武龍慶敬文茂許爾文趙維俊賀永巖薛春穆巧玲

(1.甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院/甘肅祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，甘肅 張掖 734000；2.甘肅祁連山國家級自然保護(hù)區(qū)管護(hù)中心西水自然保護(hù)站，甘肅 張掖 734000)

隨著全球氣候變化以及人類活動(dòng)所引起的一系列生態(tài)環(huán)境問題，對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響也是顯而易見的，如森林資源質(zhì)量變差，生態(tài)服務(wù)功能下降，生物多樣性維持能力減弱等。如何實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和發(fā)展是實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展的前提，森林天然更新便是實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)自我修復(fù)與繁衍的重要途徑[1]，一定程度上能夠有效維持生物多樣性和充分發(fā)揮森林生態(tài)服務(wù)功能，而且所用物力和人力成本低，已成為生態(tài)與環(huán)境科學(xué)的研究熱點(diǎn)[2]。目前對森林天然更新研究多采用一些能表征其數(shù)量和生長狀況的參數(shù)，如更新苗的密度、生長形狀(基徑、株高、冠幅)等指標(biāo)來量化或者說評判森林更新狀況[3]。如，任學(xué)敏等研究發(fā)現(xiàn)，太白山銳齒槲櫟林其更新幼苗的密度是幼樹密度的3倍左右，而且樣地間的差異很大，更新苗分布傾向斑塊狀的聚集分布[4]。在不同火燒強(qiáng)度下，油松樹種更新苗冠幅不存在顯著性差異，而蒙古櫟、山楊、裂葉榆等樹種的更新苗冠幅存在極顯著性差異[5]。

祁連山森林群落是中國森林生態(tài)系統(tǒng)定位觀測研究網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃布局中的蒙新荒漠半荒漠及山地針葉林地區(qū)(簡稱蒙新地區(qū))植被的典型代表，以青海云杉林為代表的針葉林是祁連山的地帶性植被，其林下天然更新情況較差，甚至存在某些高度級幼苗缺失[6]。而且林下更新過程緩慢，近自然經(jīng)營化水平不高，基本上處于全封閉的管理模式。另外，目前祁連山的青海云杉林大多處于中齡林階段，基本邁向成熟林階段，在這種情況下，加強(qiáng)林下天然更新研究迫在眉睫?？梢?，對祁連山青海云杉林天然更新質(zhì)量狀況的研究尤為重要。目前，已有專家和學(xué)者對祁連山青海云杉林進(jìn)行了更新研究，如何志龍等對海拔梯度上的青海云杉林天然更新研究表明，海拔2500m草類青海云杉林更新良好，而2900m、2930m、3000m草類青海云杉林無天然更新能力，2700m和2800m蘚類青海云杉更新一般[7]。王清濤認(rèn)為，青海云杉林經(jīng)營管理不善導(dǎo)致青海云杉更新不良[8]。杜苗苗研究祁連山中段的青海云杉林徑級結(jié)構(gòu)表明，其結(jié)構(gòu)呈倒“J”型，為增長型種群[9]。

