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格雷厄姆,R. T.和T. B.杰恩,1998。造林在管理北方森林中的作用。保护生态(在线)2(2): 8。可从互联网上获得。URL: http://www.consecol.org/vol2/iss2/art8/

洞察力,部分特别功能上北方地区的可持续性和恢复力

造林在管理北方森林中的作用

拉塞尔·t·格雷厄姆而且特蕾莎b . Jain

美国农业部林务局,落基山研究站




摘要

北方森林通常未得到开发,是许多国家的主要原料来源。它们在范围上是绕极的,在某些地区占据了宽度达1000公里的带。针叶树和硬木种类从真冷杉到杨树都生长在针叶林中。这些树种表现出广泛的耐阴性和生长特性,并占据不同的演替位置。气候是亚北极,生长季节短,土壤浅。森林大火和木材采伐都对形成针叶林的结构和组成起着重要作用。不均匀树龄和均匀树龄造林系统都可用于生产商业收获,但也可以设计这些系统以满足各种其他森林管理目标。野生动物栖息地的维护、水的生产或保护以及减少火灾危险只是造林系统可以设计的一些目标。粗木屑、木茬、灌木、冠层和物种组成是可以使用造林系统管理的森林属性的例子。系统可以设计来维持捕食者的栖息地,同时提供木材产品的持续生产。 Uneven-aged systems tend to favor the regeneration and development of shade-tolerant species, whereas even-aged systems tend to favor shade-intolerant species. These systems and all of their permutations can create and maintain a suite of different stand compositions and structures that can be used to meet a wide variety of management objectives.

关键词:针叶林,均匀生长期林分,森林组成,森林经营,森林结构,全球木材市场,造林系统,亚北极,不均匀生长期林分。


介绍

自然资源的使用和管理是世界各地许多社会面临的一个问题。这一问题对全世界的北方森林尤其重要,也是大多数北美森林正在解决的主要问题。由于木材市场、碳封存、候鸟和鱼类栖息地以及其他类似问题具有区域到全球的重要性,因此如何管理北方森林的决定不再完全是地方性的。新西兰的木材市场影响缅因州波特兰的木材价格,就像它影响不列颠哥伦比亚省温哥华的木材价格一样。随着人口的增长,对木材和其他森林资源的需求将继续扩大。北方针叶林是新兴国家用于经济发展的极好的木材来源,类似于美国向西扩张期间对森林的利用。此外,发达国家能够在从发展中国家进口林产品的同时保留自己的森林。这种环境问题的输出和木材市场的全球化使得北方针叶林的管理不仅是一个地方问题,而且具有区域、国家和全球意义。


北方森林

针叶林,或称针叶林,在范围上是环绕极地的,在某些地区占据了长达1000公里宽的地带(Larsen 1980年)。占据北方森林的针叶树包括本属的成员云杉、冷杉属、松属,而且落叶松属.在北美,白云杉(云杉glauca)、黑云杉(云杉马里亚纳)、杰克·派恩(松果体banksiana)、香脂冷杉(冷杉属balsamea)和柽柳(落叶松属laricina)是主要针叶树。硬木树种包括该属的成员杨树,桦木属、赤杨皮而且柳树.这些物种有不同的生活史,具有不同程度的防火、防虫和抗病性。更重要的是,这些树种表现出广泛的耐阴性和生长特性,并占据不同的演替位置。一般来说,杨树往往是短寿的(通常是75年)树种,而冷杉和云杉往往是长寿的(通常是200年)树种(Larsen 1980年,Burns和Honkala 1990年)。

这些森林生长的大陆性气候是亚北极气候,其特征是月平均温度在零下30度之间oC从一月到10oC在七月。年降雨量一般为1000毫米。夏季潮湿,降水高峰通常出现在8月。亚北极地区的土壤大多为spodosol,常见泥炭堆积,北部部分为永久冻土(Larsen 1980年)。由于这些条件和物种的生活史,森林生产力很低(1 - 4米)3.-1-1),有机分解缓慢(Aber和Melillo 1991)。

