祁連山青海云杉林動態監測大樣地林分斷面積對其天然更新的影響研究

薛春 許爾文 趙維俊 王順利 張克海

(甘肅省祁連山水源涵養林研究院，甘肅 張掖 734000)

森林天然更新是實現森林生態系統自我可持續發展的必然路徑，其對森林群落的組成、結構、功能及其生物學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學和森林經營管理學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，使得森林的可持續發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，年齡結構及動態，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、種內種間競爭等因子著手[5，6]，對于林分結構對更新的影響研究較少，然而林分結構是直接影響森林更新的最關鍵因素之一[7]，這在相關研究中得到了佐證，即林分結構包括水平結構和垂直結構影響林下的光照條件、水分供應、營養吸收等環境資源的有效性，進而影響林下更新苗的萌芽、存活和生長，而且林分結構是最有可能被人為干預調控的因子[8]。因此，開展森林林分結構對天然更新的影響研究，有助于揭示林分空間結構因子與更新格局及動態之間的相互作用機制及潛在機理，從而采取可能的措施促進天然更新，為實現森林的發展正向演替提供基礎。

青海云杉(Picea crassifolia)作為祁連山針葉林生態系統的優勢種之一，其在涵養水源、保持水土、固碳增匯等方面發揮著重大的生態作用。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，生態系統脆弱度逐漸升高[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，不易采用間伐、皆伐、擇伐等干擾方式進行撫育改造。針對祁連山青海云杉林面積的萎縮和不易進行人工更新，如何優化低產低效的次生林結構，恢復退化和受損的青海云杉林生態系統，提高其生態服務功能，是擺在面前亟需解決的科學問題。本研究主要探討林分結構中的斷面積對其天然更新的影響，因為一些研究認為，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斷面積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和林分結構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青海云杉林天然更新。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

本研究選擇甘肅省祁連山水源涵養林研究院在祁連山肅南縣馬蹄林場內的典型試驗流域——大野口流域，目前已有許多單位和專家及學者在該流域開展了大量的科學試驗研究。該流域面積約為80km2，年均降水量為400mm，年均蒸發量為1488mm，年均相對濕度為60%[10]，氣候屬于半濕潤森林草原氣候[11]。海拔落差2400～4000m，地形條件復雜，使得流域內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的土壤類型。本研究的研究對象對應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。喬木林群落結構有灌木層、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。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

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

所有的數據均在Excel進行整理和統計，更新苗樣方內更新苗密度、平均基徑、平均株高和林分斷面積的描述性統計分析均在SPSS19.0軟件中完成，其中平均基徑、平均株高為每個樣格內所有更新苗個體的基徑、株高的平均值。變異系數的計算公式：

變異系數CV(%)=標準偏差(SD)/平均值(Mean)×100%

對林分斷面積與更新苗生長指標包括密度、平均基徑、平均株高和林分斷面積進行正態分布檢驗，如符合正態分布，則進行雙側檢驗，勾選Person相關系數進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 青海云杉林更新苗數量特征

對祁連山青海云杉林動態監測大樣地內林下108個更新苗樣方的青海云杉更新苗進行了統計分析，見表1。由表1可知，大樣地內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，其變異系數達到了117.54%，表現為極強度的變異，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，變異系數依次為49.99%和42.11%，表現為中等強度的變異。

表1 青海云杉更新苗數量特征

2.2 林分斷面積數量特征

對祁連山青海云杉林動態監測大樣地內108個更新苗樣方所在的青海云杉林林分斷面積進行了統計分析，見表2。由表2可知，林分斷面積的均值大小為697.89cm2·hm-2，最小值為2.54cm2·hm-2，最大值為2568.44cm2·hm-2，其變異系數為76.68%，表現為中等強度的變異，表明青海云杉成年個體也趨向斑塊性聚集分布。

表2 青海云杉林分斷面積數量特征

2.3 林分斷面積與更新苗生長的關系

對青海云杉林動態監測大樣地更新苗樣格內林分斷面積與更新苗密度、基徑和苗高進行了相關性分析，見表3。由表3可知，林分斷面積與更新苗密度之間呈顯著負相關(P<0.01)，與更新苗平均基徑、平均株高之間無顯著相關性(P>0.05)；更新苗密度與其平均基徑之間呈極顯著負相關(P<0.01)，與平均株高之間呈顯著負相關(P<0.05)；更新苗平均基徑與其平均株高呈極顯著正相關(P<0.05)。

表3 青海云杉林分斷面積與更新苗密度、基徑和苗高的

3 結論與討論

祁連山青海云杉林動態監測大樣地更新苗樣方的更新苗數量特征(更新苗密度、平均基徑和株高)及其所在樣地的林分斷面積數量特征表明，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]研究結果結論一致，原因是更新苗的這種分布格局是由其生物學特性決定的，有利于更新苗初期階段包括更新苗萌發、發育和生長。本研究表明，青海云杉林分斷面積與更新苗密度呈顯著負相關，說明林分斷面積的增加，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、發育和生長；相反，在林分斷面積較小時，林下光照條件和營養物質相對充足，有利于更新苗的繁殖生長。該研究結論與董莉莉等[8]對遼東蒙古蒙古櫟林對天然更新的影響不一致，該研究認為，在一定的基面積內，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行人為干預，如通過對林分內的枯死木、風倒木、枯死木、衰弱木清理，增加林分內更新苗的生長空間，為更新苗萌發、發育和生長創造生長資源，實現單一林層向復層林或者異齡林方向發展，實現青海云杉林生態系統的可持續性發展，更好地發揮其生態服務功能。