五台山华北落叶松水源涵养林密度结构与生长动态

五台山华北落叶松水源涵养林密度结构与生长动态
张光灿1,周泽福1,2,刘霞1 ,张淑勇2,陈建1,韩炜1,李延孝1
(11山东农业大学林学院水土保持系,271018,山东泰安;
21中国林业科学研究院林业研究所国家林业局林木培育实验室,100091,北京)
摘要　为探索华北落叶松水源涵养林的立地适应性和密度合理性,在山西省五台山水源涵养林区,利用标准木树干解析法,对10年生华北落叶松2种密度(2600和3500株・hm -2)的人工林生长过程和直径分布进行研究。

结果表明:1)2种林分树高生长量基本相同,几乎不受密度变化的影响;林木直径和立木材积生长过程差别较大;低密度林分的生长状况和密度结构优于高密度林分。

2)2种林分直径分布的偏度系数(S k )差别较大;低密度林分S k =
0101,接近正态分布,密度结构基本合理;高密度林分S k =0145,偏离正态分布,林木密度偏大。

2种林分直径分布
的峰度系数(K )相差不大(分别为-0164和-0174),密度因素对林木分化的作用较小。

3)低密度林分的林木胸径、单株材积和干材蓄积生长量逐年增加,没有受到密度的影响;高密度林分的林木胸径、单株材积和干材蓄积生长量从6年生开始明显下降。

4)华北落叶松人工林的林龄为10年生时,合理密度约2600株・hm -2;若不考虑10年生之前的间伐利用,可以作为人工造林合理的初植密度。

关键词　华北落叶松;水源涵养林;林木生长量;直径分布;林分密度
收稿日期:20060914　修回日期:20061218项目名称:国家“十五”科技攻关课题“退耕还林工程区华北石质山地植被恢复与复合经营研究技术与示范”
(2001BA510B0404);山东省水利厅生态修复工程科技探索项目“水土保持生态修复工程效益监测与评价研究”
第一作者简介:张光灿(1963—),男,博士,教授,博士生导师。

主要研究方向:林业生态工程、矿山土地复垦。

E 2mail :zhgc @
责任作者简介:刘霞(1971—),女,博士,副教授。

主要研究方向:小流域综合治理、水土保持生态修复。

E 2mail :liuxia @sdau.
Density structure and grow th dynamics of Larix Principis 2rupprechtii stand
for w ater resource conservation in Wutai Mountain region in Shanxi Province
Zhang G uangcan 1,Zhou Z efu 1,2,Liu X ia 1,Zhang Shuy ong 2,Chen Jian 1,Han Wei 1,Li Y anxiao 1
(11Department of S oil and W ater C onservation ,C ollege of F orestry ,Shandong Agricultural University ,271018,T ai ’an ,Shandong ;21Research Institute of F orestry ,CAF ,Laboratory of T ree Breeding and Cultivation ,S tate F orestry Administration ,100091,Beijing :China )
Abstract T o search after the adaptability on site and suitability on density of Larix Principis 2rupprechtii Mayr.stand for water res ource conservation ,the growth process and diameter distribution characteristic of Lar 2
ix Principis 2rupprechtii Plantation in 10years old were studied using stem analysis method of sam ple tree ,
which had tw o density structures (one was 2600per hm 2,the other was 3500per hm 2)in water conservation forest region of Wutai M ountain in Shanxi Province.The results showed that :1)The tree height growth of tw o kind of forests were the same basically ,and it was alm ost not affected by density.But the growth process of diameter and timber v olume had great distinction.The growth status and its density structure of low density forests were superior to the high density forests.2)The skewness (S k )of diameter distribution had great dis 2tinction.The S k (was 0101)of low density forests approached to normal distribution ,the density structure was reas onable ,while the S k (was 0145)of high density forest was partial to normal distribution ,the density struc 2ture was on the high side.The kurtosis (K )of tw o forests (one was -0164,the other was -0174)had little
2007年2月5(1):16中国水土保持科学Science of S oil and Water C onservation
V ol.5　N o.1Feb.2007
distinction and the density factor had little function to forest polarization.3)The growth of diameter at breast height,timber v olume and trunk stock of low density forests increased year after year without effect of density. But the growth of high density forests had declined from since6years old,which was restricted by high densi2 ty.4)The reas onable density of Larix Principis2rupprechtii Plantation about10years old was2600per hm2,if the utilization of double cutting was not considered,it is als o the reas onable planting density.
K ey w ords　Larix Principis2rupprechtii Mayr.;forest for water res ource conservation;stand growth;diameter distribution;stand density
被称为“华北屋脊”的五台山,是世界著名的佛教圣地及旅游胜地,也是山西省乃至海河流域的重要水源地之一。

