文章信息
- 范少辉, 张群, 沈海龙.
- Fan Shaohui, Zhang Qun, Shen Hailong.
- 次生林内红松幼树的恢复及其状况的量化表达
- Recovery and its Quantitative Expression of the Planted Young trees of Pinus koraiensis under Natural Secondary Forest
- 林业科学, 2005, 41(1): 71-77.
- Scientia Silvae Sinicae, 2005, 41(1): 71-77.
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文章历史
- 收稿日期:2004-04-12
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作者相关文章
2. 国际竹藤网络中心 北京 100102;
3. 东北林业大学森林资源与环境学院 哈尔滨 150040
2. International Centre for Bamboo and Rattan Beijing 100102;
3. Northeast Forestry University Harbin 150040
红松阔叶混交林是我国东北东部山区的地带性典型森林植物群落之一,其优势树种红松(Pinus koraiensis)具有很高的经济价值,其间还伴生有许多珍贵的其它阔叶树种。然而,由于缺乏对红松阔叶混交林资源利用和采伐更新问题科学的指导思想, 红松阔叶混交林的工业性采伐已使其资源锐减,甚至出现了红松商品材枯竭,因此,恢复和发展红松阔叶混交林刻不容缓(王凤友,1994;王业蘧,1995)。
红松阔叶混交林是一种动态且具有较强恢复能力的生态系统,即使遭受了多种自然及人为的干扰,经过长期更新和演替过程,仍能恢复其原有稳定、高产、优质的林分,最终达到相对稳定的顶极群落状态。有些研究者针对红松阔叶混交林的更新问题提出了“栽针保阔”的经营思想,并在东北东部林区采用(王凤友,1994:李景文,1997;徐化成,2001)。在林下人工栽植红松,成活率较低,其幼树生长缓慢,给整个林分郁闭带来一定困难。另外,有关林下红松生长的许多认识仍停留在经验水平,如“脱了衬衣穿大褂,摘掉帽子露脑瓜”就是对红松适宜生境的形象描述,但在生产实践中不容易把握(张群等,2003)。
为此,本项研究在不同经营阶段进行透光伐,通过调整林分结构,改善林下红松幼树的生长环境,促进林下红松的生长。同时,引入国外先进的林分空间结构参数来表达林下红松幼树的环境与生长状况,为天然次生林内红松幼树恢复的的抚育方式提供科学依据。
1 试验地概况试验林地位于黑龙江省尚志县境内的东北林业大学帽儿山实验林场。帽儿山属长白山系支脉张广才岭西北部小岭的余脉,是东北东部山区较典型的天然次生林区,其植被属长白植物区系,原地带性顶极群落为红松阔叶混交林。帽儿山平均海拔300 m,属于温带季风气候区,年平均气温2.8 ℃,年平均湿度70 %,年平均降水量723.8 mm。
2 研究方法 2.1 标准地设置及调查试验林分是在天然次生阔叶林采伐1年后,采用“见缝插针”的方法在林下人工栽植红松幼树(2年生、3年生)形成的红松阔叶混交林,栽植密度约为2 000株·hm-2。标准地设置按照不同经营阶段(未透光伐和已透光伐)和不同坡位(上坡、中坡、下坡)两个因子设立系列样地,标准地面积为400 m2(20 m×20 m),每个重复设置标准地6块,做3个重复,共设18块标准地。其中,未透光伐经营阶段(A经营阶段)的试验林分为1989年红松林冠下造林,已透光伐经营阶段(B经营阶段)的试验林分为1986年红松林冠下造林,并在1992年时进行过一次“解放”红松幼树的透光伐,主要是伐除红松幼树的上层林木,采伐强度约为30%。标准地内除了进行常规调查外(每木检尺、林下植被调查、土壤调查等),还详细绘制了每一块标准地的林分定位图,以供参数分析使用。
2.2 参数选择 2.2.1 混交度混交度是一种混交林树种空间隔离程度的表达方式,表明了任意一株林木的最近相邻木为非同种的概率(Von Gadow et al., 1992;Fueldner,1995;惠刚盈等,2001a; 2001b)。混交度(M)计算公式为:
式中:
当考虑参照树周围最近的4株相邻木时(n=4),此结构单元的Mi的取值有5种情况(表 1)。
比较林分内树种的隔离程度时,可采用林分混交度分布均值(M)。其计算公式为:
式中:N表示林分内所有林木株数,Mi表示第i株树的混交度。
2.2.2 大小比数大小比数是评定相邻木大小关系的一个新的林分空间结构参数(惠刚盈等,1999a),它量化了参照树与其相邻木的关系。大小比数(U)的计算公式为:
