森林抚育采伐成效监测与分析——以东方红林业局为例

张纪元

(国际竹藤中心,北京 100102)

森林作为陆地生态系统的主体,在调节气候、涵养水源、防风固沙、保育土壤中具有重要的作用[1-2]。近年来,随着社会经济的发展和全球生态环境治理的需求,森林生态系统的价值和功能已经从传统的木材供给为主转变成为以生态效益为主,经济效益和社会效益兼顾[3]。森林经营包括从在地上种植苗木形成森林至进行林木采伐后林分更新为止的所有森林培育措施,这是森林经营管理的重要组成部分[4-5]。以生态、经济和社会效益多目标结合的经营模式对森林资源质量提升提出了更高的标准和要求[6-7]。抚育采伐作为森林经营中一项重要的措施,通过合理调整林木空间结构和年龄结构,改善森林环境、提高林分蓄积量、增加生物多样性,进而影响森林生态系统功能的发挥[8-9]。合理的森林抚育采伐能够产出质量好、价值高、效益优的林木和生态产品,从而实现森林综合效益最大化。

黑龙江省森林资源主要分布在大小兴安岭和长白山脉及部分半山区县(市)[10]。第九次全国森林资源清查数据显示:黑龙江省森林面积1 990万hm2,其中天然林面积1 747万hm2,人工林面积243万hm2,森林覆盖率43.78%。与第八次全国森林资源清查数据相比,黑龙江省森林覆盖率提高0.62个百分点,森林蓄积量增加20 217万m3[11]。但在林业发展过程中,仍面临许多挑战:1)天然林面积所占比例较大；2)人工林树种较单一,林分生产力低,可利用林木资源少；3)森林年龄结构不合理,幼龄林和中龄林所占比重较高[12-13]。因此,采取科学合理的森林抚育措施提升林地生产力、改善林地环境、提高生物多样性变得十分必要。本文通过对黑龙江省东方红林业局天然林和落叶松人工林开展抚育采伐,进行森林抚育采伐成效监测和分析,综合评价森林抚育采伐实施效果,以期为该区森林可持续经营提供参考。

1 研究区概况

研究区位于黑龙江省东部的东方红林业局,地理位置为北纬46°08′55″～47°01′40″,东经132°57′32″～133°56′30″。该区属寒温带大陆性季风气候,冬季严寒有雪,夏季温热多雨。年平均气温3.5℃,年均降水量为566.2mm,降水主要集中在夏季,夏季降水量达到全年降水量的53%。该区以长白山植物区系为主,广泛分布着水曲柳(FraxinusmandshuricaRupr.)、杨树(PopulusdavidianaDode)、蒙古栎(Q.mongolicaFisch.ex Ledeb)、胡桃楸(JuglansmandshuricaMaxim)、白桦(BetulaplatyphyllaSuk.)、椴树(TiliatuanSzyszyl.)、落叶松(Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen.)等[14]。

2 研究方法

2.1 样地选择

2013年,在东方红林业局西南部根据集中连片原则选择天然林阔叶林试验地(试验地A)和人工针叶林试验地(试验地B),试验地基本信息如表1所示。分别在2种类型的试验地内选取3块20m×30m的抚育样地和3块20m×30m的对照样地,抚育样地和对照样地林地基本属性相同且落在同一小班内。

表1 试验地基本概况表Tab.1 Basic survey table of test sites

2.2 抚育采伐对象确定

在森林抚育设计的基础上,依据抚育采伐规程确定抚育采伐的对象。具体为:标准样地幼树密度超过3 000株/hm2且树高达到30cm以上的,或标准样地幼苗和幼树密度超过6 000株/hm2且树高30cm以下的,幼苗和幼树层的植被总覆盖度在80%以上的,受轻度病虫害、火灾及其他非生物性危害的林木作为抚育采伐设计对象[15-16]。

2.3 抚育采伐方式

在天然落叶阔叶林抚育样地内,伐除密度大和生长状况差的林木,改善林分密度并改变树种组成,以达到提高保留树木生长速度和保持良好干形的目的。在人工针叶林抚育样地内,伐除密度大和林木质量低下、不能成材等无培养价值的林木。抚育样地保留林木密度为1 200～2 800株/hm2,伐后郁闭度值在0.6～0.7之间[17]。

