羅 佳，張 波，張 珉，顏 貝，肖童覺(jué)，林 峰，吳周旭，王景弟

(1.湖南省林業(yè)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410004；2.湖南省澧縣林權(quán)管理服務(wù)中心，湖南 常德415500；3.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙410004；4.湖南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，湖南 長(zhǎng)沙410014；5.張家界市林業(yè)局，湖南 張家界 427000)

天然林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)中最穩(wěn)定的群落，其生態(tài)功能最完備；同時(shí)，其生物多樣性也最為豐富，具有其他生態(tài)系統(tǒng)不具備的功能和優(yōu)勢(shì)。天然林生態(tài)系統(tǒng)對(duì)維護(hù)國(guó)土安全具有重要作用，是天然的生態(tài)屏障[1]。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，由于人們對(duì)木材等資源的需求和消耗過(guò)大，導(dǎo)致一些天然林遭到嚴(yán)重破壞，致使生態(tài)環(huán)境惡化。為了進(jìn)一步保護(hù)生態(tài)環(huán)境，保護(hù)最精華的森林資源，黨中央、國(guó)務(wù)院實(shí)時(shí)啟動(dòng)并實(shí)施了天然林保護(hù)工程(以下簡(jiǎn)稱天保工程)[2]。該工程采取的主要措施有禁伐和大幅減少對(duì)天然林商品木材的使用，通過(guò)對(duì)天然林的封育使其生態(tài)功能逐步恢復(fù)；同時(shí)，對(duì)天然林林區(qū)的工人進(jìn)行合理安置。這對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境和提升森林服務(wù)功能具有重要意義[3]。天保工程的實(shí)施效果顯著，給工程區(qū)資源、生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展帶來(lái)了全方位的變化，為發(fā)展現(xiàn)代林業(yè)，建設(shè)生態(tài)文明，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。

大樣地監(jiān)測(cè)方法是對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期固定監(jiān)測(cè)的有效方法，有效地克服了一般樣地監(jiān)測(cè)方法在森林群落動(dòng)態(tài)與生物多樣性研究等方面的不足，日漸成為研究長(zhǎng)期生態(tài)過(guò)程與森林生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的有效方法[4-5]。近年來(lái)，對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)與全球氣候變化、生物多樣性維持機(jī)制、森林群落長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)氣候變化等方面的研究越來(lái)越關(guān)注[6]，大樣地監(jiān)測(cè)方法在森林生態(tài)學(xué)研究中的應(yīng)用越來(lái)越多，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，已成為森林生態(tài)學(xué)研究的重要方法[7-10]。圍繞天然林大樣地的研究多為林分結(jié)構(gòu)變化[11]、空間和種群變化[12-13]、生物多樣性與生態(tài)服務(wù)功能[14]等方面的研究。湖南省天保工程所帶來(lái)的生態(tài)效益如何，尚未有詳實(shí)的數(shù)據(jù)。因此，亟需建立湖南省天然林生態(tài)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和方法，監(jiān)測(cè)現(xiàn)有天然林“水土氣生”現(xiàn)狀，獲取林分結(jié)構(gòu)和生態(tài)參數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為此，本研究以青羊湖國(guó)有林場(chǎng)天然林為研究對(duì)象，設(shè)置了6hm2的天然林大樣地，分析其森林結(jié)構(gòu)特征和空間結(jié)構(gòu)差異，為今后森林生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能評(píng)估提供參考。

