CN112329976B - 一种基于树冠互补性提高森林生产力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于树冠互补性提高森林生产力的方法，其步骤是选择不同土壤养分和水分梯度的灌丛、次生林和原生林，通过标准样地调查，量化树木个体的树冠体积在垂直方向的非重叠度，获得群落水平树冠互补性指数，以林分年凋落物总量反映群落生产力，建立群落生产力和树冠互补指数的回归关系，筛选物种丰富度高、树冠互补性强和生产力高的群落类型，按树种个体对树冠互补性指数排序，从中选择大于群落平均值以上的个体对作为高树冠互补性的物种配对组合；同时，依据该类型物种组合的群落多度比例，确定其数量配比，综合种植方法，形成不同立地高生产力群落营造林方案。本发明可通过准确优化林分空间结构而显著提高森林生产力，可广泛应用于造林、抚育、林分改造和大径木育林。
Description
技术领域
本发明属于森林生态系统环境设计技术领域，具体涉及一种基于树冠互补性提高森林生产力的方法。
背景技术
森林生产力是生态系统的最重要功能之一，提高森林生产力事关我国生态环境建设和社会经济可持续发展前途。当前，我国生态建设仍存在森林资源“总量不足”，绝大多数森林的生产力处于没有得到充分挖掘的困境。长期以来，我国的森林提质增效理论与技术研究停留在粗线条层面。虽然在育林、营林设计中采用林分郁闭度和留养木数量来衡量林分质量，但由于不重视树种的功能差别，忽视如何有效利用共生树种的空间利用互补性来提高森林生产力等生态系统功能的研究，因此，仍然面临着在森林总量无法增长的条件下，如何科学合理地利用树种资源利用策略的最佳互补组合配置，达到充分释放森林生产力等复合效益的技术瓶颈。
空间结构是森林经营过程中重要的调控因子，优化树种空间配置是培育高质量森林的重要途径之一。大部分研究者虽然倡导复层森林结构在维持生态系统功能方面的重要作用，但多停留在理念的描述阶段，缺乏对林分树种空间结构互补的准确量化指标与可操作的经营技术。加拿大学者Williams首次提出了“树冠空间互补性”的概念，但仍然没有提出如何利用不同物种个体间的树冠空间互补性来提高森林生产力的技术方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供以提高林木生长速度、林地单位生产力，增加生物多样性和提升森林生态系统综合效益的一种基于树冠互补性提高森林生产力的方法。
为了实现上述目的，本发明所设计的一种基于树冠互补性提高森林生产力的方法，其特征是按以下步骤进行：
(1)以研究区处于不同土壤养分和水分梯度位点的灌丛、次生林和原生林为对象，根据统计样方法建立标准样地，调查和列举各群落的木本植物种类组成，统计物种丰富度；逐木测量树高、胸径与树冠构型参数；
(2)将物种的树冠形态分为锥形和椭球形2种类型，根据各个体在相应样地的分布点位，量化树冠厚度、面积和体积以及树冠的水平和垂直空间坐标；
(3)按照各个体与其邻体树冠的空间坐标，逐一计算两两个体树冠在垂直方向的非重叠度(即空间错位度)，作为定量相邻个体间的空间生态位互补度指标；最后，以样方内所有个体对的树冠互补度平均值作为群落水平的树冠互补性指数；
(4)在各样地按照梅花桩法均匀安装若干大小一致的凋落物收集筐，逐月收集凋落物，持续1年，烘干至恒重后称干重，并按凋落物筐投影面积折算为样地水平的年凋落物产量，间接表示群落年生产力；
(5)采用线性回归，以样地为单位，拟合树冠互补性与物种丰富度与林分蓄积量和凋落物年生产力的回归关系，线性回归模型的显著性P值<0.05；
