的729株优势木树高资料拟合出林分优势木树高生长模型。按照相关系数最大, 标准差最小的选配原则, 选出适用性较好的Logistic函数方程:
应用该方程, 计算出林分优势木树高随年龄变化趋于稳定的时间, 出现在林龄20 a左右, 与生产中林木高生长的变化趋势基本一致。因此, 确定黑松海防林标准年龄为20 a。
3.1.3 立地因子数量化评定首先把调查材料编成项目、类目反应表。然后以类目为自变量, 以各标准地优势木树高调整到标准年龄的树高值为因变量, 用数量化理论Ⅰ的方法, 编制出立地因子数量化得分表(见表 1), 可对黑松海防林立地质量进行数量化评价。偏相关系数和得分范围表示每个项目对因变量的贡献, 其值越高贡献越大。
由表 1可知, 各立地因子的得分范围和偏相关系数从高到低依次为土壤质地>成土过程>土壤有机质含量>地下水深度>微地貌。为进一步判断各立地因子对黑松生长影响的重要性, 对偏相关系数进行T检验, 结果表明:土壤质地T值4.30, 成土过程T值3.33, 土壤有机质含量T值2.53, 地下水深度T值1.58, 微地貌T值0.88。一般认为, T检验中, T值越大, 该因子越重要, T值大于1的都是重要因子。按照各立地因子偏相关系数的T值, 评定各立地因子对黑松林分生长影响的重要程度的顺序与前序一致, 其中, 前4项的T值均大于1, 说明前4个因子对黑松生长有显著影响。
3.1.4 立地类型划分根据立地因子数量化评定结果, 以土壤质地、成土过程、土壤有机质含量、地下水深度为主导因子进行立地类型划分, 把黑松海防林林地划分为11种立地类型(见表 2)。从表 2可以看出, 立地类型Ⅰ到立地类型Ⅱ的立地质量逐渐变差, 标准年龄时的林分优势木树高则依次降低。
对243块标准地材料分别11种立地类型进行归类整理, 并采用系统聚类方法对11种立地类型上的黑松海防林进行林分生长类型划分, 结果见图 1。根据类间距离变动情况, 可将研究区黑松海防林林分划分为3种生长类型, 即生长类型Ⅰ (高生产力)、生长类型Ⅱ (中生产力)、生长类型Ⅲ (低生产力)。立地类型1、2、3号的黑松海防林林分, 标准年龄时的林分优势木树高7.47~8.04 m, 为生长类型Ⅰ; 立地类型4、5、6号的林分, 优势木树高6.56~6.66 m, 为生长类型Ⅱ; 立地类型7、8、9、10、11号的林分, 优势木树高5.02~5.51 m, 为生长类型Ⅲ。生长类型Ⅰ的林分主要是栽植在沙壤质、风积沙土, 肥水条件较好的防护及防护兼用材林, 分布在基干林带后沿; 生长类型Ⅱ的林分, 也分布在基干林带后沿, 但生境条件较差, 林木生长量与生长类型Ⅰ的差异显著; 生长类型Ⅲ的林分, 生境条件恶劣, 主要是分布在基干林带前沿的防护林。
防护成熟应是一种状态的持续, 即林带从初始防护成熟龄到终止防护成熟龄这段时间内都是防护成熟, 称之为防护成熟期(姜风岐等, 1994)。
3.3.1 数学模型选配树高、胸径生长模型根据不同生长类型黑松海防林林分平均木树干解析资料, 建立林分平均木生长模型。按照相关系数最大, 标准差最小的选配原则, 确定不同生长类型林分平均木的生长模型为:
生长类型Ⅰ (7株解析木资料) :H=8.561 9/(1+11.668 6e-0.262 9A) R=0.935 8
D=21.37 (1-e-0.1A)2.638 9R=0.949 7
生长类型Ⅱ (9株解析木资料) :H=7.160 2/(1+8.988 1e-0.233 8A) R=0.947 4
D=11.385 9/(1+21.467 7e-0.316 5A) R=0.957 1