式中:
当考虑参照树周围最近的4株相邻木时(n=4),此结构单元的Ui的取值有5种情况(表 2)。
在一个林分中,反映某树种在整体林分中某一测度方面(胸径、树高或冠幅等)上的优劣程度,可采用该树种的大小比数分布均值(Usp),其计算公式为:
式中:L为林分内该树种(sp)的数量,Ui为该树种的第i株树的大小比数值。
2.2.3 角尺度角尺度作为描述林木个体分布格局的结构参数(Von Gadow et al., 1998;惠刚盈等,1999b),反映了相邻木围绕参照树的均匀性。角尺度(W)的计算公式为:
式中:
当考虑参照树周围最近的4株相邻木(n=4),且标准角a0取72°时,此结构单元的Wi的取值有5种情况(表 3)。
对于林分的整体分布情况,可用角尺度分布的特征值即均值(W)来表示,其计算公式为:
式中:N为林分中所有林木的株数,Wi为第i株林木的角尺度值。
根据W的值可以对林分的分布情况进行判别。当W取值范围属于(0.475, 0.5 17)时,林分为随机分布;当W>0.517时, 为团状分布;当W < 0.475时,为均匀分布。
3 结果与分析 3.1 透光伐调整林分结构的实施效果试验林分内的针叶树种主要是红松,其它主要阔叶树种有色木槭(Acer mono)、水曲柳(Fraxinus mandshurica)、山杨(Populus davidiana)、柞木(Quercus mongolica)、白桦(Betula platyphylla)、春榆(Ulmus davidiana var. japonica)、糠椴(Tilia mandshurica)等速生的阳性阔叶树种。林下植被主要分为灌木层和草本层,其中灌木主要有暴马丁香(Syringa amurensis)、胡枝子(Lespedeza bicolor)、卫矛(Euonymus sacrosanctus)、鸡树条荚迷(Viburmum sargenti)、软枣猕猴桃(Actindia arguta)等;草本主要有蕨(Pteridium aquilinum)、侧金盏花(Adonis amurensis)、羊胡子苔草(Carex callitrichos)、宽叶苔草(Carex siderosticta)、掌叶铁线蕨(Adiantum pedatum)等。林分基本生长状况见表 4。
调查表明,不同经营阶段的红松幼树生长存在明显差异。A经营阶段,红松幼树绝大部分未达到胸径进阶值(1.9 cm),树高和冠幅值也较低,主要生长在林下的草、灌丛中。B经营阶段,红松幼树的胸径、树高及冠幅均显著提高,大部分红松已离开草、灌丛,接近上层林冠(见表 1)。方差分析结果表明,在不同的坡位条件下红松幼树的生长没有显著差异,Fa=0.005 7 < F0.01(2, 12)=6.926 6;经营阶段与坡位的交互作用对红松幼树的生长影响也不大,Fab=1.706 4 < F0.01(2, 12)=9.330 3;而不同经营阶段红松幼树生长有显著差异,Fb=81.942 7>F0.01(1, 12)=6.926 6。该结果表明,经过红松幼树“解放”的透光伐,调整了林分结构,改善了林内环境条件,促进了红松幼树的生长,使得不同经营阶段红松幼树的生长存在明显差异。因此,在“栽针保阔”恢复途径中,可以通过阶段性地实施透光伐,逐步调整林分结构,以满足红松幼树在不同生长阶段对环境条件要求的变化,从而解决林下红松幼树生长缓慢的问题。同时该结果也验证了俗语“脱了大褂穿衬衣,摘了帽子露脑瓜”对红松在不同生长发育阶段对生长环境条件要求变化的描述。
3.1.2 对林下草本及灌木生长的影响林下植被的生长状况在不同经营阶段的林分内明显不同(表 5)。经过透光伐以后,林下草本的种类、数量、平均高及盖度等均大幅度减少,林下灌木的种类、数量及盖度也明显下降,但其平均高却有较大提高(图 1,2)。可见林分未透光伐时,红松幼树生长基本处于下木层,使得林下草本和灌木获得了与红松幼树相同的营养空间和生长环境而生长繁茂,彼此间存在强烈的生存竞争。透光伐后,红松幼树的生长环境得到改善,生长恢复,与其它阔叶树形成浓密的上层林冠,使林下的灌木和草本得不到良好的生长环境,除部分灌木外,大部分的灌木、草本生长受抑制。
从调查结果看,在不同经营阶段林内阔叶树的生长存在明显差异。经过透光伐后,B经营阶段阔叶树的平均胸径和平均树高比A经营阶段的值更低(表 1)。从各径阶的株数情况看,透光伐后小径阶(2~8 cm)和大径阶(30~36 cm)内的数量增多,中等径阶(10~28cm)的数量却明显减少(图 3)。该结果表明透光伐后,一方面,疏伐了一部分影响红松幼树生长的高大的阔叶树,使得阔叶树的平均胸径和平均树高相对减小。另一方面,林分透光伐改善了林分结构,同时阔叶树又相对于红松速生,因此阔叶树生长迅速,同时又产生大量的更新幼树,使得小径阶和大径阶的阔叶树的数量大大增加。
