CN106779160A - 一种提高马尾松林固碳能力的林分结构调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高马尾松林固碳能力的林分结构调控方法，包括步骤：(1)选取样地，确定样地内树种名称，测量样地内单木的胸径和树高，采用相邻网格法记录单木的位置坐标；(2)根据树种名称、胸径、树高和位置坐标数据，计算样地林分结构指标：树冠重叠指数、健康度指数、混交度、大小比数、角尺度和径阶分布q值；并计算采伐决定指数；(3)根据样地林分结构指标及样地调查因子确定林分结构调控方式调控林分结构。采用本发明方法对林分结构的调控不仅能促进建设一个高效率的林地生产系统，又能促进建设一个良性循环的生态系统，调控后的林分较对照林分单位面积年固碳量提高了10％‑25％，具有显著的经济效益和生态效益，应用前景十分广阔。

Description

一种提高马尾松林固碳能力的林分结构调控方法

技术领域

本发明涉及森林经营领域，具体涉及一种提高马尾松林固碳能力的林分结构调控方法。

背景技术

森林作为陆地生态系统的主体，在维持全球碳平衡、缓解气候变化方面发挥着重要作用。马尾松(Pinusmassoniana Lamb)林作为浙江省主要森林类型之一，经济效益显著，然而马尾松林的林分结构简单，多为单层纯林，固碳功能低下。因此探索科学有效的林分结构调控方法，提高其固碳能力，使马尾松林在人工经营下充分发挥其生态效益具有重要的意义。

根据林分的不同发育阶段、不同培育目的，采取不同森林抚育经营方法，如主伐、择伐、透光伐等，国家林业局也发布了相关的技术规程《森林抚育技术规程》(GB/T 15781-2009)。同时学者就森林抚育方面也开展了相关研究，如抚育间伐、采伐、透光抚育对森林固碳功能的影响(明安刚，张治军，谌红辉，张显强，陶怡，苏勇.抚育间伐对马尾松人工林生物量与碳贮量的影响.林业科学，2013，49(10):1-6；王敏，贺红士，梁宇，吴志伟.采伐强度对长白山森林地上生物量和景观格局的长期影响.生态学杂志，2014，33(10)：2581-2587；丁波，丁贵杰，李先周.抚育间伐对马尾松人工林生产力和生物量的影响.林业资源管理，2016(1):72-77)。综合上述采伐抚育相关研究，多是揭示森林对不同抚育方法、抚育强度等的响应，采取的林分结构调整方法多为定性的描述，而且对提高森林固碳能力的林分结构调控方法技术研究较少，迄今为止，中国专利数据库中也未见涉及提高森林固碳能力的林分结构调控方法申请件。

发明内容

本发明旨在提供一种提高马尾松林固碳能力的林分结构调控方法，通过分析空间结构指标、合理采用补植或间伐的调控方法、优化林分结构，提高其固碳能力，从而达到提高森林生态效益和经济效益的目的。

本发明方法适用于我国南方以马尾松为优势树种的林分结构调整，包括对马尾松纯林的林分结构调控，以及由马尾松与栎类树、木荷、枫香、其他阔叶树种中的一种或者两种以上构成的针阔混交林的林分结构调控。

本发明只进行林分结构的调控，对林下灌木、草本、枯落物、枯死木及土壤的影响较小，林下灌木、草本、枯落物、枯死木及土壤固碳量的变化较小，所以本发明中马尾松林固碳能力仅计算乔木层固碳量，采用单位面积样地的固碳量年变化来计算。

一种提高马尾松林固碳能力的林分结构调控方法，包括步骤：

(1)选取样地，确定样地林分内单木的树种名称，测量得到样地林分内单木的胸径和树高，并采用相邻网格法记录单木的位置坐标(X、Y)；

(2)根据步骤(1)中的树种名称、胸径、树高和位置坐标(X、Y)数据，计算样地林分结构指标：树冠重叠指数、健康度指数、混交度、大小比数、角尺度和径阶分布q值；

根据树冠重叠指数、健康度指数、混交度、大小比数及其各自对应的权重计算得到采伐决定指数；

(3)根据样地林分结构指标及样地调查因子(郁闭度、林分密度指数)确定林分结构调控方式，调控林分结构，具体包括：

当郁闭度在0.3-0.69或林分密度指数在1000-1600时，则采用林下补植地带性阔叶树种的调控方式；

当郁闭度在0.7-1.0，且林分密度指数在大于1600小于等于3000时，则采用抚育间伐的调整方式，并依据采伐决定指数选取间伐对象木；

当采伐决定指数在0.7-1.0时，即初次确定为间伐对象木，如果同时满足以下三个条件即最终确定为间伐对象木并伐除，如果以下三个条件中的一个或两个以上不满足则放弃伐除该间伐对象木：

