山西省油松人工林的生產力及經營潛力

樊蘭英, 孫拖煥

(山西省林業科學研究院, 山西 太原 030012)

山西省油松人工林的生產力及經營潛力

樊蘭英, 孫拖煥

(山西省林業科學研究院, 山西 太原 030012)

[目的] 研究山西省油松林生產力動態變化規律，以潛在生產力為目標，對油松人工林生產力提升空間進行預測，為區域林分提質增效提供科學指導。[方法] 采用分層法和收獲法，結合相對生長模型建立油松單木生物量回歸方程；采用“累積法”和Thornthwaite memorial模型估算林分現實生產力和潛在生產力。[結果] 油松林生產力與林齡有著密切的關系，隨著林齡的增加，油松林生產力先增加，成熟期開始下降，全省油松林現實生產力平均為4.462 t/(hm2·a)；喬木層生產力幼林齡期最小，貢獻率占72.17%，隨著林齡增加，生物量總量繼續增加，生產力在近熟林晚期開始下降；草本層貢獻率最大值出現在幼齡林期21.16%，而后逐漸降低，相反，灌木層生產力貢獻率逐漸增大，林分成熟初期其貢獻率超過草本層，是林分結構調整關鍵期；油松林平均潛在生產力為8.422 t/(hm2·a)，以此為目標，油松林生產力提質增效至少有32%的空間。[結論] 山西省油松林生產力提質增效空間為32%，油松林生產力首要限制因子為降雨。

油松林; 單木生長方程; 凈初級生產力; 潛在生產力

山西是中國油松林(Pinustabulaeformis)的集中分布區，油松林地面積9.999×105hm2，占山西省林地總面積的40.5%，其生產力高低直接影響到全省林分的森林質量[1]。自20世紀50年代，全球開展了大量關于森林生產力的研究，對植被恢復、經營和管理起到了重要作用。70年代以來，中國也開展了相關工作，基于森林資源清查結果的全國尺度研究中，Zhao等[2]建立了中國油松林生物氣候生產力(NPPa)模型，并估算了中國油松林凈第一性生產力為7.82 t/(hm2·a)，其中山西省油松林生產力水平約為7.4 t/(hm2·a)；方精云等[3]對全國森林總生產力和各林種生產力進行研究，結果顯示森林總生產力為1.18×109t/a；羅天祥等[4]對油松林不同年齡段生產力統計結果表明，全國油松林全林生產力為7.57 t/(hm2·a)?；趯崪y數據的單個林區油松林生產力研究結果表明[5-10]，秦嶺39年生油松林年凈生產力為4.18 t/(hm2·a)，甘肅五鳳山林區35年生油松凈生產力為12.917 t/(hm2·a)，山西太岳山油松林年生產力為6.824 t/(hm2·a)[11]，山西省省域尺度油松林生產力的動態變化研究未見報道。前期研究者更關注的是喬木層，灌草層生物量和生產力的研究很少，對林分生產力的估算因素欠缺，不能直接用于指導省域尺度上林分的合理經營。

本文擬從省域尺度，以山西省各林齡組油松人工林為研究對象，采用大樣地大量實測數據和生長模型相結合的方法，對其林分、喬木層、灌木層和草本層的現實生產力進行動態研究，并以潛在生產力為目標，對山西省油松人工林生產力提升空間進行預測，以期為研究區域林分提質增效提供科學目標和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

山西省地處黃土高原東部、黃河中游、海河上游，地理坐標為110°14′36″—114°33′24″E，34°34′48″—40°43′24″N，總面積1.57×105km2。省境內地形多樣，山地、丘陵、殘塬、臺地、谷地、平原等交錯分布，而以山地、丘陵為主。據初步量算，全省的山地、丘陵、平原3大類地形各占40.0%，40.3%，19.7%，大體成4:4:2，大部分地區海拔在l 000～2 000 m。屬大陸性季風氣候，總的氣候特點是冬季寒冷干燥，夏季炎熱多雨，春秋較為短促，時空溫差懸殊，年均氣溫4～14 ℃，年降水量400～650 mm，但分布不勻。

山西省森林植被類型主要有6個植被型組，即針葉林、闊葉林、灌叢與灌草叢、草原、草甸以及沼澤與水生植被。森林群落建群種主要有油松(Pinustabulaeformis)、白皮松(Pinusbungeana)、云杉(Piceaasperata)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)、側柏(Platycladusorientalis)等針葉樹種，遼東櫟(Quercusliaotungensis)、栓皮櫟(Quercusvariabilis)、等落葉櫟類，山楊(Populusdavidiana)、白樺(Betulaplatyphylla)等小葉落葉樹種。油松林在中條山、呂梁山、太岳山、太行山、關帝山、管涔山、五臺山和黑茶山等9大國有林區均有分布。

