薛春 許爾文 趙維俊 王順利 張克海

(甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院，甘肅 張掖 734000)

森林天然更新是實(shí)現(xiàn)森林生態(tài)系統(tǒng)自我可持續(xù)發(fā)展的必然路徑，其對森林群落的組成、結(jié)構(gòu)、功能及其生物學(xué)多樣性亦有著重要的影響[1，2]。對森林更新的影響研究一直以來是森林生態(tài)學(xué)和森林經(jīng)營管理學(xué)的主要研究方向之一，特別是隨著全球氣候變化和人類對森林資源的需要增加，使得森林的可持續(xù)發(fā)展的研究愈來愈重要。近年來，對森林的更新研究多集中在更新苗組成，年齡結(jié)構(gòu)及動態(tài)，空間分布格局，以及更新苗的影響因素等[3，4]。其中，對影響森林天然更新的因素中，多集中在非生物因子和生物因子的影響方面，如從種源、光照、土壤、枯落物、種內(nèi)種間競爭等因子著手[5，6]，對于林分結(jié)構(gòu)對更新的影響研究較少，然而林分結(jié)構(gòu)是直接影響森林更新的最關(guān)鍵因素之一[7]，這在相關(guān)研究中得到了佐證，即林分結(jié)構(gòu)包括水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)影響林下的光照條件、水分供應(yīng)、營養(yǎng)吸收等環(huán)境資源的有效性，進(jìn)而影響林下更新苗的萌芽、存活和生長，而且林分結(jié)構(gòu)是最有可能被人為干預(yù)調(diào)控的因子[8]。因此，開展森林林分結(jié)構(gòu)對天然更新的影響研究，有助于揭示林分空間結(jié)構(gòu)因子與更新格局及動態(tài)之間的相互作用機(jī)制及潛在機(jī)理，從而采取可能的措施促進(jìn)天然更新，為實(shí)現(xiàn)森林的發(fā)展正向演替提供基礎(chǔ)。

青海云杉(Picea crassifolia)作為祁連山針葉林生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢種之一，其在涵養(yǎng)水源、保持水土、固碳增匯等方面發(fā)揮著重大的生態(tài)作用。在遭受長期砍伐后加上氣候變暖等影響，其天然林面積一直沒有明顯增加，甚至有萎縮化、破碎化、分散化的變化趨勢，生態(tài)系統(tǒng)脆弱度逐漸升高[9]，而且祁連山青海云杉林作為西北寒溫帶一種特殊的森林系統(tǒng)，不易采用間伐、皆伐、擇伐等干擾方式進(jìn)行撫育改造。針對祁連山青海云杉林面積的萎縮和不易進(jìn)行人工更新，如何優(yōu)化低產(chǎn)低效的次生林結(jié)構(gòu)，恢復(fù)退化和受損的青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)，提高其生態(tài)服務(wù)功能，是擺在面前亟需解決的科學(xué)問題。本研究主要探討林分結(jié)構(gòu)中的斷面積對其天然更新的影響，因?yàn)橐恍┭芯空J(rèn)為，更新苗密度隨著斷面積的增加而增加，后逐漸放緩[8]，那么青海云杉林林分?jǐn)嗝娣e對更新苗密度存在怎樣的影響？因此，通過研究青海云杉林更新特點(diǎn)和林分結(jié)構(gòu)斷面積及其對青海云杉天然更新苗的影響，以期采取針對性的人工措施促進(jìn)青海云杉林天然更新。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究選擇甘肅省祁連山水源涵養(yǎng)林研究院在祁連山肅南縣馬蹄林場內(nèi)的典型試驗(yàn)流域——大野口流域，目前已有許多單位和專家及學(xué)者在該流域開展了大量的科學(xué)試驗(yàn)研究。該流域面積約為80km2，年均降水量為400mm，年均蒸發(fā)量為1488mm，年均相對濕度為60%[10]，氣候?qū)儆诎霛駶櫳植菰瓪夂騕11]。海拔落差2400～4000m，地形條件復(fù)雜，使得流域內(nèi)的水熱條件差異明顯，形成了明顯海拔梯度變化的植被類型及其相對應(yīng)的土壤類型。本研究的研究對象對應(yīng)的植被帶是寒溫性針葉林帶，其主要由青海云杉林組成，也為該流域喬木樹種的建種群，多為中林齡或近熟林，郁閉度在0.6左右，對應(yīng)的土壤類型為森林灰褐土；還零星分布祁連圓柏，林木部分稀疏，郁閉度在0.2～0.4。喬木林群落結(jié)構(gòu)有灌木層、草本層和苔蘚枯落物層，平均厚度為10cm的苔蘚枯落物層是其鮮明的地域特點(diǎn)。灌木主要是吉拉柳(Salix gilashanica)、金露梅(Potentilla fruticosa)、銀露梅(Potentilla glabra)等，草本主要有苔草(Carex)、狼毒(Stellera chamaejasme)、多裂委陵菜(Potentilla multifida)等。

