本發(fā)明涉及森林經營領域，具體涉及一種提高馬尾松林固碳能力的林分結構調控方法。
背景技術：
森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體，在維持全球碳平衡、緩解氣候變化方面發(fā)揮著重要作用。馬尾松(Pinusmassoniana Lamb)林作為浙江省主要森林類型之一，經濟效益顯著，然而馬尾松林的林分結構簡單，多為單層純林，固碳功能低下。因此探索科學有效的林分結構調控方法，提高其固碳能力，使馬尾松林在人工經營下充分發(fā)揮其生態(tài)效益具有重要的意義。
根據林分的不同發(fā)育階段、不同培育目的，采取不同森林撫育經營方法，如主伐、擇伐、透光伐等，國家林業(yè)局也發(fā)布了相關的技術規(guī)程《森林撫育技術規(guī)程》(GB/T 15781-2009)。同時學者就森林撫育方面也開展了相關研究，如撫育間伐、采伐、透光撫育對森林固碳功能的影響(明安剛，張治軍，諶紅輝，張顯強，陶怡，蘇勇.撫育間伐對馬尾松人工林生物量與碳貯量的影響.林業(yè)科學，2013，49(10):1-6；王敏，賀紅士，梁宇，吳志偉.采伐強度對長白山森林地上生物量和景觀格局的長期影響.生態(tài)學雜志，2014，33(10)：2581-2587；丁波，丁貴杰，李先周.撫育間伐對馬尾松人工林生產力和生物量的影響.林業(yè)資源管理，2016(1):72-77)。綜合上述采伐撫育相關研究，多是揭示森林對不同撫育方法、撫育強度等的響應，采取的林分結構調整方法多為定性的描述，而且對提高森林固碳能力的林分結構調控方法技術研究較少，迄今為止，中國專利數(shù)據庫中也未見涉及提高森林固碳能力的林分結構調控方法申請件。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明旨在提供一種提高馬尾松林固碳能力的林分結構調控方法，通過分析空間結構指標、合理采用補植或間伐的調控方法、優(yōu)化林分結構，提高其固碳能力，從而達到提高森林生態(tài)效益和經濟效益的目的。
本發(fā)明方法適用于我國南方以馬尾松為優(yōu)勢樹種的林分結構調整，包括對馬尾松純林的林分結構調控，以及由馬尾松與櫟類樹、木荷、楓香、其他闊葉樹種中的一種或者兩種以上構成的針闊混交林的林分結構調控。
本發(fā)明只進行林分結構的調控，對林下灌木、草本、枯落物、枯死木及土壤的影響較小，林下灌木、草本、枯落物、枯死木及土壤固碳量的變化較小，所以本發(fā)明中馬尾松林固碳能力僅計算喬木層固碳量，采用單位面積樣地的固碳量年變化來計算。
一種提高馬尾松林固碳能力的林分結構調控方法，包括步驟：
(1)選取樣地，確定樣地林分內單木的樹種名稱，測量得到樣地林分內單木的胸徑和樹高，并采用相鄰網格法記錄單木的位置坐標(X、Y)；
(2)根據步驟(1)中的樹種名稱、胸徑、樹高和位置坐標(X、Y)數(shù)據，計算樣地林分結構指標：樹冠重疊指數(shù)、健康度指數(shù)、混交度、大小比數(shù)、角尺度和徑階分布q值；
根據樹冠重疊指數(shù)、健康度指數(shù)、混交度、大小比數(shù)及其各自對應的權重計算得到采伐決定指數(shù)；
(3)根據樣地林分結構指標及樣地調查因子(郁閉度、林分密度指數(shù))確定林分結構調控方式，調控林分結構，具體包括：
當郁閉度在0.3-0.69或林分密度指數(shù)在1000-1600時，則采用林下補植地帶性闊葉樹種的調控方式；
當郁閉度在0.7-1.0，且林分密度指數(shù)在大于1600小于等于3000時，則采用撫育間伐的調整方式，并依據采伐決定指數(shù)選取間伐對象木；
當采伐決定指數(shù)在0.7-1.0時，即初次確定為間伐對象木，如果同時滿足以下三個條件即最終確定為間伐對象木并伐除，如果以下三個條件中的一個或兩個以上不滿足則放棄伐除該間伐對象木：
條件一：調整后的樣地林分樹種個數(shù)不少于調整前的樣地林分樹種個數(shù)；
條件二：調整后的樣地林分徑階分布q值滿足1.3≤q≤1.7；
條件三：調整后的樣地林分平均角尺度在0.475-0.517。
為了達到更好的發(fā)明效果，進行以下優(yōu)選：
所述采伐決定指數(shù)的計算公式如下：
