林业科学  2001, Vol. 37 Issue (5): 49-56   PDF    
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林开敏, 洪伟, 俞新妥, 黄宝龙.
Lin Kaimin, Hong Wei, Yu Xintuo, Huang Baolong.
杉木幼林抚育技术的综合评价和决策
SYNTHETICAL EVALUATION AND STRATEGY OF TENDING TECHNIQUES IN YOUNG CHINESE FIR PLANTATION
林业科学, 2001, 37(5): 49-56.
Scientia Silvae Sinicae, 2001, 37(5): 49-56.

文章历史

收稿日期:1999-12-22

作者相关文章

林开敏
洪伟
俞新妥
黄宝龙

杉木幼林抚育技术的综合评价和决策
林开敏1 , 洪伟1 , 俞新妥1 , 黄宝龙2     
1. 福建农林大学杉木研究中心 南平 353001;
2. 南京林业大学资源与环境学院 南京 210037
摘要: 本文在全面分析不同抚育技术对杉木生长、群体结构、林地植被物种多样性、生物量、水土流失和抚育成本的影响基础上,运用灰色局势决策理论对不同抚育技术进行多目标决策,结果表明:块状抚育和全垦抚育可提高杉木的保存率,并促进杉木幼林的生长;抚育技术对杉木群体树高和地径结构有一定的影响,尤其是对地径结构;全垦抚育的成本最大,不抚育最小,块状抚育居中;块状抚育有利于形成多层次的林分结构和林地植被物种多样性的提高。综合评价结果表明块状抚育是南方林区较好的杉木幼林抚育方式,它既能有效地减少林地植被对杉木的竞争,保持杉木的正常生长,又能降低抚育成本和保持地力及物种多样性。这对今后指导杉木幼林抚育具有重要的实践意义。
关键词: 杉木    抚育方法    群体结构    物种多样性    抚育成本    综合评价    
SYNTHETICAL EVALUATION AND STRATEGY OF TENDING TECHNIQUES IN YOUNG CHINESE FIR PLANTATION
Lin Kaimin1, Hong Wei1, Yu Xintuo1, Huang Baolong2     
1. Chinese Fir Research Centre of Fujian Agri-Forestry University Nanping 353001;
2. Resource and Environment College of Nanjing Forestry University Nanjing 210037
Abstract: In this paper, based on overall analyses of effects of tending techniques on growth, population structure, species diversity of vegetation, biomass soil erosion and tending cost in young Chinese fir plantation, Multi-target decision of different tending techniques by means of grey situation decision theory was carried out. The results showed that block tending and overall tending were favourable to elevate survival rate and promote growth of young Chinese fir plantation.The structures of hiehgt and basal diameter of Chinese fir populations were certainly affected by tending techniques, especially basal diameter structure. The cost of overall tending was greatest, non-tending smallest, block tending medium.Block tending was favourable to form multi-layer stand structure and elevate species diversity of vegetation. The synthetical evaluation results showed that block tending was a better tending way for young Chinese fir plantation in southern forest region, it could not only decease competition between Chinese fir and vegetation, and keep up normal growth of Chinese fir, but decrease tending cost, and conserve soil fertility and species diversity as well.These have important practical significance for guiding tending of young Chinese fir plantation.
Key words: Chinese fir    Tending methods    Population structure    Species diversity    Tending cost    Synthetical evaluation    

幼林抚育管理是杉木人工林经营技术的一个重要环节(俞新妥,1997)。以往评价杉木幼林抚育技术的好坏标准又往往只注重生长的单一指标(Newton et al.,1993Nilsson et al.,1993Flint et al.,1987)。忽视林地植被功能的全面认识、土壤肥力的维护和抚育成本的核算,致使出现水土流失、生产力下降和经济效益降低等一系列问题。现在虽然有林业工作者提出了改进意见(周显昌译,1993韩永富译,1994),但有关杉木幼林林地植被的抚育技术与杉木生长、生态和经济效益的全面系统评价,迄今为止,还很少有试验和报道(张先仪等,1996)。鉴于这种现状,本试验采用5种抚育技术进行定位研究,在全面分析这些抚育技术对杉木生长、群体结构、林地植被物种多样性、生物量、水土流失和抚育成本的影响基础上,运用灰色局势决策理论进行综合评价,为改革现行的杉木幼林抚育制度和林地植被综合管理提供理论依据。

