燕山山地白桦天然次生林生长与结构的研究

河北农业大学 硕士学位论文燕山山地白桦天然次生林生长与结构的研究姓名：刘相兵申请学位级别：硕士专业：森林经理学指导教师：黄选瑞20120529本文以河北省孟滦林场以及黑龙山林场白桦天然次生林为研究对象，通过树干解 析的方法分析不同立地条件下白桦天然次生林生长差异，主要包括直径生长、树高生 长和材积生长规律。并利用径阶株数分布直方图、Weibull分布等函数及拟合检验方 法，分析不同地区白桦天然次生林直径结构的差异。通过利用混交度和角尺度等空间 结构参数，分析了不同地区白桦次生林林分的树种隔离程度、水平分布特征。并对黑 龙山林场白桦中幼龄林采伐前后林分生长和结构差异进行分析，主要包括：林分平均 直径、蓄积、直径结构、空间结构等。为该地区天然白桦次生林的经营提供理论依据 和技术支持。本文研究主要得出以下结论：(1) 不同立地条件下白桦生长存在一定的差异，白桦天然次生林在孟滦林场直 径平均生长量较快，15 a达到一个高峰，连年生长量到 10a左右达到一个高峰，之后 呈下降趋势，而黑龙山林场白桦直径平均生长量较慢，连年生长量20a 左右达到高峰; 树高生长在孟滦林场生长较快，树高平均生长以及连年生长量在10a 左右出现一个高 峰期，在黑龙山林场树高平均生长量和连年生长量在10a 也出现一个高峰期；材积生 长在两个地区均没有达到最大值，说明白桦没有到达数量成熟期。(2) 白桦幼龄林直径结构在孟溁林场和黑龙山林场均呈现为“反J”型分布，且 符合对数正态分布，拟合效果较好。两地不同之处在于，孟滦林场大阶级林木较多， 而黑龙山林场白桦幼龄林最大径阶为9,且林木株数较少。中龄林直径结构在两地区 都呈现出双峰山状曲线，但孟滦林场白桦直径结构拟合效果较差，均不符合现有模型 分布。而黑龙山林场白桦直径结构拟合符合对数正态分布。(3) 白桦幼龄林水平分布结构在两个地区均呈现聚集分布，其平均角尺度较大。 黑龙山林场白桦幼龄林聚集程度比孟滦林场白桦幼龄林聚集程度较大。白桦中龄林， 在两个地区均混交其它树种，但主要树种乃然是白桦，同样，中龄林均呈聚集分布， 必须进行有效措施进行水平空间结构调整。孟滦林场在白桦中龄林混交程度较小，只 有两种树种。而在黑龙山林场中，白桦中龄林混有五种其它树种，平均混交度为0.47, 有利于林分的稳定及生长。(4)黑龙山林场白桦天然次生林采伐三年后，中、幼龄林直径结构由“反J ”型 分布渐变为单峰山状分布。且中幼龄林不同保留密度直径结构也不同。幼龄林对照标 准地直径没有明分布结构，除对照地外，四种保留密度中，密度较大的林分，直径结 构呈现出单峰山状分布，接近正态分布，而密度较小的林分直径结构呈现出单峰山状 个高峰偏右分布；中龄林对照地直径分布呈现出“反J”开型分布，其它四种保留密度 中，密度较大的林分直径结构呈现为单峰山状分布，密度较小的呈现出单峰山状偏左 分布。采伐对林分空间结构的影响，无论是幼龄林还是中龄林，随密度的增加角尺度 的值越大，林分聚集程度越大。(5)白桦中幼龄林不同保留密度空间水平分布随密度的增加角尺度不断增大， 幼龄林密度最大的标准地为对照标准地HY-3,其次为HY-1、HY-2、HY -4、HY -5,其平均角尺度分别为0.565、0.554、0.532、0.521和0.512;中龄林密度最大的标准地 为对照标准地HZ -3,其次为HZ-5、HZ-4, HZ_2和HZ-1,其平均角尺度分别为0.573、 0.549、0.543、0.521 和0.516。(6)采伐对幼龄林生长的影响较为明显，采伐3年后，林分平均直径生长量有 明显增加，但增长量随密度的增加逐渐减小。而3年内，林分蓄积的变化量不随密度 的增加而减小，但采伐比没有采伐的变化幅度大；中龄林采伐3年后，各标准地林分 平均胸径均比未采伐林分大。林分总蓄积则相反，采伐3年后的林分蓄积低于没有进 行采伐的林分，其主要原因是采伐强度较大，没有采伐的林分中林木较多，总蓄积量 相应较大。关键词：直径结构；空间水平分布；生长；采伐；经营措施Study on the growth and structure of the Birch natural secondaryforests in Yanshan mountainAuthor. Liu Xiang-bing Major Forest management Supervisor: Huang Xuan-ruiAbstractThis paper takes Hebei province Luan of the first month of forest and natural secondary forest of Betula platyphylla Heilongshan forest as the research object, through the analysis of stem analysis method under different site conditions of birch natural secondary forest growth differences, including the growth of diameter, tree height growth and stem volume growth regularity. And using the diameter number distribution, Weibull distribution function and fitting inspection method, analysis of different regions of birch natural secondary forest diameter structure differences. Through the use of mixed degree and angle scale spatial