随着生态环境问题的日益严重, 林业的主要任务从最初的以木材生产为主转变为经济生态效益兼顾。起源于德国的近自然林业, 强调森林经营应该与自然通力合作, 以最小的投入实现经济、生态、社会效益的和谐统一, 因此受到世界各国越来越多的关注。近自然林是指以原生森林植被为参照而培育和经营的、主要由乡土树种组成且具有多树种混交的、逐步向多层次空间结构和异龄林结构发展的森林(Höfle, 2000; Gamborg et al., 2003; 陆元昌, 2006; Larsen et al., 2007)。森林发展类型作为近自然林业最终目标的表达, 直接关系到近自然经营的成败。陆元昌(2006)和Larsen等(2007)认为森林发展类型指的是潜在天然森林植被及其演替过程与森林培育的经济需求和技术可行性相结合的一种近自然森林的导向模式, 即在充分分析现有林分的林学、生物学信息的基础上, 综合当地的社会、经济情况, 提出未来林分的组成、结构、功能等。它反映了森林的多功能性, 同时又是对森林不确定性的可行估计(陆元昌, 2006)。

由于长期以来的刀耕火种(Richards, 1996; Whitmore, 1998; Hauser et al., 2001)、非法盗伐(丁易, 2006), 海南岛天然林遭到严重的破坏。为了保护为数不多的天然林, 海南岛于1994年率先实施天然林禁伐(邓燔等, 2007; Davies et al., 2007)。1994年以前, 海南天然林基本处于逐年减少状态; 1994年之后, 热带天然林资源明显增加; 截至2006年底, 面积达65.9万hm², 蓄积量5 988.5万m³ (林媚珍等, 2001; 李意德等, 2001; 邓燔等, 2007)。但是, 这些天然林绝大多数是在重度采伐下更新起来的退化次生林, 林分质量低下, 经济和生态效益均不理想(Zhou, 1995)。因此经营好退化的天然次生林, 对海南省的生态、经济建设具有至关重要的意义。本文以近自然林思想为指导, 在分析2类不同时期的退化天然次生林的林学、生物学等相关特性的基础上, 提出退化天然次生林的森林发展类型, 以期对当地的森林经营工作提供借鉴。

1 研究区概况

本研究区域位于海南岛白沙县(18° 56'— 19°29' N, 109° 02'—109° 42' E)。白沙东临琼中县, 西接昌江县, 北抵儋州市, 南临乐东县。面积约为2 117.73 km², 境内41.9%为山地, 其中海南第二高峰鹦歌岭(海拔1 812 m)位于该县南部。海南最大的河流南渡河流经白沙。白沙属于热带湿润季风性气候, 年平均降雨量约1 725 mm, 并且70%~80%的降水集中在5—10月。年平均气温21.9~23.4 ℃, 最高温度35~37 ℃最低温度5 ~ 6 ℃。

研究区域设在白沙县南部, 海拔520~750 m, 土壤母质属于花岗岩风化物, 土壤类型为砖红壤。地带性森林群落为热带季雨林, 以青梅(Vatica mangachapoi)、野生荔枝(Litchi chinensis var. euspantaneus)、母生(Homalium hainanense)、子京(Madhuca hainanensis)、坡垒(Hopea hainanensis)、海南石梓(Gmelina hainanensis)、花梨(Dalbergia odorifera)、托盘青冈(Cyclobalanopsis patelliformis)、海南椎(Castanopsis hainanensis)、红锥(Castanopsis hystrix)、红椆(Lithocarpus fenzelianus)等为主。

2 材料与方法 2.1 样地布设及调查因子

在研究区域选取处于不同演替阶段的2类天然次生林, 其中早期天然林林龄为15年, 较老天然次生林林龄为30年。20世纪60年代末, 海南岛实施径级择伐, 约70%的木材蓄积量被采伐, 较老天然次生林就是在这样的采伐地上天然恢复起来的。20世纪90年代前后, 60年代采伐后天然恢复的群落, 再次经历强度高达80%的重复采伐, 本研究的早期天然林就是在这样的采伐地上更新起来的。

在2类退化天然次生林中, 采用典型抽样的方法, 在每种类型中分别设立4块30 m × 30 m乔木调查样地。每一个乔木样地再分为9个10 m × 10 m的小样方, 用来调查树种频率。沿样地的一条对角线等距离建立3个5 m × 5 m的更新调查样方。在乔木调查样地中对所有胸径不小于5 cm的乔木进行每木检尺, 记录树种、树高、胸径、起源、优势度、干材形等信息。在更新调查样方中, 记录幼苗幼树的种类、地径、苗高、起源, 并编号挂牌跟踪。在复杂的热带林中, 树种优势度不能全面反映林木在当前林分中的状态, 本研究引入树种生活力这一概念, 将树种生活力划分为5级, 即:有竞争活力、有活力、存活、濒死、枯立。