1 试验地自然概况

试验地设在福建林学院西芹教学林场杉木林采伐迹地上,该试验林于1996年初营造,1997年初开始实施幼林抚育管理技术的试验。西芹教学林场位于福建北部,属杉木中心产区。地处东经118°10′,北纬26°40′,为武夷山脉东伸支脉的中低山山地,海拔200~500 m,坡度25°左右。其主要成土母岩是沉积岩和变质岩。土壤为黄红壤。该场属于中亚热带季风气候带,雨量充沛,气候温暖。该地年均温度19.4 ℃,年均降雨量1817 mm,多集中于5、6月份。日照时间长,年均日照时数1709.8 h;年均风速1.1 m/s,气候对林木生产十分适宜。由于地属中国东南部湿润森林区,中亚热带常绿阔叶林带,该区森林茂密,植物种类繁多。

2 研究方法 2.1 抚育方法

本试验于1997—05开始实施5种不同抚育技术,它们分别是块状抚育、全垦抚育、带状抚育、劈草抚育和不抚育。采用完全随机区组设计,每个处理重复3次,标准地面积100 m2,并设有保护带。各种抚育技术的具体做法如下:

(1) 块状抚育:局部松土除草,即以杉木蔸为中心在50~60 cm半径范围内松土、除草和培蔸;对邻近周围的林地植被实施高度控制,以较少影响杉木幼树的光照条件为限。特别是对一些不影响杉木生长的灌木和乔木幼苗及幼树予以适度保留。

(2) 全垦抚育:与常规生产作业相同进行全面松土除草,松土深5 cm左右,并培蔸。

(3) 带状抚育:在杉木蔸两边进行局部松土除草,并形成一条宽80~100 cm的带状,对保留的林地植被带也实施高度控制,以较少影响杉木的光照条件为限。

(4) 劈草抚育:不松土,只将杂草灌木齐地劈倒平铺于地表。

(5) 不抚育:即对林地植被一直保留不动,让其自然生长发育。

每年5~6月和9~10月各抚育1次,各种抚育措施分别同时进行。

2.2 调查方法 2.2.1 杉木幼树生长及生物量测定

在1997-05(实施前)、09、12和1998-09对每一处理的树高、地径和抽梢高进行定株挂牌调查,于1998-09对保存率进行统计。并于1998-09选择一个区组的5种不同抚育处理按平均木法进行生物量测定,并分不同器官(干、枝、叶、皮、根桩、粗根和细根)分别称重,带回样品,室内测定其含水量。

2.2.2 抚育用工量测定

每一处理的用工时间用手表进行跟踪计时测定,用于计算单位面积的用工所需时间和抚育成本核算。

2.2.3 林地植被物种多样性调查与计算方法(罗菊春,1997马克平,1994)

1998-09在每一处理内设置5个样方(2 m×2 m),分灌木层、草本层和藤本植物对林地植被的种类、高度和覆盖度进行调查,并对林地植被的生物量进行测定。物种多样性计算公式如下:

(1) Shannon-wienner多样性指数:Hp =-ΣPi*lnPi

(2) Simpson多样性指数:D=1-Σ(Ni(Ni-1) N(N -1))

式中,N为样方内所有物种的总多度;Ni为第i个物种的多度;Pi=Ni/Ni=1、2、3 … …S(S为样方的物种数目)。上述公式中的取和(Σ)都是对i从1到S进行的。