由于人类不合理的频繁活动及其他原因,天然林资源遭到严重破坏,取而代之的是次生林和人工林植被,水源涵养作用及其他防护功能大大降低[14]。

为尽快提高植被的生态功能,先后实施天然林保护、退耕还林、生态修复等以植被恢复与重建为核心的水土保持生态建设工程[57],主要措施包括植树造林、封山育林、抚育更新和次生林改造等[89]。

华北落叶松(Larix Principis2rupprechtii Mayr.)作为主要造林树种之一,目前所形成的大面积人工林,具有重要的水土保持和水源涵养等生态作用;但由于受不合理造林技术与粗放管理技术的影响,较多林分开始出现生长衰退、生态功能降低的现象,而初植密度过大、成林密度偏高、超出了林地承载能力[1011]是重要原因之一,因此,合理调控密度结构已成为保证林分生长稳定和功能高效的关键技术[12]。

但迄今为止,有关华北落叶松的研究,多数集中在速生丰产用材林培育技术方面[1315],涉及水源涵养林及其他生态公益林的研究很少,尤其缺乏合理造林密度与成林密度的研究。

为此,对华北落叶松(10年生)水源涵养林的密度结构与生长动态进行研究,探索其立地适应性和密度合理性,以期为五台山地区华北落叶松水源涵养林的密度管理提供数据参考和理论依据。

1　研究区概况
研究区位于山西省五台山森林经营局门限石林场(E113°10′～113°50′,N38°40′～39°15′)的南梁沟小流域。

海拔1400～2200m,年均降水量为560～650mm,降水分配不均,多集中在7—9月份,干燥度1142,相对湿度50%～60%。

年均气温618℃左右,≥10℃年积温3000～3600℃,无霜期120～130d。

土壤种类以山地棕壤和淋溶褐土为主,有机质含量7%～15%,pH值615～710。

植被类型变化明显,具有森林与草原过渡性的特点。

优势植物乔木以华北落叶松、白桦(Betula platylla)、山杨(Populus davidi2 ana)为主(多为天然次生林);灌木以胡枝子(Les2 pedeza bicolor)、六道木(Abelia biflora)、绣线菊(Spi2 raea tuilobata)为主;草本植物主要有披针苔草(Carex lanceolata)、铁杆蒿(Artemisia gmelinii)类等[1617]。

试验林分处于五台山水源涵养林区,立地条件为:海拔1650～1850m,坡向北偏西20°左右(阴坡半阴坡),坡度20°～25°,土层厚度40～50cm。

所调查的林分为10年生华北落叶松人工林,涉及2种林分密度,分别为2600株・hm-2(造林株行距约210m×210m)和3500株・hm-2(造林株行距约115m×210m),分别称之为低密度林分(A)和高密度林分(B)。

低密度林分的林木平均胸高直径(简称胸径)为712cm,林木平均高度(以下简称树高)为516m,平均冠幅211m,平均枝下高度311m。

高密度林分的平均胸径为611cm,平均树高517m,平均冠幅117m,平均枝下高度319m。

2　研究方法
211　林木生长过程
采用标准地法和标准木树干解析法[18],即在低密度林分和高密度林分中,分别选取有代表性的地段(林地坡面中部),各建立面积为400m2的3个临时调查标准地。

