目標樹經營對火炬松人工林天然更新的初期影響

高 濤，陳興國，陳明泉，吳金虎，周 瑜，史 帥，汪 洋

(1.湖北省鐘祥市盤石嶺林場，湖北 鐘祥 431900; 2.湖北生態工程職業技術學院，湖北 武漢 430200)

1 引言

天然更新是森林生態系統自我修復、自我完善的過程。天然更新為形成連續覆蓋、穩定健康的森林生態系統補充足夠幼苗幼樹，影響著未來森林的樹種組成和林分結構，對未來森林生物多樣性及森林結構具有決定性的影響。然而，天然更新每一個過程都受各種外界因子及與其之間的相互影響。森林經營是人為干擾森林生態系統的主要技術措施[1]，是森林自我完善的外界促進因子。合理的森林經營，有利于環境與植物之間的相互作用，促進森林的自我修復與轉化，最終改善林分質量，增強林分穩定性，提高林分生產力，充分發揮森林的生態效益[2]。

然而森林更新的自然進程卻較為緩慢，合理的森林經營有利于環境與植物之間的相互作用，可促進森林的自我修復進程。因此，如何采用科學的森林經營措施，設置合理的撫育間伐強度，在改善林分質量并提高林分生產力的同時，促進林下天然更新是森林經營的研究熱點[3]。眾多學者在不同森林經營強度對土壤理化性質[4]、物種多樣性[1]、林分結構[5]、林分生長[6]和林分混交[7]影響等方面進行大量研究，論證了合理森林經營對森林更新的促進效應。然而，不同林分類型和立地條件，其經營措施對林下天然更新的影響具有不同效應，其相關研究不可或缺。

火炬松(Pinusteada)是美國東南部南方松中面積最廣、蓄積量最高樹種[8]。實踐證明，自2000年鐘祥市盤石嶺林場引種栽培火炬松，初期生長表現良好；15 a后，火炬松人工林已經存在生物多樣性嚴重下降、地力衰退、生態功能低下和生產力降低等一系列問題[9]。火炬松林的改造十分緊迫，樹種更新是實現改造的關鍵。源于德國的近自然森林經營，是當今國際公認的一種先進的森林經營方法[10]。通過近自然經營，巴伐利亞州成功改造了針葉林，大幅提高了針闊混交和闊葉林比例，森林質量得到極大提升[11]。人工林不僅在生態防護、生態支撐和生態修復中發揮著重要作用，同時承擔著供給能源、建設用材、美化景觀和文化服務功能，是森林生態系統的重要組成[12]。隨著生態環境意識日益提升，我國人工林的近自然經營越來越受到重視[13]。本研究以鐘祥市盤石嶺林場火炬松人工林近自然化改造為目標，探究目標樹經營不同間伐強度對林下天然更新的初期影響，為促進火炬松純林逐漸轉化為異齡復層針闊混交林提供理論依據。

2 研究地概況

研究地位于湖北省鐘祥市盤石嶺國有林場(112°41′30″～112°45′32″E，31°07′56″～31°19′51″N)，總面積4514.63 hm2。該地屬亞熱帶季風氣候，四季分明、雨熱同期。年均氣溫15.9 ℃，年降水量1000 mm，全年無霜期263 d。丘陵崗地地貌，坡度在5°～15°之間，海拔范圍為9.2～248.4 m。土壤主要是由頁巖、礫巖、砂巖和第四紀粘土母質形成的黃棕壤和黃褐色土。

研究林為2003年引種栽培的火炬松人工林，面積達2300 hm2。經觀察發現火炬松前期生長優于鄉土樹種馬尾松，15 a后生長緩慢。較高初植密度(2m×2m)導致枯死木多，且遇較大風雪火炬松會嚴重雪折，生長與適應性差于馬尾松[9]。林下天然更新有少量栓皮櫟(Quercusvariabilis)、鹽麩木(Rhuschinensis)和黃檀(Dalbergiahupeana)等喬木樹種幼苗和幼樹。主要灌木有少量山胡椒(Linderaglauca)、白馬骨(Serissaserissoides)和黃荊(Vitexnegundo)等；主要草本有青綠薹草(Carexbreviculmis)、高粱藨(Rubuslambertianus)、金櫻子(Rosalaevigata)等。