2.3 综合评价方法

采用灰色局势决策理论对不同抚育技术进行多目标的综合决策。

3 结果与分析 3.1 不同抚育技术对杉木幼林生长和群体结构的影响

表 1可以看出,块状抚育和全垦抚育有利于提高杉木的保存率,它们分别是98.67%和98.61%。而不抚育的杉木保存率则较低,仅为80.12%。方差分析结果,不同抚育技术的杉木保存率确实存在极显著的差异(F=9.50>F0.01(4,8)=7.91),这说明抚育技术对杉木保存率有较大的影响。

表 1 不同抚育技术对杉木幼林生长和群体结构的影响 Tab.1 The effect of tending methods on growth and population structure of young Chinese fir plantation

不同抚育技术对杉木生长有一定的影响(表 1)。平均树高表现出块状抚育>全垦抚育>带状抚育>劈草抚育>不抚育的趋势;平均地径则表现出全垦抚育>块状抚育>带状抚育>劈草抚育>不抚育的趋势。经方差分析结果表明,杉木的树高至第4次测定(1998-09)才有显著差异,而地径在实施试验后各测定时期表现出从显著至极显著差异水平。这说明不同抚育技术对杉木生长的影响具有积累效应。同时也说明抚育技术对地径的影响大于树高。多重比较表明,除了不抚育外,其他4种抚育技术均能有效地促进杉木生长,它们之间并没有多大的差异。

正态分布检验结果表明(表 1),不同抚育技术下的杉木群体树高频率分布均符合近似正态分布,但块状抚育和全垦抚育的杉木群体呈现轻度右偏群体,而其他3种抚育技术呈现轻度的左偏群体,其中不抚育的杉木群体偏离正态分布相对较大。全垦抚育和不抚育的杉木群体地径均不符合正态分布,即严重左偏或右偏群体;而其他3种抚育技术则符合正态分布,这说明抚育技术对杉木群体结构也有一定的影响,尤其是对地径结构的影响较大。

块状抚育、全垦抚育、带状抚育和劈草抚育的杉木单株生物量均高于不抚育,分别为不抚育的3.46、3.40、3.15和1.11倍。地上和地下部分的生物量与总单株生物量呈相同趋势变化。这说明抚育技术对杉木幼树生物量有一定的影响。

3.2 不同抚育技术对杉木幼林抚育成本的影响

由于长期以来对杉木人工林的经营效益核算不够重视,一方面造成财力的浪费,另一方面由于盲目强调高标准,造成过度对森林生态系统的干扰破坏。因此遵循自然规律,合理利用自然力来调节人工林生态系统的生态过程是保持杉木人工林可持续经营和提高经营效益的一个重要因素。从表 2可知,单位面积的1次抚育用工量和总用工量在不同抚育技术之间存在明显差异。按7次抚育计算,全垦抚育的总费用最大,达3500元/hm2;不抚育的总费用最小;块状抚育的总费用居中,为2030元/hm2。结合杉木生长来看,采用块状抚育较为适宜。

表 2 不同抚育技术对抚育成本的影响 Tab.2 The effect of tending techniques on tending cost
3.3 不同抚育技术对杉木幼林林地植被的扰动效应 3.3.1 不同抚育技术对林地植被生长和生物量的影响

天然更新的林地植被是杉木幼林生态系统的一个组成部分,其受人为抚育干扰的影响如何很少研究和报道(姚茂和等,1991)。从本试验情况(表 34)来看,人为抚育措施对林地植被的区系组成、层次结构和生长状况均有明显的影响。

表 3 不同抚育技术对林地植被生长的影响 Tab.3 The effect of tending techniques on growth of vegetation
表 4 不同抚育技术对林地植被生物量的影响 Tab.4 The effect of tending techniques on biomass of vegetation