1 研究區(qū)概況

湖南省青羊湖國(guó)有林場(chǎng)位于湖南省寧鄉(xiāng)市西部黃材鎮(zhèn)，與桃江、安化兩縣交界，地處111°58′00″—112°05′00″E，28°12′00″—28°10′20″N，海拔166.0～927.4m，總面積1083.9hm2。該林場(chǎng)地處寧鄉(xiāng)市主要山系——雪峰山余脈，為中低山向丘陵的過(guò)渡地帶。該林場(chǎng)所在地區(qū)屬中亞熱帶向北亞熱帶過(guò)渡的大陸季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，水熱充足，冬冷期短，夏熱期長(zhǎng)；年平均氣溫16.2℃，年平均日照1737.6h；平均降雨量1438.8mm，相對(duì)濕度85%，無(wú)霜期259～273d。林場(chǎng)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成土母質(zhì)多樣，主要為第三紀(jì)砂(礫)巖風(fēng)化物、花崗巖風(fēng)化物、石灰?guī)r風(fēng)化物、板巖風(fēng)化物及第四紀(jì)紅色粘土風(fēng)化物，分別占成土母質(zhì)的32.2%、23.1%、18.5%和18.2%(包括板巖風(fēng)化物與第四紀(jì)紅色粘土風(fēng)化物)。土壤以黃壤和紅壤為主，其中低山丘陵地區(qū)多為紅壤，紅壤的養(yǎng)分較缺，普遍缺磷；海拔較高的山地多為黃壤，黃壤的有機(jī)質(zhì)含量低，土壤呈酸性，含鉀較豐富。青羊湖(原黃材水庫(kù))的河漫灘分布有少量潮土，潮土的土層厚度40～100cm，腐質(zhì)層厚度18～28cm，土壤肥力較高。根據(jù)《湖南植被》的植被分區(qū)系統(tǒng)，青羊湖國(guó)有林場(chǎng)植被區(qū)屬于“中亞熱帶常綠闊葉林北部亞地帶(A)—湘中、湘東山丘盆地馬尾松(Pinusmassoniana)林、黃山松(Pinushwangshanensis)林、毛竹(Phyllostachysedulis)林、油茶(Camelliaoleifera)林及農(nóng)田植被區(qū)(AⅡ)—長(zhǎng)、潭、株山地丘陵植被小區(qū)(AⅡ-4)”，其植被類型主要有常綠闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、針葉林、針闊混交林、竹林等。該林場(chǎng)內(nèi)生長(zhǎng)有維管植物152科、639屬、1056種，主要優(yōu)勢(shì)種有杉木(Cunninghamialanceolata)、馬尾松、鵝掌楸(Liriodendronchinense)、青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)等，分布有國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)植物22種。林場(chǎng)空氣質(zhì)量達(dá)到了《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[15]規(guī)定的I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，地表水達(dá)到了《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[16]的II類水標(biāo)準(zhǔn)和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[17]的標(biāo)準(zhǔn)。

2 研究方法

2.1 天然林大樣地設(shè)置

大樣地一般都設(shè)置在原始森林或成熟的天然次生林中，通常設(shè)置在當(dāng)?shù)厝郝渥钔暾?、生物多樣性最高和保護(hù)最好的森林中。同時(shí)，大樣地設(shè)置時(shí)林分的選擇還要滿足可比性、群落的完整性等條件。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《森林生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位觀測(cè)方法》[18]中樣地設(shè)置對(duì)林分的要求和天然林植被類型現(xiàn)狀，選擇在青羊湖國(guó)有林場(chǎng)天然林中設(shè)置6hm2的大樣地，形狀為長(zhǎng)方形(300m×200m)，并在遙感影像圖上布設(shè)定位。大樣地設(shè)置主要包括樣地設(shè)置體系、樣地設(shè)置步驟、林木定位與標(biāo)識(shí)等。

2.1.1 樣地設(shè)置體系

采用網(wǎng)格(絡(luò))法區(qū)劃分割，區(qū)劃單位的長(zhǎng)度有25 、20 、10 、5m。首先將6hm2(200m×300m)的大樣地分成6個(gè)1hm2的大樣地，每個(gè)1hm2的大樣地再分成25個(gè)20m×20m的小樣地，每個(gè)20 m×20 m的小樣地繼續(xù)分成16個(gè)5m×5 m的樣方。使用行列數(shù)進(jìn)行編號(hào)，行號(hào)從南到北編寫(xiě)，列號(hào)從西到東編寫(xiě)；5 m×5 m的樣方以坐標(biāo)系統(tǒng)命名為(1.1)、(1.2)、(1.3)、(1.4)等。

2.1.2 樣地設(shè)置步驟

樣地設(shè)置按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《森林生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位觀測(cè)方法》[18]規(guī)定的步驟進(jìn)行設(shè)置。