条件一：调整后的样地林分树种个数不少于调整前的样地林分树种个数；

条件二：调整后的样地林分径阶分布q值满足1.3≤q≤1.7；

条件三：调整后的样地林分平均角尺度在0.475-0.517。

为了达到更好的发明效果，进行以下优选：

所述采伐决定指数的计算公式如下：

CI_i＝W_CW×(1-CW_i)+W_H×H_i+W_M×(1-M_i)+W_u×U_i

式中：CI_i为参照树i的采伐决定指数；CW_i为树冠重叠指数；H_i为健康度指数；M_i为混交度；U_i为大小比数；W_cw、W_H、W_M、W_U分别是树冠重叠指数的权重、健康度指数的权重、混交度的权重、大小比数的权重。权重W_cw、W_H、W_M、W_U的确定采用层次分析法(AHP)，本发明中，W_cw＝0.231，W_H＝0.308，W_M＝0.187，W_U＝0.274。

所述树冠重叠指数的计算公式如下：

式中：CW_i为参照树i的树冠重叠指数，当相邻木j的树冠位于参照树i的树冠之上时，C_ij＝0；当相邻木j的树冠与参照树i的树冠平行交叉时，C_ij＝0.5；当相邻木j的树冠位于参照树i的树冠之下时，C_ij＝1。

本发明树冠重叠指数，是树木接受光照与空间利用程度的体现，CW_i越大，参照树树冠接受光照越充足，占据越明显的空间优势，光合作用速率快，提高树木的固碳效率，增加其固碳量。

所述健康度指数的计算公式如下：

式中：H_i为参照树i的健康度指数，当相邻木j的健康状况不及参照树i时，h_ij＝0；反之，当相邻木j的健康状况优于参照树i时，h_ij＝1。

健康度指数(H_i)有0、0.25、0.5、0.75、1这5种取值，分别代表其4株邻近木(即相邻木)中有0株、1株、2株、3株和4株邻近木的健康状况优于参照树i，即表示参照树i健康状况的等级依次为优、良、中、差、超差。健康度指数是表征树木自身竞争优势的体现，健康度指数越大，对比相邻木参照树i的健康状况越差，竞争中处于劣势，应作为采伐对象木(即间伐对象木)考虑。

步骤(1)中，最好对样地中的所有林木进行编号后再测量，便于记录。

条件一优选为：调整后的样地林分树种个数与调整前的样地林分树种个数相同，可以最大限度的保持样地林分的生物结构。

步骤(2)中，所述的样地林分结构指标还包括林层比，用于比较调整前后样地的林层比。最终确定为间伐对象木并伐除时还最好应当满足：调整后的样地林分林层比不低于调整前的样地林分林层比，可以最大限度的保持样地林分的林层结构。

步骤(3)中，所述的地带性阔叶树种可选用木荷、石砾、苦槠等阔叶树种中的一种或者多种，具有良好的调控作用。

本发明中，所述树种指树木的种类；林分密度指数(SDI)表示现实林分的株数换算到标准平均直径时所具有的单位面积林木株数；郁闭度(P_u)指林地中乔木树冠在阳光直射下在地面的总投影面积(冠幅)与此林地(林分)总面积的比值。

本发明中，所述混交度、大小比数、角尺度、林层比、平均混交度、平均大小比数、平均角尺度、平均林层比、径阶分布q值、林分密度等的计算均采用现有计算方法计算。所述大小比数的比较指标为胸径或者树高。

本发明具有以下有益效果：

本发明提出树冠重叠指数、健康度指数两个空间结构指标。树冠重叠指数是光照条件和生长空间的综合反映，树冠重叠指数越大，参照树接受光照越充足，占据越明显的空间优势，光合作用速率快，提高树木的固碳效率，增加其固碳量；健康度指数是表征树木自身竞争优势的体现，健康度指数越大，对比相邻木参照树的健康状况越差，竞争中处于劣势，应作为采伐对象木考虑。

