近自然森林经理计划技术体系的设计与应用

近自然森林经理计划技术体系的设计与应用

1方法和数据1.1试验地选择及研究对象近天然林管理试验的样本区包括海南、云南、四川、陕西、北京等不同地区的森林类型。本文以北京西山林场和魏村集体森林为例，介绍了近天然林管理规划体系的方法、数据和结果。魏家村示范作业区地处东经116°10′58″~116°11′24″,北纬39°57′52″~39°58′12″,海拔340~590m,土壤为山地黄棕壤。以林龄48a的人工油松林为主要研究对象。油松林为1957年造林,造林株行距为1.5m×1.5m,1992年经过1次疏伐抚育作业,目前林分平均胸径14cm,平均树高9m,林下植被较少,有天然更新的阔叶树种。1.2封闭式天然林管理计划的技术要素群落生境调查技术工具群落生境调查与制图是近自然森林经营中理解和表达一个具体的森林经营区域内自然生态条件的基本技术工具,是制定近自然森林经营计划的必备技术文件之一群落生境制图所需的野外调查基本内容包括:(1)在GIS技术支持下准备基本的野外工作手图;(2)在现地完成林况踏查和对坡勾绘;(3)各群落生境类型立地因子调查、植被构成调查和土壤调查等基本信息采集工作目标森林培育型森林发展类型是基于群落生境类型、潜在天然森林植被及其演替进程、森林培育经济需求和技术可能等多因子而综合制定的一种目标森林培育导向模式。森林发展类型作为长期理想的森林经营目标,空间尺度上与传统森林经营方案中的“作业级”类似,是介于具体林分和经营单位之间的一个自然性质、动态特征和经营目标基本一致的森林经营计划单元;具体设计时包括了森林概观、森林发展目标、树种比例、混交类型、近期经营措施等5方面合乎逻辑的概念性规定。设计在林地更新中的核心地位和作用目标树林分作业体系是规定本次经理期内对当前林分执行具体作业的技术模式,主要包括目标树导向的林木分类、抚育采伐设计和促进更新设计3方面。设计的基本原则是在发展类型的框架内,在理解和尊重自然、充分利用林地自身更新生长的潜力、生态和经济目标兼顾的要求下,做出保留木、采伐木和林下更新幼树的标记和描述,实现在保持生态系统稳定的基础上最大限度地降低森林经营投入并生产尽可能多的森林产品;设计的基本依据是林木间对光、水、养分等生长要素的竞争或互助关系。生长动态周期控制传统的用材林经营中针对作业级的森林经理计划是用基于数量成熟的轮伐期为明确的经营周期指标,实现对森林生长动态进程的整体控制和经济生产计划。生命周期经营计划就是同时考虑森林的数量和质量指标在整个森林生长周期内的发展变化情况,以林分优势高所代表的垂直结构为依据而做出的阶段划分和相应的经营作业或收获的整体框架设计。1.3调查和划分方法针对制定近自然森林经理计划的数据调查由群落立地和森林环境条件调查、植被和土壤调查、林分结构和生长调查3部分组成。作业区工作手图、立地条件因子分类及编码体系是调查工作必要的基础材料。野外调查使用的工作手图要求包括必要的图素有道路(小路)、水域、等高线及高程点等固定不变的地理地貌要素及林班、小班区划界线和注记等信息,以便于野外调查记录和勾绘参考。图1表示了调查方案中对立地条件因子分类定义及编码的示例情况,该立地条件分类体系中,将海拔高度、地形地貌、土壤厚度及有机质情况等3类森林环境因子进行分级及编码。立地条件调查及制图应该描绘出立地条件的主要特征,要求把镶嵌在一起的不同立地条件地段区分和标记出来,这样才能真正做到按立地条件及其生态特征经营每一块林地。由于与现有的区划体系在指导思想和方法上的不同,该示范区调查中确定的立地类型单元与现有小班区划中林分的界线很少有一致的情况,造林地树种选择也存在许多与立地条件不相适应的情况。