对标准地内所有林木进行每木(检尺)调查,测量每株树木的树高、胸径、冠幅及枝下高度等。

按上述测定指标平均值确定各个标准地的标准木,伐倒后进行树干解析测量。

计算树高(H)、胸径(D)、单株材积(V)和单位面积(1hm2)立木蓄积(S)的总生长量、平均年生长量和连年生长量(每种密度林分为3株标准木的平均值)。

利用二次方程分别拟合树高、胸径、单株材积和立木蓄积的总生长过程,对其求导得出其年生长过程(年生长加速率)模型(表1),分析2种密度林分的生长动态规律。

212　林木直径分布
在标准地每木(检尺)调查的基础上,运用数理统计原理,将林木胸径(D)作为随机变量(ξ),利用
2中国水土保持科学2007年
SPSS 统计软件对其进行描述性统计分析,分别求出2种密度林分的林木直径分布的偏度系数(S k )和峰度系数(K ),并画出按径阶分布的(Histogram )林木株
数直方图,分析2种密度林分的林木直径分布特征和密度结构合理程度。

表1　2种密度林分生长过程回归模型
T ab.1　Regression equations of growth course in stands of tw o density
林分密度
生长指标
回归模型
总生长量(过程)
年生长量(过程)
R 2
A
树木高度/m H A =0.003a 2+0.541a -0.166d H A /d a =0.007a +0.5410.9995胸高直径/cm
D A =0.045a 2+0.518a -0.366d D A /d a =0.089a +0.5180.9992单株材积/(10-3m 3・株-1)V A =0.273a 2-1.206a +1.210d V A /d a =0.546a -1.2060.9949单位蓄积/(m 3・hm -2)
S A =0.617a 2-2.726a +2.734d S A /d a =1.234a -2.7260.9949B 树木高度/m H B =0.009a 2+0.483a -0.115d H B /d a =0.019a +0.4830.9995胸高直径/cm
D B =-0.005a 2+0.763a -0.646d D B /d a =-0.009a +0.7630.9988单株材积/(10-3m 3・株-1)V B =0.140a 2-0.451a +0.371d V B /d a =0.280a -0.4510.9994单位蓄积/(m 3
・hm -2)
S B =0.469a 2-1.512a +1.243
d S B /d a =0.938a -1.512
0.9994
注:a 为林龄。

3　结果与分析
311　林分生长动态
31111　林木高生长过程　2种密度林分的树高生长
过程及生长量见图1和图2。

从林分树高总生长量(图1)看,生长过程符合二次曲线(回归方程见表1:H A 、H B ),2种林分的年生长量加速率低密度林分为01007m ・a -1、高密度林分为01018m ・a -1,均为正值,
表明随林龄增大,2林分树高生长速度逐年加快,年生长量逐年增加。

相同林龄下,2种密度林分的平均树高相差不大,如10年生时,低密度和高密度林分分别为516和517m 。

方差分析结果F =01311<F 0.05=31919,P =01578>0105,表明2林分树高之间没有显著差异。

图1　A 林分与B 林分树高总生长量
Fig.1　T otal tree height (H )increment of stands with
lower density (A )and higher density (B )
从林分树高年生长量(图2)看,2种密度林分的生长过程基本相似,即平均生长量均逐年增加,相同
林龄时基本相同,如10年生时都在015m ・a -1左右。

连年生长量在第3年出现第1次生长高峰,都在016m ・a -1左右,4年生时有所下降,以后又逐年上升;相同林龄时也相差不大,如10年生时都在017m ・a -1左右。

另外,2种密度林分的树高生长量连年值都一直高于平均值。

图2　A 林分与B 林分树高年生长量
Fig.2　Annual tree height (H )increment of stands with
lower density (A )and higher density (B )
31112　林木胸径生长过程　2种密度林分的胸径生
长过程及生长量存在明显不同,见图3和图4。

从
林分胸径总生长量(图3)看,生长过程符合二次方程(回归模型见表1:D A 、D B )。

低密度林分的胸径年生长量加速率为正值,即胸径生长速度逐年加快,年生长量逐年增加约01089cm ・a -1;而高密度林分为负值,即生长速度逐年减慢,年生长量逐年降低约01009cm ・a -1。

林龄相同时,低密度林分的平均胸径明显大于高密度林分,而且林龄越大差别越大,如10年生时,高密度和低密度林分分别为616和511
3
　第1期
张光灿等:五台山华北落叶松水源涵养林密度结构与生长动态
cm 。

