浙江省東部和西部林木持久性和森林樹種結(jié)構(gòu)25年變化對比研究

盧金寶，邵華亮，馬雪清，曾春興，王堅婭，應(yīng)彬彬，吳偉志

（1. 臺州市黃巖區(qū)林業(yè)局，浙江 臺州 318020；2.江山市林業(yè)局，浙江 江山 324100；3.仙居縣自然資源和規(guī)劃局，浙江 仙居 317300；4.浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300；5.浙江省森林資源監(jiān)測中心，浙江 杭州 310020）

森林的樹種結(jié)構(gòu)與組成是森林穩(wěn)定性的主要特征[1]，是制定森林經(jīng)營方案的基礎(chǔ)[2]，也是森林發(fā)揮良好生態(tài)服務(wù)功能的前提[3]。然而，森林的樹種結(jié)構(gòu)與組成及其穩(wěn)定性受到多種因素的干擾[4]，目前，大多數(shù)研究集中在利用一些綜合評價方法來評價森林群落或生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5-7]，評價指標(biāo)和方法較為復(fù)雜。林木是森林的主體，也是森林經(jīng)營管理的主要對象，其持久性是維持森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。林木持久性是森林穩(wěn)定性的重要特征之一，其強弱是森林穩(wěn)定程度的直觀反映[8]。林木持久性可以用林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望定量描述[9]，即林木從進(jìn)界時算起（按照我國森林資源監(jiān)測的技術(shù)規(guī)定，胸徑≥5 cm的樹木稱為林木，樹木胸徑生長到起測胸徑5 cm稱為進(jìn)界）能夠存活的期望年數(shù)越長，林木持久性越高，表明森林的結(jié)構(gòu)相對越穩(wěn)定。本文選擇浙江省東部和西部區(qū)域分別代表較經(jīng)濟發(fā)達(dá)和相對欠發(fā)達(dá)兩個地區(qū)，以浙江省森林資源連續(xù)清查固定樣地復(fù)查數(shù)據(jù)為依據(jù)，林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望值大小為量綱，研究分析1994—2019年松、杉、闊葉樹種的結(jié)構(gòu)與組成，探索林木持久性及其變化規(guī)律和原因，為浙江省森林的健康經(jīng)營和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

浙江省地處中國東南沿海，地理坐標(biāo)為118°01'～123°10' E，27°06'～31°11' N，陸域面積有10.55萬km2，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，降水充沛，生境復(fù)雜，森林資源較為豐富。主要森林類型包括針闊混交林、常綠闊葉林、毛竹Phyllostachys edulis林、馬尾松Pinus massoniana林和杉木Cunninghamia lanceolata林。截至2019年底，浙江省林地面積達(dá)659.35萬hm2，其中，森林面積有607.88萬hm2，森林覆蓋率達(dá)到61.15%，活立木蓄積有4.01億m3，森林蓄積量有3.61億m3。全省喬木林單位面積蓄積量為83.51 m3·hm-2。

臺州市和衢州市分別位于浙江省的東部和西部，緯度基本相同，地理位置較為對稱（圖1），都以丘陵山地為主，森林資源豐富，樹種、林相等森林特征相似，能較好的代表浙江省東部和西部兩個區(qū)域，并以此分別代表較經(jīng)濟發(fā)達(dá)區(qū)和相對欠發(fā)達(dá)區(qū)兩個地區(qū)。臺州市的總面積為10 050.43 km2，戶籍總?cè)丝谟?06.64萬人，2019年生產(chǎn)總值為5 134.05億元，森林覆蓋率為61.37%；衢州市的總面積為8 844.79 km2，戶籍總?cè)丝谟?57.63萬人，2019年生產(chǎn)總值為1 573.51億元，森林覆蓋率為69.62%。

