云冷杉林是广泛分布于欧亚大陆和北美的一种植被类型, 也是我国分布最广的森林类型之一(W.沙菲尔, 1958; 中国植被编辑委员会, 1980; 乌弘奇, 1987; 李文华等, 1979; 马金双, 1985a; 马金双, 1985b)。它广泛分布于我国东北山地(小兴安岭、长白山及张广才岭)、华北山地(五台山、燕山、吕梁山、太行山)、秦巴山地(秦岭、大巴山)、蒙新山地(阿尔泰山、天山、祁连山、贺兰山、阴山)以及青藏高原的东缘及南缘山地(横断山脉、念青唐古拉山和喜马拉雅山脉); 在台湾的山地也有天然的云冷杉林的分布。目前在浙南和桂北山地也相继发现了残存的冷杉林。

云冷杉林是我国寒温性常绿针叶林中分布最广的森林类型。它不仅能为国民经济提供各种经济用材, 同时也是重要的造纸和人造纤维的原料(吉林森林编辑委员会, 1988)。近年来随着生态林业、林业可持续发展、保护生态环境、维护生态平衡等概念、问题的提出, 云冷杉林在涵养水源、保持水土、维护周围地区生态平衡、改善生态环境, 保证工农业生产正常进行等方面也越来越受重视。

过去人类对云冷杉林的环保作用认识不足, 造成了环境破坏的严重后果。对其进行总结分析将会对反思年我国发生的特大洪水起到某种借鉴作用。

1 国内外以往研究成果分析 1.1 群落结构与生产力

有关云冷杉林群落结构与生产力的研究在我国以西南四川高山林区和东北长白山为主, 苏联远东、美国、加拿大、北欧也有大量研究成果。

1.1.1 我国东北长白山林区

日本的竹内亮, 我国的刘慎谔、钱家驹等对东北植被分布、各森林类型的特征均有较多研究(吉林森林编辑委员会, 1988) ¹⁾, 包括云冷杉林, 但涉及群落结构的不多, 而且研究内容多为描述性的, 属于本底调查。到了80年代初期, 中国科学院林业土壤研究所系统地研究了长白山森林生态系统的结构、功能、生产力、稳定性等等。

1) 北京林业大学.森林生态学(自学型).1989。

王战等研究了长白山北坡各个森林类型的群落结构特征(王战等, 1980), 指出云冷杉林具有稳固而独特的群落外貌, 层次结构一般可分为立木层、下木层、草本层和死地被物层, 树种组成通常简单, 多为林龄相差很大的异龄林。云冷杉林往往具有较高的生物生产力。

陈灵芝研究了长白山西南坡鱼鳞云杉林的群落结构(陈灵芝, 1963), 详细探讨了其种类组成及其生活型特点、成层现象、层片结构和镶嵌性等问题, 其结论与王战等人的研究结果近似, 尤其是在种类组成、层次结构等方面。

在生产力方面, 1983年中国林业土壤研究所的徐振邦等应用数量化理论Ⅰ及方差分析研究了云冷杉红松林的森林植物群落结构与生产力的关系(徐振邦等, 1983), 找出了其高产的林分结构条件。中国科学院自然资源综合考察委员会李文华等在生物量方面作过较深入的研究(李文华等, 1981)。

1.1.2 四川高山林区

川西云冷杉林是青藏高原东缘寒温带常绿针叶林气温-5℃~3℃, 七月15℃~20℃; 年降雨量700~800mm, 冬季为干季, 降水较集中于夏季。因此除了暗针叶林的一些最基本中分布地域最广阔、森林面积最大的一个类型。由于本区纬度低、海拔高, 其气候特点是冬季比寒温带暗针叶林区要暖和, 一月平均特征, 本区的云冷杉林与北方寒温带的相比有不少显著的差异。

我国的郑万钩、邓叔群、方文培、刘慎谔、曲仲湘、俞德浚、朱惠芸、程绍行、吴中伦等以及国外的E.H.Wilson, H.Handel-Mazzetii, F.Kingdom, Ward, W.Limpricht等人于解放前就曾在此开展科研工作, 多以采集标本为主, 兼作路线考察, 记载并分析了本区植物的垂直分布、植被类型, 区系成分等(四川森林编辑委员会, 1990)。涉及到群落结构和生产力的不多, 或不全面。

解放后中国科学院西部地区南水北调综合考察队、吴中伦、姜恕、蒋有绪、四川林业科学研究所的杨玉坡等都曾在这里进行深入细致的科学考察, 并纷纷提出了自己的森林地理分区, 但涉及到群落结构和生产力研究的也不多。蒋有绪研究了本区的云冷杉林在区系植物、群落结构、演替方面的特征及群落分类的系统问题(蒋有绪, 1963), 并且同北方的云冷杉林进行了相应的对比。