CIi＝WCW×(1-CWi)+WH×Hi+WM×(1-Mi)+Wu×Ui
式中：CIi為參照樹i的采伐決定指數(shù)；CWi為樹冠重疊指數(shù)；Hi為健康度指數(shù)；Mi為混交度；Ui為大小比數(shù)；Wcw、WH、WM、WU分別是樹冠重疊指數(shù)的權重、健康度指數(shù)的權重、混交度的權重、大小比數(shù)的權重。權重Wcw、WH、WM、WU的確定采用層次分析法(AHP)，本發(fā)明中，Wcw＝0.231，WH＝0.308，WM＝0.187，WU＝0.274。
所述樹冠重疊指數(shù)的計算公式如下：
式中：CWi為參照樹i的樹冠重疊指數(shù)，當相鄰木j的樹冠位于參照樹i的樹冠之上時，Cij＝0；當相鄰木j的樹冠與參照樹i的樹冠平行交叉時，Cij＝0.5；當相鄰木j的樹冠位于參照樹i的樹冠之下時，Cij＝1。
本發(fā)明樹冠重疊指數(shù)，是樹木接受光照與空間利用程度的體現(xiàn)，CWi越大，參照樹樹冠接受光照越充足，占據越明顯的空間優(yōu)勢，光合作用速率快，提高樹木的固碳效率，增加其固碳量。
所述健康度指數(shù)的計算公式如下：
式中：Hi為參照樹i的健康度指數(shù)，當相鄰木j的健康狀況不及參照樹i時，hij＝0；反之，當相鄰木j的健康狀況優(yōu)于參照樹i時，hij＝1。
健康度指數(shù)(Hi)有0、0.25、0.5、0.75、1這5種取值，分別代表其4株鄰近木(即相鄰木)中有0株、1株、2株、3株和4株鄰近木的健康狀況優(yōu)于參照樹i，即表示參照樹i健康狀況的等級依次為優(yōu)、良、中、差、超差。健康度指數(shù)是表征樹木自身競爭優(yōu)勢的體現(xiàn)，健康度指數(shù)越大，對比相鄰木參照樹i的健康狀況越差，競爭中處于劣勢，應作為采伐對象木(即間伐對象木)考慮。
步驟(1)中，最好對樣地中的所有林木進行編號后再測量，便于記錄。
條件一優(yōu)選為：調整后的樣地林分樹種個數(shù)與調整前的樣地林分樹種個數(shù)相同，可以最大限度的保持樣地林分的生物結構。
步驟(2)中，所述的樣地林分結構指標還包括林層比，用于比較調整前后樣地的林層比。最終確定為間伐對象木并伐除時還最好應當滿足：調整后的樣地林分林層比不低于調整前的樣地林分林層比，可以最大限度的保持樣地林分的林層結構。
步驟(3)中，所述的地帶性闊葉樹種可選用木荷、石礫、苦櫧等闊葉樹種中的一種或者多種，具有良好的調控作用。
本發(fā)明中，所述樹種指樹木的種類；林分密度指數(shù)(SDI)表示現(xiàn)實林分的株數(shù)換算到標準平均直徑時所具有的單位面積林木株數(shù)；郁閉度(Pu)指林地中喬木樹冠在陽光直射下在地面的總投影面積(冠幅)與此林地(林分)總面積的比值。
本發(fā)明中，所述混交度、大小比數(shù)、角尺度、林層比、平均混交度、平均大小比數(shù)、平均角尺度、平均林層比、徑階分布q值、林分密度等的計算均采用現(xiàn)有計算方法計算。所述大小比數(shù)的比較指標為胸徑或者樹高。
本發(fā)明具有以下有益效果：
本發(fā)明提出樹冠重疊指數(shù)、健康度指數(shù)兩個空間結構指標。樹冠重疊指數(shù)是光照條件和生長空間的綜合反映，樹冠重疊指數(shù)越大，參照樹接受光照越充足，占據越明顯的空間優(yōu)勢，光合作用速率快，提高樹木的固碳效率，增加其固碳量；健康度指數(shù)是表征樹木自身競爭優(yōu)勢的體現(xiàn)，健康度指數(shù)越大，對比相鄰木參照樹的健康狀況越差，競爭中處于劣勢，應作為采伐對象木考慮。
本發(fā)明采用分層控制的方法，彌補了林分結構的單一調控方法，而且通過補植地帶性樹種可以增加豐富林分混交度、提高樹種的隔離程度，增加林層，增加林分的固碳量。
本發(fā)明構建了采伐決定指數(shù)，簡化了林分結構調控的復雜性，又兼顧到生物多樣性、樹種的競爭態(tài)勢、樹種的分布格局等；通過林分結構調控，提高森林的穩(wěn)定性，調節(jié)樹種內、樹種間的競爭關系，促進地帶性闊葉樹種的生長，進而提高森林的固碳潛力，改變林分內樹種的分布格局，促進松闊混交林向頂級群落的進展演替，提高森林生產力，充分發(fā)揮森林固碳、改善生態(tài)環(huán)境、調節(jié)小氣候等多種效能。