圖1 研究區(qū)分布圖Figure 1 Location of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來自浙江省森林資源連續(xù)清查固定樣地復(fù)查數(shù)據(jù)，調(diào)查年度分別為1994、1999、2004、2009、2014和2019年，每相鄰兩次調(diào)查（復(fù)查）組成一個“階段”，共分五個階段，分別表示為1994—1999年（第一階段）、1999—2004年（第二階段）、2004—2009年（第三階段）、2009—2014年（第四階段）、2014—2019年（第五階段），每個階段前面的年份為該階段的前期，后面的年份為該階段的后期。樣地為正方形，邊長28.28 m，面積800 m2，樣地調(diào)查嚴(yán)格遵循國家森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)定，對樣地內(nèi)胸徑≥5.0 cm的樹種進(jìn)行每木檢尺，記錄樹種和胸徑等內(nèi)容，并將林木分為松類、杉類、闊葉類3類樹種組進(jìn)行研究。具體樣地和林木數(shù)據(jù)見表1。

表1 研究數(shù)據(jù)Table 1 Data for research

1.3 林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望計算方法

本研究采用林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望來衡量林木的持久性，數(shù)學(xué)期望越大，林木持久性越強。林木存續(xù)期表示林木進(jìn)界后存活的理論年數(shù)。凡調(diào)查前期是活立木，后期被采伐或枯死了的林木都認(rèn)為存續(xù)終止。

林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望的計算方法和過程如下[9]：

（1）復(fù)查間隔期林木保存率的計算。設(shè)前期有n1T株活立木，后期依然存活的有n2T株，則復(fù)查期林木保存率（p△AT）為：

這里復(fù)查間隔期（?AT）為5年。

（2）林木年度保存率的計算。將復(fù)查間隔期林木保存率轉(zhuǎn)換為年度保存率（pT），計算公式為：

2 結(jié)果與分析

利用五個階段固定樣地的復(fù)位調(diào)查數(shù)據(jù)，將林木分為松類、杉類、闊葉類3類，以式（3）計算林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望。五個階段林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望，反映了林木持久性25年的變化情況。

2.1 浙江省東部25年林木持久性和樹種結(jié)構(gòu)變化

2.1.1 浙江東部25年林木持久性變化 表2和圖2是浙江省東部25年來的林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望計算結(jié)果。由表2和圖2可以看出，在五個階段中，3個樹種組持久性最高時間段均在第二階段，杉類和闊葉類林木的持久性最差的階段在第一階段，松類林木持久性最差的階段在第三階段。3類林木的持久性均呈現(xiàn)出從第一階段到第二階段上升幅度較大，第二到第三階段下降幅度大，第三到第四階段又逐漸上升的規(guī)律。

圖2 浙江省東部3個樹種組25年林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望Figure 2 Mathematical expectation of 3 tree species groups duration in the eastern Zhejiang province within 25 years

表2 浙江省東部25年林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望變化Table 2 Changes of mathematical expectation of tree duration in the eastern Zhejiang province within 25 years

在浙江省東部松類林木相對杉類、闊葉類林木，除第一階段外，在其他四個階段的林木持久性明顯較低，25年來的林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望在11.56～20.13 a之間。杉類林木的持久性在第一階段是3類林木中最低的，進(jìn)界后期望壽命為14.77 a；在第二階段，杉類林木的持久性突然增高，出現(xiàn)最高值，之后下降，之后又逐漸增高。杉類林木的持久性總體上明顯強于松類，但比闊葉類差，存續(xù)期數(shù)學(xué)期望在14.77～54.21 a之間。闊葉類林木的持久性相對其他2類林木是最高的，存續(xù)期數(shù)學(xué)期望在28.50～54.03 a之間。

2.1.2 浙江省東部25年樹種結(jié)構(gòu)變化 表3是浙江省東部25年來3類林木單位面積立木株數(shù)及其比例的計算結(jié)果。由表3表可得，松類林木的立木密度和株數(shù)比例在五個階段同步下降；杉類林木在第一至第二階段有大幅上升，在第二至第五階段則無明顯變化；闊葉類林木在第一至第二階段的增幅較小，在第二至第五階段的增幅顯著增加，其比例在第五階段達(dá)到最大，為50.7%，明顯高于松類和杉類林木。

表3 浙江省東西部25年單位面積立木株數(shù)及其比例變化Table 3 Unit area standing trees of 3 species groups and proportion in the eastern and western Zhejiang province within 25 years