生长类型Ⅲ (10株解析木资料) :H=4.934 1/(1+9.863 5e-0.277 5A) R=0.915 7
D=9.310 8/(1+17.681 9e-0.302 7A) R=0.950 2
生物量生长模型利用调查得到的26株黑松海防林林分平均木的生物量资料, 建立林分平均木生物量与其树高、胸径间的回归模型。以回归模型W=0.158 4(D2H) 0.898 1相关系数最大(R=0.962 8), 标准差最小, 经检验, 精度在95%以上, 适用性较好。
3.3.2 初始防护成熟龄初始防护成熟龄指防护林开始发挥较大防护作用的状态所对应的时间, 主要以树高生长指标为依据进行确定。根据国内外学者对树高生长规律的研究(朱教君等, 1993), 认为树高生长加速度是一个更能反映树高生长变化的重要参数, 当树高生长加速度达到极小值时, 树高生长基本进入稳定状态。因此, 利用树高生长加速度确定黑松海防林初始防护成熟龄较为合适。
根据选配的Logistic生长模型和林分树高生长加速度的极小值的计算(姜凤岐等, 1992), 确定黑松海防林的初始防护成熟龄的表达式为:
利用表达式计算出初始防护成熟龄:生长类型Ⅰ为14.4 a; 生长类型Ⅱ为13.8 a; 生长类型Ⅲ为13.0 a。不同生长类型和立地类型黑松海防林初始防护成熟龄均在10~15 a之间, 但不同生长类型的防护林其初始防护成熟龄有所不同, 其大小次序为生长类型Ⅰ>生长类型Ⅱ>生长类型Ⅲ。
3.3.3 终止防护成熟龄终止防护成熟龄是指林分防护效能明显下降时的状态(朱教君等, 1993)。终止防护成熟龄的确定以林分平均木生物量指标为依据。用选定的黑松海防林林分平均木生物量生长模型和不同生长类型林分平均木树高、胸径生长模型, 计算出不同林分生长类型条件下各林龄的林分平均木生物量, 并绘制出生物量生长曲线。根据初始防护成熟龄确定的终止防护成熟龄分别为:生长类型Ⅰ 56.5 a, 生长类型Ⅱ 31.2 a, 生长类型Ⅲ 27.6 a (见图 2)。
通过对黑松海防林的初始防护成熟龄和终止防护成熟龄的研究(姜凤歧等, 1994), 可确定不同生长类型黑松海防林的防护成熟期(见表 3)。
由表 3可看出, 林分生长类型不同黑松海防林防护成熟期差异较大。生长类型Ⅰ的林分立地质量较好, 黑松生长速度快, 且持续时间长, 其防护成熟的持续时间也较长, 可达40 a以上, 防护成熟期为15~57 a; 生长类型Ⅱ、Ⅲ的林分, 立地质量较差, 黑松生长速度较慢或生长不良, 其防护成熟的持续时间也较短, 大致为15~18 a, 只有前者的2/5和1/3左右, 防护成熟期分别为14~32 a和13~28 a。
3.4 更新期的确定从防护效益的角度考虑, 黑松海防林更新应为林分防护效益明显下降时的年龄, 即林分达到终止防护成熟龄。从经济效益的角度考虑, 确定林分更新的依据是数量成熟和工艺成熟。工艺成熟是目的材种材积平均生长量达到最大时的年龄。黑松属慢生树种, 出材率低, 目前的利用途径窄, 在沿海防护林经营中主要是用于防护, 其次是提供用材, 没有定向培育的要求, 故工艺成熟不宜作为主要指标。数量成熟是林分材积平均生长量达到最高时的年龄, 是从林木生长的数量指标分析森林成熟。它通常出现在初始防护成熟龄之后, 它是由林木材积平均生长量来表征的, 是表征林分材积生长率的数量指标, 具有变化缓慢的特点, 其峰值能维持一定的时间。在此期间, 防护林树木不仅在木材数量上有所增加, 其防护效益也有所提高。同时, 林分达到数量成熟也反映林地生产力得到充分发挥, 并且林分仍处于防护成熟状态(姜凤岐等, 1994)。所以, 数量成熟可作为确定更新期的主要依据。
