弱竞争条件下侧柏适宜密度的经验公式

弱竞争条件下侧柏适宜密度的经验公式

森林经营是一种普遍有效的第一性生产力，其基本功能是光合作用和co固定。不以生物量产出最大化为目标的侧柏生态公益林,持续的健康生长和适时的更新以及长期、持续地发挥其生态和社会效益为其抚育经营的重要目标。鉴于郁闭度0.6以下的侧柏疏林较多林分过密导致竞争激烈、个体分化严重,不利于幼苗、幼树的生长和更新,目前在侧柏生态公益林经营过程中常存在初值密度过大、抚育管理不及时、影响其健康状态的问题。以自然稀疏为基础确定的林分密度往往过大,而且通常使用的下层疏伐抚育作业并不能从根本上改变这种过密的林分结构。树木合理的营养空间结构是立地条件、生长阶段和生长状态的综合,自然散生木的树冠形状往往正是这种综合作用的表现形式之一,而且基本不受种内竞争的影响。本研究以散生树木为基础,进行了侧柏适宜营养面积和林分密度的研究,对幼苗幼树正常生长、林分正常更新、冠形适宜和确定林木合理的单株营养空间提供重要参考依据。在一定年龄范围内和立地条件下,树木的正常营养面积往往反映在其树冠的投影面积之中1材料和方法1.1试验林的密度概况本研究2013—2016年于山东省林业科学研究院燕子山试验林场进行了疏伐强度定位试验,并在山东省侧柏主栽区内30多个县、市、区进行了侧柏冠形的调查研究。燕子山林场位于山东省济南市千佛山景区东部的石灰岩山地,海拔高度258m,土壤为褐色森林土。土层厚度为10~60cm。侧柏林分始建于20世纪50年代,密度较大,为3000株/hm于2013年开始在燕子山西侧山坡设置下层疏伐强度试验。按保留株数控制试验林的密度,分别保留1650株/hm为了充分地反映现实林分种子萌发的实际情况,以便深入了解侧柏林地苗木更新的情况。2014年度秋季侧柏种子大量萌生后对上述标准地进行了林地种子萌发的调查,并按每平方米出苗数进行了统计。1.2侧柏主要栽培区冠形系数在冠形调研中,全面拍摄侧柏成龄散生木树冠纵断面的RGB图像,树冠拍摄时尽可能避免丛生树冠、冠形发育已停滞的濒死木、人为割冠和家畜啃食的植株等等。样木有代表性地抽样于侧柏主要栽培区的30多个县、市、区,总数752株。远距离的树冠使用长焦镜头拉近后拍摄,为了避免拍摄距离的影响,本研究全部使用同一张图像不同部位的比值构建冠形系数(C其中C在此基础上,分别特殊冠形、龄组以及土壤类型测算了其平均冠形系数。有研究表明,此类使用散生木、优势木模拟的结果往往是竞争模型确定的密度下限1.3云或天麻天气条件下的人工观测林地透光度(TC)和叶面积指数(LAI)应用CI110冠层分析仪在多云或阴天天气条件下置镜头于胸高部位观测而来,并使用该设备默认的设置。其中,视域150°、起始天顶角0°、终结天顶角75°以及阈值50°。每块固定标准地内重复测定5次,用观测到的平均透光度和叶面积指数进行统计分析。1.4活立木的种类本研究对燕子山试验林场各小班进行标准地每木检尺。抽样测定树高、枝下高、活枝高等高度指标,合计测定株数70株,相关指标的计算如公式(2)~(4)。采用常规的测高杆法分别测定了疏伐试验固定标准地的平均树高。在林木健康状态调查中,枯立木为已经枯死仍然站立的树木;被压木是郁闭的主林冠层之下树冠被压抑、生长衰弱的III级以下树木,而活立木是位于主冠层内生长正常的I和II级木。标准地植物多样性指标的调查包括记载除侧柏以外的构树(Broussonetiapapyrifera)、荆条(Vetexnegundovar.heterophylla)、爬山虎(Parthenocissustricuspidata)、孩儿拳头(Grewiabilobavar.parviflora)、桑树(Morusalba)、君迁子(Diospyroslotus)、酸枣(Ziziphusjujubevar.spinosa)、皂荚(Gleditsiasinensis)、花木蓝(Indigoferakirilowii)、小叶鼠李(Rhamnusparvifolia)、臭椿(Ailanthusaltissima)、苦楝(Meliaazedarach)、刺槐(Robiniapseudoacacia)等的株数,然后按公式(5)~(7)分别计算各自的Simpson-Wiener相对重要值式中:YSD式中:XDDD式中:DYXZS为试验林地整体多样性指数,X1.5图像测量软件数据统计和分析及制图是在Excel2003和KaleidaGraph4.0下进行和完成的,所使用的图像测量软件是Image-tool3.0。