2.1.3 林木定位與標(biāo)識(shí)

對(duì)樣地內(nèi)胸徑≥3.0 cm的喬木植物分別進(jìn)行定位。采用極坐標(biāo)法，在20 m×20 m的小樣地內(nèi)用羅盤(pán)儀與皮尺相結(jié)合的方法對(duì)林木進(jìn)行準(zhǔn)確定位。用林木標(biāo)識(shí)牌對(duì)所定位的每株林木進(jìn)行編號(hào)并標(biāo)識(shí)。林木編號(hào)以20 m×20 m的小樣地為單位，對(duì)每個(gè)小樣地內(nèi)的林木編號(hào)，編號(hào)用8位數(shù)字表示，其中前4位代表小樣地的編號(hào)，后4位代表小樣地內(nèi)林木的編號(hào)。

2.2 天然林大樣地監(jiān)測(cè)

2.2.1 大樣地基本情況調(diào)查

首先調(diào)查樣地的基本情況，調(diào)查內(nèi)容主要包括植物群落名稱、郁閉度、地貌地形、水分狀況、人類活動(dòng)等；再按樣地順序調(diào)查樣地內(nèi)森林群落結(jié)構(gòu)。

2.2.2 天然林大樣地定位觀測(cè)

對(duì)天然林固定大樣地進(jìn)行長(zhǎng)期定位觀測(cè)。主要觀測(cè)其喬木層、灌木層、草本層和層間植物變化；并對(duì)群落中所有喬木樹(shù)種的胸徑、樹(shù)高、冠幅、郁閉度、密度等的變化均進(jìn)行觀測(cè)。具體觀測(cè)方法參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《森林生態(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期定位觀測(cè)方法》[18]。

2.3 生物量與固碳量測(cè)算

根據(jù)胸徑、樹(shù)高數(shù)據(jù)查得各樹(shù)種相應(yīng)的二元立木材積表，計(jì)算單株材積，然后再計(jì)算大樣地的木材蓄積量，并根據(jù)蓄積量與生物量的關(guān)系，計(jì)算單位面積的生物量。生物量計(jì)算公式如下。

B=aV+b

(1)

式中：B為單位面積生物量(t·hm-2a-1)；V為單位面積蓄積量(m3·hm-2a-1)；a、b為常數(shù)[19]。

固碳量包括植被和土壤固碳，采用如下公式計(jì)算[20]。

G植被固碳=1.63R碳×A×B年

(2)

G土壤固碳=A×F土壤碳

(3)

G固碳=G植被固碳+G土壤固碳

(4)

式中：G固碳為林分生態(tài)系統(tǒng)年固碳量(t·a-1)；G植被固碳為林分年固碳量(t·a-1)；G土壤固碳為林分對(duì)應(yīng)的土壤年固碳量(t·a-1)；B年為實(shí)測(cè)林分凈生產(chǎn)力(t·hm-2a-1)；F土壤碳為單位面積林分土壤年固碳量(t·hm-2a-1)；R碳為二氧化碳中碳的含量，為 27.27%；A為林分面積(hm2)。

3 結(jié)果與分析

3.1 大樣地設(shè)置與林木標(biāo)識(shí)

將面積為6 hm2的大樣地分為6個(gè)面積為1hm2的大樣地，分別記為A、B、C、D、E、F；在每個(gè)1 hm2的大樣地內(nèi)分別設(shè)置25個(gè)小樣格，每個(gè)小樣格為400 m2，標(biāo)記為A01、A02、A03、A04……A25；B01、B02、B03、B04……B25；C01、C02、C03、C04……C25；D01、D02、D03、D04……D25；E01、E02、E03、E04……E25；F01、F02、F03、F04……F25，共計(jì)150個(gè)小樣格。在每個(gè)小樣格的四周打樁，并測(cè)定每個(gè)小樣格的經(jīng)緯度，對(duì)小樣格內(nèi)的所有林木進(jìn)行定位，標(biāo)記經(jīng)緯度。林木定位結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 天然林大樣地林木定位坐標(biāo)點(diǎn)Fig.1 Forest positioning coordinate points of natural forest plot