總之，對林分結構的調控不僅能促進建設一個高效率的林地生產系統(tǒng)，又能促進建設一個良性循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)。采用本發(fā)明方法調控后的林分較對照林分單位面積年固碳量提高了10％-25％。因此本發(fā)明具有顯著的經濟效益和生態(tài)效益，應用前景十分廣闊。
具體實施方式
以下結合實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
實施例1
本發(fā)明在浙江省淳安縣千島湖林區(qū)進行了提高馬尾松林固碳能力的林分結構調控方法研究，研究過程如下：
1研究目的
研究馬尾松林在林分結構調控下對固碳量的影響及林分結構優(yōu)化方法確定。
2研究區(qū)概況
研究地點選擇在浙江省淳安縣千島湖林區(qū)，東鄰建德縣，西與安徽省歙縣毗連，118°34′-119°15′，29°22′-29°50′。屬中亞熱帶季風氣候北緣，溫暖溫潤，雨量充沛，四季分明，光照充足，光、溫、水的地域差異明顯。年平均氣溫17℃，≥10℃積溫5410℃，年日照時數(shù)1951h，無霜期約263d，年均降水量1430mm，相對濕度為76％，常年盛行東北風，年均風速2.1m/s。土壤主要類型有紅壤，分布于海拔700m以下，pH值5.5-6.0；黃壤分布于海拔700m以上，pH值5.5左右；巖性土分布于海拔700m以下，pH值7.0以上。研究區(qū)植物資源135科，398屬，634種(含種以下分類等級)。千島湖森林生態(tài)系統(tǒng)主要為暖性針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、針闊混交林、竹林、灌叢、灌草叢等類型。研究區(qū)于2008年在馬尾松林進行了林分結構調控試驗，試驗包括未調控及林分結構調控優(yōu)化撫育間伐2種處理。至2012年調查時，撫育試驗已滿4年，已初步形成了異齡復層針闊混交林。
3樣地調查與數(shù)據處理
3.1樣地設置與調查
2008年9月在研究區(qū)內以擬開展撫育試驗的馬尾松林為研究對象，選取立地條件、地形條件及樹種組成相近的林分，各設置1塊30m×30m標準樣地，對每塊樣地內的胸徑大于5cm的林木進行每木調查(表1)，確定樣地林分內單木的樹種名稱，并采用相鄰網格法(5m×5m)進行坐標定位。
表1樣地狀況
表1中，6松、3木荷、1石櫟表示樣地中馬尾松、木荷和石櫟的蓄積量占比分別為60％、30％、10％。
3.2林分空間結構指標計算
對獲取到的每木檢尺的數(shù)據進行整理，計算林分結構指標包括樹冠重疊指數(shù)、健康度指數(shù)、混交度、大小比數(shù)、角尺度及林層比。其中，大小比數(shù)的比較指標為胸徑。
所述樹冠重疊指數(shù)的計算公式如下：
式中：CWi為參照樹i的樹冠重疊指數(shù)，當相鄰木j的樹冠位于參照樹i的樹冠之上時，Cij＝0；當相鄰木j的樹冠與參照樹i的樹冠平行交叉時，Cij＝0.5；當相鄰木j的樹冠位于參照樹i的樹冠之下時，Cij＝1。
本發(fā)明樹冠重疊指數(shù)，是樹木接受光照與空間利用程度的體現(xiàn)，CWi越大，參照樹樹冠接受光照越充足，占據越明顯的空間優(yōu)勢，光合作用速率快，提高樹木的固碳效率，增加其固碳量。
所述健康度指數(shù)的計算公式如下：
式中：Hi為參照樹i的健康度指數(shù)，當相鄰木j的健康狀況不及參照樹i時，hij＝0；反之，當相鄰木j的健康狀況優(yōu)于參照樹i時，hij＝1。
健康度指數(shù)(Hi)有0、0.25、0.5、0.75、1這5種取值，分別代表其4株鄰近木中有0株、1株、2株、3株和4株鄰近木的健康狀況優(yōu)于參照樹i，即表示參照樹i健康狀況的等級依次為優(yōu)、良、中、差、超差。健康度指數(shù)是表征樹木自身競爭優(yōu)勢的體現(xiàn)，健康度指數(shù)越大，對比相鄰木參照樹i的健康狀況越差，競爭中處于劣勢，應作為采伐對象木考慮。
3.3林分徑階分布q值計算
美國林學家邁耶在1952年發(fā)現(xiàn)，異齡林株樹按徑階的分布可用負指數(shù)分布表示，公式為：