2.2 林分分析方法 2.2.1 物种优势度分析

重要值是相对多度、相对显著度以及相对频度三者之和, 以该指标表示该种在群落中的优势程度。重要值指数由下列公式计算得到(宋永昌, 2001):

2.2.2 林分更新状况评价

各个树种的更新状态评价如下(Sukumar et al., 1992; Deb et al., 2008)。

更新状态优:幼苗数＞幼树数＞乔木数; 更新状态较优:幼苗数＜幼树数＞乔木数; 更新状态一般:幼苗数＞幼树数＜乔木数; 更新状态较差:只在幼苗阶段出现, 而不在幼树阶段出现; 更新状态差:只在幼树阶段存在而不在幼苗阶段存在, 尽管幼树可能要等于或多于乔木; 没有更新:只存在于乔木阶段, 而在幼苗幼树阶段不存在; 新树种:此树种只在幼苗幼树中出现, 而在乔木中没有出现。

2.3 森林发展类型设计方法

森林发展类型的设计原则包括目标林相、演替阶段划分、树种混交度确定、以目标树为特征的生产目标、抚育性经营以及人工促进天然更新的可行性估计等(陆元昌, 2006)。根据此原则, 森林发展类型包括森林概观、森林发展目标、树种比例、混交类型和近期营林措施5个方面。

在森林概观的确定上, 通过对当前林分的林学特性分析, 根据所处的演替地位, 把森林发展类型划归到与之最早相适应的天然森林群落。在进行森林发展目标的设计时, 考虑到海南生态省建设这一战略, 把环境保护作为次生林发展目标之一, 而经济目标的确立则建立在海南岛木材需求以及珍贵材种的调查之上。在进行树种比例的设计时, 综合现有的植被情况和社会的具体需求, 努力通过树种和混交方式产生各种不同的森林结构形式, 实现其理想的经济、社会、生态价值。在近期营林措施的制定时, 找出当前林分与目标林分之间的差距, 本着充分利用天然更新的原则, 提出将当前林分逐步导向目标林分的抚育措施。

3 结果与分析 3.1 天然林林分结构分析

2类退化天然次生林处于自然演替的不同阶段, 早期天然次生林以中平(Macaranga denticulata)为优势树种, 而较老天然次生林以枫香(Liquidambar formosana)为优势树种。在重要值前10位的树种中, 枫香、黄牛木(Cratoxylon ligustrinum)、乌墨(Syzygium cumini)、方叶五月茶(Antidesma ghaesembilla)同时出现在2类次生林中, 表现出2类森林在物种组成上一定的相似性, 但是在株数密度和每公顷胸高断面积上, 较老天然次生林株数密度和胸高断面积要明显高于早期天然次生林。

早期天然次生林, 共有56个树种, 重要值前10位的树种如表 1所示, 其中喜光先锋树种中平、枫香占据绝对的优势。中平占总株数的23.95%, 总胸高断面积的26.30%;枫香占总株数的6.56%, 总胸高断面积的13.18%。经济树种烟斗柯、乌墨已经占据重要的位置, 其中烟斗柯占总株数的6.84%, 总胸高断面积的8.78%;乌墨占总株数的3.71%, 总胸高断面积的7.76%。

较老天然次生林中, 共有42个树种, 其中重要值位于前10位的树种如表 1所示。经济树种枫香、黄樟、乌墨及华润楠为重要的组成部分, 其中枫香占具绝对性优势, 占总株数的38.28%, 总胸高断面积的57.68%;黄樟占总株数的9.32%, 总胸高断面积的3.82%;乌墨占总株数的5.65%, 总胸高断面积的10.68%;华润楠占总株数的5.32%, 总胸高断面积的4.04%。

3.2 天然更新分析

黄牛木、禾串树、山石榴同为2类退化天然次生林更新重要值前10位的树种(表 2), 表现出更新的相似性, 但幼苗幼树的丰富度和地径断面积则存在显著的差异。较老天然次生林幼苗幼树丰富度每公顷达到40 267株, 是早期天然次生林的2.4倍, 标志着处于演替较高阶段的天然次生林更新状况的改善。