structure parameter, analysis of different regions of Betula platyphylla secondary forest tree species isolation degree, horizontal distribution characteristics. And the black dragon hill forest birch in young and middle aged forest harvesting and forest stand growth and structure were analyzed, mainly including: the average diameter of stand diameter structure, accumulation, spatial structure, etc. As the area of natural birch forest operation to provide a theoretical basis and technical support. This study mainly draws the following conclusions:(1) under different site conditions of birch growth differences exist in the natural secondary forest, Betula platyphylla forest in Luan of the first month average diameter growth rate is rapidder,15A reaches a peak, the current annual increment to about 10A reached a peak, then decreases, and the black dragon hill forest birch diameter average growth rate is slower, the current annual increment about 20A reached its peak; tree height growth in Luan of the first month of forest growth is rapidder, tree height growth and average annual growth volume of around 10A appeared a peak in the black dragon mountain forest, tree height growth and current annual increment in 10A also appeared a peak; volume growth in the two regions have not reached the maximum value, description of birch arrived without a quantitative maturity stage.(2) birch sapling forest diameter structures in Luan of the first month forest and black dragon mountain showed“ J“ type distribution, and fit the lognormal distribution, the result is good. The two differ, Luan of the first month forest farm forest more class, while the black dragon hill forest birch sapling forest maximum diameter is 9, and the tree numbers less. Forest diameter structures in two areas are Shuangfeng mountain shape curve, but Luan of the first month forest birch diameter structure fitting effect is poor, were not consistent with the existing model of distribution. As the dragon mountain forest birchdiameter structure fitting with logarithm normal distribution.(3) birch sapling forest level distribution structure in two regions showed aggregated distribution, the average angle of large scale. Black dragon hill forest birch sapling forest aggregation degree than Luan of the first month forest birch sapling forest aggregation degree is bigger. Birch forest, in two regions were mixed with other tree species, but the main tree species are still birch, similarly, forest were aggregated distribution, must carry out effective measures for horizontal adjustment of spatial structure. Luan of the first month in the birch forest mixed forest is less, only two species. In the black dragon hill forest, Betula platyphylla forest mixed with five kinds of otho- species, the average mixed degree is 0.47, is conducive to the stability and growth of forest stand.