落葉松人工林冠下光環(huán)境對更新幼樹生長的影響1)

歷胤男 劉盛 李國偉 劉慶忠

(北華大學(xué)，吉林，132013)

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落葉松人工林冠下光環(huán)境對更新幼樹生長的影響1)

歷胤男 劉盛 李國偉 劉慶忠

(北華大學(xué)，吉林，132013)

采用冠層分析系統(tǒng)對落葉松人工林冠下人工更新落葉松幼樹的光環(huán)境進(jìn)行了調(diào)查。依據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)分析了直射光指數(shù)、散射光指數(shù)、綜合光指數(shù)與幼樹死亡率、樹高生長量和地徑生長量的關(guān)系，結(jié)果表明：所選3個光照指數(shù)大小對落葉松幼樹死亡率、樹高和地徑生長量均有顯著影響，冠下落葉松幼樹死亡率隨光照指數(shù)的增大而減小，樹高和地徑生長量隨光照指數(shù)的增大而增大。光照指數(shù)在小于0.25時，死亡率最高，樹高和地徑生長量處于最低水平；當(dāng)直射光指數(shù)和綜合光指數(shù)在0.25～0.45時，是落葉松幼樹在林下維持生存的基本光照平衡區(qū)間；在大于0.45時，幼樹的保存率和生長表現(xiàn)出了旺盛的狀態(tài)，說明落葉松在林冠下更新造林的直射光指數(shù)和綜合光指數(shù)不應(yīng)小于0.45。3個光照指數(shù)之間沒有顯著的好壞差別，呈現(xiàn)了相同的規(guī)律性。只是對于幼樹死亡率的影響，散射光指數(shù)不如直射光指數(shù)敏感，同時也說明直射光對于幼樹的生存具有更重要的意義。

落葉松人工林；冠下更新；光照指數(shù)；死亡率；生長量

Using canopy analysis system (HemiView) under canopy of artificial regeneration artificial larch, we investigated the sapling light environment. According to the survey data we analyzed the direct light index (DSF), light scattering index (ISF), integrated optical index (GSF) and sapling mortality, tree height growth quantity and diameter growth. The three selected light index sizes of larch sapling mortality, tree height and diameter growth were significantly affected. Under the canopy of larch, the sapling mortality was decreased with the increase of light index, the growth of tree height and ground diameter was increased with the increase of the index of light. Under the light index of less than 0.25, there was the highest mortality, tree and lowest height and diameter growth. When the direct light index and comprehensive index were in 0.25-0.45, the light was in forest survive basic lighting balance interval for larch sapling. When light index was greater than 0.45, the survival rate and growth of young trees showed a strong state, indicating that larch under the canopy of reforestation direct light index and comprehensive index should not be less than 0.45. For stand and fall, there was no significant difference between three light indexes with the same regularity. For the mortality rate of young trees, the sensitive effect of ISF was less than DSF, indicating that direct light was important in the survival of the young trees.

中國人工林面積已居世界首位[1]，占全國森林面積的20%；在我國東北林區(qū)，落葉松(Larixolgensis)是人工更新的主要樹種[2]，到目前為止，在所有人工造林樹種中的保有面積是最大的。長期的人工林經(jīng)營使人們發(fā)現(xiàn)，大面積的人工純林存在很多弊端[3]，如群落結(jié)構(gòu)簡單、缺乏生物多樣性、林地退化、病蟲害嚴(yán)重等[4]。

對于進(jìn)入主伐年齡的人工林，目前的經(jīng)營方式主要是皆伐，然后在皆伐跡地上再造林，這種主伐方式易造成水土流失；在環(huán)境條件較好的地方，光環(huán)境的巨大變化使林地上的雜草迅速生長，由于造林幼樹的高生長速度趕不上雜草，使造林幼樹被雜草欺死的現(xiàn)象普遍存在，造林保存率不高，形成了大量的人天混林分。同時，這種主伐方式一般需要撫育3 a，多采用3-2-1撫育方式，增加了人工撫育的成本。因此，在大量人工林陸續(xù)進(jìn)入主伐年齡的今天，探討人工林經(jīng)營方式，特別是主伐利用方式是我國東北林區(qū)仍至全國面臨的重要課題。

在近自然森林經(jīng)營理念等現(xiàn)代森林經(jīng)營理論的影響下，我國對人工林的近自然經(jīng)營也進(jìn)行了大量的研究探索，形成了一定的共識，即對成過熟的人工林進(jìn)行擇伐后，在其林冠下再造人工林，由于上層林冠的庇蔭，林地光環(huán)境不致于變化劇烈，為下層造林幼樹的生長提供了保護(hù)，避免了上述人工林主伐利用所產(chǎn)生的弊端。逐步將單層的人工同齡純林改造成復(fù)層異齡林或復(fù)層異齡混交林，并最終向近自然的天然林相轉(zhuǎn)變[5]。

