青海大通河流域北山林區青杄林經營模式和技術

劉桂英,祁海玉,王得祥

(1.西寧市林業科學研究所,青海 西寧 810003;2.西北農林科技大學,陜西 楊凌 712100)

森林在維持陸地生態圈的穩定及豐富物種多樣性等方面起著重要的作用,是實現可持續發展的重要基礎。森林健康通常指森林生態系統在人為經營和自然演替過程中保持的一種良好狀態,其最終目的是森林可持續經營和管理。因地制宜的制定森林經營目標和措施是實現森林健康的前提,合理的經營方案必然是基于對森林立地條件及生活狀況的全面分析。

青海由于其獨特的地理、地形和環境條件的影響,森林資源極度稀少,一直是世界氣候變化的敏感區和薄弱區,但同時,該地區也是中國乃至亞洲主要的生態安全屏障。青海林木覆蓋面積雖少,但植被種類多樣,其生態系統以及林下植物對該地區水土保持、防風固沙、水源涵養、維護生態系統平衡與穩定等方面發揮著極其重要的生態作用[1]。因此,重視生態建設,加強對森林資源的經營管理,科學選擇經營方式,改善生態環境,提高林分生產力,增強林分穩定性[2]。對維護生態環境具有重要的作用[3]。

青海大通河流域北山林區青杄(Piceawilsonii)天然次生林作為青海和周邊地區生態屏障的重要組成部分,與周邊區域的森林共同構成了大通河流域特殊的綠色王國,具有重要的生態價值[4]。大部分青杄天然次生林屬于原始林和次生林之間的過渡狀態,是受到人為干擾后自然恢復的林分,具有原始林的林分結構特征,樹種組成以青杄為主,有少量的先鋒樹種,例如白樺、紅樺及山楊等。林木空間分布格局以隨機分布和團狀分布為主,林下更新良好。因此,在經營時通過生態撫育等手段將結構不合理的林分逐漸調整為林分結構穩定、生態服務功能完善、林分生產力高的健康森林。本文根據該地區青杄天然次生林的空間和非空間結構特征,并結合生長規律和更新狀況,提出適用于青海大通河流域青杄天然次生林的健康經營技術。

1 北山林區青杄林區概況

北山林區青杄林位于青海省東北部,地理位置介于北緯36°42′～37°06′,東經102°06′～102°43′,最低海拔2 108 m。東西長55.6 km,南北寬45 km,總面積1 127.23 km2。東、東南部與甘肅天?？h古城林場、甘肅連城國家級自然保護區相鄰,北部與門源回族自治縣仙米林區相連。大通河由西北向東南貫穿全林區,流域呈狹長狀,在林區內流域面積948.51 km2。

林區氣候是典型的高原大陸性氣候,總體受青藏高原氣候系統控制,夏季較多地形雨,使林區內部為半濕潤寒溫性氣候。氣溫適中,降水集中,兩季性明顯,輻射強烈,年均溫度4.6 ℃。年降水量465.6 mm,蒸發量1 206.9 mm,平均無霜期為120 d左右,年均日照時數2 541.2 h。林區土壤由高海拔到低海拔依次為高山寒漠土、亞高山草甸土、灰褐土、栗鈣土和新積土,還包含鑲嵌于其他土壤類型之中的石質土和粗骨土以及河流沖積沉淀形成的潮土。林區森林以寒溫性針闊葉林為主,分布海拔2 500～3200 m,受黃土母質以及碳酸鹽風化物的影響,土壤質地多為粉砂質壤土,土壤pH多呈中性、微堿性和強堿性[5-6]。

林區內植被垂直分布明顯,由下而上為山地森林、高寒灌叢、高寒草甸和高山流石坡。全區植被覆蓋率達98%,物種豐富,目前已定名的高等植物有1 209種,屬于115科448屬。林區有藥用植物624種,國家重點保護植物51種,省級重點保護植物57種[7-8]。林區森林以寒溫性針闊葉林為主,下部尚有部分溫性針闊葉林分布,分布海拔2 100～2 700 m,主要類型有油松(Pinustabuliformis)、冬瓜楊(Populuspurdomii)、小葉楊(Populussimonii)和山杏(Prunussibirica)等,其中以前兩者為主,多以純林形式存在。林區灌叢分為高寒灌叢和寒溫性灌叢,高寒灌叢位于林緣上部,上接高寒草甸,海拔一般在3 000～3 800 m,主要建群種有秦嶺小檗(Berberiscircumserrata)、山生柳(Salixoritrepha)、隴蜀杜鵑(Rhododendronprzewalskii)、高山繡線菊(Spiraeaalpina)、剛毛忍冬(Lonicerahispida)、鬼箭錦雞兒(Caraganajubata)和金露梅(Dasiphorafruticosa)等。各類型內部還混有溫性的樹種毛果旱榆(Ulmusglaucescens)、黑彈樹(Celtisbungeana)、青榨槭(Acerdavidii)、刺柏(Juniperusformosana)等。