(6)根据步骤(5)筛选物种丰富度高、树冠互补效强且群落年生产力大的群落类型，按个体对的树冠互补性指数排序，从中选择大于群落平均值的个体对作为具有高树冠互补性的物种配对组合；同时，依据该类物种组合的群落的多度比例，确定其数量配比；在此，所述多度是指该物种基径大于 1厘米的个体数；
(7)综合考虑物种树冠互补性，数量配置、初值密度以及种植方法，最终形成不同立地高生产力群落造林或林分改造方案。
步骤(1)中所述的对森林群落逐木测量树高、胸径和树冠构型参数包括纵横冠幅长度、枝下高、叶下高、枝条伸展方向、叶片聚集度和曝光度；所述的物种丰富度是考虑植株密度和样地大小影响的稀疏物种丰富度指数 (rarified species richness)。
步骤(2)中所述的各物种的树冠形态和不同个体的树冠体积，需根据其构型、枝叶分配构型参数判定和计算；锥形、椭球形2种类型的树冠体积的计算分别根据公式(1)和(2)。
其中，CV为树冠体积，Ca和Cb分别为树冠横向和纵向最大直径，CD 为树冠深度。
在此，步骤(3)中所述的群落树冠互补程度是所有个体与其邻体树冠互补性的均值，树冠互补性是指某一个体与其邻体树冠在垂直方向的非重叠度，其计算根据公式(3)：
其中，CCij为个体i与其邻体j的树冠互补指数，Vio和Vjo分别是i和j 个体的树冠在垂直方向上重叠的体积，Vin和Vjn分别是i和j个体的树冠在垂直方向上非重叠的体积，Vi和Vj分别是i和j个体的树冠总体积。
步骤(4)中所述的群落生产力是根据群落水平的林分蓄积量和年凋落物总量来间接反映。
步骤(5)中所述的线性回归，其线性回归模型中各参数关系的显著性P 值<0.05。
步骤(6)中所述的筛选物种丰富度高、树冠互补效强且群落年生产力大的群落类型是在物种丰富度-树冠互补性-群落生产力正向关系中，位于正向一侧占总样地数量20％的群落类型；筛选的物种配置为该群落中树冠互补性排序轴上大于平均值的物种组合；所选物种在该群落的多度为后期造林或林分改造过程中物种个体数量配置的依据。
为了进一步实现树冠互补性，本发明筛选区域尺度的最佳优势乔木树种，针对小区域具体立地类型(地形、养分和水分等)，结合树冠互补最佳物种组合，因地制宜，合理调整物种植配比例与管理方法，综合设计基于树冠互补性的提高森林生产力的抚育、改造和大径木育林技术方案。在此，所述区域尺度是指研究区所在的生物群区，或步骤(1)中的“研究区”，小区域是指研究区中的山坡和沟谷等具体立地类型；
光资源是森林树种生长的最主要限制性资源之一，树木对光资源的利用竞争主要依靠树冠进行。森林光照在林冠上层最强，由于上层木的遮阴，林内光照较弱。因此，不同个体树冠在林内的空间位置及其构型特征对光线截获和利用尤为重要，树高决定其对垂向光的竞争和截获能力，树冠大小决定其对水平光的截获能力。在森林中，树木高度与冠层空间错落有致，则可以通过互补效应最大程度地利用光资源。例如，处于林冠上层的树木配置以较大和较厚的树冠，以保证最大程度的获取光资源，从而满足自身呼吸作用和光合作用等代谢的消耗，保证其生理活动正常进行。相比，林下的耐阴种通常配置较为宽阔但薄的树冠，以最大程度地截取林下的散射光。这种现象反映了不同个体间通过树冠的错位配置而实现对光资源生态位的分工利用，从而在群落整体上构成资源的互补利用，即：树冠互补性。
森林内树木个体间的树冠差异越大，则会减小对光资源的浪费，实现资源的充分利用从而有利于树木生长。因此，若树冠互补性高，树冠的空间配置更加优化，有助于提高森林生产力。这种高效的树冠配置模式在塑造森林生态系统功能方面扮演着重要角色。在实践中，应注重和利用树冠互补性原理，为造林、育林和珍贵用材大径木培育经营提供技术支撑。