1.2 研究方法

依據近30 a山西省降水和氣溫的資料，采用反距離權重插值法，形成面狀數據，與林業區劃圖疊加，采用板塊面積合并指數對斑塊進行整合，形成山西省森林生態類型區劃圖，劃分結果形成11個生態類型區，包括北部風沙區(年均氣溫<7.5 ℃，年均降雨量<400 mm子區； 400～500 mm子區)、西部黃土丘陵區(<7.5 ℃，400～500 mm子區；7.5～10 ℃，400～500 mm子區；>10 ℃，>500 mm子區)、呂梁山土石山區(<7.5 ℃，400～500 mm子區；7.5～10 ℃，400～500 mm子區)、東部土石山區(<7.5 ℃，400～500 mm子區；7.5～10 ℃，400～500 mm子區；7.5～10 ℃，>500 mm子區；>10 ℃，>500 mm)。反距離權重插值法是基于插值區域內部樣本點的相似性，計算與到鄰近區域樣點的加權平均值來估算出單元格的值，進而插值得到一個表面。以生態類型區為劃分標準，結合林組面積比例進行樣地設置，共設置樣地30塊，涵蓋全省14個縣，林分年齡分布范圍5～63 a，土壤類型包括黃綿土、栗鈣土、褐土、灰褐土。樣地概況見表1。

1.2.1 標準地調查 喬木層生物量調查樣地為1 hm2大樣地，首先調查并記載樣地的地點、坡向、坡度和坡位，土壤類型、土層厚度。標準地調查采取每木檢尺，實測其胸徑和樹高等調查因子，根據徑級(起測胸徑3，2 cm為1徑級，共8個徑級)選取50株標準木。樣木伐倒后，用“分層法”測定樹干、樹枝、葉鮮重，同時分別按“混合取樣法”取樣；根系采用全挖法，按根莖、粗根(>5 cm)、細根(<5 cm)分級稱取鮮重并取樣。將上述樣品(約800個)，在85 ℃烘箱中烘干至恒重，計算干物質質量。

依據實測和文獻數據，采用相對生長方程建立經驗公式[12-13]，計算林分每1 hm2生物量。灌草層生物量調查在樣地內均勻布設5 m×5 m灌木樣方5個，其內設置1 m×1 m的小樣方，調查灌木層與草本并記錄，用全收獲法測定灌木的生物量鮮重，葉、枝、根分別采樣；在每個2 m×2 m的次樣方中設1個1 m×1 m小樣方，全收獲法測定草本的生物量鮮重，葉、根分別采樣；將上述各層次樣品按比例混合取樣(>1 000 g)，在85 ℃烘箱中烘干至恒重，求算干鮮比并計算出各器官干物質質量。

表1 油松林樣地基本概況

1.2.2 生產力計算方法 現實生產力計算方法。林分現實生產力指多年平均凈第一性生產力，測定采用“累積法”(群落收獲法或現存量法)[13]，即在t1和t2時間段，新合成的有機物質的總量，具體公式如下：

P=ΔPg/Δt

(1)

ΔPg=ΔY+ΔR+ΔL+ΔG

(2)

式中：P——林分生產力； Δt——某個時間段； ΔPg——凈生產量； ΔY——增加的生物量； ΔR——呼吸消耗量； ΔL——枯死凋落量； ΔG——被食量。

在森林生態系統中，因復雜的相互關系，測定凈生產量所必須的條件很少能被實現，例如ΔR，ΔL和ΔG，因此現實中常用公式為：P=ΔY/Δt，具體實施過程中，采用現存生物量除以平均年齡(本研究中林齡采用年輪分析儀測定)而得。喬木層生物量測定采用平均木法，下木層和草本層采用樣方收獲法(灌木6 a，草本1 a)[14]。

潛在生產力計算方法。某一地區的植被生物量主要決定于該地區的光、熱和水，而在土壤和氣候處于最適條件下植被所能達到的最大生產力為潛在生產力，也稱為氣候生產力。采用Miami模型評價區域生產力限制因子；基于蒸發散量計算的Thornthwaite Memorial模型[15]，是一個地區水熱狀況的綜合表現，能把水熱平衡和輻射聯系在一起，計算所得的氣候生產潛力比用Miami模型計算所得的氣候生產潛力更全面準確[16]，本文采用Thornthwaite Memorial模型計算潛在生產力。