张万儒采用森林土壤定位研究方法, 对本地区云冷杉林的土壤进行了深入细致的调查研究(张万儒等, 1986; 张万儒, 1962; 熊叶奇, 1963; 张万儒, 1964a; 张万儒, 1979), 得出了很多重要的结论。四川林业科学研究所也在这方面做过大量的工作^2)、3)。

2) 刘醒华.米亚罗林区冷杉林下土壤的有机质状况。见四川省林业科学研究所.四川高山林业研究资料刊, 第1集, 1972。

3) 杨玉坡.关于川西米亚罗采伐迹地天然更新的问题。见四川省林业科学研究所。四川高山林业研究资料集刊, 第2集, 1979。

1.1.3 国外研究状况

国外对云冷杉林的群落结构和生产力的研究集中在阿巴拉契亚山脉、阿尔卑斯山、原苏联远东西伯利亚等地区(瑞典Wld Sundberg, 1980; 向开馥, 1985; K.杜马斯泰雷尔逊, 1958)。这些地区的云冷杉林与我国境内分布的一样, 具有一些最基本的暗针叶林的外貌、结构特征。由于云杉冷杉的强烈的建群作用形成了暗针叶林特殊的群落环境造成了不同地区的云冷杉林下的植物既有当地特有的种类, 更包括一些普遍存在的属种。如欧亚大陆北部和北美暗针叶林中的常见草本植物林奈草、七瓣莲、二叶舞鹤草、杜香等, 在南方亚高山地带则未有发现。又如我国西南高山云冷杉林下的杜鹃属、箭竹属、白珠属、枸子木属、珍珠花属、钓樟属、木姜子属等下木种, 其它地区暗针叶林下不存在或分布极少。但更值得一提的是许多隔离的山区生长的云冷杉林下有着许多共同的下木和活地被物, 这里就不一一例举了; (2)云冷杉林下许多典型植物的系统发育过程与暗针叶林的发育密切联系。这可能是由于云冷杉林特殊而稳定的群落环境作用的结果; (3)云冷杉林下大部分植物具有无性繁殖的能力。云冷杉林下荫暗潮湿风小, 不利于有性繁殖。大部分植物的花呈白色或粉红色, 在荫暗的林下显得异常醒目。这些植物很少结实, 并依靠根茎在土壤表层厚厚的死地被物中穿插繁衍。从根茎的节上发出一些细弱的须根, 细根上多共生菌丝, 这些植物依靠菌根可以直接利用死地被物层中的一些有机态养分; (4)云冷杉林下许多常见多年生草本及小灌木体型较矮, 其高度一般不超过5~20cm, 这可能与这些植物对雪被的适应有关。除了这些基本特征, 不同地理位置、不同海拔处的云冷杉林在种类组成、层次结构、年龄结构、生产力等方面又各有特点。

由以上可知, 很多生态学家、植物地理学家、林学家在云冷杉林的群落结构和生产力研究方面已经作出了突出贡献, 取得了一大批成果, 但有待进一步深化, 云冷杉林生物多样性的研究尚属薄弱, 为合理经营与利用云冷杉林, 应加强对其结构与生产力特征的深入研究, 以实现云冷杉林的可持续发展。

1.2 演替、采伐与更新 1.2.1 演替

由于云冷杉林下生态环境特点为荫暗、潮湿和风小, 给林冠下更新幼树的生长和发育带来了深刻的影响, 这不但影响目前森林群落结构的特征, 同时也决定着今后的演替方向(吉林森林编辑委员会, 1988)。

对于云冷杉林, 由于其建群树种的生物学特性———幼树耐荫性强, 而云冷杉林下的环境特点是荫暗潮湿, 所以云冷杉的幼树天然更新良好。如果未受任何干扰或者人类进行合理的采伐利用, 那么云冷杉林可以不断生长、死亡, 被新长成的云冷杉代替, 一直持续下去。

如果人类采伐利用不合理(如大面积皆伐)或者云冷杉林遭受火灾等严重自然灾害, 破坏了云冷杉林的特有群落结构与其环境, 则会被山杨、白桦或落叶松等次生林分所代替。当杨桦或其它次生林分兴起后, 林下又恢复荫湿生境, 适合云冷杉幼苗幼树的生长, 于是原生树种云冷杉的后代又在杨桦林下复生, 此时形成“和平共处”的复层林。杨桦寿命短、后期生长慢, 终生高度不及云冷杉, 随着时间的推移, 云冷杉林发挥后期生长较快的特点, 逐渐超过了杨桦。且云冷杉随着年龄的增长要求增加光照, 能在上层正常生长。而杨桦由于得不到光照, 随着时间进一步延续就会被淘汰, 云冷杉林重建(吉林森林编辑委员会, 1988; 北京林业大学, 1989)。这就是云冷杉林的一般演替规律, 国内外多数专家学者均表示认可。