方差分析结果F =361895>F 0.01=61743,P =4195×10-9<0101,表明2种密度林分的平均胸径
之间差异极显著。

图3　A 林分与B 林分胸径总生长量
Fig.3　T otal diameter at breast hight (D )increment of
stands
with lower density (A )and higher density (B )
图4　A 林分与B 林分胸径年生长量
Fig.4　Annual diameter at breast hight (D )increment of stands
with lower density (A )and higher density (B )
从林分胸径年生长量变化过程(图4)看,2种密度林分在6年生之前相差不大,均随林龄增大而增加,如6年生时连年生长量都在019m ・a -1
左右。

但超过6年生后,2种密度林分胸径生长过程出现较大差别。

其中,低密度林分生长量仍然逐年增加,至10年生时的连年生长量在111cm ・a -1左右,明显高
于平均生长量;而高密度林分的生长量明显减小,连年生长量开始逐年下降,至10年生时,只有016cm ・a -1左右,基本与平均生长量相同。

说明高密度林分
的直径生长潜力受到制约,生长量明显小于低密度林分。

31113　单株林木材积生长过程　2种密度林分的单
株材积生长量及生长过程见图5和图6,其差别较
明显。

从林分单株材积总生长量(图5)看,生长过程符合二次曲线(回归方程见表1:V A 、V B )。

其单株材积年生长量加速率均为正值,表明2种密度林分的单株材积生长速度(年生长量)逐年增加;但低密度林分的加速率(0155×10-3m 3・a -1)明显大于高密
度林分(0128×10-3m 3・a -1)。

至10年生时,低密度
林分的单株林木材积(约913
×10-3m 3)也明显大于高密度林分(约518×10-3m 3)。

图5　A 林分与B 林分单株材积总生长量
Fig.5
　T otal tree v olume (V )increment of stands with
lower density (A )and higher density (B )
图6　A 林分与B 林分单株材积年生长量
Fig.6　Annual tree v olume (V )increment of stands with
lower density (A )and higher density (B )
从林分单株材积年生长量变化过程(图6)看,在6年生之前,2种密度林分的单株材积年生长量相差不大,如6年生时,连年生长量都接近016×10-3m 3・a -1;但6年生之后,低密度林分的年生长量
开始明显大于高密度林分,如10年生时,前者的连年生长量在3133×10-3m 3・a -1左右,大约为后者(1173×10-3m 3・a -1)的2倍。

说明高密度林分单株林木材积的生长潜力受到较大制约,生长量明显小于低密度林分。

31114　单位林分立木蓄积增长过程　2种密度林分的单位面积(1hm 2)立木材积(蓄积量)生长过程及生长量见图7和图8,也具有明显别差。

从立木蓄积量总生长量(图7)看,生长过程符合二次方程(回归模型见表1:S A 、S B )。

其生长量加速率均为正值,表明2种林分的木材蓄积生长速度(年生长量)逐年增加,但低密度林分的加速率(11234m 3・a -1)大于高密度林分(01938m 3・a -1)。

4
中国水土保持科学2007年
图7　A 林分与B 林分立木蓄积总生长量
Fig.7　T otal trees v olume storage (S )increment of stands
with lower density (A )and higher density (B
)
图8　A 林分与B 林分立木蓄积年生长量
Fig.8　Annual trees v olume storage (S )increment of stands
with lower density (A )and higher density (B )
另外,在6年生之前,高密度林分的总生长量大
于低密度林分(图7),如6年生时,前者大约为219m 3・hm -2,而后者为210m 3・hm -2;但6年生后,则
开始明显地小于低密度林分,如10年生时,前者为1913m 3・hm -2,而后者为2110m 3・hm -2。

2种密度林分的立木蓄积年生长量(图8),也表现出同样的变化过程:由于高密度林分的个体生长受到较大抑制,导致群体生产力也明显下降。

312　林木直径分布特征
2种密度林分的林木株数按径阶分布(简称林木直径分布)曲线具有较大差别(图9)。

与正态分布相比较,高密度林分直径分布曲线(图9b )的顶峰明显偏左,其偏离程度明显地大于低密度林分(图9a )。

以林木胸径为自变量,经统计分析得出描述直径分布的两个特征参数偏度系数(S k )和峰度系数(K )。

低密度林分的S k =0101,K =-0174;高密度林分的S k =0145,K =-0164。

偏度系数(S k )越接近0(正态分布的S k ),意味着林分直径分布和密度结构越合理[1920];
峰度系数(K )越大,表明集中
于平均胸径附近的林木株数越多,林木生长越整齐
(分化程度越小)。