(4) the black dragon mountain forest birch natural secondary forest harvesting three years later, in diameter, young forest structure by a “ J“ type distribution gradient as a single peak mountain shape distribution. And the young middle aged forest in different retaining structures are also different density diameter. Young forest control standard diameter no prescribed distribution structure, except for the control of extraterrestrial, four reserve density, greater density of stand diameter structure, presents one peak mountain shape distribution, close to the normal distribution, and less dense stand diameter structure exhibits a peak mountain form the peak of right distribution; forest land diameter control distribution exhibits a“ J“ open distribution, the other four reserve density, greater density of stand diameter structure showed a single peak mountain shape distribution, density smaller exhibits a peak mountain form the left distribution. Effects of cutting on forest spatial structure, whether young forest or forest, with the increase of density angle scale value is greater, the greater the stand together.(5) the birch in young forest reserve density spatial distribution of different level with the increase of density angle scale increasing, young forest density maximum standard for control standard HY-3, followed by HY-1, HY-2, HY-4, HY-5, the average angular scales are respectively 0.565,0.554,0.532,0.521 and0.512; forest maximum density standard for control standard HZ-3, followed by HZ-5, HZ-4, HZ-2and HZ-1, the average angular scales are respectively 0.573,0.549,0.543,0.521 and0.516.(6) harvesting on young forest growth effect is more obvious, harvested after 3 years, the average diameter of stand growth has increased markedly, but increase with the increase of density decreased gradually. In 3years, stand volume change volume density increases, but the cutting than no logging variation; middle aged forest harvesting after 3 years, the average diameter than the standard stand unused forest in. Stand the total volume is contrary, logging3 years after the stand volume less than did the logging of forest stands, the main reason is the cutting intensity is larger, not cutting in forest trees more, total volume corresponding to a larger.Key words: diameter structure; spatial distribution; growth; cutting; management measures燕山山地白桦天然次生林生长与结构的研究1引言1.1研究目的与意义陆地生态系统已受到了来自人类和自然的各种干扰，而森林采伐是人类活动干扰 的一种，是实现森林经营收获利用的一种手段，不可避免地对森林生态系统产生较大 的影响。