1.2.2 采伐

实际上云冷杉林的演替趋向是相当复杂的。这与立地条件、种源、采伐利用方式(人类的干扰)等关系重大, 其中人类的采伐利用是决定性因素。

李果甘指出, 一个好的采伐方式, 空间上应使各林种结构合理, 有利于发挥森林的多种效益; 经营上应有利于森林更新, 加速生长, 保障工农业生产; 时间上应实现森林的永续利用(李果甘, 1989)。通俗一点说, 叫做“越采越多, 越采越好”, 这样才能实现森林与人类的可持续发展。

关于采伐, 我国和其它国家都曾有过惨痛的教训。罗菊春在谈到森林主伐更新时, 提出森林合理采伐的一个重要标志是森林的永续利用(孙时轩, 1992)。而这种永续利用, 不仅指木材生产, 还应包括水资源、动物资源及森林其它各种用途的永续。这与实现森林的可持续发展不谋而合。

关于云冷杉林的开发利用历来就存在很大的争议, 一个是有些地区的云冷杉林该不该采伐利用, 一个是采取哪种采伐方式, 有的主张择伐为主, 有的强调以皆伐为主。也有的主张彼此兼顾, 全面统筹考虎。〈1〉东北地区对于我国东北地区的云冷杉林来说, 以前由于对采伐与更新的关系等问题认识不深, 加上当时国家经济建设的迫切需要, 曾实行过大面积的皆伐作业, 刘慎谔等许多生态学家曾极力反对后来证明皆伐后不论面积大小更新都很困难而且带来了水土流失等一系列环境问题因此专家们指出对本地区可利用的云冷杉林最好采用择伐方式, 这样云冷杉林才能起到更好的水源涵养、保持水土、维护生态平衡等方面的作用(吉林森林编辑委员会, 1988; 林业部大兴安岭采伐更新调查研究队, 1991; 刘壮飞等, 1985; 辽宁省林学会等, 1982; 李玉祥等, 1994; 王九龄, 1992; 波列柯夫A.H., 1989)。〈2〉川西地区四川省西部高山地带的原始森林多分布于各大江大河的源头支沟, 山高坡陡, 地形复杂, 海拔多在3, 000m以上, 森林分布上限可达4, 200m, 树种以冷杉、云杉为主, 具多层结构, 在山区生态平衡中占重要位置, 具有重要的水源涵养和水土保持功能, 有着巨大的水文效应。因此, 近十几年来四川省对川西高山森林的开发利用以森林的防护作用的保持和发挥作为首要的目标, 历次的采伐规程都明确规定保留各种防护林。特别是1982年制定的采伐规程, 对位于各条支沟尾部的森林, 均明确规定必须划作水源涵养林。同时, 还明确规定在乔木界线以下划留防护林, 这对防止草甸下侵、森林界限下移有着重大的作用(梁罕超等, 1990; 四川森林编辑委员会, 1990; 中国科学院西部地区南水北调综合考察队, 1966)。但由于实际工作中未严格按照规程办事, 造成了川西云冷杉林的大肆破坏, 引起环境恶化, 水土流失加剧, 与今年发生的特大洪水不无关系。今后应加强对云冷杉林的生境对采伐利用方式反响的研究, 以实现国土的长治久安。〈3〉原苏联远东地区原苏联远东地区的云冷杉林跟我国一样, 是很多河流的源头。如北高加索森林对库班河、捷列克河、玛尔卡河和其他河川的水文状况有很大的影响, 而这些河川的水是被广泛利用于灌溉斯大维罗宝里州、罗斯托夫州和其他一些州的干旱田地, 喀尔巴阡山森林对德涅斯特尔河、布格河、齐斯萨河及其他河川的水文状况则起着调节作用, 中亚细亚和哈萨克斯坦山地森林则改善着许多河川的水量, 而后者是灌溉乌兹别克斯坦、塔吉克、土库曼、吉尔吉斯及南哈萨克斯坦等地区的棉田的水源。但50、60年代时苏联政府对西伯利亚、高加索和远东等地森林的采伐利用有些过分, 造成云冷杉林等林分的生产力及防护作用大为下降(郭垣, 1964; 赵志欧, 1963; H.M.沃洛诺夫, 1958)。类似情况多处发生, 例如在阿尔古丹河上游地区、喀尔巴阡地区等。由于进行皆伐和地面集材的结果, 土壤侵蚀日趋严重, 土壤肥力大大下降, 伐区上不适宜的和非理想的树种把原来珍贵的树种更替了(郭垣, 1964; 张万儒, 1964b; 关石钧, 1963)。云冷杉林及山毛榉林的面积逐年减少, 采伐迹地上更新树种均系千金榆、桦木、山杨、榛树、山毛柳, 有时则被悬钩子、杜鹃、地杨梅等萌蘖条及其它灌木所覆盖。