本发明的有益效果为：a、准确选取不同立地类型的乔木适生物种，精准地实施高效的树冠配置模式，充分利用光资源，提高物种个体生命力和生长量，增强群落生产力的稳定性；b、优化配置物种树冠空间结构的互补性，经过林分抚育、间伐、目标木培育，形成规模化复层混交林，提高林地生产力，增加生物多样性；c、方法简单，易于建造，成本低，群落结构完整、物种多样性丰富、生物量高，为构建优质大径材培育提供适生环境和合理的空间结构。
附图说明
图1(a)和(b)为本发明通过线性回归分别建立的树冠互补性与森林蓄积量和凋落物年生产力间的回归关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图通过实施例对本发明作进一步描述。
实施例1：
本实施例提供的一种基于树冠互补性提高森林生产力的方法，按以下步骤进行：
(1)以研究区处于不同土壤养分和水分梯度位点的灌丛、次生林和原生林为对象，根据统计样方法建立标准样地，调查和列举各群落的木本植物种类组成，统计物种丰富度；逐木测量树高、胸径与树冠构型参数；
(2)将物种的树冠形态分为锥形和椭球形2种类型，根据各个体在相应样地的分布点位，量化树冠厚度、面积和体积以及树冠的水平和垂直空间坐标；
(3)按照各个体与其邻体树冠的空间坐标，逐一计算两两个体树冠在垂直方向的非重叠度(即空间错位度)，作为定量相邻个体间的空间生态位互补度指标；最后，以样方内所有个体对的树冠互补度平均值作为群落水平的树冠互补性指数；
(4)在各样地按照梅花桩法均匀安装若干大小一致的凋落物收集筐，逐月收集凋落物，持续1年，烘干至恒重后称干重，并按凋落物筐投影面积折算为样地水平的年凋落物产量，间接表示群落年生产力；
(5)采用线性回归，以样地为单位，拟合树冠互补性与物种丰富度与林分蓄积量和凋落物年生产力的回归关系；其线性回归模型中各参数关系的显著性P值<0.05；
(6)根据步骤(5)筛选物种丰富度高、树冠互补效强且群落年生产力大的群落类型，按个体对的树冠互补性指数排序，从中选择大于群落平均值的个体对作为具有高树冠互补性的物种配对组合；同时，依据该类物种组合的群落的多度比例，确定其数量配比；所述多度是指该物种基径大于1厘米的个体数；
(7)综合考虑物种树冠互补性，数量配置、初值密度以及种植方法，最终形成不同立地高生产力群落造林或林分改造方案。
步骤(1)中所述的对森林群落逐木测量树高、胸径和树冠构型参数包括纵横冠幅长度、枝下高、叶下高、枝条伸展方向、叶片聚集度和曝光度；所述的物种丰富度是考虑植株密度和样地大小影响的稀疏物种丰富度指数 (rarified species richness)。
步骤(2)中所述的各物种的树冠形态和不同个体的树冠体积，需根据其构型、枝叶分配构型参数判定和计算；锥形、椭球形2种类型的树冠体积的计算分别根据公式(1)和(2)。
其中，CV为树冠体积，Ca和Cb分别为树冠横向和纵向最大直径，CD 为树冠深度。
在此，步骤(3)中所述的群落树冠互补程度是所有个体与其邻体树冠互补性的均值，树冠互补性是指某一个体与其邻体树冠在垂直方向的非重叠度，其计算根据公式(3)：
其中，CCij为个体i与其邻体j的树冠互补指数，Vio和Vjo分别是i和j 个体的树冠在垂直方向上重叠的体积，Vin和Vjn分别是i和j个体的树冠在垂直方向上非重叠的体积，Vi和Vj分别是i和j个体的树冠总体积。
步骤(4)中所述的群落生产力是根据群落水平的林分蓄积量和年凋落物总量来间接反映。
步骤(5)中所述的线性回归，其线性回归模型中各参数关系的显著性P 值<0.05。
步骤(6)中所述的筛选物种丰富度高、树冠互补效强且群落年生产力大的群落类型是在物种丰富度-树冠互补性-群落生产力正向关系中，位于正向一侧占总样地数量20％的群落类型；筛选的物种配置为该群落中树冠互补性排序轴上大于平均值的物种组合；所选物种在该群落的多度为后期造林或林分改造过程中物种个体数量配置的依据。