适量、有规则、因地制宜地采伐森林，有助于森林的演替和更新，维持森林 生态系统的健康，有助于森林稳定系统的形成；相反，过度地采伐森林，就会导致森 林生态系统的退化、水土流失、林地生产力低下，出现严重的环境问题。森林的结构是森林的重要特征，反映了森林林分内物种的空间关系，树木之间的 竞争势及其空间生态位，在很大程度上决定了林分的稳定性、发展的可能性和经营空 间大小 1。培育健康稳定的森林，首要条件是要拥有顶级的林分结构，只有认清现有 林分结构及经营状况，以及影响其林分结构及生长的因素，合理调整林分结构，按照 森林的自然生长规律和演替过程安排经营措施，才能使其功能得到最大发挥。林木在生长发育过程中往往受制于一个有限的空间，而自身的发育又要求生长和 营养空间的扩大，采伐则有利于调节和分配林木本身的生长空间。因此，采伐对林木 各因子以及林木生长发育起着很重要的作用。合理的采伐能促进林木林分胸径、断面 积、蓄积及生物量等的生长，降低伐后林分的死亡率；促进林分更新，加快幼苗幼树 的生长，对幼苗的分布有一定的影响；改善林分结构，保持稳定的森林景观。黑龙山林场以次生白桦山杨林为主。其中，由天然更新形成的幼龄公益林，由于 密度过大，林木之间开始出现空间和营养竞争，林木个体的生长开始受到抑制，影响 了林分的发育和合理结构的形成，不利于生态公益林良好生态功能的形成与发挥。基 于林分自然稀疏和理论和多目标经营的理念，对林分进行定株抚育，伐除林分中生长 落后林木和有害木，降低林分密度，促进保留木的生长，改善林分结构。孟滦林场以天然次生林为主，白桦次生林是孟漆林场主要森林类型之一。由于经 营条件的限制，其林分生长状况较差，生态功能不断下降，生物多样性低、病虫害等 一系列问题较为严重。面对日益严重的问题及生态需求，使我们意识到依靠经营和培 育结构简单的森林，难以实现其森林的可持续发展，森林结构决定森林的功能，合理 的林分结构是森林效益最大化的基础。森林的空间结构是森林的重要特征，反映了森 林林分内物种的空间关系，树木之间的竞争势及其空间生态位，在很大程度上决定了 林分的稳定性、发展。本文采用固定样地监测法，从森林生长和林分结构两个方面，分析抚育采伐后森 林的动态变化，使森林经营者清楚地了解森林生长过程和伐后林分结构的恢复状态。 并对比分析河北省东西地段白桦天然次生林生长和结构的差异，为森林的恢复和持续 利用提供理论依据，对我国的天然林保护工程也具有重要的理论指导和实践应用意 义。11.2研究综述河北农业大学硕士学位（毕业）论文1.2.1林木生长的研究 1.2.1.1林木生长生长是林木各种调查因子在一定间隔期内随年龄的增大所发生的变化，其变化的 量称为生长量。林木生长过程中分析的项目主要有树高、胸径、材积、生物量以及形 数等等，分析的指标主要有总生长量、平均生长量、连年生长量以及生长率等等。连 年生长量和平均生长量进行分析是分析林木生长过程最常用、最有效的手段之一，如 果用连年生长量和平均生长量与时间作图，林木生长过程就简单明了的展现出来，从 中可以大致看出林木什么时候生长最快、什么时候数量成熟等等。兰士波，罗旭 2 等人用采用固定标准地定位观测和临时标准地调查点面结合的方法分析研究了天然 杨桦林各立地级的生长进程，提出了天然杨桦林树高与胸径生长进程的3个阶段。张 士俊 3等对钻天柳天然林生长规律进行研究，结果得出胸径、树高、材积生长的速生 期年龄。林剑格 4对马尾松人工林生长规律进行研究，得出树高、胸径、材积边年生 长量和平均生长量的最大值时的年龄，并确定了速生期、数量成熟期以及采伐的最佳 时期。陶国祥 51对秃杉生长规律进行研究，分析秃杉直径、树高、材积的生长过程， 得出了树高、直径、材积的生长最大值的年龄。同时还用许多学者，如郭晓斌 6，张 连水 7，荆涛杜娟 9等对林木生长规律进行了研究。树干解析是研究树木生长过程的基本方法和最直接的方法，在生产和科研中经常 采用。树干解析是为了全面地分析研究单木各个因子（如胸径、树高、材积等）随着 其自身年龄的变化及环境影响，通过将所选的代表了研究目的的解析木按照一定的要 求截锯若干个横断面（圆盘)，根据己知高度圆盘的年轮数目查数及年龄位置标定， 从而求得树干各个因子的生长变化过程。在每个横断面上可以根据年轮的宽度确定各 年龄（或龄阶）的直径生长量。在纵断面上，可以根据断面高度以及相邻两个断面的 年轮数之差可以确定各年龄的树高生长量，从而进一步算出各龄阶的材积和形数等。 这种分析树木生长过程的方法叫树干解析。作为分析对象的树木的选取应该根据分析 生长过程的目的和要求而定，一般选择生长正常，无病害，不断梢的平均木或者优势 木。1.2.1.2林木生长模型生长模型是定量研究植物各因子生长过程的有效手段。生长过程模型一般分为经 验方程和理论方程，一些经验方程虽无明确的生物学意义，拟合结果却较好 【1() ， 11】 。目 前常用的树木理论生长模型有：逻辑斯蒂方程、米切尔里希方程和理查兹方程，这些 方程都是基于一定的生物学理论或假设而推导出来的，其实用性较强 12。