2.4 样地调查

2013年和2016年对抚育和对照样地内林木进行每木检尺(起测胸径为4cm),调查树高、林下植被情况,并记录林木生长状况,得出相关实验数据,通过计算得到各项抚育成效指标。林下植被调查采用样方调查法,分别在抚育和对照样地4个角落设置面积为2m×2m的灌木样方,并在灌木样方内设置面积为1m×1m的草木样方,记录样方内灌木和草本植物的种类、数量等因子。

2.5 数据统计和分析

选用辛普森Simpson指数、香农-威纳Shannon-weiner指数评价抚育地生物多样性[18]。

辛普森Simpson多样性指数(D):

香农-威纳shannon-weiner指数(H):

式中:Pi为种i的相对重要值；s为所在样地的物种数。

各样地平均蓄积量的计算采用形数法:

V=fa×g1.3×(h+3)

作者张朝先生出生于云南，彝族，这首《滇南山遥》是作者对年少时代受民族间音乐熏陶的回忆，这首作品由三首小曲而组成，分别是《山娃》、《山月》、《山火》，作品创作于二十世纪九十年代，作者将独特的旋律与意境相结合，通过作者对儿时生活的描述，展现出了作者对滇南特有风景的眷恋与不舍之情。

式中:V为各树种的材积(m3),fa=0.41/0.40(落叶松/阔叶树)[19-20]；g1.3为林木1.3m处的胸高断面积cm2；h为树高(m)。

森林乔木层生物量、林下植被生物量和地被物生物量采用表2中的模型进行计算[21]。

表2 各树种生物量模型Tab.2 Biomass model of each tree species

3 结果与分析

3.1 抚育采伐对生物多样性的影响

由图1可知,2块样地对照组的生物多样性指数均未变化。抚育采伐组阔叶树林(试验地A)样地中辛普森simpson指数增加了35.69%,香农-威纳shannon-weiner指数增加了25.49%；抚育采伐针叶林(试验地B)样地中辛普森simpson指数增加了73.42%,香农-威纳shannon-weiner指数增加了61.19%。试验地B辛普森Simpson指数、香农-威纳shannon-weiner指数增长速度最快,显著高于对照组。

图1 辛普森指数和香农-威纳指数增长值Fig.1 The Simpson and the Shannon-wiener Index

3.2 抚育采伐对林木蓄积量的影响

试验地A对照组蓄积量年平均生长率为2.76%,抚育组蓄积量年平均生长率为5.85%,蓄积量抚育成效为3.09%；试验地B对照组蓄积量年平均生长率为4.04%,抚育组蓄积量年平均生长率为5.51%,蓄积量抚育成效为1.48%(表3)。

表3 样地林木蓄积量监测结果Tab.3 Monitoring results of forest volume in sample plots

3.3 抚育采伐对生物量的影响

由表4可知,试验地A对照组第1次监测总生物量(乔木层生物量+林下草本层生物量+林下灌木生物量)为4 403.86kg,3年后第2次监测总生物量为4 413.81kg,年平均增长仅为0.08%,基本无变化；抚育组第1次监测总生物量为5 653.86kg,3年后第2次监测总生物量为6 448.99kg,年平均增长率达4.69%。试验地B对照组第1次监测总生物量为2 733.20kg,3年后第2次监测总生物量降低为2 724.87kg；抚育组样地抚育前总生物量为5 491.35kg,3年后第2次监测总生物量为8 287.48kg,年平均增长率达16.97%。

表4 各试验地抚育前后生物量的变化Tab.4 Changes of biomass before and after tending in each experimental site kg

与林分总生物量增长相反,2个试验地内抚育组林下灌木和林下草本生物量降低。第1次监测试验地A抚育组林下草本和林下灌木生物量分别为7.35kg和18.85kg,试验地B中抚育组林下草本和林下灌木生物量分别为26.77kg和4.39kg。第2次监测试验地A中抚育组林下草本和林下灌木生物量下降到4.87kg和7.5kg,试验地B抚育组林下草本和林下灌木生物量下降到6.89kg和3.75kg。

3.4 抚育采伐对固碳释氧量的影响

图2 年均固碳释氧量和产生的经济价值Fig.2 Annual average carbon sequestration oxygen release and its economic value