青杄林為該林區主要建群種,常以青杄純林和混交林分布,在青杄混交林中主要喬木伴生種為山楊(Populusdavidiana)、油松、白樺(Betulaplatyphylla)和紅樺(Betulaalbosinensis),灌木樹種主要有銀露梅(Populusdavidiana)、灰栒子(Pinustabuliformis)和唐古特忍冬(Loniceratangutica)。

2 北山林區青杄林現狀

通過對北山林區青杄純林和混交林群落調查研究發現以下特點:

2.1 青杄是該區域青杄林主要建群種,白樺、紅樺、油松和山楊是共優勢種。青杄種群屬于增長型種群,白樺、紅樺、油松和山楊等均為衰退型種群。該區域青杄林群落幼苗與幼樹存在轉化障礙,幼樹不足和發育不良,其余優勢樹種存在更新障礙。青杄純林中存在龐大更新幼苗庫,但由于大量林木搶占有限林下資源,幼樹難以生長,幼苗到幼樹期存在更新阻礙,林下更新缺少陽性樹種幼苗。林下總體幼苗數量占更新層木本植物數量的96.3%,基本出現于青杄純林中,青杄母樹提供了大量種子來源,但純林中幼樹很少出現,存在更新年齡斷層。

2.2 青杄純林中大徑木處于競爭優勢地位,中徑木競爭中庸,小徑木明顯受擠壓,青杄純林多形成單優群落,整體空間隔離程度極低。在混交林中青杄是該區域青杄林主要建群種,普遍存在大徑木偏多的情況,伴生樹種直徑結構不合理,中小徑木占比偏低,都呈衰退趨勢?；旖涣种杏捎诹址种星鄸e占絕對優勢地位,占據了大部分光照、水熱、養分等資源,林分郁閉度極大,不利于闊葉喜光樹種的生存,白樺種群和山楊種群都為團狀分布,在群落中處于競爭弱勢地位,且明顯處于受擠壓狀態,生長狀態不佳,胸徑都較小。白樺種群和山楊種群的隨機木中多為劣勢、絕對劣勢木。

2.3 青杄林生長緩慢,受海拔、降水、溫度和季節影響較大,低海拔地區青杄的徑向生長更容易受到上一年水分和溫度的限制,氣候因子對青杄徑向生長的影響具有滯后性。

3 北山林區青杄林經營模式選擇

森林經營的目標是將林分調整為能夠最大限度滿足人類需要且健康穩定的高質量天然林。我們要將結構不合理的林分,通過生態撫育等手段,逐漸調整為林分結構穩定、生態服務功能完善、林分生產力高的健康森林。對于非生態敏感區且地勢平緩的林地,人們期望其在生物多樣性保護,生物量固碳等方面起到積極作用。而對于生長在生態敏感區、陡坡的林地,由于立地條件差、水土流失嚴重、土層薄等因素,其經營目的與平坡地區的林地不同,而是希望森林能夠具有水土保持、水源涵養、防風固沙等生態功能。

3.1 青杄林分優化的目標結構

基于青海大通河流域森林資源的生態重要性,制定基于水源涵養、多樣性保護功能為主導作用,多種功能有效發揮的森林健康經營決策,能夠有效實現青海大通河流域北山林區森林資源的可持續經營與管理,并推動青杄林林分質量提升,實現北山林區森林系統的穩定、生態系統功能的發揮和可持續發展[9-10]。以大通河流域北山林區主要林分類型青杄林為對象,結合其群落特征及功能特性,確定目標結構體系。以期有效提升北山林區青杄林健康狀況,在尊重森林演替規律的前提下,人為促進青杄林的正向演替,使林分結構穩定,自我調節及恢復能力強,生物多樣性高,防災避害能力強,生態功能達到最大,水源涵養、水土保持、空氣凈化等功能得到合理配置。本研究區內的青杄林是人為干擾后自然恢復的天然次生林,經過長期保護,生態功能逐漸恢復,從各林分的空間結構特征看,本研究區青杄林符合天然異齡林的林分特征規律,僅需輕度經營就能進一步優化林分結構。