喀尔巴阡山地区广泛采取条件皆伐、带状皆伐和拔大毛式的滥伐, 尤其在土层浅薄的陡坡上, 土壤侵蚀过程相当严重。1 hm²林地上被冲走的最肥沃的土壤达500~600t, 从而使土壤肥力、森林、割草地和牧地的生产力下降, 同时森林天然更新十分困难。根据北高加索林业试验站对北高加索冷杉和山毛榉林皆伐迹地上的天然更新所做的调查研究表明, 主要树种(冷杉和云杉、栎、水青冈)的更新面积仅占总面的15% (郭垣, 1964; 关石钧, 1963)。根据当时的统计, 10年内这儿未更新起来的采伐迹地约47, 300hm², 而荒地、林中空地和疏林地的面积达170, 200hm²。之所以造成这种情况, 是由于当时对森林在该地区的水源涵养作用认识不够, 从而造成经营方式不当, 即当时苏联山地森林中进行的主伐———皆伐、条件皆伐和拔大毛式的采伐, 是不能保证森林天然更新、森林水源涵养和保土作用的(里德尔·珀森, 1980; Stephen et al., 1980; Bormann et al., 1994)。鉴于云冷杉林等山地森林在保证河川有足够的水量, 在防止水土流失以及在为山地邻近的平原地区农业经营创造良好条件等方面均具有较大的国民经济意义, 因此必须在此类森林中禁止皆伐。

1.2.3 更新

衡量一种主伐方式好坏的一个基本标志是森林更新是否良好。森林更新是森林永续的基础, 天然林或人工林经过采伐火烧或其它自然灾害而消失后, 在同一更新地, 应根据具体条件, 同时采用几种更新方法。更新必须跟上采伐, 这是我国采伐更新管理办法对更新工作的基本要求, 也是衡量一个林业单位更新工作好坏的重要标志。按照规定, 更新跟上采伐有严格的标准(孙时轩, 1992)。

云冷杉林在林冠下, 林窗隙地都能实现自身的恢复。有些云冷杉属的树种块状暗针叶林比大面积暗针叶林天然更新良好。林冠下更新的质量、数量, 往往决定于上层郁闭度和林分年龄。中龄、高郁闭度的林分天然更新不及成熟龄较稀疏的林分(中国植被编辑委员会, 1980; 吉林森林编辑委员会, 1988; 四川森林编辑委员会以西南高山云冷杉林区的天然更新为例有如下规律四川森林编辑委员会, 1990) : (1)山原区较通风、干燥的气候有利林木结实, 保证种子数量和质量, 也改善了种子发芽条件。根据龙斯曼、杨玉波研究, 云冷杉种子数量在非山原区每公顷有效种子数量达2.8×10⁴~20×10⁴粒, 每年可达3×10⁶~4×10⁶粒。看来, 区别于高山狭谷暗针叶林区的是发芽条件好。(2)湿润缺少死地被层的土壤利于更新。(3)林窗、林缘、隙地较通风、透光处更新好。(4)有疏矮灌木和不发达的草木庇护更新好。(5)择伐迹地比皆伐迹地上好, 林冠适度疏开好。(6)稳定的环境和较长的时间是必要的。概括其天然更新良好的条件是:“种源足, 地面净, 适度光照, 较长时间”。

综上, 许多国家在云冷杉林的经营利用方面都走过弯路, 关键在于对云冷杉林的生态效应认识不足, 只顾眼前, 不作长远打算, 这种经营方式已远远不能跟上时代步伐。

2 不同采伐方式对云冷杉林更新与生境的影响 2.1 不同采伐方式对云冷杉林更新的影响

采伐方式不同对云冷杉林的天然更新影响很大。为制订合理的采伐方式, 必须研究:目的树种的主要林学特性; 林分年龄结构、林木组成与结构; 林冠下的、火烧迹地上的和不同采伐方式的采伐迹地上的森林更新的趋向与特性; 采伐后森林植物环境的变化; 确定不同条件采伐迹地上土壤的抗蚀强度。此外, 还应研究不同采伐方式对下木、草本地被物及枯枝落叶层的影响及其它一系列问题(潘志刚, 1964a)。