Miami模型：

Nt=3 000/(1+e1.315-0.119 t)

(3)

Np=3 000(1-e-0.000 664 p)

(4)

式中：Nt和Np——基于溫度和基于降水量的潛在生產力〔g/(cm2·a)〕；t——年均溫(℃)；p——年平均降水量(mm); e——自然對數的底數。根據Liebig的限制因子定律,選取二者中的最低值作為各計算點的生物生產力數據。

Thornthwaite紀念模型：

(5)

式中：NE——基于蒸發散的潛在生產力〔g/(cm2·a)〕；E——年平均實際蒸發散量(mm)； e——自然對數的底數。3 000——Lieth統計得到的地球自然植物在每年每1 m2上的最高干物質產量。

E=1.05p/〔1+(1.05p/L)2〕-0.5

(6)

L=300+25t+0.05t2

(7)

式中：L——年平均最大蒸發散量(mm)；t——年均溫(℃)。

p>0.316L時，式子(5)適用。p<0.316L時，E=p。

1.2.3 數據分析 試驗采用Microsoft Excel軟件和Origin軟件進行數據分析處理。

2 結果與分析

2.1 單木生物量回歸方程

本次調查是在伍姓湖站和張留莊站資料的基礎上進行的，洪痕調查及高程測量結果可靠，將調查成果與實測水文資料進行分析對比后未見沖突且相互銜接，可認為本次調查成果合理。

統計分析結果顯示，油松全株生物量、樹干生物量、枝生物量、葉生物量、根生物量均與胸徑平方和樹高的乘積存在密切相關關系，相關系數均達極顯著水平(p<0.001，見表2)。

表2 油松各器官生物量回歸方程

2.2 山西省油松林現實生產力

隨著油松林林齡的增加，林分生產力呈先增加后降低的趨勢，較高生產力林齡范圍為39～43 a，而后隨著林齡的增大，生產力整體呈下降趨勢(圖1)。全省油松林現實生產力平均為4.462 t/(hm2·a)，最高生產力為5.736 t/(hm2·a)。

圖1 林分生產力隨林齡增長的關系

2.2.1 油松林各層次生產力 油松林不同層次生產力研究結果顯示，隨著林齡的變化，喬木層生產力在35～45 a期間維持在4.80 t/(hm2·a)左右，而后隨著林齡的增加，喬木層生產力呈下降趨勢，即雖然生物量增加，喬木層生產力在近熟林階段已經開始下降；灌木層則逐漸上升趨勢；草本層生產力呈逐漸降低趨勢(圖2—3)。對于不同林齡組，喬木層在近熟林階段生產力最高，平均值為4.843 t/(hm2·a)，成熟林期降為4.312 t/(hm2·a)，灌木層和草本層變化趨勢同上。

圖2 各層次生產力隨林齡的變化

圖3 不同齡組各層次生產力變化

2.2.2 各層次對生產力貢獻率 喬木層、灌木層和草本層對林分貢獻率研究結果(圖4—5)，在喬木層貢獻率在幼齡林期72.17%，而后維持在85%左右；灌木層生產力貢獻率在成熟林之前平均貢獻率為5%左右，成熟林期達到9.35%，其貢獻率超過草本層；草本層對總生產力的貢獻最大值出現在幼齡林期21.16%，而后逐漸降低，中齡林、近熟林和成熟林期分別為10.98%，7.88%和5.40%。

圖4 油松林各層次貢獻率隨林齡變化

圖5 不同齡組層次貢獻率比例

2.3油松林潛在生產力

Thornthwaite Memorial模型基于蒸發散量計算植被生產力，蒸發散量是一個地區水熱狀況的綜合表現，受太陽輻射、溫度、降水量、飽和差、氣壓、風等一系列氣候因素的影響，能把水熱平衡和輻射聯系在一起，計算所得的氣候生產潛力比用Miami模型計算所得的氣候生產潛力更全面準確。如表3所示，山西省油松林潛在生產力為8.422 t/(hm2·a)，現實生產力平均水平為4.462 t/(hm2·a)，僅占潛在生產力的53%。

2.4 山西省油松林生產力提質增效潛力

研究樣地中，位于沁源縣的油松林現實生產力最高，為5.736 t/(hm2·a)，該區處于森林生態類型10區(平均氣溫>10 ℃，降雨量>500 mm)，喬灌草生產力比例為60∶5∶6，林下有茶條槭和櫟類，土壤呈弱酸性。以潛在生產力為基數，該油松林現實生產力僅為潛在生產力的68%，油松林生產力提質增效至少有32%的空間。