野火在形成针叶林的结构和组成方面起着重要作用。可以更换支架和混合火力体制(Larsen 1980, Aber和Melillo 1991)。取代林分的大火会烧毁大片区域,引发新的林分,其中包含多种物种,如杰克松和白杨(松属美洲山杨),而混合火种则包括替换树架的火种和低强度的地面火种。这些火灾制度创造了一个马赛克条件,允许早期,中期和后期的物种的混合繁荣。这种林分可能含有杰克松、白杨、香脂冷杉和云杉的混合物。这些火灾机制的运行频率(周期)从40 - 65年的低强度地表火灾到200年的>年的替换立地火灾(Larsen 1980年,dry等人1986年,Chandler等人1991年)。这些周期反过来又可能影响哺乳动物和鸟类的生命周期,例如雪靴兔(天兔座也)及北苍鹰(猛禽gentilis(Doyle和Smith 1994)。上述火灾状况还影响到分解、营养和其他对维持北方森林很重要的过程(Larsen 1980年)。由于生长速度、物种混合、植被寿命、耐荫性、病虫关系、物种相互作用(动植物相互作用的所有可能组合)以及干扰机制(火灾和天气)的不同,北方针叶林中自然出现了大量不同的演替路径,创造了大量不同的森林结构和组成。

与针叶林中林分结构和组成的多样性相似,人类活动也创造了各种各样的森林条件。管理行动从经常由土著人民故意烧毁森林到现在的扑灭野火(Agee 1993年)。由于北方针叶林是重要的原料来源,它们目前和潜在地提供了整个北半球消耗的相当多的木材资源(Larsen 1980年)。采伐树木的方法从砍掉单个枝干到大规模砍伐都有。虽然造林实践总是提供生产木材的技术,但造林系统可以设计出一套森林组成和结构,以满足各种各样的管理目标。


造林

造林是土地所有者为特定目标而管理森林的艺术和科学(贝克1934年,史密斯1962年,史密斯等人1997年)。造林实践通过处方操纵森林植被,以实现各种目标,如维持野生动物栖息地、维持水文过程、恢复生态系统、保护生物多样性和生产木材产品。根据目标的不同,造林是一门综合了许多科学学科(土壤、生态学、野生动物、建模、经济学)的概念和原则的专业(Toumey 1928年,Baker 1934年,Hawley 1937年,Smith 1962年,Nyland 1996年)。这种综合产生的林分级处理可以在各种时间和空间尺度上维持生态系统条件的完整性、多样性和弹性(Burton等,1992年;Kaufmann等,1994年;Nyland, 1996年)。造林领域可以向土地所有者展示如何实现不同的森林用途和产品,同时保持生态健全的生态系统。它还整合了生物物理因素和生态系统过程和结构,以显示它们如何影响森林群落的建立和发展(Broun 1912, Toumey 1928, Baker 1934, Smith 1962, Oliver和Larson 1990, Nyland 1996)。这些关系包括但不限于土壤、气候、地形、原生和外来植被以及野生动物之间的相互作用。此外,通过发展造林系统,这种做法可以显示土著和人类干扰(野火、风、昆虫、疾病、水文干扰和木材采伐)可能造成的生物物理反应,说明这些干扰在短期和长期内的后果。其他学科和公众经常认为所有的树木采伐都是造林系统的应用,但这是一个错误的假设。只有林业人员在管理森林时遵循上述造林原则,才能实行造林。


造林系统和森林结构

造林系统概述了林分生命周期内的处理计划,以满足特定土地所有者的一系列价值或利益。该计划应确保在收获或利用现有货物的同时,保存未来货物的产量和其他价值(Smith 1962, Smith et al. 1997)。因此,需要把造林系统放在所管理的生态系统的生态和环境特征的范围内。

可以为针叶林开发造林系统,以创造不同的森林结构、组成和条件。均龄和非均龄造林系统都可用于管理这些森林。即使是树龄系统也会产生树龄相对相近的林分,但这并不一定意味着创造或维持了单一的林冠。不均匀树龄系统产生包含不同树龄等级的林分。然而,造林系统也可以使用这两种类型的组合来发展具有均匀树龄和非均匀树龄特征的林分结构。每一种造林系统,加上现有的树种和许多其他生态系统组成部分,可以提供一系列森林结构和组成。