不同模型有 自己的优点和缺点，这种差异不但体现在模型的假设条件上，也体现在与树种的针对 性上，对于我们来说，首先要根据树种的特点大致筛选出几个模型，然后找出一个最 优模型。1.2.1.3采伐对生长的影响2燕山山地白桦天然次生林生长与结构的研究林分单株木在生长发育过程中往往受制于一个有限的空间，而自身的发育又要求 生长和营养空间的扩大，采伐则有利于调节和分配林木本身的生长空间。因此，采伐 对林木各因子以及林木生长发育起着很重要的作用。采伐对林分生长动态发育影响的 研究主要集中在不同采伐强度对胸径、树高和蓄积等因子的影响 13。无论是人工林或 天然林，单株林分直径的生长随间伐强度的加大而增加，蓄积生长是随间伐强度增加 而明显提高，而间伐强度大小对树髙影响不大。胡云云 14以20块经过抚育的天然云冷杉林样地为研究对象，分析第2次择伐前 不同初始择伐强度对林分生长和结构的影响，以及初始择伐后不同恢复时间林分生长 和结构的变化。结果表明：初始择伐后的样地林分平均胸径和蓄积的年生长率相对高 于对照样地，采伐后开始增加，采伐强度越大林分平均胸径和蓄积生长越快。董希斌 13以云冷杉林、阔叶红松混交林、针阔混交林、落叶松林4 种林分分类型为例。分析 和讨论了采伐强度对不同林分蓄积生长量的影响。结果表明：未伐强度因林分类型不 同。伐后林分蓄积生长量也不相同。云冷衫林、阔叶红松混交林、针阔混交林、落叶 松林，采伐强度分别在60% 、30%-50%, 20%、40% 时林分蓄积生长量较大。研究还 发现，无论是人工林还是天然林，林分直径的生长随采伐强度的加大而増加；蓄积生 长随采伐强度增加而明显提高；采伐强度与蓄积生长率呈指数关系，与蓄积平均生长 量呈二次函数关系，得出46.62%，蓄积平均生长量最大。董希斌和王立海 15研究得 出，不同林型的林分年平均更新株数随着采伐强度的增加而增加，应用统计学原理进 行拟合分析，得出采伐强度与林分更新株数间呈抛物线关系。合理的采伐能促进林木林分胸径、断面积、蓄积及生物量等的生长，降低伐后林 分的死亡率；促进林分更新，加快幼苗幼树的生长，对幼苗的分布有一定的影响；改 善林分结构，保持稳定的森林景观。不同的择伐强度对林分的生长和结构的影响存在 差异，但最佳的择伐强度无统一结论，不同的森林类型和林分状况则有所不同。如果 采伐强度过大，林木适应不了突然变化的林内光照、湿度、温度的变化，从而导致原 有的林内小生境被破坏，林分生长、生物多样性、下层植被和更新等均受到影响；严 重的还会导致“二化一流”即：高山草原化、沼泽化、水土流失，并由此影响森林动物 种群、数量发生变化 16。如果采伐强度合理，则能改善林内生态环境，促进森林的生 长和更新，维持森林生态系统的稳定性 17。因此，森林采伐作业必须在一定的生态约 束条件下进行，以维持森林生态系统的生产力，保护森林生物多样性，实现森林的可 持续发展 18。1.2.2林分结构的研究林分结构是林分特征的重要内容，林分结构研究是经营森林的理论基础。主要以 树种组成、年龄、直径、树高、形数、林层、密度和蓄积等指标描述林分结构 191。林 分结构包括空间结构和非空间结构。林分空间结构是指林木在林地上的分布格局及其 属性在空间上的排列方式，也就是林木之间树种、大小、分布等空间关系。林分空间 结构决定了树木之间的竞争势及其空间生态位，它在很大程度上决定了林分的稳定3河北农业大学硕士学位（毕业）论文性、发展的可能性和经营空间大小 2()。而林分非空间结构是指年龄结构、直径结构、 树高等结构，不受空间位置的影响。林分空间结构是林分中树木及其属性在空间的分 布，其强调森林空间结构依赖于树木的空间位置，这是区别于非空间结构的主要标志。 1.2.2.1林分树种组成的研究树种组成是说明林层内有哪些树种组成，及其在林层总蓄积量中所占的比例。由 一个树种组成的林分称为纯林，由两个或两个以上的树种组成的林分称为混交林。在 混交林中，蓄积比重最大的树种称为优势树种;最符合经营目的的树种称为主要树种。林分的树种组成通常用“组成式”表示。组成式由各树种名称的代号及其在林层中 所占蓄积的成数（称为树种组成系数）构成。组成系数通常用十分法表示，即各树种 组成系数之和等于“10” 。复层林的组成式应分别林层记载。由于胸高断面积与蓄积量 成正比例，且二者相关关系紧密，实践中常用断面积代替蓄积量来确定树种组成。树种组成结构是林分结构的基础特征，各国对树种组成的研究都较早，其中德国 在树种结构方面的研究相对较多，并在不断的更新 21。中世纪以前的德国，原始林中 针叶树较少，仅占三分之一。而后随着对木材产量的需求，又开始大量营造针叶树， 针叶纯林相对较多，比例超过了三分之二。但由于针叶纯林的种种弊端如抗风能力差、 景观简单单调、病虫害危害严重等，就开始根据近自然经营理论对树种进行结构调整。 使阔叶树比例大幅度上升，并接近于原始森林水平 221。我国长白山地区的原始红松林 林内，凡是在红松人工林中存在的病虫害都有分布，但从未泛滥成灾。多次调查后发 现，无论是在材积，还是在株数上，红松都占35%左右，即红松与其它树种的比值为 50%左右 23。在欧洲研究证明造成Alpine山区水土保持林不稳定的原因是不合理的 林分组成，过于简单的垂直结构和植物组成、森林病虫害和高密度的野生有蹄类动物。 提高这一地区林分的稳定性，采取的措施是在挪威云杉中增加落叶松比例，逐渐建立 多层次林分结构的小块状林分 24。由此可见，通过改变林分的树种结构防治病虫害、 发展多树种组成的混交林己成为共识，林分病虫害发生状况己经成为检验林分稳定性 的重要指标。树木种类组成在决定森林的类型具有重要意义，也直接影响生物多样性，是林分结构的基本因子，它反映林分的物种种类和林分类型。1.2.2.2直径结构林分直径结构是林分内各种大小直径林木的分配状态。林分直径结构是最基本的 林分结构，不仅因为林分直径便于测定，而是因为它为许多森林经营技术及测树制表 技术理论提供依据。在林分直径结构中，又以同龄纯林的直径结构规律为基础，而复 层异龄混交林的直径结构规