3 研究方法

3.1 樣地設置與調查

2020年10月選擇立地條件與生長狀況基本一致的17 a生人工火炬松林，設置一個100 m×100 m調查樣地，總面積為1.0 hm2。在主林層選擇生長旺盛、干形通直，無機械損傷和無病蟲害的林木作為目標樹，目標樹平均間距約為8.0 m(162.6株/hm2)；同時選擇影響目標樹生長的干擾木，每株目標樹選擇1～3株干擾木。于同年11月月采伐干擾木，同時伐除枯死木和影響林木生長的藤蔓。根據采伐前后的林分蓄積計算獲得平均間伐強度，即輕度間伐LT(14.4%)、中度間伐MT(25.3%)、強度間伐HT(36.0%)和對照CK(0%)。在不同采伐強度中設立62個5 m×5 m的方形樣方，其中CK中6個，LT中17個，MT中23個，HT中16個，總面積1550 m2，用于持續觀測林下天然更新。2020年11月初查樣方內天然更新情況，2021年11月復查樣方內天然更新的木本樹種、數量和生長狀況并每木標記掛牌。

3.2 測定指標與方法

3.2.1 重要值

統計樣方內所有天然更新木本植物的種數，并計算物種重要值，公式如下：

IV= (RD+RP+RF)/3

(1)

式(1)中：IV表示更新物種的重要值；RD為相對多度；RP為相對優勢度(1 a生更新苗優勢度和相對優勢度以苗高計算)；RF為相對頻度[14]。

3.2.2 更新密度

應用更新密度描述林分的天然更新特征[15]。

(2)

3.2.3 更新物種多樣性

應用物種多樣性種數S、Shannon-Weiner指數、Pielou均勻度、Simpson指數描述更新多樣性。

物種豐富度：R=S

Shannon-Weiner指數:

(3)

Pielou均勻度指數:

(4)

Simpson優勢度：

(5)

式(3)～式(5)中：S為種i所在樣方中物種的種數；Pi為第i個種數量占更新總株數的比例；ni表示某一物種的個體總數，N表示全部物種的個數。

4 結果與分析

4.1 天然更新物種組成

1 a后不同間伐強度更新物種重要值見表1。查樣方內共調查到更新的維管束植物41種，隸屬于24科36屬。其中喬木18科23屬25種。灌木14科15屬16種。間伐1 a后，HT各樣方共調查到物種31種，喬木18種，灌木13種；MT各樣方共調查到物種31種，喬木19種，灌木12種；LT各樣方共調查到物種27種，喬木17種，灌木10種；CK各樣方共調查到物種15種，喬木11種，灌木4種；不同間伐強度天然更新物種種數均高于CK，喬木更新種的植物種數的增幅大于灌木層物種。

間伐1 a后，HT對應前10個重要值最大物種均為落葉喬木或灌木，且重要值之和達到了56.25%，優勢種主要有栓皮櫟、柘和烏桕等落葉喬木；MT對應前10個重要值最大物種均為落葉喬木或灌木，且重要值之和達到了55.72%，栓皮櫟、烏桕和黃檀等落葉喬木為優勢種；LT對應前10個重要值最大物種主要為落葉喬木或灌木，僅一個常綠灌木，重要值之和達到了68.45%，該間伐強度的物種組成發生變化，以苦櫧、君遷子和柘等落葉喬木為主；CK對應前10個重要值最大物種主要為落葉喬木或灌木，僅一個常綠喬木，重要值之和達到了76.94%；除栓皮櫟等喬木物種外，白馬骨和美麗胡枝子等灌木物種的優勢較強。隨間伐強度增大，更新物種的種數相應增大，優勢物種的組成發生變化，逐漸形成灌木主導向喬木主導過渡的趨勢。