为了进一步实现树冠互补性，本实施例筛选区域尺度的最佳优势乔木树种，针对小区域具体立地类型(地形、养分和水分等)，结合树冠互补最佳物种组合，因地制宜，合理调整物种植配比例与管理方法，综合设计基于树冠互补性的提高森林生产力的抚育、改造和大径木育林技术方案。
如图1(a)(b)所示为研究样地树冠互补性与森林蓄积量和凋落物年生产力间的回归关系图，本实施例提供的一种基于树冠互补性提高森林生产力的方法，在具体实施时，实施地点分别选择位于浙江省宁波市天童国家森林公园的太白山和南山，选择不同土壤养分和水分梯度位点的典型天然灌丛、次生林和原生林为对象，建立标准样地。
调查每个样地的木本植物种类组成、树高、胸径和树冠构型参数，统计物种丰富度；测量群落各个体与其邻体的空间距离，结合其树冠厚度、面积和体积大小，计算目标木与邻体在垂直方向的非重叠度；然后，平均样地内所有个体对的树冠互补指数，量化群落水平的树冠互补性程度。
通过对样地内树木的树高和胸径的测量数据，计算得到林分蓄积量；此外，在各样地按照梅花桩法均匀安装凋落物收集筐，每月收集凋落物1次，持续1年(12个月)；每次收集的凋落物，烘干、称量干重，并统计12个月的凋落物总量，得到年凋落物总量，从而以林分蓄积量和年凋落物总量间接表示该群落的年生产力；
建立林分蓄积量和凋落物年生产力与树冠互补指数的数量关系。其中，用于分析的林分蓄积量、凋落物年生产力、树冠互补指数均经过对数化。
在对所有样地的树冠互补性、林分蓄积量和凋落物年生产力进行回归分析后，结果发现，灌丛、次生林和常绿阔叶原生林的树冠互补性、林分蓄积量和凋落物年生产力，以原生林为最高。因此，选取原生林具有较高生产力的群落类型，以该类型群落为对象，对相邻个体的树冠互补性指数按大小排列，对介于其平均值以上的物种优选为树冠互补性较高的组分，并依据其在群落中的多度比例，确定各物种的植配数量配比，为小区域高生产力森林改造确定适合的物种和植配比例。
2014年对天然阔叶次生林进行疏伐抚育，伐除风倒、枯立、衰弱木和病虫害木，并结合清除林内阳生贬值灌、竹、藤、草，将清除的树枝残体条状放置于林内，顺其自然腐烂，依据上述优选树冠互补性高的物种，留养木荷、栲、米槠、石栎、青冈、苦槠、灰柯、檫木、南酸枣和枫香阔叶优势树种；依据物种在群落中的多度比例，每公顷主林层留养实生健康，由3个以上阔叶优势种组成树高大于14m的大立木250株，留养树高6-14m由4个阔叶优势种组成密度每公顷450株作为下木层，留养树高小于6m的耐荫植物每公顷750株，建立灌木层，营建群落结构完整、树冠分异互补、错落有致、高生产力的异龄复层混交林，阔叶天然林树冠互补性优化配置方案见表1。
本实施例在立地条件、树种组成、起源和林龄相同区域，对改造区和对照区分别设立20m×20m各3个样地，调查了改造后5年和对照区(封禁经营措施)常绿阔叶林树木的物种密度、胸径、树高、冠幅、枝下高、立木蓄积量年生长率、树干通直度等指标，采用普雷斯勒公式计算出胸高断面积生长率和林木蓄积量生长率，并利用树干通直度分值法统计树干通直度，结果表明：改造区和对照区林木胸高断面积生长率分别为1.6％和0.5％，改造后林木胸高断面积生长率比对照样地高1.1％；林木蓄积生长率分别为7.0％和 1.87％，改造后林木蓄积增长率比对照高5.13％；树木通直度分值分别为4.6 和4.2，改造后树木通直度分值比对照高0.4。该结果说明本发明技术不仅显著促进了林木的生长，而且明显提升了大径木的质量，有效提高了森林生产力。
表1(阔叶天然林树冠互补性优化配置方案：)
Claims (6)
1.一种基于树冠互补性提高森林生产力的方法，其特征是按以下步骤进行：