3.2 青杄林分經營模式選擇

青海大通河流域青杄天然次生林位于高度生態敏感地帶,因此根據不同坡度下青杄林的分布狀況,將森林的經營類型分為以下四種。如此劃分的目的是減少模糊的經營策略造成對青杄林的破壞,降低對陡坡地區青杄林的干擾,讓森林水土保持、水源涵養等生態功能效益得以顯著提升。而對于一些坡度較緩的地區,可以調節青杄林分內部樹木的生長優勢度,通過人工補植和封育相結合,提高林分郁閉度,維護林分健康穩定,促進森林正向演替過程,使森林的結構趨于合理。本研究區青杄純林接近零度混交,即林分中鮮有其他樹種存在,青杄純林多形成單優群落。青杄混交林中針闊比大致為7∶3,符合林分經營目標結構的樹種組成比例要求[11]。

3.2.1青杄林擇伐促進更新經營模式:對于陡坡地帶,該區域青杄林分以水土保持、水源涵養、保護自然植被為目的,進行適當撫育間伐,促進林分健康發展。

3.2.2青杄林低強度擇伐經營模式:對于中坡地帶,該地帶青杄林的主要經營目的以自然恢復為主,可通過疏伐和封育相結合,促進演替層的生長發育,提高林分郁閉度,維護林分的健康穩定,提高林分的多樣性,可進行輕度經營。

3.2.3人工優化青杄林分布格局經營模式:對平坡地帶,可以根據青杄林分類型采取相應的經營措施,通過人工種植的方法進行青杄的補植,改變現有林分的樹種組成,引導林分逐漸形成以青杄為建群種的混交林,以提高森林質量并發揮其生產功能為目標。

3.2.4青杄林下更新促進:對青杄純林中存在龐大更新幼苗庫,但由于大量林木搶占有限林下資源,幼樹難以生長。目前林區林齡多為中幼齡林和成熟林,按照促進森林天然更新經營理念,根據林分和林齡具體情況選擇和確定撫育方式。

4 北山林區青杄林健康經營技術措施

通過分析青杄林林地群落分布特征、養分特征、生長特征、空間結構特征,針對青杄林類型、功能分類及林分狀況,因地制宜地將青杄林分健康經營類型劃分青杄林擇伐促進更新經營模式、青杄林低強度擇伐經營模式、人工優化青杄林分布格局經營模式和林下更新促進4種經營類型。使青杄林分質量和林地生產力有明顯的提高,讓森林的經濟效益和生態效益得到明顯提升,培育健康穩定的森林生態系統,形成結構合理、功能完善的森林生態系統,最大限度發揮青杄林生態功能[12-14]。

4.1 青杄林擇伐促進更新經營模式

在北山林區的陡坡地帶,青杄以中小徑級分布為主,胸徑≤25 cm比例超過70%時,這一階段林分以中、幼齡林為主。根據青杄胸徑生長規律,這一階段青杄正處于速生期,為了實現青杄的速生豐產,應適當進行撫育間伐,調整林分組成,提高林分質量、增強林分抗性,減少樹種對水肥和光照等因子的競爭。主要在結構單一或林分郁閉度過高的情況下對干擾樹進行撫育間伐,保留生長健康、長勢良好的青杄和主要伴生種的中、大徑級林木,伐除受病蟲害干擾、長勢差的林木。圍繞青杄作為頂級樹種進行培育,優先采伐緊密分布在青杄四周的林木,優先采伐對青杄構成競爭的林木,優先采伐擠壓青杄生長空間的林木。采取保護措施確保青杄林分的天然更新能力,例如人工創造林窗林隙,改善光照條件促進天然更新,同時清理林窗林隙中的地表覆蓋物,以激活土壤中的種子庫。以期引導林分逐步形成以青杄為建群種、具有良好的更新恢復能力、多樹種混交的異齡復層林,促進林分健康發展。