4.2 天然更新物種類別

間伐1 a后天然更新木本植物特征見表2。天然更新常綠木本物種豐富度隨間伐強度增大而增大，落葉物種豐富度隨間伐強度增大呈現先增大，HT強度減少。CK的常綠物種僅有1株樟，平均苗高即為單株苗高，為70 cm，不具有算術意義；整體而言，常綠物種平均苗高隨間伐強度增大呈先降后增趨勢；落葉物種隨間伐強度增大而逐漸增大；落葉物種苗高大于常綠物種。不同間伐強度常綠物種數量先增后減，變化幅度較小，但落葉物種的數量遠高于CK；常綠物種在CK的株樹密度最小，但落葉物種在CK的株樹密度最大，其他不同強度株樹密度差異較小。不同間伐強度落葉物種的重要值遠大于常綠物種。間伐促進了物種天然更新，且落葉更新物種在數量和優勢度上均遠高于常綠物種。

4.3 天然更新物種多樣性

物種豐富度隨間伐強度增大而增大；隨間伐強度增大，Shannon-Weiner指數、均勻度指數和Simpson優勢度指數均呈現減小—升高—減小；更新苗木平均高度先降再升，HT強度平均高度達最大值(36.9 cm)；株樹密度CK最低(650株/hm2)，在LT時達到最大值(1359株/hm2)，后逐漸下降(表3)。

5 結論與討論

目標樹經營降低林分密度為目標單株提供良好的生長環境，改善林分內光資源的分配，進而影響林下植物的物種組成和更新[16]。本研究中，間伐后初期結果表明：目標樹經營促進了火炬松人工林天然更新豐富度和更新數量，促進了更新林木的優勢度，且落葉物種的數量和生長勢均高于常綠物種。通過伐除對目標樹生長有影響的干擾木，改善了火炬松林下環境，使光照、溫度和土壤生化條件得以改善，有利于林下天然更新。除LT外，栓皮櫟、柘、烏桕等陽性物種為不同間伐強度下天然更新的優勢種或亞優勢種，耐陰物種白馬骨為CK的優勢種，栓皮櫟、柘和刺楸為亞優勢種，說明間伐強度增大對先鋒樹種的影響并不明顯，此結論與修勤緒等[17]研究目標樹經營對黃土高原油松人工林天然更新影響得到的結果一致，一方面，說明林下光環境是喜光植物幼樹生長、發育的重要限制性因子[18]；另一方面，先鋒樹種如栓皮櫟等在幼苗階段均具有一定的耐蔭能力，不同間伐強度和CK大都表現出較高優勢度。

適度的林分密度干擾能維持較高的物種多樣性，提高樹種混交度有利于減緩林木間的競爭程度[19]。天然更新和更新物種多樣性在理論上應與間伐強度存在對應關系，即隨間伐強度增大，物種豐富度越大。然而研究卻發現，CK的平均苗高和較高的Simpson優勢度，主要貢獻因子來自美麗胡枝子、白馬骨、山胡椒等灌木物種的苗高和數量優勢。間伐強度增大對林下更新物種的Shannon多樣性指數影響并不大。這可能由于Shannon多樣性指數主要反映物種多樣性的二元特征，間伐后短期內更新物種在數量分布上存在較大差異造成的。整體而言，目標樹經營顯著改善了火炬松人工林的光環境，增大間伐強度促進林下天然更新物種豐富度和林木數量，促進了物種的優勢度和林下苗木的健康生長。而闊葉鄉土樹種的增加有利于促進林分的復層、異齡與混交構建[20]。天然更新短期效應表明，目標樹經營適合鄂中地區人工火炬松林的近自然化改造目標。

表1 不同經營強度下火炬松林各更新木本植物重要值(%)

表2 天然更新木本植物特征

表3 天然更新木本植物物種多樣性

綜合評價天然更新豐富度、Shannon指數和Simpson優勢度等指標，MT(25.3%)更有利于促進火炬松林下天然更新。由于本研究經營僅為1 a，目標樹經營促進天然更新物種多樣性和生長勢長期效果待進一步研究。