2结果与分析2.1冠形系数与生长性状的相关性本研究以侧柏林地散生树木为核心从竞争极小化角度进行了侧柏冠形的分析。利用公式(1)进行的大量侧柏冠形系数估算以及统计分析表明,因侧柏在山东省大多栽培在干旱贫瘠的石灰岩山地上、高生长速生期短、树高偏矮,所以冠形系数与树高的相关性(R从测试数据中排除冠形系数大于3.1、树高小于2000像素的植株,冠形系数与冠幅的相关性(图1c)变化不算太大,依然有较强的相关关系(R不同树龄的树木所处的生长发育期不一,冠形系数差异较大。处于高生长速生期的幼树,平均值在4.1左右,而成龄大树的冠形系数在2.2左右(如表1)。相比之下,大量栽培侧柏生态公益林的粗骨褐土和棕壤性土立地条件下,侧柏的冠形系数在3.1左右。在这些立地条件下,往往受干旱贫瘠的立地条件影响使侧柏冠幅狭窄。而在立地条件优越的环境中栽培的侧柏植株冠形系数在2.0左右,树冠较为圆满。据测算,侧柏冠形系数的整体平均值在2.50~2.70之间,褐土立地上总体平均冠形系数为2.54。2.2密度保留株数法在确定林分密度时的应用在侧柏生态公益林阳坡、半阳坡散生木冠形系数估算的基础上,利用平均冠形系数和山东省林业科学研究院燕子山试验林场侧柏疏伐试验地平均树高和标准解析木平均高,对其适宜营养面积和密度进行了估算,方式方法见公式(8)其中,N为某试验林分适宜密度的保留株数,C从图1a和图1c的相关关系而论,依此式确定的林分密度主要取决于平均树冠直径的大小,并且意味着应用山东省侧柏散生木平均树冠直径预测燕子山林地侧柏适宜的营养面积和保留株数的可能性。若将山东省内统计计算而来的褐土立地平均冠形系数2.54代入公式(8)得公式(9),其中,N为适宜密度的保留株数,H为某林分平均树高。将该式应用于确定燕子山林场疏伐试验地的林分密度,结果见表2。在疏伐试验地的第1小班内,林木和解析木平均高为7.35m,预测的适宜营养面积约为8.49m表2中依据侧柏林木第2小班试验标准地(南105、南120、南135)由平均高(6.01m)推算而来的适宜密度为1785株/hm2.3疏伐对林地生物多样性的影响侧柏是喜光树种,林分密度过大时自然稀疏现象明显,一些受压个体树干弯曲、干枯,而且林下难以寻觅更新幼苗和幼树。在疏伐试验之前,燕子山试验林场的侧柏林分内已开始有个体逐渐干枯死亡现象,也有一些个体处于严重的受压状态(如图2a)。而更加突出的是始于树干基部、从下至上逐渐发生的枝叶枯萎。疏伐前的调查表明,燕子山西坡1小班林地内,侧柏树干上平均活枝率不足1/3(如图2a),平均枯枝率接近1/2,无枝条的枝下(树干)率约占1/6。侧柏树冠下灌草稀疏,生物多样性很小。尽管有构树、黄栌、刺槐、臭椿、苦楝、山榆等伴生阔叶树种的存在,以荆条为核心构成的灌丛群占据绝对的优势(如图2b),其相对重要值和相对多度甚至超过其余树种的总和。经统计计算,在疏伐后3a(即2016年),尽管疏伐林地的生物多样性没有显著变化,但是已经观测到荆条数量的减少和构树数量的增加,整体多样性系数也由0.357增长到0.436。疏伐常常是这种自然稀疏的人工促进手段之一。疏伐直接改善了林地内光照条件(如图3a),有利于生物多样性的改观以及林地的更新。然而,下层疏伐对林分的干扰程度较低以至于不能实现对适宜营养面积的需求。在理想条件下,适宜的营养面积不仅有利于树体本身的生长发育,也有利于林下幼苗、幼树的更新、生长和林木优良冠形的形成。燕子山侧柏生态公益林疏伐试验研究表明,在疏伐强度不同的林分中,由于透光度的差异,林地土壤水分、温度和光照等环境条件的不同;2014年秋季侧柏林地集中萌发的种子,出苗率的空间差异较为明显。