3.2 大樣地內(nèi)喬木層的林木生長(zhǎng)量

青羊湖國(guó)有林場(chǎng)面積為1 hm2的各大樣地喬木層的林木生長(zhǎng)性狀平均觀測(cè)值見(jiàn)表1。從表1可知：面積為1 hm2的各大樣地的平均樹(shù)高在6.47～8.32 m之間，B樣地的最大，D樣地的最小；胸徑在6.87～11.00 cm之間，F(xiàn)樣地的最大，D樣地的最小。枝下高在2.93～3.88 m之間，冠幅在1.33～2.32 m之間。6個(gè)面積為1 hm2的大樣地的喬木平均樹(shù)高為7.71 m，平均胸徑為9.69 cm，平均枝下高為3.46 m，平均冠幅為1.97 m，東西平均冠幅(2.00 m)大于南北平均冠幅(1.94 m)。表1結(jié)果顯示，各生長(zhǎng)指標(biāo)在樣地間的差異顯著(P<0.05)。

表1 各大樣地喬木層的林木生長(zhǎng)性狀平均觀測(cè)值Tab.1 Average observations of tree growth traits in tree layers of various sample plots樣地編號(hào)樹(shù)高/m胸徑/cm枝下高/m冠幅/m東西南北平均A7.05±0.52 a 8.98±0.45 a3.07±0.27 a1.77±0.251.75±0.141.76±0.01 aB8.32±0.63 ab10.90±0.56 b3.61±0.34 b2.24±0.142.17±0.182.21±0.04 bC8.31±0.58 b10.76±0.58 b3.88±0.35 c2.25±0.252.17±0.252.21±0.04 bD6.47±0.46 c 6.87±0.47 d2.93±0.33 d1.32±0.131.34±0.191.33±0.01 dE7.80±0.52 ac 9.64±0.65 ab3.65±0.28 ac2.04±0.241.96±0.222.00±0.04 abF8.30±0.58 d11.00±0.74 ac3.59±0.24 ab2.35±0.242.23±0.272.32±0.06 ac均值7.71±0.71 9.69±1.463.46±0.342.00±0.361.94±0.311.97±0.03 注:同列不同小寫(xiě)字母表示差異顯著( P<0.05)。

3.3 大樣地內(nèi)不同樹(shù)種生長(zhǎng)量比較

在每1個(gè)面積為1 hm2的大樣地內(nèi)隨機(jī)選擇3個(gè)小樣格，對(duì)小樣格內(nèi)的喬木樹(shù)種進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算得到不同樹(shù)種的樹(shù)高、胸徑、枝下高和冠幅等的平均觀測(cè)值，結(jié)果見(jiàn)圖2～5。由圖2可知：樹(shù)高排前3名的樹(shù)種是楓香(Liquidambarformosana)、濕地松(Pinuselliottii)、褐毛杜英(Elaeocarpusduclouxii)，其樹(shù)高分別為16.5、16.0、13.0 m；樹(shù)高排最后3名的樹(shù)種是厚皮香(Ternstroemiagymnanthera)、南燭(Vacciniumbracteatum)和杜鵑(Rhododendronsimsii)，其樹(shù)高均在3.0 m以下。其他樹(shù)種的樹(shù)高均在3.0～12.0 m之間。

圖2 天然林大樣地不同樹(shù)種樹(shù)高平均觀測(cè)值Fig.2 Average observed values of height of different tree species in natural forest plot

圖3顯示：胸徑排前3名的樹(shù)種是濕地松、楓香、雷公鵝耳櫪(Carpinusviminea)，其胸徑分別為31.60、30.45、21.88 cm；胸徑排最后3名的樹(shù)種是南燭、白花苦燈籠(Tarennamollissima)和滿山紅(Rhododendronmariesii)，其胸徑均在2.00 cm以下。其他樹(shù)種的胸徑均在2.15～19.30 cm之間。

圖3 天然林大樣地不同樹(shù)種胸徑平均觀測(cè)值Fig.3 Average observed values of DBH of different tree species in natural forest plot