4.2 青杄林低強度擇伐經營模式

在北山林區的中坡地帶,青杄林分中胸徑≥25 cm的林木占1/3以上時,這一階段林分以中齡林為主,根據青杄材積生長規律,青杄在80 a時材積連年生長量仍保持快速生長趨勢,尚未達到生長高峰,并且與連年生長量仍未相交,尚未達到數量成熟齡,因此仍需要對林分進行適當疏伐,通過疏伐促進演替層的生長發育,使林分向高生產、高品質的結構發展,維持材積高增長速率。首先針對林分中的大樹(DBH≥26 cm)進行均勻性調節,伐除團聚分布的非目標樹種,并伐除生長不良、沒有培育前途、有病蟲害的劣質林木,同時進行青杄林分分布格局、優勢度、密集度及混交度調節。5年后進行林分成層性調節,人工促進天然更新,增加林分的成層性,每年進行2次,連續實施3年;間隔10至15年后,開展幼樹開敞度調節,并進行地力維護;經歷20至25年的生長后,進入單株經營階段,調節單木微環境,主要進行點格局調整、混交度調整、密集度調整和青杄優勢度調整;再經歷20至25年進行第二次單木經營;20年后有望達到健康穩定、優質高效的復層異齡林。

4.3 人工優化青杄林分布格局經營模式

在北山林區的平坡地帶,該地區的土壤厚度、持水能力和保肥能力較優越,能夠為樹木生長提供更好的條件,并且平坡林分有輕微團狀分布現象,主要是由于小徑木的聚集分布,可進行擁擠度調整?；旖涣种?青杄白樺混交林和青杄山楊混交林中的青杄種群都呈均勻分布格局,白樺種群和山楊種群都呈團狀分布格局,需要進行分布格局優化;青杄紅樺混交林整體結構良好,可適當減小青杄的競爭壓力,可通過人工種植的方法進行青杄的補植,使補植林木的最近4株呈隨機分布,改變現有林分的樹種組成,調整林分整體分布為正態分布,引導林分逐漸形成以青杄為建群種的混交林;純林接近零度混交,尊重其天然次生狀態,不加以混交度的調整?；旖涣种幸葬橀煴?∶3為經營目標進行調整,在混交林林窗中適當補植伴生樹種,補植時注意相鄰木狀態,使林分在同一樹種組成下混交度最大化。

4.4 青杄林下更新促進途徑

4.4.1 人工撫育促進天然更新

(1)青杄疏林地、林間空地人工促進天然更新

依據《林地分類》[15],附著有喬木樹種,連續面積大于0.067 hm2、郁閉度在0.10～0.19之間的林地為疏林地,林分結構和穩定性失調,經濟效益低下。調查發現,該地區存在部分疏林地,光照條件充足且林木稀疏,無法為青杄幼苗生長提供良好生長環境,采取適當人工輔助措施有助于林下天然更新。

主要技術措施:及時伐除枯死木和瀕死木;保存下來的母樹采取擴穴松土等措施,促進結實;在灌草生長旺盛的地方割除灌草;在種子產量較高年份的夏末或秋季進行挖魚鱗坑、條塊狀坑或塊狀松土等整地措施;對林木稀疏的混交林,根據混交林類型進行見縫插針式補植闊葉樹種幼苗幼樹;封山育林、嚴禁放牧、摟取松針等活動。

(2)大密度和中幼齡青杄林天然更新促進

研究發現,青杄純林中,林分密度對幼樹更新具有顯著阻礙。低海拔區域青杄中幼齡林中,進行適當人工撫育調整林分郁閉度,疏密度,有利于幼樹生長。同時,作為森林后備資源的中幼齡林,若不及時進行撫育管理會很容易形成低質低效林,不僅影響未來種子質量,較差林分也不利于林下更新生長發育。

主要技術措施:北山林區為重點生態公益林,青杄樹種亦為當地重點保護樹種。公益林撫育經營的重要前提為保護好原生植物群落結構,因此要限制重點保護地區的生態公益林撫育活動,對于一般保護的生態公益林撫育主要采取定株撫育、生態疏伐和衛生伐等方式,伐除生長彎曲、有病蟲害、沒有培育前途、影響目的樹種和幼苗幼樹更新的干擾樹種,保留樹干通直、生長健康林木,營造健康林分,提高群落的穩定性,為幼苗幼樹提供健康的生長環境。

(3)制造林窗創造更新環境

該林區林木處于中幼齡林或近成熟林,因生理衰老死亡而形成林窗的可能性較低,在不使該森林生態系統出現劇烈的非平衡性變化的前提下,小程度人為干擾可促進林下更新。

主要技術措施:在結實多、生長健壯的母樹周圍,伐除影響母樹生長且生長狀況差的樹種創造林窗。林窗大小、位置和林緣、林隙的控制仍需進一步研究確定。對于無法采伐的林分,通過割除灌木層方法形成林窗。本研究中,除幼苗密度外,其他更新指標均與速效磷存在負相關關系。形成林窗后光照增加,由于土壤中動物和微生物活動加強,土壤堿性得到改善,同時林窗土壤中碳氮磷等營養物質加速分解和轉化,釋放出更多的速效養分,有利于林木及天然更新的生長和繁殖。