N＝ke-aD
式中：N為林分總株數(shù)；e為自然對數(shù)的底；D為胸徑；a,k為常數(shù)。
Husch把q值與負指數(shù)分布聯(lián)系起來，得到，
q＝eah
式中：q為相鄰徑級株數(shù)之比，即徑階分布；a為負指數(shù)分布的結構常數(shù)；h為徑級距；e為自然對數(shù)的底。q值小，表明立地質量較高，直徑分布曲線比較平坦，徑階范圍較寬，大徑階木占的比例較高；q值大，表明立地質量較差，直徑分布曲線較陡，徑階范圍較窄，小徑階木占的比例較高，德萊奧古認為q值幾乎是個常數(shù)，一般在1.2-1.5。也有研究認為，q值在1.3-1.7。本發(fā)明以q值在1.3-1.7為宜。
3.4林分生物量及固碳量的計算
林分生物量是根據項目組已建立的單木生物量(朱湯軍，沈楚楚，季碧勇等.基于LULUCF溫室氣體清單編制的浙江省杉木林生物量換算因子研究[J].生態(tài)學報，2013，33(13)：3925-3932；沈楚楚，朱湯軍，季碧勇等.浙江省馬尾松林生物量換算因子研究[J].浙江林業(yè)科技，2013，33(3)：39-42.)與林分密度相乘所得，林分生物量與含碳率相乘即得到林分固碳量，而含碳率采用0.5。
4林分結構調控優(yōu)化設計
表2樣地的結構指標
注：平均一行是根據各樹種的株數(shù)加權平均值，階級分布q值只針對樣地林分計算。
根據1號樣地的林分密度指數(shù)與郁閉度，需要通過撫育間伐調整林分結構，提高其固碳能力；
計算1號樣地中所有單木的采伐決定指數(shù)(CIi)：
采伐決定指數(shù)(CIi)的計算公式如下：
CIi＝WCW×(1-CWi)+WH×Hi+WM×(1-Mi)+Wu×Ui
式中：CIi為參照樹i的采伐決定指數(shù)；CWi為樹冠重疊指數(shù)；Hi為健康度指數(shù)；Mi為混交度；Ui為大小比數(shù)；Wcw、WH、WM、WU分別是樹冠重疊指數(shù)的權重、健康度指數(shù)的權重、混交度的權重、大小比數(shù)的權重。權重Wcw、WH、WM、WU的確定采用層次分析法(AHP)，本發(fā)明中，Wcw＝0.231，WH＝0.308，WM＝0.187，WU＝0.274。
CIi在0.7-1.0時處在該范圍的單木有28株，初次確定該28株單木為間伐對象木；
同時比較：調整后的1號樣地林分平均角尺度是否在0.475-0.517；調整后的1號樣地林分樹種個數(shù)是否不少于調整前的1號樣地林分樹種個數(shù)；調整后的1號樣地林分徑階分布q值是否在1.3-1.7；調整后的1號樣地林分林層比是否不低于調整前的1號樣地林分林層比。如果前述4種比較結果均為“是”，則確定伐除該間伐對象木；如果前述4種比較結果中出現(xiàn)一個或者兩個以上的“否”，則放棄伐除該間伐對象木；
經過比較，28株單木(包括馬尾松20株、木荷1株、刺柏2株、黃檀4株、杉木1株)間伐對象木符合條件(即前述4種比較結果均為“是”，且調整后的1號樣地林分樹種個數(shù)與調整前的1號樣地林分樹種個數(shù)相同)，應伐除。
5優(yōu)化效果評價
5.1調整后的林分結構參數(shù)
表3 2008年樣地結構調整后的結構指標
經過4年的自然生長到2012年9月，復查樣地與每木檢尺，統(tǒng)計林分結構指標，見表4。
表4 2012年樣地林分結構指標
5.2調整后4年林分固碳量的變化
根據樣地每木檢尺數(shù)據，利用生物量模型計算樣地的固碳量發(fā)現(xiàn)：經過林分結構優(yōu)化后的1號樣地單位面積固碳量從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％。對比未進行林分結構優(yōu)化的2號對照樣地，2號對照樣地單位面積固碳量只增加了1.87％，平均每年僅增加0.468％。采用本發(fā)明方法調控后的林分較對照林分單位面積年固碳量提高了10.6％?？梢姡景l(fā)明林分結構優(yōu)化調控方法對林分固碳功能提高有明顯積極的促進作用。
本發(fā)明方法中參數(shù)的變化并不影響林分固碳能力的提高，因此本發(fā)明方法中任意參數(shù)的組合均可實現(xiàn)林分固碳能力的提高。在此不再贅述。