在人工林冠下再造林時，林下光環(huán)境是林冠下造林幼樹生長、發(fā)育的重要限制性因子[6]。上層林冠結(jié)構(gòu)對光的透射、反射和吸收有很大的影響，并且改變著光照的成分[7]。冠下光照可分為直射光(穿過林冠空隙直接照射到林下的光)和散射光(從任意方位反射到林下的光)[8]。林冠結(jié)構(gòu)的不同導(dǎo)致了直射光和散射光對林下總光照貢獻(xiàn)率不同[9-10]，從而對林冠下幼樹的生長產(chǎn)生不同的影響。目前,對林冠下光照強(qiáng)度的研究存在一定的局限性，如光照指標(biāo)的選擇較為單一，光照強(qiáng)度多為間接測定，準(zhǔn)確程度不高等[11]。近年來，一種基于半球面影像技術(shù)的冠層分析系統(tǒng)使林分光環(huán)境研究進(jìn)入到了精確定量研究的階段，通過野外數(shù)碼取樣，然后在專用軟件中進(jìn)行分析，它可以準(zhǔn)確、方便地確定林分光輻射與冠層結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且具有良好的穩(wěn)定性和精確度[12]。

本文運(yùn)用冠層分析系統(tǒng),對吉林蛟河落葉松人工林冠下的光環(huán)境結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了分析，共測定了483株落葉松冠下更新幼樹的直射光指數(shù)、散射光指數(shù)和綜合光指數(shù)[13]，并分析了這3個光照指數(shù)與冠下更新幼樹的生長之間的關(guān)系，為探索人工林冠下更新幼樹的生長和存活條件問題，研究更新幼樹對冠下光環(huán)境的響應(yīng)提供參考。

1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地選在吉林省蛟河林業(yè)實(shí)驗(yàn)區(qū)管理局葦塘溝，行政區(qū)域位于蛟河市東北部42 km處的前進(jìn)鄉(xiāng)境內(nèi)，地理坐標(biāo)為北緯43°51′～44°05′，東經(jīng)127°35′～127°51′。屬長白山系張廣才嶺西南坡余脈，海拔高度在330～1 176 m，該區(qū)多為中山低山地貌，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全區(qū)年均氣溫4.1 ℃，最低平均氣溫為-31.8 ℃，最高平均氣溫為29.5 ℃，年平均降水量為723.2 mm，土壤類型主要以暗棕壤為主，表土層厚度平均為20 cm，土壤比較肥沃，利于森林植被生長。轄區(qū)內(nèi)植被屬長白山植物區(qū)系，原地帶性頂極群落為紅松闊葉林，主要林分類型為天然針闊混交林。

2 材料與方法

選擇林地平坦，立地條件一致的近成熟落葉松人工林2.0 hm2，2014年1月對試驗(yàn)地進(jìn)行了擇伐，2014年4月在林冠下選取苗齡、遺傳性狀一致的人工落葉松幼樹進(jìn)行栽植。試驗(yàn)地上層落葉松林的平均直徑22.4 cm，平均樹高19.6 m；下層栽植長白落葉松幼樹483株，苗齡2 a，平均苗高40 cm，苗木地徑平均值為0.6 cm，造林株行距1.5 m×2.0 m。在栽植前對冠下更新試驗(yàn)地進(jìn)行了清林，并于2014、2015年的7月調(diào)查了試驗(yàn)地冠下栽植幼樹的成活情況、樹高生長量、地徑生長量。

冠下光環(huán)境指標(biāo)的測定：2014年8月末在試驗(yàn)地內(nèi)，應(yīng)用冠層分析儀(Nikon Coolpix 8400型數(shù)碼相機(jī)+180°魚眼鏡頭)，對在落葉松人工林冠下栽植的483株幼樹的上方天空全部進(jìn)行了拍攝，獲取幼樹的半球形數(shù)碼圖像，將所拍攝圖像輸入到計(jì)算機(jī)上(如圖1)，應(yīng)用HemiView軟件逐一分析幼樹得到了多個光環(huán)境指標(biāo)，從中選用了有代表性的3個光環(huán)境指標(biāo)，即直射光指數(shù)(冠下直射光輻射與冠上直射光輻射的比值)、散射光指數(shù)(冠下散射光輻射與冠上散射光輻射的比值)、綜合光指數(shù)(冠下總光輻射與冠上總光輻射的比值)。本文通過光照指數(shù)值來表示光照強(qiáng)度，光照指數(shù)值小，表示光照較弱；光照指數(shù)值大，表示光照較強(qiáng)。