异龄系统

不等龄造林系统通常通过频繁(20 - 40年)间隔收割和照料部分林分来创建和维持至少三个年龄等级的森林(Nyland 1996年)。有两种不均匀年龄系统:单树选择和群体选择。当这两种系统结合在一起时,可以形成混合,如补丁选择,或补丁和条带系统(Nyland 1996, Smith et al. 1997)。单树选择通常维持一个成熟年龄类、一到两个中级年龄类、一个年轻年龄类和一个再生年龄类。在每次从所有年龄类别进入时,将个别树木移除,以确保维持一个多年龄、多繁殖和多物种的林分。在针叶林中使用该系统将有利于再生,有利于耐阴和后期演替的物种,如香脂冷杉和云杉,而将排除针叶松和白杨。

在鼓励耐阴树种的同时,单个树种的选择系统将支持伴随这些树种而来的疾病和昆虫。伯乐疾病(Phellinius,等)、牙根疾病(蜜环菌,等),以及落叶植物(云杉芽虫(Choristoneura fumiferana)只是不均匀老化系统所助长的一些疾病和昆虫。使用选择系统的频繁进入将促进残树的茎损伤(疾病的入口点),采伐设备可能会压实、置换或破坏森林地面和土壤。因为单株树的选择倾向于耐阴的树种和密集的生长条件,最优的单株树生长不太可能实现。

群体选择可用于增加不耐阴树种如白杨或杰克松的比例。这种年龄不均匀的系统还会创建三个或更多年龄级别的看台,但不同的队列会以小群体的形式再生和维护。使用群体选择创建的开口通常直径从一到两棵树的长度不等。有了这个系统,不同年龄层次的群体分散在整个看台上。这些单一树龄群使整个林分的树龄结构不均匀(Nyland 1996)。坡向、坡度、开口大小和森林地面扰动都决定了树木和其他植被再生的数量和种类。这种系统所产生的条件往往有利于耐阴到不耐阴的树木、灌木和蕨类的混合。与单树选择管理的林分类似,群体选择系统也会引起许多昆虫、疾病和土壤扰动。这些小开口可能造成当地霜冻的条件,可能损害植被,特别是在亚北极地区,从而阻碍森林的更新和发展。

当群体选择系统或个体树选择系统都不能产生满足管理目标的条件时,两个系统的组合可能是合适的。这些杂交系统结合了在部分林分中选择单株和分散在整个林分中的小斑块。这些系统在单树选择区域内创造了一个混合了耐阴物种和多个树冠的林分,并在小开口中提供了鼓励耐阴树木、树叉和灌木再生的区域。这种物种丰富度和栖息地多样性是不能仅通过使用一个不均匀年龄系统来实现的。

同龄林分系统

均匀树龄造林系统通常创建和维护代表一个年龄级的树木,或一个很小范围的年龄级。从历史上看,致命的火灾会创造出包含了均匀树龄的森林。同样地,清伐、防护林和种子树系统创造并维持着均匀树龄的林分。这些森林的组成通常是不耐阴的树木(杰克松、红松、白杨)和灌木(柳树和樱桃,李属spp)。

除了清伐,其他的均匀生长系统(种子树和防护林)包括一些高森林覆盖率。种子树和防护林系统规定的覆盖层密度和物种取决于地点、物种和期望的森林结构和组成。例如,一个产籽量较差的物种可能需要10 - 20棵/公顷的种子树,而一个多产的产籽物种可能需要5 - 10棵/公顷的种子树。此外,为了维持哺乳动物或鸟类的栖息地,可能会规定不同数量的种子树。防护林规定的树冠数量取决于成功再生所需树种所需的防护林数量,或取决于提供野生动物栖息地、风景价值或满足其他选址目标所需的树木数量。随着冠层盖度的增加,耐寒性(如香脂冷杉、云杉)再生的数量也会增加。

防护林和种子树系统中的树木可以分组、间隔、按物种或其他指定的标准进行定义。在这些系统中使用的种子树和遮蔽部分可以是短期的(在再生林分寿命的早期移除,30年或更短)或长期的(在再生林分寿命的整个过程中留在场地上)。如果覆盖层被早早移除,再生的林分将主要由不耐阴的物种组成。相反,通过保护树木,两层、两龄的林分将得到发展。这一储备成分将为不耐阴和耐阴植被的生长创造有利条件。这个覆盖层组件将确保大树一直在现场,这些树将提供未来的障碍和倒下的原木,这对许多野生动物物种来说都是重要的结构。