在早期天然次生林中, 黄牛木、厚皮树、小花五桠果同时为乔木和幼苗幼树重要值前10位的树种; 但经济树种枫香、烟斗柯、乌墨重要值并没有出现在前10位的幼苗幼树中; 在乔木中占绝对优势的中平已经没有幼苗, 幼树仅仅为每公顷27株, 预示着在未来一段时期会被淘汰。在较老天然次生林中, 黄牛木、毛黄肉楠、黄樟、乌墨、枫香、华润楠、榉叶算盘子同时为乔木和幼苗幼树重要值前10位的树种, 其中黄樟、乌墨、华润楠为珍贵的用材树种, 具有重要的经济价值。

如图 1, 2和表 1所示, 在早期天然次生林中, 位于乔木重要值前10位的树种:枫香、烟斗柯、黄牛木、乌墨、短翅黄杞呈现明显的倒J型分布, 幼苗＞幼树＞乔木, 天然更新状态为优; 中平、厚皮树、小花五桠果、五月茶、方叶五月茶呈现近正态分布, 其中中平没有幼苗, 且幼树只占7.45%, 乔木占92.55%, 其更新状态差; 厚皮树、小花五桠果、方叶五月茶的幼苗数小于幼树数, 更新状态较好; 五月茶没有幼苗幼树, 没有林下更新。

在较老天然次生林, 位于乔木重要值前10位的树种:黄樟、越南山矾、华润楠、细枝柃(Eurya loquaiana)、毛黄肉楠、乌墨呈现明显的倒J型分布, 其中黄樟、华润楠、细枝柃、毛黄肉楠、乌墨的幼苗＞幼树＞乔木, 天然更新状态为优; 越南山矾, 幼苗＞幼树＜乔木, 更新状态为一般; 榉叶算盘子、方叶五月茶、枫香、黄牛木呈现近正态分布, 其中榉叶算盘子没有幼苗, 其更新状态差; 枫香和黄牛木幼苗数小于幼树数, 更新状态较好。

早期天然次生林出现14个新种, 较老天然次生林出现18个新种(表 3), 其中米花木同时出现在2类退化天然次生林之中。在早期天然次生林中, 鸭脚木、罗浮栲、无患子、长柄梭罗树为经济树种。鸭脚木, 罗浮栲也同时出现在幼苗幼树中, 更新总株树为每公顷320株和240株。在较老天然次生林中, 新增树种中只有肖蒲桃、黄丹木姜、海南锥为经济树种。肖蒲桃同时出现在幼苗幼树中, 更新总数为每公顷223株。

4 森林发展类型设计

通过对2类退化天然次生林的林学特性分析, 可以看出2类退化天然次生林的乔木树种组成和更新组成都存在着明显的差异。在制定近自然森林发展类型时应具体问题具体分析, 采取有针对性的营林方式以期取得最佳的经营效果。

在早期天然次生林中, 乔木重要值前10位的经济树种枫香、乌墨、烟斗柯并没有出现在幼苗幼树重要值前10位的树种中, 林下更新优势显得不足。但是, 其幼苗＞幼树＞乔木, 表现为优良的天然更新状态, 具有很大的更新潜力, 所以选取有竞争活力的枫香、烟斗柯和乌墨个体作为目标种。在森林经营时, 要特别注意保护和诱导这3个树种的林下更新, 在适当的时候可以在林下补种这3个树种。

林分中其他重要的经济树种有短翅黄杞、黑格(Albizia odoratissima)、重阳木(Bischoffia javanica)、黄杞(Engelhardia roxburghiana)、华润楠、海南红豆(Ormosia pinnata)、琼楠(Beilschmiedia intermedia)。其中短翅黄杞、黑格、重阳木、黄杞可以选作乔木伴生种, 因为它们在当前的林分中已经具有较高的重要值。短翅黄杞、重阳木、黄杞、琼楠在林下已经出现天然更新, 且幼苗＞幼树＞乔木, 天然更新状态为优, 因此可作为更新的伴生种。对于在更新中出现的具有较高经济价值的新种鸭脚木、罗浮栲、无患子、长柄梭罗也要进行更新保护。

在较老天然次生林中, 经济树种枫香、黄樟、乌墨、华润楠同时是乔木层和幼苗幼树层重要值前10位的树种。其中, 黄樟、乌墨、华润楠的幼苗＞幼树＞乔木, 更新状态为优, 枫香更新状态为较优。因此, 选择有竞争活力的枫香、黄樟、乌墨、华润楠个体为目标种。与早期天然次生林相比较, 在森林经营时, 林下不需要人工补植, 可完全依靠自然更新。