依据上述原则和方法, 黑松海防林更新期应以数量成熟龄(QMA)作为上限年龄, 以林分达到终止防护成熟的年龄(TPMA)作为下限年龄。根据不同生长类型黑松海防林的林分平均木树干解析数据, 绘制出林木材积生长变化曲线如图 3。从图中看出, 黑松海防林生长类型Ⅰ的数量成熟龄为33 a, 生长类型Ⅱ的数量成熟龄为23 a, 生长类型Ⅲ的数量成熟龄为21 a。结合表 3, 确定不同类型黑松海防林的更新期(见表 4)为:生长类型Ⅰ为33~57 a, 生长类型Ⅱ为23~32 a, 生长类型Ⅲ为21~28 a。
黑松海防林经营的主要目的是持续高效地发挥林分的防护效益, 故其合理更新年龄的确定应在保证充分发挥现有防护林的防护效益的基础上, 提高其经济和社会效益。因此, 在确定黑松海防林合理更新年龄时, 以防护林的防护成熟期和更新期为理论基础, 根据黑松不同林分生长类型的培育目标、生长状态及自然灾害的程度等进行综合分析确定。对于生长类型Ⅰ的黑松林分, 主要分布在基干林带后沿, 立地条件较好, 风沙危害较轻的地段, 培育目标是防护兼用材, 则主要以数量成熟龄为确定依据; 对于生长类型Ⅱ的黑松林分, 主要分布在基干林带后沿, 但立地条件较差, 风沙危害较重, 培育目标主要是防风固沙、保持水土, 是以发挥林分生态防护效益为主, 则以海防林的终止防护成熟龄来确定; 对于生长类型Ⅲ的黑松林分, 主要分布在基干林带前沿, 立地条件较差, 风沙、海潮、海雾等危害严重, 林分主要是用于生态防护目的, 且这部分林分更新困难, 为了尽量发挥其防护效益, 更新年龄应以海防林的终止防护成熟龄为依据。
根据上述原则和方法, 确定黑松海防林合理更新年龄为:生长类型Ⅰ为33 a, 生长类型Ⅱ为32 a, 生长类型Ⅲ为28 a。
4 结论与讨论根据沙质岸黑松海防林的典型调查材料, 通过统计分析, 编制出黑松海防林立地因子数量化得分表, 并据此将黑松海防林林地划分为11种立地类型, 1~11立地类型的林分优势木树高生长量(标准年龄20 a)依次降低, 范围为8.04~5.02 m。该结果可为黑松海防林立地质量评价和生长预测提供依据。
采用系统聚类法, 将黑松海防林划分为3种林分生长类型, 不同类型间的生长量差异显著。生长类型Ⅰ的林分主要分布在基干林带后沿, 立地条件较好的地段, 林分优势木树高可达8.04~7.47 m; 生长类型Ⅱ的林分也分布在基干林带后沿, 但立地条件较差, 林分优势木树高为6.66~6.56 m; 生长类型Ⅲ的林分, 主要分布在基干林带前沿, 立地条件极差, 风沙、海潮、海雾等危害严重, 林分优势木树高仅有5.51~5.02 m。
立地类型和生长类型不同的林分, 林木生长和发育的数量和时间指标都不尽相同, 各种成熟龄也不一致。通过对树干解析材料、林木生物量材料进行统计分析, 建立数学模型后, 运用综合分析的方法, 确定了黑松海防林防护成熟期、更新期及合理更新年龄。
生长类型Ⅰ:防护成熟期为15~57 a, 更新期为33~57 a, 合理更新年龄为33 a。
生长类型Ⅱ:防护成熟期为14~32 a, 更新期为23~32 a, 合理更新年龄为32 a。
生长类型Ⅲ:防护成熟期为13~28 a, 更新期为21~28 a, 合理更新年龄为28 a。
该研究结果显示, 立地条件越好则黑松林的防护成熟期越长, 越有利于发挥林分的防护效能, 反之, 则黑松林的有效防护期越短。这与黑松海防林生长状况和生产经营实践基本一致, 具有较好的适用性, 可为沿海黑松防护林的抚育管理、更新改造和永续利用提供理论依据。
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