从层次结构和生长来看,块状抚育由于林地植被的适当保留和控制,杉木幼树生长已明显地超过林地植被的高度,形成了乔灌草多层次的林分结构,即杉木居上层,林地植被在下层,灌木生长发育良好,平均植被的高度,形成了乔灌草多层次的林分结构,即杉木居上层,林地植被在下层,灌木生长发育良好,平均高153 cm,盖度55%。而全垦抚育和劈草抚育由于过度干扰,造成草本植物大量快速繁殖生长,因为杂草最容易生长在土壤不断遭受翻动的条件下。灌木层有被抑制的趋势,形成明显的杉木-草本两层结构,草本层的盖度为98%;不抚育林分由于林地植被全部保留不动,通过天然更新途径,有利于林下灌木的旺盛生长,其平均高和盖度分别为210 cm和95%,从而也抑制了草本植物的生长,并延缓杉木的生长,形成了灌木居上层,杉木居下层的态势。

不同抚育技术的林地植被总生物量表现出不抚育>块状抚育>劈草抚育>带状抚育>全垦抚育;灌木层的生物量以不抚育的最高,全垦抚育和劈草抚育最少;草本层的生物量则与灌木层生物量基本呈相反趋势变化,这可能是灌木层与草本层相互竞争的结果。

3.3.2 不同抚育技术对林地植被物种多样性的影响

人为抚育措施对林地植被的物种多样性均有明显的影响(表 5)。从林地植被组成和物种数来看,除了块状抚育有较多种类,不抚育的植物种类较少以外,其他的3种抚育技术的植物种类没有明显的差异。块状抚育的灌木层、草本层和总体的林地植被物种多样性指数Shannon-wiener和Simpson多样性指数均为最高,最低为不抚育。这说明适度干扰有利于林地植被物种多样性的提高。

表 5 不同抚育技术对林地植被物种多样性的影响 Tab.5 The effect of tending techniques on diversity of undergrowth plants
3.4 杉木幼林抚育技术的综合评价 3.4.1 目标和对策的确定

不同抚育技术对杉木幼林群落的影响是多方面的,为了对不同抚育技术的适宜度和合理性进行全面评价,本文运用灰色局势决策理论和方法(郑松发等,19971998),并从增加林分生产力、降低抚育成本和提高整个群落的生态效益等方面出发,确定如下几个目标:(1)杉木的保存率最高,以保持一定的群体优势和良好的林相;(2)杉木幼树的树高和地径生长最高,以确保杉木的顺利更新和定居;(3)杉木幼林群落生物量最大,以便形成合理的乔灌草多层群落结构;(4)杉木幼林群体结构最优,以保证充分发挥生产潜力;(5)林地植被物种多样性最高,增加系统的稳定性;(6)林地水土流失量最低,以达到维护地力和保证林地可持续利用;(7)杉木抚育成本最低,以提高林业生产的经济效益。因此,抚育技术的合理选用是一个多目标决策的问题。

根据上述的确定目标,选择杉木保存率、杉木树高、杉木地径、单株生物量、杉木树高偏度、杉木地径偏度、林地植被生物量、林地植被物种多样性指数、水土流失程度和抚育成本共10个指标用于综合评价;具体的抚育对策有:(1)块状抚育技术;(2)全垦抚育技术;(3)带状抚育技术;(4)劈草抚育技术;(5)不抚育技术(表 6)。

表 6 不同抚育对策下杉木幼林群落的目标值 Tab.6 The target value of young Chinese fir community under different tending methods
3.4.2 效果测度的选择及单目标决策矩阵

前7个目标值越大越好,故选择上项效果测度,其计算公式如下:

(1)

后3个目标值越小越好,故选择下项效果测度,其计算公式如下:

(2)

式中,uij(p)为第p个目标下第i个事件第j个对策的白化值(i=1),即把杉木幼林群落的抚育技术看成一个事件;j =1,2,3,4,5,即把5种不同抚育技术看成5个对策;目标p =1,2,3,4,5,6,7,8,9,10);max max uij(p)为第p个目标下第i个事件所有对策取得的白化值集中的最大者;min min uij(p)为第p个目标下第i个事件所有对策取得的白化值集中的最小者。由上面各式计算而组成的单目标决策矩阵见表 7

1) 马祥庆.杉木人工林长期生产力维持研究.南京林业大学博士学位论文,1998,62~70.