本研究選擇分布在祁連山中段西水林場排露溝流域的青海云杉純林為研究對象，借助甘肅祁連山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站建立在青海云杉林內(nèi)的固定樣地進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過調(diào)查和測定流域單元固定樣地內(nèi)的所有青海云杉林存活個(gè)體，參考國家市場監(jiān)督管理總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布的《森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合對青海云杉林徑級劃分的已有研究成果，對樣地內(nèi)的存活個(gè)體進(jìn)行更新等級劃分，分析整個(gè)流域和不同固定樣地青海云杉林更新苗(幼苗、幼樹)和成樹的更新密度變化特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合技術(shù)規(guī)程中的天然更新等級評定標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行祁連山青海云杉林天然更新質(zhì)量評價(jià)。通過揭示青海云杉林天然更新狀況，為祁連山青海云杉林的經(jīng)營和管理提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)主要選擇在祁連山中段張掖市境內(nèi)的西水林場內(nèi)的典型流域——排露溝流域(E100°17′～100°18′、N38°32′～8°33′)，該流域是該林場的大野口流域的嵌套流域，流域總面積大小為2.74km2，是一個(gè)開展祁連山水源涵養(yǎng)林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的典型試驗(yàn)流域，目前已有多家單位和學(xué)者在該流域開展了大量的科學(xué)研究。流域氣候?qū)儆诟吆敫珊瞪降厣植菰瓪夂騕10]，年均降水量為354.3mm，年均蒸發(fā)量為1018.6mm，年均相對濕度為60%。該流域小氣候、植被和土壤等具有明顯的海拔梯度變化特點(diǎn)，隨海拔梯度的升高，表現(xiàn)為年均降水量隨海拔升高100m約增加4.95%[11]，年均氣溫隨海拔升高100m降低0.58℃[12]，加上在地質(zhì)等因素的綜合影響下，形成的植被類型有山地草原植被、山地森林草原植被、亞高山灌叢草甸植被和高山冰雪植被，土壤類型有山地栗鈣土、山地灰褐土、亞高山灌叢草甸土和高山寒漠土。本研究的研究對象青海云杉林植被類型，分布在該流域的海拔2700～3300m，其土壤為山地灰褐土，喬木層僅有青海云杉唯一優(yōu)勢種，林下分布的灌木優(yōu)勢種主要有吉拉柳(Salixgilashanica)、箭葉錦雞兒(Caraganajubata)、金露梅(Potentilla fruticosa)，草本優(yōu)勢種主要有苔草(Carex)、珠芽蓼(Polygonum viviparum)、馬先蒿(Pedicularis reaupinanta)等。土壤層上面還覆蓋一層較厚的苔蘚枯落物層，苔蘚優(yōu)勢種主要有卵葉羽苔(Plagiochila ovalifolia)、山羽蘚(Abietinella abietina)、對葉蘚(Distichium capillaceum)等。

1.2 研究方法

1.2.1 樣地調(diào)查

試驗(yàn)樣地選擇建立在祁連山排露溝流域青海云杉林內(nèi)的固定樣地，見表1，共14個(gè)青海云杉林固定樣地，樣地大小從12.5m×25m～20m×36m不等，樣地由甘肅祁連山森林生態(tài)站承建，樣地的建設(shè)要求依據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)建立的[13]，即通過已建立的青海云杉林固定樣地，獲取森林生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多個(gè)生物因子和非生物因子觀測數(shù)據(jù)，目的是為森林生態(tài)系統(tǒng)水文、土壤、氣候、生物等監(jiān)測提供基礎(chǔ)背景資料，也為森林生態(tài)系統(tǒng)的生物群落動(dòng)態(tài)變化規(guī)律研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本研究通過調(diào)查樣地的微地形信息，包括經(jīng)緯度、海拔、坡度、坡向等信息，同時(shí)測定樣地的大小及其林分郁閉度。調(diào)查樣地內(nèi)所有胸徑≥1cm的青海云杉成年存活個(gè)體，調(diào)查其株高、枝下高、冠幅、胸徑、相對坐標(biāo)(x，y)等信息，其中株高、枝下高用紅外線測量儀測定，冠幅和相對坐標(biāo)(x，y)均用皮尺測定，胸徑用圍尺測定。最后調(diào)查固定樣地內(nèi)的更新苗生長情況，因固定樣地的更新苗(胸徑<1cm的青海云杉活的有機(jī)體)相對較少，因此本研究對每個(gè)固定樣地內(nèi)的所有更新苗進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包括更新苗個(gè)體的株高、枝下高、冠幅、基徑、相對坐標(biāo)(x，y)等信息，其中株高、枝下高、冠幅和相對坐標(biāo)(x，y)均用鋼卷尺測定，基徑用游標(biāo)卡尺測定。