群落生境调查针对全示范区进行,通过现地踏查了解示范区的天然植被构成情况,特别是天然优势树种和立地条件指示性植物,形成一个简要实用的植物名录。同时,通过沿着提前设计的路线踏查估计和对坡观测不同地域上现有植物群落的类型及空间布局情况,并在外业工作手图上勾绘出各个群落的具体分布位置和界线,在群落生境调查表中记录各个群落的林分特征、立地因子代码、建群物种、起源、演替阶段、生长状况和近自然度、经营的文化和经济目标、生态保护需求等基本信息。林分结构调查采用半径为8.92m的圆形标准地进行,在油松林内设置6块标准地,位置见图2,各标准地基本林分参数见表1。生长调查采用解析木方法进行。具体的样地调查技术、演替阶段划分及近自然度评价体系等描述见参考文献2结果与分析在提出近自然森林经理计划模式的目标下,给出4个主要技术要素的应用结果与分析。2.1类群落生境设计图森林经理计划的模式设计工作从群落生境开始,因为群落生境分析制图是确定经营目标和方向的基础性工作,比较明确的4类群落生境图包括立地条件、植被及演替类型、近自然度分析和经营措施设计图。本文仅给出魏家村试点区群落生境图(图2)和生境的近自然度分析结果(图3)。人工油松林(图3中1005号地段)处于3n级近自然程度,为具有天然更新的先锋群落阶段,是具有长期稳定特征的森林类型,森林近自然化经营改造的措施可以针对当前主林层设计和实施。2.2生态系统经营模式的选择西山试验林场魏家村林区地处北京市西区城郊结合部,毗邻香山、北京植物园等风景区,所以森林的城市景观功能以及为市民提供休闲游憩的功能是经营的首要目标,这种特殊的社会环境和地理位置决定了在制定发展类型时要把森林景观和游憩需要放在首位,经营目标是把现有的人工同龄纯林改造为结构丰富稳定的近自然森林,以满足可持续的环境和文化服务为首要目标,并在生态系统发展丰富的进程中逐步提高木材生产的能力。根据群落生境调查分析结果,现有油松纯林分布的立地条件主要有2类,一类是土层深厚、水分较好的平缓坡面或山麓地带,另一类是土层中等到瘠薄的半阳(东南)坡或阳坡、地势较陡的坡面或山丘突起部位等较干燥的立地条件。按发展类型设计的原则,总是选择适合一个立地中最为“尊贵”的树种为森林的主要树种,在较好的立地条件下决不优先使用适应于较差立地环境的树种。所以,第1类立地条件下设计了01号发展类型,进行景观林与用材兼顾的经营模式,目标是通过持续的目标树培育出林木品质优秀、森林景观感人的高品质近自然森林。第2类立地条件下设计了02号发展类型,以充分利用油松耐贫瘠的特征,经抚育改造实现并保持先锋群落树种与中生和顶级树种混交的稳定森林结构,以创造尽可能丰富的物种多样性基础,使植被和立地长期保持物质和能量交互的正向演化发展,从而不断提高生态系统的整体质量。以下给出发展类型设计的主要指标,在后附的文本框中仅给出了01号目标发展类型设计。外来树种为主,外来树种为辅,选择适合当地树种为主近自然化改造目标指导下发展类型设计的第1个指标是,确定未来林分的树种结构。原则上说,未来树种应该是以立地适应的乡土树种为主,如果必须是引进的外来树种,最基本的原则是该树种应该能够持续地实现天然更新。树种构成目标中还应该体现当前的喜光树种结构向演替过渡的中生树种到未来顶级群落的耐荫树种构成的发展分析和估计。调整近自然森林径级结构第2个指标是林分的径级结构和目标直径。见图4。