(1)以研究区处于不同土壤养分和水分梯度位点的灌丛、次生林和原生林为对象，根据统计样方法建立标准样地，调查和列举各群落的木本植物种类组成，统计物种丰富度；逐木测量树高、胸径与树冠构型参数；
(2)将物种的树冠形态分为锥形和椭球形2种类型，根据各个体在相应样地的分布点位，量化树冠厚度、面积和体积以及树冠的水平和垂直空间坐标；
(3)按照各个体与其邻体树冠的空间坐标，逐一计算两两个体树冠在垂直方向的非重叠度，作为定量相邻个体间的空间生态位互补度指标；最后，以样方内所有个体对的树冠互补度平均值作为群落水平的树冠互补性指数；
(4)在各样地按照梅花桩法均匀安装若干大小一致的凋落物收集筐，逐月收集凋落物，持续1年，烘干至恒重后称干重，并按凋落物筐投影面积折算为样地水平的年凋落物产量，间接表示群落年生产力；
(5)采用线性回归，以样地为单位，拟合树冠互补性与物种丰富度与林分蓄积量和凋落物年生产力的回归关系，线性回归模型的显著性P值<0.05；
(6)根据步骤(5)筛选物种丰富度高、树冠互补效强且群落年生产力大的群落类型，按个体对的树冠互补性指数排序，从中选择大于群落平均值的个体对作为具有高树冠互补性的物种配对组合；同时，依据该类物种组合的群落的多度比例，确定其数量配比；在此，所述多度是指该物种基径大于1厘米的个体数；所述的筛选物种丰富度高、树冠互补效强且群落年生产力大的群落类型是在物种丰富度-树冠互补性-群落生产力正向关系中，位于正向一侧占总样地数量20％的群落类型；筛选的物种配置为该群落中树冠互补性排序轴上大于平均值的物种组合；所选物种在该群落的多度为后期造林或林分改造过程中物种个体数量配置的依据；
(7)综合考虑物种树冠互补性，数量配置、初值密度以及种植方法，最终形成不同立地高生产力群落造林或林分改造方案。
2.根据权利要求1所述的一种基于树冠互补性提高森林生产力的方法，其特征在于：步骤(1)中所述的对森林群落逐木测量树高、胸径和树冠构型参数包括纵横冠幅长度、枝下高、叶下高、枝条伸展方向、叶片聚集度和曝光度；所述的物种丰富度是考虑植株密度和样地大小影响的稀疏物种丰富度指数。
3.根据权利要求1所述的一种基于树冠互补性提高森林生产力的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的各物种的树冠形态和不同个体的树冠体积，需根据其构型、枝叶分配构型参数判定和计算；锥形、椭球形2种类型的树冠体积的计算分别根据公式(1)和(2)：
其中，CV为树冠体积，Ca和Cb分别为树冠横向和纵向最大直径，CD为树冠深度。
4.根据权利要求1所述的一种基于树冠互补性提高森林生产力的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的群落树冠互补程度是所有个体与其邻体树冠互补性的均值，树冠互补性是指某一个体与其邻体树冠在垂直方向的非重叠度，其计算根据公式(3)：
其中，CCij为个体i与其邻体j的树冠互补指数，Vio和Vjo分别是i和j个体的树冠在垂直方向上重叠的体积，Vin和Vjn分别是i和j个体的树冠在垂直方向上非重叠的体积，Vi和Vj分别是i和j个体的树冠总体积。
5.根据权利要求1所述的一种基于树冠互补性提高森林生产力的方法，其特征在于：步骤(4)中所述的群落年生产力是根据群落水平的林分蓄积量和年凋落物总量来间接反映。
6.根据权利要求1所述的一种基于树冠互补性提高森林生产力的方法，其特征在于：步骤(5)中所述的线性回归，其线性回归模型中各参数关系的显著性P值<0.05。
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