林分中其他经济树种, 如倒吊笔(Wrightia pubescens)、黑格可以作为主林层的伴生树种。同时, 其林下更新, 幼苗＞幼树＞乔木, 更新状态为优, 因此可作为更新中的伴生种。对于在更新中出现的具有较高经济价值的且自身更新状态较优的新种肖蒲桃、黄丹木姜、海南锥也可作为更新伴生种。

就森林发展目标而言, 海南省于1999年提出建设生态省这一战略目标(王辉丰, 2000; 符国基, 2003)。为了贯彻这一战略, 本研究天然次生林的发展目标之一就是环境保护。此外, 由于重要经济树种在2类次生林中已经占有较高的优势度, 并且其天然更新无论从数量上还是质量上都表现出良好的状态, 当前的天然次生林具备未来提供木材产品的潜力。因此, 本研究的2类天然次生林的另一个发展目标是木材生产。根据上述分析, 制定以下2类次生林森林发展类型。

4.1 乌墨、烟斗柯、枫香为优势树种的混交林 4.1.1 森林概观

以烟斗柯、乌墨、枫香为主要优势树种, 建立异龄、多层次混交林。林下尤其在林隙更新丰富, 其中烟斗柯、乌墨占主要比例, 其他经济树种短翅黄杞、黑格、重阳木、华润楠、黄杞的更新质量和数量有明显提高。

4.1.2 森林发展目标

现有林分中经济价值较高的树种乌墨、烟斗柯、枫香已经占据重要的位置, 天然更新状态为优。通过持续对经济树种促进更新以及对目标树的培育, 从而形成林木质量优良、物种多样性丰富的近自然森林。

1) 环境保护  当前的树种和将来的潜在树种以当地的乡土树种为主, 优先保护和促进演替顶级阶段的树种, 从而提高森林生态系统的稳定性。

2) 木材生产  烟斗柯和乌墨是珍贵的用材树种, 具有很高的经济价值。烟斗柯干材:主伐木胸径50 cm, 主伐年龄≥50年; 乌墨干材:主伐木胸径70~80 cm, 主伐年龄≥50年; 枫香干材:主伐木胸径45 cm, 主伐年龄≥20年。

4.1.3 树种比例

1) 主林层林分目标  烟斗柯20%~40%、乌墨30%~50%、枫香15%~20%, 其他伴生树种(短翅黄杞、黑格、重阳木、黄杞) 20%左右。

2) 更新目标  烟斗柯30%~60%、乌墨30%~50%、枫香15%~20%其他伴生树种(短翅黄杞、重阳木、黄杞、琼楠等) 20%~40%。

4.1.4 混交类型

群状混交格局为主, 在无庇荫林隙中分布着群团状不同年龄的烟斗柯、乌墨、枫香。

4.1.5 近期营林措施

通过对藤、干扰树的伐除来促进目标树的生长, 保护所有林下的更新幼树。以群团状直播经济价值较高的树种, 加快近自然林相的形成。优良的水肥小环境是促使目标树生长的重要条件, 因此, 在必要时可以为目标树设水肥坑, 以改善养分水分条件。

4.2 乌墨、华润楠、黄樟、枫香为优势树种的混交林 4.2.1 森林概观

为异龄、多层次的混交林, 其中黄樟、乌墨、华润楠、枫香构成林分的主林层。林下幼苗幼树更新丰富, 主要有黄樟、乌墨、华润楠, 其他经济树种倒吊笔、黑格、肖蒲桃、黄丹木姜、海南锥更新比例明显提高。

4.2.2 森林发展目标

枫香在此林分中当前占据绝对优势, 但是更新情况并不乐观, 在将来林分中仍然为重要组成部分, 但是组成比例要降低。与之相对应, 现有林分中经济价值较高的树种乌墨、黄樟、华润楠已经占据重要的位置并且天然更新状态为优。通过持续促进经济树种更新以及对目标树培育, 从而形成林木质量优良、物种多样性丰富的近自然森林。

1) 环境保护  此森林发展模式顺应自然演替的进程, 在树种构成上充分考虑到乡土树种, 该混交林是生物多样性丰富、结构稳定的森林生态环境, 对周围的生态环境起到一定的保护功能。

2) 木材生产  乌墨、华润楠、黄樟是珍贵的用材树种, 具有较高的经济价值, 其中黄樟枝叶、根、树皮及木材均可提取樟油和樟脑, 经济价格更高。枫香也是常见的用材树种。黄樟干材:主伐木胸径40 cm, 主伐年龄≥50年; 乌墨干材:主伐木胸径70 ~ 80 cm, 主伐年龄≥50年; 华润楠干材:主伐木胸径60~70 cm, 主伐年龄≥60年; 枫香干材:主伐木胸径45 cm, 主伐年龄≥20年。