表1 樣地概況

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

1.2.2.1 更新苗和成樹的劃分標(biāo)準(zhǔn)

參考《森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)程》[14]和拓鋒等[15]對青海云杉林的徑級劃分，同時(shí)參考天然更新更新級評價(jià)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本研究中將天然更新苗包括幼苗和幼樹與成樹進(jìn)行了等級劃分，見表2，同時(shí)參考孫敬然[4]對天然更新苗總密度的計(jì)算，即將2株I級幼苗折算成1株幼苗。

表2 更新苗與成樹劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.2.2.2 天然更新質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參考《森林資源連續(xù)清查技術(shù)規(guī)程》[14]和孫敬然[2]對不同高度級的更新苗的數(shù)量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算方法是將不同高度級的更新苗和成樹統(tǒng)一計(jì)算成I級幼苗的數(shù)量，進(jìn)而評判不同樣地的天然更新等級，計(jì)算公式：

折算后I級幼苗密度=I級幼苗密度+II級幼苗密度×1.667+(III、IV級幼樹+V級成樹)×2

更新等級的劃分，當(dāng)折算后I級幼苗密度≥5000株·hm-2時(shí)，更新等級為良好；當(dāng)折算后I級幼苗密度≥3000株·hm-2且<5000株·hm-2時(shí)，更新等級為中等；當(dāng)<3000株·hm-2時(shí)，更新等級為不良[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 青海云杉林林分更新苗和成樹密度

對流域內(nèi)青海云杉林所有樣地的更新苗和成樹的5個(gè)等級的平均密度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，見圖1。從圖1可知，青海云杉林下更新層的I級幼苗、II級幼苗、III級幼樹、IV級幼樹和V級成樹的平均密度大小依次為109株·hm-2、253株·hm-2、685株·hm-2、353株·hm-2和1427株·hm-2，V級成樹的平均密度是幼苗(I級幼苗和II級幼苗)平均密度的3.9倍多，是幼樹(III級幼樹和IV級幼樹)平均密度的1.3倍多。I級幼苗、II級幼苗、III級幼樹、IV級幼樹的平均密度遠(yuǎn)小于V級成樹的平均密度，其平均密度大小順序表現(xiàn)為I級幼苗

圖1 青海云杉林林分更新苗和成樹平均密度

y=76.365e0.5473x

相關(guān)系數(shù)為0.7847。同時(shí)，從圖1可以得知，III級幼樹的更新密度在曲線方程的上方，IV級幼樹的更新密度在曲線方程的下方，IV級幼樹更新密度沒有跟上III級幼樹更新密度。

2.2 青海云杉林樣地更新苗和成樹密度

對流域內(nèi)青海云杉林15個(gè)不同樣地的更新苗和成樹的5個(gè)等級的密度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，見表3。從表3可知，不同樣地的不同等級的更新苗存在明顯的差異，其中樣地B7的更新總密度最大，其密度為5650株·hm-2；樣地B6的更新總密度最小，其密度為1025株·hm-2；更新總密度最小的樣地是更新總密度最大的樣地的5.5倍。從表1還可以看出，不同樣地?fù)碛胁煌燃壍母旅绾统蓸淝颐芏葦?shù)值較大時(shí)，其更新總密度數(shù)值才能處于有利的地位。如，B7樣地?fù)碛胁煌燃壍母旅绾统蓸?，而且密度最大，使得更新總密度也最大；而B6樣地未見I級更新苗，而且其他等級的密度較小，使得更新總密度偏小。

表3 青海云杉林不同樣地更新苗和成樹密度

2.3 青海云杉林樣地天然更新質(zhì)量評價(jià)