清伐系统有利于不耐阴树种(白杨和杰克松)的再生和发育。> 2公顷的空地通常被认为是开阔地。在这些条件下,早期的seral物种以其最佳的速度茁壮成长。清伐造林系统通常有利于生产商业森林作物,但偶尔也可以解决野生动物和家畜的饲料生产问题。

森林地面

林冠封闭度(开口大小)、树种组成、空间分布和垂直分布是造林系统控制的主要林木属性。另一个影响森林更新数量和类型的因素是林地扰动的强度和类型。机械干扰、规定的火和化学应用是为自然和人工再生准备场地的技术。一般来说,烧焦的表面和矿质土壤是种子萌发的绝佳场所(Haig等,1941年)。相比之下,森林地面上未燃烧的有机层,根据其含水量的不同,为种子萌发提供的有利位置较差,而且根据其成分的不同,它们可能阻碍人工再生的种植和发展。未受干扰的有机材料通常有利于重种子植物的生长(种子可以穿透重有机层)和促进再生。针叶树和落叶乔木对林地扰动的响应有差异,灌木和蕨类也有差异。一些物种主要是由种子(杰克松)形成的,而另一些则是从芽(白杨)再生的。因此,林冠盖度(开口大小)的多少和种类、林地扰动的多少和种类影响着再生植物的组成和数量。

森林地面不仅影响植被的更新,而且是微生物的重要营养来源和栖息地。在一些森林生态系统中,森林地面包含一个地点50%的氮储量和50%的固氮能力。除营养物质外,有机物质特别是腐殖质是外生菌根的重要栖息地。与氮的关系类似,一个地点50%的外生菌根活性可以发生在森林地面的有机物质中(Harvey等,1987年)。在北方针叶林中,这些物质通常很浅,构成了土壤的大部分(Larsen 1980)。由于其重要性和稀缺性,有机材料对木材采伐和场地准备的干扰很敏感,很容易被规定和野火消耗。因此,在为植被更新和发展创造条件的同时,应对北方针叶林地面扰动进行精心规划,以保证关键土壤有机质层的保持。

粗木屑是造林系统中经常被忽视的另一个森林组成部分。粗木屑(材料>直径7.5 cm)是营养物质、森林地面有机质和野生动物栖息地的重要来源(Harmon等,1986年)。根据森林类型的不同,建议使用7 -74毫克/公顷(公吨)粗木碎片来维持森林生产力(Graham等人,1994年)。在北方针叶林中,似乎在采伐和场地准备之后至少应该留下20毫克/公顷。这种物质可以分解,成为森林土壤的重要组成部分。由于土壤较浅,粗大的木质碎片很可能在针叶林中比在其他混交林中更重要。除了维持森林生产力外,这种材料还为许多哺乳动物、无脊椎动物、鸟类和鱼类提供栖息地(Harmon et al. 1986)。

森林抚育

造林系统并不以再生处理(即,清除、种子树等)为结束。在林分再生或使用不均匀陈年系统进入后,通常需要使用中间处理对林分进行一些抚育。在不均匀年龄系统中,在每次进入(间隔20- 40年)期间,对林分进行照料是至关重要的。在均匀树龄和不均匀树龄的系统中,这些间伐、清洁、除草、解放或卫生处理可以发生在所有树冠层。在这些处理过程中,对林分进行培养,以确保维持所需的林分组成和结构。此外,这些中间处理可以提供林产品。

造林系统中规定的开口大小、冠层组成和结构、林地扰动和粗木屑,再结合北方森林中存在的生物物理模板(坡角、坡面、气候、土壤、海拔等),使造林实践能够创造和维持一套森林条件。这些条件可以用来解决北方森林面临的各种管理问题。


维持捕食者栖息地的造林系统

北方苍鹰是一种高级掠食者,生活在世界各地的北方森林(Brown and Amadon 1968)。一般来说,苍鹰在树木相对较大、树冠封闭程度高(相对于周围地区)、地面覆盖稀疏、下层植被开阔的成熟或古老森林中筑巢(Squires和Reynolds, 1997年)。树桩、多个树冠和木质碎片在鸟巢中也很常见。苍鹰是一种大型鸟类,体重可达1.4公斤,以各种小型哺乳动物(松鼠、兔子)、啄木鸟和其他中小型鸟类(知更鸟、松鸦)为食。北方森林的主要食物来源是雪靴兔。障碍物、草本下层植物、灌木和小开口只是猎物所需要的森林结构的一部分。在筑巢季节,一对苍鹰根据猎物的种类和它们的可用性,在大面积(2500公顷)的各种森林条件中选择猎物(Reynolds et al. 1992)。因此,苍鹰和它们的猎物需要分布在大面积的各种森林结构。