如图4所示,在当前林分具体的径级结构与目标的近自然森林的倒J型径级结构之间有2个空白区域,可指示出改造计划抚育作业的调整重点应该通过阔叶树种补植和促进更新生长在尽可能短的期间内充实直径分布左端的树木,通过选择和促进现有100株/hm总之,提高径级结构在空间上的差异程度始终是该森林类型在近自然化改造进程中不能忘记的。存在较大干扰强度第3个指标是林分的垂直结构。首要的问题不是下层结构的发展而是主林层的疏开与保持的矛盾问题。这个矛盾在完全郁闭的单林层且林下没有任何更新幼树的同龄林中表现最为突出,这样的林分为了促进林下更新的出现需要在第1次改造疏伐时设计较大的干扰强度,但这种作业的风险是导致上层林木机械稳定性锐减而在未来被自然出现的风倒、雪压等因素进一步摧毁,可能导致林地失去主林层的失败局面。因此在发展类型指导下的目标树体系中要作出有耐心的作业设计。目标发展类型01提出的森林混交格局结果也许需要40a以上的改造周期才能实现,因为从目前同龄林结构的林分到天然更新和异龄结构机制自动出现的稳定森林状态的调整是一个漫长而细心调控的过程。2.3不同生长阶段、不同竞争因素对土壤养分状态的影响,是造成第3个限制因子出现基于群落生境分析和发展类型设计的结果,可以总结出把人工油松林改造为结构丰富稳定的近自然森林而实现以景观和游憩为主兼顾木材生产的经营目标,需要克服3个限制因子:(1)减缓当前林木生长退化的趋势;(2)尽快促进后续林木生长,调整径级结构到可持续的倒J形分布状态;(3)增加阔叶树种的比例以促进土壤腐殖质形成进程,改善自然立地环境条件。可能的操作机制是应用目标树作业技术,通过干扰树采伐后缓解目标树的竞争关系,使目标树出现新的生长势头而使第1个限制因子得以改进;通过干扰树采伐而改善下层木的生长环境并保护天然更新幼树,实现和加速天然更新的持续发展;通过促进混交和物种多样性发展的措施而改善土壤养分状态,启动并加速生态系统物质循环机制,使第3个限制因子逐步得到改善。这种调整从第1到第3因素表现出人为控制和影响能力减弱、需要时间延长和可测量性逐步模糊的特征。设计和实施目标树作业体系的首要任务就是选择和永久地标记目标树,采伐干扰树并制定保护更新幼树的多种措施。表2是对示范林分全部林木调查分类后主要技术参数的统计结果,表中的70株/hm在此略去采伐作业设计部分。采伐后的更新设计是进行以树种比例调整为目标的栓皮栎直播补植。补植方法分为2种:采伐林隙处补植和林下群团状补植。群团补植的视主林层条件定每群5~10穴,每穴8~10粒,穴间距1m×1m。群间交差错开,针对林下天然更新不足的地段进行,所有天然更新的幼树均要注意保护。避免全林补植的作业一方面节约投入和充分利用自然力,另一方面可提高森林的物种多样性。2.4缺乏可靠证据的抚育作业周期由于北方地区油松林生态系统发展的相对长期性和目前对人工林近自然化改造知识和经验的缺乏,对森林经理计划主要技术参数之一的抚育作业周期的具体分析和确定目前还是一个缺乏可靠证据的技术难题。在这种情况下,制定了表3所示的以林分垂直结构为指标的森林生命周期经营计划。续表表3所示的这个完整周期的经营计划没有对未来的每一次林分作业设定简单机械的时间周期指标,以避免定期作业对生态系统的过渡干扰和浪费人力物力,而又对系统的变化保持有整体的把握,根据生态系统的变化进行适时的相应作业调整。3技术措施分析本研究结合北京实验区的一个简单实例,给出了一个以多功能森林经营为目标的近自然森林经理计划技术体系范例。由于森林生态系统发展的长期性特征,基于现地变化数据的效果评价还需要有一定的时期才能提出。这个范例的群落生境分析4个技术要素中,目标树单株木林分施业体系有可靠的林学和生态学基础和极强的可操作性,实施后可将现有林分的蓄积量和生长量进一步提高,并实现森林的多品种