本发明采用分层控制的方法，弥补了林分结构的单一调控方法，而且通过补植地带性树种可以增加丰富林分混交度、提高树种的隔离程度，增加林层，增加林分的固碳量。

本发明构建了采伐决定指数，简化了林分结构调控的复杂性，又兼顾到生物多样性、树种的竞争态势、树种的分布格局等；通过林分结构调控，提高森林的稳定性，调节树种内、树种间的竞争关系，促进地带性阔叶树种的生长，进而提高森林的固碳潜力，改变林分内树种的分布格局，促进松阔混交林向顶级群落的进展演替，提高森林生产力，充分发挥森林固碳、改善生态环境、调节小气候等多种效能。

总之，对林分结构的调控不仅能促进建设一个高效率的林地生产系统，又能促进建设一个良性循环的生态系统。采用本发明方法调控后的林分较对照林分单位面积年固碳量提高了10％-25％。因此本发明具有显著的经济效益和生态效益，应用前景十分广阔。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本发明在浙江省淳安县千岛湖林区进行了提高马尾松林固碳能力的林分结构调控方法研究，研究过程如下：

1研究目的

研究马尾松林在林分结构调控下对固碳量的影响及林分结构优化方法确定。

2研究区概况

研究地点选择在浙江省淳安县千岛湖林区，东邻建德县，西与安徽省歙县毗连，118°34′-119°15′，29°22′-29°50′。属中亚热带季风气候北缘，温暖温润，雨量充沛，四季分明，光照充足，光、温、水的地域差异明显。年平均气温17℃，≥10℃积温5410℃，年日照时数1951h，无霜期约263d，年均降水量1430mm，相对湿度为76％，常年盛行东北风，年均风速2.1m/s。土壤主要类型有红壤，分布于海拔700m以下，pH值5.5-6.0；黄壤分布于海拔700m以上，pH值5.5左右；岩性土分布于海拔700m以下，pH值7.0以上。研究区植物资源135科，398属，634种(含种以下分类等级)。千岛湖森林生态系统主要为暖性针叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、针阔混交林、竹林、灌丛、灌草丛等类型。研究区于2008年在马尾松林进行了林分结构调控试验，试验包括未调控及林分结构调控优化抚育间伐2种处理。至2012年调查时，抚育试验已满4年，已初步形成了异龄复层针阔混交林。

3样地调查与数据处理

3.1样地设置与调查

2008年9月在研究区内以拟开展抚育试验的马尾松林为研究对象，选取立地条件、地形条件及树种组成相近的林分，各设置1块30m×30m标准样地，对每块样地内的胸径大于5cm的林木进行每木调查(表1)，确定样地林分内单木的树种名称，并采用相邻网格法(5m×5m)进行坐标定位。

表1样地状况

表1中，6松、3木荷、1石栎表示样地中马尾松、木荷和石栎的蓄积量占比分别为60％、30％、10％。

3.2林分空间结构指标计算

对获取到的每木检尺的数据进行整理，计算林分结构指标包括树冠重叠指数、健康度指数、混交度、大小比数、角尺度及林层比。其中，大小比数的比较指标为胸径。

所述树冠重叠指数的计算公式如下：

式中：CW_i为参照树i的树冠重叠指数，当相邻木j的树冠位于参照树i的树冠之上时，C_ij＝0；当相邻木j的树冠与参照树i的树冠平行交叉时，C_ij＝0.5；当相邻木j的树冠位于参照树i的树冠之下时，C_ij＝1。

本发明树冠重叠指数，是树木接受光照与空间利用程度的体现，CW_i越大，参照树树冠接受光照越充足，占据越明显的空间优势，光合作用速率快，提高树木的固碳效率，增加其固碳量。

所述健康度指数的计算公式如下：

式中：H_i为参照树i的健康度指数，当相邻木j的健康状况不及参照树i时，h_ij＝0；反之，当相邻木j的健康状况优于参照树i时，h_ij＝1。

健康度指数(H_i)有0、0.25、0.5、0.75、1这5种取值，分别代表其4株邻近木中有0株、1株、2株、3株和4株邻近木的健康状况优于参照树i，即表示参照树i健康状况的等级依次为优、良、中、差、超差。健康度指数是表征树木自身竞争优势的体现，健康度指数越大，对比相邻木参照树i的健康状况越差，竞争中处于劣势，应作为采伐对象木考虑。