圖4顯示：枝下高排前3名的樹(shù)種是楓香、雷公鵝耳櫪、杉木，其枝下高分別為9.50、8.00、5.92 m；枝下高排最后3名的樹(shù)種是尖連蕊茶(Camelliacuspidata)、南燭和飛蛾槭(Aceroblongum)，其枝下高均在1.00 m以下。其他樹(shù)種的枝下高均在1.15～5.50 m之間。

圖4 天然林大樣地不同樹(shù)種枝下高平均觀測(cè)值Fig.4 Average observed values of under branch height of different tree species in nature forest plot

圖5顯示：冠幅排前3名的樹(shù)種是楓香、香樟(Cinnamomumcamphora)、濕地松，其冠幅分別為4.88、4.88、4.00 m；冠幅排最后3名的樹(shù)種是滿山紅、白花苦燈籠和飛蛾槭，其冠幅均在1.00m以下。其他樹(shù)種的冠幅均在1.00～3.50 m之間。

3.4 生物量與固碳量

共調(diào)查和標(biāo)記林木18496株，涉及楓香、雷公鵝耳櫪、杉木、馬尾松等多個(gè)樹(shù)種。依據(jù)樹(shù)高、胸徑和材積之間的關(guān)系計(jì)算，得出6 hm2的大樣地內(nèi)木材總蓄積量為309.50 m3，單位面積木材蓄積量為51.58m3·hm-2，再通過(guò)生物量轉(zhuǎn)換因子計(jì)算公式計(jì)算得出6 hm2大樣地內(nèi)總生物量為447.36 t。同時(shí)，根據(jù)固碳計(jì)算公式得到總固碳量為19.05 t·a-1(包含1.50 t·a-1的土壤碳)，單位面積固碳量為3.18 t·hm-2a-1。

4 結(jié)論與討論

(1)在湖南省青羊湖國(guó)有林場(chǎng)開(kāi)展了6 hm2的天然林大樣地建設(shè)及監(jiān)測(cè)工作，共定位、標(biāo)記調(diào)查林木18496株。

(2)6 hm2大樣地內(nèi)的喬木平均樹(shù)高為7.71m，平均胸徑為9.69 cm，平均枝下高為3.46m，平均冠幅為1.97 m，平均東西冠幅大于平均南北冠幅。這一結(jié)果低于第九次森林資源清查期全國(guó)天然林的平均樹(shù)高(11.20 m)和平均胸徑(13.9 cm)[21]。這是因?yàn)樗O(jiān)測(cè)的天然林正處于中幼林階段，其樹(shù)高和胸徑相對(duì)較小。6 hm2的大樣地內(nèi)樹(shù)高排前3名的樹(shù)種是楓香、濕地松和褐毛杜英，胸徑排前3名的樹(shù)種是濕地松、楓香和雷公鵝耳櫪，冠幅排前3名的樹(shù)種是楓香、香樟和濕地松。

(3)青羊湖國(guó)有林場(chǎng)6 hm2大樣地內(nèi)的木材蓄積量為309.50 m3，單位面積木材蓄積量為51.58 m3·hm-2。這一結(jié)果高于第九次森林資源清查期湖南省的結(jié)果(單位面積木材蓄積量為50.96 m3·hm-2)。

(4)青羊湖國(guó)有林場(chǎng)6 hm2大樣地的年固碳量為19.05 t(包含1.50 t的土壤碳)，單位面積固碳量為3.18 t·hm-2a-1。這一結(jié)果也高于第九次森林資源清查期得出的湖南省森林生態(tài)系統(tǒng)單位面積固碳量(1.84 t·hm-2a-1)[22]。這說(shuō)明該地區(qū)天然林的固碳能力高于全省森林的平均固碳能力，這是因?yàn)榍嘌蚝烊涣侄酁橹杏琢?，其生長(zhǎng)快，生長(zhǎng)量大。

(5)研究結(jié)果可為今后開(kāi)展全省天然林生態(tài)效益監(jiān)測(cè)與評(píng)估提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)支持。