其中,在每公顷保留1200株的西坡上层综合疏伐林地(西80)内出苗率最高,与下层疏伐林地(西110和西170)形成鲜明的对比(如图3a)。而且侧柏林籽苗出土的优化环境分布在叶面积指数为1.0左右的区间范围内(如图3b),对应的林地透光度系数在0.41左右。表2预测的适宜林分密度(1200株/hm与此同时,叶面积指数过大、林地透光量太小、林地地温偏低等都不利于种子的萌发和生长,尤其是在9月份。另一方面,侧柏幼苗、幼树在优越的光照条件下保存率高(如图3c)。2014年秋季济南燕子山周边在适宜的气象环境条件下侧柏种子大量萌发出土显然,在阴坡和半阴坡,侧柏常因林分郁闭度过大而林下没有幼苗和幼树。在阳坡,侧柏常因林分稀疏或者林窗空地而少有或没有幼苗和幼树。适宜的环境不仅是侧柏更新和生长的根本条件,也是构树和荆条等伴生的乔灌木树种更新和生长的关键。在西坡疏伐强度较大的西80和西110林地内,光照环境的改善增加了构树春季萌芽的速率,以至于在4月下旬观测的新叶单叶叶面积与弱度疏伐林地(西140、西170)、未疏伐林地之间存在显著差异(P<0.05)(如图4a)。阳坡的南105~135林地尽管疏伐改善了光照环境、由于干旱等原因并没有明显地增加林地内阔叶乔木构树(如图4a)和主要灌木荆条的生长量(如图4b)和数量(如图4c)。因此,在阳坡若疏伐过度则使土壤水分等环境不利于侧柏和伴生阔叶乔灌木树种的生长和更新。适度的密植有利于减少林地蒸腾蒸发量,维持适宜的生长和更新条件。2.4确定密度管理模型在竞争模式下,林木密度控制管理最基本的是在建立最大密度线、最佳密度线、等树高线、等直径线、等疏密度线或自然稀疏线的基础上确定密度管理模型或图表的过程。其中,应用林木树冠面积与胸径之间的相关关系3密度控制法的应用侧柏是喜光树种,密度效应明显,林分密度过大时自然稀疏现象较为突出,一些受压个体树干弯曲、干枯,林下难以寻觅更新幼苗和幼树。另一方面,侧柏是耐旱树种,在极端干旱瘠薄、岩石裸露的山地环境中,一些稀疏、未郁闭的侧柏林木常通过自然整枝的方式应对水分和能量代谢的失衡。在许多环境条件下光照并非唯一影响林木自然稀疏的因素,而光照与水分和能量代谢的协同作用对于侧柏的自然稀疏、种子萌发、苗木更新、生长和发育更加重要。弱竞争环境中的侧柏散生木的冠形变化就是较为典型的事例,也为应用散生木之冠形系数估测侧柏单株营养面积和林分密度奠定基础。实际条件下,侧柏林木成长于矛盾的过程之中,环境优越生长量越大的地块更新树苗往往越多,而在生长量小的地块更新树苗较少,结果是一边密度过大、另一边稀疏难以郁闭。同时也反映了侧柏喜光、喜湿润环境的习性。因此,对生长量大、幼苗幼树多的地块应进行必要的抚育间伐,对林地自身较为稀疏、生长量小、更新欠佳的地块和较大的林窗内进行人工的补植补播,以实现林分的均衡成长。这也是侧柏生态公益林需要优化的分类抚育经营的关键所在,以便创建单株冠形优美、林分结构合理、物种多样、适宜更新的异龄优化侧柏林分。在粗骨土为主要栽培平台的侧柏生态公益林培育过程中,立地条件的异质性尤为突出。在同一个林班或小班、同一个坡面甚至同一块样地内常存在差异。因此,在确定侧柏局部抚育经营密度时最佳的方式是局部控制法,根据林地侧柏实际的树高级和冠形系数确定适宜的营养面积和密度,有潜力实现优化的林分结构。适中的郁闭度、透光度和叶面积指数适合侧柏种子萌发和幼苗的生长发育,而且与平均树高和平均冠幅构成的褐土冠形系数(2.54)预测的单株营养面积和林分密度的吻合,说明作为温性针叶林的主要树种侧柏对光照和温度需求的中庸性特征。侧柏种子萌发和籽苗的生长发育对干旱的敏感以及极端干旱环境中侧柏冠形的变化表明侧柏尽管耐干旱瘠薄,但是相对湿润的环境更加有利于侧柏的存活、生长和更新,也有利于持续维持植物的多样性。另一方面,目前以自然稀疏线、林木竞争曲线等为基础的营养面积和密度控制模型为研究主流,往往更加适合于那些窄冠形树种的应用,尤其是以胸径为主导因素的模型往往疏忽立地质量的作用。在应用于立