1.2 研究方法

本研究的試驗(yàn)樣地選擇位于大野口流域的祁連山青海云杉林動態(tài)監(jiān)測大樣地，該大樣地面積大小為340m×300m，所在的地理坐標(biāo)為E100°15′00″、N38°31′48″，平均海拔高度為2835m，該大樣地的具體設(shè)置方法詳見李效雄等對其的詳細(xì)描述[12]。研究對象青海云杉林林分及其更新苗的調(diào)查依次選擇每個20m×20m樣方左下角的5m×5m的樣格，對樣格內(nèi)的青海云杉林更新苗和成年樹進(jìn)行調(diào)查，參考楊逍虎等研究，把樹高≥1.5m的青海云杉個體歸為成年樹，樹高<1.5m的幼苗、幼樹個體都?xì)w為更新苗[10]，其中更新苗的調(diào)查包括基徑、株高、冠幅，成年樹的調(diào)查包括胸徑、株高、冠幅等，基徑使用電子游標(biāo)卡尺進(jìn)行測定，胸徑使用毫米尺進(jìn)行測定，株高使用激光測高儀進(jìn)行測定，冠幅使用鋼卷尺(更新苗)和皮尺(成年樹)進(jìn)行測定，包括東西方向和南北方向的冠幅大小。

所有的數(shù)據(jù)均在Excel進(jìn)行整理和統(tǒng)計，更新苗樣方內(nèi)更新苗密度、平均基徑、平均株高和林分?jǐn)嗝娣e的描述性統(tǒng)計分析均在SPSS19.0軟件中完成，其中平均基徑、平均株高為每個樣格內(nèi)所有更新苗個體的基徑、株高的平均值。變異系數(shù)的計算公式：

變異系數(shù)CV(%)=標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)/平均值(Mean)×100%

對林分?jǐn)嗝娣e與更新苗生長指標(biāo)包括密度、平均基徑、平均株高和林分?jǐn)嗝娣e進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，如符合正態(tài)分布，則進(jìn)行雙側(cè)檢驗(yàn)，勾選Person相關(guān)系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 青海云杉林更新苗數(shù)量特征

對祁連山青海云杉林動態(tài)監(jiān)測大樣地內(nèi)林下108個更新苗樣方的青海云杉更新苗進(jìn)行了統(tǒng)計分析，見表1。由表1可知，大樣地內(nèi)的青海云杉更新苗密度的均值大小為11470株·hm-2，總體更新良好；更新苗密度的最小值為400株·hm-2，最大值為60000株·hm-2，其變異系數(shù)達(dá)到了117.54%，表現(xiàn)為極強(qiáng)度的變異，表明更新苗空間分布格局趨向斑塊性聚集分布。更新苗的平均基徑分布范圍大小為0.24～37.89mm，平均株高分布范圍大小為0.10～1.43m，變異系數(shù)依次為49.99%和42.11%，表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的變異。

表1 青海云杉更新苗數(shù)量特征

2.2 林分?jǐn)嗝娣e數(shù)量特征

對祁連山青海云杉林動態(tài)監(jiān)測大樣地內(nèi)108個更新苗樣方所在的青海云杉林林分?jǐn)嗝娣e進(jìn)行了統(tǒng)計分析，見表2。由表2可知，林分?jǐn)嗝娣e的均值大小為697.89cm2·hm-2，最小值為2.54cm2·hm-2，最大值為2568.44cm2·hm-2，其變異系數(shù)為76.68%，表現(xiàn)為中等強(qiáng)度的變異，表明青海云杉成年個體也趨向斑塊性聚集分布。

表2 青海云杉林分?jǐn)嗝娣e數(shù)量特征

2.3 林分?jǐn)嗝娣e與更新苗生長的關(guān)系

對青海云杉林動態(tài)監(jiān)測大樣地更新苗樣格內(nèi)林分?jǐn)嗝娣e與更新苗密度、基徑和苗高進(jìn)行了相關(guān)性分析，見表3。由表3可知，林分?jǐn)嗝娣e與更新苗密度之間呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與更新苗平均基徑、平均株高之間無顯著相關(guān)性(P>0.05)；更新苗密度與其平均基徑之間呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，與平均株高之間呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；更新苗平均基徑與其平均株高呈極顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表3 青海云杉林分?jǐn)嗝娣e與更新苗密度、基徑和苗高的

3 結(jié)論與討論

祁連山青海云杉林動態(tài)監(jiān)測大樣地更新苗樣方的更新苗數(shù)量特征(更新苗密度、平均基徑和株高)及其所在樣地的林分?jǐn)嗝娣e數(shù)量特征表明，青海云杉林更新苗與成樹均成斑塊性聚集分析格局，這與楊逍虎等[10]、拓鋒等[13]研究結(jié)果結(jié)論一致，原因是更新苗的這種分布格局是由其生物學(xué)特性決定的，有利于更新苗初期階段包括更新苗萌發(fā)、發(fā)育和生長。本研究表明，青海云杉林分?jǐn)嗝娣e與更新苗密度呈顯著負(fù)相關(guān)，說明林分?jǐn)嗝娣e的增加，會造成林地資源的競爭，分配到更新苗個體的可利用性資源減少，不利于更新苗萌發(fā)、發(fā)育和生長；相反，在林分?jǐn)嗝娣e較小時，林下光照條件和營養(yǎng)物質(zhì)相對充足，有利于更新苗的繁殖生長。該研究結(jié)論與董莉莉等[8]對遼東蒙古蒙古櫟林對天然更新的影響不一致，該研究認(rèn)為，在一定的基面積內(nèi)，更新苗密度隨基面積的增加而增加。因此，在對祁連山青海云杉林經(jīng)營和管理的過程中，需要對祁連山青海云杉林的目前管理方式進(jìn)行人為干預(yù)，如通過對林分內(nèi)的枯死木、風(fēng)倒木、枯死木、衰弱木清理，增加林分內(nèi)更新苗的生長空間，為更新苗萌發(fā)、發(fā)育和生長創(chuàng)造生長資源，實(shí)現(xiàn)單一林層向復(fù)層林或者異齡林方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)青海云杉林生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性發(fā)展，更好地發(fā)揮其生態(tài)服務(wù)功能。