圖1 HemiView冠層分析儀獲取的造林幼樹上方光環(huán)境圖像

數(shù)據(jù)的處理：為了便于統(tǒng)計(jì)分析，對HemiView軟件計(jì)算得到的3個光照指數(shù)(I)分別按I≤0.25，0.25

3 結(jié)果與分析

3.1 冠下光照指數(shù)與長白落葉松死亡率的關(guān)系

調(diào)查結(jié)果顯示，在落葉松人工林冠下栽植落葉松幼樹共計(jì)483株，其中，成活幼樹總數(shù)336株，死亡幼樹147株，栽植的第1、2年分別有68株和79株幼樹死亡。落葉松幼樹的2 a保存率為69.57%，死亡率30.43%，其中,第1年死亡幼樹數(shù)量占死亡幼樹總數(shù)量的46.26%，第2年死亡幼樹數(shù)量占死亡幼樹總數(shù)量53.74%。

由表1可知，從死亡率的綜合趨勢來看，隨著光照指數(shù)的增大，落葉松幼樹的死亡率總體呈下降趨勢，這說明落葉松在冠層下的耐蔭性較差，光照是制約落葉松冠下造林苗木成活的關(guān)鍵因素之一。

對落葉松幼樹的死亡率按光照強(qiáng)度進(jìn)行區(qū)間統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：綜合光指數(shù)I≤0.25時，死亡率最高，占死亡總數(shù)的66.67%，綜合光指數(shù)在0.25～0.45時死亡率趨于平緩，綜合光指數(shù)在大于0.45之后，死亡率大大降低，不足10%。按直射光指數(shù)區(qū)間分的落葉松幼樹死亡率趨勢與綜合光指數(shù)相同。按散射光指數(shù)區(qū)間分：散射光指數(shù)小于0.3時，死亡率最高達(dá)50%，然后隨散射光指數(shù)的增加死亡率逐漸降低，在散射光指數(shù)大于0.45之后，死亡率趨近于0。也就是說，直射光和散射光對幼樹的存活表現(xiàn)出了不同的規(guī)律性。

表1 不同冠下光照指數(shù)與造林幼樹死亡率的關(guān)系

如表2所示的雙因素方差分析結(jié)果，不同光照指數(shù)區(qū)間有顯著差異，說明不同光照強(qiáng)度對死亡率有顯著影響，高光照強(qiáng)度的死亡率顯著低于低光照強(qiáng)度。不同光照指數(shù)類型差異不顯著，說明直射光指數(shù)、散射光指數(shù)、綜合光指數(shù)對死亡率的影響沒有顯著差異。如表3所示，多重比較結(jié)果表明具有相同字母的光照指數(shù)區(qū)間(0.25～0.30、0.30～0.35、0.35～0.40和0.40～0.45)差異不顯著，也就是說在光照指數(shù)區(qū)間小于0.25時，平均死亡率為61.11%，與其他光照指數(shù)區(qū)間均差異顯著，且死亡率最大。光照指數(shù)區(qū)間在0.45～0.50和0.50～0.55之間沒有顯著差異。

表2 落葉松幼樹死亡率雙因素方差分析

表3 不同光照指數(shù)區(qū)間幼樹平均死亡率的多重比較

注：表中不同字母表示差異顯著。

3.2 光照指數(shù)對落葉松幼樹樹高生長量的影響

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，冠下栽植的落葉松幼樹樹高生長量范圍是0～75 cm，均值是11.85 cm，標(biāo)準(zhǔn)差是10.93 cm。由表4可見，樹高生長量隨著光照指數(shù)的增加呈明顯增大的趨勢，說明落葉松屬于陽性樹種，對陽光的需求較大，較強(qiáng)的光照對落葉松樹高生長有較強(qiáng)的增益效果。

表4 冠下光照指數(shù)對樹高生長量的影響

如表5所示的雙因素方差分析結(jié)果，不同光照指數(shù)區(qū)間有顯著差異，說明不同光照強(qiáng)度對樹高生長量有顯著影響。不同光照指數(shù)類型之間差異不顯著，說明直射光指數(shù)、散射光指數(shù)、綜合光指數(shù)對樹高生長量的影響沒有顯著差異。如表6所示，多重比較結(jié)果表明具有相同字母的光照指數(shù)區(qū)間差異不顯著，也就是說在光照指數(shù)區(qū)間小于0.2時，平均樹高生長量為6 cm，與其他光照指數(shù)區(qū)間均差異顯著，且生長量最小。光照指數(shù)區(qū)間在0.25～0.45之間樹高生長量變化不大，維持在10～12 cm。光照指數(shù)在大于0.40之后，樹高生長量迅速增加超過平均值，這一規(guī)律與幼樹死亡率是相同的，進(jìn)一步說明林冠下的直射光、散射光或綜合光照指數(shù)應(yīng)該大于0.40。