(4)林下灌草及凋落物清理

由于青海氣候及青杄自身生物學特性等因素的限制,林區內凋落物很難分解。調查中發現,林下過厚凋落物層產生一定程度霉變,種子或幼苗受到真菌微生物感染可造成發霉或幼葉脫落等現象,對天然更新具有阻礙作用。

主要技術措施:在種子雨高峰前期,對群落內較厚層凋落物進行及時清理,保證種子與土壤接觸,增加發芽率;在幼苗發育階段對枯落物進行清理時,要注意避免對幼苗造成破壞;在灌木和雜草生長旺盛、生長密集且嚴重壓制目的樹種或幼苗幼樹生長的林分中,間密留勻、留優去劣,割除多余的灌木、藤本或雜草。

4.4.2 其他建議措施

(1)種子和幼苗質量提升

調查區域中,幼苗與幼樹的更新障礙一部分原因可能是種子或幼苗品質不佳,在漫長的越冬過程中損耗率較大。

主要技術措施:通過采伐、修枝、施肥、除朽、防蟲、防火等營林技術措施,來改善母樹的營養條件和生存條件,進而提升林分中種子和萌發幼苗的整體品質;通過疏伐等措施使林下幼苗及幼樹得到足夠的光照空間,促進其生長,增加光溫促使林下種子盡早萌發以及在生長季結束前幼苗盡可能積累更多的營養物質,保證幼苗順利越冬。

(2)病蟲害預防與治理

植物病蟲害防治也是促進林下天然更新的重要關鍵環節。林業病蟲害繁殖速度強、蔓延速度快,且青海省氣候寒冷,其病蟲害的危害周期一般較長,對種子萌發及幼苗幼樹生長產生不利的影響。同時森林中的病腐木是細菌和病蟲害生殖繁衍的場所。

主要技術措施:采用生物防治、物理防治等綜合管理措施,生物防治主要為微生物防治與益鳥防治,可采用目前國際上研究較多的芽孢桿菌、放射性農桿菌、熒光假單孢桿菌等生防微生物進行生物防治;物理防治中,采用人工捕殺、選擇隔離法及誘殺法;做好監測工作,采取森林病腐木防治常態化,將清理后的病腐木按照防疫標準統一焚燒處理,消除隱患。

(3)圍欄禁牧,提高幼苗幼樹保存率

實際調查中發現林區內多人為干擾,尤其在藥水溝和夏樂窩的平坡林中,林地內存在伐樁以及生火痕跡,且牲畜糞便和足蹄印較多,林區放牧使得林內萌蘗與根系遭到很大程度的踩踏和啃食,幼苗幼樹成活率和數量顯著下降,林牧矛盾可能也是造成一部分林區更新潛力不足的重要原因。

主要技術措施:要加強林區群眾對促進林區內受保護樹種更新認知以及對林業政策和法律法規的教育與宣傳,要切實認識到維護森林生態系統平衡對林業、農業、牧業以及切身利益的重要性及相互關系,教育與處罰并濟。同時確定好封山育林區域,明確放牧區域,分區輪牧,劃分輪放周期和頻率。

(4)嚴防林火,未雨綢繆

全面啟動天然林保護工程以來,保護森林、改善環境成為林業工作的主流。大通河流域深居內陸,氣候干燥少雨,火源復雜,人為干擾大,是林火發生的重點區。青杄對火災的抵抗力較弱,因其整枝不良,枝椏離地面近,發生火災后很易發展成樹冠火,而且由于樹皮等部位不耐火燒又無萌芽能力,一次火災就全林毀滅。因此,在青杄林的經營過程中,需要加強防火意識,并采取相應的措施來保護青杄。

主要技術措施:研究得到大通河流域林火發生驅動因子和基于季節火險區劃圖,對于該地區科學林火管理具有重要意義;積極采用衛星監測、視頻監控調度、生態管護員巡查等全方位、立體化加強監測預警,切實做到網格化巡護、點位化值守、重點區守護,提高監測范圍和時效;對于大通河流域春季,應該加強防火宣傳和人為活動管控,減少火源出現概率;積極采取線上線下相結合,人宣、物宣相結合的方式,加大森林草原防火政策法規、正反典型案例、文明祭祀和火災撲救技能的宣傳教育。