利用折算后I級幼苗密度對流域內(nèi)青海云杉林15個(gè)不同樣地的天然更新質(zhì)量進(jìn)行了評價(jià)，見圖2。從圖2可知，15個(gè)樣地中折算后I級更新苗密度最大的樣地是B7，其數(shù)值大小為10992株·hm-2；密度最小的樣地是B6，其數(shù)值大小為2042株·hm-2，最小值是最大值的5.4倍，折算后I級更新苗密度差異明顯。從圖2還可以看出，樣地B1、B4、B7、B8、G1、G5、G6折算后I級更新苗的密度均>5000株·hm-2，更新等級為良好；樣地B2、B5、G2、G3、G4、G7折算后I級更新苗的密度均>3000株·hm-2且<5000株·hm-2，更新等級為中等；樣地B3、B6折算后I級更新苗的密度均<3000株·hm-2，更新等級為不良。另外，在15塊樣地中，更新等級為中等以上的樣地占所有樣地的86.7%，為更新樣地的大多數(shù)；更新等級為不良的樣地僅占所有樣地的13.3%。

圖2 青海云杉林不同樣地天然更新質(zhì)量

3 結(jié)論與討論

從整體上對流域內(nèi)青海云杉林不同更新等級的更新狀況可以看出，隨著更新等級的增加，更新數(shù)量總體上呈上升的變化趨勢[16]，說明從低齡級到高齡級青海云杉林更新植株競爭逐漸減弱，在更新階段特別是幼苗階段的競爭更為激烈，存活的幼苗很少，這當(dāng)中涉及光照、水分、養(yǎng)分等環(huán)境因子的綜合影響。一般情況下，種群的幼苗特別是剛出土的或者說生長時(shí)間較短的更新苗居多，但在本研究中的I級幼苗平均密度統(tǒng)計(jì)值的偏低，不排除在實(shí)地調(diào)查過程中，因較厚的苔蘚枯落物層的覆蓋或者遮擋，而且更新苗更適宜分布在苔蘚枯落物層特別厚的位置處，使得對樣地內(nèi)I級幼苗調(diào)查的株數(shù)較實(shí)際的株數(shù)偏低。青海云杉林更新與苔蘚枯落物層的相互作用，有待進(jìn)行深入研究。IV級幼樹的密度小于III級幼樹的密度，可能是種群的擴(kuò)散、自疏與他疏等生物學(xué)過程所導(dǎo)致的；V級成樹的平均密度最大，主要是每年或多年新生的更新苗成功存活直至生長成為成樹。青海云杉林不同等級的更新苗密度在各樣地間存在較大的標(biāo)準(zhǔn)差，一定程度上說明青海云杉林更新苗分布不均勻，偏向于聚集分布，呈聚集性的空間分布格局，這與拓鋒等對青海云杉林樹種固有的特性研究結(jié)果一致[17]。

青海云杉林不同樣地的天然更新質(zhì)量評價(jià)表明，布置在不同海拔梯度上的青海云杉林固定樣地中，更新不良的樣地僅占所用樣地的2/15，也就是說從整體上來講，流域內(nèi)分布的青海云杉林更新狀況較佳，但還是有極少部分的青海云杉林更新存在困難，這其中有多方面的原因，微地形的影響，有水熱的影響，有林分結(jié)構(gòu)的影響等，也有多因子的綜合影響等，如更新不良的樣地B3中，雖然都地處陰坡，但其微地形坡度較其他樣地偏小，可能是微地形相對平坦影響了其更新，特別是幼苗；再如更新不良的樣地B6中，可能是地處高海拔地段的土壤環(huán)境特別是低的土壤溫度使得青海云杉林更新差，而且成功存活乃至生長成樹的密度也小。幸運(yùn)的是，雖然青海云杉林天然更新不良所占的比例很低，青海云杉樹種可以通過實(shí)生苗或者萌生苗的方式實(shí)現(xiàn)自我更新。因此，在對青海云杉林經(jīng)營管理的過程中，對更新中等以上的林分繼續(xù)目前的管理方式，而對更新不良的青海云杉林林分盡可能避免大的人為干擾，如放牧牲畜的踩踏，而且已有研究也證實(shí)了這一點(diǎn)，去除苔蘚枯落物層，裸地上的幼苗幼樹死亡率升高[8]。