表5 落葉松幼樹樹高生長量雙因素方差分析

表6 不同光照指數(shù)區(qū)間幼樹平均樹高生長量的多重比較

注：表中不同字母表示差異顯著。

3.3 冠下光照指數(shù)對落葉松幼樹地徑生長量的影響

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，冠下栽植落葉松幼樹的地徑生長量范圍為0～0.77 cm，均值為0.16 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.13 cm。由表7可見，地徑生長量的趨勢與樹高生長量相近，隨著光照指數(shù)的增加呈明顯增大的趨勢，較強(qiáng)的光照能夠促進(jìn)落葉松地徑的生長。

表7 冠下光照指數(shù)對地徑生長量的影響

如表8所示的雙因素方差分析結(jié)果，不同光照指數(shù)區(qū)間有顯著差異，說明不同光照強(qiáng)度對地徑生長量有顯著影響。不同光照指數(shù)類型(直射光指數(shù)、散射光指數(shù)、綜合光指數(shù))之間差異不顯著。如表9所示，多重比較結(jié)果表明具有相同字母的光照指數(shù)區(qū)間差異不顯著，也就是說在光照指數(shù)區(qū)間小于0.25時，與其他光照指數(shù)區(qū)間均差異顯著，且生長量最小。光照指數(shù)區(qū)間在0.25～0.45之間均沒有顯著差異，地徑生長量略有下降，變化幅度不大，光照指數(shù)在大于0.45之后，生長量迅速增加超過平均值。

表8 落葉松幼樹地徑生長量雙因素方差分析

表9 不同光照指數(shù)區(qū)間地徑平均生長量的多重比較

注：表中不同字母表示差異顯著。

4 結(jié)論與討論

林下光照強(qiáng)度是制約落葉松冠下造林苗木成活和生長的關(guān)鍵因素之一，光照強(qiáng)度的增加會顯著降低落葉松造林幼樹的死亡率，提高樹高和地徑生長量。冠下落葉松幼樹死亡率隨所選3個光照指數(shù)的增大而減小，樹高和地徑生長量隨光照指數(shù)的增大而增大。光照指數(shù)I≤0.25時，死亡率最高，樹高和地徑生長量處于最低水平；當(dāng)光照指數(shù)在0.25～0.45時，落葉松幼樹的死亡率占死亡總株數(shù)的比例維持在30%～35%(除散射光指數(shù)外)，同時樹高生長量維持在10～12 cm之間、地徑生長量維持在0.12～0.16 cm之間，在這一區(qū)間內(nèi)不隨光照指數(shù)的變化而變化，說明這一區(qū)域是幼樹存活和生長的基本光照平衡區(qū)間；當(dāng)光照指數(shù)大于0.45時，幼樹表現(xiàn)出生長旺盛的狀態(tài)，存活率大幅度提高；綜合來看，落葉松在林冠下更新造林的直射光指數(shù)和綜合光指數(shù)不應(yīng)小于0.45。對落葉松造林幼樹存活和生長的影響，所選3個光照指數(shù)之間沒有顯著的好壞差別，呈現(xiàn)了相同的規(guī)律性。只是對于幼樹死亡率的影響，散射光指數(shù)不如直射光指數(shù)敏感，同時也說明直射光對于幼樹的生存具有更重要的意義。

通過對上述數(shù)據(jù)的分析可見，在林冠下營造落葉松，當(dāng)光照指數(shù)I≤0.25時，造林成活率不能滿足造林技術(shù)規(guī)程的要求；當(dāng)光照指數(shù)大于0.45時，落葉松幼樹的死亡率會迅速下降、樹高生長量和地徑生長量迅速增加。單從這一數(shù)據(jù)來看，林冠下營造落葉松的光照強(qiáng)度不應(yīng)低于0.45，但是，此時對應(yīng)的林下郁閉度小于0.3，在造林幼樹高速生長的同時，林下雜草的種類增多，蓋度大大增加，在撫育不及時的時候，存在雜草欺苗現(xiàn)象。因此，在此種光照強(qiáng)度的林下造林，前3年每年應(yīng)清除苗木周圍雜草2～3次。

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Li Yinnan, Liu Sheng, Li Guowei, Liu Qingzhong

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Artificial larch forest; Updating under the canopy; Light index; Mortality rate; Growth rate

1)國家林業(yè)局“948”項(xiàng)目(2013-4-73)。

歷胤男，男，1989年3月生，北華大學(xué)林學(xué)院，碩士研究生。E-mail:904316358@qq.com。

劉盛，北華大學(xué)林學(xué)院，教授。E-mail:shliu64@sina.com。

2016年3月2日。

S725

責(zé)任編輯：潘 華。