2.2 浙江省西部25年林木持久性和樹種結(jié)構(gòu)變化

2.2.1 浙江省西部25年林木持久性變化 圖3和表4是浙江省西部25年來的林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望計算結(jié)果。

由圖3和表4可以看出，在五個階段中，杉類和闊葉類林木持久性最高的時間段均在第五階段，松類林木持久性最高的時間段在第二階段，在第五階段也接近最高。松類林木持久性最差的時間段在第三階段，杉類林木持久性最差的時間段在第四階段，闊葉類林木持久性最差的時間段在第一階段。除杉類林木的持久性在第三到第四階段出現(xiàn)小幅下降外，3類林木的持久性總體上呈現(xiàn)出在第一階段到第二階段上升，在第二到第三階段下降，從第三階段到第五階段又開始逐漸上升的現(xiàn)象。

圖3 浙江省西部3類林木25年林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望Figure 3 Mathematical expectation of 3 tree species groups duration in the western Zhejiang province

表4 浙江省西部25年林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望變化Table 3 Mathematical expectation of 3 tree species groups duration in the western Zhejiang province within 25 years

在浙江省西部，松類林木相對杉類、闊葉類林木的持久性較低，25年來的林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望在6.82～19.95 a之間。杉類林木的持久性總體上比松類強，比闊葉類差，存續(xù)期數(shù)學(xué)期望在12.40～27.19 a之間。闊葉類林木的持久性相對是最高的，存續(xù)期數(shù)學(xué)期望在10.08～33.86 a之間。

2.2.2 浙江省西部25年樹種結(jié)構(gòu)變化 由表3可知，松類林木的立木密度在第一至第二階段有小幅上升，在第二至第五階段則明顯下降，其株數(shù)比例在第一至第五個階段中穩(wěn)定下降；杉類林木的立木密度在第一至第二階段有小幅上升，在第二至第五階段則無明顯變化，其株數(shù)比例在五個階段中一直無明顯變化；闊葉類林木的立木密度和株數(shù)比例在五個階段中持續(xù)上升，其比例在第五階段達(dá)到最大，為47.5%，明顯高于松類和杉類林木。

2.3 浙江省東西部25年林木持久性和樹種組成變化對比

圖4至圖6分別表示了浙江省東西部25年來3類林木的持久性變化情況。從表2至表3、圖4至圖6可以看出，浙江東部的林木持久性在25年間總體上強于西部，其中闊葉類林木的差距最為明顯，每個階段東部均明顯強于西部，但隨著時間的推移，這種差距有縮小跡象；杉類林木的持久性在第一階段東部略低，第二階段以后東部明顯強于西部；松類林木在前四個階段東部比西部略強，第五階段，西部明顯增強，而東部略微下降，導(dǎo)致西部強于東部。

圖4 浙江省東西部25年松類林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望Figure 4 Mathematical expectation of pine species in the eastern and western Zhejiang province within 25 years

圖5 浙江省東西部25年杉類林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望Figure 5 Mathematical expectation of Chinese fir in the eastern and western Zhejiang province within 25 years

圖6 浙江省東西部25年闊葉類林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望Figure 6 Mathematical expectation of broadleaf tree group in the eastern and western Zhejiang province within 25 years

從表3可以看出，在3類林木的單位面積立木株數(shù)方面，東部的杉類和闊葉類林木在五個階段中均低于西部，但松類林木高于西部的。在3類林木的株數(shù)比例方面，東部的松類林木在五個階段中均高于西部，但兩者的差距隨著時間的推移在縮小；東部的杉類林木25年間均低于西部，但兩者的差距隨著時間的推移有縮小的跡象；東部的闊葉類林木在前三個階段低于西部，但由于后續(xù)增幅大于西部，導(dǎo)致其在后兩個階段反超西部。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

