蒙古栎次生林抚育间伐效果及生长模型研究

来源 :中国林业科学研究院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:drygps
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蒙古栎次生林常见于我国东北地区,多为阔叶红松林过伐后形成的处于次生演替阶段的森林群落。因之前对蒙古栎树种特性认识不足,缺乏科学的经营管理,现存的多是林地现实生产力较低且生态功能退化的林分。为精准提升蒙古栎次生林质量,探索合理的经营措施,有必要深化蒙古栎次生林对不同抚育间伐方案的短期和长期响应机理研究。本文以吉林省汪清林业局塔子沟林场的蒙古栎次生林为研究对象,基于12块1hm2长期观测样地2013年和2018年两期数据,研究了蒙古栎次生林生长和结构对无干扰(T0)、传统抚育间伐方案(T1)和基于目标树经营的抚育间伐方案(T2和T3)的响应,具体包括单木生长、林分生长、林分非空间结构与空间结构抚育间伐前后的动态变化;在样地调查数据的基础上运用森林生物统计建模方法,结合林分因子和竞争因子,以样地和树种为随机效应,分别构建了相应的非线性两水平混合效应模型来预测蒙古栎次生林单木树高、直径和冠幅生长;根据研建的生长模型对20年后的林木生长进行预测,分析林木的生长动态及对抚育间伐的长期响应。主要研究结果归纳如下:(1)从单木层面看,采取了抚育间伐的样地的生长效果优于对照样地,无论从全部林木还是优势树种(蒙古栎、白桦和红松)来说,T1,T2和T3的单木平均年胸径和材积生长量均高于T0。所有样地中目标树的年平均生长量均高于非目标树,生长率则呈相反趋势,T2和T3对目标树年生长量的促进作用明显优于T1和T0。从林分层面来看,T1,T2和T3对生长的促进作用不如单木层面明显。T2对全林和特小径级断面积和蓄积的年生长量及生长率促进作用最明显,T0对小径级林木年生长量促进作用最大,而T1对中径级的蓄积生长率促进效果最佳。各林层断面积和蓄积年生长量表现为上林层>中林层>下林层,生长率呈相反趋势。T2对各林层的断面积和蓄积生长率促进作用最明显,对下林层和上林层的生长率量促进也优于其他措施,T0对中林层年生长量促进作用最大。(2)样地内的主要树种为蒙古栎、白桦、红松、色木槭、糠椴、大青杨、水曲柳、落叶松和黑桦。从树种组成来看,蒙古栎次生林保留了地带性植被阔叶红松林的大部分树种,红松、白桦、大青杨和色木槭能较好的适应研究区环境,是蒙古栎的主要伴生树种。T2,T3有助于提高目标树种的优势度,降低主要竞争林木的优势度,更注重优势树种和顶级树种的培育,对提高和维持全林分的树种多样性更有利。从径阶分布来看,各样地抚育间伐前后直径分布均呈现了典型的异龄林特点:倒J型分布,小径级林木所占比重较大,表明样地更新良好,处于蒙古栎、大青杨和白桦等喜阳树种较多的演替早期,相对较稳定。Negative exponential函数能较好拟合抚育间伐前后林分的直径分布情况。径级分布变化表明适度抚育间伐对维持小径级林木在异龄林中的地位很重要。抚育间伐前后q值的变化表明T2和T3有助于保持样地的直径结构稳定性。从空间结构来看,T2和T3对目标树的种间隔离程度、大小分化程度和密集程度三方面的改善程度要优于T1和T0。通过空间结构综合指数的分析来看,T2和T3对目标树的综合空间结构改善效果明显优于T1和T0,而T1对整体空间综合结构的优化程度略高于T2,T3和T0。(3)通过分析林分内竞争关系及其对不同抚育间伐方案的响应可知,蒙古栎次生林样地的主要树种的竞争排序为:蒙古栎>红松>色木槭>糠椴>白桦>大青杨>落叶松>水曲柳>黑桦,且林分和优势树种平均胸径与竞争因子之间的关系都服从幂函数。基于目标树经营的抚育间伐对缓解上林层以及目标树的竞争有明显作用,可维持蒙古栎和红松在林分中的相对重要性,能促进林分的正向演替。(4)与蒙古栎次生林林木树高生长量关系显著的因子有:代表林木自身大小的期初胸径(D)、树高(H)和冠长比(CR)以及反映立地质量的立地生产力指数SPI,这些变量适用于构建蒙古栎次生林单木树高生长量广义模型。与距离有关以及与距离无关的竞争指数对树高生长量的影响均不显著。在广义模型的基础上引入样地和树种作为随机效应,模型拟合精度大幅提升(R2上升51.8%)。混合效应模型预测结果表明,预测蒙古栎次生林单木树高生长效果最好的方式是抽取胸径最大的2株树。(5)期初胸径是对直径生长量影响最大的变量,竞争次之,而立地质量对直径生长的影响不显著。混合效应模型的预测精度较传统模型有较大提升,其R2为0.6805,提高了17.69%,适用于蒙古栎次生林的林木直径生长预测。蒙古栎次生林单木冠幅-胸径模型拟合效果最佳的是Logistic模型。引入树种和样地作为随机效应,且随机效应方差协方差矩阵均为对角矩阵时,模型的拟合效果最佳,R2为0.7311,RMSE为0.8839。交叉验证方法表明基于嵌套在样地水平下的树种水平的混合效应模型预测精度最高,R2达到0.7215,可用于蒙古栎次生林单木冠幅的预测。(6)基于建立的生长模型,预测得到20年后林分的生长数据,以此为基础比较各方案之间生长差异。预测结果表明相对于短期效果,林木的生长速度放缓,4种方案下,单木直径生长量分别下降31.07%,28.36%,28.05%和26.63%。T1,T2和T3目标树的生长降低程度更大,分别下降29.73%,30.30%和28.15%。各方案对林木生长的长期影响与短期影响规律基本一致。
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