在北方森林中,苍鹰在有大的老冷杉和云杉的林间筑巢。此外,被灌木、荆棘和开口覆盖的茂盛的下层植被是猎物和苍鹰捕食的地方。群体选择可以用来维持这些条件在苍鹰的活动范围(巢站和觅食区域)。可以设计一个造林系统,以保持10%的面积的幼苗,灌木和蕨类排列在分散在整个住宅范围的小开口。该区域将包含10%的幼树大小的树木,20%的幼林(20 - 80年),20%的中年林(80 - 160年),20%的成熟林(160 - 200年)和20%的老林(200年)。将一片森林转变成这种不同结构的矩阵需要200年的时间才能完成。

利用群体选择在森林中创造出的小开口很快就会被混合的灌木,以及白杨、松树、冷杉和云杉所占据。这些条件为猎物提供了栖息地,尤其是雪靴兔,并为苍鹰提供了捕猎的机会。当开阔地的树木变得年轻和中年时,为了保持森林生长而进行的削枝减叶可以提供白杨和松木产品。同样,通过在采伐前将树木种植200年,该系统可生产高质量的云杉和冷杉木材。在开口处留下的大型、优势的储备树增加了结构的多样性,死后提供了障碍,并在倒下时产生粗糙的木质碎片。通过群体选择管理的多个苍鹰家园范围将始终包含古老的生长特征,40%的景观将包含160年的树木。除了提供苍鹰栖息地和木材产品,以这种方式管理的北方针叶林将为其他野生动物提供栖息地,将具有弹性,并将提供许多娱乐机会。


更大背景下的造林

造林是在林分层面上进行的,但需要通过评估或评估更大的区域来进行处理。观看景观和更大的区域提供了在看台层面无法识别的过程或结构的信息。例如,气候、烟雾扩散、有蹄类动物迁移和鱼类迁移是不容易在林分层面观察到的过程。通过了解林分处理如何受到大规模过程的影响,以及林分处理如何影响这些大规模过程,就可以在何时、何地和如何应用造林处理方面作出更明智的决定。

北方针叶林是一种主要的世界资源。碳封存、野生动物栖息地、木材资源、水、娱乐、矿物、石油、天然气和许多其他人类重视的资源都存在于这些森林中。造林可以为管理这些森林的植被组成部分提供系统、工具和技术。然而,人类需要通过世界各国政府和社会的政治和公共进程来决定如何利用北方森林。资源开发往往是它们的主要用途,而砍伐是采伐树木的首选方法。砍伐北方针叶林本身并不能构成一个造林系统。

在很大程度上,关于北方森林应该如何管理的不同意见不是关于造林的;它们是政治的和法律的。20世纪初,随着国家森林系统的建立,美国认识到森林是需要认真管理的独特资源。制定了各种法律和政策来指导如何使用森林,但森林管理现在和国家森林系统建立时一样有争议(Kohm and Franklin 1997)。到20世纪30年代,人们认识到一些森林的采伐量无法持续,但管理者、政治家和整个社会都未能对这些警告采取行动(Hutchison和Winters 1942年)。

同样的情况正在世界各地的针叶林中发生。人们认识到,在维持其持续使用水平的同时,无法维持正在运作的森林(所有部分都在一起并在运作)。争论的焦点往往是所使用的造林系统的类型,而不是人类使用的数量、位置和强度,或开发,或两者兼而有之。可以为北方森林设计造林系统,以实现广泛的管理目标,从对自然过程的最小干预(设计和实施自然规定的防火处方或保护区)到生产大量高质量的森林产品。一旦在政治和法律上确定了短期和长期的管理目标,造林就具有为社会提供各种北方森林条件的工具和专门知识。


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这篇文章的版权于2000年1月1日从美国生态协会转让给韧性联盟。

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