由此表明,低密度林分的直径结构和密度结构明显优于高密度林分。

图9　A 林分与B 林分的林木直径分布特征
Fig.9　T ree diameter distribution characteristics of stands with lower density (A )and higher density (B )
4　结论与讨论
411　林分密度与树高生长
林分树高生长受诸多因子的影响,其中对立地条件的反映最为敏感,立地条件越好,生长量越大,且在一定密度范围内,几乎不受林分密度因素的影响[1920]。

这也是将树高生长量作为立地质量评价和立地类型划分指标的基本原因之一。

结果表明:2种林分密度虽然差别较大,但树高总生长量没有显著差异,说明林分密度对树高生长的作用不明显。

其他研究[21]表明,在较好立地环境下,正常生长的
华北落叶松林分,初期高生长较慢,5年生后生长加快,5～10年生之间,平均年生长量为014～017m ・a -1。

与本研究结果相比较,树高年生长量在015～016m ・a -1,表明树高生长基本处于正常水平,生长潜力得以较好发挥,也没受密度的影响;因此,华北落叶松是适宜研究区立地环境下,培育水源涵养林(或其他生态林)的优良树种。

412　林分密度与林木直径分布
林木直径分布(类型)是检验林分密度适宜状
5
　第1期
张光灿等:五台山华北落叶松水源涵养林密度结构与生长动态
态、合理调整林分密度的重要理论依据[1920]。

在密度适宜、生长正常的林分中,直径分布近似正态分布曲线,其偏度系数(S k)在-013～013之间[2223];但密度偏高时,直径分布曲线呈顶峰偏左的类型(S k> 0),而且S k值越大,密度越偏高。

结果表明,低密度林分的S k=0101,基本处于适宜密度范围,而且接近正态分布,但高密度林分的S k=0145,明显偏大,说明密度偏高。

对人工林而言,由于缺乏林木分化与自然稀疏的遗传因素与环境条件,密度一旦偏高,林木个体与群体的生长都会受到明显制约[2426]。

而研究中,高密度林分的林木胸径生长量、单株材积生长量及立木蓄积生长量,都明显小于低密度林分的结果,也证明了这一点。

对比前人的研究结果[21],华北落叶松林分在正常生长时,林木胸径初期生长较慢,在10～15年进入速生期,生长量逐年增加。

而研究中,低密度林分的胸径生长基本正常,基本没有受到林分密度的制约,但高密度林分的胸径生长量提前下降,在6年生时,便受到林分密度偏大的制约,导致单株材积生长量同龄开始明显下降,进一步导致了林木群体生产力(立木蓄积量)的降低。

413　华北落叶松适宜林分密度问题
林分密度是人工林培育与经营的核心问题之一,适宜密度是林分形成合理结构及发挥高效功能的基础,它不是一个常数,而是随树木种类、林分年龄和立地环境的不同而变化的数量范围[1920]。

上述讨论说明:在研究区立地环境下,华北落叶松人工林在10年生时,适宜密度约2600株・hm-2,若不考虑前10年期间的间伐利用,也可以作为人工造林的初植密度(株行距可以在210m×210m或115m×215m左右)。

这一造林密度接近《全国造林技术规程》[1920]中,落叶松造林密度2400～5000株・hm-2的低限值;但林分密度达到3500株・hm-2时,已经超出合理密度范围,6年生时便开始抑制林分生长和生态功能的发挥,因此,对高密度林分,应在6年生以后,及时进行间伐抚育,将林分密度起码调控至2600株・hm-2以下。

但是,华北落叶松属于长寿树种,在该立地环境下培育的水源涵养林,其他成林阶段(如20年生、30年生等)的适宜密度未见报道,这是以后应跟踪研究的重要问题。

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