表3油松林潛在生產力

t/(hm2·a)

研究結果顯示，山西省油松林基于氣溫的潛在生產力為12.954 t/(hm2·a)，基于降雨量的潛在生產力為8.172 t/(hm2·a)，根據Liebig的限制因子定律，基于氣溫和降雨量的潛在生產力，選取二者中的最低值作為計算點的林地生產力數據。Nt-Np>0，該區生產力限制因子為降水，Nt-Np<0，該區生產力限制因子為氣溫。由表3可見，所有分布區限制因子均為降雨量，因此，山西省油松林生產力主要限制因子為降雨量。

3 討論與結論

油松林生產力與林齡有著密切的關系，隨著林齡的增加，油松林生產力先增加，成熟期后逐漸減少；全省油松林現實生產力平均為4.462 t/(hm2·a)，與Zhao Ming等[2]的研究結論7.4 t/(hm2·a)差別較大，一方面后者加入了枯落物的貢獻，總量會有所加大，另一方面與數據來源的精度和準確度有關；喬木層生產力幼林齡期最小，貢獻率占72.17%，隨著林齡的增加，林分生物量總量繼續增加，在近熟林與成熟林過度階段凈生產力已經開始下降。

草本層對總生產力的貢獻最大值出現在幼齡林期21.16%，而后逐漸降低，相反，灌木層生產力貢獻率逐漸增大，林分成熟林期其貢獻率超過草本層。因為喬木層貢獻率的絕對優勢，灌木和草本的貢獻往往被忽視，而該研究結果發現，在喬木層的生產力絕對值和貢獻率均開始下降期，灌木層生產力超過草本層，在三者關系中競爭力增強，是林分結構調整的關鍵時期。

山西省油松林潛在生產力為8.422 t/(hm2·a)，以潛在生產力為目標，油松林生產力提質增效至少有32%的空間。油松林生產力首要限制因子為降雨量，與郭躍東等[10]對三道川林場的研究結果和范敏銳等[17]對北京地區的研究結果一致。明確生產力提升空間及限制性因素減少了經營的盲目性，對森林經營的目標和經營措施具有重要的實踐意義。

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NetPrimaryProductivityandManagementPotentialofPinusTabulaeformisForestinShanxiProvince

FAN Lanying, SUN Tuohuan

(ShanxiAcademyofForestrySciences,Taiyuan,Shanxi030012,China)

[Objective] The dynamic variation of net primary productivity ofPinustabulaeformisforest in Shanxi Province was studied, and the potential for improvement of plantation forest was predicted to provide reference for improving quality of regional forest. [Methods] The regression equation was established using the stratification and harvesting method and the relative growth model. Cumulative method and Thornthwaite Memorial model were used to estimate the actual and potential productivity of the forest. [Results] The productivity ofP.tabulaeformisforest increased with the increase of its age and decreased when it evolved into mature period. The actual productivity ofP.tabulaeformisforest was 4.462 t/(hm2·a); The contribution of trees was 72.17% to the total productivity at young stand. With the increase of age, total biomass got increase, but in the sense of productivity, it got decrease when evolved into late near-mature period. The contribution of herb layer was 21.16% in the young forest stage, and decreased latterly. On the contrary, the contribution rate of shrub layer increased gradually, which was more than that of the herb layer in the early mature period, when it is critical for structural management. The average potential productivity of forest was 8.422 t/(hm2·a), implied that there was at least 32% potential room for improvement. [Conclusion] The potential room ofP.tabulaeformisproductivity was at least 32%, and the primary limiting factor ofP.tabulaeformisforest productivity in Shanxi Province was rainfall.

Pinustabuliformis;individualtreebiomassmodel;netprimaryproductivity;potentialproductivity

A

1000-288X(2017)05-0176-06

S750

文獻參數： 樊蘭英, 孫拖煥.山西省油松人工林的生產力及經營潛力[J].水土保持通報，2017,37(5)：176-181.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.030； Fan Lanying, Sun Tuohuan. Net primary productivity and management potential ofPinustabulaeformisforest in Shanxi Province [J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：176-181.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.030

2017-07-07

2017-07-12

山西省青年科技基金項目“典型林分土—林系統養分耦合機制及限制性營養元素判定”(201601D021115)

樊蘭英(1982—),女(漢族),山西省澤州縣人,博士,主要從事森林生態學研究。E-mail:fanlanying2011@163.com。

孫拖煥(1958—),男(漢族),山西省興縣人,大學本科,教授級高級工程師,主要從事森林生態學研究。E-mail:suntuohuan@126.com。