表 7 杉木幼林抚育技术的单目标决策矩阵D(p) Tab.7 The strategic matrix of single target of different tending techniques

表 7中的sij为局势标记,它标明某目标下事件与对策二元组合对应的效果测度。从该表可知,如果单纯为了追求杉木保存率,则最好采用块状抚育和全垦抚育;如果单纯为了追求杉木高径生长,则最好采用块状抚育和全垦抚育;如果单纯为了追求最低的抚育成本,则最好采用不抚育或劈草抚育,总之,只要在该表中挑出效果测度最大的对应幼林抚育技术就能实现某一目标。然而,我们并不是单纯为了追求某一目标。而是想寻找一种既能有效地减少林地植被对杉木的竞争,保持杉木的正常生长,又能降低抚育成本和保持地力及物种多样性的幼林抚育技术。

3.4.3 多目标最优局势的选择

为了实现多目标的最优决策,必须把10个目标的效果测度转变为综合效果测度。用如下公式计算:

(3)

但由于不同目标其重要性不同,因此不同目标分别给予不同的权重Wp,故式(3)可变为如下公式:

(4)

W2=0.13,W1,3,4,6,7,10=0.12,W5,8,9=0.05,根据式(4)计算如下10个目标的综合决策矩阵D(Σ):

D(Σ)可知,杉木幼林抚育技术的局势优劣排列依次为:s11>s13>s15>s12>s14,即块状抚育优于带状抚育,带状抚育优于全垦抚育,全垦抚育优于劈草抚育,劈草抚育优于不抚育。这是从10个目标综合考虑后得出的结果,对今后指导杉木幼林抚育具有重要的实践意义。

4 小结

不同抚育技术对杉木幼林的保存率、杉木生长、单株生物量和群体结构都有明显的影响。块状抚育和全垦抚育有利于提高杉木的保存率,它们分别是98.67%和98.61%。而不抚育的杉木保存率则较低,仅为80.12%。杉木幼林平均树高表现出块状抚育>全垦抚育>带状抚育>劈草抚育>不抚育的趋势;平均地径则表现出全垦抚育>块状抚育>带状抚育>劈草抚育>不抚育的趋势;抚育技术对地径的影响大于树高。不同抚育技术下的杉木群体树高频率分布均符合近似正态发布,但块状抚育和全垦抚育的杉木群体呈现轻度右偏群体,而不抚育的杉木群体树高呈现轻度的左偏群体;全垦抚育和不抚育的杉木群体地径不符合正态分布,即严重左偏或右偏群体;而其他3种抚育技术则符合正态分布。块状抚育、全垦抚育、带状抚育和劈草抚育的杉木单株生物量均高于不抚育,分别为不抚育的3.46、3.40、3.15和1.11倍。

全垦抚育的总用工量和总费用量最大,不抚育最小,块状抚育居中。块状抚育有利于形成乔灌草多层次的林分结构,也有利于林地植被物种多样性的提高。林地植被总生物量表现出不抚育>块状抚育>劈草抚育>带状抚育>全垦抚育;灌木层的生物量以不抚育的最高,全垦抚育和劈草抚育最少;草本层的生物量则与灌木层基本呈相反趋势变化,这可能是灌木层与草本层相互竞争的结果。

从单目标决策来看,如果单纯为了追求杉木高径生长,则最好采用块状抚育和全垦抚育;如果单纯为了追求最低的抚育成本,则最好采用不抚育或劈草抚育;总之,只要挑出效果测度最大所对应幼林抚育技术就能实现某一目标。然而,我们并不是单纯为了追求某一目标。而是想寻找一种能有效地减少林地植被对杉木的竞争,保持杉木的正常生长,又能降低抚育成本和保持地力及物种多样性的幼林抚育技术。运用灰色局势决策理论对不同抚育技术进行多目标决策,结果表明,块状抚育优于带状抚育,带状抚育优于全垦抚育,全垦抚育优于劈草抚育,劈草抚育优于不抚育。这对今后指导杉木幼林抚育具有重要的实践意义。

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