3.3林分径阶分布q值计算

美国林学家迈耶在1952年发现，异龄林株树按径阶的分布可用负指数分布表示，公式为：

N＝ke^-aD

式中：N为林分总株数；e为自然对数的底；D为胸径；a,k为常数。

Husch把q值与负指数分布联系起来，得到，

q＝e^ah

式中：q为相邻径级株数之比，即径阶分布；a为负指数分布的结构常数；h为径级距；e为自然对数的底。q值小，表明立地质量较高，直径分布曲线比较平坦，径阶范围较宽，大径阶木占的比例较高；q值大，表明立地质量较差，直径分布曲线较陡，径阶范围较窄，小径阶木占的比例较高，德莱奥古认为q值几乎是个常数，一般在1.2-1.5。也有研究认为，q值在1.3-1.7。本发明以q值在1.3-1.7为宜。

3.4林分生物量及固碳量的计算

林分生物量是根据项目组已建立的单木生物量(朱汤军，沈楚楚，季碧勇等.基于LULUCF温室气体清单编制的浙江省杉木林生物量换算因子研究[J].生态学报，2013，33(13)：3925-3932；沈楚楚，朱汤军，季碧勇等.浙江省马尾松林生物量换算因子研究[J].浙江林业科技，2013，33(3)：39-42.)与林分密度相乘所得，林分生物量与含碳率相乘即得到林分固碳量，而含碳率采用0.5。

4林分结构调控优化设计

表2样地的结构指标

注：平均一行是根据各树种的株数加权平均值，阶级分布q值只针对样地林分计算。

根据1号样地的林分密度指数与郁闭度，需要通过抚育间伐调整林分结构，提高其固碳能力；

计算1号样地中所有单木的采伐决定指数(CI_i)：

采伐决定指数(CI_i)的计算公式如下：

CI_i＝W_CW×(1-CW_i)+W_H×H_i+W_M×(1-M_i)+W_u×U_i

式中：CI_i为参照树i的采伐决定指数；CW_i为树冠重叠指数；H_i为健康度指数；M_i为混交度；U_i为大小比数；W_cw、W_H、W_M、W_U分别是树冠重叠指数的权重、健康度指数的权重、混交度的权重、大小比数的权重。权重W_cw、W_H、W_M、W_U的确定采用层次分析法(AHP)，本发明中，W_cw＝0.231，W_H＝0.308，W_M＝0.187，W_U＝0.274。

CI_i在0.7-1.0时处在该范围的单木有28株，初次确定该28株单木为间伐对象木；

同时比较：调整后的1号样地林分平均角尺度是否在0.475-0.517；调整后的1号样地林分树种个数是否不少于调整前的1号样地林分树种个数；调整后的1号样地林分径阶分布q值是否在1.3-1.7；调整后的1号样地林分林层比是否不低于调整前的1号样地林分林层比。如果前述4种比较结果均为“是”，则确定伐除该间伐对象木；如果前述4种比较结果中出现一个或者两个以上的“否”，则放弃伐除该间伐对象木；

经过比较，28株单木(包括马尾松20株、木荷1株、刺柏2株、黄檀4株、杉木1株)间伐对象木符合条件(即前述4种比较结果均为“是”，且调整后的1号样地林分树种个数与调整前的1号样地林分树种个数相同)，应伐除。

5优化效果评价

5.1调整后的林分结构参数

表3 2008年样地结构调整后的结构指标

经过4年的自然生长到2012年9月，复查样地与每木检尺，统计林分结构指标，见表4。

表4 2012年样地林分结构指标

5.2调整后4年林分固碳量的变化

根据样地每木检尺数据，利用生物量模型计算样地的固碳量发现：经过林分结构优化后的1号样地单位面积固碳量从2008年的65.767t·hm^-2增加到2012年的93.665t·hm^-2，增加了42.42％，平均每年增加近10.605％。对比未进行林分结构优化的2号对照样地，2号对照样地单位面积固碳量只增加了1.87％，平均每年仅增加0.468％。采用本发明方法调控后的林分较对照林分单位面积年固碳量提高了10.6％。可见，本发明林分结构优化调控方法对林分固碳功能提高有明显积极的促进作用。