4.2.3 树种比例

1) 主林层林分目标  枫香15%~20%、黄樟30%~40%、乌墨20%~30%、华润楠20%~30%, 其他伴生树种(倒吊笔、黑格等) 20%左右。

2) 更新目标  黄樟40%~50%、乌墨30% ~40%、华润楠30%~40%, 其他伴生树种(倒吊笔、黑格、肖蒲桃、黄丹木姜、海南锥) 30%左右。

4.2.4 混交类型

群状混交格局为主, 在无庇荫林隙内分布着群状不同年龄的黄樟、乌墨、华润楠。

4.2.5 近期营林措施

通过对藤、干扰树的伐除来促进目标树的生长, 保护林下所有的更新幼树, 同时砍除影响幼苗幼树生长的杂草和灌木。必要时, 可以群团状直播经济价值较高的树种, 加快近自然林相的形成。对选择的目标树, 可以在其周边设水肥坑, 以改善养分水分条件。

5 结论与讨论

就树种选取而言, 本研究中早期天然次生林未来的目标树种为乌墨、烟斗柯、枫香; 较老天然次生林的目标树种为黄樟、乌墨、华润楠。2类次生林所选取的目标树种, 都是适宜当地立地的乡土树种, 顺应当前林分的演替规律。陆元昌等(2004)为退化的油松(Pinus tabulaeformis)人工纯林设计森林发展类型时, 选取演替顶级乡土树种栓皮栎(Quercus variabilis)。国红等(2006)在为海南加勒比松(Pinus caribaea)林设计森林发展类型时, 选取当地的乡土树种黑格和白格(Albizia procera)作为未来的目标种。Larsen等(2007)在丹麦设计森林发展类型时, 选择乡土树种山毛榉(Fagus sylvatica)、白蜡树(Fraxinus excelsior)和欧亚槭(Acer pseudoplatanus)。可见, 在未来树种的选取上, 应当尽可能选取适应当地立地的乡土树种; 如果是引来的外来种, 其基本原则是这个树种应该能够持续地实现其自身的天然更新(陆元昌, 2006)。例如德国雄狮计划中, 在设计的花旗松(Pseudotsuga menziesii)-山毛榉混交林时, 选取了外来速生树种花旗松, 其理由是花旗松适应于当地的立地条件, 能够实现自身的天然更新(陆元昌, 2006)。

就森林发展目标而言, 陆元昌等(2004)在设计退化油松林的发展目标时, 考虑到首都对森林景观效应和游憩效应的需求, 故而把其发展目标定义为景观林, 强调对高景观树种元宝槭(Acer truncatum)的保护。本研究区域白沙县是海南岛生态关键区域, 次生林经营的好坏直接关系到海南岛生态建设和当地群众的收入。因此, 2类次生林的发展目标为环境保护和木材生产。在2类次生林的近期营林措施中, 本研究着重强调保护和促进天然更新, 从而最大限度地利用自然的驱动力, 节约成本。然而, 对于林下更新不足的主要经济树种, 则需要进行补植。

森林发展类型设计是一个既有时间维度又有空间维度的概念, 在时间上按照森林演替规律, 在空间上结合立地的具体条件及森林林学特征, 设计森林的发展过程, 制定未来森林的概观和发展目标。与森林经营类型不同的是, 森林发展类型是森林未来某段时间的森林类型, 是现存森林类型的发展结果; 而森林经营类型更多根据经营用途和目的划分森林类型, 以便于经营措施的实施, 这种森林经营类型多是现存森林类型的重新分类。从实施森林经营措施来看, 森林发展类型具有明确的导向性, 对森林经营单位和森林经营者而言, 经营的目标和经营措施一目了然, 有利于经营措施的实施。因此, 森林发展类型作为近自然森林经营中的重要组成部分, 具有重要的实践意义。森林发展类型制定的好坏, 直接关系到近自然森林经营的成败。因此森林发展类型的研究应当引起当地林业部门的注意, 科学合理地制定森林发展类型, 为森林可持续经营服务。

完善的发展类型设计的技术和数据基础要求很高, 一方面要表达出希望实现的理想森林模式状态, 另一方面还要提出实现这一状态的必要营林措施和经营过程。由于森林经营的长期性和复杂性, 完成这些工作需要仔细观察、长期积累和深入思考, 是一个人类向自然学习和自身发展的长期过程。此外, 森林发展类型在实施上面临困难, 近自然森林经营需要10~20年的导引期, 此期间需要予以一定的补偿, 执行难度大。森林发展类型值得进一步深入研究和讨论。