用大小比数来描述林下更新红松幼树生长的优劣状况。从红松幼树的大小比数的分布看,透光伐调整林分结构后,红松幼树的生长得到明显改善(图 4)。在A经营阶段,红松的数量随着U值的减小而大幅度下降,生长处于劣态(U=0.75)及绝对劣态(U=1)的红松数量达到84%,生长处于优势(U=0)及亚优势(U=0.25)的红松数量仅为3%。在B经营阶段,红松幼树大小比数的分布状况则呈现出“两头多中间少”的趋势,此时劣态(U=0.75)及绝对劣态(U=1)红松数量下降到42%,优势(U=0)及亚优势(U=0.25)红松数量上升到38%,平均木(U=0.5)为19%。另外,不同经营阶段红松幼树的大小比数分布均值U也有较大变化,A经营阶段UA=0.823 6,至B经营阶段UB=0.530 1,透光伐后U值大大降低,即林内红松幼树由被压木状态转变为平均木状态。可见,红松幼树在恶劣的环境条件下,生长受到抑制,透光伐后林分的环境条件得到一定程度的改善,大部分红松幼树的生长可以得到恢复。然而,仍有一些红松幼树的生长长期受到抑制,生长势衰弱,此后即使获得了良好的生长环境也难以迅速恢复生长。因此,必须掌握好林分结构调整的时间,适时地调整林下红松的生长环境。
此外,还采用混交度和角尺度这两个林分空间结构参数来表达红松幼树周围相邻木的树种混交和分布状况。研究结果表明,不同经营阶段红松幼树的混交度分布有较大的变化(图 5),A经营阶段红松幼树周围相邻木的混交程度较高,强度混交(M=0.75)和极强度混交(M=1)的数量达到71%,林分的平均混交度为0.82,经过透光伐调整林分结构后混交程度大大降低,B经营阶段强度混交(M=0.75)和极强度混交(M=1)的数量下降到32%,林分的平均混交度M为0.60(表 6)。而不同经营阶段红松幼树的角尺度分布变化不大,红松幼树的相邻木均围绕着红松呈随机分布(图 6),但林分平均角尺度(W)有明显变化(表 6),A经营阶段W为0.520(团状分布),经透光伐后B经营阶段W为0.508(随机分布)。上述结果表明,透光伐伐除了部分影响红松幼树生长的其它阔叶树种,大大降低了林分的混交程度,同时透光伐调整改善了林分结构,使得林木分布由团状分布转变为随机分布。这就意味着在天然次生林下人工栽植红松所形成的红松阔叶混交林中,林下红松幼树的生长趋势符合原始红松阔叶混交林中红松的成团生长规律,通过阶段性的林分结构调整,林分内红松幼树以及周围相邻木的分布向天然林分接近。
红松幼树的大小比数与混交度的回归分析结果表明,U与M呈正相关关系,红松幼树的生长越处于劣势,周围相邻木的混交度越高(图 7)。红松幼树的角尺度分布情况大致呈正态分布(图 8)。该结果表明,当红松幼树生长处于优势木时,周围相邻木为中度混交,且围绕着红松幼树呈随机分布。用大小比数、混交度和角尺度等参数可表示为U=0,U=0.25 (优势木),M=0.5(中度混交),W=0.5(随机分布)。
采用“见缝插针”的方法,在天然次生林内人工栽植红松幼树形成的红松阔叶混交林中,红松幼树在不同的生长阶段对环境条件的要求不同,随着林分的生长,林内的环境条件将不利于红松幼树的生长。而此时进行透光伐,适当的调整林分结构,能够降低相邻木对红松幼树生长的抑制作用,缓和红松幼树与林下植被的生存竞争,改善红松幼树以及其它珍贵阔叶树种的生长环境(光、水、养分和生长空间等),促其生长。因此进行阶段性透光伐调整林分结构是次生林内恢复红松幼树的有效方法。
采用传统的林业择伐方法对天然次生林进行调整,具有较强的主观性和随意性。同时传统的调查方法反映的是,林木的树高、胸径及林分密度等方面在林分结构调整前后的变化情况。而利用林分空间结构参数控制林分的采伐调整,不仅能为林业工作者提供丰富的林分空间信息,而且在实际操作中简便易行,能够科学有效地控制采伐调整的强度,因此具有良好的研究应用前景。如,对于1个以参照树及其周围最近4株相邻木组成的基本结构单元,可以用大小比数(U)、混交度(M)、角尺度(W)等参数来分析、表达、控制其相关的林学特征,用混交度分布均值(M)、大小比数分布均值(U)、角尺度分布均值(W)等参数来表达林分水平的状况。根据本研究结果,若红松幼树为优势木,周围相邻木为中度混交且呈随机分布,可表示为U=0或U=0.25,M=0.5,W=0.5。林分的混交度分布均值M=0.60,大小比数分布均值U=0.530 1,角尺度分布均值W=0.508。现阶段试验林分内林木呈随机分布,但混交程度较高,红松的优势程度也不高,因此还需要进一步调整林分结构,提高红松的优势度,降低林分的混交程度,即M值和U值减小,W值基本保持不变。
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