以上從樹種結(jié)構(gòu)和林木持久性兩個角度對比研究浙江省東西部兩個設(shè)區(qū)市1994—2019年這25年來森林的變化情況，結(jié)果表明，浙江省東西部3類樹種（松類、杉類、闊葉類）的林木持久性均表現(xiàn)出“N”狀規(guī)律，即先增加后減小再穩(wěn)定增加，且變化的第一個節(jié)點均在1999—2004年之間，這個期間持久性較高，而2004—2009年之間明顯降低，之后又逐步增高；浙江省東部的林木持久性在25年間高于西部，但這種差距隨著時間的推移有逐漸縮小的跡象；無論是東部還是西部，松類林木的持久性在3類林木中都是最低的，而闊葉類林木都是最高的；浙江省東西部的樹種結(jié)構(gòu)變化情況相似，即松類林木的比例逐年下降、杉類林木的比例有波動但整體變化不大、闊葉類林木的比例逐年增加至50%左右；東部的闊葉類林木的比例在前三個階段差于西部，而在后兩個階段略高于西部，單位面積立木株數(shù)均低于西部，但差距在縮小。

整體上，浙江省東部的林木持久性在25年間整體強于西部，兩地闊葉類林木的持久性均在不斷增強。兩地闊葉類林木的單位面積株數(shù)和相對比例在25年不斷增加，森林趨于更穩(wěn)定的狀態(tài)，森林質(zhì)量得到不斷提升。

3.2 討論

浙江省東西部的林木持久性變化的“N”狀規(guī)律，很大程度上是對當(dāng)時的林業(yè)政策及市場的反映。杉類林木是最重要的木材資源，其“N”狀規(guī)律也最明顯，闊葉類次之。

東部的闊葉類林木持久性一直明顯高于西部，杉類除1994—1999年外，也明顯高于西部。這可能與東部經(jīng)濟強于西部，東部經(jīng)濟對林木采伐的依賴程度低有一定的關(guān)系，而隨著西部經(jīng)濟的發(fā)展，這種差異在逐步縮小。

浙江省東西部森林的樹種組成與結(jié)構(gòu)都隨著時間進(jìn)程趨于更穩(wěn)定的狀態(tài)，即在減少松類林木占比的同時，增加闊葉類林木的占比。無論東部還是西部，松類林木的立木密度及其占比均在逐年下降，這與松材線蟲病危害有關(guān)。松材線蟲病的入侵促使了馬尾松林演替為闊葉林[10]，演替期間不可避免地降低了林木持久性。松材線蟲病是一種特別重大的檢疫性森林災(zāi)害[11]，2019年疫區(qū)數(shù)量占浙江省縣級行政區(qū)的76.67%[12]。松類林木保留量的持續(xù)減少也與浙江省為了防治松材線蟲病擴散以及提高森林生態(tài)效益而多年來推行的“針改闊”有關(guān)。闊葉類林木的單位立木密度及其占比無論東西部都在穩(wěn)定增加，這與浙江省重視對闊葉類林木的保護(hù)有關(guān)。

松材線蟲病一般是先從東部發(fā)生，而后逐步向西蔓延，從理論上講，林木持久性應(yīng)該是西部高于東部，但實際上僅在2014—2019年西部的林木持久性高于東部，1994—2014年西部均低于東部。雖然松材線蟲病促使東部松類林木采伐總量大于西部，但在東部松類林木的保留量遠(yuǎn)大于西部的前提下，東部的采伐比例仍低于西部，使得前20年東部的林木持久性高于西部。隨著東西部松類林木的保留量差距的減小，在兩地松類林木采伐量差不多的前提下，東西部的松類林木采伐比例差距也隨之減小，最終導(dǎo)致東西部的林木持久性差距逐年減小。另一個原因是松材線蟲病疫區(qū)劃定的范圍從東部向西部擴展，疫區(qū)內(nèi)的商業(yè)性被限制，所以東部林木的商業(yè)性采伐少于西部。

東部林木的持久性整體高于西部，但單位面積立木株數(shù)低于西部，說明西部林木的更新演替強于東部。基于林木存續(xù)期數(shù)學(xué)期望的林木持久性定量評價基于樣木復(fù)測數(shù)據(jù)，而我國存在大量這樣的數(shù)據(jù)，所以這個方法還具有很好的推廣應(yīng)用條件。