研究不同采伐方式对更新的影响一般采用典型路线调查法和定位与半定位的方法。如果两者结合起来使用, 能获得最好的效果(潘志刚, 1964b; Wailter, 1973)。

从云冷杉林的本性来看, 天然更新是比较可靠的更新方式。前苏联、北美及我国东北地区云冷杉林的经营史提示我们, 通过渐伐和择伐可以获得良好的天然更新(李果甘, 1989; 郭垣, 1964); 而皆伐后一般天然更新困难, 因为大量的前更幼树由于不能适应突变的环境而死亡(吉林森林编辑委员会, 1988)。

渐伐和择伐后, 不需进行代价很高的造林, 就能完成树种组成极为理想的天然更新。同时, 林地上的森林培育过程没有中断, 这有利于最后促使森林生产率提高, 消除因立地环境变化引起的不良后果, 防止土壤侵蚀, 改善森林的水源涵养和水份调节作用等。

皆伐后, 往往引起云、冷杉被软阔叶树种更替, 并带来一系列的土壤侵蚀、水土流失等环境问题(吉林森林编辑委员会, 1988; 杨美和, 1982; 李景文, 1994; Jerry., 1982)。

2.2 不同采伐方式对云冷杉林生境的影响

特定的森林种类组成构成了特定的森林环境。云冷杉林由于云、冷杉的生物学和生态学特性形成了荫暗、潮湿、平静无风等一系列特有的群落环境。

皆伐后, 失去了云冷杉林连片而稠密的垂直郁闭林冠, 迹地上光照增强, 温差增大, 空气相对湿度下降, 风速增加, 破坏了云冷杉林特有的群落环境, 不利于云冷杉林的天然更新。同时容易造成地表迳流增加, 土壤侵蚀加重, 引发水土流失。

而择伐后, 只改变了局域小气候, 使林冠适度疏开, 适当的增加光照, 促进枯落物的分解, 有利于云、冷杉幼苗幼树的天然更新, 而并未完全破坏云冷杉林的特有环境。

森林是存在于森林土壤之上的。而森林植被是森林土壤形成的主导因素之一。森林被采伐之后, 必将引起森林土壤动物和微生物区系的改变, 以及水、热和其它物质的再分配, 从而使土壤性质产生相应的变化(Pritchett et al., 1987)。但是, 这种变化的程度, 是以采伐方式、采伐时间、林分类型和母质的不同为转移的(贾守信等, 1984)。

为使迹地尽快地恢复森林, 需要采取下列措施(辽宁省林学会等, 1982; 王九龄, 1992; 中国科学院西部地区南水北调综合考察队, 1966) : (1)采用强度在40%以内的择伐, 废除皆伐或只有在特殊情况下采用小面积皆伐; (2)为适应当前森林更新跟不上采伐和人工更新效果差的现状, 择伐迹地应以天然更新为主人工促进和补造为辅对现存的大面积皆伐迹地应进行人工造林造林时应进行块状整地, 破除草根盘结层, 使幼苗根系直接插入土壤矿质层中, 并与之紧密接触; (4)在特殊情况下采用皆伐, 其面积应严格控制在2~3hm²以下, 并在采伐后1~2年内完成造林工作, 保证质量, 及时抚育; (5)分布在地势低平部位的云冷杉林, 应确认只能采用择伐, 不能或不适宜采用皆伐, 否则易引起土壤沼泽化的加强, 引发水土流失等环境问题。

综上所述, 云冷杉林在维护全球生态平衡、为人类提供木材及其它林副产品、促进人类社会可持续发展等方面起着不可低估的作用。因此研究云冷杉林在不同干扰下群落结构、更新与生境的变化具有重大的理论与现实意义。

这方面前人作过一些研究工作, 普遍认为云冷杉林不宜进行皆伐, 因皆伐后会造成环境剧变, 不利于天然更新。大部分学者认为应对云冷杉林进行择伐, 甚至提出择伐强度不应超过40%。但是至今没有全面系统地研究云冷杉林群落结构、生产力、林内温度、湿度、枯落物分解速率、林下土壤、地表迳流及水源涵养能力等对不同采伐方式的响应, 关于云冷杉林生物多样性的研究还相当孱弱。

今后应重点研究云冷杉林在涵养水源、保持水土、维护环境稳定方面的重要作用以及现有云冷杉林的保护措施和被破坏的云冷杉林如何尽快恢复以发挥良好的生态效益等问题, 使云冷杉林在我国生态环境建设中发挥应有的重要作用