本发明方法中参数的变化并不影响林分固碳能力的提高，因此本发明方法中任意参数的组合均可实现林分固碳能力的提高。在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种提高马尾松林固碳能力的林分结构调控方法，其特征在于，包括步骤：

(1)选取样地，确定样地林分内单木的树种名称，测量得到样地林分内单木的胸径和树高，并采用相邻网格法记录单木的位置坐标(X、Y)；

(2)根据步骤(1)中的树种名称、胸径、树高和位置坐标(X、Y)数据，计算样地林分结构指标：树冠重叠指数、健康度指数、混交度、大小比数、角尺度和径阶分布q值；

根据树冠重叠指数、健康度指数、混交度、大小比数及其各自对应的权重计算得到采伐决定指数；

(3)根据样地林分结构指标及样地调查因子确定林分结构调控方式，调控林分结构，具体包括：

当郁闭度在0.3-0.69或林分密度指数在1000-1600时，则采用林下补植地带性阔叶树种的调控方式；

当郁闭度在0.7-1.0，且林分密度指数在大于1600小于等于3000时，则采用抚育间伐的调整方式，并依据采伐决定指数选取间伐对象木；

当采伐决定指数在0.7-1.0时，即初次确定为间伐对象木，如果同时满足以下三个条件即最终确定为间伐对象木并伐除，如果以下三个条件中的一个或两个以上不满足则放弃伐除该间伐对象木：

条件一：调整后的样地林分树种个数不少于调整前的样地林分树种个数；

条件二：调整后的样地林分径阶分布q值满足1.3≤q≤1.7；

条件三：调整后的样地林分平均角尺度在0.475-0.517。

2.根据权利要求1所述的林分结构调控方法，其特征在于，所述采伐决定指数的计算公式如下：

CI_i＝W_CW×(1-CW_i)+W_H×H_i+W_M×(1-M_i)+W_u×U_i

式中：CI_i为参照树i的采伐决定指数；CW_i为树冠重叠指数；H_i为健康度指数；M_i为混交度；U_i为大小比数；W_cw、W_H、W_M、W_U分别是树冠重叠指数的权重、健康度指数的权重、混交度的权重、大小比数的权重。

3.根据权利要求2所述的林分结构调控方法，其特征在于，所述W_cw＝0.231，W_H＝0.308，W_M＝0.187，W_U＝0.274。

4.根据权利要求1或2所述的林分结构调控方法，其特征在于，所述树冠重叠指数的计算公式如下：

${\mathrm{CW}}_i=\frac{1}{4}\underset{j=1}{\overset{4}{\Σ}}{C}_{ij}$

式中：CW_i为参照树i的树冠重叠指数，当相邻木j的树冠位于参照树i的树冠之上时，C_ij＝0；当相邻木j的树冠与参照树i的树冠平行交叉时，C_ij＝0.5；当相邻木j的树冠位于参照树i的树冠之下时，C_ij＝1。

5.根据权利要求1或2所述的林分结构调控方法，其特征在于，所述健康度指数的计算公式如下：

$H_i=\frac{1}{4}\underset{j=1}{\overset{4}{\Σ}}{h}_{ij}$

式中：H_i为参照树i的健康度指数，当相邻木j的健康状况不及参照树i时，h_ij＝0；反之，当相邻木j的健康状况优于参照树i时，h_ij＝1。

6.根据权利要求1所述的林分结构调控方法，其特征在于，步骤(1)中，对样地中的所有林木进行编号后再测量。

7.根据权利要求1所述的林分结构调控方法，其特征在于，条件一为：调整后的样地林分树种个数与调整前的样地林分树种个数相同。

8.根据权利要求1所述的林分结构调控方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的样地林分结构指标还包括林层比。

9.根据权利要求8所述的林分结构调控方法，其特征在于，最终确定为间伐对象木并伐除时还应当满足：调整后的样地林分林层比不低于调整前的样地林分林层比。

10.根据权利要求1-9任一项所述的林分结构调控方法在马尾松纯林以及由马尾松与栎类树、木荷、枫香、其他阔叶树种中的一种或者两种以上构成的针阔混交林的林分结构调控中的应用。