3.5 抚育综合成效分析

由表5可知,试验地A和试验地B抚育采伐后生物量抚育成效都有所增加,试验地A生物量抚育成效为4.61%,试验地B生物量抚育成效为16.18%。

表5 各试验样地森林抚育成效Tab.5 Effects of forest tending in each test site

此外,各试验样地内胸径抚育成效、树高抚育成效、蓄积量抚育成效值均为正成效。在2次监测期间内,各试验地经过抚育采伐处理林分胸径、树高以及蓄积量均高于未抚育处理的对照样地。由图2可知,试验地A阔叶树固碳抚育成效价值为8 616元,释氧抚育成效价值为22 980元,固碳释氧抚育成效价值高达31 596元,试验地B针叶树固碳抚育成效价值2 436元,释氧抚育成效价值4 980元,抚育成效价值为7 416元。通过计算试验地森林的固碳释氧均能折合为一定的经济价值,表明对森林采取抚育采伐措施可以改善林分固碳释氧功能,提高林分生态效益。

4 讨论与结论

1) 对东方红林业局天然阔叶林和人工针叶林抚育采伐试验表明:抚育后样地群落生物多样性,丰富度和均匀度均大于对照样地。辛普森simpson指数和香农-威纳shannon-weiner指数都能反映出监测试验地内生物种类的丰富程度与均匀程度,指数的数值越大表示试验地内存在的生物种类越多,该试验地就具有较强的抵抗外界环境干扰的能力[22]。抚育采伐样地内生物多样指数均增加,而对照样地内生物多样性指数未增加,表明抚育措施可以促进林下生物多样性增加。这可能是因为抚育采伐措施降低林分郁闭度,增强林分透光性,林下灌木草本可获得充足的光照和水分等资源,降低了林下生物对资源的竞争作用,因此林下植被数量增加。

2) 抚育采伐措施促进了林分蓄积量,且抚育成效均大于0。作为森林群落对自然资源利用能力大小的标志,森林群落生物量可反映森林群落生产力的大小[23]。抚育采伐改善了林内环境可降低目的树种竞争作用,因此促进了林木生长,故天然阔叶林和人工针叶林样地抚育成效均大于0。此外,试验地A主要分布着中龄林阔叶树,林木处于快速生长期,且林分具有较好的垂直结构,因此试验地A的林木蓄积量抚育成效高于试验地B。

3) 森林抚育均增加了试验样地的年均固碳量和年均释氧量。试验地A的固碳释氧抚育成效明显高于试验样地B固碳抚育和释氧抚育成效,但2个试验地的年均固碳释氧增加率大致相同,抚育成效差别可能与试验样地A与试验样地B中树种和树龄不同有关。在全球气候变暖的趋势下,森林的作用越来越重要,森林能消减温室气体缓解温室效应[13]。森林生态系统通过森林固碳、释氧功能在调节全球碳平衡、缓解温室效应方面发挥重大作用[24]。本研究中通过森林抚育增强了人工针叶林和天然阔叶林固碳和释氧量,可作为森林资源的合理利用进一步的研究基础。但森林固定二氧化碳、释放氧气属于生态价值,对于生态价值的确定国内尚缺少市场,不能直接转化为金钱成为林业生产经营单位或个人的直接经济利益,需要国家政策上进行生态效益补偿制度,从而为林业生产经营单位或个人提供直接效益。

4) 在估算东方红林业局内试验地经济效益部分的生态效益时,各抚育样地内生物多样性抚育成效值、生物量抚育成效值均大于0；各试验样地胸径抚育成效、树高抚育成效、蓄积量抚育成效值均为正成效。这表明对森林采取抚育采伐措施能够促进林木材积的生长,增加了林分经济效益。森林抚育是通过采取森林抚育措施,减少森林中树木的恶性竞争,更加合理的调配环境资源,保证林分中的树木都能良好的生长。林木胸径、树高、蓄积量增加致使材积和经济价值都增加,这些成为林分的直接效益。

5) 森林抚育成效监测需要长期不间断地对抚育森林进行研究观测,本文主要对黑龙江省东方红林业局人工落叶松幼龄林和天然阔叶树中龄林抚育的影响进行了研究,文中只对经济效益、生态效益进行了计算分析,未能对抚育采伐后森林对当地旅游资源、林场发展林下产业等问题进行研究。

6) 本文研究范围空间较小,只在1个林场内对2种林型和林龄作了调查研究,记录的数据和计算所得的各指标无法将不同树种、树龄之间的具体差异体现出来。今后研究应充分考虑不同地域、地形、立地条件等因素之间的差异,可以按黑龙江省地域或气候带分布界线进行划分,扩大研究范围,使研究地区涵盖省内主要林场,通过这样获得的数据计算出的抚育采伐成效才能全面真实地反映当地森林抚育成效。同时,应结合当地森林分布情况、生长状况及森林抚育规划,选择适合当地的抚育措施和抚育强度。